CC BY
38
5 декабря 2011 r. 14:47
Г
ТЕХНОЛОГИИ
Энергетические аспекты аудиоинформационных устройств
Ключевые слова:
энергопотребление, устройство, снижение, качество, речь, аудиожформационное устройство, оборудование
Рассмотрены вопросы энергопотребления оконечных радиоэлектронных устройств находящихся у пользователей. Их суммарная доля в общем бытовом энергопотреблении превысила пятнадцать процентов и продолжает расти. Представлены прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) и обзор технологии снижения энергопотребления Least Ufe-cyde Cost (LLCC) . На примере аудиоинформационных устройств показаны возможные способы снижения энергопотребления оконечного оборудования. Выполнено исследование энергетической эффективности данных способов и произведена оценка качества передачи речи, при их применении, в аудиоинформационных устройствах. Способы снижения энергопотребления разделены на две группы, использование которых вызывает и не вызывает затруднения при прослушивании информации у абонентов.
Рысин Ю.С.,
профессор, к.т.н., доцент, МТУСИ [email protected]
Манонина И.В.,
инженер-электроник 1 кат., МТУСИ, [email protected]
Терехов А.Н.,
заведующий лабораторией, МТУСИ, [email protected]
Аудиоинформационные устройства (АиУ), в зависимости от их назначения, относятся как к изделиям информационно-коммуникационных технологий (ИКТ), так и к бытовой электротехнике (БЭ). Их применение позволяет пользователям более комфортно использовать телекоммуникационные услуги с одной стороны, и приводит к увеличению общего энергопотребления с другой [ 1 ]. Задачей работы является исследование способов снижения энергопотребления АиУ и оценка степени их влияния на качество телефонного общения. За прошедшие пять лет, произошёл стремительный рост энергопотребления электрическими и электронными устройствами как в странах входящих в Организацию экономического сотрудничества и развития (ОЭСР), так и в не входящих в ОЭСР странах Изделия ИКТ и БЭ составляют приблизительно 15% от общего бытового энергопотребления.
По предварительным прогнозам Международного энергетического агентства (МЭА) в будущем ИКТ и оборудование БЭ займут большую долю бытового энергопотребления, если не будут приняты меры для увеличения эффективности использования энергии. МЭА ожидает, что энергопотребление этими устройствами
удвоится к 2022 г. и утроится к 2030 г. (рис 1). К концу периода глобальное использование электричества домашним ИКТ и оборудованием БЭ может достигнуть 1700 ТВт, потребовав дополнительной выработки 280 ГВт электроэнергии.
Мировое принятие технологии Least Ufe-cyde Cost (LLCC) (минимальные затраты за срок службы) снизило бы энергопотребление приблизительно на 30% к 2030 г. Переход к совершенным технологиям, доступным сегодня, позволил бы сохранить до 40% бытового энергопотребления для большинства типов электроприборов [2]. Применение следующих мер позволит уменьшить энергопотребление ИКТ и оборудованием БЭ, в частности АиУ:
1. Получение максимальной мощности в нагрузке (достижение согласованного режима). Для достижения условия согласованного режима необходимо равенство сопротивлений нагрузки и источника электропитания [3] с учетом сопротивления линии доставки — абонентской линии (АЛ) (в случае ограничения тока — необходимо согласование сопротивлений ограничивающего ток и сопротивления нагрузки). Данный способ более подробно рассмотрен в [4].
2. Снизить потребляемую мощность существующих электронных компонент, возможно за счёт уменьшения частоты дискретизаций (скорости записи данных), но это в свою очередь приведёт к ухудшению качества речи.
Оптимальными, для применения в АиУ, являются дискретно-аналоговые накопители речевой информации (ДАНРИ), объединяющие в себе преимущества современных кодеков и накопителей информации (НИ).
В отличие от кодеков, в ДАНРИ отсутствуют АЦП и ЦАП, со свойственными им шумами квантования, а речевой сигнал запоминается в виде дискретных отсчётов аналогового сигнала без перевода его в цифровую форму. Результаты проведённых измерений качества передачи речевого сигнала, представлены на рис. 2. При этом снижение частоты дискретизации в ДАНРИ с 8 до 4 кГц вызывает уменьшение абонентской оценки качества речи с "отлично" до "хорошо". Результаты исследования зависимости мощности потребления ДАНРИ от частоты дискретизации представлены на рис. 3. Снижение частоты дискретизации в 2 раза вызывает уменьшение мощности потребляемой ДАНРИ в 1,8 раза.
