›
›

Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật - Đề tài: "Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điểu khiển thiết bị điện ứng dụng tại trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh" - Đại học Thái Nguyên-Trường Đại học Kĩ thuật Công nghiệp - Hoàng Thu H

pdf 127 trang phuongnguyen 3090
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật - Đề tài: "Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điểu khiển thiết bị điện ứng dụng tại trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh" - Đại học Thái Nguyên-Trường Đại học Kĩ thuật Công nghiệp - Hoàng Thu H", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfluan_van_thac_sy_khoa_hoc_ky_thuat_de_tai_nghien_cuu_su_dung.pdf

Nội dung text: Luận văn thạc sỹ khoa học kỹ thuật - Đề tài: "Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điểu khiển thiết bị điện ứng dụng tại trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh" - Đại học Thái Nguyên-Trường Đại học Kĩ thuật Công nghiệp - Hoàng Thu H

  1. i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH : KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC ĐỂ THIẾT KẾ BỘ ĐIỂU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN ỨNG DỤNG TẠI TRƢỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ CƠ ĐIỆN VÀ XÂY DỰNG BẮC NINH CHUYÊN NGÀNH : KĨ THUẬT ĐIỆN TỬ HỌC VIÊN : HOÀNG THU HÀ LỚP : KTĐT-K13 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  2. ii LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Hoàng Thu Hà Học viên lớp: Cao học khoá 13 - Kỹ thuật điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên Xin cam đoan đề tài: “Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh” được sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực, đúng như trong đề cương và chưa từng được ai công bố. Các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012 Học viên Hoàng Thu Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  3. iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - Khoa Điện tử - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến với các thầy giáo, cô giáo trong khoa và khoa Sau đại học vì sự giúp đỡ tận tình này. Tôi đặc biệt cảm ơn thầy giáo PGS.TS. Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài này. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ, động viên của gia đình, bạn bè, đồng nghiệp trong suốt thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng , song do điều kiện thời gian và kinh nghiệm thực tế của bản thân còn ít, cho nên đề tài không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp. Tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Hoàng Thu Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  4. iv MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan i Lời cảm ơn . ii Mục lục iii Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt viii Danh mục các bảng biểu xi Danh mục các hình vẽ xii Lời nói đầu . xvi Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1 1.1.1 Khái niệm PLC. 1 1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC 5 1.1.3. Phân loại công nghệ 6 1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp 6 1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít 7 1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi 7 1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế 8 1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đường cáp điện lực 9 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống 9 1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. 10 1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation) 10 1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 11 1.2.2.3 . Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) 11 1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 11 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  5. v 1.3. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực 11 1.3.1. X10 12 1.3.2.Lonwork 13 1.3.3. CEBus 14 1.3.4. HomePlug 16 1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC 17 1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ. 18 1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao 18 1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 19 1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home 19 1.5. Kết luận chương 20 Chương 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện 24 2.1.1. Sự giới hạn băng thông 25 2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện 26 2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz. 27 2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến. 27 2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn 27 2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài 28 2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ 29 2.1.2.6. Nhiễu sóng radio 29 2.1.2.7. Nhiễu nền 29 2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng .29 2.1.4. Suy hao trên lưới điện 30 2.1.5. Hiện tượng sóng dừng 31 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  6. vi 2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 32 2.2. Ghép nối với lưới điện – xử lý tín hiệu 33 2.2.1. Mạch ghép tín hiệu 33 2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C 34 2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C 36 2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp 37 2.2.2. Các bộ lọc tương tự 37 2.2.2.1. Mạch lọc RC 37 2.2.2.2. Mạch lọc LC 38 2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác 39 2.3. Các phương thức mã hóa 40 2.3.1 Mã xoắn 40 2.3.2. Mã Reed – Solomon 44 2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu 48 2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông. 48 2.4.2 Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK. 50 2.4.3 Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. 51 2.4.4 Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 52 2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. 53 2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu. 53 2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu. 55 2.5. Kỹ thuật trải phổ 56 2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp 57 2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK 57 2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK 61 2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 63 2.6. Công nghệ OFDM 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  7. vii 2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 65 2.6.2. Tính trực giao 66 2.6.3 Hệ thống OFDM 68 2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 70 2.7 Kết luận chương 71 Chương 3 ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN 3.1 Giới thiệu 72 3.1.1 Lịch sử trường 72 3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường 72 3.1.3 Thực trạng hệ thống điện của nhà trường. 73 3.1.3.1 .Các thiết bị điện: 73 3.1.3.2. Những bất cập của hệ thống điện hiện nay: 74 3.1.4. Các yêu cầu trong thiết kế 75 3.2 Modem truyền thông Philip TDA5051 76 3.2.1. Modem truyền thông trên đường dây điện 76 3.2.2. Modem truyền thông Philip TDA5051 77 3.2.3. Kết nối modem Philips TDA5051A 81 3.3. Bộ vi điều khiển PIC16F877 82 3.3.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877 82 3.3.2 Mạch điều khiển 85 3.3.3 Giao tiếp điều khiển 87 3.3.4 Lập trình PIC16F877 88 3. 4. Mạch nạp PIC16F877 90 3.5 Sơ đồ mạch 91 3.5.1 Khối cấp nguồn 91 3.5.2. Mạch ghép 91 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  8. viii 3.5.3. Mạch lọc 92 3.5.4. Mạch đồng bộ 93 3.5.5. Tổng hợp mạch 93 3.5.6. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad) 95 3.5.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 97 3.6 . Các kết quả thu được 99 3.7 . Kết luận chương 100 Kết luận và kiến nghị 101 Tài liệu tham khảo 103 Phụ lục 1 105 Phụ lục 2 111 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  9. ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký Tiếng Anh Tiếng Việt hiệu ASIC Application Specific Intergrate Circuit Mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt AM Amplitude Modulation Điều biên AMR Automated Meter Reading Tự động đọc công tơ AMM Automated Meter Management Tự động quản lý công tơ ASK Amplitude Shift Keying Khóa dịch biên BER Bit Error Rate Tỉ lệ lỗi bit BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BSC Base Station Control Điều khiển trạm gốc BSK Binary Shift Keying Khoá dịch pha cơ hai BTS Base Transceiver Station Trạm thu phát gốc CDMA Code Divission Multiplex Access Đa truy nhập phân chia theo mã CEPT Conference of European Posts and Hội nghị về quản lý bưu chính viễn Telecommunication Administrations thông Châu Âu CIS Customer Information Service Dịch vụ thông tin khách hàng DCU Data Concentration Unit Đơn vị tập trung dữ liệu DM Delta Modulation Điều tần DS Direct Sequence Chuỗi trực tiếp DSSS Direct Sequence Spread Spectrum Trải phổ dãy trực tiếp DPSK Differential Phase Shift Keying Khóa dịch pha vi phân EPRI Electrical Power research Institution Viện nghiên cứu điện năng FFH Fast Frequency Hopping Nhảy tần nhanh. FH Frequency Hopping Nhảy tần FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần FM Frequency Modulation Điều tần FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần FDM Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập theo tần số FPGA Field Programmable Gate Array Phạm vi có thể lập trình cổng mạng GSM Global System for Mobile Điện thoại di động toàn cầu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  10. x communication HCS Host Center Station Trạm máy chủ trung tâm HLR Home Local Register Thanh ghi định vị thường trú HPR High Power Radio Kênh vô tuyến công suất cao IMEI International Mobile Equipment Nhận dạng thiết bị di động quốc tế Identifier IMSI International Mobile Subscriber Nhận dạng thuê bao di động quốc Identifier tế ISDN Intergrated Service Digital Network Mạng số tổ hợp dịch vụ ISI Inter Symbol Interference Nhiễu ISI LAN Local Area Network Mạng khu vực LPR Low Power Radio Kênh vô tuyến công suất thấp MIU Đơn vị giao tiếp đồng hồ Đơn vị giao tiếp đồng hồ . MS Mobile Station Máy di động MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di động OFDM Orthogonal Frequency Division Điều chế đa sóng mang Multiplexing PC Personal Computer Máy tính cá nhân PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PIN Personal Identification Number Số nhận dạng cá nhân PLC Power Line Communication Truyền thông trên đường cáp điện PLL Phase Locked Loop Vòng khóa pha PLM Power Line Modem Modem điện lực PRBS Pseudo Random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên PSK Phase Shift Keying Khóa dịch pha PSTN Public Switching Telephone Mạng chuyển mạch điện thoại công Netwwork cộng QAM Quadrature Amplitude Modulation Điều chế biên cầu phương Q-PSK Quadrature Phase Shift Keying Khoá dịch pha cầu phương RF Radio Frequency Tần số vô tuyến RMR Remote Meter reading Đọc công tơ từ xa RTU Remote Tranceiver Unit Thiết bị phát từ xa một chiều Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  11. xi SF Selective Fading Pha định lựa chọn Smart Smart Integrated Metering System Hệ thống đo lường tích hợp thông IMS minh SIM Subscriber Identifier Modul Đơn vị nhận dạng thuê bao SSMA Spread Spectrum Multiple Access Đa truy nhập trải phổ VLR Visitor Local Register Thanh ghi định vị tạm trú WLL Wireless Local Loop Truy nhập không dây nội hạt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  12. xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK 62 Bảng 3.1 Mô tả các chân của TDA5051 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  13. xiii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 1 Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện 4 Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 9 Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống 10 Hình 1.5: X10 timing on 60Hz waveform 12 Hình 1.6: X10 packet format 13 Hình 1.7: CEBus spread spectrum chirp 15 Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện 18 Hình 1.9: Mạng thông tin PLC 19 Hình 1.10: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home 19 Hình 2.1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ 24 Hình 2.2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 25 Hình 2.3: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC 26 Hình 2.4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn 27 Hình 2.5: Nhiễu xung tuần hoàn 28 Hình 2.6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó 28 Hình 2.7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz 31 Hình 2.8: Hiện tượng sóng dừng 31 Hình 2.9: Mạch ghép dung kháng 34 Hình 2.10: Mạch ghép kết hợp LC 36 Hình 2.11: Các mạch lọc RC 38 Hình 2.12: Các mạch lọc LC đơn giản 38 Hình 2.13: Các mạch cộng hưởng LC 38 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  14. xiv Hình 2.14: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741 39 Hình 2.15: Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ ½ 40 Hình 2.16: Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 41 Hình 2.17: Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 42 Hình 2.18: Sơ đồ lưới giải mã 43 Hình 2.19: Đường sống và kết quả giải mã 44 Hình 2.20: Hệ thống sử dụng mã RS 45 Hình 2.21. Bộ mã hoá Reed-Solomon 46 Hình 2.22. Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, PSK, FSK 49 Hình 2.23. Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số 50 Hình 2.24: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc 54 làm giảm nhiễu Hình 2.25: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ 56 Hình 2.26: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 57 Hình 2.27: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK 59 Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản 59 Hình 2.29: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản 60 Hình 2.30: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức 62 Hình 2.31: Trải phổ nhảy tần FHSS 64 Hình 2.32: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần 64 Hình 2.33: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM 65 Hình 2.34: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang 66 b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang Hình 2.35: Phổ của các sóng mang trực giao 67 Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  15. xv Hình 2.37: Sơ đồ một hệ thống OFDM 69 Hình 2.38: Ảnh hưởng của ISI 70 Hinh 2.39: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống 70 Hình 2.40: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 71 Hình 3.1: Sơ đồ khối của TDA5051A 78 Hình 3.2. Sơ đồ chân của TDA5051A 78 Hình 3.3: Quan hệ giữa DATAIN và DATAOUT 80 Hình 3.4: Phổ tín hiệu 81 Hình 3.5: Modem điện Philips TDA5051A 82 Hình 3.6: Hình ảnh PIC16F877 83 Hình 3.7: Sơ đồ chân của PIC16F877 84 Hình 3.8: Sơ đồ mạch của khối điều khiển 86 Hình 3.9 Mạch giao tiếp điều khiển 87 Hình 3.10 Mạch giao tiếp USB 88 Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F877 89 Hình 3.12: Sơ đồ mạch nạp JDM 90 Hình 3.13: Sơ đồ cấp nguồn 91 Hình 3.14: Mạch ghép sử dụng biến áp 92 Hình 3.15: Mạch lọc 92 Hình 3.16: Mạch đồng bộ 93 Hình 3.17: Mạch tổng hợp 94 Hình 3.18. Mạch in Slaver 95 Hình 3.19. Mạch in Maste 95 Hình 3.20 : Mạch thực của các modul PLC 96 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  16. xvi Hình 3.21 Boar Master 96 Hình 3.22 Boar Slaver 97 Hình 3.23: Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC 98 Hình 3.24: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao. 98 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  17. xvii LỜI NÓI ĐẦU Với sự phát triển của khoa học công nghệ thông tin chúng ta đang chứng kiến sự xuất hiện hàng loạt các dịch vụ viễn thông mới đa dạng, an toàn, chất lượng cao đáp ứng nhu cầu truyền thông cho các doanh nghiệp và người tiêu dùng. Như: đo lường điều khiển từ xa, giám sát hoạt động hay điều khiển nhà thông minh Cùng với sự phát triển đó, tự động hóa các hệ thống là yêu cầu cấp thiết nhằm giải phóng sức lao động trực tiếp, nâng cao độ an toàn và tiết kiệm năng lượng. Với sự phát triển của khoa học công nghệ, việc trang bị tự động hóa cho các hệ thống mới khá đơn giản. Vấn đề đặt ra là phải cải tiến được (tự động hóa) cho các hệ thống cũ đồng thời phải tận dụng được trang thiết bị sẵn có để tiết kiệm chi phí. Cụ thể, với hệ thống điện của trường CĐN cơ điện và xây dựng BN hiện nay, việc sử dụng điện hoàn toàn phụ thuộc vào ý thức của người sử dụng nên không tránh khỏi lãng phí vô ích đặc biệt là khu vực giảng đường nơi dành cho HS-SV. Để khắc phục các nhược điểm đó, đề tài này này sẽ thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện cho từng phòng học cũng như phòng làm việc để quản lý việc sử dụng điện năng hợp lý hơn. Để thực hiện quá trình tự động hóa thì việc truyền thông tin là yêu cầu rất quan trọng. Truyền thông tin đi xa có nhiều phương án như: truyền thông qua đường dây điện thoại, qua đường dây Internet và truyền thông qua đường dây điện lực. Trong đó Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đầu tư do tận dụng được hệ thống tải điện sẵn có. Được sự hướng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà Cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung: “Nghiên cứu, sử dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện ứng dụng tại trƣờng CĐN cơ điện và xây dựng Bắc Ninh “. Đề tài gồm các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  18. xviii PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC như phối ghép lưới điện, mã hóa và điều chế thông tin. Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC- Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC – Trên cơ sở các kiến thức có được từ chương 1 và 2 chương này ứng dụng vi điều khiển PIC thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện thông qua đường dây điện lực. Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hướng phát triển của đề tài. Do đây là một đề tài còn mới, được hoàn thành trong một thời gian ngắn và điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể chưa đề cập được hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày. Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý kiến để tôi có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng như bổ xung thêm kiến thức cho bản thân được đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 20 tháng 11 năm 2012 Người thực hiện Hoàng Thu Hà Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  19. 1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ (PLC) (POWER LINE COMMUNICATION ) 1.1 Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1.1.1 Khái niệm PLC. Power line communication –PLC là công nghệ truyền tín hiệu thông tin trên đường dây điện lực. Công nghệ truyền thông PLC sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư. Hình 1.1 Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực Ưu điểm của công nghệ PLC. Một ưu điểm nổi bật của PLC là tính kinh tế do việc sử dụng mạng điện lưới sẵn. Hiện nay, tại Việt Nam nhu cầu truy cập Internet băng rộng trở nên rất bức thiết, trong khi Internet tốc độ cao ADSL chi phí cũng không nhỏ. Các modem PLC cho phép nhận và gửi các tín hiệu thông tin tại các ổ cắm điện trên tường nhà. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong tòa nhà sẽ trở thành một Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  20. 2 mạng LAN truy cập nội bộ. Cung cấp đường truyền tín hiệu băng thông rộng, không phải đi cáp quang đến từng nhà, khai thác khả năng to lớn của mạng điện hiện có, giải quyết vấn đề đưa đường truyền băng thông rộng đến hộ gia đình. Việc sử dụng mạng điện hiện có sẽ cho phép phổ cập thông tin dễ dàng đến mọi vùng, mọi nhà. Chỉ cần có một đường cáp quang nối tới trạm biến áp, cả một khu vực dân cư lớn sẽ có khả năng truy cập Internet băng thông rộng và các dịch vụ truyền thông khác. Đây là một giải pháp hữu hiệu cho việc giải quyết vấn đề dịch vụ băng thông rộng tới hộ gia đình hay bị quá tải do gộp dữ liệu nhiều đường thuê bao. Dễ dàng cài đặt và triển khai mạng, chỉ cần nối đường cáp quang đến trạm biến áp, lắp modem tại trạm, thiết lập hệ thống tới hộ gia đình và lắp modem PLC tại nơi truy cập, cung cấp tốc độ truy cập dữ liệu cao (10 - 45Mbps) trong dải tần (1,7 - 30Mhz). Ngoài ra, nó còn có tính tương thích cao với các công nghệ mạng khác. Do đó, công nghệ PLC khắc phục được những hạn chế về cơ sở hạ tầng của hệ thống thông tin và truyền thông ở Việt Nam, phổ cập các dịch vụ băng thông rộng đến mọi người dân. Quá trình phát triển của công nghệ PLC Ra đời vào những thập niên 80 của thế kỷ 20, công nghệ truyền tín hiệu trên đường dây điện đầu tiên được nghiên cứu và phát triển tại Mỹ với dự án mang tên X10. Công nghệ X10 sử dụng sóng mang tần số 120Khz và điện áp tín hiệu 4V để truyền tín hiệu điều khiển. Các sản phẩm sử dụng công nghệ X10 có ưu điểm là dễ lắp đặt, giá thành thấp và không phải đi thêm dây điều khiển. Tuy nhiên các sản phẩm X10 có điểm yếu là chịu tác động rất lớn của nhiễu đường truyền, tính bảo mật của thiết bị sử dụng công nghệ X10 không cao, tốc độ truyền thấp, khả năng bảo toàn thông tin thấp (70-80%). Từ đó đến nay công nghệ PLC không ngừng được nghiên cứu và phát triển. Năm 2002 đánh dấu một bước ngoặt lớn của công nghệ PLC khi chuẩn UPB & PLCBUS ra đời. Công nghệ UPB & PLCBUS sử dụng sóng mang có dải tần từ 4-40Khz, điện áp tín hiệu 40V để truyền tín hiệu điều khiển. Không giống như X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz, các thiết Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  21. 3 bị sử dụng công nghệ UPB & PLCBUS sẽ chọn ra trong dải tần 4-40Khz một tần số ít bị can nhiễu từ đường truyền nhất tại thời điểm truyền để truyền tín hiệu điều khiển. Do đó băng thông đường truyền được mở rộng cho phép nhiều thiết bị cùng truyền tín hiệu điều khiển cùng một lúc mà không bị ảnh hưởng lẫn nhau. Mặt khác, với điện áp tín hiệu lên tới 40V công nghệ UPB&PLCBUS gần như hoàn toàn không bị ảnh hưởng bởi can nhiễu lớn trên đường truyền. Hệ thống sử dụng công nghệ UPB&PLCBUS có chung đặc điểm: tốc độ truyền cao, dễ lắp đặt, không cần đi dây điều khiển, dễ thêm mới thiết bị, không cần bộ lọc, không cần tách riêng đường cấp nguồn, khả năng bảo toàn thông tin cao (99,98%) tương đương với các thiết bị sử dụng công nghệ IBUS như EIB, Cbus. Các thiết bị UPB&PLCBUS; được xây dựng với ID CODE và LINK PASSWORD ngăn chặn việc điều khiển thiết bị từ các hệ thống không được phép hoặc từ hệ thống khác ở các khu vực lân cận. Với ID CODE và LINK PASSWORD của công nghệ UPB&PLCBUS. Nhược điểm của công nghệ UPB&PLCBUS là khó cài đặt hơn so với thiết bị X10 do phải cài ID CODE và LINK PASSWORD cho từng thiết bị. Để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là đường dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Quá trình truyền thông tin qua đường dây điện lực được mô tả như hình 1.2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  22. 4 Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện Với quá trình truyền thông tin như vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ viễn thông như trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không cần lắp đặt cáp mới. Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện. Ví dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá Ý tưởng truyền tín hiệu thông tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn off carrier). Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải các thông tin phục vụ ngành điện, nhưng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  23. 5 phép PLC có những bước phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn. 1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC Ý tưởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây được sử dụng phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xưa như điện báo, tuy nhiên số lượng thiết bị truyền thông được cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vượt xa số lượng cài đặt trên dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần đây con người thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của nguồn điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế được cấp cho công ty điện báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các mạch cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm 1924 đã đưa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thông qua Dòng điện xoay chiều ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC như sau: .Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps) - Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thương hiệu thuộc sở hữu của mạng truyền thông Turtle của Mỹ. - PFPM (Điều pha tần số công suất). - Ripple Control (Điều tần qua đường điện). .Băng thông trung bình baud: (lên đến 9.600 bps) - Echonet - Archnet - Công nghệ bán dẫn, Australia. - National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893) - Itran .Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT) - Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps. - Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  24. 6 - Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps. - Texas Instruments. (Dựa trên DSP đạt 200Mbps) Tất cả các công nghệ được liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử nghiệm". Sẽ mất một thời gian cho các công nghệ này sẽ được đóng gói thành sản phẩm cuối cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thông. 1.1.3. Phân loại công nghệ 1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp - Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đường truyền tải dài từ vài chục kilomet đến vài trăm kilomet. - Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cư rộng, các khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài chục kilomet. - Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là các hộ gia đình, cơ quan, trường học với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm mét đến vài kilomet. Hệ thống lưới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm năng rất lớn. Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải được bật hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lưới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục những vấn đề vật lý như vậy. 1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít - PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên được dùng cho phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  25. 7 bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, người ta đã xác định giải tần có thể dùng cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC – châu Âu) hoặc từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật). - PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì giải tần được quy định bời CENELEC chỉ cho phép truyền dẫn ở tốc độ tương đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang được thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác chẳng hạn như an ninh, điều khiển không lưu, cac dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch vụ quảng cáo khác Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất. Hiện nay dải tần từ 1 – 10 MHz được dùng cho các úng dụng ngoài nhà (Outdoor), còn dải tần từ 10 – 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse). 1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi - PLC trong nhà (In – House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ thống trong nhà có thể hoạt động như mạng riêng mà không có bất kỳ một kết nối ra bên ngoài. - “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng trục truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trường hợp trạm hạ áp sẽ được dùng như điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ được dùng để kết nối đến nhà khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể được tổ chức ở trạm biến áp trung thế hoặc ở những điểm thích hợp khác. Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến 10 Mhz được ấn định dành riêng (hoặc ưu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10 Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  26. 8 1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế Bốn kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng cho truyền thông qua đường dây điện lực. Với một PLL (vòng khóa pha), quá trình truyền tải có thể được thực hiện với các kỹ thuật điều chế số Khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK) hoặc khóa dịch pha (PSK). Đây là một công nghệ nổi tiếng và không tốn kém, nhưng hiệu quả bị hạn chế. Kỹ thuật thứ hai là dựa trên nguyên lý trải phổ với một bộ tương quan. Ở đây, tín hiệu phát chiếm băng thông lớn hơn đáng kể băng thông tối thiểu cần thiết để gửi các thông tin vì vậy nó được trải ra và được điều chế. Đầu thu cần biết mẫu phát và tín hiệu được lấy mẫu thường xuyên. Băng thông thấp sẽ làm tăng tính nhạy cảm với hiện tượng méo tín hiệu do đó cần phải thay đổi (Máy thu hình là một ví dụ phổ biến của biến dạng méo tín hiệu). Kỹ thuật thứ ba kết hợp làm việc DSP trong một dải hẹp và sử dụng chế độ hai tần số sóng mang hoạt động với bộ triệt nhiễu xung và một cơ chế điều chỉnh thích ứng với méo tín hiệu. Kỹ thuật thứ tư kết hợp điều chế của một tần số thấp, xung cường độ cao trong dòng điện để liên lạc. Các loại hình giao tiếp như vậy đã được thử nghiệm bởi các công ty phân phối để quản lý tránh các lỗi của tải của họ Trong số các công nghệ PLC có sẵn, kỹ thuật này hứa hẹn việc truyền tín hiệu qua máy biến áp và do đó có thể thực hiện trên một khoảng cách dài hơn. 1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đƣờng cáp điện lực 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống Ý tưởng của công nghệ PLC là ghép tín hiệu số liệu có tần số cao vào đường cáp điện có tín hiệu cơ bản là 50/60Hz đưa đến khối sử lý tín hiệu. Việc ghép tín hiệu là một khía cạnh quan trọng của công nghệ PLC. Tín hiệu thông tin cần truyền phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số của dòng điện chính và các hài của nó. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  27. 9 Đồng thời, tín hiệu phải có công suất đủ lớn để đưa vào đường cáp điện. Một biến áp có đặc tính thông cao có thể được dùng để ghép tín hiệu vào dòng điện chính. Bộ lọc thông cao đảm bảo dòng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem. Tầng công suất Bảo vệ quá áp phía phát Từ bộ chuyển đổi A/D và lọc thông thấp Cáp điện Biến áp với bộ lọc thông cao a. Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện Dòng điện chính Cáp điện Biến áp với bộ lọc Bộ lọc dải vào Xử lý số thông cao liệu b.Tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện Phía thu, bộ lọc được dùng để cách ly tín hiệu điện và tín hiệu số liệu. Bộ lọc thông cao sẽ chặn lại tín hiệu dòng điện chính 50/60Hz, cho qua tín hiệu tần số cao đưa đến khối xử lý số liệu. Phương pháp như trên làm việc tốt với dải tần nhỏ hơn 150KHz, nhưng đối với dải tần cao hơn, cần có các mạch phụ để cho phép ghép tín hiệu qua biến áp. Việc ghép tín hiệu cũng phải đảm bảo bảo vệ modem không bị phá hỏng trong quá trình quá độ của dòng điện chính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  28. 10 1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống. Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống. 1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation) Một phần quan trọng của bộ phát và thu tín hiệu trên đường dây điện lực là giao diện giao tiếp với đường dây điện lực. Bởi vì mạch của chúng ta phải giao tiếp với lưới điện 220V- 50Hz, nếu không có sự cách ly cẩn thận, những phần còn lại của mạch điện có thể dễ dàng bị cháy. Ý tưởng cho mạch cách ly là có thể hoàn toàn ngăn chặn tín hiệu 50Hz, cho các tín hiệu thông tin đi qua. Tín hiệu thông tin trong trường hợp này là các tín hiệu điều chế tần số. Trong mạch điện này, tần số sóng mang có thể được thiết lập xung quanh giá trị 70KHz. Bởi vì các tín hiệu vào có một tần số giới hạn trong khoảng từ 500Hz đến 5KHz mạch cách ly sẽ phải cho phép các tín hiệu trong khoảng từ 65KHz đến 75KHz. Mạch cách ly là một tụ điện 10nF được nối với một biến áp âm tần. Mạch này hoàn toàn ngăn chặn các tín hiệu 50Hz và cho tín hiệu trong khoảng 50KHz đến 80KHz đi qua. Bằng việc đặt mạch cách ly này giữa đường dây điện lực và phần còn lại của mạch điện, chúng ta chắc chắn rằng tín hiệu điện áp 220V sẽ không ảnh hưởng đến mạch phát và mạch thu, và do đó tín hiệu thông tin có thể truyền và nhận được trên đường dây điện lực. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  29. 11 1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) Được sử dụng để điều chế tín hiệu vào. Nó có thể được sử dụng để phát ra tín hiệu xung vuông và xung tam giác sao cho phù hợp với kênh truyền. 1.2.2.3 . Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) Tín hiệu từ nguồn thường rất nhỏ. Thậm chí sau khi điều chế, nó không đủ mạnh để bộ phận có thể thu được bởi vì phải chịu sự tác động cao của nhiễu trên đường dây điện lực. Do đó, tín hiệu điều chế cần phải được khuếch đại trước khi đưa lên hoặc vừa mới nhận được từ đường dây điện lực. 1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) Tần số điều chế được sử dụng trong bộ phát để điều chế tín hiệu vào. Trong mạch thu, tín hiệu điều chế tần số này được khôi phục. Với bộ dao động điều khiển bằng điện áp hoạt động tuyến tính và ổn định sử dụng cho điều chế tần số với độ méo nhỏ. 1.3. Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực Có nhiều công nghệ truyền thông trên đường dây điện đã được triển khai đến nay. Đó là LonWorks, X – 10, OFDM, Passport, CEBus, và chuẩn HomePlug. Tất cả các công nghệ này sẽ được thảo luận vắn tắt ở phần này. 1.3.1. X10 Các đặc điểm kỹ thuật của X10 đã được thiết kế dành cho truyền tín hiệu trên đường dây điện trong nhà. Các sản phẩm đầu tiên đã được phát triển bởi một công ty Điện tử tiêu dùng tại Scotland - Pico và được đưa vào thị trường năm 1978. Các ứng dụng của X10 bao gồm kiểm tra, kiểm soát và đèn chiếu sáng cũng như các thiết bị âm thanh , mở cửa nhà để xe, truyền hình và nhiều hơn nữa . Các hệ thống X10 là đơn giản và dễ sử dụng. Nó truyền qua bằng cách sử dụng kỹ thuật OOK trên mạng điện. Chính xác hơn, nó sử dụng tín hiệu 120 kHz kéo dài trong 1 ms. Những tín hiệu này được đồng bộ hoá với việc qua điểm 0 (cả hai đều tích cực và tiêu cực) của dòng điện tín hiệu AC. Các đặc điểm kỹ thuật cho phép tín hiệu 120 khz có sai lệch tối đa 200 μs so với vị trí qua 0. Mỗi bit truyền Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  30. 12 chiếm hai điểm qua không ; Bit 1 là đại diện của một burst theo sau không có một- burst, trong khi bit 0 là không có-burst theo sau một burst. Hình 1-8 hiển thị thời gian mối quan hệ của các bursts liên quan đến điểm qua 0 Hình 1.5: X10 timing on 60 Hz waveform Một gói X10, hiển thị trong hình 2-50, bao gồm mười một chu kỳ của dòng điện. Nó bắt đầu với một khởi đầu cho dạng định dạng gói, bao gồm các chuỗi 'burst, burst, burst, noburst', trong đó chiếm hai chu kỳ đầu tiên (bốn điểm qua 0). Tiếp theo bốn chu kỳ đại diện các nhà mã số, và cuối năm chu kỳ đại diện một số mã (1 đến 16) . Chức năng hoặc một mã số (On, Off, vv) hoàn thành khối này luôn luôn được truyền hai lần, với 3 dòng điện chu kỳ giữa các nhóm của 2 mã số. Do vậy tổng số chu kỳ cần thiết để hoàn thành một lần truyền là 2 * 11 + 3 = 25 chu kỳ dòng điện . Hinh 1.6: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  31. 13 X10 hoạt động đơn giản và có tốc độ bit thấp. 25 chu kỳ dòng điện được yêu cầu truyền một khung - trong đó bao gồm 11 bit. Vì vậy mà tốc độ bit là 60 * (11/25) = 26,4 bit / giây. Tốc độ bit này chỉ là hữu ích cho các ứng dụng nhỏ, và quá chậm cho truyền tải âm thanh, video, chơi game mạng lưới giao thông, và các băng thông cao hơn mạng lưới giao thông. Tuy nhiên, X10 là không tốn kém và dễ sử dụng, vì vậy nó là một lựa chọn phổ biến cho các nhà tự động hóa. 1.3.2.Lonwork Lonworks là một giao thức lớp mạng được tạo ra bởi Công ty cổ phần Echelon với mục đích hỗ trợ thông tin liên lạc giữa các thiết bị điều khiển hoặc các nodes. Mỗi node trong mạng lưới – ví dụ như một chuyển đổi, cảm biến, xe máy, phát hiện chuyển động vv - thực hiện một công việc đơn giản. Toàn thể mạng thực hiện các ứng dụng điều khiển phức tạp như tự động hóa tòa nhà. Các tiêu chuẩn mới nhất cho các giao thức được sử dụng mạng LAN Lonworks định các chuẩn về điều chế, trải phổ, kỹ thuật trải phổ có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất trong việc tín hiệu bị nhiễu. Trải phổ cải thiện hiệu suất bằng cách sử dụng một băng thông rộng hơn cho việc truyền tin. Mức độ cải thiện phụ thuộc vào băng thông có sẵn, hoặc nói cách khác là mức độ trải phổ. Kỹ thuật trải phổ đầu tiên được sử dụng với một băng thông là 100 kHz - 400 kHz, nhưng băng thông này quá hẹp để thực hiện cung cấp hiệu suất có thể chấp nhận cho loại nhiễu này trên đường dây điện. Ngoài ra, Châu Âu quy định cấm điện đường dây tín hiệu ở trên 150 kHz do khả năng can nhiễu với các dịch vụ phát thanh tần số thấp . Thay vào đó, các sản phầm mới nhất của Echelon , các bộ thu phát PLT-22 , hoạt động bằng cách sử dụng chế độ tần số sóng mang kép cùng với kỹ thật xử lý tín hiệu số (DSP). Mục đích của DSP là cung cấp sóng mang thích nghi, tương quan dữ liệu, triệt nhiễu xung, giảm nhiễu và sửa lỗi mào đầu ở mức thấp. Các PLT-22 giao tiếp bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK với dải tần khoảng 125 kHz - 140 kHz (chính) và 110 kHz -125 kHz (phụ). Dải tần chính được sử dụng nhiều trừ khi thông tin bị ngăn chặn trong phạm vi này. Khi điều này xảy ra, các PLT-22 tự động chuyển mạch sang dải tần số phụ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  32. 