›
›

Hệ thống thông tin trong hệ thống điện (Phần 1)

pdf 68 trang phuongnguyen 7040
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Hệ thống thông tin trong hệ thống điện (Phần 1)", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfhe_thong_thong_tin_trong_he_thong_dien_phan_1.pdf

Nội dung text: Hệ thống thông tin trong hệ thống điện (Phần 1)

  1. Lêi nãi ®Çu Hệ thống điện ngày càng phát triển, yêu cầu về quản lý chế độ đối với chúng càng cao nhằm đảm bảo chất lượng điện trong mọi tình huống. Muốn được như vậy trước hết phải truyền các thông tin về cấu trúc hệ thống cũng như các thông số chế độ. Từ các thông tin thu nhận được tại trung tâm điều thực hiện tính toán để rồi đưa ra các lệnh điều khiển hợp lý chính xác và nhanh. Cuốn sách “ Hệ thống thông tin trong hệ thống điện “ nhằm trợ giúp cho sinh viên, kỹ sư vận hành hệ thống điện những kiến thức cơ bản các tín hiệu, hệ thống thông tin, biến đổi tín hiệu, các nguyên lý ghép kênh cũng như giới thiệu các hệ thống thông tin như : Hệ thông tin vi ba, Hệ thông tin sợi quang, Hệ thông tin tải ba, Hệ thống HTC tổng hợp. Ngoài ra cuốn sách còn trình bày một số hệ thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp hiện nay. Nội dung cuốn sách gồm tám chương chính như sau: Chương một: Tổng quan về các tín hiệu và hệ thống thông tin. Chương hai: Giới thiệu về biến đổi tín hiệu. Chương ba: Giới thiệu các nguyên lý ghép kênh. Chương bốn: Giới thiệu hệ thông tin vi ba. Chương năm: Giới thiệu hệ thông tin sợi quang. Chương sáu: Giới thiệu hệ thông tin tải ba. Chương bảy: Giới thiệu hệ thống HTC tổng hợp. Chương tám: Giới thiệu một số hệ thống thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp hiện nay. 3
  2. Cuốn sách “ Hệ thống thông tin trong hệ thống điện “ được dùng chủ yếu cho sinh viên ngành Hệ thống điện, Công nghệ thông tin, đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ sư vận hành hệ thống điện, vận hành các hệ thống thông tin. Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cán bộ giảng dạy tại trường Đại học Điện lực đã tận tình giúp đỡ để hoàn thành cuốn sách này. Rất mong sự đóng góp của các độc giả để cuốn sách ngày một hoàn thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Hệ thống điện, trường Đại học Điện lực. Tel (04)22185612. Emai:hoapv@.epu.edu.vn Xin chân thành cảm ơn. Thay mặt tập thể tác giả PGS-TS PHẠM VĂN HÒA 4
  3. DANH MỤC CÁC CHƯ VIẾT TẮT AM Amplitude Modulation Điều biên BW Bandwich Dải thông của tín hiệu CAMAC Computer Application for Máy tính phục vụ cho đo Measurement And Control lường và điều khiển CC Coupling capacitor Tụ ghép nối CD Coupling Device Thiết bị ghép nối DCS Distributed Control System hệ thống điều khiển phân tán DSB Double Side Band Dải biên kép FAX Máy Facsimile FCS Field Control Station Trạm điều khiển hiện trường FDM Frequency Divison Ghép kênh theo tần sô Mutiplexing FM Frequency Điều tần HIS Human Interface Station Giao thức người-máy HV High Voltage Điện áp cao thế IIT Industrial Information Hệ thống thông tin công Technology nghiệp IIS Intergrated Information System Hệ thống thông tin tích hợp LSB Lower Side Band Các giải biên dưới LT Line Triap Cuộn cảm ( cuộn bẫy sóng) M Modem Giao diện PAM Pulse Amplitude Modulation Điều biên xung PAX Thiết bị chuyển mạch PC Personal Computer Máy tính các nhân PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung PLC Power Line Carrier Thiết bị thông tin tải ba PLC Programable Logic Controler Bộ vi điều khiển lập trình 5
  4. PM Phase Modulation Điều pha RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối SCADA Supervisory Control And Data thống điều khiển giám sát và Acquisition thu thập số liệu RP Rele Protection Bảo vệ rơ le SSB Single Side Band Dải biên đơn TDM Time Divison Mutiplexing Ghép kênh theo thời gian TIA Totally Integrated Automation Tự động tích hợp toàn diện USB Upper Side Band Các dải biên trên 6
  5. Ch­¬ng 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC TÍN HIỆU VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN §1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1.1.1 Nguồn tin nguyên thủy Nguồn tin nguyên thủy là tập hợp những tin tức nguyên thủy chưa qua một phép biến đổi nhân tạo nào ví dụ như: tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh v.v Như vậy tin tức được sinh ra nhờ các nguồn tin nguyên thủy. 1.1.2 Tín hiệu thông tin Tín hiệu thông tin là dạng vật lý chứa đựng tin tức và truyền lan trong hệ thống thông tin từ nơi gửi đến nơi nhận tin. Để cho đơn giản ta sẽ gọi tắt tín hiệu thông là tín hiệu. Có thể phân loại tín hiệu như sau: - Tín hiệu xác định: là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó được biểu diễn bằng một hàm thời gian đã hoàn toàn xác định. Biểu thức giải tích hay đồ thị thời gian của tín hiệu xác định là hoàn toàn được biết trước. Ví dụ : s(t) = A sin (ωt + φ) là tín hiệu hình sin có biên độ A, tần số góc ω và góc pha φ là 1 tín hiệu xác định. - Tín hiệu ngẫu nhiên: là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó không thể biết trước. Giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên ở từng thời điểm là không biết trước. 7
  6. Ngoài cách phân loại như trên ta còn có thể chia các tín hiệu ra thành 2 nhóm là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc: Tín hiệu được gọi là liên tục nếu sự thay đổi của nó là liên tục, còn nếu ngược lại tín hiệu là rời rạc. Cụ thể hơn , có thể phân ra làm 4 loại sau đây: - Tín hiệu có biên độ và thời gian liên tục gọi là tín hiệu tương đương (analog). - Tín hiệu có biên độ rời rạc, thời gian liên tục gọi là tín hiệu lượng tử. - Tín hiệu có biên độ liên tục, nhưng thời gian rời rạc gọi là tín hiệu rời rạc. - Tín hiệu có biên độ và thời gian đều rời rạc gọi là tín hiệu số(digital). 1.1.3 Hệ thống thông tin Hệ thống thông tin là tổ hợp các thiết bị kỹ thuật, các kênh tin để truyền tin tức từ nguồn tin đến nơi nhận tin. Cấu trúc tổng quát nhất của một hệ thống thông tin như trên hình 1.1 Nguồn tin Kênh tin Thu tin Nhiễu Hình 1.1-Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin Các khối trên hính 1.1 được mô tả như sau : - Nguồn tin: là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin phát ra. - Kênh tin: là nơi hình thành và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở dấu xảy ra các tạp nhiễu tin tức. - Thu tin: là cơ cấu phục hồi tin tức ban đầu từ tín hiệu lấy từ đầu ra của kênh tin. 1.1.4 Đơn vị thông tin Đơn vị nhỏ nhất của thông tin là bit (binary digit). Một bit là dung lượng của một nguồn tin có trạng thái có thể ( thông thường quy ước là 0 hoặc 1). Các đơn vị bội số của bit như: 1 byte (B) = 8 bit 8
  7. 1 Kbyte(KB) = 1024 byte 1 Mbyte (MB) = 1024 Kbyte 1 Gbyte (GB) = 1024 Mbyte §1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH Ký hiệu s(t) là biểu thức thời gian của tín hiệu xác định và chúng có các thông số đặc trưng như sau: 1. Độ dài và trị trung bình của tín hiệu - Độ dài của tín hiệu s(t) là thời gian tồn tại tín hiệu đó kể từ lúc nó bắt đầu xuất hiện cho đến khi chấm dứt. Thông số này quy định thời gian mà hệ thống thông tin bị mắc bận trong việc truyền đi tin tức chứa trong tín hiệu. - Nếu độ dài của một tín hiệu xuất hiện vào thời điểm t0 là  , thì trị trung bình của nó theo thời gian bằng : t  1 0 s s dt ()()t t (1.1) t0 2. Năng lượng công suất và trị dụng của tín hiệu - Năng lượng Es của tín hiệu s(t) là tích phân của bình phương tín hiệu trong suốt thời gian tồn tại của nó: t0  E s2 dt s () t (1.2) t0 Với định nghĩa của năng lượng như vậy, ta coi tín hiệu có tính chất như điện áp, dòng điện hay các đại lượng tương tự khác. - Công suất trung bình của tín hiệu 1 t 0  s 2 (t) s 2 (t)dt  (1.3) t 0 9
  8. trong đó biểu thức s2(t) được gọi là công suất tức thời của tín hiệu. Như vậy công suất trung bình của tín hiệu chính là trị trung bình của công suất tức thời. - Trị hiệu dung của tín hiệu là căn bậc hai của công suất trung bình: 1 t0  s s2 dt hd () t (1.4) t0 3. Dải động của tín hiệu: là tỉ số các giá trị cực đại và cực tiểu của công suất tức thời của tín hiệu. Thường thông số này được đo bằng đơn vị lôgarit ( ben hay đêxiben): s2 max s ()t ()t max DdB 10lg 20lg (1.5) s2 min s ()()t t min Thông số này đặc trưng cho khoảng cường độ mà tín hiệu sẽ tác động lên các thiết bị 4.Tỉ số tín hiệu / nhiễu S/N (signalto noise ratio): S PS  (1.6) NPN trong đó Ps là công suất tín hiệu, PN là công suất nhiễu. Tỉ số S/N cũng còn có thể viết dưới dạng mức tín hiệu: PS 10lg 10lg (dB ) (1.7) PN 5. Dải thông của tín hiệu BW ( Bandwich): là hiệu giữa các giới hạn tần số của dải chứa các thành phần tần số hữu ích của 1 tín hiệu. Ví dụ: có thể xem tiếng nói con người có dải tần số nằm trong khoảng từ f1= 300 Hz đến f2= 3000 Hz. Khi đó giải thông: BW= f2 - f1 = 3000-300 =2700Hz. Các tín hiệu có dải thông lớn thì rõ ràng là nên được truyền đi ở các tần số cao để có lợi hơn (tránh giao thoa với các tín hiệu khác). 10
  9. §1.3 PHƯƠNG PHÁP PHỔ Phương pháp này cho phép xác đình cách truyền tín hiệu cùng với độ biến dạng cho phép qua các mạch điện có dải tần số bị giới hạn, ví dụ như các mạch và thiết bị có dải tần số làm việc hẹp, các bộ lọc điện, các bộ khuếch đại, các bộ biết đổi, các kênh tin .v.v Cơ sở của phương pháp phổ là sự khai triển các hàm số tuần hoàn vào chuỗi Fuariê. Giả sử có tín hiệu s(t) tuần hoàn với chu kỳ T, s(t)= s (t+nT) với mọi số nguyên n) đồng thời s(t) thỏa mãn các điều kiện Đirichlê ( bị chặn, liên tục từng đoạn, có số hữu hạn các điểm cực trị trong mỗi chu kì). Khi đó tín hiệu s(t) có thể biểu diễn được dưới dạng chuỗi Fuairê phức: jkt s(t)  Ak e (1.8) k trong đó: 2  - Tần số góc cơ bản, (1.9) T T 1 2  jkt j k A k s(t).e dt ck e (1.10) T T 2 Là biên độ phức .  Số hạng A k gọi là thành phần điều hòa bậc k của tín hiệu s(t), ck là môdun của biên độ phức Ak, Tập hợp c k k gọi là phổ biên độ của tín hiệu s(t).  k là pha ban đầu của biên độ phức A k Tập hợp k k gọi là phổ pha của tín hiệu s(t). Nếu biết phổ pha và phổ biên độ ta có thể thấy rằng tín hiệu tuần hoàn với chu kỳ T . Khi đó nếu s(t) cũng thỏa mãn các điều kiện Đirichlê thì ta cũng được biểu diễn của tín hiệu không tuần hoàn s(t) dưới dạng tích phân Fuairê: 11