но кем мире
европейские с■ рамы ОЭСТ ■ тихоокеанские страны ОЭСР деевераамермкамские страны О'Х'Р
Рис 1. Прогноз МЭА энергопотребления бытовыми устройствами
20
T-Comm #6-2010
А
У
ТЕХНОЛОГИИ
70%
ДАНРИ
Рис. 6. Потребление мощности разли'«ь*ли блоками АиУ
где 1АЛтах — максимальный потребляемый ток;
_ максимально возможное снижение напряжения электропитания АТС (43,2; 54 В); Я(УЬт — активное сопротивление дросселя (500±50 Ом); Кдр — сопротивление используемой АЛ [5].
Значение ^АЛ может быть определено по формуле:
я,
= 2Л.
(21
іде Ідд — длина АЛ (мах 5 км); — электри-
ческое сопротивление токопроводящей жилы постоянному току (определяется из [6]). Рассчитанный по (1) и (2) максимальный ток, который возможно потребить от АТС посредством АЛ в разговорном режиме (при наиболее неблагоприятных условиях эксплуатации — напряжение станционного источника 54 В, максимальная длина абонентской линии), составляет 24 мА
На рис 6 представлена диаграмма мощности потребляемой каждым из блоков входящих в состав АиУ Основной расход мощности приходится на три блока: ДАНРИ, выходной уси-
БСТЛ данного устройства являются выигрыш в энергетической эффективности и качестве передаваемой информации, за счет отсутствия помех сети электропитания. Упрощенной математической моделью является делитель напряжения:
- иых
(/?>Н
к,
(3)
литель и микроконтроллер. При этом ДАНРИ в 2,3 раза превосходит по потреблению все остальные блоки АиУ Все прочие блоки и элементы, входящие в состав АиУ, составляют 7% от общего энергопотребления АиУ Способы 2-4 возможно применять как к типовым АиУ с электропитанием от сети постоянного тока 60В (-220 В), так и к АиУ с ЭПИ. Эквивалентные схемы с различными типами нагрузок (типовой АиУ; АиУ с ЭПИ) представлены на рис. 7, где — эквивалентное сопротивление АЛ; БП — блок питания АиУ; МП — массив памяти; БСТЛ — блок согласования с телефонной линией; ВУ — выходной усилитель; БИП — блок интерфейса пользователя; БУ—блок управления. Как видно из рис 7а, энергоснабжение типовых АиУ осуществляется от источника постоянного тока напряжением 60 В (либо сети 220 В). Мощность, отдаваемая в АиУ от АТС, расходуется в БСТЛ на разогрев активного элемента — резистора. При применении АиУ с ЭПИ (рис 76), мощность потребляемая от АТС в большей степени расходуется на электропитание АиУ, а также БСТЛ. Разогрев элемента и соответствующая потеря мощности практически отсутствуют (менее 5%). Преимуществами
где 1/^ — напряжение станционного источника; ЦуХ — напряжение на нагрузке; — эквивалентное сопротивление АЛ; — эквивалентное сопротивление нагрузки.
Применение вышеперечисленных мер позволит в 2 раза снизить энергопотребление в АиУ с ЭПИ. Эффективность их совместного применения более подробно рассмотрена в [4]. Оценочная стоимость технической реализации использования данных мер в АиУ с ЭПИ приведёт к увеличению его стоимости на 15%. Применение вышеперечисленных способов в АиУ позволяет увеличить процентное соотношение длин АЛ, обеспечивающих функционирование АиУ с ЭПИ до и после замены оборудования АТС с 92 до 98% (рис 8).
Выводы: Предложенные способы снижения энергопотребления в АиУ делятся на две категории: вызьвающие снижение качества передачи речи и нет. Выигрьш от их применения составляет соответственно 1,5 и 2,0 раза.
Их совместное использование приводит к снижению энергопотребления АиУ до 2,9 раз. Абонентская оценка комфортности (качества передачи речи) при этом снижается до 3,2 баллов, что является недопустимым для ТфОП.
Оценка, обеспечивающая комфортность телефонного общения, должна лежать в пределах 3,5-4,0 [7]. Такое значение, возможно,
достигнуть ПрИ применении способов, не при-
И
АТС
4К<60)В
мс
48<60>В
ВУ
»П
БСТЛ
а)
Лс 7. Эквивалентная схема АТС с а) типовым АиУ; 6) АиУ с ЭПИ 22
Т-Сотт #6-2010
Л
