Luận văn Thạc sĩ Khoa học kỹ thuật: 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 KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH : KKĨĨ TTHHUUẬẬTT ĐĐIIỆỆNN TTỬỬ

TTÊÊNN ĐĐỀỀ TTÀÀII::

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

CCHHUUYYÊÊNN NNGGÀÀNNHH :: KKĨĨ TTHHUUẬẬTT ĐĐIIỆỆNN TTỬỬ

HHỌỌCC VVIIÊÊNN :: HHOOÀÀNNGG TTHHUU HHÀÀ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

LLỚỚPP :: KKTTĐĐTT--KK1133

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hoàng Thu Hà

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hoàng Thu Hà

MỤC LỤC

Nội dung Lời cam đoan………………………………………………………… Trang i

Lời cảm ơn……………………………………………………………. ii

Mục lục……………………………………………………………….. iii

Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt………………………………… Danh mục các bảng biểu……………………………………………… viii xi

Danh mục các hình vẽ………………………………………………... Lời nói đầu……………………………………………………………. xii 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1.2.2.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) ........................ 11

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.1.5. Hiện tượng sóng dừng ............................................................................. 31

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

2.6. Công nghệ OFDM ......................................................................................... 64

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

3.5.2. Mạch ghép ............................................................................................... 91

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Phụ lục 2……………………………………………………………………… 111

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

GSM Global System for Mobile Điện thoại di động toàn cầu

communication

Host Center Station HCS Trạm máy chủ trung tâm

Home Local Register HLR Thanh ghi định vị thường trú

High Power Radio HPR 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

Inter Symbol Interference Nhiễu ISI ISI

Local Area Network Mạng khu vực LAN

Low Power Radio LPR 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 Netwwork Mạng chuyển mạch điện thoại công 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

RTU Remote Tranceiver Unit Thiết bị phát từ xa một chiều

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

WLL Wireless Local Loop Truy nhập không dây nội hạt

xii

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK 62

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bảng 3.1 Mô tả các chân của TDA5051 79

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.13: Các mạch cộng hưởng LC 38

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

54 Hình 2.24: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 68

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.20 : Mạch thực của các modul PLC 96

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.24: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao. 98

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hoàng Thu Hà

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

điện trên tường nhà. Như vậy, toàn bộ mạng điện trong tòa nhà sẽ trở thành một

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

khiển. Không giống như X10 sử dụng tần số sóng mang cố định 120Khz, các thiết

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

thông tin qua đường dây điện lực được mô tả như hình 1.2

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho

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

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps

- 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số của dòng điện chính và các hài của nó.

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

Bảo vệ quá áp

Tầng công suất phía phát

Từ bộ chuyển đổi A/D và lọc thông thấp

Cáp điện

Biến áp với bộ lọc thông cao

lọc thông cao đảm bảo dòng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem.

a. Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện

Dòng điện chính

Cáp điện

Bộ lọc dải vào

Xử lý số liệu

Biến áp với bộ lọc thông cao

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trình quá độ của dòng điện chính.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

truyền và nhận được trên đường dây điện lực.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phép tín hiệu 120 khz có sai lệch tối đa 200 μs so với vị trí qua 0. Mỗi bit truyền

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 .

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hinh 1.6:

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vi này. Khi điều này xảy ra, các PLT-22 tự động chuyển mạch sang dải tần số phụ.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

biểu tượng thời gian sẽ được hiển thị trong hình 1.10

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)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hoặc DBPSK.. Toàn bộ quá trình là ngược lại tại phía thu .

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:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Truy nhập nội hạt (last mile access)

- 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

giải pháp, đó là dùng đường dây tải điện cao thế để kết hợp truyền thông tin tốc độ

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 1.10: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vực truy nhập mà còn các dịch vụ đi kèm với PLC. Hệ thống PLC đang ở giai đoạn

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

hạ tầng mạng lưới viễn thông của họ. Thêm nữa, tốc độ truy cập cao của nó sẽ đưa

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

 Mục tiêu của mạng PLC băng thông rộng:

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

điện lực nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng gây nên do đặc tính của kênh.

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)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.1: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phát triển của PLC.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

như sau:

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ.

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.6: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

anten phát/thu làm cản trở quá trình phát/thu tin. Mọi hệ thống truyền thông luôn cố

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tần thích hợp trong từng điều kiện cụ thể, để có thể giảm bớt sự bức xạ chung.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mang truyền trên đường cáp nhất là đối với sóng mang tần số cao.

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Thay vào đó là sự phát xạ từ các hộ gia đình sẽ trở thành thành phần đóng góp chủ

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

của dòng điện 50Hz rất nhiều nên dòng điện xoay chiều 50Hz sẽ được cản lại bằng

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

tâm được tính theo công thức sau: f0=1/2ΠRC

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 : (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:

(2.1)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Với R= 1KΩ →C<3.2*10-9(F) ~3 (nF)

Tương tự với tần số 1MHz:

(2.2)

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

cào phần đó. Sơ đồ (b) cũng là tương tự với sơ đồ (a) với nhưng sơ đồ

(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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.10: Mạch ghép kết hợp LC

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mạch lọc tích cực, tín hiệu nằm trong giải thông được cho qua bộ lọc rồi được

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:

(với R: Ω, C: F, f0: Hz) (2.3)

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.11: Các mạch lọc RC

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quanh tần số giới hạn và trong khu vực

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

Tần số cộng hưởng:

Hệ số phẩm chất:

Dải thông của mạch lọc:

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.15 minh họa một bộ mã hóa mã xoắn với k=1, K=3, n=2.

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 trên, hai đa thức sinh là G1(x) = 1 + x2 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nhánh phải tiếp theo ở phía dưới.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

quat, sau cột nút thứ K, cấu trúc lưới được lặp lại.

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.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trước hết ta xây dựng lưới giải mã như hình 2.18

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,…)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

- Thông tin di động hay không dây.

- 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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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:

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)

(2.5)

g(x) = x6 +g5x5 +g4x4 +g3x3 +g2x2 +g1x1 +g0x0

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Berlekamp-Massey hoặc thuật toán Euclide. Thuật toán Euclide có vẻ được sử dụng

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phù hợp với quy luật của tín hiệu.

 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.

Hình 2.22. Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, PSK, FSK

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dạng tín hiệu điều chế này. Sau đây, ta sẽ đi vào phân tích cụ thể các dạng điều chế.

Hình 2.23. Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dịch tần số sóng mang 0 . Với dạng tín hiệu số ở dạng điều chế này, đường bao

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dù là hệ thống đồng tần số.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dây điện không được lựa chọn làm đường truyền dữ liệu chính.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mạch BPSK có thể được sử dụng là MAX2900.Thiết kế hiện tại cần phải được khai

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

gồm cả đường truyền số.

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

sử dụng ở phía phát.

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.

2 nên ta có:

Ams là biên độ hiệu dụng của sóng mang, ta có:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Gọi P là công suất sóng mang, do P = Ams

Và ta có biểu thức sóng mang là: s(t) = .cos ω0t

Biểu thức sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu đưa qua điều chế dịch pha

nhị phân BPSK:

với (2.10) Sd(t) = .cos[ ω0t + фd(t)]

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 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:

(2.11) St(t) = .cos[ ω0t + фc(t) + фd(t)] với

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

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

các giá trị nên từ phương trình (2.11) ta có:

St(t) = .C(t).cos[ ω0t + фd(t)] (2.12)

Như vậy trải phổ sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK được thực hiện một cách

đơn giản bằng cách nhân tín hiệu sóng mang đã được điều chế bởi dữ liệu với mã

trải phổ C(t), bộ điều chế mã BPSK ở hình trên được thay thế bằng bộ nhân. Ta xây

dựng được bộ điều chế như sau:

Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản

khi này thì tín hiệu phát đi có thể được viết lại là:

St(t) = C(t). Sd(t) (2.13)

Mặt khác do tính chất của tín hiệu C(t) là các tín hiệu xung NRZ nên

C(t)= ±1 do đó C2(t) = 1. Vì vậy: St(t). C(t) = C2(t). Sd(t)= Sd(t) (2.14)

Tại đầu thu thì bộ thu sẽ thu được tín hiệu sau một khoảng thời gian trễ Td là:

.C(t-Td).cos[ ω0t + фd(t- Td) + φ] + nhiễu

Ta xây dựng sơ đồ giải điều chế như sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.29: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản.

Do việc điều chế tín hiệu ờ phía phát được thực hiện qua 2 lần điều chế. Do

đó tại đầu thu quá trình giải điều chế cũng phải thực hiện theo 2 quá trình ngược lại

với phía phát:

 Quá trình 1: Thực hiện nhân tín hiệu điều chế thu được với mã trải phổ có

sẵn ở đầu thu (quá trình này thực chất là quá trình nén phổ tín hiệu). sau quá

trình này thì tín hiệu thu được sẽ có dạng sau:

d). C(t-Td).cos[ ω0t + фd(t- Td) + φ] (2.15)

.C(t-T„ SR(t)=

Trong đó: Td: thời gian trễ do truyền dẫn.

d: thời gian trễ truyền dẫn do phía thu dự đoán.

T„

Nếu T„=Td thì điều đó có nghĩa mã trải phổ phía thu được đồng bộ chính xác với

d). C(t-Td).

mã trải phổ phía phát. Khi đó ta có: C(t-T„

Nếu bỏ qua thành phần pha ngẫu nhiên φ thì tín hiệu thu được sau bộ nén phổ

là:

R(t)=

S* . cos[ ω0(t- Td) + фd(t- Td) ]

R(t) chính là Sd(t) bị trễ đi một khoảng thời gian là Td.