  10. jt s(t) S().e d (1.11) Là phép biến đổi Fuarie ngược. 1 jt trong đó: s(t) S().e d (1.12) 2 gọi là phổ của tín hiệu không tuần hoàn s(t) (Phép biến đổi Fuairê thuận). Nếu biết phổ S(ω) ta hoàn toàn có thể xác định được tín hiệu không hoàn toàn s(t). Nói chung phổ S(ω) là hàm phức: s(t) s(t).e j () Re s(t) jIm s(t) P() jQ() (1.13) P(ω) - Phổ thực của tín hiệu s(t) Q(ω) - Phổ ảo của tín hiệu s(t) s(t) - Phổ biên độ của tín hiệu s(t), s(t) P 2 () Q 2 () (1.14) φ(ω) - phổ pha của tín hiệu s(t), Q() tg () (1.15) P() Q() sin () (1.16) P 2 () Q 2 () P() cos () (1.17) P 2 () Q 2 () Từ trên ta nhận thấy các tín hiệu tuần hoàn sẽ có phổ vạch (phổ rời rạc), còn các tín hiệu không tuần hoàn sẽ có phổ liên tục. §1.4 NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN Nhiễu là từ dùng để chỉ tất cả các loại tín hiệu không có ích tác động lên các tín hiệu có ích, gây khó khăn cho việc thu và xử lý tín hiệu này. Nhiễu gây nên các sai số cũng như làm biến dạng tín hiệu. Nếu ta truyền 1 tín hiệu 12
  11. s(t) đến đầu vào của kênh tin, thì trên đầu ra ta sẽ thu được nói chung không phải là tín hiệu s(t) mà là: x(t) = n(t). s(t) + c(t), trong đó: n(t) gọi là nhiễu nhân, c(t) gọi là nhiễu cộng. Nhiễu cộng c(t) không phụ thuộc vào tín hiệu và gây ta bởi các trường ngoài (điện trường, từ trường, trường điện từ, trường âm thanh v.v ) Nhiễu nhân bị gây bởi sự thay đổi hệ số truyền của kênh tin. Nhiễu nhân thường thấy trong khi truyền các tín hiệu vô tuyến ở sóng ngắn. Theo nguồn gốc, nhiễu có thể được phân ra 2 nhóm: nhiễu khí quyển và nhiễu công nghiệp. Nhiễu khí quyển (hay có tài liệu gọi là nhiễu tự nhiên) gây ra do hoạt động của các hiện tượng trong khí quyển như giông, bão, sấm, chớp.v. v (thông thường ở tần số thấp). Trong thời gian giông, bão, sấm, chớp, trong máy thu radio thỉnh thoảng nghe thấy những tiếng lạo xạo mạnh, đặc biệt khi làm việc ở sóng dài. Nhiễu khí quyển không ảnh hưởng đến các dải sóng ngắn là dải sóng được dùng nhiều trong thông tin vô tuyến điện. Ngoài ra nhiễu khí quyển còn sinh ra do bức xạ của các nguồn ngoài trái đất mà mạnh nhất là do bức xạ của mặt trời. Các bức xạ này làm ảnh hưởng đến lớp iôn hoá trong tầng cao của khí quyển, làm thay đổi điều kiện truyền lan của các sóng ngắn, và do đó ảnh hưởng đến thông tin ở dải sóng này. Hơn nữa phần lớn năng lượng bức xạ nằm trong miền tần số siêu cao (các dải sóng centimet và đêximet) và được các máy thu vô tuyến làm việc ở các dải sóng này trực tiếp thu lấy dưới dạng nhiễu. Nhiễu công nghiệp là nhiễu do các thiết bị điện có thể gây ra như: các động cơ điện có thanh góp, các dụng cụ điện dùng trong gia đình, các thiết bị điện dùng trong y tế, các thiết bị công nghiệp ở tần số cao (lò đúc và tôi cao tần, lò sấy cao tần,.vv ) các nhiễu phiền phức nhất do hệ thống đánh lửa trong các động cơ đốt trong gây ra, và cuối cùng các chuông điện (với rơle đóng mở) cũng là nguồn nhiễu mạnh. Bản chất của nhiễu công nghiệp là khi các thiết bị điện kể trên khi làm việc sẽ sinh ra bức xạ điện từ mạnh. Các 13
  12. bức xạ điện từ này có thể là những kích thích đột biến các dao động tắt dần do sự tạo thành tia lửa gây ra. Chúng cũng có thể tạo thành các dao động cao tần không suy giảm (ví dụ như trong các lò điện cao tần). Để chống các nhiễu trong công nghiệp, cần phải dùng các bộ khử các bức xạ điện từ, dập tắt các tia lửa sinh ra trong các thiết bị mà trong đó chúng không giữ nhiệm vụ chủ yếu. Các thiết bị tần số cao phải được chế tạo đúng đắn để giảm sự bức xạ đến cực tiểu và nếu cần phải bọc kim cho thiết bị. Nhiễu khí quyển và nhiễu công nghiệp được gọi là ngoài hay can nhiễu. Ngoài ra còn nhiễu trong là nhiễu ngay trong bản thân hệ thống thông tin do bản thân các thiết bị sinh ra trong quá trình làm việc, như do hiệu ứng nhiệt, do sự thăng giáng của các đại lượng vật lý vv Nhiễu trong còn được gọi là tạp âm. Chất lượng của tín hiệu có thể được đo bằng tỷ số S/N (tín hiệu/nhiễu) biểu diễn bởi đơn vị dB. 14
  13. Ch­¬ng 2 BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU §2.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG THÔNG TIN (HTTT) TRUYỀN TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ Mỗi HTTT có nhiệm vụ truyền tin tức từ nơi phát đến nơi nhận tin. Dưới đây là sơ đồ nguyên lý chung của một HTTT truyền tín hiệu tương tự: Máy phát Biến đổi - Điều chế Nguồn Tin tức – tín hiệu - Khuyếch đại - (anten phát) Tín hiệu Tín hiệu ban đầu điện Kênh Tín hiệu điện tần Tin tức thấp Máy thu Biến đổi - (Anten thu) Nhận Tin tức – tín - Khuyếch đại hiệu - Giải điều chế Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của 1 HTTT Các khối trong sơ đồ hình 2.1 được mô tả như sau : 15
  14. - Nguồn tin là nơi cung cấp các tin tức ban đầu chưa ở dạng tín hiệu điện, như tiếng nói trong điện thoại, tiếng nói, âm nhạc trong thông tin phát thanh; tiếng nói, âm nhạc và hình ảnh trong truyền hình - Để có truyền hình tin tức người ta thường chuyển nó thành tín hiệu điện phù hợp cho các hệ thống thông tin, gọi là biến đổi tin tức-tín hiệu. Ví dụ: Micro trong thông tin điện thoại và phát thanh, micro và camera đối với truyền hình v.v - Máy phát là khối bao gồm các chức năng: Biến đổi các tín hiệu điện thành dạng tiện lợi cho việc truyền đi xa, có khả năng chống nhiễu cao và không làm méo tín hiệu trong quá trình xử lý. Có thể thực hiện được các mục tiêu cơ bản này nhờ khâu điều chế tín hiệu. Ngoài ra để đảm bảo công suất máy phát phải thực hiện khuếch đại tín hiệu. Đối với các hệ thống thông tin vô tuyến, máy phát phải có anten phát để bức xạ tín hiệu điện thành sóng điện tử lan truyền trong không gian. - Tín hiệu sau khi qua máy phát được truyền lên kênh truyền để đến máy thu. Có hai loại kênh truyền cơ bản là dây dẫn (cáp điện, cáp quang) và vô tuyến (truyền trong không gian). Các kênh tin được dùng trong thông tin điện thoại, điện báo, truyền hình công nghiệp, phát thanh, truyền hình, thông tin vệ tinh và đo lường, điều khiển từ xa - Tín hiệu sau khi qua kênh truyền sẽ đi đến máy thu. Các bộ phận cơ bản của máy thu là anten thu (trong trường hợp kênh truyền vô tuyến), các bộ khuếch đại và giải điều chế. Sau khi qua các thiết bị này tín hiệu sẽ được trả về dạng tín hiệu điện tần thấp ban đầu nhưng vẫn chưa thích hợp cho nơi nhận tin là con người. Vì vậy tín hiện điện cần phải qua bộ biến đổi tín hiệu-tin tức là các thiết bị như ống nghe trên máy điện thoại, loa trong radio và màn hình với loa trên tivi, màn hình máy vi tính, máy in v.v , qua đó con người sẽ nhận được các tín hiệu vật lý ban đầu. §2.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU 16
  15. Định nghĩa: Điều chế tín hiệu là phép toán chuyển đổi từ một tín hiệu mang tin tức sang một tín hiệu khác mà không làm thay đổi về tin tức mang theo. Tín hiệu ở đầu ra bộ biến đổi tin tức-tín hiệu có tần số rất thấp do đó không thể truyền đi xa vì hiệu suất truyền không cao. Người ta thực hiện điều chế tín hiệu với các mục đích chính sau đây: - Chuyển phổ của tín hiệu lên phạm vi tần số cao, ở đó ta có thể có kích thước hợp lý của anten phát. Trong trường hợp kênh truyền là dây dẫn dải thông của đa số các cáp cũng nằm trong miền tần số cao, các tín hiệu tần số thấp sẽ bị suy giảm. Do có sự dịch chuyển phổ tín hiệu các hiệu ứng đó sẽ bị mất đi. (Trong lý thuyết trường điện từ người ta chứng minh được kích thước của anten phát phải ≥ 1/10  (độ dài bước sóng phát xạ), phổ của tín hiệu tiếng nói thường vào khoảng 200Hz - 10 kHz , như vậy kích thước của anten phải lớn cỡ hàng chục km nếu phát tín hiệu ở tần số thấp. - Điều chế tín hiệu cho phép ta sử dụng hữu hiệu kênh truyền. Nếu không có điều chế thì trên một kênh truyền chỉ truyền đi được một tín hiệu tại mỗi thời điểm. Nếu truyền đồng thời hai hay nhiều tín hiệu cùng một lúc thì không thể tách riêng chúng ra được ở đầu thu. Điều chế tín hiệu là dịch chuyển phổ của tín hiệu từ tần số thấp lên miền tần số cao khác nhau, ở đầu thu sẽ thu được riêng rẽ từng tín hiệu nhờ những mạch lọc thông dải. - Điều chế tín hiệu tăng khả năng chống nhiễu cho HTTT, bởi vì các tín hiệu điều chế có khả năng chống nhiễu, mức độ tùy thuộc vào các loại điều chế khác nhau. §2.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU CHẾ Điều chế tín hiệu (hình 2.2) được thực hiện ở bên phát với mục đích là chuyển phổ của tín hiệu từ miền tần số thấp lên miền tần số cao. Việc dịch chuyển phổ của tín hiệu lên tần số cao được thực hiện bằng cách làm thay đổi các thông số của sóng mang có tần số cao. Trong thực tế người ta dùng hai loại sóng mang là các dao động hình sin cao tần hoặc các dãy xung, do 17
  16. đó tương ứng ta sẽ có hai hệ thống điều chế là điều chế liên tục và điều chế xung. T/h điều chế Bộ điều chế T/h bị điều chế (t/h tin tức) T/h sóng mạng Hình 2.2- Nguyên tắc chung điều chế tín hiệu Trong hệ thống điều chế liên tục, tín hiệu điều chế (tín hiệu tin tức) sẽ tác động làm thay đổi các thông số như biên độ, tần số hoặc góc pha của sóng mang là các dao động điều hòa. Sóng mang có thông số thay đổi theo tín hiệu tin tức được gọi là tín hiệu bị điều chế. Trong hệ thống điều chế xung, sóng mang là các dãy xung vuông góc tuần hoàn, tin tức sẽ làm thay đổi các thông số của nó là biên độ, độ rộng và vị trí xung. Sự khác nhau căn bản giữa tín hiệu điều chế liên tục và điều chế xung là ở chỗ trong hệ thống điều chế liên tục tín hiệu mang tin tức được truyền đi liên tục theo thời gian. Còn trong hệ thống điều chế xung, tín hiệu mang tin tức chỉ được truyền trong khoảng thời gian có xung. §2.4. ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU LIÊN TỤC (TƯƠNG TỰ ) 2.4.1 Khái quát chung Gọi (t) là tín hiệu mạng tin tức và hơn nữa (t) đã được chuẩn hóa nghĩa là: -1 (t) 1 hay (t) 1 (2.1) Chúng được thể hiện dạng đơn vị tương đối, bằng cách chia (t) cho 18