14 Các PLT-22 giao tiếp tại tốc độ bit 5 kbps. Điều này là nhanh hơn nhiều so với X10, vì vậy phù hợp hơn cho việc điều khiển các thiết bị điện phức tạp. 1.3.3. CEBus Năm 1984, các Liên minh Công nghiệp điện tử (EIA) Tập đoàn Điện tử tiêu dùng đã bắt đầu một nỗ lực có mục tiêu là xây dựng một tiêu chuẩn cho một mạng lưới thông tin liên lạc cho các người tiêu dùng sản phẩm trong nhà. Các tiêu chuẩn được gọi là CEBus) . Các bộ kỹ thuật bao gồm các thông tin liên lạc khác nhau về nhiều các loại phương tiện bao gồm các đường dây điện, cáp đồng, cáp đồng trục, hồng ngoại, sóng vô tuyến , và sợi quang. Các bộ kỹ thuật đã được gắn nhãn EIA- 600. Đầy đủ đặc điểm kỹ thuật đã được tiết lộ trong năm 1992. Đây là việc làm có liên quan với việc mã hóa tại lớp vật lý được thực hiện bởi CEBus. CEBus sử dụng kỹ thuật không trở về số không (NRZ), mã hóa độ rộng xung. Có bốn ký hiệu:'1 ','0', EOF, EOP. Các ký hiệu này được mã hóa bằng cách sử dụng trải phổ chirp trong các băng thông 100 kHz đến 400 kHz. Trong kỹ thuật trải phổ, tần số tín hiệu sóng mang được quét trên một loạt các tần số. CEBus sử dụng một chuỗi các tần số quét lên và xuống tần số của sóng mang mỗi ký hiệu chiếm một khoảng thời gian 100 μs. Khoảng cách tín hiệu này là thời gian ngắn nhất "1", hoặc đơn vị biểu tượng thời gian. Đáp 0,1% lề của lỗi này cũng được xác định (100 ns cho 100 μs). Ngoài ra, thời gian để truyền tải nhị phân "1" là một đơn vị biểu tượng thời gian (100 μs), trong khi để truyền tải một nhị phân 0, đơn vị hai lần được sử dụng biểu tượng (200 μs). Đối với nhị phân ngẫu nhiên 13 dữ liệu, các biểu tượng thời gian trung bình là 150 μs sau đó, cho một chút tỷ lệ 7,5 kbps. Một đơn vị biểu tượng thời gian sẽ được hiển thị trong hình 1.10 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  33. 15 Hình 1.7: CEBus spread spectrum chirp Một điểm khác trong CEBus là phối hợp công suất giữa các pha tín hiệu điện trong nhà. Có hai pha 60 Hz, L1 và L2, trong một ngôi nhà được lệch pha 180 độ. Các trang thiết bị điện 120V –đồ gia dụng, đèn chiếu sáng, động cơ, vv – thông thường được kết nối vào L1 hay L2. Chỉ có thiết bị 240V kết nối vào L1 và L2 đồng thời cung cấp một đường dẫn tín hiệu giữa hai chi nhánh khác với sự phối hợp tối thiểu được cung cấp bởi các biến áp phân phối. Vì vậy, một thiết bị CEBus 120V trên L1 có thể không giao tiếp với một thiết bị CEBus 120V trên L2 do không đủ tín hiệu phối hợp giữa L1 và L2. Để giúp giải quyết vấn đề này, các tiêu chuẩn của CEBus nói rằng, một bộ phối hợp tín hiệu nên được đặt giữa L1 và L2 khi cần thiết để cải thiện việc truyền tín hiệu trong mạng lưới đường dây điện . 1.3.4. HomePlug Các đặc điểm kỹ thuật của HomePlug là phức tạp nhất trong tất cả công nghệ. HomePlug có sự vượt bậc hơn, cao hơn tần số và băng thông được sử dụng. X10, Lonworks và CEBus có tần số thấp hơn 500 kHz. HomePlug giao tiếp bằng cách sử dụng Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) trong băng tần số 4,49- 20,7 MHz. Phương pháp ghép kênh này là tạo lên các sóng mang phụ. Các sóng mang phụ được trực giao với nhau. Trong băng thông 0 - 25 MHz, có 128 sóng mang phụ, trong đó HomePlug sử dụng 84, từ dải 4,49 đến 20,7 MHz. Trước khi được truyền đi, bit dữ liệu được xử lý bằng cách sử dụng một số mã chống lỗi. Bit dữ liệu được điều chế lên sóng mang phụ bằng cách sử dụng DQPSK) hoặc DBPSK Toàn bộ quá trình là ngược lại tại phía thu . Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  34. 16 Ngoài việc này, HomePlug adapts vào kênh điều kiện. Đặc biệt các khung được gửi và phân tích của người nhận để xác định loại của các sub-84 có sẵn cho các hãng vận chuyển thông tin liên lạc. Các bản đồ tone (TM) sau đó được tạo ra và được sử dụng bởi người gửi-nhận cặp để kênh khác nhau để điều chỉnh điều kiện. Chỉ tốt phụ mang được sử dụng để giao tiếp. Ngoài ra, modulation các chương trình có thể thay đổi (DBPSK hoặc DQPSK), và kiểm soát lỗi - mã hóa có thể được sửa đổi. Tóm lại, 139 tỷ lệ khác biệt vật lý dữ liệu có sẵn từ 1Mbps đến 14,1 Mbps . Một số nhà sản xuất đã chứng tỏ công nghệ HomePlug có triển vọng. Phiên bản HomePlug V1.0 với các bài kiểm tra thiết bị trong nhà 500 cho thấy 80% các cặp được outlet thể giao tiếp với nhau ở khoảng 5 Mbps hoặc cao hơn, và có thể hỗ trợ 98% dữ liệu lớn hơn tỷ lệ 1 Mbps. Các liên minh HomePlug đã công bố kế hoạch cho phát triển của thế hệ tiếp theo chi tiết kỹ thuật. Tên HomePlug AV, mới đặc điểm kỹ thuật sẽ được thiết kế để hỗ trợ phân phối dữ liệu và đa phương tiện- streaming vui chơi giải trí bao gồm cả truyền hình High Definition (HDTV) và tỷ lệ dữ liệu của 100 Mbps trong suốt cả nhà . Khả năng thích ứng là thực tế sức mạnh của HomePlug. Rõ ràng, nếu các đường dây điện trở nên thô cho các kênh truyền thông, dữ liệu sẽ được tỷ lệ chậm, nhưng sẽ có độ tin cậy duy trì. Lưu ý rằng HomePlug sử dụng một phương thức đa dạng tần số. Nó cũng sử dụng phức tạp mã hóa và kiểm soát lỗi kỹ thuật modulation được tốt cho sự đáng tin cậy, nhưng computationally đang phát triển, điện năng tiêu thụ và đắt tiền. HomePlug cung cấp tỷ lệ cao, đủ dữ liệu cho các phương tiện truyền thông tốc độ, nhưng phức tạp và chi phí của nó là nhiều hơn cần thiết. 1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC Có thể nói phạm vi ứng dụng của công nghệ PLC rất rộng lớn. Ban đầu là truyền tải thông tin phục vụ ngành điện như hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực. Hiện nay, công nghệ PLC đã được triển khai rộng khắp ở nhiều nước. Hai lĩnh vực áp dụng hiện nay của PLC là: - Truy nhập nội hạt (last mile access) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  35. 17 - Kết nối mạng trong nhà (in – house networking). Các dịch vụ của PLC luôn sẵn sàng tại mọi ổ điện và không cần thi công cáp, bao gồm: truy nhập băng thông rộng (tới 45Mbit/s hoặc hơn), các kết nối này luôn online, dich vụ thoại và fax, kết nối LAN (inhouse LAN) cho các PLC và máy in, các dịch vụ băng hẹp khác như (house automation, health care ). Trên đây chỉ là một trong số phạm vi ứng dung nhất định hiện đang được áp dụng trên thế giới. Trong tương lai, các thiết bị PLC có thể cung cấp băng thông tới vài chục Mbit/s (hiện nay DS2 đã cho thương mại hóa sản phẩm PLC băng thông đạt 45Mbit/s) để cung cấp các ứng dụng VoD, hội nghị truyền hình. Có thể kể ra một số hướng ứng dụng cụ thể như sau 1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ. Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện Mỗi công tơ điện được gắn thêm một thiết bị thu phát PLC, thông tin trên công tơ sẽ được truyền về trung tâm, như thế việc quản lý và thu thập số liệu sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với cách làm truyền thống là phải cử người đến từng công tơ để lấy số liệu. Thêm nữa, số liệu trên công tơ điện có thể gửi đến nhà khách hàng tương ứng, như vậy người sử dụng sẽ kiểm soát được việc sử dụng điện của mình một cách hợp lý hơn. 1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dài, ngoài những công nghệ truyền thống như cáp quang, vi ba thì hiện nay đã có thêm một giải pháp, đó là dùng đường dây tải điện cao thế để kết hợp truyền thông tin tốc độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  36. 18 cao. Tuy có sự suy hao lớn do bức xạ ra ngoài không gian lên tầm xa bị hạn chế nhất định nhưng lại có ưu điểm rất lớn là đường dây tải điện cao thế từ hàng chục KV đến hàng trăm KV đều có sẵn ở mọi nơi. 1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC Hình 1.9: Mạng thông tin PLC Thay vì phải đi từng đường cáp riêng biệt đến từng nhà người sử dụng, việc ứng dụng PLC cho phép tích hợp đường điện thoại, đường truyền Internet vào cùng một đường điện lưới. 1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home Hình 1.10: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  37. 19 Đó là ý tưởng cho một căn nhà hiện đại tự động hoàn toàn với các thiết bị điện được điều khiển theo ý muốn của người sử dụng. Hầu hết các thiết bị điện trong nhà đều được tích hợp với modem PLC và người sử dụng có thể điều khiển bất kỳ thiết bị nào ở mọi nơi trong nhà như các hệ thống chiếu sáng được quản lý và hoạt động tự động do một máy tính trung tâm điều khiển, cánh cổng cũng được điều khiển đóng mở tự động hay các hệ thống báo động, camera đều được quản lý và điều khiển qua hệ thống PLC. Không những thế, các thiết bị điện còn có thể tự động gửi thông tin ( nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng quả tải ) đến một máy chủ trong nhà để người sử dụng có thể dễ dàng biết được tình trạng của toàn bộ các thiết bị. Ta có thể thấy rõ ràng rằng, nếu không sử dụng công nghẹ PLC cho hệ thống đa dạng như trên thì việc đi các đường cáp tín hiệu sẽ rất phức tạp. 1.5. Kết luận chƣơng Công nghệ PLC hiện nay đã được ngày một hoàn thiện cho phép hệ thống truyền tin PLC là ưu việt cho truyền dẫn dữ liệu trên mạng lưới điện lực sẵn có với thông lượng tối đa và mức năng lượng tối thiểu. Cách điều chế và phân bổ tần số tránh được xuyên nhiễu gây ra bởi sóng radio và các dịch vụ phát quảng bá khác. Công nghệ tiên tiến bảo đảm sự truyền dẫn dữ liệu là an toàn bí mật.  Hệ thống PLC là dễ dàng sử dụng: • Chiếm tới 90% kết nối của hộ gia đình - mỗi ổ cắm chính là một giao tiếp kết nối. • Không kéo thêm cáp mới - công nghệ vượt qua đối thủ cạnh tranh để dẫn đầu. • Là một sự chọn lựa thực sự bắt lấy cơ hội kinh doanh trong thị trường-làm lợi cho khách hàng. • Băng thông ngày một tăng lên đáp ứng đòi hỏi về truy cập dải rộng. • Đáp ứng nhu cầu tăng của mạng trong nhà. Lợi dụng mạng PLC mở ra các cơ hội kinh doanh mới - không chỉ trong lĩnh vực truy nhập mà còn các dịch vụ đi kèm với PLC. Hệ thống PLC đang ở giai đoạn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  38. 20 phát triển ban đầu. Công nghệ đang tiếp tục phát triển, có thêm nhiều đặc tính hiệu quả trong những dòng sản phẩm tiếp theo. Một hệ thống PLC có thể mở rộng vô hạn từ nhỏ thành lớn và thêm các dịch vụ giátrị gia tăng.  Những thuận lợi tiềm năng của công nghệ PLC: Mô hình viễn thông này đã có rất nhiều thuận lợi so với các loại hình khác, bao gồm mạng truy nhập được thiết lập ở tốc độ cao và các kết nối chuyên dụng. Những thuận lợi này tạo cho công nghệ PLC một phương án hấp dẫn cho các hệ thống viễn thông. Trong mô hình PLC, các mạng LAN nhỏ được tạo ra, chúng kết thúc tại mỗi trạm điện khu vực. Những mạng LAN này sẽ cùng chia sẻ các luồng E1/T1 kết nối Internet, điện thoại, truyền hình cáp tương tự như luồng E1/T1 thuê riêng. Mỗi người sử dụng riêng sẽ được tốc độ cực lớn, tăng nhiều so với việc kết nối qua modem điện thoại 28,8Kbps hoặc 56Kbps như đã thấy trong phần so sánh PLC với các công nghệ truy nhập băng rộng khác. Một thuận lợi kết hợp khác nữa đối với mô hình PLC là nó hoạt động tốt trên hạ tầng mạng điện lực đang tồn tại. Chỉ có các thiết bị Headend tại trạm biến áp, những bộ Homegateway và các PLC modem là cần phải lắp đặt để thiết lập một mạng PLC. Các đường dây thông tin đa mục đích và chuyên dụng đưa ra mô hình PLC một lựa chọn hấp dẫn cho kỷ nguyên thông tin. Băng tần rộng và ghép kênh phân chia theo tần số cho phép rất nhiều đường dây cùng đến một nhà. Một cách lý tưởng thì toàn bộ gia đình có thể sử dụng tất cả các thiết bị thông tin đồng thời, kể cả điện thoại, truyền hình cáp, PC mà không có thiết bị nào bị ngắt. Công nghệ Power line communication là một sự lựa chọn hấp dẫn để kết nối internet, điện thoại, truyền hình cáp thông qua một công nghệ truy nhập băng rộng với chi phí cho mạng truy nhập tương đối thấp. Cần chú ý rằng, theo tổng kết cơ sở hạ tầng của mạng truy nhâph nội hạt đối với một hệ thống khai thác viễn thông chiếm khoảng 50% tổng đầu tư của một nhà khai thác viễn thông cho tonà bộ cơ sở hạ tầng mạng lưới viễn thông của họ. Thêm nữa, tốc độ truy cập cao của nó sẽ đưa Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  39. 21 ra cho khách hàng các dịch vụ truy nhập internet, video theo yêu cầu, điện thoại nội hạt, đường dài và các dịch vụ gia tăng khác.  Đối với công nghệ PLC ta thấy có những hấp dẫn sau : • Công nghệ PLC hiện nay đã được ngày một hoàn thiện cho phép hệ thống truyền tin PLC là ưu việt đối với truyền dẫn dữ liệu trên mạng lưới điện lực sẵn có với thông lượng tối đa và công suất thấp. • Phương pháp điều chế và phân bổ tần số tránh được xuyên nhiễu gây ra bởi sóng vô tuyến và các dịch vụ phát quảng bá khác. Công nghệ tiên tiến đảm bảo sự truyền dẫn dữ liệu là an toàn. • Với nhà cung cấp mới, việc xây dựng cơ sở hạ tầng truy nhập nội hạt chiếm một tỷ trọng đầu tư rất lớn (tới khoảng 50% tổng đầu tư) trong khi PLC lại tần dụng toàn bộ cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng lưới điện lực. • Hiện nay có nhiều lựa chọn, ví dụ: cáp đồng trục, DSL, và truyền dữ liệu vô tuyến: - Nhà cung cấp điện thoại thì lựa chon công nghệ DSL để tăng băng thông của lớp “truy nhập nội hạt” của họ. - Nhà cung cấp dịnh vụ trên cơ sở mạng cáp thì lựa chọn công nghệ dùng cáp đồng trục. - Còn các nhà cung cấp khác muốn dùng công nghệ vô tuyến. • Ngành điện lựa chọn công nghệ PLC để tận dụng mạng lưới điện sẵn có. • Ngoài nhu cầu cung cấp dịch vụ đến từng khách hàng, nó cũng có thể dùng để thiết lập mạng LAN gia đình (in-house LAN). • Công nghệ PLC đang ngày càng nhận được sự quan tâm nhiều trên thị trường viễn thông bởi lẽ nó cho phép đáp ứng được một nhu cầu đang ngày càng phát triển mạnh của người dùng đó là nhu cầu thông tin dữ liệu băng rộng tốc độ cao với chi phí ít tốn kém hơn.  Mục tiêu của mạng PLC băng thông rộng: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  40. 22 Mạng truy nhập băng rộng sử dụng công nghệ PLC hiện tại và trong tương lai cần đạt được các mục tiêu sau đây để trở thành công nghệ ứng dụng và là sự lựa chọn hàng đầu cho các nhà khai thác viễn thông trong việc lựa chọn các giải pháp cho mạng truy nhập băng rộng: • Khả năng đưa đến 100% hộ gia đình và các doanh nghiệp nhỏ. • Băng thông đạt tới 45 Mbps trên đường hạ thế. • Quản lý mềm dẻo chất lượng dịch vụ. • Cung cấp dịch vụ ở bất cứ nới đâu mà đường cáp điện đi tới (ở Việt nam đường cáp điện phủ sóng tới 95 % dân số) mà không cần kéo cáp mới. • Phát triển nhanh chóng • Chi phí đầu tư thấp. • Tác dụng dìm giá trong mạng điện. • Giảm chi phí. Nhưng thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả. Phần tiếp theo của chương sẽ trình bày về yếu tố ảnh hưởng, các kỹ thuật phối ghép, điều chế và mã hóa tín hiệu trên đường dây điện lực nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng gây nên do đặc tính của kênh. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  41. 23 CHƢƠNG 2 MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 2.1. Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện Môi trường truyền là một vấn đề quan trọng của bất kỳ hệ thống thông tin nào. Do bản chất sơ khai của đường cáp điện không phải là để truyền dẫn tín hiệu thông tin cho nên không có một sự đảm bảo hiệu năng nào khi thực hiện truyền thông trên cáp điện nhìn từ quan điểm truyền dẫn tín hiệu. Lưới điện là một môi trường vô cùng phức tạp với rất nhiều các loại tín hiệu khác nhau cùng tồn tại như tín hiệu xoay chiều 220V – 50Hz, các loại nhiễu trên mọi dải tần, các sóng vô tuyến, các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện Ngoài ra, không thể phản ánh một cách chính xác năng lượng trong môi trường dây dẫn điện. Trong khi đó, thực tế điện dung của đường dây bị chi phối trong các trường hợp mà trở kháng lớn hơn nhiều đặc tính của dây. Một số loại tải có tính dung kháng, tuy trở kháng đối với tín hiệu điện 50Hz lớn nhưng lại là trở kháng nhỏ so với tín hiệu truyền dẫn tần số cao, so đó làm suy giảm nghiêm trọng điến sự truyền dẫn tín hiệu của PLC (hình 2.1) Hình 2.1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  42. 24 Hình 2.2: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 2.1.1. Sự giới hạn băng thông Như mô tả ở trên, bề rộng băng thông là tỷ lệ với tốc độ bít, vì thế một băng thông lớn là cần thiết trong truyền thông với tốc độ bít cao. Ở châu Âu, băng thông cho phép được quy định bởi tiêu chuẩn CENELEC, tiêu chuẩn này chỉ cho phép dải tần số giữa 3KHz và 145,5KHz. Điều này gây khó khăn cho PLC vì với băng thông như vậy không thể thực hiện được việc truyền những thông tin yêu cầu tốc độ bít cao như âm thanh, hình ảnh trực tuyến Hình 2.3 trình bày băng thông một cách chi tiết của tiêu chuẩn CENELEC. Dải tần số của PLC được chia làm 5 băng nhỏ. Hai băng đầu (3-9 và 9-95KHz) là giới hạn cho nhà cung cấp năng lượng và 3 giới hạn kia dành cho tuỳ chọn của khách hàng cung cấp năng lượng. Trong phần ghi chú thêm, chuẩn băng tần được cho phép cũng giới hạn băng tần tại máy phát. Như vậy hiện tại vẫn chưa có một thống nhất cho phép về băng tần của PLC, đó là một hạn chế rất lớn ảnh hưởng đến sự phát triển của PLC. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  43. 25 Hình 2.3: các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC Trong việc tăng thêm tốc độ bít, băng thông rộng hơn có thể là cần thiết. Các nghiên cứu gần đây đưa ra đề nghị tần số sử dụng trong khoảng giữa 1 và 20MHz. Nếu khoảng tần này được sử dụng, nó có thể làm tăng thêm rất lớn băng thông và có thể cho phép các ứng dụng cần tốc độ bít cao trên đường cáp điện. Một số vấn đề quan trọng là một phần của băng tần này đã được phân cho hệ thống thông tin khác. Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép này cũng gây nhiễu loạn tới hệ thống thông tin trên đường điện PLC. Một số ví dụ về hệ thống thông tin trong dải này là Radio, Radio nghiệp dư và hoa tiêu máy bay. 2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện Đường dây điện được ra đời phục vụ cho việc truyền năng lượng điện chứ không nhằm mục đích truyền thông tin. Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu. Nguồn gây nhiễu chính trên lưới điện xuất phát từ các thiết bị điện, chúng sử dụng nguồn cung cấp 50Hz và phát ra thành phần nhiễu kéo dài trên toàn bộ phổ tần của lưới điện. Phần nữa chính là từ sóng radio ở khắp mọi nơi như các hệ thống thông tin di động, phát thanh, truyền hình, kiểm soát không lưu, quân sự ở mọi băng tần được sử dụng sóng tần số thấp vài trăm KHz đến sóng tần số siêu cao hàng GHz mang lại. Nguồn nhiễu sơ cấp của nhiễu trong khu vực dân cư là các thiết bị điện dân dụng: động cơ, đèn chiếu sáng, tivi Ta có thể chia nhiễu làm các loại như sau: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  44. 26 2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz. Nhiễu này xuất hiện đồng thời với sóng mang trên lưới điện, nó bao gồm tín hiệu tần số 50Hz và các hài của nó. Tuy nhiên, do có tần số thấp nên nguồn nhiễu này chỉ có ảnh hưởng chút ít tới hoạt động của hệ thống. Tần số làm việc của hệ thống càng nhỏ thì ảnh hưởng của loại nhiễu này càng lớn và ngược lại. 2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến. Xuất hiện một cách bất thường trên lưới điện, mỗi khi có một thiết bị điện kết nối hoặc được ngắt khỏi lưới điện, đặc biệt là những thiết bị có công suất lớn như bếp điện, bàn là hoặc thiết bị có sự phóng điện như đèn neon Một thiết bị như vậy khi đóng, ngắt khỏi ổ điện tức là sẽ đóng, ngắt dòng điện lớn làm xuất hiện sự phóng tia lửa điện tại chỗ tiếp xúc, bản thân tia lửa điện này là một nhiễu dải rộng bao gồm nhiều tần số khác nhau, mang các mức năng lượng khác nhau. Hình 2.4: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn 2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu này đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn điện tần số xuất hiện của nó bằng hai lần tần số dòng xoay chiều trên lưới điện, hay nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  45. 27 Hình 2.5: Nhiễu xung tuần hoàn 2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài Được gây ra bởi các loại động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều trong các thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hút bụi và nhiều các thiết bị ứng dụng khác ). Các bộ phận tiếp xúc như cổ góp ở động cơ điện một chiều sẽ là một trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung khoảng vài KHz trở xuống. Hình 2.6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  46. 28 2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ Kiểu này có đường phổ không tương quan với sóng hình sin 50Hz. Việc khởi động thiết bị điện như tivi sẽ làm phát ra loại nhiễu này đồng thời với tần số quét mạnh 15734Hz trong tivi. Các thành phần của nhiễu này cần phải được loại bỏ khi thiết kế một hệ thống thu phát. Nó được thấy nhiều trong khu dân cư và rất không ổn định, mức độ nhiễu theo từng ngày, từng giờ tùy theo việc sử dụng của người dân. Loại nhiễu này có khuynh hướng giảm dần năng lượng khi mà tần số tăng lên. Mật độ năng lượng nhiễu tập trung dày ở phạm vi tần số thấp. Điều đó có nghĩa là tín hiệu sóng mang trong PLC sẽ ít bị ảnh hưởng của nhiễu hơn khi tần số được tăng lên. 2.1.2.6. Nhiễu sóng radio Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn thu nhận, phát xạ các sóng vô tuyến từ dải tần rất thấp cho đến rất cao. Các dải sóng do các đài phát thanh, phát hình hay radio nghiệp dư phát đi được lưới điện thu được và đó chính là một nguồn gây nhiễu rất đáng kể cho hệ thống thông tin PLC. Thêm vào đó khoảng tần số sử dụng ở PLC cũng bao gồm một khoảng dải tần đã cấp phép sử dụng cho các hệ thống thông tin vô tuyến, chính vì thế mà các tần số cho radio đó nhiễu khi rất gần tần số sử dụng của PLC. 2.1.2.7. Nhiễu nền Đây là loại nhiễu mà ta có thể thấy ở bất kỳ đâu trên lưới điện và đối với mọi loại hệ thống thông tin. Nó luôn có trên đường dây điện, do biến áp phân phối, hệ thống chiếu sáng công cộng, các tải xa gây ra. Các phép đo chỉ ra rằng, nhiễu này giảm khi tần số tăng, nhiễu này thường gặp phải ở tần số dưới 5MHz so với phần còn lại của phổ tần. 2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng Ở hình 2.1 các tham số quan trọng của hệ thống là trở kháng đầu ra của máy phát Zt và trở kháng đầu vào của máy thu Zl . Đường dây điện lực giống như một anten phát/thu làm cản trở quá trình phát/thu tin. Mọi hệ thống truyền thông luôn cố Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  47. 29 gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt, nhưng mạng đường dây điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau, nó có thể thấp cỡ mΩ hay cao tới hàng nghìn Ω, và thấp một cách đặc biệt tại các trạm con. Một số trở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn. 2.1.4. Suy hao trên lưới điện Một vấn đề lớn khác ảnh hưởng đến việc truyền thông trên đường cáp điện là sự suy hao. Đối với sóng tần số cao truyền trên lưới điện thì sự suy hao là rất lớn, lớn hơn so với các hệ thống thông tin khác như thông tin vô tuyến, cáp, cáp quang Các yếu tố dẫn đến điều đó bao gồm: Thứ nhất là do các tải tiêu thụ kết nối với lưới điện, bản thân mỗi tải tiêu thụ điện thì cũng sẽ tiêu thụ tín hiệu cao tần dù ít hay nhiều, và thực tế cho thấy rằng sự suy giảm gây ra là rất đáng kể, đặc biệt là những thiết bị có tính dung kháng hoặc những thiết bị đốt nóng (có công suất lớn). Nguyên nhân này rất khó giải quyết do không thể thay đổi toàn bộ các thiết bị điện cho phù hợp với sự truyền thông của PLC mà ngược lại, chính PLC phải tìm cách thích hợp với môi trường sẵn có như thế. Thứ hai là sự phát xạ của sóng cao tần khi chạy trên lưới điện. Bản thân lưới điện chính là một anten rất lớn, dòng điện cao tần chạy trên lưới điện sẽ phát xạ liên tục ở mọi điểm, nhất là những đoạn dây điện có điều kiện bức xạ tốt. Để hạn chế những hiện tượng này thì phải sử dụng những dải tần thích hợp trong từng điều kiện cụ thể, để có thể giảm bớt sự bức xạ chung. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  48. 30 Hình 2.7: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz 2.1.5. Hiện tượng sóng dừng Hình 2.8: Hiện tượng sóng dừng Đây là hiện tượng cũng dễ xảy ra trong hệ thống thông tin có sử dụng sóng mang truyền trên đường cáp nhất là đối với sóng mang tần số cao. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  49. 31 Để khảo sát kĩ hơn hiện tượng này, ta xét một sợi dây đàn hồi có hai đầu A, B cố định, trên đó có hai sóng kết hợp truyền ngược chiều nhau. Có thể coi đó là một sóng tới và một sóng phản xạ. Chọn thời điểm t=0 là lúc trên sợi dây hai sóng 1 và 2 ngược pha nhau tại một điểm M nào đó. Sợi dây AB có dạng sóng dừng (đây là dạng thật của sợi dây), sóng 1 truyền sang phải, sóng 2 truyền sang trái, biên độ sóng tổng hợp tại mọi nơi đều bằng 0. Tại thời điểm t=λ/4, mỗi sóng truyền đi một đoạn đường bằng λ/4. Cũng như vậy, tại các thời điểm t=λ/2 và t=3λ/4, sóng có hình dạng như trên hình 2.9. Như vậy hiện tượng sóng dừng sẽ ảnh hưởng ít nhiều đến truyền thông trên lưới điện vì nếu máy thu đặt tại nút sóng thì tín hiệu thu được sẽ rất yếu vì biên độ sóng tổng hợp tại mọi nút sóng đều bằng 0. 2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu Khi truyền tín hiệu đi trên đường điện, tín hiệu sẽ được phát xạ vào không gian. Có thể xem lưới điện là một anten khổng lồ, thu và phát tín hiệu, vì vậy phải làm thế nào hạn chế tín hiệu phát xạ từ lưới điện, không gây nhiễu đến các hệ thống thông tin khác. Khi sử dụng dải tần số từ 1 – 20MHz cho truyền thông, sự phát xạ là một vấn đề vô cùng quan trọng bởi vì nhiều ứng dụng radio khác được cho phép trong khoảng tần số này. Nó không thích hợp cho một hệ thống gây nhiễu với thông tin trên máy bay, thông tin hàng hải, và các hệ thống thông tin quảng bá khác. Những nghiên cứu gần đây về vấn đề này cố gắng thiết đặt mức công suất phát của sự truyền dẫn. Điều rất quan trọng là công việc này sẽ được hoàn thành trong tương lai gần, từ đó giới hạn việc sử dụng băng tần này và sự phát triển của hệ thông tin cho kênh truyền là lưới điện. Với đường cáp điện đi trên các cột điện được cắm trên mặt đất thì sự phát xạ rất lớn, đồng thời nhiễu thu vào từ sóng cũng sẽ lớn. Khi đường cáp được đi ngầm dưới mặt đất thì sự phát xạ sẽ là nhỏ và ít ảnh hưởng đến các hệ thống khác. Thay vào đó là sự phát xạ từ các hộ gia đình sẽ trở thành thành phần đóng góp chủ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  50. 32 yếu. Các đường dây điện bên trong các hộ gia đình không được che chắn và vì thế sự phát xạ là khá nghiêm trọng. Một giải pháp có thể sử dụng là khối lọc tín hiệu thông tin từ đầu vào căn nhà. Bên trong nhà, tần số và công suất phát được lựa chọn sao cho khả năng gây nhiễu là nhỏ nhất, khối lọc tín hiệu thông tin làm nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin giữa hai kênh truyền là trong nhà và ngoài nhà. 2.2. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu 2.2.1. Mạch ghép tín hiệu Có hai cách chủ yếu để phối ghép tín hiệu vào mạng điện: - Phối ghép chế độ vi sai (differential mode): dây pha được dùng làm một đầu cuối, và dây trung tính làm đầu cuối thứ hai. Trong trường hợp dây trung tính không tồn tại (ở mạng cao thế), dây đất có thể làm đầu cuối thứ hai. - Phối ghép chế độ chung (common mode): dây pha và dây trung tính được dùng với nhau, hình thành một đầu cuối thứ hai. Trở kháng giữa các điểm phối ghép và điểm ngắn mạch đủ lớn để cho phép truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khó khăn tồn tại trong cách này là phải có các thiết bị bảo vệ dòng dò, mà nhiều nước không cho phép sử dụng cách này vì gây nguy hiểm cho người sử dụng. Trong nghiên cứu thực hiện mạch ghép nối vật lý, hai phương pháp sau có thể được sử dụng: + Ghép dung kháng, sử dụng tụ điện để ghép. + Ghép cảm kháng, sử dụng cuộn cảm để ghép tín hiệu. Ghép cảm kháng cung cấp sự cách ly vật lý giữa mạng điện và mạng thông tin, làm cho cài đặt an toàn hơn. 2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C Nguyên lý của mạch phối ghép này là do tần số của tín hiệu cao hơn tần số của dòng điện 50Hz rất nhiều nên dòng điện xoay chiều 50Hz sẽ được cản lại bằng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  51. 33 một bộ lọc thông cao dùng tụ C, nhưng bộ lọc này phải có khả năng chịu được điện áp cao của lưới điện đặt lên, tức là tụ điện C phải là tụ cao áp chịu được điện áp lưới. Trong sơ đồ (2.9. a): Tụ C và R tạo thành một bộ lọc thông cao, tần số lọc trung 1 tâm được tính theo công thức sau: f0= /2ΠRC Với điều kiện là ứng với tần số điện lưới 50Hz thì Zc phải rất lớn so với R và tụ C phải có khả năng chịu được điện áp cao hơn điện áp lưới điện. Về mặt ngăn cản điện 220V - 50Hz thì Zc càng lớn càng tốt và R càng nhỏ càng tốt nhưng thực tế thì điều đó lại còn phải phụ thuộc vào tín hiệu cần truyền, do vậy Zc không thể tăng mãi được. Hình 2.9: Mạch ghép dung kháng Ví dụ yêu cầu ở đầu ra: - Đối với dòng điện 220V- 50Hz là : U AC 220mV (suy giảm hơn 3dB) - Đối với tín hiệu thông tin 1MHz: Us suy giảm < 1dB Do kết quả không nhất thiết phải chính xác một cách tuyệt đối mà chỉ cần nằm trong một khoảng nào đó nên ta có thể tính một cách gần đúng như sau: 220VR * UAC 220 mV ZRC ZR1000 C (2.1) 1 1000R ( fAC 50 Hz ) 2 .fCAC . RC 3,2.10 6 Với R= 1KΩ →C<3.2*10-9(F) ~3 (nF) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  52. 34 Tương tự với tần số 1MHz: URv * UUSv 0.1 ZRC ZRC 9 (2.2) 1 6 9R ( fS 10 Hz ) 2 .fCS . RC 18.10 8 Với R= 1KΩ →C>18.10-11(F) ~0.2 (nF) → giá trị của R và C nằm trong khoảng trên sẽ thỏa mãn với điều kiện được đưa ra. Sơ đồ (a) tuy thõa mãn về nguyên lý nhưng thực tế sẽ không an toàn do điện cao áp vẫn tiếp xúc trực tiếp với mạch điện và người sử dụng có thể bị giật nếu chạm CC12* cào phần đó. Sơ đồ (b) cũng là tương tự với sơ đồ (a) với C nhưng sơ đồ CC12 (b) sẽ an toàn hơn cho mạch điện và người sử dụng do tụ C1 và C2 sẽ cách ly hoàn toàn với mạch điện. 2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C Hình 2.10: Mạch ghép kết hợp LC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  53. 35 Mạch ghép dung kháng ở trên có ưu điểm là khá đơn giản, nhưng chỉ có thể làm việc tốt với điều kiện điện lưới là điện hạ thế (không quá lớn) và tần số của tín hiệu sóng mang cần truyền phải lớn hơn tần số dòng điện xoay chiều một khoảng nhất định. Nếu như điện áp của dòng điện lưới là vài KV trở lên hoặc tần số của tín hiệu chỉ khoảng vài chục KHz thì thực tế mạch sẽ không còn tác dụng như tính toán ở trên. Nguyên nhân là do R gần như không thay đổi trở kháng khi tần số thay đổi, vì thế mà bậc lọc của mạch chỉ là bậc nhất nên hiệu quả lọc không cao. Do vậy đối với những trường hợp đó phải sử dụng các mạch phối hợp phức tạp hơn như mạch kết hợp LC. Có hai cách sử dụng L trong trường hợp này là dùng cuộn cảm đơn hay ghép biến áp. Việc ghép biến áp tuy phức tạp hơn nhưng đạt hiệu quả rất cao và rất an toàn cho người sử dụng do việc cách ly hoàn toàn phần mạch với lưới điện, điều đó còn có giá trị bảo vệ mạch điện rất tốt khi lưới điện gặp các sự cố như quá áp hay bị sét đánh. Khi hoạt động, cuộn cảm L mắc song song có vai trò cũng giống như tụ C là cho tần số cao là tần số của tín hiệu sóng mang đi qua và gây suy hao lớn với tần số thấp là tần số của dòng điện lưới. Đối với cả sơ đồ thu và sơ đồ phát tín hiệu thì mạch phối ghép cũng gần giống nhau. Tuy nhiên, ZC ở mạch phát thường nhỏ hơn khá nhiều so với ZC ở mạch thu, do trở kháng ra ở mạch phát là nhỏ đóng vai trò là R nhỏ nên ZC không cần lớn để giảm suy hao cho tín hiệu phát đi. Sơ đồ (c) là toàn bộ phối ghép với lưới điện cho lưới điện 3 pha. 2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp Để đạt được hiệu quả cao hơn trong việc lọc tín hiệu, sự kết hợp giữa bộ lọc thông thấp chịu được điện áp cao và mạch lọc thông dải được sử dụng. Trong các mạch thực tế thì sau tầng cách ly ở sơ đồ thu còn có các tầng lọc thông dải để lọc nhiễu. 2.2.2. Các bộ lọc tương tự Có hai loại mạch lọc tương tự là mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động. Ở mạch lọc tích cực, tín hiệu nằm trong giải thông được cho qua bộ lọc rồi được Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  54. 36 khuếch đại lớn hơn tín hiệu vào, còn ở mạch lọc thụ động thì tín hiệu nằm trong dải lọc sẽ được cho qua bộ lọc với sự suy hao nhất định nên tín hiệu ra sẽ nhỏ hơn tín hiệu vào. 2.2.2.1. Mạch lọc RC Ở phạm vi tần số thấp khoảng 1 MHz trở lại, chế tạo các cuộn cảm rất cồng kềnh mà chất lượng lại không tốt nên mạch lọc RC thường được sử dụng. Do đặc điểm của tụ C là trở kháng càng giảm khi tần số càng tăng nên người ta có thể dựa vào đó để thiết kế các bộ lọc RC thông thấp hoặc thông cao. Ưu điểm của bộ lọc thụ động RC là đơn giản, kích thước nhỏ gọn tuy nhiên hiệu quả lọc không cao vì chỉ là lọc bậc nhất. Tần số trung tâm của mạch lọc được tính theo công thức sau: 1 f (với R: Ω, C: F, f0: Hz) (2.3) 0 2RC Mạch lọc thông dải RC được tạo thành từ hai mạch lọc thông thấp và thông cao RC, để tăng khả năng lọc ta còn có thể các tầng lọc nối tiếp nhau. Hình 2.11: Các mạch lọc RC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  55. 37 2.2.2.2. Mạch lọc LC Hình 2.12: Các mạch lọc LC đơn giản Hình 2.13: Các mạch cộng hưởng LC Với tần số cao, mạch lọc LC được sử dụng và có nhiều ưu điểm so với mạch RC. Do đặc tính của mạch lọc LC là khả năng cộng hưởng nên với yêu cầu lọc dải tần số hẹp thì chất lượng lọc rất cao. Chính vì thế mạch cổng hưởng LC được sử dụng khá phổ biến trong các máy thu tín hiệu (radio, tivi ). 2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác Để đạt chất lượng lọc cao trong phạm vi tần số không lớn (dưới vài MHz), người ta còn dùng vi mạch khuếch đại thuật toán và mạng RC gọi là mạch lọc tích cực. Khác với lọc thụ động, mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba tham số cơ bản: tần số giới hạn fg, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc. Tần số giới hạn là những tần số mà tại đó đặc tuyến biên độ - tần số của hàm truyền đạt giảm 3dB so với hệ số truyền đạt ở tần số trung tâm. Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ - tần số ở tần số f >> fg. Loại của bộ lọc xác định dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quanh tần số giới hạn và trong khu vực Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  56. 38 thông của mạch lọc. Mạch điện của loại bộ lọc thì giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở giá trị của các linh kiện RC mà thôi. Hình 2.14: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741 1 Tần số cộng hưởng: f 0 2RC 1 Hệ số phẩm chất: Q 3 K f Dải thông của mạch lọc: B 0 Q 2.3. Các phƣơng thức mã hóa Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu. Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu vì vậy ta chủ yếu quan tâm đến mã hóa kênh để phát hiện lỗi và sửa lỗi. Các mã sửa lỗi như mã xoắn và mã Reed - Solomon có thể kết hợp với nhau trong hệ thống để cải thiện chất lượng hệ thống. 2.3.1 Mã xoắn Mã xoắn (convolutional code) được đặc trưng bởi ba số nguyên là n, k và K. Mã xoắn hay mã chập (n,k,K) được xây dựng từ các thanh ghi dịch kK bit. Ở đây ta xét loại mã xoắn phổ biến nhất là mã xoắn có k=1. Bộ mã hóa là thanh ghi dịch K bit. Đầu ra của các vị trí trong thanh ghi được lựa chọn để cộng modul-2 với nhau. Số lượng bộ cộng modul-2 chính là n. Một bộ chuyển mạch sẽ lần lượt lấy mẫu mỗi đầu ra của bộ cộng modul-2 theo nhịp của đòng hồ thanh ghi dịch. Hình 2.15 minh họa một bộ mã hóa mã xoắn với k=1, K=3, n=2. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  57. 39 Hình 2.15. Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ 1/2 a) Biểu diễn mã chập bằng đa thức sinh Có thể biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn bang các đa thức sinh. Mỗi đa thức sinh biểu diễn cho một bộ cộng modul-2. Đa thức sinh có bậc ≤K-1 miêu tả sự kết nối giữa đầu ra của một vị trí trong thanh ghi dịch với bộ cộng modul-2. Theo ví dụ 2 trên, hai đa thức sinh là G1(x) = 1 + x và G2(x) = 1 + x. Giả sử dãy tin vào bộ mã hóa la 1100, dãy mã hóa sẽ là 11101101 , nghĩa là ứng với một bit tin vào có hai bit mã hóa ra. Do đó, tỷ lệ mã là 1/2. Định nghĩa đáp ứng xung của mã hóa là đáp ứng của bộ mã hóa khi bit vào là 1. Trong ví dụ trên, đáp ứng xung sẽ là: 110110. Với dãy vào là 1101, ta thấy dãy ra có thể được tính là chập dãy vào với đáp ứng xung. Do đó mã này có tên là mã chập. b) Biểu diễn mã xoắn bằng sơ đồ cây. Hình 2.16 trình bày sơ đồ cây biểu diễn mã chập cho ví dụ trên. Giả sử ban đầu toàn bộ thanh ghi được xóa về 0. Đọc sơ đồ cây theo phương ngang từ trái qua phải, mỗi nhánh cây biểu diễn một từ mã hai bit ra ứng với một bit vào. Mỗi khi có bit vào là 0, đi sang nhánh phải tiếp theo ở phía trên, nếu bit vào là 1 thì đi sang nhánh phải tiếp theo ở phía dưới. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  58. 40 Hình 2.16. Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.22 Giả sử dãy vào là 110, đi theo đường nét đậm trên sơ đồ cây, ta được dãy ra là 111011. Nếu số bit vào là L thì số nhánh trong sơ đồ cây sẽ là 2L. Như vậy, khi số bit vào tăng thì sơ đồ cây rất cồng kềnh. c) Biểu diễn mã xoắn bằng sơ đồ lưới. Nhìn trong sơ đồ cây ta thấy thực tế là bộ mã hóa mã xoắn chỉ có 4 trạng thái phân biệt, ký hiệu là a, b, c và d tương ứng với các cặp bit nhị phân 00, 10, 01 và 11. Từ sơ đồ cây, ta thấy: lần phân nhánh đầu tiên tạo ra hai nút, lần phân nhánh thứ hai tạo ra bốn nút và cứ sau mỗi lần phân nhánh số nút tăng gấp đôi. Sau lần phân nhánh thứ ba ta thấy nửa trên và nửa dưới của cây giống hệt nhau. Như vậy, vào thời điểm ti nào đó, hai nút bất kỳ có cùng trạng thái đều có thể kết hợp với nhau thành một nút. Áp dụng điều này cho sơ đồ cây trên hình 2.16, ta được sơ đồ lưới trên hình 2.17. Các nút trong lưới biểu diễn trạng thái của bộ mã hóa. Các nút ở cùng hang biểu diễn cùng trạng thái. Từ mỗi nút lưới có hai nhánh ra: một nhánh ứng với bit vào là 0 (đường nét liền), một nhánh ứng với bit vào là 1 (đường nét đứt). Tổng quat, sau cột nút thứ K, cấu trúc lưới được lặp lại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  59. 41 Hình 2.17. Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.22 Giải mã xoắn bằng thuật toán Viterbi. Khác với mã khối có độ dài từ mã cố định, mã xoắn không có kích thước đặc thù. Tuy vậy, mã xoắn cũng bị ép vào một cấu trúc khối bằng cách gắn thêm một số bit 0 vào cuối một dãy tin để đảm bảo đuôi dãy tin được dịch hết qua thanh ghi dịch. Các bit 0 này không mang thông tin nên tỷ lệ mã sẽ nhỏ hơn k/n. Để giữ cho tỷ lệ mã xấp xỉ với k/n, chu kỳ gắn thêm bit 0 thường rất dài. Chẳng hạn trong ví dụ trên đây sau 300 bit tin mới gắn thêm hai bit 0. Vậy tỷ lệ mã là 300/604 xấp xỉ 1/2. Có ba kiểu giả mã chập chính là kiểu tuần tự, ngưỡng và Viterbi, trong đó Viterbi la phổ biến nhất. Thuật toán Viterbi dựa trên cơ sở giải mã lân cậ gần nhất (nearest neighbour). Thuật toán tính khoảng cách Hamming (gọi là metric) giữa tín hiệu thu vào thời điểm ti và tất cả các đường trong lưới dẫn đến mỗi trạng thái ở cùng thời điểm ti. Khi hai đường cùng dẫn đến một trạng thái, chọn ra đường có khoảng cách Hamming ngắn hơn gọi là đường sống (surviving path). Việc chọn đường sống được thực hiện cho tất cả các trạng thái vào tất cả các thời điểm. Ta xét lại ví dụ mã hóa mã xoắn hình 2.16. Giả sử dãy thu là 1010001010, dãy vào bộ mã hóa là 5 bit, trong đó có 3 bit tin và 2 bit 0 thêm vào. Trước hết ta xây dựng lưới giải mã như hình 2.18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  60. 42 Hình 2.18 Sơ đồ lưới giải mã Thực hiện so sánh, chọn đường có metric thấp hơn, cuối cùng ta còn lại đường sống là đường in đậm (nét đứt và nét liền) trên hình 2.19. Từ đây suy ra dãy tin giải mã là 11100. Hình 2.19. Đường sống và kết quả giải mã Trong thực tế bộ giải mã Viterbi gồm có ba khối chính. Thứ nhất là khối tính giá trị metric nhánh BMV (Branch Metric Value), thứ hai là khối tính metric đường PMV (Path Metric Value) – là tổng các metric nhánh dọc theo một đường trong lưới và thứ ba là khối xác định đầu ra – chọn đường metric nhỏ nhất. 2.3.2. Mã Reed – Solomon Mã Reed-solomon là một mã sửa lỗi thuộc loại mã khối tuyến tính, có rất nhiều ứng dụng trong thông tin số và trong lưu trữ. Mã R-S được sử dụng để sửa các lỗi trong nhiều hệ thống, bao gồm: - Các thiết bị lưu trữ ( băng từ, đĩa CD, VCD, ) - Thông tin di động hay không dây. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  61. 43 - Thông tin vệ tinh. - Truyền hình số DVB. - Các modem tốc độ cao như: ADSL, VDSL, (xDSL) Mã R-S thuộc một lớp con của mã BCH - lớp mã BCH không nhị phân. Mã BCH (mã Bose, Chaudhuri và Hocquenghem) là một loại mã sửa lỗi vòng ngẫu nhiên quan trọng, có khả năng sửa được nhiều lỗi và được ứng dụng rất rộng dãi. Trong mã BCH có 2 lớp con là mã BCH nhị phân và mã BCH không nhị phân. Mã BCH nhị phân được Hocquenghem đưa ra vào năm 1959, sau đó được Bose và Chaudhuri tìm ra mộ cách độc lập vào năm 1960. Trong số những mã BCH không nhị phân, quan trọng nhất là mã R-S. Mã BCH không nhị phân nghĩa là mã BCH trong đó giá trị của các hệ số được lấy từ trường Galois GF(2m). Mã R-S được Reed và Solomon giới thiệu lần đầu tiên vào năm 1960. Một hệ thống mã hoá và giải mã RS đặc trưng như hình sau: Hình 2.20: Hệ thống sử dụng mã RS. Bộ mã hoá RS nhận một khối thông tin rồi thêm vào các bit “dư ” Lỗi xuất hiện trong khi truyền dẫn hoặc lưu trữ có thể do nhiều nguyên nhân,(như: tạp âm, vết xước trên đĩa CD v.v ). Bộ giải mã RS sẽ xử lí từng khối dữ liệu và cố gắng sửa lỗi để khôi phục lại dữ liệu ban đầu. Số lượng và kiểu lỗi có thể sửa được phụ thuộc vào các đặc tính của mã RS đó. a) Cấu tạo mã RS Một mã RS thường được kí hiệu là RS (n,k) với các symbol m bít, trong đó n là tổng số symbol trong một khối mã và k là số lượng thông tin hay số symbol dữ liệu. Bộ mã hoá lấy k symbol dữ liệu, mỗi symbol m bit, rồi thêm vào (n-k) symbol kiểm tra để tạo thành một từ mã n symbol. Số lượng lỗi tối đa trong một khối mà mã RS(n,k) có thể đảm bảo sửa được là t=(n-k)/2. Thông thường n=2m-1. Nếu n nhỏ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  62. 44 hơn số này thì mã được gọi là mã rút gọn. Tất cả các thuật toán mã hoá R-S đối với DSL đều sử dụng mã R-S trong trường GF(256) là trường mở rộng của GF(2) với symbol dài một byte (m=8) Sơ đồ minh họa kiến trúc của một bộ mã hoá RS hệ thống sửa sai t lỗi trong trường (2m): Hình 2.21. Bộ mã hoá Reed-Solomon Cấu trúc tổng quát cho giải mã mã RS được minh hoạ trong hình 2.21. Từ mã nhận được r(x) là từ mã gốc (từ mã được phát đi) cộng thêm lỗi: r(x) =c(x)+e(x). Bộ giải mã RS cố gắng nhận biết vị trí và độ lớn của tối đa t lỗi và sửa các lỗi đó. Một mã R-S được đặc trưng bởi hai đa thức: Đa thức trường và đa thức sinh. Đa thức trường xác định trường Galois mà các symbol là thành phần của trường đó. Đa thức sinh định nghĩa các symbol kiểm tra được sinh ra như thế nào. Cả hai đa thức này đều được định nghĩa trong các tài liệu đặc tả của bất kì một mã R-S nào. Đa thức trường. Đa thức này dùng để tạo ra trường Galois của mã. Nó được nhập vào dưới dạng số thập phân mà các bit ở dạng nhị phân tương ứng với các hệ số của đa thức. Đa thức sinh. Một từ mã R-S được tạo ra nhờ một đa thức đặc biệt gọi là đa thức sinh. Tất cả các từ mã hợp lệ đều chia hết cho đa thức sinh. Dạng tổng quát của một đa thức sinh của một mã R-S gốc sửa sai t lỗi có chiều dài 2m-1 là: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  63. 45 g(x) = (x – α)(a – α 1) (x – α 2t) (2.4) Với α là phần tử cơ bản của trường GF(2m) Sau đó, từ mã R-S sẽ được tạo ra theo công thức: C(x) = g(x).i(x) Trong đó: g(x) là đa thức sinh. i(x) là khối thông tin. C(x) là một từ mã hợp lệ. Ví dụ: đa thức sinh cho R-S(255,249); 2t = 255-249 = 6 g(x) =(x- α 0) (x- α 1) (x- α 2) (x- α 3) (x- α 4) (x- α 5) 6 5 4 3 2 1 0 g(x) = x +g5x +g4x +g3x +g2x +g1x +g0x (2.5) Các bước của quá trình giải mã: Nguyên lý của thuật toán giải mã mã RS tương tự như đối với mã BCH. Điểm khác biệt duy nhất là phải tính được giá trị (đa thức) lỗi, việc đó được thực hiện bởi thuật toán Forney. Sau đây là các bước của quá trình giải mã mã RS 1.Tính toán syndrome: Việc này tương tự như tính toán chẵn lẻ. Một từ mã RS có 2t syndrome và nó chỉ phụ thuộc vào các lỗi (không phụ thuộc vào từ mã được phát đi hay từ mã gốc). Các syndrome có thể được tính bằng cách thay thế 2t nghiệm của đa thức sinh g(x) vào đa thức thông tin thu được ở máy thu r(x) 2.Tìm vị trí của các lỗi symbol: Việc này đòi hỏi phải giải đồng thời các phương trình với t ẩn. Có một số thuật toán tính nhanh để thực hiện việc này. Các thuật toán này tận dụng cấu trúc ma trận đặc biệt của các từ mã RS và giảm được số phép tính đi rất nhiều. Tổng quát có 2 bước: Tìm một đa thức định vị lỗi. Bước này có thể thực hiện bằng thuật toán Berlekamp-Massey hoặc thuật toán Euclide. Thuật toán Euclide có vẻ được sử dụng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  64. 46 nhiều hơn trong thực tế vì nó dễ cài đặt hơn, tuy nhiên thuật toán Berlekamp- Massey lại có xu hướng làm cho việc cài đặt phần cứng và phần mềm hiệu quả hơn. Tìm các nghiệm của đa thức này, được thực hiện bởi thuật toán tìm kiếm Chien. 2.4. Các phƣơng thức điều chế tín hiệu 2.4.1 Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông. Bộ điều chế số và giải điều chế số là một phần của máy phát và máy thu, kỹ thuật điều chế liên quan đến việc truyền dẫn trên cáp bọc, cáp đồng trục. Trong chương này ta sẽ điểm lại các kỹ thuật điều chế khác nhau đã có, cùng với việc tính toán xắc suất lỗi đối với phần lớn các trường hợp và phương pháp giảm xắc suất lỗi. Kỹ thuật điều chế số được dùng để điều chế sóng mang, có thể làm thay đổi biên độ, pha, tần số của sóng mang thành từng mức gián đoạn. Dưới tác động của tín hiệu mang thông tin. Về nguyên lý có thể thực hiện được cả điều chế số và điều chế tương tự, nhưng trong thực tế việc điều chế số cho hệ thống là rất phổ biến, còn điều chế tương tự rất ít được áp dụng. Hiện nay chỉ sử dụng trong một số phòng thí nghiệm. Mặc dù có nhiều phương thức điều chế, nhưng việc phân tích các phương thức điều chế này tuỳ thuộc chủ yếu vào kiểu điều chế và tách sóng. Quá trình điều chế, lượng tin của nguồn tín hiệu được bảo toàn, chỉ thay đổi mối tương quan về tần số và công suất của tín hiệu truyền đi. Việc phân tích chất lượng của các kỹ thuật điều chế và giải điều chế khác nhau, các tín hiệu băng thông và các kênh trong một số loại có thể chuyển đổi một cách đơn giản theo toán học thành dạng băng thấp tương đương. Điều chế này cho phép phân tích độc lập các tần số sóng mang và băng tần kênh. . Điều biên - AM : Dạng điều chế này tạo ra bằng cách cho tín hiệu thông tin tác động vào biên độ với sóng mang có tần số cao hơn và lọc sang băng mong muốn để truyền đi. . Điều tần - FM: Tín hiệu thông tin tác động vào tần số đầu ra của nó biến đổi phù hợp với quy luật của tín hiệu. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  65. 47 . Điều pha – PM: Tín hiệu thông tin tác động vào pha của sóng mang tạo lên độ lệch pha theo quy luật của tín hiệu cần điều chế. TÝn hiÖu nhÞ ph©n 1 0 1 0 1 0 1 ASK FSK PSK Hình 2.22H×nh. Các 5.1 dạ C¸ng tín c d¹ hi ngệu tÝnđượ hiÖuc điề u® uchîế c ASK, ®iÒu PSK, chÕ FSK ASK, FSK, PSK. Việc chọn tần số sóng mang phụ thuộc vào độ rộng băng tần của tín hiệu điều chế và phương pháp tách sóng sau đó. Chọn phương pháp điều chế phụ thuộc vào sự mong muốn cải thiện tỷ số tín hiệu trên nhiễu SNR đối với băng tần bị chiếm và các yếu tố khác như giá thành, độ phức tạp của hệ thống. Trong hệ thống thông tin, có ba dạng điều chế là: điều chế khoá dịch biên độ ASK, điều chế dịch tần FSK và điều chế khoá dịch pha PSK hình 2.22 mô tả các dạng tín hiệu điều chế này. Sau đây, ta sẽ đi vào phân tích cụ thể các dạng điều chế. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  66. 48 P(dB) (a) t f IF-2B f IF-B f IF f IF+B f IF+2B P(dB) (b) t f IF-0.75B f IF f IF+0.75B P(dB) (c) t f IF-Be f IF f IF+Be P(dB) (d) t f IF-B f IF f IF+B a) ASK, b) MSK, c) FSK, d) PSK. H×nhHình 5.2 2. Phæ23. Ph c«ngổ công suÊt suấ tÝnt tín hiÖu hiệu khikhi đi ®iÒuều ch ếchÕ số sè. 2.4.2 Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK. Khoá dịch biên độ ASK hay còn gọi là khoá đóng mở OOK (on/off Keying). Đây là cách điều chế sóng mang đơn giản nhất. Trường sóng tín hiệu có thể viết như sau: Es(t) = E0m(t)cos[0t+s(t)] (2.6) Trong đó As = E0m(t) là biên độ được điều chế thông qua tín hiệu điều chế m(t), trong khi đó phải giữ cho 0 và s là hằng số. Vì là điều chế số nên m(t) chỉ có 2 giá trị 0 và 1 tuỳ thuộc vào các bít 0 hay 1 cần được phát đi. Trong hầu hết các trường hợp thì As có giá trị bằng 0 khi truyền các bit 0. Dạng phổ tín hiệu của ASK được biểu thị trong hình 2.24 2.4.3 Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. Trong dạng điều chế FSK, thông tin được mã hoá trên sóng mang bằng cách dịch tần số sóng mang 0 . Với dạng tín hiệu số ở dạng điều chế này, đường bao Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  67. 49 sóng mang giữ không đổi, còn tần số 0 có 2 giá trị là (0- ) và (0+ ), tuỳ thuộc vào tín hiệu phát đi là bit 0 hay 1. Sự dịch f = /2 được gọi là lệch tần. Đại lượng 2 f đôi khi được gọi là khoảng cách TONE vì nó là biểu hiện khoảng cách giữa các bit 0 và 1. Trường của dạng điều chế FSK được viết như sau: Es(t) = E0cos[(0t+m(t) 2 f)+s] (2.7) Với m(t) có thể nhận 2 giá trị ±1. Nếu 2 f là độ lệch tần đỉnh- đỉnh thì tham số  = 2 f/B được gọi là chỉ số điều chế tần số. Tương ứng với các  khác nhau sẽ có các sơ đồ khác nhau. Khi  = 0.5 thì được coi là điều chế khoá dịch tần tối thiểu MSK (Minimum Shift Keying), dạng phổ công suất nén rất chặt làm cho sơ đồ này rất hấp dẫn đối với các hệ thống tốc độ cao, độ rộng băng tần giữa các điểm không ở thực tế 1.5B Khi  (0,5  0, 7) thì được coi là điều chế khoá dịch tần pha liên tục CPFSK (Continuous Phase Frequency Shift Keying) hoặc là độ lệch tần hẹp, và dạng phổ của nó bị nén rất chặt, như vậy có thể coi MSK là trường hợp riêng của CPFSK. Giải điều chế tại tầng IF có thể được thực hiện bằng bộ phân biệt tần số đường dây trễ. Khi  >> 1 thì được coi là điều chế FSK lệch tần rộng và phổ của nó được phân thành 2 thành phần tập chung quanh fs- f và fs+ f tương ứng, mỗi thành phần được coi giống như phổ của tín hiệu điều chế ASK nếu  đủ lớn xem hình 2.31. Như vậy độ rộng băng tần tổng cộng rất rộng, vì thế sơ đồ này không thích hợp cho hệ thống tốc độ cao, nhưng có thể dùng cho các hệ thống đơn giản và rẻ tiền. Có thể điều chế tín hiệu IF bằng phương pháp đường bao hoặc đồng bộ. Các trường hợp trung bình  1 thực tế không quan tâm. Vì tần số của tín hiệu không phải là hằng số trong khi điều chế, sơ đồ FSK không thể thực hiện được cho dù là hệ thống đồng tần số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  68. 50 2.4.4 Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK. Trong dạng điều chế khoá dịch pha PSK, các chùm tín hiệu được phát ra bằng cách điều chế s , trong khi đó thì biên tần As = E0 và tần số 0 của sóng mang được giữ là hằng số. Khi đó có thể viết như sau: Es(t) = E0cos[0t+m(t)] (2.8) Trong đó m(t) nhận các giá trị 0 và 1, điều này có nghĩa là pha s nhận hai giá trị 0 và . Dạng phổ công suất giống như của ASK, nhưng có phổ vạch sóng mang như thể hiện trong hình 2.31 . Vậy sơ đồ này hiện hữu hơn so với sơ đồ ASK. Điều chế dạng khoá dịch pha vi phân DPSK(Differential PSK) cũng giống như điều chế PSK như vậy có thể viết. Es(t) = E0cos[0t+m(t) ] (2.9) Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thông tin được mã hoá theo sự khác nhau về pha giữa hai bít kế tiếp nhau. Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát có thể được điều chế thành công cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dài hai bít. Điều chế này thường được dùng trong các hệ thống thực tế, vì không cần các bộ giải điều chế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt. 2.4.5 Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực. 2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu. Kể từ khi đường dây điện được thiết kế để truyền tải điện năng, nó chưa được đánh giá đúng mức với vai trò là một môi trường truyền dữ liệu. Đường dây điện thông thường có một số lượng lớn các loại nhiễu, là nguyên nhân gây nên méo tín hiệu. Sự méo tín hiệu này làm tăng tỉ số lỗi bit (BER). Tỉ số BER được định nghĩa một cách gần đúng là tỉ số của các bit đã giải điều chế bởi bộ thu với số các bit nhận được. Xa hơn nữa, các tín hiệu trên đường dây điện lực cũng gặp phải một vấn đề là sự suy hao rất lớn. Những vấn đề trên là những lý do chính làm cho đường dây điện không được lựa chọn làm đường truyền dữ liệu chính. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  69. 51 Để khắc phục những nhược điểm của đường dây điện lực, chúng ta có thể áp dụng nhiều phương pháp làm giảm tỉ số BER. Biện pháp đầu tiên là sử dụng phương pháp điều chế FSK để điều chế thông tin. Tất cả các biện pháp nói chung đều làm giảm sự xuyên nhiễu, tuy nhiên các biện pháp nói chung cũng không khả quan hơn phương pháp sử dụng FSK là bao nhiêu. Có một kĩ thuật được gọi là BPSK (Binary Phase Shift Keying) được xem là tốt hơn FSK trong việc giảm nhiễu. BPSK sử dụng hai pha khác nhau của tín hiệu điều chế để phân biệt giữa 0 và 1. Hình 2.24 chỉ ra hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm giảm nhiễu. Hình 2.24: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm giảm nhiễu Tỉ số Eb/N0 được hiểu là tỉ số tín hiệu trên nhiễu (SNR). Như chúng ta quan sát thấy trên hình vẽ, BPSK có một tỉ số SNR thấp hơn FSK, DPSK và ASK. Tuy nhiên, những kết quả lý thuyết đưa ra trong hình 2.24 không quyết định được là BPSK sẽ làm giảm đáng kể tỉ số BER trong hệ thống. Việc kiểm tra phải được thực hiện cụ thể trên một vi mạch BPSK đối với mạch điện hiện tại. Một vi mạch BPSK có thể được sử dụng là MAX2900.Thiết kế hiện tại cần phải được khai Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  70. 52 báo và chỉ rõ giá trị của tụ điện và điện trở điều khiển các thông số của vi mạch FSK để thuận tiện cho việc bổ xung vi mạch điều chế mới. Một cách khác để nhận được tín hiệu tốt hơn là cải thiện mạch lọc trong phần thu. Hiện tại, mạch lọc đầu tiên được sử dụng là mạch lọc RLC thông cao. Tuy nhiên, đường dây điện luôn luôn có rất nhiều tín hiệu nhiễu từ nhiều nguồn nhiễu khác nhau. Một số tín hiệu nhiễu trong các nguồn này có tần số đủ cao để đi qua mạch lọc thông cao đó. Một giải pháp hợp lý hơn là sử dụng một mạch lọc tích cực thông giải mà chỉ cho phép đi qua một dải tần số nhất định nhỏ hơn. Một vi mạch tích hợp có thể thực hiện được vai trò này là MAX267AEWG. Vi mạch này có thể thay thế cho mạch lọc thụ động RC trong thiết kế hiện tại. 2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu. Hệ thống được thiết kế với mục đích xa hơn cho sự phát triển của các ứng dụng khác trên đường dây điện lực, bao gồm cả truyền dữ liệu với tốc độ cao. Thiết kế hiện tại chỉ thực thi tại hai tần số tín hiệu riêng biệt. Mỗi tần số tương ứng với một tín hiệu nhị phân 1 hoặc 0. Nếu một tần số thứ ba hoặc thứ tư được phát hiện bởi bộ thu, nó có thể tương ứng lần lượt với các tín hiệu 10 và 11 do đó tốc độ dữ liệu sẽ được nhân đôi. Bằng việc sử dụng một dạng khác của BPSK được gọi là QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), cũng cho phép làm giảm nhiễu, chúng ta có thể tăng tốc độ dữ liệu lên gấp đôi. QPSK giống như BPSK ở điểm những pha khác nhau của tín hiệu phát biểu thị cho các bit khác nhau, nhưng thay vì hai pha khác nhau, nó sử dụng bốn trạng thái pha biểu thị bằng bốn mẫu bit lần lượt. QPSK được sử dụng rộng rãi cho truyền thông tốc độ cao như là cáp modem. Một phương pháp có triển vọng hơn cho việc cải thiện băng thông được gọi là ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM). OFDM là phương pháp lý tưởng cho việc mở rộng tối đa khả năng của kênh truyền. Nó cho phép một vài tín hiệu có thể truyền đồng thời qua một kênh mà không gây ra nhiễu giữa các thông tin đó. Hiện tại OFDM đang được sử dụng trong các ứng dụng băng thông cao bao gồm cả đường truyền số. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  71. 53 Chúng ta cũng đã thực hiện tìm kiếm một vài cách khác để cải tiến hệ thống. Bằng việc thay đổi kĩ thuật điều chế với BPSK chung ta có thể giảm xuyên nhiễu. Nếu thay đổi kĩ thuật điều chế thành QPSK chúng ta có thể tăng gấp đôi tốc độ truyền dữ liệu và vẫn có thể chống nhiễu. Do đó hệ thống có thể thực hiện tốt hơn với một vi mạch QPSK. Để tăng tốc độ dữ liệu lên cao hơn, kĩ thuật OFDM có thể được thực hiện để đạt được khả năng lớn nhất của đường dây điện lực Kỹ thuật trải phổ và kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) được sử dụng để tăng dung lượng và tăng số kênh truyền dẫn. Sau đây chúng ta sẽ tiếp tục nghiên cứu các kỹ thuật này. 2.5. Kỹ thuật trải phổ Như chúng ta đã biết thì mọi kỹ thuật điều chế và giải điều chế ngoài việc nhằm mục đích truyền được tín hiệu đi xa còn phải bảo mật trong suốt quá trình truyền từ phía phát sang phía thu. Một trong những kỹ thuật điều chế và giải điều chế số thỏa mãn được hầu hết các điều kiện trên và có hiệu quả cao là kỹ thuật trải phổ. Có hai loại kỹ thuật trải phổ chính là trải phổ dãy trực tiếp và trải phổ nhảy tần. Hình 2.25: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ Tại đầu phát: Tín hiệu thông tin số liệu băng hẹp cần truyền đi được tạo ra từ các hệ thống băng thông hẹp là quá trình điều chế sơ cấp, sau đó tín hiệu này được nhân với mã trải phổ. Tại đầu thu: Tín hiệu băng tần rộng được thu tại máy thu được nén phổ nhờ việc nhân với bản sao được đồng bộ của tín hiệu trải phổ đã được sử dụng ở phía phát. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  72. 54 2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp Kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS sử dụng mã trải phổ băng rộng để điều chế tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu gốc. Dãy mã được sử dụng có tốc độ cao hơn nhiều ( tốc độ chip) so với tốc độ bit thông tin, mỗi bit thông tin của tín hiệu số được truyền như một chuỗi ngẫu nhiên của chip. Các hệ thống trải phổ dãy trực tiếp còn được gọi là hệ thống giả tạp âm. Trong thời gian gần đây các hệ thống DSSS đã được ứng dụng trong các hệ thống thông tin thương mại. Hình 2.26: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK Đây là loại điều chế đơn giản nhất của trải phổ dãy trực tiếp. Trong kỹ thuật trải phổ dãy trực tiếp BPSK người ta sử dụng điều chế dịch pha nhị phân như phương pháp điều chế trải phổ, điều đó có nghĩa là lần điều chế thứ nhất điều chế dữ liệu theo phương pháp điều chế thông thường, lần thứ hai người ta sử dụng mã trải phổ để điều chế tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi tín hiệu (điều chế lần thứ nhất) theo kiểu BPSK. Trước tiên ta đi xét tín hiệu sóng mang s(t): s(t) = A.cos ω0t Trong đó: + A: biên độ đỉnh của sóng mang. + ω0: tần số góc của sóng mang. Ams là biên độ hiệu dụng của sóng mang, ta có: AA 2 ms 2 Gọi P là công suất sóng mang, do P = Ams nên ta có: AP 2 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
  73. 55 Và ta có biểu thức sóng mang là: s(t) = 2P .cos ω0t Biểu thức sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu đưa qua điều chế dịch pha nhị phân BPSK: Sd(t) = .cos[ ω0t + фd(t)] với 0 tTs (2.10) Trong đó: + фd(t): là pha của song mang. +Ts: độ rộng một chíp (hay một ký hiệu) của dữ liệu điều chế d(t) Tín hiệu Sd(t) này chiếm độ rộng băng tần từ 1/2 đến 2 lần tốc độ dữ liệu trước đó và phụ thuộc vào đặc điểm của việc điều chế. Trải phổ dãy trực tiếp sử dụng kỹ thuật BPSK bằng mã trải phổ C(t) có dạng xung tín hiệu NRZ và chỉ có giá trị mức bằng 1 và có tốc độ dòng gấp N lần tốc độ dòng dữ liệu d(t). Việc điều chế trải phổ được thực hiện bằng phép nhân đơn giản giữa sóng mang đã được điều chế Sd(t) với hàm mã C(t) . Tín hiệu phát đi có dạng: St(t) = .cos[ ω0t + фc(t) + фd(t)] với 0 tT (2.11) Như vậy bây giờ pha của tín hiệu sóng mang phát đi phụ thuộc 2 thành phần: + фc(t) : phụ thuộc vào mã giả ngẫu nhiên C(t) + фd(t) : phụ thuộc vào dòng dữ liệu d(t). Trên cơ sở của phương trình (2-3) ta xây dựng được sơ đồ điều chế như sau: Hình 2.27: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK Do tính chất của dãy mã giả ngẫu nhiên trải phổ C(t) có dạng xung NRZ có các giá trị 1 nên từ phương trình (2.11) ta có: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên