Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh

LỜI NÓI ĐẦU Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang đƣợc thừa hƣởng những thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học kỹ thuật khác nhƣ điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông đang cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn với chất lƣợng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu ngày một cao về thông tin liên lạc của con ngƣời. Công nghệ điện tử viễn thông ngày nay không chỉ hiện đại và đa dạng mà còn có nhiều phƣơng án tối ƣu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng. Một trong những công nghệ mà em muốn đề cập đến trong đề tài tốt nghiệp này đó là công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện lực PLC (Power Line Communication). Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đƣờng dây nhờ tận dụng đƣờng dây truyền tải điện để truyền tín hiệu. Trƣớc đó, con ngƣời đã có thể tận dụng đƣờng dây tải điện để làm các ứng dụng đơn giản nhƣ truyền các tín hiệu đo lƣờng, giám sát, điều khiển. Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ hỗ trợ trong lĩnh vực truyền thông và công nghệ thông tin thì hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới ngƣời sử dụng. Công nghệ truyền thông trên đƣờng dây điện lực PLC mở ra hƣớng phát triển mới trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu ngày một cao của con ngƣời về thông tin phục vụ lao động và sinh hoạt. Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà cùng các thầy cô giáo trong Khoa điện tử trƣờng 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 công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển Ngôi nhà thông minh”. Đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của 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 nhƣ phối ghép lƣới 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 hƣởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hƣởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lƣợng của hệ thống PLC bao gồm phối ghép lƣới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ… Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh sử dụng công nghệ PLC – Trên cơ sở các kiến thức có đƣợc từ chƣơng 1 và 2 chƣơng này ứng dụng vi điều khiển Pic thiết kế minh họa một hệ thống điều khiển thiết bị trong một Ngôi nhà thông minh thông qua đƣờng dây điện lực. Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hƣớng phát triển của đề tài. Do đây là một đề tài còn mới, đƣợc 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 chƣa đề cập đƣợc 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 nhƣ bổ xung thêm kiến thức cho bản thân đƣợc đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện hơn.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

- -

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG QUA ĐƯỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO

Hệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH

Ngành: Kỹ thuật điện tử

Mã số: 60.52.70

Học viên: Ngô Quốc Việt

Hà

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 08 tháng 10 năm 2011

Tác giả luận văn

Ngô Quốc Việt

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn PGS.TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi 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

Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Ngô Quốc Việt

LỜI NÓI ĐẦU

Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang được thừa hưởng những thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật Cùng với sự phát triển của các nghành khoa học kỹ thuật khác như điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông đang cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn với chất lượng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu ngày một cao về thông tin liên lạc của con người Công nghệ điện tử viễn thông ngày nay không chỉ hiện đại và đa dạng

mà còn có nhiều phương án tối ưu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử dụng

Một trong những công nghệ mà em muốn đề cập đến trong đề tài tốt nghiệp

này đó là công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực PLC (Power Line Communication)

Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đường dây nhờ tận dụng đường dây truyền tải điện để truyền tín hiệu Trước đó, con người đã có thể tận dụng đường dây tải điện để làm các ứng dụng đơn giản như truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ hỗ trợ trong lĩnh vực truyền thông và công nghệ thông tin thì hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới người sử dụng Công nghệ truyền thông trên đường dây điện lực PLC mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu ngày một cao của con người về thông tin phục vụ lao động và sinh hoạt

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 công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển Ngôi nhà thông minh” Đề tài gồm các nội dung chính như sau:

sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của 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 hệ thống điều khiển nhà thông minh 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 minh họa một hệ thống điều khiển thiết bị trong một Ngôi nhà thông minh 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 08 tháng 10 năm 2011

Người thực hiện

Ngô Quốc Việt

MỤC LỤC

1.1.3.4 Phân loại theo phương thức điều chế 5 1.2 Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của HTTT trên đường cáp điện lực 6

1.2.2.1 Khối cách ly (Power Line Isolation) 7 1.2.2.2 Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation) 8 1.2.2.3 Khối khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification) 8 1.2.1.4 Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation) 8

1.3.1 Ứng dụng trong các HT quản lý, giám sát lưới điện và đồng hồ 9

1.3.3 Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 10 1.3.4 Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home 10