  17. max . Khi đó điều chế một sóng mang điều hoà hình sin dạng: u(t) = U0sin(0t + 0) (2.2) Chúng có thể được thực hiện theo biên độ U0 , tần số 0 và pha 0; Cũng có thể thực hiện điều chế đồng thời, chẳng hạn như vừa theo tần số lẫn biên độ v.v Các biểu thức đối với tín hiệu hình sin bị điều chế bởi tín hiệu mang tin tức (t) tương ứng với điều biên AM (Amplitude Modulation), điều tần FM (Frequency Modulation) và điều pha PM (Phase Modulation) sẽ có dạng sau đây : u(t)AM = U01+m(t)sin(0t+ 0) (2.3) u(t))FM = U0sin(0t + . (t)dt + 0) (2.4) u(t)PM = U0sin(0t + .(t) + 0) (2.5) trong đó: m - Hệ số điều biên; m 1; U = mU0 - Số gia cực đại của biên độ điện áp;  - Số gia cực đại của tần số; - Số gia cực đại của góc dịch pha. Tín hiệu mạng tin tức (t) nói chung có thể là một hàm bất kỳ, dưới đây ta sẽ giới hạn bởi việc xét trường hợp hay gặp nhất là tín hiệu: (t) = cos t (2.6) trong đó tần số  thấp hơn nhiều so với 0. Sau đây ta xem xét các hình thức điều chế tín hiệu. 2.4.2 Điều biên AM (Amplitude Modulation) Từ biểu thức (2.3) ta thấy điều biên nghĩa là làm thay đổi biên độ U0 của sóng mang U0sin(0t+ 0) thành biên độ U0+ mU0.cos t (đường bao trên 19
  18. hình 2.3) dao động theo sự thay đổi của tín hiệu mang tin tức (t) = cos t. Hình 2.3 Điều biên AM Từ (2.3) và (2.6) ta có : u(t)AM = U0 [1+mcos t]sin(0t+ 0) = U0[sin(0t+ 0)+ m.sin(0t+ 0).cos t] = U0sin(0t+ 0)+ (m/2).U0.sin[(0+)t + 0 ] + (m/2).U0.sin[(0-)t+ 0] (2.7) Như vậy ứng với tín hiệu mạng tin tức (t) = cos t thì từ biểu thức trên ta rút ra được nhận xét là phổ của tín hiệu điều biên (hình 2.4) là phổ vạch gồm 3 vạch tạo thành từ 3 tần số: Vạch trung tâm ứng với tần số sóng mang 20
  19. 0 và 2 vạch nằm đối xứng ở 2 bên vạch trung tâm ứng với các tần số 0 -  và 0 + . Các vạch này còn được gọi là các dải biên dưới (LSB-Lower Side Band) và dải biên trên (USB-Upper Side Band). Dải thông của tín hiệu điều biên u(t) AM là : BW=[(0 + ) - (0 - )] / (2 ) = / . (2.8) Cả 3 tần số 0 , 0 -  và 0 +  đều nằm ở miền tần số cao (do 0 >> ). Như vậy ta đã dịch chuyển được tần số thấp  vào miền tần số cao. Hình 2.4 Phổ biên độ của tín hiệu điều biên AM 3 vạch Trong trường hợp tín hiệu (t) tuần hoàn và được biểu diễn dưới dạng tổng của các thành phần điều hòa hình sin: (t) = Ck sin(k+ k) (2.9) thì khi đó : u(t)AM = U01+mCk sin(k+ k) sin(0+ 0) = U0sin(0+ 0) – m/2 Ck cos(0-k)t+ 0- k +m/2 Ck cos(0-k)t+ 0+ k (2.10) Phổ biên độ của tín hiệu điều biên u(t) trong trường hợp này (hình 2.5) sẽ gồm 2n+1 vạch ứng với tần số 0, 0-, 0+, 0-2, 0+2, , 0-n, 21
  20. 0+n. Giải thông của tín hiệu điều biên u()AM: BW = (0+n) - (0-n)/ (2 ) = n/ . (2.11) Xét trường hợp đơn giản khi tín hiệu điều biên chỉ có 2 dải biên. Công suất của tín hiệu điều biên: PAM = PC + PLSB + PUSB (2.12) trong đó: PC - Công suất sóng mang (carrier); PLSB, PUSB - Công suất của các giải biên. Hình 2.5 Phổ biên độ của tín hiệu điều biên AM (2n+1 vạch). Công suất của mỗi giải biên: 2 PLSB = PUSB = PC .m /4 (2.13) Từ (2.12) và (2.13) ta có biểu thức công suất của tín hiệu điều biên: 2 PAM = PC.(1+m /2) (2.14) Ví dụ: Giải hệ số điều biên m=1 và PC = 100W. Ta có: PLSB = PUSB = 100/4 = 25 W, PAM = 100 + 25 + 25 = 150 W. Như vậy trong trường hợp này công suất của các dải biên (50 W) chiếm 1/3 công suất của tín hiệu điều biên, còn lại 2/3 là công suất sóng 22
  21. mang. Tuy nhiên bản thân sóng mang không chứa thông tin truyền đi mà chính các dải biên mới thực hiện nhiệm vụ này. Có nghĩa là 2/3 công suất của tín hiệu điều biên là "thừa", chỉ có 1/3 công suất của các dải biên mới có ích. Vì vậy điều biên AM như trên là phương pháp điều chế chưa hiệu quả. Khi hệ số điều biên m càng bé thì công suất của các dải biên sẽ càng bé. Nếu hệ số điều biên m càng lớn thì công suất của các dải biên cũng sẽ càng lớn, nghĩa là tín hiệu sẽ càng mạnh khi được truyền đi. Vì vậy nếu m càng lớn gần bằng 1 thì công suất của tín hiệu điều biên càng mạnh. Tuy nhiên trong thực tế khó lòng thực hiện điều biên với m=1 vì các tín hiệu tiếng nói, hình ảnh (video) không có biên độ cố định mà biên độ và tần số của chúng thay đổi trong một phạm vi rộng. Nếu công suất của các dải biên được truyền đi bị yếu thì tín hiệu nhận được tương ứng cũng yếu và hệ thống thông tin sẽ kém tin cậy. Ta thấy chỉ có các dải biên mới chứa thông tin cần truyền (chứa tần số tin tức  bên trong), trong khi sóng mang thì không, hơn nữa sóng mang lại chiếm công suất quá lớn (2/3 tổng công suất trong trường hợp điều biên 100% ứng với m =1). Vì vậy để cải tiến điều biên AM, người ta tìm cách lọc, làm triệt tiêu thành phần phổ ứng với sóng mang. Nếu trong quá trình điều chế làm triệt tiêu sóng mang, chỉ còn để lại 2 dải biên, ta có cách truyền thông dải biên kép DSB (Double Side Band)- hình 2.6 Hình 2.6 Truyền thông giải biên kép DSB (Double Side Band). 23
  22. Tuy nhiên trong thực tế DSB thường ít được dùng vì nó rất khó giải điều chế ở thiết bị thu. Do thông tin truyền đi ở 2 dải biên thực chất gần giống nhau (1 dải có chứa tần số 0-, 1 dải chứa tần số 0+) nên hoàn toàn có thể chỉ cần truyền đi 1 dải biên, còn dải biên kia chặn lại. Khi đó ta có cách truyền thông đơn biên SSB (Single Side Band). Tín hiệu SSB có thể hoặc là dải biên trên (USB) hoặc là dải biên dưới (LSB). Trong thực tế 1 máy phát SSB tạo ra cả 2 dải biên và có 1 bộ chuyển mạch cho phép chọn dải biên trên hoặc dưới để truyền đi. Khi tín hiệu tiếng nói (hoặc tín hiệu điều chế nói chung) bằng 0 (chẳng hạn khi người nói dừng lại nghỉ một tí) thì tín hiệu SSB sẽ không được tạo ra. Ngược lại trong AM khi không có tín hiệu điều chế, sóng mang vẫn phải được truyền đi. Do đó SSB hiệu quả hơn nhiều so với AM. Truyền thông đơn biên có các ưu điểm chính sau: - Tín hiệu SSB chỉ chiếm có 1 nửa không gian phổ so với các tín hiệu AM hay DSB. Điều đó cho phép tiết kiệm không gian phổ và cho phép truyền được nhiều tín hiệu hơn trong cùng 1 dải tần số (so với AM và DSB), đồng thời khi đó khả năng giao thoa giữa các tín hiệu cũng giảm xuống. - Công suất tín hiệu bây giờ chỉ hoàn toàn tập trung trong 1dải biên, vì vậy tín hiệu truyền đi sẽ mạnh hơn và có thể truyền đi xa hơn, tin cậy hơn. Hiệu suất truyền cao hơn so với AM và DSB. - Dải thông của SSB nhỏ hơn so với AM và DSB (và tương ứng dải thông của mạch thu cũng nhỏ hơn). Vì vậy tín hiệu SSB sẽ ít bị tác động của nhiễu hơn. Nhiễu là tín hiệu ngẫu nhiên được hình thành từ 1 số lượng bất định các tần số nào đó. Do đó việc thu hẹp dải thông có tác dụng lọc bớt phần nào các tần số của nhiễu. - Tín hiệu SSB ít fađin hơn so với tín hiệu AM. Fađin ở đây nghĩa là tín hiệu tăng hoặc giảm mạnh khi máy thu nhận nó. Fađin xuất hiện trong AM vì sóng mang và các dải biên có thể được máy thu được lệch nhau về thời gian và pha với nhau. Lý do là vì sóng mang và các dải biên do nằm ở các tần số 24
  23. khác nhau nên chịu sự tác động của tầng iôn hóa trong khí quyển một cách khác nhau. Tầng iôn hóa này có tác dụng uốn cong các tín hiệu sóng mang và các dải biên xuống mặt đất ở các góc khác nhau một ít, vì vậy các tín hiệu này có thể đi đến thiết bị thu không đồng thời. Đối với tín hiệu SSB chỉ có 1 dải biên, loại fađin này sẽ không xuất hiện. Khi tín hiệu u(t)MA đi đến thiết bị giải điều chế (bộ tách sóng) thì sẽ thực hiện quá trình khôi phục ngược lại tín hiệu (t), tức là dịch chuyển ngược lại phổ vào miền tần số thấp. Ta xét 1 bộ giải điều chế đơn giản loại tuyến tính 2 nửa chu kỳ, chỉ cho qua thành phần dao động điều biên 1cực (ví dụ toàn giá trị dương). Không mất tính tổng quát ta giả sử 0= 0. Khi đó điện áp trên đầu ra của thiết bị giải điều chế tuyến tính 2 nửa chu kỳ nói trên sẽ có dạng: U(t)FM = U0sin (1+m cost) sin0t Triển khai sin0t vào chuỗi Fuariê: 2 cos 2k0 t sin 1 2 0  2 , khi đó : k 1 4k 1 2 cos2k0 t cos2 k  0 t .cos  t u U1 m cos  t 2 2 m (t ) 0 2  2 k 14k 1 k 1 4 k 1 2 cos 2k t cos 2k t U .1 m cost 2 0 m 0 0   2  2 k 1 4k 1 k 1 4k 1 n cos 2k t m 0  2 k 1 4k 1 (2.15) u(t) tạo thành tín hiệu có thành phần không đổi 2/ U0.1, thành phần tín 2 hiệu điều chế U m.cost và các thành phần còn lại có tần số cao 2k0- 0 , 2k0, 2k0+ (k=1,2, ). Phổ của tín hiệu u(t) có dạng như ở hình 2.7. Nếu ở đầu của bộ giải chế ta đặt bộ lọc thông thấp thì tất cả các thành phần có tần số cao sẽ bị giữ lại sau khi qua bộ lọc này, chỉ có tần số của tín hiệu 25
  24. mang tin tức ban đầu  là đi qua được để đến thiết bị thu. Hình 2.7 Phổ của tín hiệu AM ở đầu ra bộ giải điều chế. 2.4.3 Điều tần FM và điều pha PM Trên hình 2.8 thể hiện điều tần FM, còn hình 2.9 là điều pha PM. Không mất tính tổng quát, ta giả sử 0, (t) = cost, trong đó tần số hiệu điều chế  thấp hơn nhiều so với tần số sóng mạng 0. Khi đó từ (2.4) và (2.15) ta có biểu thức của tín hiệu điều tần: t u(t) U sin  t  costdt U sin  t m.sin t FM 0 0 0 0 (2.16) 0 trong đó: ∆ω - số gia cực đại của tần số,  m - hệ số điều tần.  u(t)FM U0 cos m.sint .sin0 t sin m.sint .cos0 t (2.17) Nếu ta chọn hệ số điều tần m<<1 thì khi đó: m.sinΩt<<1 sin(m.sinΩt) m.sint (2.18) cos(m.sinΩt) 1 (2.19) 26
  25. thay (2.18) và (2.19) vào (2.17) ta được: u(t)FM U 0 sin 0 t m.sin t.cos0 t U0sin 0 t ( m / 2).sin(  0  ) t ( m / 2).sin(  0  ) t (2.20) Hình 2.8 Điều tần FM Như vậy phổ của tín hiệu điều tần trong trường hợp hệ số điều tần m bé (m<<1) cũng gồm ba thành phần tương tự như điều biên với các tần số ω0, ω0-Ω, ω0 +Ω, chỉ có khác là phổ pha ở tần số ω0-Ω thì ngược lại một góc 1800 so với điều biên ( dấu trừ trước biểu thức (m/2)sin (m.sinΩ)t ). Trong trường hợp chung khi hệ số điều tần m tăng lên, không thoả mãn điều kiện m<<1 nữa thì phổ của tín hiệu điều tần sẽ mở rộng ra, chứ không còn có dạng như trên nữa. Để phân tích phổ của tín hiệu điều tần cần phải 27
