Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
––––––––––––––––––––––––––
NÔNG VĂN NIỆP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
TRUYỀN THOẠI QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC
Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60 52 70
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:TS. NGUYỄN THANH HÀ
TS Nguyễn Thanh Hà
HỌC VIÊN
Nông Văn Niệp
BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của
riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công
trình đã có trước đó.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2010
Tác giả luận văn
bậc với những thành tựu vô cùng to lớn mang lại cho con người rất nhiều tiện ích trong đời
sống cũng như trong mọi lĩnh vực hoạt động khác. Đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ
viễn thông là một trong những hướng phát triển chung được sự quan tâm đặc biệt của tất cả
các nước trên thế giới.
Nước ta cũng đã xác định công nghệ viễn thông là một ngành công nghiệp mũi
nhọn đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự thành công của công cuộc công nghiệp
hoá- hiện đại hoá đất nước trong thế kỷ 21, thế kỷ của nền kinh tế tri thức.
Hiện nay, công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power
Line Communication) đã mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với
việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho
phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng. Trước đây, những thành tựu của
khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây
điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển. Cùng với tốc độ phát
triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ
thông tin, hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết
hợp với các ứng dụng khác như: đo lường từ xa, quản lý điều khiển và phân phối tự
động từ xa, truy nhập Internet, truyền thoại và video trên đường dây điện lực
Đối với một học viên sắp tốt nghiệp chuyên ngành “Kỹ thuật điện tử”,
việc bổ xung những kiến thức chuyên môn mới, thực tế là rất cần thiết và có ý nghĩa
rất quan trọng. Trong thời gian vừa qua, nhờ sự liên hệ, bố trí của các thầy-cô giáo
trong Khoa sau đại học, Khoa Điện tử - Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp và sự
giúp đỡ chu đáo, tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, tôi đã phần nào
nắm được những kiến thức cơ bản về PLC (Power line Communication) - một công
nghệ truyền tin mới với nhiều đặc tính ưu việt, nổi trội, hứa hẹn mang lại một sự
phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết cho mạng viễn thông thế giới và Việt Nam
trong một tương lai gần.
Luận văn tốt nghiệp của tôi có tiêu đề: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền
thoại qua đường dây điện lực” với nội dung tóm lược một cách cơ bản về công nghệ
truyền thông PLC và xây dựng một hệ thống truyền thoại quá PLC. Qua đó tạo tiền đề cho
việc tìm hiểu các quá trình truyền thông tin thoại qua mạng PLC, tạo tiền đề cho việc
Thái Nguyên ngày 30 tháng 08 năm 2010
Ngƣời thực hiện
Nông Văn Niệp
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên vi
MỤC LỤC
THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT i
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM ƠN iii
LỜI NÓI ĐẦU iv
MỤC LỤC vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xiii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 1
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 3
1.1.3. Phân loại công nghệ 4
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên
đường cáp điện lực 6
2.3.1 Mã xoắn 31
2.3.2. Mã Reed - Solomon 35
2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu 38
2.4.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông 38
2.4.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK 41
2.4.3. Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. 41
2.4.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 42
2.4.5. Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực 43
2.5. Kỹ thuật trải phổ 45
2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp 46
2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 52
2.6. Công nghệ OFDM 53
2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 54
2.6.2. Tính trực giao 55
2.6.3. Hệ thống OFDM 56
2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 58
2.7. Kết luận chương 59
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC 61
3.1. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn phương án thực hiện 61
3.1.1. Các yêu cầu của thiết kế 61
3.1.2. Lựa chọn phương án thực hiện 61
3.1.3. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống 62
3.2. Thử nghiệm các phương thức điều chế 64
3.2.1. Điều chế và giải điều chế ASK 64
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên viii
3.2.2. Điều chế và giải điều chế FSK 67
Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 1
Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện 2
Hình 1.3: Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 7
Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống 7
Hình 1.5: Ứng dụng PLC trong quản lý điện 9
Hình 1.6: Mạng thông tin PLC 9
Hình 1.7: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình - Intelligent home 10
Hình 1.8: X10 timing on 60 Hz waveform 11
Hinh 1.9: X10 packet format 12
Hình 1.10: CEBus spread spectrum chirp 14
Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực 17
Hình 2.2: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ 18
Hình 2.3: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 18
Hình 2.4: các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC 19
Hình 2.5: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn 20
Hình 2.6: Nhiễu xung tuần hoàn 21
Hình 2.7: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó 21
Hình 2.8: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz 23
Hình 2.9: Hiện tượng sóng dừng 24
Hình 2.10: Mạch ghép dung kháng 26
Hình 2.11: Mạch ghép kết hợp LC 28
Hình 2.12: Các mạch lọc RC 29
Hình 2.13: Các mạch lọc LC đơn giản 30
Hình 2.14: Các mạch cộng hưởng LC 30
Hình 2.15: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741 31
Hình 2.16: Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ 1/2 32
Hình 2.17: Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 33
Hình 2.18: Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 34
Hình 2.19: Sơ đồ lưới giải mã 35
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống hoạt động bán song công 64
Hình 3.3: Sơ đồ điều chế ASK 64
Hình 3.4: Mạch giải điều chế ASK 65
Hình 3.5: Dạng tín hiệu đo được ở máy phát và thu 67
Hình 3.6: Mạch vòng khóa pha PLL cơ bản 68
Hình 3.7: Sơ đồ điều chế FSK dùng CD4046 69
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên xii
Hình 3.8: Sơ đồ giải điều chế FSK dùng CD4046 70
Hình 3.9: Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK 71
Hình 3.10: Sơ đồ điều chế BPSK 72
Hình 3.11: Sơ đồ giải điều chế BPSK 72
Hình 3.12: Dạng sóng của tín hiệu BPSK tại máy thu 73