Ta thấy S*

R(t) được đưa đến bộ giải điều chế pha để tách trở lại

 Quá trình 2: Tín hiệu S*

tín hiệu ban đầu.

Trong trường hợp ta đang xét thì lần điều chế thứ nhất đối với dữ liệu thông

tin là quá trình điều chế pha số thông thường, còn điều chế trải phổ lần thứ 2 là điều

chế BPSK.

Sau đây ta xét quá trình điều chế mà cả hai quá trình điều chế đều sử dụng

phương pháp điều chế BPSK (phương pháp này còn được gọi là phương pháp điều

chế BPSK cải tiến).

Điều chế dữ liệu lần 1 có dạng:

với (2.16) Sd(t) = .cos[ ω0t + dt]

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó: Tb là độ rộng của một tín hiệu hay một bít.

Do điều chế BPSK nên độ dịch pha là Π. Dữ liệu d(t) mang giá trị ±1. Trong

ký hiệu BPSK một ký hiệu điều chế được thay bở một bít. Do vậy:

Ts= Tb với Ts là độ dài của một ký hiệu điều chế.

Do đó phương trình (2-16) có thể được viết lại như sau:

với Sd(t) = .cosω0t

Lúc này tín hiệu này được đưa qua điều chế lần thứ hai dạng BPSK, và nó sẽ có

dạng sau:

(2.17) Sd(t) = .C(t). d(t). cosω0t với

Do vậy quá trình điều chế 2 lần được thay thế bằng quá trình điều chế duy nhất

thông qua việc nhân mã trải phổ C(t) với dãy dữ liệu d(t).

2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK

Ngoài phương pháp điều chế tín hiệu dịch pha nhị phân (BPSK) còn có nhiều

phương pháp điều chế dịch pha khác. Với phương pháp điều chế dịch pha nhị phân, góc pha của sóng mang bị dịch cố định là 0 hay 1800 tùy thuộc vào giá trị của dữ

liệu. Do vậy nếu cả hai quá trình điều chế (dữ liệu và trải phổ) đều áp dụng phương

pháp này thì người ta có thể thay bằng một bước điều chế dịch pha nhị phân cho

tích của dữ liệu và mã trải phổ. Còn đối với phương pháp điều chế pha 4 mức

(QPSK) thì góc pha của sóng mang bị dịch đi nằm tại một trong bốn giá trị là 0, ±900 và 1800.

Điều chế pha 4 mức QPSK thực hiện tổ hợp 2 bít của tín hiệu thành một ký

hiệu điều chế và quyết định một trạng thái pha sóng mang. Do vậy cùng với một độ

rộng băng tần truyền dẫn, sử dụng phương pháp điều chế QPSK sẽ có tốc độ bít

tăng gấp đôi so với phương pháp điều chế BPSK.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK như sau:

Bảng 2.1 Quy luật về trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK

Trong trường hợp tổng quát khi bước điều chế dữ liệu ban đầu là phép điều

chế dịch pha, tín hiệu đầu vào bộ điều chế trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK là:

S (t) = với (2.18) .cos[ ω0t + фd(t)]

Phép điều chế trải phổ QPSK thực hiện dịch pha của sóng mang đã được

điều chế bởi dữ liệu dưới tác dụng của mã trải phổ giả ngẫu nhiên theo quy luật điều

chế theo bảng như trên. Việc điều chế này được thực hiện như hình vẽ sau:

Hình 2.30: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức

Trong đó bộ lai cầu phương thực hiện tạo ra 2 tín hiệu có lệch pha nhau là 1800 (trực giao với nhau) từ tín hiệu điều chế pha ban đầu. Hai tín hiệu này có công

thức sau:

Tín hiệu thứ nhất: I(t) = .cos[ ω0t + фd(t)] (2.19)

Tín hiệu thứ hai: Q(t) = .sin[ ω0t + фd(t)] (2.20)

Đồng thời tín hiệu giả ngẫu nhiên C(t) cũng được tách làm hai tín hiệu C1(t)

và tín hiệu C2(t) với tốc độ bít bằng một nữa tốc độ bít của dòng nhị phân ban đầu.

Dòng bít của tín hiệu C1(t) chứa các giá trị bít nằm ở các vị trí chẵn trong dòng bít

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

của tín hiệu C(t) và ngược lại dòng bít của tín hiệu C2(t) chứa các giá trị bít nằm ở

các vị trí lẻ trong dòng bít của tín hiệu C(t). Như vậy hai tín hiệu I(t) và Q(t) bây giờ

bị trải phổ dịch pha nhị phân bởi hai mã trải phổ có tốc độ bằng nữa tốc độ mã ban

đầu. Kết quả tín hiệu trải phổ đầu ra thu được bằng cách cộng hai tín hiệu trải phổ

này với nhau và có dạng sau:

x(t)=C1(t).I(t)+C2(t).Q(t)= C1(t).cos[ω0t +фd(t)]+ C2(t).sin[ ω0t + фd(t)] (2.21)

Như vậy với bước điều chế trải phổ sử dụng phép điều chế pha 4 mức, tín

hiệu sóng mang bị điều pha bởi dữ liệu lại một lần nữa bị điều chế pha QPSK. Bước

điều chế sóng mang bởi dữ liệu có thể là điều chế pha nhị phân hay điều chế pha 4

mức giống như bước điều chế trải phổ. Khi đó đầu thu khôi phục lại dữ liệu theo

chiều ngược lại và phải tuân theo đúng phép giải điều chế BPSK hay QPSK. Với

phương thức điều chế pha 4 mức thì ta có thể gửi nhiều dữ liệu hơn vào sóng mang

va do đó tiết kiệm được đường truyền dẫn so với phương thức điều chế pha nhị

phân.

2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum)

Trong kỹ thuật trải phổ nhảy tần sử dụng một bộ phát mã PN để điều khiển

bộ tổng hợp tần số. Hệ thống FH được coi là điều chế gián tiếp vào mã trải phổ. Hệ

thống FH tạo ra hiệu quả trải phổ bằng sự nhảy tần giả ngẫu nhiên giữa các tần số

vô tuyến f , f ... f với n có tới hàng nghìn . Trong hệ thống FH nếu tốc độ nhảy

tần lớn hơn tốc độ bit thông tin thì được gọi là hệ thống nhảy tần nhanh FFH ( Fast

Frequence Hopping).

Nếu tốc độ nhảy tần nhỏ hơn tốc độ bit thông tin được gọi là hệ thống nhảy

tần chậm SFH (Slow Frequence Hopping).

Tất nhiên có trường hợp đặc biệt trong đó tốc độ nhảy tần và tốc độ bit thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tin là bằng nhau về độ lớn.

Hình 2.31: Trải phổ nhảy tần FHSS

Hình 2.32: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần

2.6. Công nghệ OFDM

OFDM là một kỹ thuật truyền thông tin đa sóng mang xuất hiện từ gíữa

những năm 60. Hệ thống đầu tiên sử dụng kỹ thuật này là HF radio links của quân

đội (năm 1957). Đến năm 1966, Robert Chang nhận bằng sáng chế với mô hình hệ

thống OFDM. Mặc dù những khái niệm về OFDM đã được đề cập từ rất lâu như

vậy nhưng mãi đến những thập niên gần đây, OFDM mới chứng tỏ được những tính

chất ưu việt của nó. OFDM được ứng dụng trong cả hai hệ thống thông tin vô tuyến

và hữu tuyến, nhất là trong các hệ thống thông tin tốc độ cao. Ngày nay, kỹ thuật

OFDM được ứng dụng trong các hệ thống truyền dẫn băng rộng

ADSL/HDSL/VDSL, các hệ thống phát thanh và truyền hình số quảng bá DAB

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(Digital Audio Broadcasting) và DVB- T (Digital Video Boadcasting- Terrestrial).

OFDM còn là giải pháp kỹ thuật được đề cử cho các chuẩn LAN không dây (

Wireless Local Area Network) như ETSI Hiperlan/2 và IEEE 802.11a

OFDM là một trường hợp đặc biệt của FDM

2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM

Chuyển đổi một chuỗi dữ liệu nối tiếp có tốc độ cao R thành N chuỗi con

song song có tốc độ thấp (R/N). N chuỗi con này được điều chế bởi N sóng mang

phụ trực giao và được phát lên kênh truyền đồng thời.

Bản chất trực giao sóng mang phụ OFDM cho phép phổ của các chuỗi sau

điều chế chồng lấn lên nhau mà vẫn đảm bảo việc tách riêng biệt từng thành phần

tại phía thu. Nhờ vậy mà hiệu quả sử dụng băng tần tăng đáng kể và tránh được

nhiễu giữa các sóng mang lân cận ICI (Inter- carrier Interference). Ta có thể thấy

điều này qua phổ của tín hiệu OFDM và tín hiêu FDM trên hình 2.33

Hình 2.33. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM

Mặt khác, do chuỗi dữ liệu nối tiếp tốc độ cao được chia thành các chuỗi con

có tốc độ thấp nên tốc độ ký hiệu của các chuỗi con nhỏ hơn rất nhiều so với tốc độ

của chuỗi ban đầu, vì vậy các ảnh hưởng của nhiễu liên ký tự ISI, của hiệu ứng trễ

trải đều được giảm bớt. Nhờ vậy có thể giảm độ phức tạp của các bộ cân bằng ở

phía thu. Ta sẽ nói thêm về phương pháp chống ISI được sử dụng trong hệ thống

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

OFDM ở phần sau

(a) (b)

Hình 2.34: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang

b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang

Một ưu điểm nữa của kỹ thuật OFDM là khả năng chống lại fading chọn lọc tần

số và nhiễu băng hẹp. Ở hệ thống sóng mang, chỉ một tác động nhỏ của nhiễu cũng

có thể gây ảnh hưởng lớn đến toàn bộ tín hiệu (hình 2.34a). Nhưng đối với hệ thống

đa sóng mang, khi có nhiễu thì chỉ một phần trăm nhỏ của những sóng mang con bị

ảnh hưởng (hình 2.34b), và vì vậy ta có thể khác phục bằng các phương pháp mã

hoá sửa sai.