  26. khai triển các hàm cos(m.sinΩt) và sin (m.sinΩt) vào chuỗi Fuarie nhờ các hàm Bessel Jk(m) loại một bậc k với k là số nguyên: m 2i k () i 2 Jk() m  ( 1) (2.21) i i!( i k )! Các hàm Bessel thường được lấy từ bảng số hoặc được tính nhờ một số các phần mềm như MATLAB, MATHCAD. Khi đó ta có: u(t)FM = U0 sin (ω0 + m.sinΩt) u(t) k  FM U0 J 0(m )sin 0 t  J k ( m ) sin(  0 k  )(1)sin( t  0 k  ) t  k 1  (2.22) Như vậy u(t)FM là tổng của các giao động gồm thành phần có cùng tần số sóng mang ω0; các thành phần dải biên với tần số ω0 +kΩ và ω0 –kΩ và biên độ được xác định thông qua các hàm Bessel. Mặc dù quá trình điều tần tạo ra nhiều dải biên trên và dưới, trong thực tế chỉ có những dải biên nào đó có biên độ lớn hơn mới chứa đựng thông tin. Dải biên nào có biên độ bé hơn 1%U0 thì được xem như không chứa thông tin tín hiệu điều chế. Vì vậy dải thông của tín hiệu điều tần FM có thể xem như thu hẹp bớt lại. Có thể xác định gần đúng dải thông của tín hiệu điều tần u(t)FM theo quy tắc Carson: Giả thiết chỉ xét các dải biên của tín hiệu điều tần có biên độ lớn hơn 2% biên độ sóng mang U0. Khi đó dải thông của tín hiệu điều tần sẽ là: BW = (∆ω+Ω) / π. (2.23) FM có khả năng chống nhiễu và hiệu suất truyền tin cao hơn so với AM. Đặc biệt FM có hiệu ứng “nuốt kênh”: Khi 2 tín hiệu FM cùng tần số cùng đi đến máy thu, nếu tín hiệu nào có biên độ lớn hơn 2 lần so với tín hiệu kia thì 28
  27. nó dường như “nuốt kênh”, loại bỏ hoàn toàn tín hiệu yếu hơn và chiếm hết cả kênh. Trong khi đó trong AM ta có thể sẽ thu được cả 2 tín hiệu cùng một lúc. Do đó tính chất lượng thông tin FM sẽ cao hơn so với AM. Tuy nhiên khi 2 tín hiệu FM ở cùng tần số mạnh gần như nhau thì có thể xuất hiện hiện tượng khi thì tín hiệu này chiếm kênh, khi thì tín hiệu kia. Ngoài ra FM có nhược điểm là chiếm dụng dải tần số tương đối lớn (so với AM) và các mạch điều chế, giải điều chế phức tạp hơn so với AM. Biểu thức của tín hiệu điều pha PM (hình 2.9) có cấu trúc tương tự như điều tần FM: U(t)PM = U0sin[ω0t+ ∆φ.λ(t)] = U0sin[ω0t+ ∆φ.cosΩ(t)] (2.24) Điều tần và điều pha còn được gọi chung là điều chế góc. Hình 2.9 Điều pha PM 29
  28. §2.5. BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU LIÊN TỤC THÀNH TÍN HIỆU RỜI RẠC,ĐIỀU CHẾ MÃ XUNG PCM (PULSE MODULATION) 2.5.1 Định lý Kachennhikov-Shannon (K-S) Việc truyền đi và nhớ các tín hiệu rời rạc tương ứng với việc truyền và nhớ một tập hữu hạn các ký tự hoặc một dãy các số. Nếu tín hiệu liên tục có phổ tần số giới hạn thì nó luôn luôn có thể được truyền đi thông qua các giá trị của mình vào những thời điểm rời rạc. Khả năng thay thế tín hiệu liên tục bằng các giá trị rời rạc như thế gọi là sự rời rạc tín hiệu mà cơ sở của nó là định lý Kachennhikov-Shannon hay còn gọi là định lý rời rạc tín hiệu hay định lý lấy mẫu. Định lý: Nếu phổ của tín hiệu λ(t) không chứa các tần số vượt quá Fm(Hz) thì nó hoàn toàn được xác định bởi các giá trị của mình vào các thời điểm cách nhau một khoảng ∆t, trong đó: 1 t 2Fm Tín hiệu phổ giới hạn λ(t) có thể biểu diễn dưới dạng chuỗi lượng giác: sin 2 F (t k t) (t)  (k t) m (2.25) k 2 Fm (t k t) Như vậy tín hiệu λ(t) hoàn toàn được xác định bởi các giá trị của mình 1 λ(k∆t) cách nhau các đoạn ∆t trong đó t , ∆t còn được gọi là khoảng 2Fm cách rời rạc tín hiệu. sin 2 F ( t k t ) 1 khi t k t Lưu ý là: m ()i k 2 Fm ( t k t ) 0 khi t i t Theo định lý K-S thì để xác định một tín hiệu có phổ giới hạn trên 30
  29. khoảng thời gian T ta chỉ cần n giá trị của tín hiệu này mà: TT n 2 F . T . (2.26) t 1 m 2Fm Cũng từ định lý K-S ta suy ra được rằng thay vì để truyền đi 1 tín hiệu liên tục thì ta có thể truyền đi tín hiệu rời rạc trong dạng một dãy các xung mà biên độ của nó bằng giá trị của tín hiệu liên tục được truyền đi tại các 1 thời điểm rời rạc k∆t và đoạn thời gian giữa chúng t , tần số lấy 2Fm mẫu fmẫu≥ 2Fm Định lý K-S có ý nghĩa rất lớn đối với các HTTT ngày nay bởi vì tín hiệu số là loại tín hiệu dễ tạo mà khả năng chống nhiễu lại rất cao. Do đó các hệ thống thông tin số đang dần dần thay thế cho các hệ thống thông tin tương tự, nhất là trong lĩnh vực điện thoại, truyền hình 2.5.2. Điều chế mã xung PCM (Pulse Code Modulation) Định nghĩa: Điều chế mã xung PCM về cơ bản là sự chuyển đổi tương tự - số thuộc một kiểu đặc biệt trong đó tin tức chứa trong các mẫu tức thời của một tín hiệu tương tự được biểu diễn bằng các từ số trong một chuỗi bit nối tiếp ( Một từ số bao gồm n chữ số nhị phân). Trong thực tế mã nhị phân dễ tạo, dễ truyền, dễ xử lý nên PCM được ứng dụng rất rộng rãi. Ngoài ra PCM còn có tỷ số S/N rất cao. Tín hiệu PCM được tạo ra bằng cách thực hiện ba quá trình cơ bản: - Lấy mẫu, còn được gọi là điều chế biên độ xung PAM ( Pulse- Amplitude Modulation); - Lượng tử hóa; - Mã hóa. Nếu sau đó tín hiệu PCM được truyền đi trong các hệ thống viễn thông làm việc chủ yếu ở phổ tần số cao thì trước khi truyền đi xa nó phải được điều chế cao tần còn khi truyền trực tiếp trong dây dẫn dải thông rộng thì 31
  30. không cần thiết phải điều chế cao tần tín hiệu PCM. Sau đây ta sẽ xét lần lượt từng quá trình nêu trên. 1) Rời rạc hóa tín hiệu (hay lấy mẫu) Rời rạc hóa tín hiệu là quá trình lấy mẫu định kỳ tín hiệu tương tự để thu được giá trị biên độ tức thời cho từng lần lấy mẫu, sau đó chỉ có những thông tin của các mẫu này được truyền đi. Như vậy là các mẫu rời rạc, nhưng tại đầu thu người ta sẽ khôi phục lại được tín hiệu ban đầu nếu quá trình điều chế đảm bảo các điều kiện sau: - Tín hiệu điều chế có phổ tần hữu hạn; - Quá trình lấy mẫu thực hiện đúng theo định lý K-S, tức là tần số lấy mẫu: fmẫu ≥ 2Fm (2.27) Việc rời rạc hóa tín hiệu có nhiều tác dụng: - Nâng cao chất lượng làm việc, đảm bảo độ tin cậy,chống nhiễu tốt, cho phép sử dụng kỹ thuật số; - Sử dụng rộng rãi trong các hệ thống thông tin số để lưu trữ, điều chế và truyền dữ liệu Nói cách khác quá trình rời rạc hóa tín hiệu có thể xem như là quá trình thay thế tín hiệu liên tục bằng một dãy tín hiệu xung rời rạc. Dãy tín hiệu xung này phải đặc trưng, mô tả được dạng tín hiệu liên tục, và nó được lấy tại các thời điểm xung. Dãy xung này có tần số càng cao càng tốt vì sẽ không làm biến dạng phổ tín hiệu liên tục. Nhưng thực tế không thể tăng dần tần số đến vô hạn, vì sẽ làm mất đi độ rỗng xung, tức không còn ý nghĩa rời rạc hóa tín hiệu. Có nghĩa là về mặt lý tưởng thì xung lấy mẫu có độ rỗng vô cùng nhỏ, nhưng trong thực tế độ rỗng xung có giới hạn và thường nhỏ hơn nhiều so với chu kỳ của tín hiệu lấy mẫu. Như vậy sau khi lấy mẫu ta được tín hiệu là dãy xung có biên độ thay đổi, còn gọi là tín hiệu điều biên xung PAM ( Pulse Amplitude Modulation). 32
  31. Ví dụ: Tín hiệu điện thoại có giới hạn tần số trong khoảng 300-3400Hz. Vậy tần số lấy mẫu là f ≥ 2.3400 = 6800 Hz. Tốc độ lấy mẫu được khuyến nghị là 8000 xung/s, tức là tần số lấy mẫu lớn hơn 2 lần tần số 3400 Hz một ít. Tương ứng ta có chu kỳ lấy mẫu là: T = 1/8000 = 125.10-6 s = 125 µs ; Còn độ rộng xung thường nhỏ hơn nhiều (có trường hợp lấy 0,9÷1 µs). Việc rời rạc hóa tín hiệu có thể thực hiện nhờ các bộ nhân. Tín hiệu đến ngõ vào A, tần số lấy mẫu vào từ ngõ B, ngõ ra Y nhận được tín hiệu điều biên xung PAM (hình 2.10). Hình 2.10. Rời rạc hóa tín hiệu 2) Lượng tử hóa và mã hóa tín hiệu Định nghĩa : Lượng tử hóa tín hiệu là sự thay thế các mẫu đã được lấy từ tín hiệu tương tự bằng một tập hợp hữu hạn có mức biên độ đã được ấn định của bộ lượng tử. Giá trị biên độ của các mẫu từ nhỏ nhất đến lớn nhất được chia thành các khoảng gọi là bước lượng tử. Thông qua lượng tử hóa, tín hiệu λ(t) bây giờ được thay bằng sự truyền đi tập hợp các số nguyên đó. Như vậy lượng tử hóa gần giống sự quy tròn số, mức độ quy tròn càng nhở thì độ chính xác càng cao. Độ chính xác của việc lượng tử hóa phụ thuộc vào việc chọn khoảng chia ∆λ trên trục tung hay còn 33
  32. gọi là các bước lượng tử hóa ( hình 2.11) Hình 2.11. Điều khiển lượng tử hóa Nếu λk-1 + ½ ∆λk ≤ λk+1- ½ λk+1 (2.28) thì lượng tử hóa tín hiệu sẽ xấp xỉ giá trị λ(k∆t) thành λk. Lượng tử hóa tín hiệu cho phép làm giảm đi ảnh hưởng của các nhiễu yếu. Ví dụ về lượng tử hóa được minh họa trên hình 2.12. Trên hình vẽ thể hiện 8 mức lượng tử qua bộ 8 số nguyên tử từ 0 đến 7 trên trục tung. Đường cong λ(t) được rời rạc hóa qua 8 mẫu (8 hình chữ nhật có gạch chéo) tính từ trái sang phải. Khi lượng tử hóa, các mẫu 1 và 8 nhận giá trị là 1, các mẫu 2 và 7 nhận giá trị là 3, các mẫu 3và 6 nhận giá trị là 4, các mẫu 4 và 5 nhận giá trị là 5. Hình 2.12- Ví dụ về lượng tử hóa. Số mức lượng tử M tương ứng với số tổ hợp mã nhị phân trong thiết bị mã hóa sau này, nên ta có biểu thức sau: 34
  33. M = 2m (2.29) với M - số mức lượng tử hóa; m - số bit dùng trong tổ hợp mã nhị phân. Nếu các bước lượng tử hóa là đều nhau trên suốt trục tung ta có lượng tử hóa đều, nếu nó thay đổi ta có lượng tử hóa không đều. Đặc điểm của lượng tử hóa đều: - Các bước lượng tử hóa đều bằng nhau; - Gây sai số trong giống nhau cho các tín hiệu có biên độ khác nhau. Để đảm bảo tỷ số S/N đối với các mức tín hiệu yếu phải giảm bước lượng tử xuống hay nghĩa là tăng số mức lượng tử. Điều đó sẽ đồng nghĩa với việc tăng số bít của tổ hợp mã truyền đi; thiết bị mã hóa sẽ rất cồng kềnh, phức tạp và tốn kém. Trong một số trường hợp ví dụ như tín hiệu thoại có xác suất tín hiệu yếu khá lớn. Để giảm số bit trong tổ hợp mã (tương ứng giảm số mức lượng tử) mà vẫn đảm bảo số S/N lượng tử hóa cần thiết, ta có thể dùng phương pháp lượng tử hóa không đều hay còn gọi là lượng tử hóa phi tuyến. Để thực hiện lượng tử hóa không đều người ta đặt một bộ khuếch đại phi tuyến (còn gọi là bộ nén) trước bộ lượng tử đều, còn ở phía thu để khôi phục lại tín hiệu người ta sử dụng dãn bằng cách dùng bộ khuếch đại phi tuyến bù (còn gọi là bộ dãn) có đặc tính đối xứng với phía phát (hình 2.13) Quá trình nén dãn các biên độ của tín hiệu được gọi là companding. Luật nén giãn tín hiệu có tác dụng làm tăng giá trị tức thời của tín hiệu yếu và giảm giá trị tức thời của tín hiệu mạnh. Đặc tính nén dãn xây dựng trên yêu cầu bước lượng tử có giá trị min đối với tín hiệu yếu và tăng dần theo mức biên độ tín hiệu sao cho tỷ số S/N luôn luôn cố định và cao hơn so với lượng tử hóa đều trực tiếp. 35
  34. Hình 2.13. Sơ đồ lượng tử hóa không đều Trong các bộ khuếch đại phi tuyến người ta hay dùng các luật nén µ ( Ở Mỹ, Canada, Nhật) và luật nén A (ở Châu Âu) như sau: * Luật nén µ cho tín hiệu x1(t) đã được chuẩn hóa ( x1 (t) 1): ln(1  x1(t ) ) x (2.30) 2(t ) ln(1  ) trong đó µ là một hằng số dương, thông thường người ta dùng µ =255 hoặc µ= 100. * Luật nén A cho tín hiệu x1(t) đã được chuẩn hóa như sau: A x1 (t) 1 khi 0 x1 (t) 1 lnA A x 2 (t) 1 ln A x (t) 1 1 khi x (t) 1 1 lnA A 1 (2.31) trong đó A là một hằng số dương, người ta dùng A= 87,6. Các luật dãn tại các bộ khuếch đại phi tuyến bù (bộ dãn) hoàn toàn đối xứng lại với các luật nén (xem hình 2.13) 36
  35. * Luật dãn µ 1  .e x 2 (t) 1 x (t) (2.32) 1  * Luật dãn A 1 ln A 1 x (t) khi 0 x (t) A 2 2 1 ln A (2.33) x 2 (t) 1 1 exp 1 ln A x (t) 1 khi x (t) 1 A 2 1 ln A 2 Sau khi rời rạc hóa và lượng tử hóa, tín hiệu được đưa vào bộ mã hóa. Thiết bị này biến đổi các giá trị ở đầu ra của bộ lượng tử thành các xung nhị phân hoặc các từ mã ( gồm nhóm các xung nhị phân). Việc thay đổi một giá trị thập phân bằng một dãy xung nhị phân gọi là mã hóa. 37
  36. Ch­¬ng 3 CÁC NGUYÊN LÝ GHÉP KÊNH §3.1 GIỚI THIỆU CHUNG Giá thành của đường truyền, kênh truyền thông tin trong nhiều trường hợp là rất lớn và đôi khi còn đắt hơn cả các thiết bị thu, phát. Đối với các hệ thống thông tin hữu tuyến chẳng hạn như điện thoại thì khả năng truyền nhiều tín hiệu qua một kênh là vô cùng quan trọng. Ghép kênh là qúa trình cho phép truyền hai hay nhiều tín hiệu ở đầu phát trên cùng một kênh tin sao cho ở đầu thu có thể tách được riêng ra từng tín hiệu đó về dạng ban đầu. Có hai loại kênh thông dụng là ghép kênh theo tần số FDM ( Frequency Divison Mutiplexing) thường dùng để truyền các tín hiệu số cũng như liên tục và ghép kênh theo gian TDM ( Time Divison Mutiplexing) thường dùng để truyền các tín hiệu số. Sau đây sẽ giới thiệu cụ thể hai loại ghép kênh nêu trên. §3.2 GHÉP KÊNH THEO TẦN SỐ FDM Sơ đồ khối của FDM như trên hình 3.1. Các tín hiệu điện x1(t), x2(t), ,xn(t) được đưa đến các bộ điều chế M1, M2, , Mn (Modulator),các máy phát G1, G2, , Gn (Generator) phát ra các sóng mang với các tần số f1, f2, ,fn khác nhau và được điều chế bởi các tín hiễu x1(t), x2(t), , xn(t) tại các bộ điều chế. 38
  37. Các tần số của máy phát f1, f2, ,fn được chọn khác nhau để ghép kênh (tương tự như việc phân chia tần số ở các đài phát radio, các khoảng sóng khác nhau và không phủ nhau ). f1, f2, ,fn được chọn sao cho phổ của các tín hiệu của các kểnh riêng rẽ là không phủ nhau, nghĩa là các dải biên của tín hiệu điều chế không lẫn nhau (hình3.2). Các bộ lọc thông dải F1, F2, , Fn (Filter) có nhiệm vụ cho qua những tần số có ích, tương ứng nằm lân cận các tần số f1, f2, ,fn của các sóng mang. F ’ DM X ’(t) X 1(t) M F1 1 1 1 G f1 kênh M ∑ M ’ X 2(t) F F DM X2 (t) x truyền G f f∑ >> f1,f2, fn 2 G F DM ’ Xn(t) M F Xn (t) G fn Hình 3.1.Ghép kênh theo tần số FDM Hình 3.2.Các tần số trong FDM 39
  38. ∑ là bộ trộn (hoặc bộ tổng) tuyến tính, chỉ cộng đại số các tín hiệu vào với nhau và tín hiệu trộn có thể được điều chế thêm một lần nữa tại bộ điều chế Mx với tần số f∑ >> f1, f2, ,fn . ’ ’ ’ Ở đầu thu các bộ lọc thông giải F1 , F2 , , Fn có nhiệm vụ chỉ cho qua ’ các tần số thuộc kênh của mình.Ví dụ bộ lọc F1 cho qua tần số f1 và các tần số lân cận trong phạm vi phổ của kênh 1 Sau đó các bộ giải điều chế DM1, ’ DM2,. , DMn (Demodulator) sẽ giải điều chế cho ra các tín hiệu x1 (t), ’ ’ x2 (t), ,xn (t) thực tế là gần lặp lại các tín hiệu x1(t), x2(t), ,xn(t) theo một tỷ lệ nào đó. Để khuếch đại tín hiệu ta có thể đặt thêm vào hệ thống các bộ khuếch đại. Nhờ có FDM, nhiều cuộc gọi điện thoại đã được truyền đi chỉ tên một số rất ít các cáp. Các tín hiệu nguyên thuỷ là tiếng nói với dải tần trong khoảng 300 – 3000Hz được dùng để điều chế các sóng mạng có những tần số khác nhau và sau đó các tín hiệu đã được điều chế được trộn với nhau hình thành nên 1 kênh. Qúa trình ghép kênh này có thể được lặp lại ở nhiều mức độ để một số lớn các cuộc gọi có thể được truyền đi chỉ trên 1 kênh (với giả thiết là đủ dải thông). Số cuộc gọi trên cùng 1 kênh có thể lên đến 10800 cuộc và khi đó dải thông yêu cầu lên đến vài MHz. Khi điều chế thường dùng loại đơn biên SSB. §3.3 GHÉP KÊNH THEO THỜI GIAN TDM Có thể giải thích nguyên lý ghép kênh theo thời gian TDM qua ví dụ sau đây. Giả thiết trên một kênh truyền ta cần gửi đi n tín hiệu âm thanh, mỗi một trong chúng đều có tần số giới hạn fm=10 kHz. Trong thực tế với các hệ thống điện thoại, để đảm bảo vừa phải có chất lượng tiếng, tần số giới hạn được lấy thấp hơn nhiều. Khi chấp nhận fm=10 kHz việc rời rạc hoá tín hiệu trên phải thoả mãn định lý K-S với chu kỳ là: 1 1 T 2fm 2.10.103 40
  39. Nếu dãy xung rời rạc là những xung hẹp có độ rộng cỡ 1 ns, thì khoảng cách giữa hai xung ứng với hai mẫu rời rạc liền nhau sẽ rất lớn. Đó là thời gian trống không có tín hiệu. tỷ số giữa thời gian của xung rời rạc với thời gian trống tương ứng với 1 giây so với 1 ngày đêm. Như vậy có thể tận dụng thời gian trống này để truyền các mẫu của các tín hiệu khác. Do đó, trên cùng một kênh ta có thể truyền n tín hiệu. Số kênh n có thể ghép được phụ thuộc vào tỷ số giữa chu kỳ và độ rộng xung lấy mẫu, nhưng n thường nhỏ hơn tỷ số trên nếu yêu cầu chất lượng thu tín hiệu cao. Sơ đồ khối của TDM trong trường hợp n=3 như sau (hình 3.3). Hai thiết bị chuyển kênh phát, thu giống nhau MUX 1 và MUX 2 sẽ chuyển kênh liên tục theo thứ tự và đồng bộ, ví dụ 1→2→3→1 ở cả hai đầu phát và thu. Việc liên kết với kênh tin của máy thu và máy phát thứ i xảy ra một cách đồng thời nhờ có kênh truyền tín hiệu đồng bộ. Có thể minh họa quá trình phân kênh TDM đối với m= 3 như trên hình hình 3.4. Từ hình vẽ cho ta thấy 3 tín hiệu x1(t), x2(t), ,xn(t) được truyền đồng thời, nhưng khi thu lại được tách riêng ra. Hình 3.3.Ghép kênh theo thời gian TDM Các hệ thống TDM trong thực tế thường dùng các mạch điện tử có chứa các FET transistor trường, có tốc độ đóng mở khá cao. 41
  40. Hình 3.4.Quá trình lấy mẫu 3 kênh theo thời gian (TDM) §3.4. SO SÁNH FDM VÀ TDM Các tín hiệu trong hệ thống FDM được truyền đi đồng thời về mặt thời gian, nhưng nó có cấu trúc phổ được sắp xếp để sao cho ở đầu thu có thể tách riêng các tín hiệu nhờ các bộ lọc thông dải (chẳng hạn mạch LC); Còn các tín hiệu trong hệ TDM được truyền đi liên tục về tần số, nhưng cấu trúc thời gian được sắp xếp sao cho đầu thu có thể thu được từng tín hiệu riêng rẽ.Nói cách khác trong FDM, nhiều tín hiệu được truyền trên cùng một kênh cùng một lúc bằng cách chia sẻ dải thông, mỗi tín hiệu có thể chiếm một phần của dải thông; Còn trongTDM, mỗi tín hiệu có thể chiếm nguyên cả dải thông của kênh, tuy nhiên mỗi tin hiệu được truyền đi chỉ trong một chu kỳ thời gian ngắn, tín hiệu này nối tiếp sau tín hiệu kia. Các hệ thống thông tin TDM có nhiều ưu điểm hơn các hệ thống FDM: - Việc thực hiện hệ thống TDM đơn giản hơn FDM ở cả nơi phát lẫn nơi thu. - TDM có tính chống nhiễu giữa các kênh rất tốt. Đặc biệt với tín hiệu PCM (Pulse code Modulation- điều chế mã xung), khi tách kênh TDM thường có tỉ số S/N rất cao. 42
  41. §3.5. KHÁI NIỆM VỀ TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG, BÁN SONG CÔNG VÀ ĐƠN CÔNG - Khi sự trao đổi tin là đồng thời theo hai chiều, ta có kiểu truyền thông song công(duplex), chẳng hạn điện thoại. - Khi sự trao đổi tin là từng chiều tuần tự, mỗi trạm khi phát, khi là thu và kênh thông tin phải có đặc tính truyền được hai chiều, ta có hệ thống bán song công (half-duplex), chẳng hạn như liên lạc bộ đàm. - Khi sự trao đổi tin chỉ là một chiều, ta có kiểu truyền thông đơn công (simplex), ví dụ như vô tuyến truyền hình, truyền thanh v.v 43
  42. Ch­¬ng 4 HỆ THÔNG TIN VI BA §4.1 GIỚI THIỆU CHUNG Tín hiệu vi ba là những tín hiệu có tần số từ 1 GHz trở lên và thường được coi như nằm trong dải tần số từ 1-30GHz, đôi khi cũng có thể xem như thuộc vùng tần số từ 1-300GHz với bước sóng  =1-30cm. Hiện nay dải tần số 0-300GHz đã hoàn toàn được sử dụng hết bởi các đài phát song vô tuyến khác nhau. Vì vậy người ta cố gắng khai thác dải tần số vi ba có phổ rất rộng. Ứng với thông tin vi ba, băng thông thường rộng hơn khi truyền tin. Băng thông rộng cũng cho phép dung các kỹ thuật ghép kênh khác nhau để truyền được nhiều thông tin hơn. Dải tần số vi ba cũng rất thích hợp cho các hệ thống thông tin số truyền tín hiệu nhị phân. Một kết nối vi ba (microware link), còn gọi là vô tuyến chuyển tiếp, là một hệ thống thông tin giữa hai điểm cố định, bằng song vô tuyến có hướng tính rất cao nhờ các anten định hướng. Kết nối vi ba có thể truyền tải: - Các cuộc đàm thoại song song, ghép kênh theo tần số hoặc thời gian; - Các chương trình truyền hình; - Dữ liệu Tuỳ theo dạng tin tức tương tự hoặc số, các phương pháp điều chế khác nhau được sử dụng để tạo ghép kênh và chuyển phổ tần lên vùng tần số thích ứng. 44
  43. Đối với song vi ba tương tự: thực hiện ghép kênh theo tần số các kênh tương tự, sau đó chuyển lên phổ tần số cao nhờ điều tần FM. Đối với song vi ba số: thực hiện ghép kênh theo thời gian TDM, các kênh đã được số hoá bởi điều chế PCM, sau đó chuyển lên phổ tần cao nhờ các điều chế tương tự với song mang hình sin. Hiện nay vi ba số ngày càng chiếm ưu thế. Trong kết nối vi ba hai chiểu truyền tin ở hai tần số khác nhau, Các anten được dung chung cho cả hai chiều phát và thu. Thông thường, nếu đường truyền xa gặp chướng ngại vật, phải chia thành nhiều trạm chuyển tiếp có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu siêu cao tần, khuyếch đại và tái phát đi, với tần số sóng mang khác. Ngoài ra còn có loại trạm chuyển tiếp thụ động, chỉ có tác dụng đổi hướng sóng, vượt qua chướng ngại nào đó. §4.2 VI BA SỐ Vi ba số được chia thành 3 loại: - Mang vi ba số dung lượng nhỏ có số kênh từ 24 kênh đến 60 kênh, mạng này thường dung cho các tuyến thông tin lien lạc nhánh (tuyến cấp huyện); - Mạng vi ba số dung lượng trung bình từ 120 kênh đến 960 kênh. Mạng này dung cho các tuyến liên tỉnh, có thể sử dụng để truyền thanh và truyền số liệu; - Mạng vi ba có dung lượng lớn có số kênh trên 960 kênh. Hệ thống này thường dung làm tuyến thông tin trục quốc gia và quốc tế. Trên hệ thống này thường có thể đáp ứng được nhiều dịch vụ khác nhau như truyền hình, truyền thanh, điện thoại, fax, telex, truyền số liệu, và nhiều dịch vụ khác. Hệ thống vi ba số đảm nhận rất nhiều các chức năng: mã hoá tín hiệu, giải mã tín hiệu, ghép kênh theo thời gian, phát song siêu cao Hệ thống vi ba số được biểu diễn dưới dạng sơ đồ khối hình 4.1. 45