Hình 3.13: Sơ đồ điều chế FM với PLL4046 75
Hình 3.14: Sơ đồ giải điều chế FM 76
Hình 3.15: Mạch điều khiển Modul phát 78
Hình 3.16: Mạch điều chế FSK và FM 80
Hình 3.17: Mạch khuếch đại âm tần 81
Hình 3.18: Mạch khuếch đại phát 82
Hình 3.19: Mạch phối ghép Modul phát với lưới điện 83
Hình 3.20: Mạch phối ghép Modul thu với lưới điện 84
Hình 3.21: Mạch khuếch đại thu 86
Hình 3.22: Mạch giải điều chế FSK 87
Hình 3.23: Mạch giải điều chế FM 88
Hình 3.24: Mạch điều khiển Modul thu 89
Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán của Modul phát 90
Hình 3.26:
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
Telecommunication Administrations
Hội nghị về quản lý bưu chính viễn
thông Châu Âu
CIS
Customer Information Service
Dịch vụ thông tin khách hàng
DCU
Data Concentration Unit
Đơn vị tập trung dữ liệu
FDM
Frequency Division Multiplexing
Đa truy nhập theo tần số
FPGA
Field Programmable Gate Array
Phạm vi có thể lập trình cổng mạng
GSM
Global System for Mobile communication
Điện thoại di động toàn cầu
HCS
Host Center Station
Trạm máy chủ trung tâm
HLR
Home Local Register
Thanh ghi định vị thường trú
HPR
High Power Radio
Kênh vô tuyến công suất cao
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên xiv
IMEI
International Mobile Equipment Identifier
Nhận dạng thiết bị di động quốc tế
IMSI
International Mobile Subscriber Identifier
Nhận dạng thuê bao di động quốc tế
ISDN
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
1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1.1.1. Khái niệm PLC
PLC (Power Line Communication) là công nghệ 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).
Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực
PLC được phát triển bởi Northern Telecom và United Utilities, có khả
năng truyền số liệu ở tốc độ trên 1Mbps (thế hệ X10) dựa trên cơ sở hạ tầng điện
lực có sẵn.
Công nghệ PLC ra đời do những nguyên nhân sau:
• Nhu cầu truy nhập Internet băng thông rộng rất bức thiết, trong khi các công
nghệ truy nhập băng rộng khác vì các lí do khác nhau chưa được cung cấp.
• Mạng lưới điện hạ thế có sẵn ở khắp nơi, dải tần trên đường dây điện chưa
được sử dụng hết (50-60 Hz).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 2
• Đối với các nhà khai thác viễn thông mới việc xây dựng mạng truy nhập để
cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng đòi hỏi chi phí lớn và tốn nhiều thời gian,
công sức.
Hình 2.2 cho thấy, 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
Ý tưởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây được sử dụng
để phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xưa như điện báo, tuy nhiên số lượng thiết
bị truyền thông được cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vượt xa số lượng cài đặt
trên dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần
đây con người thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của
nguồn điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế được cấp cho công ty
điện báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các
mạch cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm
1924 đã đưa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thông qua Dòng điện xoay
chiều ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC
như sau:
Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps)
- Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thương hiệu thuộc sở hữu của
mạng truyền thông Turtle của Mỹ.
- PFPM (Điều pha tần số công suất).
- Ripple Control (Điều tần qua đường điện).
Băng thông trung bình baud: (lên đến 9.600 bps)
- Echonet
- Archnet
- Công nghệ bán dẫn, Australia.
- National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893)
- Itran
Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT)
- Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps.
- Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps
- Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên
- 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
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 5
sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác
chẳng hạn như an ninh, điều khiển không lưu, cac dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch
vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất.
Hiện nay dải tần từ 1 - 10 MHz được dùng cho các úng dụng ngoài nhà (Outdoor),
còn dải tần từ 10 - 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse).
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
-PLC trong nhà (In - House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp
điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ
thống trong nhà có thể hoạt động như mạng riêng mà không có bất kỳ một kết
nối ra bên ngoài.
- “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng
trục truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các
điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trường hợp trạm hạ áp sẽ được dùng
như điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ được dùng để kết nối đến nhà
khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể được tổ chức ở trạm biến áp trung
thế hoặc ở những điểm thích hợp khác.
Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến
10 Mhz được ấn định dành riêng (hoặc ưu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10
Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).
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
áp có đặc tính thông cao có thể được dùng để ghép tín hiệu vào dòng điện chính. Bộ
lọc thông cao đảm bảo dòng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem.
Từ bộ chuyển đổi A/D
và lọc thông thấp
Tầng công suất
phía phát
Bảo vệ quá áp
Biến áp với bộ lọc thông cao
Cáp điện
a. Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện
Cáp điện
Biến áp với bộ lọc
thông cao
Bộ lọc dải vào
Xử lý số
liệu
Dòng điện chính
b.Tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên 7
Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đƣờng 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
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.
1.2.1.4. 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. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC
Có thể nói phạm vi ứng dụng của công nghệ PLC rất rộng lớn. Ban đầu là
truyền tải thông tin phục vụ ngành điện như hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển
trên đường dây điện lực.
Hiện nay, công nghệ PLC đã được triển khai rộng khắp ở nhiều nước. Hai
lĩnh vực áp dụng hiện nay của PLC là:
- Truy nhập nội hạt (last mile access)
- 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
ứng dụng PLC cho phép tích hợp đường điện thoại, đường truyền Internet vào cùng
một đường điện lưới.
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình - Intelligent home
Hình 1.7: 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.
1.4. 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.
1.4.1. X10
Copyright: Tài liệu đại học ©