CHƯƠNG 2

2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 22

2.4.1.Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông 35

2.4.4.Điều chế PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 39 2.4.5.Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực 39 2.4.5.1 Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu 39 2.4.5.2 Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu 39

2.5.1.1 Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK 42

2.5.2 Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 48

3.1.2 Các giải pháp điều khiển nhà thông minh 69 3.1.3 Các yêu cầu trong thiết kế nhà thông minh 71 3.2 Thiết kế nhà thông minh dựa trên công nghệ PLC 73

3.2.2.1 Modem truyền thông trên đường dây điện 74

3.2.2.4 Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng bộ đa năng 80

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 trạng thái pha của phương pháp điều chế QPSK 51

Bảng 3.3: Toàn bộ các thanh ghi được gán với PORTB 80

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 1

Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 6

Hình 1.7: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home 10 Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực 15

Hình 2.3: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 16

Hình 2.7: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó 19 Hình 2.8: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz 21

Hình 2.16 Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ ½ 29 Hình 2.17 Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 30 Hình 2.18 Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 31

làm giảm nhiễu

40

Hình 2.26: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ 42

Hình 2.30: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản 45 Hình 2.31: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức 47

Hình 2.33: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần 49

Hình 2.35: a Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang

b Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang

50

Hình 2.39: Ảnh hưởng của ISI 54

Hình 3.3 : Hệ thống điều khiển điều hòa thông gió 62

Hình 3.15: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao 84 Hình 3.16: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F876 85

Hình 3.19: Trạng thái logic theo chuẩn EIA232 89

Hình 3.27: Mô phỏng hình ảnh thực của modul điều khiển PLC 95

Hình 3.29: Đồng bộ thu, phát tại các vị trí qua không của tín hiệu 50 Hz 98

Hình 3.31: Từ mã bắt đầu và các từ mã biểu thị chữ 99

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Ký

ASIC Application Specific Intergrate Circuit Mạch tích hợp ứng dụng đặc

biệt

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

BPSK Binary Phase Shift Keying Khóa dịch pha nhị phân BSC Base Station Control Điều khiển trạm gốc

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

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

FHSS Frequency Hopping Spread Spectrum Trải phổ nhảy tần

FSK Frequency Shift Keying Khóa dịch tần

FDM Frequency Division Multiplexing Đa truy nhập theo tần số

FPGA Field Programmable Gate Array Phạm vi có thể lập trình cổng

mạng GSM Global System for Mobile

communication

Điện thoại di động toàn cầu

HLR Home Local Register Thanh ghi định vị thường trú

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 Intergrated Service Digital Network Mạng số tổ hợp dịch vụ

ISI Inter Symbol Interference Nhiễu ISI

MIU Đơn vị giao tiếp đồng hồ Đơn vị giao tiếp đồng hồ

MSC Mobile Switching Center Trung tâm chuyển mạch di

động OFDM Orthogonal Frequency Division

Multiplexing

Điều chế đa sóng mang

PIN Personal Identification Number Số nhận dạng cá nhân

PLC Power Line Communication Truyền thông trên đường cáp

điện

PRBS Pseudo Random Binary Sequence Chuỗi nhị phân giả ngẫu

nhiên

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

RTU Remote Tranceiver Unit Thiết bị phát từ xa một chiều

Smart

IMS

Smart Integrated Metering System Hệ thống đo lường tích hợp

thông minh SIM Subscriber Identifier Modul Đơn vị nhận dạng thuê bao SSMA Spread Spectrum Multiple Access Đa truy nhập trải phổ

VLR Visitor Local Register Thanh ghi định vị tạm trú WLL Wireless Local Loop Truy nhập không dây nội hạt

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường 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)

• 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 1.2 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 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 Với công nghệ này, mỗi ổ cắm điện chính và bảng phân phối điện trong nhà đều là những giao diện truyền dẫn 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 (Hình 1.1)

Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện

Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã được sử dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện Ví

dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của

hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế Hay hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá

Ý tưởng truyền tín hiệu thông tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn off carrier) Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải các thông tin phục vụ ngành điện, nhưng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp Ngày nay với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ

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

 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

- Texas Instruments (Dựa trên DSP đạt 200Mbps)

Tất cả các công nghệ được liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử nghiệm"

Sẽ mất một thời gian cho các công nghệ này sẽ được đóng gói thành sản phẩm cuối cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thông

1.1.3 Phân loại công nghệ

1.1.3.1 Phân loại theo mức điện áp

- Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đường truyền tải dài từ vài chục kilomet đến

vài trăm kilomet

- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cư rộng, các khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài chục kilomet

- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là các hộ gia đình, cơ quan, trường học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm mét đến vài kilomet Hệ thống lưới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm năng rất lớn

Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này rất cao Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải được bật hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lưới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục những vấn đề vật lý như vậy

1.1.3.2 Phân loại theo tốc độ bít

- PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên được dùng cho phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ 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, các 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

Kỹ thuật thứ nhất 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 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 đường cáp điện lực

1.2.1 Nguyên lý cơ bản của hệ thống

Ý tưởng cùa công nghệ PLC là ghép tín hiệu số liệu có tần số cao vào đường cáp điện có tín hiệu cơ bản là 50/60Hz đưa đến khối sử lý tín hiệu Việc ghép tín hiệu là một khía cạnh quan trọng của công nghệ PLC Tín hiệu thông tin cần truyền phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số của dòng điện chính và các hài của nó Đồng thời, tín hiệu phải có công suất đủ lớn để đưa vào đường cáp điện Một biến

áp có đặc tính thông cao có thể được dùng để ghép tín hiệu vào dòng điện chính Bộ lọc thông cao đảm bảo dòng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem

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

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 đường dây điện

Cáp điện

Biến áp với bộ lọc thông cao

Bộ lọc thông dải

Xử lý

số liệu Dòng điện chính

b.Tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện

Phương pháp như trên làm việc tốt với dải tần nhỏ hơn 150KHz, nhưng đối với dải tần cao hơn, cần có các mạch phụ để cho phép ghép tín hiệu qua biến áp Việc ghép tín hiệu cũng phải đảm bảo bảo vệ modem không bị phá hỏng trong quá trình quá của dòng điện chính Quá trình quá độ có đủ năng lượng để làm hỏng mạch điện

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 các ly là một tụ điện 10nF được nối với một biến áp âm tần Mạch này hoàn toàn ngăn chặn các tín hiệu 50Hz và cho tín hiệu trong khoảng 50KHz đến 80KHz đi qua Bằng việc đặt mạch cách ly này giữa đường dây điện lực

và phần còn lại của mạch điện, chúng ta chắc chắn rằng tín hiệu điện áp 220V sẽ không ảnh hưởng đến mạch phát và mạch thu, và do đó tín hiệu thông tin có thể truyền và nhận được trên đường dây điện lực

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 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

1.3.1 Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ

Hình 1.5: 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

1.3.2 Truyền thông đường dài tốc độ cao

Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dài,ngoài những công nghệ truyền thống như cáp quang, vi ba thì hiện nay đã có thêm một giải pháp,đó là dùng đường dây tải điện cao thế để kết hợp truyền thông tin tốc độ 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

1.3.3 Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC

Hình 1.6: 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

1.3.4 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 nghệ PLC cho hệ thống đa dạng như trên thì việc đi các đường cáp tín hiệu sẽ rất phức tạp

1.4 Kết luận chương

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

• Băng thông ngày một tăng lên đáp ứng đòi hỏi về truy cập dải rộng

• Đáp ứng nhu cầu tăng của mạng trong nhà

Lợi dụng mạng PLC mở ra các cơ hội kinh doanh mới - không chỉ trong lĩnh vực truy nhập mà còn các dịch vụ đi kèm với PLC Hệ thống PLC đang ở giai đoạn phát triển ban đầu Công nghệ đang tiếp tục phát triển, có thêm nhiều đặc tính hiệu quả trong những dòng sản phẩm tiếp theo Một hệ thống PLC có thể mở rộng vô hạn từ nhỏ thành lớn và thêm các dịch vụ giátrị gia tăng

 Những thuận lợi tiềm năng của công nghệ PLC:

Mô hình viễn thông này đã có rất nhiều thuận lợi so với các loại hình khác, bao gồm mạng truy nhập được thiết lập ở tốc độ cao và các kết nối chuyên dụng Những thuận lợi này tạo cho công nghệ PLC một phương án hấp dẫn cho các hệ thống viễn thông

Trong mô hình PLC, các mạng LAN nhỏ được tạo ra, chúng kết thúc tại mỗi trạm điện khu vực Những mạng LAN này sẽ cùng chia sẻ các luồng E1/T1 kết nối Internet, điện thoại, truyền hình cáp tương tự như luồng E1/T1 thuê riêng Mỗi người sử dụng riêng sẽ được tốc độ cực lớn, tăng nhiều so với việc kết nối qua modem điện thoại 28,8Kbps hoặc 56Kbps như đã thấy trong phần so sánh PLC với các công nghệ truy nhập băng rộng khác

Một thuận lợi kết hợp khác nữa đối với mô hình PLC là nó hoạt động tốt trên

hạ tầng mạng điện lực đang tồn tại Chỉ có các thiết bị Headend tại trạm biến áp, những bộ Homegateway và các PLC modem là cần phải lắp đặt để thiết lập một mạng PLC

Các đường dây thông tin đa mục đích và chuyên dụng đưa ra mô hình PLC một lựa chọn hấp dẫn cho kỷ nguyên thông tin Băng tần rộng và ghép kênh phân chia theo tần số cho phép rất nhiều đường dây cùng đến một nhà Một cách lý tưởng thì toàn bộ gia đình có thể sử dụng tất cả các thiết bị thông tin đồng thời, kể cả điện thoại, truyền hình cáp, PC mà không có thiết bị nào bị ngắt Công nghệ Power line communication là một sự lựa chọn hấp dẫn để kết nối internet, điện thoại, truyền hình cáp thông qua một công nghệ truy nhập băng rộng với chi phí cho mạng truy nhập tương đối thấp Cần chú ý rằng, theo tổng kết cơ sở

hạ tầng của mạng truy nhâph nội hạt đối với một hệ thống khai thác viễn thông chiếm khoảng 50% tổng đầu tư của một nhà khai thác viễn thông cho tonà bộ cơ sở

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

ra cho khách hàng các dịch vụ truy nhập internet, video theo yêu cầu, điện thoại nội hạt, đường dài và các dịch vụ gia tăng khác

 Đối với công nghệ PLC ta thấy có những hấp dẫn sau :

• Công nghệ PLC hiện nay đã được ngày một hoàn thiện cho phép hệ thống truyền tin PLC là ưu việt đối với truyền dẫn dữ liệu trên mạng lưới điện lực sẵn có với thông lượng tối đa và công suất thấp

• Phương pháp điều chế và phân bổ tần số tránh được xuyên nhiễu gây ra bởi sóng vô tuyến và các dịch vụ phát quảng bá khác Công nghệ tiên tiến đảm bảo sự truyền dẫn dữ liệu là an toàn

• Với nhà cung cấp mới, việc xây dựng cơ sở hạ tầng truy nhập nội hạt chiếm một tỷ trọng đầu tư rất lớn (tới khoảng 50% tổng đầu tư) trong khi PLC lại tần dụng toàn bộ cơ sở hạ tầng sẵn có của mạng lưới điện lực

• Hiện nay có nhiều lựa chọn, ví dụ: cáp đồng trục, DSL, và truyền dữ liệu vô tuyến:

- Nhà cung cấp điện thoại thì lựa chon công nghệ DSL để tăng băng thông của lớp “truy nhập nội hạt” của họ

- Nhà cung cấp dịnh vụ trên cơ sở mạng cáp thì lựa chọn công nghệ dùng cáp đồng trục

- Còn các nhà cung cấp khác muốn dùng công nghệ vô tuyến

• Ngành điện lựa chọn công nghệ PLC để tận dụng mạng lưới điện sẵn có

• Ngoài nhu cầu cung cấp dịch vụ đến từng khách hàng, nó cũng có thể dùng

để thiết lập mạng LAN gia đình (in-house LAN)

• Công nghệ PLC đang ngày càng nhận được sự quan tâm nhiều trên thị trường viễn thông bởi lẽ nó cho phép đáp ứng được một nhu cầu đang ngày càng phát triển mạnh của người dùng đó là nhu cầu thông tin dữ liệu băng rộng tốc độ cao với chi phí ít tốn kém hơn

 Mục tiêu của mạng PLC băng thông rộng:

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

• Giảm chi phí

Nhưng thực tế đường dây điện lực là một môi trường truyền thông rất nhạy cảm, các đặc tính của kênh thay đổi theo thời gian tuỳ thuộc vào tải và vị trí, cho đến nay các đặc tính cụ thể của kênh vẫn là những vấn đề được nghiên cứu nhằm đưa ra các giải pháp xử lý hiệu quả Phần tiếp theo của chương sẽ trình bày về yếu

tố ảnh hưởng, các kỹ thuật phối ghép, điều chế và mã hóa tín hiệu trên đường dây điện lực nhằm giảm thiểu những ảnh hưởng gây nên do đặc tính của kênh

CHƯƠNG 2

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC

2.1 Đặc tính kênh truyền đường 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

Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực

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, do đó làm suy giảm nghiêm trọng điến sự truyền dẫn tín hiệu của PLC (hình 2.2)

Hình 2.2: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ

Hình 2.3: 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 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 2.4 trình bày băng thông một cách chi tiết của tiêu chuẩn CENELEC Dải tần số của PLC được chia làm 5 băng nhỏ Hai băng đầu (3-9 và 9-95KHz) là giới hạn cho nhà cung cấp năng lượng và 3 giới hạn kia dành cho tuỳ chọn của khách hàng cung cấp năng lượng Trong phần ghi chú thêm, chuẩn băng tần được cho phép cũng giới hạn băng tần tại máy phát Như vậy hiện tại vẫn chưa có một thống nhất cho phép về băng tần của PLC, đó là một hạn chế rất lớn ảnh hưởng đến sự phát triển của PLC

Hình 2.4: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC

Trong việc tăng thêm tốc độ bít, băng thông rộng hơn có thể là cần thiết Các nghiên cứu gần đây đưa ra đề nghị tần số sử dụng trong khoảng giữa 1 và 20MHz Nếu khoảng tần này được sử dụng, nó có thể làm tăng thêm rất lớn băng thông và

có thể cho phép các ứng dụng cần tốc độ bít cao trên đường cáp điện Một số vấn đề quan trọng là một phần của băng tần này đã được phân cho hệ thống thông tin khác Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép này cũng gây nhiễu loạn tới hệ thống thông tin trên đường điện PLC Một số ví dụ về hệ thống thông tin trong dải này là Radio, Radio nghiệp dư và hoa tiêu máy bay

2.1.2 Nhiễu trên đường cáp điện

Đường dây điện được ra đời phục vụ cho việc truyền năng lượng điện chứ không nhằm mục đích truyền thông tin Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp

phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu

Nguồn gây nhiễu chính trên lưới điện xuất phát từ các thiết bị điện, chúng sử dụng nguồn cung cấp 50Hz và phát ra thành phần nhiễu kéo dài trên toàn bộ phổ tần của lưới điện Phần nữa chính là từ sóng radio ở khắp mọi nơi như các hệ thống thông tin di động, phát thanh, truyền hình, kiểm soát không lưu, quân sự… ở mọi băng tần được sử dụng sóng tần số thấp vài trăm KHz đến sóng tần số siêu cao hàng GHz mang lại Nguồn nhiễu sơ cấp của nhiễu trong khu vực dân cư là các thiết bị điện dân dụng: động cơ, đèn chiếu sáng, tivi… Ta có thể chia nhiễu làm các loại như sau:

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 2.5: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn 2.1.2.3 Nhiễu xung tuần hoàn

Hầu hết nguồn gây nhiễu kiểu này đều xuất phát từ các Triac điều khiển đèn điện tần số xuất hiện của nó bằng hai lần tần số dòng xoay chiều trên lưới điện, hay nói cách khác là nó sẽ lặp lại sau mỗi nửa chu kỳ

Hình 2.6: Nhiễu xung tuần hoàn 2.1.2.4 Nhiễu xung kéo dài

Được gây ra bởi các loại động cơ điện một chiều hoặc xoay chiều trong các thiết bị điện (máy khoan, động cơ truyền lực, máy hút bụi và nhiều các thiết bị ứng dụng khác…) Các bộ phận tiếp xúc như cổ góp ở động cơ điện một chiều sẽ là một trong những nguyên nhân gây nhiễu trên, xuất hiện với tần số của chuỗi xung

khoảng vài KHz trở xuống

Hình 2.7: 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 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