  44. Anten viba Hình 4.1 Sơ đồ khối vi ba số Trong sơ đồ gồm có các khối sau: - Khối A/D – D/A làm nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu từ tương tự thành tín hiệu số ở phần phát và ngược lại từ số ra tương tự ở phần thu; - Khối PCM làm nhiệm vụ điều chế tín hiệu và ghép tín hiệu, ghép kênh, phân kênh theo thời gian; - Khối  làm nhiệm vụ tổng hợp các luồng tín hiệu và tách các luồng tín hiệu. - Khối Tx, Rx làm nhiệm vụ phát và thu tín hiệu cao tần. Các tín hiệu vi ba cũng tương tự như sớng ánh sáng truyền đi theo đường thẳng. Vì vậy các khoảng cách truyền tin thường bị giới hạn theo tầm nhìn thẳng (khác với sóng vô tuyến radio là sóng có thể bị uốn cong ở tầng iôn hoá trong khí quyển). Vi ba số sử dụng sóng truyền thẳng từ anten phát đến anten thu nghĩa là các trạm vi ba số phải nằm trong tầm nhìn thẳng. Vì vậy yêu cầu cơ bản nhất khi thiết kế đường truyền tuyến vi ba số là trong vùng sóng truyền thẳng không có vật che chắn, dù rất nhỏ như cây cối, nhà cửa, tháp cao Trong hệ thống thông tin vi ba thường dung các anten gương parabol phản xạ. Bề mặt anten là một parabol, có tiêu điểm chính là vị trí của nguồn phát song. Từ tiêu điểm của một gương parabol các tia sóng sau khi phản xạ từ mặt parabol sẽ trở thành chum tia sóng song song (hình 4.2). Thông tin vi ba là loại thông tin điểm nổi điểm, phương thức truyền lan bằng sóng không gian. Hai anten thu và phát được đặt ở một độ cao nhất định (thường phải lớn hơn hang chục lần bước sóng) và hướng vào nhau, 46
  45. không bị che khuất tầm nhìn thẳng để có thể truyền tin đi xa. Tuyến thông tin này bị ảnh hưởng nhiều của địa hình từ nơi phát tới nới thu và điều kiện khí hậu trên tuyến. Hình 4.2. Hoạt động của anten vi ba Thông thường trong một trạm thu phát, anten đặt cách xa máy phát và máy thu, đặc biệt là trong các trạm vi ba anten phải đặt cao so với mặt đất có khi tới hàng trăm mét. Để đưa năng lượng cao tần từ đầu ra máy phát hay đầu vào máy thu anten ta phải sử dụng các thiết bị truyền dẫn năng lượng cao tần. Thông thường trong thông tin vô tuyến người ta sử dụng 3 loại thiết bị để truyền dẫn đó là: cáp song hành đối xứng (twin wire), cáp đồng trục (coaxial cable) và ống dẫn sóng (wave guide). Ở dải sóng cực ngắn, đặc biệt là dải sóng decimet và centimet người ta thường sử dụng cáp đồng trục và ống dẫn sóng. a) Cáp song hành đối xứng Cáp song hành đối xứng là hệ 2 dây dẫn giống hệt nhau, có cùng các đặc tính điện so với điểm đất. Các dây này được bó lại thành cáp, bao gồm các 47
  46. dây được bọc vỏ cách điện và xoắn lại với nhau để làm giảm điện cảm ghép giữa các cặp dây với nhau. Cả bó dây còn được bọc vỏ chống nhiễu bên ngoài. - Lớp cách điện: thường dùng nhất là vật liệu giấy đặc biệt (thuần tuý cellulose). Vật liệu giấy với đặc tính hút ẩm cao có thể chống ẩm tốt cho các dây dẫn, nhưng lại làm tăng độ mất mát điện môi. - Dây dẫn: dây đồng tiện dụng vì đặc tính dẫn điện tốt và dễ gia công, hàn nối. Dây nhôm nhẹ rẻ tiền hơn, nhưng rất khó hàn nối. - Lớp vỏ: dùng để chống các ảnh hưởng cơ khí, hoá học và cả điện (nhiễu) từ bên ngoài. Vỏ chì rất tiện dụng dù trọng lượng nặng và chống nhiễu không tốt. Vỏ nhôm nhẹ hơn nhưng khó chế tạo và dễ bị bazơ ăn mòn. Trong trường hợp cần thiết có thể dung thêm một lớp vỏ phụ nhôm hay đồng. b) Cáp đồng trục Cáp đồng trục được cấu tạo từ 2 dây đồng trục, lớp ngoài nối đất, lớp trong giữa tâm, ở giữa là vật liệu cách điện cao tần. Lớp dây dẫn trong thường là một dây đồng, nhôm hoặc kim loại dẻo, có thể là dây đồng đặc hay ống dẫn rỗng, lớp ngoài tạo bởi các dải đồng và nhôm xoắn theo chiều dài. Các sợi đồng trục còn có thể được nhóm thành một cáp lớn được bảo vệ bởi lớp vỏ bọc và chống nhiễu. Hình 4.3. Cáp đồng trục Khi ta đưa năng lượng cao tần vào cáp đồng trục, giữa hai dây dẫn trong và dây dẫn ngoài sẽ phát sinh một sóng điện từ chạy dọc theo dây. Cáp đồng 48
  47. trục có thể sử dụng cho dải sóng cực dài đến dải sóng cm. Tuy nhiên, khi làm việc ở tần số cao từ 2GHz trở lên thì tổn hao trong chất điện môi tăng lên. Hơn nữa với những máy phát công suất lớn hang trăn W đến KW ở tần số siêu cao, cáp đồng trục có thể sẽ không chịu đựng được. Trong trường hợp này, người ta dung ống dẫn song. c) Ống dẫn sóng Các ống dẫn sóng (hình 4.4) được dùng để truyền dẫn năng lượng của tín hiệu vi ba từ một nơi này đến một nơi khác giữa các phần khác nhau của một thiết bị vi ba lên anten phát hay từ anten thu đến máy thu. Ống dẫn sóng thường được chế tạo từ đồng, nhôm hoặc đồng thau dưới dạng những ống hình chữ nhật, hình tròn, hình elip. Lớp kim loại phía bên trong của các ống dẫn song thường được phủ bạc để giảm điện trở xuống thấp. Hình 4.4. Các loại ống dẫn song Nếu ta kích thích vào trong ống dẫn sóng một trường điện từ, thì sóng điện từ sẽ truyền lan trong ống dẫn sóng từ đầu này đến đầu kia bằng các phản xạ nhiều lần ở thành ống. Các sóng có bước song lớn hơn hai lần kích thước thành rộng của ống thì không truyền được trong ống dẫn song. Một tuyến vi ba số bao gồm nhiều đoạn chuyển tiếp, trung bình mỗi đoạn cách nhau khoảng 50 km. Cuối mỗi đoạn chuyển tiếp là các trạm được phân như sau: - Trạm đầu cuối: Thường được đặt tại các đầu mối giao thông lớn 49
  48. - Trạm rẽ kênh: Trạm rẽ kênh nằm ở các vùng dân cư, thị xã dọc tuyến vi ba số. Trạm này có chức năng xuống kênh hoặc lên kênh nhằm thiết lập thông tin giữa các vùng lân cận có liên quan. - Trạm chuyển tiếp: Có 2 loại chính là chuyển tiếp tích cực và chuyển tiếp thụ động. 1. Trạm chuyển tiếp tích cực, có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu từ trạm phía trước khuếch đại bù các dạng méo, chuyển đổi tần số rồi phát tiếp cho trạm sau. Trạm chuyển tiếp tích cực có thể có người hoặc không có người điều khiển thường sử dụng nguồn pin mặt trời cùng các tổ acqui dung lượng lớn đảm bảo nguồn cấp cho thiết bị. 2. Trạm chuyển tiếp thụ động, thường không có thiết bị thu phát. Trạm này thường sử dụng định hướng của các anten để thay đổi hướng tuyến của sóng vi ba qua các vùng địa hình phức tạp. §4.3 MỘT SỐ CÁC ĐẶC ĐIỂM KỸ THUẬT RIÊNG CỦA THÔNG TIN VI BA Thông tin vi ba có một số các đặc điểm kỹ thuật riêng sau: - Việc phân tích các mạch điện ở vùng tần số cao như tần số vi ba khó khăn hơn. Thông thường đối với các mạch có tần số thấp hơn 30 MHz, việc phân tích dựa trên các quan hệ dòng điện - điện áp. Còn ở tần số vi ba, đa số các phần tử và mạch được phân tích thông qua các điện trường, từ trường. - Kỹ thuật do trong thông tin vi ba cũng khác trước. Trong các mạch điện tử tấn số thấp, người ta thường đo dòng và áp, còn trong các mạch vi ba cần đo các thông số của điện trường, từ trường và công suất của tín hiệu. - Ở các tần số cao của hệ thống thông tin vi ba, một điện trở cũng có cả các tính cảm kháng, dung kháng và được xem như một mạch LCR. Các tụ điện và cuộn dây cũng có cùng đặc tính tương tự. - Để tạo nên các mạch cộng hưởng ở các tần số vi ba, giá trị của các đại lượng L và C cần phải rất nhỏ. Điều này gây nhiều khó khăn về mặt kỹ thuật 50
  49. vì ngay cả một đoạn dây dẫn nhỏ cỡ vài cm cũng đã có L khá lớn ở tần số vi ba. - Các thiết bị bán dẫn cũng không làm việc bình thường ở các tần số vi ba. Các diode và transistor bình thường sẽ không hoạt động ở tần số vi ba. Ở các tần số thấp, thời gian vượt quãng (transit time) trong các transitor là có thể bỏ qua, xem như rất bé (thời gian vượt quãng là khoảng thời gian cần thiết để một điện tử hay một lỗ hổng vượt quãng đường giữa hai cực trong transistor). Tuy nhiên ở các tần số vi ba do chu kỳ T=1/f rất bé (do f quá lớn) nên thời gian vượt quãng trở nên chiếm phần trăm khá lớn so với thời gian một chu kỳ của một tín hiệu vi ba. Vì vậy trong kỹ thuật vi ba người ta phải chế tạo ra các diode và transistor đặc biệt nhỏ và từ các chất đặc biệt như gallium arsenide có thời gian vượt quãng bé hơn so với trong silic. Ngoài ra trong các hệ thống vi ba người ta còn dung các thiết bị đặc biệt trong các mạch khuếch đại công suất như các ống chân không klystron, magnetron, ống dẫn song. - Các tín hiệu vi ba rất dễ bị phản xạ và bị chệch hướng khi gặp các vật thể lớn nhỏ khác nhau. Thậm chí cả các hạt mưa, hạt sương cũng có thể hấp thụ và làm suy yếu các tín hiệu vi ba, nhất là ở vùng tần số cỡ 20 GHz. 51
  50. Ch­¬ng 5 HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG §5.1- CẤU TRÚC CHUNG CỦA MỘT HTTT SỢI QUANG Các tín hiệu điện từ các thiết bị khác nhau như: máy điện thoại, Fax, máy tính, máy phát truyền hình, các thiết bị đầu cuối đưa đến được biến đổi sang tín hiệu quang qua một bộ biến đổi điện-quang E/O; Tại đây các mức tín hiệu được biến đổi thành cường độ quang, các tín hiệu điện “1” và “0” được biến đổi ra ánh sang dạng “CÓ” và “KHÔNG” và sau đó được gửi vào sợi quang trong cáp quang. Tại đầu thu qua độ biến đổi quang-điện O/E; Tại đây tín hiệu quang thu được biến đổi thành tín hiệu điện, khôi phục lại nguyên dạng tín hiệu của máy điện thoại, Fax, dữ liệu, đã được gửi đi (Hình 5.1). Tín hiệu đã khôi phục được truyền tới các thiết bị đầu cuối của chặng truyền dẫn. Hình 5.1. Cấu trúc HTTT sợi quang 52
  51. Bộ biến đổi điện quang thực chất là linh kiện phát quang như là laser diode, còn bộ biến đổi quang-điện thường là các photo diode. Khi khoảng cách truyền dẫn lớn người ta đặt các trạm lặp trên tuyến cáp quang. Các trạm lặp này biến đổi tín hiệu quang thu được thành tín hiệu điện để khuếch đại. Tín hiệu đã được khuếch đại được biến đổi thành tín hiệu quang để tiếp tục truyền trên tuyến cáp quang tiếp theo. §5.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA HTTT SỢI QUANG Hệ thống thông tin sợi quang có một số ưu điểm so với các hệ thống sử dụng cáp đồng cổ điển do sử dụng các đặc tính của sợi quang, linh kiện thu quang và phát quang. Sợi quang có các đặc điểm chủ yếu sau: 1. Sự suy hao thấp của tín hiệu ( chất lượng tốt hơn so với cáp song hành kim loại hay cáp đồng trục) 2. Cáp sợi quang có thể truyền tải tín hiệu có tần số cao hơn rất nhiều so với cáp đồng trục. 3. Đường kính sợi quang nhỏ trọng lượng nhẹ so với cáp đồng. Một sợi cáp quang có cùng đường kính với các kim loại có thể chứa một số lượng lớn lõi sợi quang hơn số lượng lõi sợi kim loại cùng kích cỡ. Các đặc điểm này của sợi quang có ưu điểm rất lớn khi lắp đặt cáp. 4. Sợi quang có đặc tính cách điện vì thuỷ tinh không dẫn điện. Do vậy cáp sợi quang không chịu ảnh hưởng của điện từ trường bên ngoài từ các đường dây hay cáp điện cao áp, sóng vô tuyến và truyền hình . Trong ngành điện cáp quang có thể được đặt trong dây chống sét trên đường dây tải điện. 5. Sử dụng cáp quang cho phép tiết kiệm tài nguyên vì thạch anh là nguyên liệu chính để sản xuất sợi quang. Nguồn nguyên liệu này dồi dào hơn nhiều so với kim loại và hơn nữa, chỉ cần một lượng nhỏ nguyên liệu thạch anh là có thể chế tạo được một đoạn cáp quang tương đối dài. Hơn nữa truyền dẫn sợi quang nhờ ghép kênh dung lượng lớn (rất nhiều tín hiệu được ghép lại với nhau thành một đường và được truyền qua tuyến 53
  52. truyền dẫn) cho phép thực hiện dịch vụ truyền video đang có nhu cầu phát triển lớn và sẽ làm cho giá truyền tin giảm thấp. Thông tin quang cũng cho phép truyền dẫn đồng thời các tín hiệu có bước sóng khác nhau (ghép tần số). Đặc tính này cùng với khả năng truyền dẫn băng rộng của sợi quang sẵn có làm cho dung lượng truyền dẫn của tuyến trở nên rất lớn. Đường kính nhỏ, trọng lượng bé của sợi quang làm giảm khoảng không trong quá trình lắp đặt cáp. Điều này một lần nữa cải thiện tính năng kinh tế trong mạng lưới viễn thông và làm thuận tiện dễ dàng trong khi lắp đặt và bảo dưỡng. Ưu điểm của sợi quang là không dẫn điện như vậy không cần thiết phải tách cáp thông tin ra khỏi các thiết bị gây ra cảm ứng điện từ trường, bảo vệ an toàn công nhân cũng như ổn định chất lượng thông tin. §5.3 SỢI QUANG 5.3.1. Cấu trúc sợi quang Sợi quang có thể hiểu là “sợi mảnh dẫn ánh sáng”, bao gồm hai chất điện môi trong suốt khác nhau (chất điện môi như thuỷ tinh hoặc nhựa) một phần cho ánh sáng truyền trong đó gọi là lõi sợi, phần còn lại là lớp vỏ bao quanh lõi (Hình 5.2). Sợi quang được cấu tạo sao cho ánh sang được truyền dẫn chỉ trong lõi sợi bằng phương pháp sử dụng hiện tượng phản xạ toàn phần ánh sang. Hiện tượng này được tạo nên do cấu tạo sợi quang có triết suất lớp vỏ n2 nhỏ hơn chiết suất lớp lõi n1 khoảng 0,2 hoặc 0,3% (n1>n2). Hình 5.2 Cấu trúc sợi quang 54
  53. Sợi quang có đường kính rất bé, đường kính lớp vỏ vào khoảng 0,1mm. Lõi dẫn ánh sáng của sợi có đường kính nhỏ hơn nhiều, đường kính này cỡ khoảng một vài m ( 1m = 10-3 mm), so với bước sóng truyền tải nó lớn hơn khoảng vài chục lần. Cáp quang bao gồm nhiều sợi quang bên trong. 5.3.2.Quá trình đưa ánh sáng vào sợi quang Ánh sáng phát ra từ nguồn phát quang bị khuếch tán do nhiễu xạ. Muốn đưa ánh sáng vào lõi của sợi cần phải tập trung ánh sáng. Tuy nhiên không phải tất cả ánh sáng được tập trung đều có thể đưa vào sợi mà chỉ một phần có góc tới nằm trong một giới hạn nhất định mới có thể đưa được vào lõ sợi quang. Như trình bày trên hình 5.3, tại điểm đưa vào của sợi quang chia thành ba môi trường liền nhau có chiết xuất khúc xạ khác nhau. Đó là môi trường không khí, lõi và vỏ của sợi quang. Cho các giá trị chiết suất này lần lượt bằng no (=1), n1 và n2. Ta có thể áp dụng các định luật khúc xạ và phản xạ tại các biên tiếp giáp giữa không khí và lõi, giữa lõi và vỏ. Trên hình 5.3 góc nhận lớn nhất θmax là góc mở đối với tia số 2 có góc tới bằng góc tới hạn C . Tại biên của không khí và lõi, lõi và vỏ, áp dụng định luật khúc xạ ánh sáng Snell ta có hai phương trình sau: nosin θmax = n1sinθc o o n1sin (90 - θc) = n2sin90 = n2 (5.1) Hay: nosin θmax = n1sinθc Cosθc = n2/n1 (5.1a) 55
  54. Hình 5.3 Góc nhận của sợi quang Góc mở lón nhất θmax được tính như sau: 2 2 Sin max n 1 n 2 2 2 max arcsin(n 1 n 2 ) (5.2) Đại lượng Sin θmax được gọi là khẩu độ số NA (Numercal Aperture), nó cho ta biết điều kiện đưa ánh sáng vào sợi quang. Đây là thông số cơ bản tác động đến hiệu suất ghép nối giữa nguồn sáng và sợi quang sợi. Ví dụ, một sợi quang có chiết suất khúc xạ là n1 = 1,475 và n2 = 1,46 (sẽ có NA = 0,21. Nếu biết được đường kính lõi và khẩu độ số NA của sợi quang thì xác định được lượng ánh sáng vào lõi sợi. Đường kính lõi sợi càng lớn và NA càng lớn sẽ cho hiệu suất ghép nối cao. Trong sợi quang giao thoa giữa ánh sáng tới có góc phản xạ xác định với ánh sáng phản xạ gây ra phân bố cường độ điện trường xác định. Đường truyền của ánh sáng bị giới hạn trong sợi quang với góc phản xạ xác định 56
  55. cũng như phân bố cường độ điện trường xác định được gọi là mode lan truyền. Số lượng mode lan truyền ánh sáng N là một số nguyên lớn nhất thỏa mãn điều kiện: 2a.sinθc ≥ N.λ/2 (5.3) trong đó: θc được tính như ở trên như sau: 2 2 sin c sin  max / n 1 =n 1 n 2 / n 1 (5.4) 2a - đường kính của lõi sợi quang. Từ đó ta có N là số nguyên lớn nhất thỏa mãn điều kiện: 2 2 N 4a /  .(n1 n 2 / n 1 ) (5.5) Vì λ =λ0/n1 nên 2 2 N 4a / 0 . n 1 n 2 (5.5a) Ví dụ cho n1=1,475, n2=1,46, 2a=50 µm và λ=1,3 µm thì ta có số lượng mode là N=16. Sợi quang có số lượng truyền lan nhiều như đã nói ở ví dụ trên được gọi là sợi da mode(có N>1). Nếu n1= 1,463, n2=1,46, 2a=10 µm và bước sóng ánh sáng λ=1,3 µm ta có N= 1. Ở đây N=1 có nghĩa là chỉ có thể tồn tại một mode truyền lan ánh sáng. Sợi quang chỉ có một mode truyền lan như ví dụ này thì được gọi là sợi đơn mode. Vì số lượng mode truyền lan là hàm số của bước sóng λ nên nếu sợ có thể được sử dụng như sợi đơn mode ở bước sóng này thì đối với bước sóng ngắn hơn không còn là sợi đơn mode nữa. 57
  56. Bước sóng nhỏ nhất mà tại đó, sợi quang làm việc như sợi đơn mode được gọi là bước sóng cắt. Bước sóng cắt λc có thể được tính theo phương trình: 2 2 c 4a n1 n 2 (5.6) 5.3.3 Phân loại sợi quang Phân loại sợi quang được trình bày trên bảng 5.1. Sợi quang được phân loại theo nhiều cách như phân loại theo vật liêu điện môi sử dụng, theo mode truyền dẫn, theo phân bố chiết suất khúc xạ của lõi v.v . Bảng 5.1 Phân loại sợi quang Sợi quang thạch anh Phân loại theo vật liệu điện Sợi quang thủy tinh đa vật liệu môi Sợi quang bằng nhựa Sợi quang đơn mode Phân loại theo mode truyền lan Sợi quang đa mode Phân loại theo phân bố chiết Sợi quang chiết suất phân bậc SI (Step suất khúc xạ Index) Sợi quang chiết suất biến đổi đều GI (Graded Index) a)Phân loại theo vật liệu điện môi Khi phân loại theo vật liệu điện môi thì có tổng số 03 loại, một loại sợi bao gồm phần lớn thủy tinh thạch anh, một loại gồm nhiều loại vật liệu thủy tinh và một loại là sợi bằng nhựa. Các sợi quang thạch anh không những chỉ chứa thạch anh nguyên chất (SIO2) mà còn có các tạp chất thêm vào như Ge, B và F, . Để là thay đổi chiết suất khúc xạ. Các sợi quang đa vật liệu có thành phần chủ yếu là Soda lime, thủy tinh hoặc thủy tinh boro-silicat, . Đối với vật liệu sản xuất sợi quang bằng nhựa, 58
  57. silicon resin và acrelie desin, tức là Polymethyl methacrylate ( PMMA) thường được sử dung. Đối với mạng lưới viễn thông, sợi quang thủy tinh thạch anh được sử dụng nhiều nhất bởi vì nó có khả năng cho sản phẩm có độ suy hao thấp và các đặc tính truyền dẫn ổn định trong thời gian dài. Nhưng các loại sợi bằng nhựa thường được sử dụng ở những nơi cần truyền dẫn cự ly ngắn, khó di cáp bằng máy móc, thuận tiện trong sử dụng lắp đặt thủ công (như dễ dàng hàn nối, không phương hại đến các đặc tính truyền dẫn khi bẻ gập ) mặc dù loại này có đặc tính truyền dẫn kém. b)Phân loại theo Mode lan truyền Theo mốc lan truyền, sợi quang được chia làm 2 nhóm. Một là sợi quang đơn mode (gọi tắt là loại SM) loại này chỉ cho một mode lan truyền. Loại sợi thứ 2 là đa mode, cho phép nhiều mode lan truyền. c)Phân loại theo phân bố chiết suất khúc xạ Các sợi quang có thể tạm phân loại thành 2 nhóm theo thông số chỉ số khúc xạ của lõi sợi. Một loại gọi là sợi quang chiết suất phân bậc (Step Index viết tắt là SI) ở loại sợi này chiết suất thay đổi theo bậc giữa lõi và vỏ. Loại thứ 2 gọi là chiết suất biến đổi (Graded Index viết tắt là GI). Loại này có chiết suất thay đổi một cách từ từ. Hình 5.4 a) Sợi quang chiết suất phân bậc SI b) Sợi quang chiết suất biến đổi GI Các tham số cơ bản để xác định cấu trúc sợi quang là đường kính lõi sợi, đường kính lớp bao (đường kính vỏ), khẩu độ số NA, dạng phân bố chiết suất khúc xạ v.v thêm vào đó, còn có các thông số phụ khác như tỉ số không đồng tâm, tỉ số không tròn. 59
  58. §5.4 CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 5.4.1 Bộ biến đổi điện – quang E/O Bộ biến đổi điện – quang E/O có nhiệm vụ phát ra sóng quang, chuyển đổi dòng điện iE ở đầu vào thanh sóng quang ở đầu ra có công suất quang ΦE/O được thể hiện dưới dạng công suất của sóng điện từ: ΦE/O=a0 +a1iE (5.7) trong đó a0,a1 là các hằng số. Trong trường hợp lý tưởng công suất quang phát ra ΦE/O phải tỷ lệ với cường độ dòng điện kích thích iE (hệ số a0=0): ΦE/O = a1iE (5.7a) Hệ số tỷ lệ a1 đặc trưng cho hiệu suất bức xạ quang. Mặt khác công suất điện PE đặt ở đầu vào của bộ biến đổi điện – quang có 2 thế coi là tỷ lệ bình phương dòng điện iE . Vì vậy công suất quang bức xạ sẽ tỷ lệ với căn bậc hai của công suất điện đặt ở đầu vào của bộ biến đổi điện – quang. Các bộ biến đổi này thường là các diode laser (LD) hay diode phát quang (LED). 5.4.2 Bộ biến đổi quang – điện O/E Ở phần đầu ra của sợi quang, công suất quang thu nhận được ΦO/E sẽ được chuyển đổi ngược lại iR ở đầu ra bởi bộ biến đổi quan điện O/E. IR=σ0. ΦO/E (5.8) trong đó, σ0 hệ số đáp ứng. Mặt khác do công suất tín hiệu PR thu được tỷ lệ với bình phương dòng 2 điện iR nên công suất này tỷ lệ với bình phương của công suất sóng quang. Hoạt động của bộ thu hoàn toàn đối xứng lại với bộ phát. Ở đầu vào của nó. Các bộ biến đổi quang – điện thường là các photo diode. 60
  59. §5.5 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN SỢI QUANG Đối với một hệ thống thông tin cáp quang thường có các thông số cơ bản như sau : - Tốc độ bit D nhị phân cần truyền; - Chiều dài l của đường truyền; - Xác suất sai ε trên mỗi bít chấp nhận được. 61
  60. Ch­¬ng 6 HỆ THỐNG THÔNG TIN TẢI BA PLC (POWER LINE CARRIER) §6.1 KHÁI NIỆM Tải ba PLC là hệ thống truyền tin sử dụng các đường dây truyền tải điện cao áp, chủ yếu được dùng để truyền đi một cách tin cậy tiếng nói, dữ liệu về quản lý năng lượng và các tín hiệu bảo vệ hệ thống điện. Thông thường hệ thống PLC được sử dụng cho việc thông tin liên lạc bằng điện thoại trong mạng thông tin nội bộ trong ngành điện. PLC cũng cho phép truyền các tín hiệu điều khiển và bảo vệ hệ thống điện. Các tín hiệu điều khiển và bảo vệ này nhằm bảo vệ các đường dây truyền tải điện trọng yếu cũng như các phần tử quan trọng khác trong hệ thống điện. Đồng thời hệ thống PLC cũng cho phép kết nối các máy tính với nhau trong mạng máy tính diện rộng của ngành điện cũng như cho phép các máy Fax liên lạc được với nhau. Thông thường PLC được dùng để truyền thông tin trên một khoảng cách trung (từ 20 – 100 km) hoặc khoảng cách dài (100 – 500 km). §6.2. CÁC ƯU ĐIỂM Đã từ lâu, đường dây tải điện cao áp được sử dụng để truyền tải thông tin trên sóng mang cao tần đi khắp nơi trong mạng điện, đường dây tải điện đã được xây dựng sẵn được kết hợp làm đường dây thông tin, vì vậy chỉ còn phải đặt các thiết bi PLC ở các trạm biến áp. Đó là một lý do tại sao hệ thống PLC có giá thành thấp do không phải chi phí cho việc xây riêng đường dây 62
  61. thông tin. Một ưu điểm khác là tín hiệu PLC có thể được truyền đi đến vài trăm km theo đường dây truyền tải điện mà không cần phải đặt một bộ khuếch đại biên độ trung gian nào, nhờ vậy chi phí cũng giảm đi. Mặt khác đường dây cao áp được tính toán xây dựng không những có thể chịu đựng được các điều kiện thời tiết xấu mà cả các dạng thiên tai có thể xảy ra. Do vậy tương ứng hệ thống thông tin tải ba cũng có độ tin cậy cao. Hiện nay ngành điện lực nước ta sử dụng nhiều hệ thống thông tin tải ba khác nhau như: - Hệ thống tải ba ABC do Nga sản xuất. - Hệ thống tải ba ESB do hãng Siemens (Đức) sản xuất. - Hệ thống tải ba ETL do hãng ABB (Thuỵ Điển) sản xuất. - Hệ thống tải ba CPL do hãng CEGELEC (Pháp) sản xuất. Các hệ thông tin tải ba đều có nguyên lý chung là chúng đều sử dụng môi trường truyền là đường dây tải điện, các thiết bị ghép nối và nhiều thiết bị khác. Dưới đây sẽ giới thiệu về hệ thống tải ba CPL 306 do hãng CECELEC (Pháp) sản xuất. §6.3. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN TẢI BA LOẠI CPL 306 (CEGELEC) Trên hình 6.1 thể hiện các khối trong hệ thống thông tin tải ba nói chung. Hình 6.1 Sơ đồ các khối hệ thống thông tin tải ba 63
  62. Hệ thống tải điện có công suất lớn thường có yêu cầu về độ an toàn cao và truyền tải điện trên phạm vi rộng. Hệ thống thông tin tải ba sẽ giúp cho việc trao đổi thông tin, số liệu giữa các vị trí địa lý khác nhau trong hệ thống điện. Nhờ được thiết kế một cách đặc biệt cho việc thông tin liên lạc, thiết bị thông tin tải ba CPL – 306 cho phép truyền tín hiệu theo kiểu điểm nối điểm từ 2 đến 6 kênh truyền làm việc song song, sử dụng môi trường truyền tin là đường dây trên không hoặc dây cáp cao áp. Dữ liệu ban đầu dưới dạng tín hiệu tương tự được truyền đến các bộ điều chế, khuếch đại rồi gửi đến môi trường truyền tin qua một bộ ghép nối. Ở cuối đường truyền, một thiết bị thu sẽ khôi phục lại một cách chính xác dữ liệu đã được truyền đi (xem hình 6.1). Sơ đồ hoạt động của hệ thống thông tin tải ba có thể được mô tả rõ hơn trong hình 6.2 Các ký hiệu trên sơ đồ 6.2 như sau: LT ( Line Triap) - cuộn cảm (còn được gọi là cuộn chặn hay cuộn bẫy sóng). CD ( Coupling Device) - thiết bị ghép nối. PLC ( Power Line Carrier) - thiết bị thông tin tải ba (thiết bị chính). CC ( Coupling Capacitor) - tụ ghép nối. HV ( High Voltage Line) - đường dây truyền tải điện cao áp. RP ( Rele Protection) - rơle bảo vệ. RTU ( Remode Terminal Unit) - thiết bị đầu cuối. PAX - thiết bị chuyển mạch. FAX - máy Facsimile. M ( Modem ) - giao diện. PC ( Personal Computer) – máy tính cá nhân. Từ hình 6.2 ta thấy hệ thống thông tin tải ba bao gồm các thiết bị chủ yếu nằm về phía điện áp cao như sau: - Cuộn kháng bẫy sóng hay còn gọi là cuộn cảm LT (line Triap). - Tụ điện ghép nối CC (Coupling Capacitor) - Thiết bị ghép nối CD (Coupling Device) 64
  63. Hình 6.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống thông tin tải ba. Các bộ giao tiếp của thiết bị CPL – 306 nhận những tín hiệu vào tương tự có tần số từ 300 đến 3700 Hz. Sự phối hợp với nhau giữa việc truyền các tín hiệu nói trên với việc truyền tần số công nghiệp trên đường dây là không thể chấp nhận được về mặt chất lượng tín hiệu cũng như về vấn đề an toàn cho thiết bị thông tin. Vì vậy thiết bị CPL- 306 sẽ biến đổi các tín hiệu tương tự nhận được sang tần số trong khoảng từ 40 đến 500kHz. §6.4 CHỨC NĂNG CỦA CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG TẢI BA 6.4.1. Cuộn bẫy sóng LT 65
  64. Các tín hiệu thông tin tải ba thường được truyền trên đường dây cao áp là các tín hiệu đo lường từ xa, tín hiệu điều khiển từ xa, tín hiệu điện thoại, điện báo (Telex) cuộn bẫy sóng được thiết kế để ngăn chặn những tín hiệu sóng mang cao tần. Chúng được mắc nối tiếp trên đường dây cao áp và đặt ở các trạm biến áp. Do đó chúng phải được thiết kế để chịu đựng được dòng điện làm việc lâu dài lớn nhất và kể cả dòng điện ngắn mạch có thể xuất hiện trên đường dây đó. Đối với cuộn bẫy sóng , tổng trở: Z= ω.L, mà ω= 2. π .f nên Z= 2 π.f.L. Vậy ta thấy tổng trở Z và tần số f tỷ lệ thuận với nhau. Nếu f nhỏ thì Z nhỏ, do vậy dòng điện có tần số nhỏ (tần số của điện công nghiệp 50Hz) dễ dàng qua được. Ngược lại nếu f lớn (khoảng 40 – 500kHz) thì Z rất lớn, dòng có tần số lớn rất khó qua. Như vậy cuộn bẫy sóng có tính chất cản trở không cho dòng tín hiệu tần số sóng mang đi qua. 6.4.2. Tụ điện ghép nối CC Tụ điện ghép nối cũng giống như các tụ điện thông thường được mắc trong mạch nhằm ngăn cản tần số điện lực không cho qua thiết bị PLC đồng thời cho các tín hiệu cao tần đi qua một cách dễ dàng để đi đến thiết bị PLC. Thật vậy, như ta đã biết tổng trở của mạch thuần dung là 1 1 Z , C2 fC tổng trở của tụ ghép nối tỷ lệ nghịch với tần số. Đối với tần số điện lực (50Hz) thì f nhỏ, Z lớn làm cho tín hiệu khó qua được; Còn đối với tần số sóng mang (40-500kHz) thì f lớn , Z nhỏ làm cho tín hiệu dễ dàng đi qua được. Một đầu của tụ điện ghép nối đấu vào đường dây cao áp (trước cuộn bẫy sóng) còn đầu kia được nối đến thiết bị ghép nối giao tiếp. Giá trị của tụ điện ghép nối trên thực tế khoảng 1500 – 7500 pF và giá trị này phụ thuộc vào trở kháng của đường dây cao áp. 6.4.3. Thiết bị ghép nối CD 66
  65. Thiết bị ghép nối là thiết bị giao tiếp giữa đường dây cao thế (HV Line) và thiết bị thông tin tải ba PLC. Phần chủ yếu của thiết bị ghép nối là bộ lọc với tác dụng cho tín hiệu tần số sóng mạng đi qua và ngăn lại không cho dòng điện tần số lưới điện đi qua nhằm bảo vệ các thiết bị viễn thông PLC khỏi phần điện áp cao cũng như quá điện áp trong hệ thống điện. Ngoài bộ lọc ra, thiết bị ghép nối còn bao gồm cuộn dây bảo vệ (drain coil), thiết bị phóng điện chân không, bộ phận nối đất bên ngoài và vỏ đứng Sơ đồ ghép nối trong trường hợp có nhiều trạm được thể hiện như trên hình 6.3. Hình 6.3 Sơ đồ ghép nối khi có nhiều trạm điện Các khối trên sơ đồ hình 6.3 như sau : A,B,C,D: các trạm biến áp. 1. Thiết bị ghép nối. 2. Thiết bị chuyển mạch vạn năng 3. Thiết bị PLC Có thể sử dụng các sơ đồ ghép nối khác nhau : - Ghép nối pha – đất : Hình 6.4a ; 67
  66. - Ghép nối pha – pha : Hình 6.4b ; - Ghép nối liên mạch : Hình 6.5. a) b) Hình 6.4 Các sơ đồ ghép nối Hình 6.5 Sơ đồ ghép nối liên mạch 68
  67. Thiết bị ghép nối loại GC 305 của hãng CEGELEC (Pháp) được chế tạo dưới hình thức một hộp Plastic không thấm nước và có 2 mạch quan trong: - Một mạch bảo vệ nhằm đảm bảo độ an toàn cho nhân viên vận hành và bảo vệ thiết bị tải ba khỏi ảnh hưởng của phần cao áp của hệ thống điện và điện áp xung của quá trình quá độ. - Một mạch thích ứng có thể điều chỉnh thể kháng của thiết bị tải ba cho phù hợp với đường dây của hệ thống điện. Mạch bảo vệ được cấu tạo gồm: - Một dao nối đất mà nó sẽ nối đất đầu cực điện áp thấp của tụ ghép nối khi cánh cửa hộp mở ra. Công tắc nối đất này được hoạt động bởi tay cửa trên mặt trước của cánh cửa tủ. Với tay của cửa này nằm ngang thì công tắc nối đất ở vị trí mở, cửa tủ có thể đóng lại (vị trí vận hành). Với tay cửa nằm ở vị trí dọc, công tắc nối đất được nối ở vị trí nối đất (được đóng lại). Ở vị trí này, sụ truyền tín hiệu bị ngưng lại và có thể mở cửa tủ ra trong suốt quá trình bảo dưỡng để sửa chữa thiết bị một cách an toàn. - Một thiết bị chống sét với điện áp định mức là 500V được nối giữa cực điện áp thấp của tụ ghép nối và đất. Nó được dùng để giới hạn những điện áp đỉnh xung nguy hiểm để bảo vệ cho thiết bị thông tin và người vận hành được an toàn. - Một cuộn dây bảo vệ được nối song song với thiết bị phóng điện chống sét tạo một đường thoát đến đất cho dòng điện tần số lưới bị dò qua tụ ghép nối. Nó sẽ có một điện kháng lớn hơn 5000 Ohm ở tín hiệu tần số sóng mang. - Một cầu trì bảo vệ của thiết bị tải ba. - Một thiết bị phóng điện chống sét thứ cấp với điện áp định mức là 600V giới hạn điện áp tăng vọt bất thường. 6.4.4. Thiết bị thông tin tải ba PLC loại CPL 306 Thiết bị thông tin tải ba CPL 306 là một thiết bị có chức năng thu phát tín hiệu tạo ra sóng cao tần để truyền lên đường dây cao áp. Nó bao gồm: - Một phần quản lý kênh và điều chế tín hiệu (Channel – Management); 69
  68. - Một phần chung tạo ra các sóng mang và tự động điều chỉnh hệ số khuếch đại (common part); - Một phần khuếch đại công suất và phần thích ứng ghép nối cao tần HF (Amplifier) 70