2.6.2. Tính trực giao

Chìa khoá của việc sử dụng hiệu quả dải băng tần trong hệ thống OFDM so

với các hệ thống khác trước (FDM,TDM) chính là tính trực giao của sóng mang

phụ. Với tính chất này, phổ của các chuỗi con sau điều chế có thể chồng lấn nhau

nhưng vẫn đảm bảo việc tách riên biệt từng thành phần tại phía thu.

Một tập tín hiệu được gọi là trực giao từng đôi một khi hai tín hiệu bất kỳ

trong tập đó thoả điều kiện:

(2.22)

Với * là ký hiệu liên hợp phức,Ts là chu kỳ ký hiệu.

Tập N sóng mang phụ trong kỹ thuật OFDM có biểu thức:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

(2.23) với k=0,….,N-1

và trực Các sóng mang này có tần số cách đều nhau một khoảng Fa=

giao từng đôi một do thoả điều kiện (2.22). Ta xét sóng mang sin( ) và

sin( ):

Như vậy, các sóng mang thuộc tập (2.23) là trực giao từng đôi một hay còn

gọi là độc lập tuyến tính. Trong miền tần số, phổ của mỗi sóng mang phụ có dạng

hàm sincx do mỗi ký hiệu trong miền thời gian được giới hạn bằng một xung chữ

nhật. Mỗi sóng mang phụ có một đỉnh ở tần số trung tâm và các vị trí null tại các

điểm cách tần số trung tâm một khoảng bằng bội số của Fs. Vì vậy, vị trí đỉnh của

sóng mang này sẽ là vị trí null của các sóng mang còn lại (hình 2.35). Và do đó các

sóng mang không gây nhiễu cho nhau.

Hình 2.35: Phổ của các sóng mang trực giao

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Ta có sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM như hình 2.36

Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM

Toàn bộ phần đóng khung có thể được thay thế bằng phép biến đổi ngược

Fourier rời rạc IDFT( Inverse Discrete Fourier Transform). Khi đó, sóng mang phụ

thứ k trong tập các sóng mang trực giao được biểu diễn như sau:

với k=0, … N-1 (2.24)

Trong thực tế, người ta sử dụng phép biến đổi ngược Fourier nhanh IFFT

(Inverse Fast Fourier Transform) do có thể lập trình tính toán đơn giản và nhanh

bằng máy vi tính.

2.6.3 Hệ thống OFDM Trên hình 2.37 là sơ đồ một hệ thống OFDM.

Ở máy phát, chuỗi dữ liệu nối tiếp qua bộ S/P được biến đổi thành N chuỗi con

song song, mỗi chuỗi này qua một bộ điều chế. Ở ngõ ra các bộ điều chế, ta thu

được một chuỗi số phức D0,D1, …, Dn-1, trong đó Dk= Ak+jBk. Chuỗi số phức

này đi vào bộ IFFT:

(IFFT) (2.25)

(do với là chu kì kí hiệu, là tần số các sóng mang)

Ngõ ra bộ IFFT là các mẫu rời rạc của ký hiệu OFDM trong miền thời gian:

= (2.26)

Các mẫu y(n) này được chèn thêm khoảng bảo vệ, cho qua bộ biến đổi D/A để

trở thành tín hiệu liên tục y(t), được khuyếch đại, đưa lên tần số cao rồi phát lên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

kênh truyền.

(2.27)

Ở máy thu, ta làm quá trình ngược lại: Tín hiệu OFDM được đổi tần xuống, biến

đổi A/D loại bỏ khoảng bảo vệ, rồi được đưa vào bộ FFT. Sau đó giải điều chế, biến

đổi từ song song sang nối tiếp để thu lại chuỗi dữ liệu ban đầu.

(FFT)

Hình 2.37.: Sơ đồ một hệ thống OFDM

2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ

Hình 2.38 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phần

trễ này gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây là nhiễu

lên ký hiệu ISI (Inter- symbol Interference).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 2.38: Ảnh hưởng của ISI

Hinh 2.39: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống

Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu

trước đó (ký hiệu i- 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải ( ). Một khoảng rỗng do

đó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (hình 2.40), nhưng như vậy tín hiệu sẽ bị thay

đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế, người ta chèn khoảng bảo vệ

ΔG được coppy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó như hình

2.41. Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần

được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơn

khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ được nhiễu ISI.

Hình 2.40: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix

Ở máy thu, khoảng bảo vệ này được lại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế.

2.7 Kết luận chƣơng

Trên cơ sở các khái niệm về PLC và đặc điểm của kênh truyền điện lực có

được, chương này đã đề cập đến các kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống

truyền thông PLC và đưa ra các tiêu chuẩn quốc tế khuyến nghị cho các mạng PLC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Bao gồm kỹ thuật phối ghép lưới điện, kỹ thuật mã hóa, kỹ thuật điều chế, kỹ thuật

trải phổ, kỹ thuật OFDM. Các kết quả này sẽ là những lựa chọn cần thiết cho quá

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trình xây dựng hệ thống truyền thoại trên PLC được trình bày trong chương 3.

CHƢƠNG 3

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ ĐIỆN

3.1 Giới thiệu

Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây Dựng Bắc Ninh

Địa chỉ: Đường Nguyễn đăng Đạo - Khu 10 - Phường Đại Phúc

-TP Bắc Ninh, Bắc Ninh

Điện thoại: 02413.854.331 – 0948.28 28 38 – 0904. 449.827

Website: http://www.codienxaydungbn.edu.vn

3.1.1 Lịch sử trường

Thành lập ngày 23-11-1971 với tên trường Công nhân Xây dựng, sau đổi

thành trường Trung cấp nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh, năm 2009 nâng cấp

thành trường Cao đẳng. Trải qua 40 năm xây dựng, được sự quan tâm của Bộ Nông

nghiệp và Phát triển Nông thôn và tỉnh Bắc Ninh, trường đã có những bước phát

triển vượt bậc, từ 3 nghề đào tạo về lĩnh vực thủy lợi thợ bậc 2/7, đến nay trường đã

đào tạo 7 nghề trình độ Cao đẳng, 14 nghề trung cấp, 10 nghề sơ cấp. Hiện trường

có 2 cơ sở đào tạo khang trang hiện đại tại phường Hạp Lĩnh và Đại Phúc (thành

phố Bắc Ninh). Năm học 2011-2012, toàn trường có 2.500 học sinh, sinh viên gồm

500 sinh viên Cao đẳng và 2.000 học sinh trung cấp.

Hầu hết những học sinh, sinh viên sau khi tốt nghiệp trường Cao đẳng nghề

cơ điện và xây dựng Bắc Ninh đều có việc làm ổn định, được xã hội đánh giá cao về

chất lượng đào tạo. Để nâng cao hơn nữa chất lượng đào tạo, gắn đào tạo với thực

tiễn sản xuất, hàng năm trường đều cử từ 20 lượt giáo viên và 700 lượt học sinh,

sinh viên trở lên thực tập, trải nghiệm công việc tại các doanh nghiệp lớn như: Công

ty Canon, Tabuchi (Nhật Bản), Samsung (Hàn Quốc)… Thời gian tới trường tiếp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tục mở rộng quy mô, chương trình và ngành nghề đào tạo phù hợp với yêu cầu xã

hội, góp phần tích cực trong chiến lược nâng cao chất lượng nguồn nhân lực đáp

ứng yêu cầu công nghiệp hóa, hiện đại hóa của tỉnh Bắc Ninh và toàn quốc.

Với những thành tích nổi bật đáng ghi nhận đó, dịp 20-11 năm nay, tập thể

trường Cao đẳng nghề cơ điện và xây dựng Bắc Ninh vinh dự được Thủ tướng

Chính phủ tặng Bằng khen; 2 cá nhân được Chủ tịch nước thưởng Huân chương

Lao động hạng Ba; nhiều tập thể, cá nhân khác được Thủ tướng Chính phủ, Bộ

Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn, Tổng Liên đoàn Lao động Việt Nam… tặng

Bằng khen.

3.1.2 Cơ sở hạ tầng của trường a. Cơ sở 1: (Tại địa chỉ: Đường Nguyễn đăng Đạo - Khu 10 – Phường Đại

phúc – TP Bắc Ninh, Bắc Ninh).Gồm:

Diện tích: 5ha

1 khu hiệu bộ: 3 tầng với 18 phòng làm việc

2 khu giảng đường 3 tầng với 24 phòng học lý thuyết

2 khu xưởng với 14 phòng thực hành

b.Cơ sở 2: (Tại Phường Hạp Lĩnh-TP Bắc Ninh). Gồm:

Diện tích: 2,5 ha

1 nhà điều hành: 2 tầng với 4 phòng làm việc

2 khu giảng đường 2 tầng với 12 phòng học lý thuyết

1 khu xưởng với 5 phòng thực hành

3.1.3 Thực trạng hệ thống điện của nhà trường.

3.1.3.1 .Các thiết bị điện:

Trong các phòng học có thiết bị chiếu sáng và quạt, ngoài ra còn có các thiết

bị mẫu, các bàn thí nghiệm, thực hành… đặc trưng của các nghề. Các thiết bị mẫu,

bàn thí nghiệm, thực hành này được cấp điện từ các ổ cắm. Để bảo vệ đóng cắt điện

cho từng phòng làm việc và phòng học dùng aptomat. Mỗi khu có aptomat tổng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Về cách quản lý sử dụng điện của trường hiện này là:

Mỗi phòng làm việc và văn phòng khoa có 1 khóa cửa do cán bộ hoặc giáo

viên trong khoa quản lý. Hết giờ làm việc phải tắt hết thiết bị điện trước khi ra về.

Mỗi phòng học đều có 02 khóa: 01 khóa cửa của giáo viên nhằm quản lý

thiết bị đồ dùng học tập của nghề, và 01 khóa cửa của bảo vệ nhằm quản lý tài sản

chung. Khi hết giờ học giáo viên và học sinh sinh viên có trách nhiệm tắt điện của

phòng đó và cuối ngày bảo vệ sẽ tắt aptomat tổng.

3.1.3.2. Những bất cập của hệ thống điện hiện nay:

Với cách quản lý điện như vậy có rất nhiều bất cập. Cụ thể: Phòng học và

phòng làm việc là nơi đông người nên rất khó để sử dụng điện một cách tiết kiệm,

hợp lý. Việc ra về, khóa cửa nhưng không tắt điện trong phòng thường xuyên xẩy ra

gây lãng phí điện. Nếu vì lý do nào đó giáo viên, nhân viên mà quên tắt điện khi ra

về và vẫn khóa cửa phòng thì bảo vệ sẽ không tắt được điện trong phòng, gây lãng

phí điện năng, …Tóm lại việc sử dụng điện hoàn toàn phụ thuộc vào ý thức của tập

thể nên không thể tiết kiệm.

Giải pháp hiện nay là bảo vệ gọi điện cho giáo viên hoặc nhân viên phòng

đó đến trường để tắt điện trong phòng và bảo vệ cũng thường xuyên phải đi lại kiểm

tra từng phòng học, phòng làm việc xem có phòng nào không tắt điện hay không.

Với diện tích trường rộng như vậy thì việc làm trên rất tốn lao động mà vẫn

không giải quyết được vấn đề tiết kiệm điện. Như vậy để khắc phục các nhược điểm

đó, đề tài này sẽ ứng dụng công nghệ PLC để thiết kế bộ điều khiển thiết bị điện

đến từng phòng học cũng như phòng làm việc để quản lý việc sử dụng điện năng

hợp lý hơn.

Cụ thể: Bộ điều khiển thiết bị điện sử dụng công nghệ PLC sẽ được đặt tại

phòng trực bảo vệ. Bảo vệ sẽ chỉ cấp điện cho các phòng làm việc, phòng học và

nhà xưởng theo lịch làm việc và thời khóa biểu của trường. Việc điều khiển các

thiết bị điện thông quá máy tính.

3.1.4. Các yêu cầu trong thiết kế

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

 Tự động hóa hệ thống

Tự động hóa trong điều khiển và quản lý điện của nhà trường.

 Tiết kiệm chi phí

Tự động hóa hệ thống song vẫn tận dụng được trang thiết bị sẵn có, không phải

đi lại dây hay thay thế thiết bị để tiết kiệm chi phí đầu tư.

 Tiết kiệm năng lượng

Tiết kiệm năng lượng là một tiêu chí rất quan trọng trong bất kỳ một thiết kế

nào. Sử dụng phương pháp điều khiển thông minh như dùng cảm biến để đóng cắt

hệ thống chiếu sáng, lập trình các chế độ tự động nhằm hạn chế tối đa năng lượng

tiêu hao không cần thiết.

 Cấu trúc mạng thông minh

Một hệ thống thông minh còn được thể hiện ở cấu trúc mạng thông minh:

- Đơn giản dễ lắp đặt.

- Hoạt động ổn định, tin cậy.

- Dễ dàng sửa chữa bảo hành.

- Linh hoạt mềm dẻo trong việc thay đổi nhu cầu điều khiển và mở rộng hệ

thống.

 Luôn luôn an toàn

An toàn luôn là ưu tiên hàng đầu đối với một công trình, ở đây có mấy vấn đề

muốn đề cập :

- An toàn đối với người sử dụng. Toàn bộ phím ấn thông minh gắn tường

đều sử dụng nguồn điện điều khiển 24VDC, do đó không giống như hệ thống

điện cổ điển nó không thể nào gây hại với người sử dụng. Vì vậy hoàn toàn có thể

yên tâm trong quá trình sử dụng.

- Cảnh báo cháy mọi lúc, mọi nơi. Hệ thống cảnh báo cháy sử dụng

các loại cảm biến khói, cảm biến nhiệt gia tăng … với độ nhạy cao nhất, do đó rất

an tòa với các xưởng thí nghiệm, thực hành. Khi xảy ra sự cố lập tức hệ thống điện

tại khu vực đó sẽ được ngắt, cảnh báo tại chỗ thông qua còi báo động và đèn nháy

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

cho những người xung quanh biết.

Căn cứ vào yêu cầu thiết kế và dựa trên các ứng dụng của truyền thông trên

đường dây điện lực được chỉ ra ở phần trước, trong chương này sẽ thiết kế bộ điều

khiển thiết bị điện để ứng dụng tại trường CĐN Cơ điện và xây dựng Bắc Ninh.

Khi thiết kế hệ thống PLC, có rất nhiều điều cần phải được xem xét. Việc lựa

chọn thiết bị phù hợp và các thành phần của hệ thống là điều rất quan trọng cần

được lựa chọn cẩn thận. Tất cả các thiết bị chính và các thành phần được sử dụng

cho hệ thống sẽ được chỉ ra ở phần sau.

3.2 Modem truyền thông Philip TDA5051

3.2.1. Modem truyền thông trên đường dây điện

Modem là một thiết bị điều chế tín hiệu sóng mang tương tự (analog) để mã

hóa dữ liệu số, và giải điều chế tín hiệu sóng mang để thu lại thông tin đã được

truyền. Mục đích của điều chế là tạo ra một tín hiệu có thể truyền dẫn dễ dàng và

giải mã để thu lại dữ liệu số như ban đầu.

Tại đầu cuối truyền dẫn, Modem điều chế tín hiệu số từ dạng dữ liệu thông

qua giao diện RS-232 thành tín hiệu sóng mang đi trên đường dây điện. Ở đầu cuối

nhận, modem khôi phục lại dữ liệu ban đầu từ tín hiệu sóng mang trên đường dây

điện bằng cách giải điều chế và gửi dữ liệu tới bộ điều khiển hoặc thiết bị đầu cuối

dữ liệu.

Hiện nay, có rất nhiều modem điện được đưa ra thị trường; được sản xuất bởi

các nhà sản xuất vi điện tử như Motorola, SGS Microelectronics, Philips

Semeconductors, và Texas Instruments. Hầu hết các modem đều có chức năng

tương tự như trên. Nhưng chỉ khác nhau duy nhất về hiệu suất của chúng qua các

giai đoạn khác nhau, các kỹ thuật điều chế khác nhau và tính năng bổ sung.

Có rất nhiều loại modem của các nhà sản xuất khác nhau, nhưng trong phần

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

này sẽ xem xét modem điện TDA5051A được sản xuất bởi Philips Semiconductors.

3.2.2. Modem truyền thông Philip TDA5051

TDA5051A là một modem vi mạch (IC), hoạt động ở điện áp 5V cung cấp tốc

độ dữ liệu ở 600 hoặc 1200 baud. Nó sử dụng điều chế và giải điều chế ASK

(amplitude shift keying – khóa dịch biên) để tạo dạng và tái tạo sóng mang số. Sự

giải điều chế số của nó cho ra dữ liệu ở băng cơ bản. Xung đồng hồ cao của bộ

chuyển đổi 6-bit số thành tương tự giúp loại bỏ các thành phần răng cưa và nó có bộ

lọc số băng hẹp. Nó đảm bảo cho tỉ lệ lỗi bít thấp. Nó cũng tích hợp mạch bảo vệ

quá tải. Hơn nữa, chip này dễ dàng tích hợp với EN50065-1 bằng cách sử dụng một

mạng ghép đơn giản.

Cả hai trạng thái truyền và nhận đều được điều khiển bởi xung đồng hồ của bộ

vi điều khiển hoặc bộ tạo dao động bằng trên chip được kết nối tới một tinh thể.

Điều này đảm bảo sự chính xác của sóng mang truyền dẫn và sự chính xác của bộ

lọc số, vì vậy sẽ tạo ra sự hoạt động hoàn toàn không phụ thuộc vào các thành phần

gây nhiễu ứng dụng như sự trải trễ, nhiệt độ, và mất nguồn cấp. Thiết bị này bao

gồm một tầng đầu ra công suất cung cấp 1 tín hiệu 120dBµV (RMS) trên tải 30Ω.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Dưới đây là sơ đồ khối của TDA5051A.

Hình 3.1. Sơ đồ khối của TDA5051A

Và sơ đồ chân của TDA5051A như sau:

Hình 3.2. Sơ đồ chân của TDA5051A

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Trong đó:

Ký hiệu Chân Mô tả

Đầu vào dữ liệu số (Hoạt động ở mức LOW) 1

Đầu ra dữ liệu số (Hoạt động ở mức LOW) 2

Chân cấp điện áp số 3 VDDD

Đầu ra xung đồng hồ 4 CLKOUT

Chân nối đất số DGND 5

SCANTEST 6 Đầu vào kiểm tra (Sử dụng ở mức LOW)

Đầu vào bộ tạo dao động OSC1 7

Đầu ra bộ tạo dao động OSC2 8

Nối đất tương tự cho khuếch đại công suất APGND 9

Đầu ra tín hiệu tương tự 10 TXOUT

Cấp điện áp tương tự cho khuếch đại công suất 11 VDDAP

Chân nối đất tương tự AGND 12

Cấp điện áp tương tự 13 VDDA

Đầu vào tín hiệu tương tự 14 RXIN

Đầu vào ngắt nguồn (hoạt động ở mức HIGH) PD 15

Đầu vào kiểm tra (Sử dụng ở mức HIGH) TEST1 16

Bảng 3.1: Mô tả các chân của TDA5051

Để cung cấp ổn định trong các điều kiện môi trường, tần số sóng mang được

tạo ra bằng cách quét bộ nhớ ROM (Read Only Memory – Bộ nhớ chỉ đọc) dưới sự

điều khiển của xung đồng hồ của bộ vi điều khiển hoặc lấy tần số tham chiếu của bộ

tạo dao động trên chip. Sự tạo xung tần số cao giúp loại bỏ thành phần răng cưa bị

dãn rộng, phần bị dãn rộng sẽ được lọc bởi mạch dao động LC và không gây ra các

thành phần nhiễu nghiêm trọng nào. Sự điều chế dữ liệu được thực hiện thông qua

chân DATAIN và được đưa tới các mạch số cụ thể để trở thành sóng mang (sự tạo

dạng sóng). Các thành phần điều hòa bị hạn chế trong quá trình này, do đó tránh

được nhiễu nghiêm trọng trên kênh truyền dẫn (theo khuyến nghị của CISPR16 VÀ

EN50065-1). Khi sử dụng mạch LC (hoặc một bộ lọc tương đương) thì TDH (Total

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Harmonic Distortion) có giá trị là -55dB.

Sự kết nối trực tiếp tới mạng điện (đường dây điện) được thực hiện thông qua

một mạch LC tới mạng cho các ứng dụng có chi phí thấp. Tuy nhiên, bộ biến đổi tín

hiệu HF có thể được dùng khi cần phải ngăn cách đường điện. Trải qua chế độ

truyền dẫn, cần thận trọng khi truyền vì thành phần nhận của mạch không bị vô hiệu

và sự phát hiện tín hiệu được truyền vẫn hoạt động bình thường. Vì vậy, trong lập

trình vi điều khiển, sự gộp lại của bộ nhận (Rx) cần tránh trong khi truyền tín hiệu.

Trong chế độ truyền, đầu vào dữ liệu (chân DATAIN) ở mức LOW. Nghĩa là

khi một cụm (burst) được tạo ra trên đường dây (chân TXOUT) khi chân DATAIN ở

mức LOW. Chân TXOUT ở trạng thái trở kháng cao, đồng nghĩa với việc thiết bị

hiện tại không truyền dẫn. 1s trạng thái logic kế tiếp được xử lý trong chế độ NRZ

(Non-Return-to Zero nghĩa là không trở về giá trị 0). Hình dạng của xung như trong

hình 3.3.

Hình 3.3: Quan hệ giữa DATAIN và DATAOUT

Trong khi đó, ở chế độ nhận, đầu ra dữ liệu (chân DATAOUT) hoạt động ở mức

LOW. Nghĩa là đầu ra dữ liệu ở mức LOW khi cụm được nhận. Chân DATAOUT

duy trì ở mức LOW cho đến khi cụm được nhận xong.

Dưới đây là phổ của tín hiệu tạo bởi TDA5051A (Hình 3.4) với bộ tạo dao

động bằng thạch anh ở tần số 8.48MHz. Tần số sóng mang cho điều chế ASK là

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

132.5 kHz.

Hình 3.4: Phổ tín hiệu

3.2.3. Kết nối modem Philips TDA5051A

Sơ đồ của modem Philips TDA5051A ASK được kết nối như trong hình 3-5.

Mạch tích hợp (IC) này được bọc bởi vở nhựa nhỏ. Bộ tạo dao động thạch anh với

tần số 7.3728 MHz được nối tới chân 7 (OSC1) và chân 8 (OSC2) vì chúng ta cần

có tần số sóng mang 115.2 kHz. Dữ liệu serial được truyền và nhận trên chân 1 và

chân 2 của IC TDA5051A. Để giảm công suất tiêu thụ, IC có thể bị ngừng hoạt

động bởi một đầu vào power-down (chân PD): trong chế độ này, bộ tạo dao động

trên chip vẫn tiếp tục duy trì hoạt động và xung đồng hồ tiếp tục được cấp ở chân

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

CLKOUT.

Hình 3.5: Modem điện Philips TDA5051A

Trong chế độ nhận dữ liệu, IC hoạt động với mức công suất thấp, chân PD có

thể được điều khiển động bởi bộ vi điều khiển. Vì ta mong muốn chip có thể nhận

dữ liệu bất cứ lúc nào, nên ta không cần IC chuyển sang chế độ ngủ (sleep mode);

đầu vào power down (chân PD) được nối đất. Đầu ra ở chân DATAOUT phải luôn

được kết nối đến một tụ điện rẽ (10nF), vì ở chân này luôn có 1 điện áp 0.5VDD

ngay cả khi thiết bị không truyền dẫn. Chân này phải được bảo vệ khỏi sự quá áp và

tín hiệu truyền ngược lại.

3.3. Bộ vi điều khiển PIC16F877

3.3.1 Giới thiệu về vi điều khiển PIC16F877

Vi mạch PIC16F877A là một máy tính có tập lệnh giảm thiểu hiệu năng cao

RISC (Redunce Instruction Set Computer). Tất cả các lệnh được thực hiện trong

một chu kỳ duy nhất, ngoại trừ các nhánh của chương trình được thực hiện trong 2

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

chu kỳ. PIC16F877A có bộ nhớ Flash (Flash Program Memory) lên tới 8K x 14

words (1 word=2bytes), 368 x 8 bytes bộ nhớ dữ liệu (RAM), 156 x 8 bytes bộ nhớ

dữ liệu EEPROM. Các đặc trưng ngoại vi mở rộng cũng có được ở kiểu bộ vi điều

khiển này. Hơn nữa, bộ vi điều khiển này cũng cung cấp chuẩn giao tiếp ngoại vi

đồng bộ/không đồng bộ USART (Universal Synchronous Asynchronous Receiver

Transmitter) để sử dụng cho truyền thông.

Vi mạch PIC16F877 được đóng gói nhựa, gồm có 40 chân dạng gói PDIP

(Plastic Dual In-line) và SOIC (Plastic Small Outline). Gói PDIP 40 chân được

dùng để thuận tiện cho hàn tay. Gói khác thì sử dụng công nghệ dán bề mặt (SMT –

Surface Mount Technology) và khó khi hàn tay.

a. Hình ảnh và sơ đồ chân của PIC16F877.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.6: Hình ảnh PIC16F877

Hình 3.7: Sơ đồ chân của PIC16F877

b. Cấu trúc I/O (input/output) :

Pic 16F877a có 5 port có chức năng I/O

* Port A : (RA0 - RA5), port A được điều khiển bởi thanh ghi trisA. Ngoài ra

port A còn là ngõ ra của bộ chuyễn đổi ADC, bộ so sánh điện áp và là ngõ vào của

xung Clock cho Timer 0 hoạt động.

* Port B : (RB0 - RB7) 8 bit I/O cũng được điều khiển bởi thanh ghi trisB,

ngoài ra Port B còn liên quan đến tính năng ngắt ngoại vi.

* Port C : (RC0 - RC7) 8 bit I/O cũng được điều khiển bỡi thanh ghi trisC, bên

cạnh đó port C còn có các chân có tính năng so sánh, đồng thời là ngõ vào xung

Clock của bộ Timer 1 và các chuẩn giao tiếp nối tiếp.

* Port D : (RD0 - RD7) : 8 bit I/O được điều khiển bỡi thanh ghi trisD.

Port E : (RE0 - RE2) : 3 bit I/O được điều khiển bởi thanh ghi trisE, ngoài ra còn có

tính năng nhận ngõ vào Analog để thực hiện chuyễn đỗi ADC.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

c. Tổ chức bộ nhớ :

Gồm 2 bộ nhớ : bộ nhớ chương trình (ROM) và bộ nhớ dữ liệu (RAM)

* Bộ nhớ chương trình : 8 kword có khả năng lập trình 8192 lệnh

* Bộ nhớ dữ liệu : 4 bank , mỗi bank chứa 128 byte dữ liệu.

d. Bộ định thời (Timer) :

Gồm 3 bộ : Timer0, Timer1, Timer2.

* Timer 0 : là bộ đếm 8 bit , giá trị đếm nằm trong thanh ghi TMR0 (8 bit).

* Timer 1: 16 bit , giá trị đếm nằm trong 2 thanh ghi TMR1H (chứa bit cao) và

TMR1L (chứa bit thấp).

* Timer 2 : 8 bit giống timer0 nhưng tần số định thời có thể thay đổi được.

3.3.2 Mạch điều khiển

Một module được thiết kế sử dụng bộ vi điều khiển PIC16F877. Module này

hoạt động giống như bảng điều khiển hệ thống. Hình 3.6 là sơ đồ mạch của khối

điều khiển. Khối điều khiển sử dụng bộ tạo dao động thạch anh với tần số 3.6864

MHz. Bộ tạo dao động sẽ tạo ra chu kỳ định thời để bộ vi điều khiển thực hiện

chương trình. Bộ tạo dao động này cũng gửi tín hiệu đồng hồ cho giao tiếp USART.

Bộ tạo dao động sử dụng thạch anh có tần số dao động 3.6864 MHz vì bộ vi điều

khiển có thể tạo ra tốc độ bit thấp 1200bps với 0% lỗi khi sử dụng thạch anh. Hai

điện dung 27pF được dùng để tín hiệu của bộ tạo dao động được ổn định. Chân

MCLR được cấp nguồn 5V tương ứng với giá trị 1. Bộ vi điều khiển sẽ khởi động

lại nếu button được bấm.

Chân 25 (TX) của PIC16F877 sẽ được kết nối tới chân 1 (DATAIN) của

modem PLC TDA5051A và chân 26 (RX) sẽ nối tới chân 2 (DATAOUT) của modem

PLC TDA5051A. Chân 25 và 26 của PIC16F877 là các chân truyền thông nối tiếp

dùng cho USART. Dữ liệu số được nhận từ modem PLC qua các chân này.

Cổng B của bộ vi điều khiển sẽ được kết nối tới các thiết bị cần được điều

khiển. Các chân sẽ được cung cấp điện áp 1 chiều 5V khi nó ở trạng thái „1‟ và 0V

khi ở trạng thái „0‟.

Điôt phát quang (LED – light emitting diode) được kết nối tới cổng B và được

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

dùng cho việc kiểm tra xem vi điều khiển PIC16F877 hoạt động có phù hợp hay

không. Khi cài đặt cho các ứng dụng thực tế, LED phải được vô hiệu hóa bằng cách

kéo ra các jumper (JP1 đến JP8).

Hình 3.8: Sơ đồ mạch của khối điều khiển

3.3.3 Giao tiếp điều khiển Để giao tiếp điều khiển hệ thống có hai cách.

*Cách 1: sử dụng hệ thống phím bấm để điều khiển trực tiếp, đó là các nút bấm B20

đến B27. Mạch giao tiếp điều khiển được thể hiện trên hình 3.8. Trong đó các chân

D0 đến D7 được nối với các chân từ 19 đến chân 30 của vi điều khiển PIC16F877.

Điện áp điều khiển là +5V

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

*Cách 2: Điều khiển qua máy tính thông qua cổng USB

Hình 3.9 Mạch giao tiếp điều khiển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.10 Mạch giao tiếp USB

3.3.4 Lập trình PIC16F877

Trước khi một bộ vi điều khiển có thể hoạt động để thực hiện các lệnh và điều

khiển thiết bị trong các hệ thống, thì chip này cần phải được nạp chương trình. Bộ

vi điều khiển PIC16F877 có 8Kbytes bộ nhớ Flash. Đây là nơi lưu giữ chương trình

được viết bởi người sử dụng. Chương trình được viết bằng ngôn ngữ lập trình hợp

ngữ (assembly) và tất cả các tập lệnh có thể được sử dụng cho lập trình PIC.

Có nhiều phần mềm được bán trên thị trường, đó là những phần mềm cung

cấp khả năng viết chương trình cho vi điều khiển PIC. MPLAP là một trong số đó.

MPLAP được phát triển bởi công ty Microchip Inc. MPLAP là một môi trường

trường lập trình, nó có khả năng gỡ rối và biên dịch chương trình hợp ngữ sử dụng

trong PIC.

Để ghi mã chương trình vào trong vi điều khiển PIC, cần phải có một mạch

nạp. Quá trình nạp diễn ra như sau: đầu tiên chương trình được viết bằng ngôn ngữ

lập trình hợp ngữ (assembly), sau đó mã lệnh của chương trình viết bằng hợp ngữ

được chuyển thành mã máy. Mã máy là những dãy số thập lục phân (số thuộc hệ cơ

số 16, gồm có các số từ 0 đến 9 và các chữ cái A, B, C, D, E, F). Sau đó mã máy

được nạp vào vi điều khiển PIC bằng mạch nạp.

Viết chương trình bằng hợp ngữ là một công việc hết sức phức tạp. Hơn nữa,

do tính phức tạp của hợp ngữ nên người viết chương trình rất dễ mắc lỗi, và việc

phát hiện và sửa lỗi thực sự không đơn giản. Có một cách khác để viết các chương

trình là sử dụng ngôn ngữ lập trình C. Có rất nhiều phần mềm miễn phí có khả năng

tạo môi trường lập trình cho vi điều khiên sử dụng ngôn ngữ C. Source Boost IDE

là một trong số đó. Source Boost IDE được triển bởi SourceBoost Technology.

Bằng cách sử dụng Source Boost IDE, chương trình có thể được viết bằng C. sau đó

Source Boost IDE sẽ chuyển đổi các mã lệnh (code) của chương trình viết bằng C

thành hợp ngữ và mã máy để nạp vào vi điều khiển.

Sơ đồ lập trình cho PIC16F877

Khi một nút (button) trên giao diện đồ họa người sử dụng (GUI – Graphical

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

user interface) được nhấn, máy tính sẽ tạo ra dữ liệu dạng nối tiếp và gửi đi trên

đường dây điện (tín hiệu được gửi trên đường dây là tín hiệu tương tự được điều chế

ASK). Ở phía nhận, tín hiệu tương tự sẽ được giải điều chế thành tín hiệu số nối

tiếp và đi tới cổng USART để vào vi điều khiển PIC.

Hình 3.11: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F877

Nếu dữ liệu nhận được chính xác thì bộ vi xử lý sẽ thực thi lệnh trong khối dữ

liệu nhận được.

3. 4. Mạch nạp PIC16F877

Có rất nhiều loại mạch nạp trên thị trường để nạp chương trình cho vi điều

khiển PIC16F877. Một trong số đó là mạch nạp JDM. Chúng ta lựa chọn mạch nạp

JDM là vì có rất nhiều tài liệu cung cấp cách xây dựng và chế tạo mạch này. Mạch

này đạt được và sửa đổi bởi nhà sản xuất Olimex Ltd. Mạch nạp JDM được sửa đổi

nhận tất cả các tín hiệu và nguồn nuôi từ cổng nối tiếp RS-232. Nó hỗ trợ các bộ vi

điều khiển PIC 28 và 40 chân. Vi điều khiển PIC có thể được nạp bằng mạch nạp

JDM và phần mềm hỗ trợ. Phần mềm hỗ trợ cho mạch nạp JDM là ICPROG,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

WinPIC và WinPIC800. Hình 3-12 là sơ đồ mạch nạp.

Hình 3.12: Sơ đồ mạch nạp JDM

3.5 Sơ đồ mạch

3.5.1 Khối cấp nguồn

Khối cấp nguồn chịu trách nhiệm cung cấp nguồn năng lượng cần thiết cho

các thành phần thiết bị cần thiết bao gồm vi mạch PIC16F877 và modem philips

TDA5051A. Các tụ điện được dùng để ổn định điện áp và giảm gợn sóng của nguồn

điện áp. Bộ điều chỉnh điện áp (L7805) được dùng để cung cấp điện áp 5V cho vi

điều khiển và modem ASK. Sơ đồ mạch của khối cấp nguồn được hiển thị như

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trong hình 3-12.

Hình 3.13: Sơ đồ cấp nguồn

3.5.2. Mạch ghép Mạch ghép được sử dụng với hai mục đích, thứ nhất nó chặn các tín hiệu

xoay chiều 50 Hz gây hại, thứ hai nó xác nhận thành phần chính của tín hiệu

phát/thu nằm trong băng tần được cấp phát cho truyền thông. Điều này giúp làm

tăng dải động của máy thu và đảm bảo máy phát không đưa nhiễu lên kênh.

Hình 3-13 là sơ đồ mạch ghép đầy đủ của hệ thống. Mạch ghép được kết nối

trược tiếp tới đường dây chính. Cầu chì (630mA) được dùng để bảo vệ mạch khỏi

quá dòng và biến trở 250V AC thay đổi theo điện áp được dùng để bảo vệ mạch

khỏi quá áp. Điều này sẽ đảm bảo modem Philips TDA5051A không bị phá hỏng

do ngắn mạch hay tăng áp đột ngột khi kết nối đến mạch ghép. Modem Philips

TDA5051A cũng được bảo vệ bởi bộ triệt (SA5.0A).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.14: Mạch ghép sử dụng biến áp

3.5.3. Mạch lọc

Hình 3.15: Mạch lọc

3.5.4. Mạch đồng bộ

Hình 3.16: Mạch đồng bộ

3.5.5. Tổng hợp mạch Thành phần mạch bao gồm:

-Chip giao tiếp đường dây TDA5051A có nhiệm vụ xuất tìn hiệu phát từ chip điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

khiển, mã hóa ASK, qua mạch lọc rồi đưa lên đường điện lưới.

- Chíp điều khiển có nhiệm vụ giao tiếp với người sử dụng thông qua bàn phím,

điều khiển trực tiếp role đóng cắt thiết bị.

- Role là thành phần đóng cắt tiếp điểm cấp nguồn cho thiết bị cần điều khiển.

- Khối nguồn cung cấp điện áp 12V đưa qua tụ lọc thành điện áp 1 chiều trước khi

qua ổn áp 7805 để ổn định điện áp 5V cấp cho chíp điều khiển và TDA5051.

- Biến áp cách ly có nhiệm vụ cách ly tín hiệu với đường dây, biến áp hoạt động

trong dải tần số 50Hz đến 250KHz. Đủ băng thông cho tín hiệu điều chế ASK từ

chíp ra lưới và chọn lấy tín hiệu tần số cao từ lưới đưa về.

-Ngoài ra trong mạch còn có các thành phần hỗ trợ khác như tụ điện, điện trở, cuộn

dây, diode ổn áp, phím bấm, …..

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Sơ đồ mạch tổng hợp như sau:

Hình 3.17: Mạch tổng hợp

3.5.6. Bảng mạch in (PCB – Printed circuir broad)

Bảng mạch in là một phần quan trọng trong thiết kế. Các mạch được thiết kế

bằng cách sử dụng phần mềm DXP. Sau đó, bảng mạch in được thiết kế chế tạo dựa

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

trên mạch được thiết kế bằng phần mềm DXP.

Hình 3.18. Mạch in Slaver

Hình 3.19. Mạch in Master

Trên cơ sở mạch in đã thiết kế ta có được mạch thực hoàn chỉnh của các

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

mudul PLC được thể hiện trên hình sau.

Hình 3.20 : Mạch thực của các modul PLC

Trong đó :

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hình 3.21 Boar Master

Hình 3.22 Boar Slaver

3.5.7 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Trong phần trước đã giới thiệu một số thành phần cơ bản được dùng cho hệ

thống. Hình 3-23 cho thấy sơ đồ tổng quan của hệ thống truyền thông tin qua đường

điện lực. Hệ thống này hoạt động theo các bước sau:

a. Máy tính gửi lệnh điều khiển các thiết bị tới modem PLC qua cổng truyền

thông nối tiếp khi con người có yêu cầu điều khiển các thiết bị.

b. Modem PLC điều chế dữ liệu nhận được rồi gửi qua đường dây điện sử

dụng điều chế ASK.

c. Sau đó, ở kết cuối nhận, modem PLC nhận dữ liệu và giải điều chế từ tín

hiệu được điều chế ASK thành tín hiệu nối tiếp.

d. Bộ vi điều khiển nhận tín hiệu nối tiếp và bật, tắt thiết bị dựa vào tín hiệu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

nhận được.

Hình 3.23: Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC

Khi có nhiều thiết bị cần được điều khiển trong hệ thống, thì modem PLC bổ

sung cần được thêm vào. Hình 3.24 là kết nối mạng có topology hình sao cho hệ

thống này. Ta cần tưởng tượng rằng mỗi modem PLC và bộ vi điều khiển được đặt

trong một trạm để điều khiển các thiết bị điện. Hệ thống này là hệ thống song

hướng, và có cùng nguyên lý với kỹ thuật X-10.

Hình 3.24: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao.

Dữ liệu được gửi đi từ hai hướng; một hướng là từ máy tính qua cổng USB

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

tới các thiết bị, một hướng đi theo chiều ngược lại. Tại mỗi hướng, modem PLC và

bộ vi điều khiển sẽ nhận cùng tín hiệu dữ liệu mỗi lần bên phát gửi. Bộ vi điều

khiển sẽ thực thi lệnh để điều khiển thiết bị .

3.6 . Các kết quả thu đƣợc

Từ kết quả thực nghiệm cho thấy các MODEM hoạt động ổn định. Người sử

dụng có thể điều khiển trực tiếp trên MODEM bằng nút nhấn hoặc có thể điều khiển

trực tiếp từ REMOTE.

Phần mềm điều khiển hoạt động chính xác theo những yêu cầu điều khiển

thiết bị điện và có báo phản hồi lại các thiết bị đã điều khiển.

Sản phẩm nghiên cứu của đề tài có thể sản suất thương mại. Thiết bị này có

thể được trang bị lắp đặt cho những ngôi nhà cao tần, chung cư, khách sạn, công ty,

xí nghiệp ... tùy theo yêu cầu và vị trí lắp đặt các thiết bị điện. Sau khi được lắp đặt

nó sẽ mang lại sự sang trọng và tiện lợi cho người quản lý. Giá thành của sản phẩm

sau khi lắp đặt sẽ giảm đi rất nhiều so với việc lắp đặt sử dụng các cầu dao, công

tắc, ... trong một số công trình như hiện nay.

Nhận xét

Về sự chống nhiễu: Mạch cho thấy khả năng chống nhiễu khá tốt, ngay cả vào

thời gian nhiễu lớn nhất trong ngày, và cùng với sự hoạt động của các thiết bị gây

nhiễu mạnh như máy khoan, máy mài kim loại… cũng chưa thấy gây tác động đến

hoạt động của hệ thống. Khi kiểm tra sự ảnh hưởng của máy phát đến các thiết bị

điện nhạy cảm như TV thì cũng không thấy có tác động tiêu cực nào.

Về phạm vi hoạt động: qua một số lần kiểm tra hệ thống hoàn toàn hoạt động

tốt trong phạm vi nhà trường, ở khoảng cách về đường điện xa hơn (vào khoảng

100m) thì hệ thống hoạt động bắt đầu kém đi, phụ thuộc vào điều kiện gây suy

hao là sự tiêu thụ điện sinh hoạt. Như vậy, tuy mới chỉ thử nghiệm công suất ra rất

thấp, đặc biệt là công suất phát thực lên đường truyền càng nhỏ hơn rất nhiều

nhưng kết quả về tầm hoạt động thu được là khá tốt.

Về tính ổn định của hệ thống thì vẫn là điều cần được kiểm nghiệm thêm do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

khả năng trôi tần số là có thể xảy ra.

3.7 . Kết luận chƣơng

Chương này thiết kế một hệ thống đơn giản điều khiển thiết bị qua mạng điện

hạ thế. Giao thức đặc biệt được thiết kế riêng cho loại ứng dụng này. Giao thức này

sử dụng truyền thông đa nút song công để tăng tối đa số thiết bị có thể điều khiển

được từ một máy tính chủ (server) ở xa. Hệ thống này có thể điều khiển tổng số tối

đa lên tới 255 thiết bị.

Trên đây là một sản phẩm thiết kế đầy đủ chức năng và tiện dụng. Sử dụng

giao thức đơn giản, các tập lệnh dễ sử dụng và chi phí thực hiện thấp. Sử dụng một

modul chuẩn khi cắm vào ổ cắm chuẩn xoay chiều có thể điều khiển các thiết bị

điện .Một modul khác đùng để đọc dữ liệu từ mạng điện thực hiện lệnh điều khiển

đồng thời phát lệnh báo ngược trở lại modul phát. So với các phương pháp khác, chi

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

phí thực hiện của phương án này rất thấp.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Hiện tại công nghệ truyền dữ liệu trên đường dây điện lực PLC (Power Line

Communication) đang được ứng dụng rộng rãi tại nhiều nước trên thế giới và ở

nhiều lĩnh vực khác nhau như: Hệ thống giám sát và điều khiển, SCADA, Hệ

thống đo đếm điện năng từ xa, Dịch vụ internet trên PLC, Home Automation, ...

Song thực tế cho thấy 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, mọi hệ

thống truyền thông luôn cố gắng để đạt được phối hợp trở kháng tốt. 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. Một tham số quan trọng để đánh giá hiệu năng của hệ thống truyền thông đó

là SNR (công suất thu được /công suất nhiễu). 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.

Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn đã trình bày được các vấn đề

- Trình bày nguyên lý cơ bản của các hệ thống truyền thông qua đường dây

điện lực; Phân tích được các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống và đưa ra các giải pháp

kỹ thuật khắc phục; Cập nhật các thành tự đạt được trên thế giới về công nghệ

truyền thông PLC.

- Để xuất, phân tích, lựa chọn thiết bị, lựa chọn giao thức và thiết kế, lắp ráp

một hệ thống điều khiển các thiết bị sử dụng công nghệ PLC đơn giản dùng vi điều

khiển PIC16F877A và modem truyền thông TDA5051A giao tiếp, điều khiển thiết

bị từ xa bằng máy tính với chi phí thấp. Cụ thể đề tài này đã nghiên cứu chế tạo

MODEM điều khiển thiết bị điện thông qua mạng lưới điện dân dụng. Sản phẩm

sau khi chế tạo được sử dụng để điều khiển các thiết bị trong trường học … Công

nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực (PLC) sử dụng lưới điện hạ thế để

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

truyền thông tin. Khi phát lệnh điều khiển MODEM MASTER từ phím nhấn hoặc

REMOTE, các tín hiệu thông tin được điều chế có tần số từ 1-2Mhz sẽ được

truyền đi song song với tín hiệu điện trên lưới điện hạ thế, các tín hiệu này sẽ đi

đến các MODEM SLAVE để giải điều chế và điều khiển thiết bị điện tương ứng với

lệnh đã phát, đồng thời phát lệnh báo phản hồi trở lại MODEM MASTER.

Qua thử nghiệm MODEM Master và MODEM Slave có thể điều khiển thiết bị

điện một cách độc lập với lưới điện 220Vac. Song với môi trường làm việc của nhà

trường còn có các thiết bị 3 pha và các thiết bị sử dụng điện áp 380V thì đề tài chưa

thử nghiệm được. Vì vậy hướng phát triển của đề tài là tiếp tục thử nghiệm các kỹ

thuật mã hóa, trải phổ và kỹ thuật điều chế OFDM nhằm nâng cao chất lượng và mở

rộng ứng dụng của hệ thống để đáp ứng nhu cầu sử dụng của nhà trường từ đó mở

rộng ứng dụng của đề tài cho những ngôi nhà cao tầng, chung cư, khách sạn, công

ty, xí nghiệp ... tùy theo yêu cầu và vị trí lắp đặt các thiết bị điện. Sau khi được lắp

đặt nó sẽ mang lại sự sang trọng và tiện lợi cho người quản lý. Giá thành của sản

phẩm sau khi lắp đặt sẽ giảm đi rất nhiều so với việc lắp đặt sử dụng các cầu dao,

công tắc, ... trong một số công trình như hiện nay.

Một lần nữa tác giả xin được cảm ơn PGS. TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình

giúp đỡ, hướng dẫn trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình,

bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.

Thái Nguyên ngày 20 tháng 11 năm 2012

Người thực hiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Hoàng Thu Hà

100

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Trường đại học kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.

Tiếng Việt [1]. PGS.TS. Nguyễn Hữu Công (2007), Nghiên cứu hệ thống đọc công tơ từ xa, Khoa điện tử -

[2]. Lê Văn Doanh, Phạm Khắc Chương (1998), Kỹ Thuật Vi Điều Khiển, Nhà

xuất bản khoa học & kỹ thuật, Hà Nội.

[3]. Phạm Minh Hà (2008), Kỹ thuật mạch điện tử , Nhà xuất bản khoa học &

kỹ thuật, Hà Nội.

[4]. Nguyễn Thanh Hà, Nguyễn Phương Huy (2010) , Ứng dụng kỹ thuật điều

chế OFDM cho truyền thông trên đường dây điện lực hạ thế, Tạp chí khoa học công

[5]. Văn Thế Minh (2006), Họ vi điều khiển PIC 16F87xA , NXB Khoa học kỹ thuật.

[6]. Tống Văn On (2000) ,Vi mạch và tạo sóng , Nhà xuất bản giáo dục. [7]. Tống Văn On , Hoàng Đức Hải (2001), Họ vi điều khiển 8051, Nhà xuất

nghệ ĐH Thái nguyên, Trang 52-57,tập 66 số 4 , năm 2010

[8] . Dương Minh Trí (1997), Sơ đồ chân linh kiện bán dẫn, NXB Khoa học kỹ thuật

[9]. Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật ( 1993), Tra cứu Transistor Nhật Bản tập 1,2,3, Tài liệu dịch từ

National Semiconductor

bản lao động và xã hội, 2001.

[10]. Http://www.vegastar.com.vn Tiếng Anh [11]. Thomas and Rosa (2001), The Analysis and Design of Linear Circuits,

New York: John Wiley & Sons, Inc., 2001.

[12]. I. H. Cavdar(2009). A solution to remote detection of illegal electricity

usage via power line communications. IEEE 2009 (Available in the database IEEE

Xplore)

[13]. Zhe CHEN, Mu WEI (2008), A Voltage Quality Detection Method,

DRPT2008 6-9 April 2008 Nanjing China

[15]. C. A. Duque (M-IEEE), P. G. Barbosa (M-IEEE) and D. P. Baptista (2005), Data

Transmission through Power Lines - Student Member, IEEE

[14]. Patrick A., Newbury J., Gargan S (1998), Two-way communications systems in the electricity supply industry. IEEE transactions on Power Delivery. Vol. 13, No. 1, January 1998. (Available in the database IEEE Xplore).

[16]. Design Notes, “Home Automation Circuits.” (Online article), Available

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

at: http://www.designnotes.com/CIRCUITS/FMintercom.htm

101

[17]. Smith Bellerby Limited(2007), Smart Metering ,The article is available

on.the.website:http://www.smithbellerby.co.uk/newsarticle/smart- metering/769.html)

[18] J.B. Anderson (1998), "Digital Transmission Engineering", IEEE Press.

[19] M. Arzberger, K. Dostert, T. Waldeck, M. Zimmermann (1997),

"Fundamental Properties of the Low Voltage Power Distribution Grid", Proc. 1997

International Symposium on Power-line Communications and its Applications", Essen, Germany.

[20] J.S. Barnes (1998), "A Physical Multi-path Model for Power Distribution

Network Prop- agation", Proc. 1998 International Symposium on Power-line

Communications and its Applications", Tokyo, Japan, 1998.

[21] Paul Brown (1997), "Directional Coupling of High Frequency Signals

onto Power Net- works", Proc. 1997 International Symposium on Power-line

communications and its Applications", Essen, Germany.

[22] P. A. Brown (1998), "Some Key Factors Influencing Data Transmission

Rates in the Power Line Environment when Utilising Carrier Frequencies above 1

MHz",Proc. 1998 International Symposium on Power-line Communications and its

Applications", Tokyo, Japan, 1998. [23] A.G. Burr, D.M.W. Reed, P.A. Brown (1998), "HF Broadcast

Interference on LV Mains Distribution Networks", Proc. 1998 International

Symposium on Power-line Communications and its Applications", Tokyo, Japan,

[24]. www.How X10 Works - SmartHomeUSA_com.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

1998.

102

PHỤ LỤC 1 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F87X

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

103

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

104

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

105

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

106

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

107

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

108

PHỤ LỤC 2 MODEM TRUYỀN THÔNG 5051A

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

109

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

Luận văn Thạc sĩ Khoa học kỹ thuật: 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

TTÊÊNN ĐĐỀỀ TTÀÀII::

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

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC

Chương 3

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ ĐIỆN

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC BẢNG BIỂU

DANH MỤC HÌNH VẼ

LỜI NÓI ĐẦU

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ (PLC)

(POWER LINE COMMUNICATION )

a. Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện

b.Tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện

CHƢƠNG 2

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN

HỆ THỐNG PLC

CHƢƠNG 3

ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ PLC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN

THIẾT BỊ ĐIỆN

Trƣờng Cao đẳng nghề Cơ điện và Xây Dựng Bắc Ninh

Địa chỉ: Đường Nguyễn đăng Đạo - Khu 10 - Phường Đại Phúc

-TP Bắc Ninh, Bắc Ninh

Điện thoại: 02413.854.331 – 0948.28 28 38 – 0904. 449.827

Website: http://www.codienxaydungbn.edu.vn

phúc – TP Bắc Ninh, Bắc Ninh).Gồm:

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[10]. Http://www.vegastar.com.vn Tiếng Anh [11]. Thomas and Rosa (2001), The Analysis and Design of Linear Circuits,

PHỤ LỤC 1 HỌ VI ĐIỀU KHIỂN PIC16F87X

PHỤ LỤC 2 MODEM TRUYỀN THÔNG 5051A

Có thể bạn quan tâm

Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật điện - điện tử: Ứng dụng PLC và khí nén nghiên cứu hệ thống chiết rót nước, đóng nắp chai và dán nhãn tự động

Luận văn Thạc sĩ Khoa học Kỹ thuật: Phân tích khả năng, kiến nghị sử dụng tường chắn có bản giảm tải trong công trình giao thông ở Việt Nam

Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu bù hệ số công suất để cải thiện chất lượng điện năng cho đường dây 35kV lộ 377 trạm 110kV Nông Cống E9.8

Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ứng dụng bộ lọc tích cực để lọc sóng hài trong lưới điện phân phối

Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của nguồn phân tán đến vận hành tối ưu mô hình năng lượng tích hợp

Tóm tắt Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu giải pháp hỗ trợ điều khiển và giám sát từ xa trong vận hành trạm không người trực thông qua mạng internet

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu giải pháp hỗ trợ điều khiển và giám sát từ xa trong vận hành trạm không người trực thông qua mạng internet

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Chất lượng điện năng và một số giải pháp nâng cao chất lượng điện năng trong lưới phân phối

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Điều khiển dự báo thiết bị kho điện sử dụng trong hệ thống phát điện sức gió ở chế độ độc lập

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Mạng cảm biến không dây và mô hình không gian thông minh

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Một số giải pháp chống quá điện áp trong máy biến áp truyền tải

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng công nghệ hệ thống dữ liệu vô tuyến RDS trong truyền dẫn dữ liệu số qua hệ thống phát thanh FM tương tự

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu hệ thống kiểm tra chiết rót chai tự động

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu mạng WiMAX - Thiết kế và triển khai WiMAX di động

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đánh giá các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ nguồn đóng cắt

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu và xây dựng hệ thống kiểm định cân băng tải

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Tính toán, chế tạo và điều khiển mô hình con lắc ngược

Luận văn Thạc sĩ Khoa học kỹ thuật: Nghiên cứu dao động của rơ moóc một trục chở gỗ khi lắp thêm bộ phận đàn hồi có giảm chấn giữa khung và trục bánh xe

Luận văn Thạc sĩ Khoa học kỹ thuật: Nghiên cứu động lực học quá trình khởi hành của liên hợp tời cáp, cần treo gỗ lắp trên máy kéo cỡ nhỏ để vận xuất gỗ rừng trồng trên dốc dọc

Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Ứng dụng phương pháp Taguchi để đánh giá mức độ ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến chất lượng bề mặt khi gia công

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi