Đo lường và Điều khiển tự động doc

1.2 Phân loại hệ thống thông tin đo lường 1.2.1 Phân loại dựa trên tín hiệu vào Khác với dụng cụ đo một hệ thống thông tin đo lường có thể có một số lượng lớn các đầu vào đạilượng vật lý

Bộ môn: Đo lường và Điều khiển tự động

THUYẾT MINH ĐỀ TÀI

ĐỔI MỚI PHƯƠNG PHÁP GIẢNG DẠY

NĂM 2007

MÔN HỌC:

HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

Chủ nhiệm đề tài: TS Nguyễn Hữu Công

Cộng tác: Nguyễn Văn Chí

Nguyễn Hoài Nam

THÁI NGUYÊN 2007

CHƯƠNG 1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐO LƯỜNG

1.1 Định nghĩa và sự phát triển của hệ thống thông tin đo lường

1.1.1 Định nghĩa hệ thống thông tin đo lường

HTD là một hệ thống tự động đo và điều khiển việc gia công thông tin theo một algorithm(thuật toán) định sẵn

Cụ thể hơn hệ thống thông tin đo lường là một tập hợp các thiết bị có cùng một nhiệm

vụ, cùng một thuật toán chức năng để có thể thiết lập được ước lượng về đối tượng Sau đóbiến đổi thông tin, gia công và chuyển về dạng con người có thể thu nhận được

+ Các quá trình xảy ra trong hệ thống thông tin đo lường

-Quá trình kiểm tra: so sánh giữa trạng thái của đại lượng cần kiểm tra so với mẫu chotín hiệu đánh giá

-Quá trình nhận dạng: xác định xem có sự tương ứng hay không giữa đối tượng và mẫu

đã cho

-Quá trình chẩn đoán: là quá trình theo dõi sự làm việc bình thường của đối tượng vàtìm ra chỗ hỏng hóc Hệ thống kiểm tra các hoạt động của thiết bị kỹ thuật gọi là hệ thốngchẩn đoán

+ Đặc tính chung của các quá trình

Tất cả các quá trình đều có một đặc tính chung là phải có sự thu nhận đại lượng bằngcác thiết bị kỹ thuật biến đổi qua các đại lượng trung gian rồi so sánh với mẫu Ghi lại tất cảcác trạng thái hay tính chất của đối tượng và đưa ra kết quả bằng số

Hệ thống kỹ thuật ngày càng phức tạp cho nên có nhiều điểm thu thập số liệu từ nhiềuđối tượng khác nhau, vì vậy xuất hiện các hệ thống đo, đó là tổ hợp đo của nhiều đại lượng,hiện nay số điểm thu thập có thể lên đến hàng ngìn điểm

Ví dụ: Động cơ, máy phát, lò luyện kim, quá trình sản xuất xi măng và nhiêu đại lượngkhác nhau, đại lượng điện như dòng, áp, công suất, cosϕ, đại lượng nhiệt, nồng độ…

Để điều khiển quá trình sản xuất xi măng

Ta phải lấy mẫu clanhke và đưa qua máy phân tích phổ Tín hiệu đầu ra của máy phântích phổ được đưa vào máy tính Máy tính sẽ tính toán theo một phần mềm định sẵn, sau đó

ra lệnh để phối liệu sao cho đạt chất lượng xi măng như mong muốn

+ Sơ đồ cấu trúc của một hệ thống thông tin đo lường.

Hình 1.1 - Sơ đồ cấu trúc của HTD

-Thiết bị thu nhận thông tin chủ yếu là các cảm biến, biến tín hiệu cần đo của đối tượngsang tín hiệu điện Sau đó sẽ có quá trình đo thực hiện phép so sánh với mẫu, quá trình lượng

tử hoá và mã hoá.v.v

-Thiết bị gia công (biến đổi, tính toán) thông tin thực hiện các phép tính theo mộtalgorithm nhất định(thường phải sử dụng µP và µC)

-Thiết bị lưu trữ ghi vào bộ nhớ hoặc in ra để lưu trữ

-Thiết bị thể hiện thông tin có thể là thiết bị đo hoặc tự ghi, hoặc là màn hình của máytính

+Nhiệm vụ của hệ thống thông tin đo lường.

Thực hiện việc đo hay kiểm tra chẩn đoán, nhận dạng hay tính toán từ nhiều tín hiệukhác nhau trong thời gian ngắn nhất

Biến đổi tín hiệu thành các tín hiệu chuẩn hoá để truyền đi xa mà không bị mất mát

Hệ thống thông tin đo lường làm nhiệm vụ tự động hoá cao độ, quá trình đo, kiểm tranhận dạng, từ đó cho ra thông tin để điều khiển kịp thời đối tượng Nhờ đó mà nâng cao đượcchất lượng sản phẩm

1.1.2 Sự phát triển của hệ thống thông tin đo lường

-Vào những năm 1960: Chủ yếu là hệ tập trung, chưa có sự tham gia của máy tính.Thường dùng mạch biến áp hoặc senxin Tín hiệu đưa về là tín hiệu tương tự

-Từ những năm 1970 ÷ 1982: Vẫn là các hệ tập trung, song đã có sự tham gia xử lý tínhiệu bằng máy tính Lúc này đã xuất hiện các tổ hợp đo lường tính toán

-Từ năm 1982 ÷ đến nay: Là các hệ thống phân tán, các máy tính đều được đưa tới cácphân xưởng Mỗi máy tính chịu trách nhiệm 1 cụm nào đó Máy tính sẽ đo và xử lý sơ bộ sau

đó gửi thông tin lên máy tính trung tâm thông qua các mạng máy tính

1.2 Phân loại hệ thống thông tin đo lường

1.2.1 Phân loại dựa trên tín hiệu vào

Khác với dụng cụ đo một hệ thống thông tin đo lường có thể có một số lượng lớn các đầu vào đạilượng vật lý giống nhau hoặc khác nhau Chúng có những đặc trưng rất khác nhau Do vậy thường căn

cứ vào tín hiệu vào để xác định nguyên lý làm việc của hệ thống Việc phân loại hệ thống thông tin đolường theo tín hiệu vào có thể dựa trên các tiêu chí sau:

 Theo số lượng tín hiệu vào

+ Hệ thống có từ 2 tín hiệu vào trở nên gọi là hệ nhiều kênh (đa kênh)

Đối

tượng

Thiết bị thu nhận thông tin

Thiết bị gia công thông tin

Thiết bị lưu giữ thông tin

Thiết bị thể hiện thông tin

Người quan sát

Thiết bị điều khiển

 Theo tính chất của tín hiệu.

+ Hệ thống có các tín hiệu vào độc lập hay phụ thuộc

Ví dụ t0 và U là hai tín hiệu độc lập, còn t0 và độ ẩm là hai tín hiệu phụ thuộc

 Theo sự thay đổi của tín hiệu

+Hệ thống có các tín hiệu vào tiền định (biết trước quy luật) hay ngẫu nhiên (không biếttrước quy luật)

 Theo sự biến đổi của tín hiệu

+Hệ thống có tín hiệu vào rời rạc hay liên tục

 Theo bản chất của tín hiệu

+Hệ thống có tín hiệu vào là chủ động, tức là bản thân nó có năng lượng như I, U, t0,ánh sáng v.v hoặc có tín hiệu vào là bị động, tức là bản thân nó không mang năng lượng như

R, L, C, sức bền vật liệu

 Theo quan hệ của tín hiệu và nhiễu

+ Hệ thống có các tín hiệu có nhiễu độc lập (có thể tách khỏi tín hiệu) hoặc nhiễu phụthuộc (không thể tách khỏi tín hiệu)

Ví dụ như tín hiệu máy điện tim: Utín hiệu = 0.7mV, Unhiễu =20mV

1.2.2 Phân loại dựa trên tín hiệu ra

1 Hệ thống đo lường

Là HTĐ có nhiệm vụ đo các đại lượng vật lý cho thông tin ra bằng số, kết quả được đưa

ra trực tiếp Hệ thống đo lường bao gồm hai loại:

2 Hệ thống kiểm tra tự động

Là hệ thống có nhiệm vụ so sánh giá trị đo được với một giá trị chuẩn để nhằm nhiệm

vụ kiểm tra Để thực hiện việc kiểm tra hay điều khiển ta phải ấn định giá trị chuẩnSp(setpoint) điểm đặt Sau đó so sánh với giá trị cần kiểm tra Những hệ thống như vậy gọi là

hệ thống kiểm tra tự động Tín hiệu ra thường có 3 mức: chuẩn, trên chuẩn, dưới chuẩn.-Với hệ thống kiểm tra: tín hiệu ra mang tính chất lượng để trả lời cho câu hỏi thấp hơnhay cao hơn chuẩn Trong công nghiệp hệ thống đo lường và hệ thống kiểm tra thường đi đôi vớinhau

3 Hệ thống chẩn đoán kỹ thuật

Trên cơ sở kết quả đo hệ thống đưa ra đánh giá về trạng thái làm việc của đối tượng, đặctính hư hỏng và phương pháp sửa chữa Hệ thống này phải có sự tham gia của thiết bị tínhtoán và các phần tử logic

4 Hệ thống nhận dạng

Nhận biết các thông tin xem có giống với mẫu hay không, thông thường hệ thống nàycũng phải kết hợp với thiết bị tính toán Ví dụ như hệ thống phân loại sản phẩm

1.2.3 Phân loại dựa trên sơ đồ cấu trúc

1- Hệ thống có các kênh song song

Hình 1.2 Hệ thống có các kênh song song

-Đặc điểm: các kênh liên lạc làm việc độc lập với nhau

-Ưu điểm: Độ làm việc tin cậy, nếu hỏng một kênh thì các kênh khác vẫn làm việc bình thường

-Nhược điểm: Số lượng dây quá lớn (nếu số lượng điểm đo lớn) nên chỉ áp dụng cho

2- Hệ thống có các kênh nối tiếp

Hình 1.3 Hệ thống có các kênh nối tiếp

Mux: Multiplexor – bộ dồn kênh

Cấu tạo Mux như sau:

đầu vào theo 2 phương án:

- Theo một chương trình quét cho trước: D0, D1,…,Dn-1

S1

S2

Sn

Phần đo lường 1 Phần đo lường 2

Thiết bị thể

Thiết bị điều khiển

Người

Thiết bị điều khiển

- Đầu ra Q được đóng vào chân dữ liệu đầu vào Di nào đó nếu như tương ứng vớiđịa chỉ của nó.

Một Mux có n chân địa chỉ thì bao giờ cũng có 2n chân dữ liệu

Ví dụ: một mux có 4 chân dữ liệu

3 - Hệ thống song song nối tiếp

Hình 1.4 Hệ thống có cách kênh song song nối tiếp

thông tin

Người

Thiết bị điều khiển

Hệ thống này có ưu điểm là tăng độ tin cậy, tăng được số kênh đầu vào, song có nhược điểm

là cồng kềnh, đắt tiền nên thường dùng cho các hệ thống lớn và phải truyền đi xa

4- Hệ thống kiểm tra tự động

Hình 1.5 Hệ thống kiểm tra tự động

Có một mẫu chung dùng cho tất cả các bộ so sánh, thiết bị thể hiện sẽ thông báo trạngthái của tín hiệu so với mẫu (lớn hơn, bằng, hay nhỏ hơn)

1.3 Tổ chức làm việc của hệ thống thông tin đo lường

Quá trình làm việc của HTĐ được điều khiển bằng bộ điều khiển, bộ điều khiển nàyđiều khiển hệ thống thông qua một thuật toán nào đó như: điều khiển tác động lẫn nhau giữacác khâu trong hệ thống; thứ tự thực hiện công việc; các thao tác chọn tần số lấy mẫu tín hiệu;chọn số kênh, xác định giới hạn đo của từng tín hiệu ở từng kênh, tính toán sai số của việc đo;gia công kết quả đo

Bộ điều khiển HTĐ ngày nay là các bộ vi xử lý và máy tính

Tất cả các thiết bị trong hệ thống nói chung là các thiết bị có tín hiệu vào ra khác nhau,

do vậy để có thể trao đổi thông tin giữa các thiết bị với nhau hoặc với bộ điều khiển thì đòihỏi phải có một giao diện chung (interface) Giao diện ở đây bao gồm giao diện phần cứng(các card ghép nối giữa thiết bị và máy tính, các bộ chuyển đổi tín hiệu .) và phần mềm(ngôn ngữ lệnh trong vi xử lý, các driver hay các trình điều khiển thiết bị )

Thiết bị thể hiện thông tin

Người Thiết bị điều

TRn

µ P Program Memory

Date Memory

RS 232 Interface

RS 232 Interface

RS 232 Interface

Printer

Display Keyboard

Control ROM

RAM

Hình 1.6 - HTĐ sử dụng vi xử lý

Hình 1.7 – Trao đổi giữa vi xử lý và giao diện

-Tín hiệu S được đưa qua các TR(TR1, TR2,…,TRn) đến bộ chọn kênh(Mux) Sau đó tín

Interface (RS232) để in ra nếu cần thiết, hoặc điều khiển các khâu khác nhau

1.4 Phân cấp trong hệ thống đo lường - điều khiển và thông tin công nghiệp hiện nay

1.4.1 Phân cấp hệ thống

Hệ thống sản xuất ngày nay càng được mở rộng và có phạm vi địa lý phân tán cho nên

hệ thông thông tin đo lường và điều khiển cũng vì thế mà phát triển và được phân cấp hệthống cơ bản theo 5 lớp – hình chóp như sau:

Hình 1.8 Phân cấp hệ thống

bị hiện trường(FI - Field Instruments)

modul I/O (input / Output) Chức năng là bộ điều khiển cơ sở, điều khiển logic, tổng hợp dữliệu, bảo vệ thiết bị và giám sát hiện trường FCS (Field Control Station)

 Cấp điều khiển giám sát: là cấp điều khiển quá trình bao gồm các trạm thiết kế kỹ thuật vàtrạm vận hành

RS 232

µP

ControlDateAddress

Cấp chấp hành

Cấp điều khiển Cấp điều khiển giám sát Cấp điều hành sản xuất

Cấp quản lý công ty

• Trạm thiết kế kỹ thuật – EWS (Engineering Work Station)Bao gồm: Thiết kế các thông số hệ thống như chọn số kênh, chọn tần số quét của tín hiệu, tần

số cắt mẫu, dải tần của kênh liên lạc, lựa chọn tối ưu các thông số của tín hiệu sao cho sai sốcủa phép đo là nhỏ nhất Định nghĩa mọi thiết bị, kết nối và phân luồng quản lý của từngCPU cụ thể

Có chức năng vận hành hệ thống bao gồm điều khiển giám sát (supervery control), tối ưu hóaquá trình về chất lượng cũng như năng lượng tiêu thụ, xử lý sự cố, chẩn đoán kỹ thuật, bảotoàn hệ thống

vào tình trạng thiết bị, đầu vào, đầu ra của sản phẩm, tính toán, tổ chức sản xuất theohướng tối ưu hóa

 Cấp quản lý công ty: Tính toán kinh tế, thống kê số liệu về sản xuất kinh doanh, xử lý đơnđặt hàng, giao dịch thương mại (thương mại điện tử, quản lý kho tàng) Hoạch định tàinguyên của công ty: tài chính, nhân lực sản xuất, khả năng mở rộng và phát triển sản xuất

1.4.2 Ví dụ một hệ thống đo lường - điều khiển phân tán trong công nghiệp.

Hình 1.9 Ví dụ về hệ thống đo lường - điều khiển phân tán trong công nghiệp

1.4.3 Chức năng mở của hệ thống

Năm 1978 Hội tiêu chuẩn quốc tế ISO (International Standard Organization) đưa ra một

mô hình hệ thống mở: OSI (Open System Information) nghĩa là phải có phương thức truyềnthông mở theo một tiêu chuẩn bao gồm 7 lớp để có thể thay thế thiết bị lẫn nhau của nhiềuhãng sản xuất

I/O Layer

Control Layer

Operation Layer

Management Layer

Information Management System

Field Control

Field I/O

Transport

Network

Data linkPhysical

Hình 1.10 Giao thức truyền thông mở bảy lớp trong công nghiệp

 Application Layer: có chức năng truyền file, trao đổi bản tin, báo cáo

các ứng dụng, thiết lập duy trì đồng bộ hóa, hủy bỏ phiên truyền thông giữa các ứng dụngtrong hệ thống

 Transport Layer: thực hiện truyền giữa hai đầu sử dụng, phát hiện và sửa đổi, ghép và táchkênh

mạch luồng thông tin, kiểm soát luồng dữ liệu,cắt bỏ khối nếu cần

phát hiện, sửa lỗi, khóa dữ liệu

Truy nhập thông tin được thực hiện qua các giao thức gọi là protocol

Ví dụ: việc truy cập thông tin trên internet qua đường điện thoại phải thông qua giaothức TCP/IP (Transfer Control Protocol / Internet Protocol)

x

x(t)

t 0

CHƯƠNG 2

CÁC ĐẶC TÍNH THÔNG TIN CỦA TÍN HIỆU ĐO LƯỜNG

1.5 Tín hiệu đo lường trong công nghiệp

1.5.1 Định nghĩa

Tín hiệu đo là loại tín hiệu mang đặc tính thông tin, chứa đựng thông tin về giá trị cần

đo Tín hiệu đo làm nối liền các khâu trong hệ thống đo lường - điều khiển của cả quá trìnhsản xuất, tín hiệu đo có thể thay đổi theo thời gian hoặc các thông số khác

Một tín hiệu đo phụ thuộc vào nhiều thông số khác nhau nhưng người ta cố định cácthông số khác và chỉ để phụ thuộc duy nhất vào một thông số

Ví dụ: x(t, a, b, c, ) ⇒ x(t)

Như vậy tín hiệu đo trên phụ thuộc thời gian, các thông số khác nằm trong phạm vi chophép

1.5.2 Phân loại tín hiệu đo

Có thể phân loại tín hiệu đo dựa theo các tiêu chí sau:

 Dựa vào sự xuất hiện của tín hiệu

a Tín hiệu tiền định và gần tiền định

+ Tín hiệu tiền định là tín hiệu đã biết trước các thông số cũng như quy luật thay đổi Ví

dụ như tín hiệu: U = 10V, I = 5A

+ Tín hiệu gần tiền định là các tín hiệu biết trước quy luật cần xác định thông số Ví dụnhư tín hiệu xoay chiều hình sin: x = xmaxsin(ωt + ϕ) Trong đo các lượng xmax, ω, ϕ

đều có thể là chưa biết và cần phải đo Xung đơn vị lý tưởng, xung đơn vị có chu kỳ

b Tín hiệu ngẫu nhiên

Là các tín hiệu không biết trước quy luật biến thiên cũng như các thông số, trong thực tếphần lớn là các tín hiệu dạng này Sự thay đổi ngẫu nhiên của tín hiệu thường phụ thuộc vàocác điều kiện bên ngoài như nhiệt độ, áp xuất, độ ẩm v.v

Ví dụ: Nhiệt độ của một lò nung là tín hiệu ngẫu nhiên, nó phụ thuộc vào nhiệt độ môitrường cũng như các điều kiện xung quanh



 Dựa vào hình thức biến đổi tín hiệu

a Tín hiệu liên tục (a)

Là tín hiệu liên tục theo thời gian liên tục Đồ thị của tín

hiệu là hàm liên tục của đối số liên tục

b Tín hiệu liên tục lượng tử (b)

Là tín hiệu liên tục theo thời gian và lượng tử theo mức

Đồ thị của tín hiệu là hàm gián đoạn của đối số liên tục

∆ xk

b)

c)

c Tín hiệu rời rạc (c)

Là hàm liên tục của đối số rời rạc

∆t là chu kỳ rời rạc

d Tín hiệu rời rạc lượng tử (d)

Là hàm lượng tử theo mức của đối số rời rạc

Hình 2.1- Các dạng tín hiệu (a, b, c, d)

1.5.3 Khái niệm quá trình ngẫu nhiên.

-Một tín hiệu đo ngẫu nhiên được gọi là một thể hiện

-Khi đo nhiều lần tín hiệu ngẫu nhiên X ta được nhiều đường cong khác nhau bao gồmnhiều thể hiện xi(t) và được gọi là quá trình ngẫu nhiên X(t) (là tập hợp của nhiều thể hiện)

Ví dụ khi đo 1 quá trình nhiệt độ theo thời gian thì nhiệt độ sẽ dao động xung quanh 1 giátrị trung bình Tc

1.5.4 Các đặc tính của tín hiệu đo ngẫu nhiên

1 Các đặc tính của tín hiệu ngẫu nhiên

• Luật phân bố

Hình 2.2 Mô tả tín hiệu ngẫu nhiên

Giả sử cho tín hiệu ngẫu nhiên X(t) với n thể hiện xi(t) Tại thời điểm t =t1 các giá trị

xi(t1) (i = 1, 2, n) là đại lượng ngẫu nhiên đặc trưng bởi luật phân bố Pt1 (X) Đây là luậtphân bố cấp một vì nó phụ thuộc vào các thời điểm của đối số t

Luật phân bố mô tả quan hệ giữa xác suất suất hiện giá trị x là P(x) của tín hiệu ngẫunhiên X(T) và giá trị x tại thời điểm nào đó

Có hai loại thường gặp là phân bố đều và phân bố chuẩn

Hình 2.4 Một số luật phân bố của tín hiệu ngẫu nhiên

∆x

x

x(ti)

t 0

∆t x

Xi(ti)

t 0

∆t

d) c)

Hàm phân bố xác suất bậc 1 của tín

hiệu ngẫu nhiên X(t) được định nghĩa là xác

suất của các giá trị tức thời của X(t) ở thời

điểm t = t1 không vượt quá x1 và được ký

x

w

t , x w x

1

1 1 1 1

• Nhận xét

Như vậy để xác tín hiệu ngẫu nhiên X(t)

tại n thời điểm khác nhau ta phải xác định

được hàm phân bố xác suất và mật độ xác suất

bậc n

wn(x1, t1; x2, t2; ;xn, tn)

Fn(x1, t1; x2, t2; ;xn, tn)Nếu như n lớn thì việc xác định hai hàm trên rất khó khăn và do đó người ta dùng cácđặc tính số như sau

t = t1X(t)

-Khi tín hiệu ngẫu nhiên là phân bố đều hoặc phân bố chuẩn thì:

∫ =

x x(t)dt m

T)

m)

Kỳ vọng toán học và phương sai của tín hiệu ngẫu nhiên xác định một hành lang trong

đó xếp đặt các thể hiện của THNN, tuy nhiên không làm rõ mức độ thay đổi của THNN bêntrong hành lang đó

Ví dụ ta có 2 THNN X1(t) và X2(t) có cùng mx(t) và Dx(t) nhưng đặc tính thay đổi củacác thể hiện hoàn toàn khác nhau:

Nếu như trong các algorthm biến đổi tín hiệu X1(t) và X2(t) có chứa các phép vi tíchphân thì kết quả của các phép biến đổi ấy là khác nhau cho dù hai tín hiệu này có cùngphương sai và kỳ vọng toán học Như thế để đặc trưng tốt hơn cho THNN cần thiết phải biếtđến mức độ thay đổi của THNN ấy tại những thời điểm khác nhau của đối số t

Mức độ thay đổi của THNN theo đối số t được xác định bởi hàm tương quan của THNNtheo công thức sau:

1 1

2 2

1 1

2 1

)t(mtX)t(mtXM)t

t

(

R

x x

x x

−τ

∆+

−

=τ

k

i x i

k i x i k

n)k

• Phương sai là hằng số: Dx = const

Rx(τ) phụ thuộc vào t1, t2: τ = t2 - t1

 Tính Egodic

Một tín hiệu có tính egodic nếu: khi lấy trung bình theo khoảng thời gian T của một thể hiện

cũng bằng lấy trung bình theo tập m giá trị của các thể hiện tại một thời điểm

N)t(d)t(x

1 1

11

Thường tất cả các tín hiệu ngẫu nhiên dừng đều có tính egodic Như vậy một tín hiệungẫu nhiên dừng và egidic thì:

1

T)(R)t

x

0 2

3 Mật độ phổ tín hiệu

Hàm mật độ phổ Sx(f) của tín hiệu x(t) là một hàm số biểu diễn sự phân bố năng lượngcủa tín hiệu x(t) trên trục tần số

• Khi tín hiệu x(t) là tiền định

∞

−

π

∞ +

dt e

) t ( x ) ( S

ft 2 j

ft 2 j x

Ta có thể tính hàm mật độ phổ thông qua hàm tương quan của X(t) bằng cách áp dụngcông thức Viner-Khinshin sau:

=

τ

τ τ

=

τ π

∞ +

∞

−

τ π

−

∞ +

1 R

d e ) ( R f

S

f 2 j x x

f 2 j x x

Ví dụ: Mật độ phổ của một tín hiệu hiệu như hình vẽ:

∞

−

d sin ) ( R j d cos ) ( R d

e ) ( R

0 d sin ) (

Ta có thể viết lại như sau: S ( )ω = 2+∞∫R ( τ ) cos ωτ d τ

0 x x

+ Lấy tích phân hàm mật độ phổ thì được phương sai của tín hiệu ngẫu nhiên dừng X(t)Chứng minh:

= ω ω π

=

=

0 x x

x

2

1 ) 0 ( R

D

+ Nếu thay đổi tỷ lệ của đối số τ trong hàm tương quan thì sẽ dẫn đến sự thay đổi tỷ lệ ngượccủa ω cũng như chính mật độ phổ

Chứng minh:

Giả thiết tín hiệu ngẫu nhiên X(t) có hàm tương quan Rx(τ) và hàm mật độ phổ Sx(ω) Khi

có sự thay đổi tỷ lệ của đối số τ của hàm tương quan, tức là τ1 = nτ khi đó:

= τ ωτ τ

=

n

1 d n

1 n cos ) ( R d cos ) n ( R

0 1 x 0

1

x

+ Hàm mật độ chuẩn được xác định như sau:

( )0 R

) ( S D

) ( S d ) ( S 2 1

) ( S )

( g

x

x x x x

x

ω ω π

ω

= ω

∫∞

+

∞

−

1.6 Rời rạc hoá tín hiệu liên tục

Trong quá trình truyền, xử lý thông tin trong HTĐ thì luôn phải có quá trình biến đổitín hiệu từ dạng này sang dạng khác, trong đó có quá trình rời rạc hóa tín hiệu

1.6.1 Định nghĩa

Rời rạc hoá tín hiệu liên tục là quá trình biến đổi một hàm liên tục theo thời gian x(t)thành hàm rời rạc theo thời gian xi, là tổ hợp các tung độ mà theo đó ta có thể nhận được ướclượng của tín hiệu liên tục x*(t) Trong trường hợp chung sự thể hiện rời rạc một tín hiệu x(t)trong khoảng thời gian T bằng một tập hợp các giá trị x0, x1, … xn và sự phục hồi lại để nhậnbiết được x*(t) có thể viết dưới dạng:

Ax

* N 2 1 0

N 2 1 0

Trong đó A là toán tử thể hiện, B là toán tử phục hồi Toán tử A và B có thể là tuyếntính hoặc phi tuyến Một toán tử thể hiện có thể sử dụng nhiều toán tử phục hồi khác nhau vàngược lại

Sai số của quá trình rời rạc hóa:

1.6.2 Một số toán tử thể hiện và toán tử phục hồi tuyến tính

x

(

B

xdt)t(x)t(V)

t

(

Ax

* N

i i iN

i

T i

0 2

1 0

0

với i = 0, 1, 2 …N

Vi(t) là hàm trọng lượng, Wi(t) là hàm cơ sở

Các hàm Vi(t), Wi(t) có thể là một trong các trường hợp sau:

 Là hệ số của một dãy nào đó x i

 Là các giá trị tức thời x t (i),

Khi đó Vi(t) = δ(t-ti) là hàm delta Dirac, các giá trị rời rạc được thể hiện như hình vẽsau:

Xi

t

 Là các hiệu hữu hạn

(t ) N ( )kCkNx(ti kT )

k i

∆x(ti) = x(ti)- x(ti-T0) = x(ti) - x(ti-1)

Vi(t) = δ(t-ti) - δ(t-ti+T0) =δ(t-ti)-δ(t-ti-1)

Quá trình phục hồi đường cong trong tất cả các trường hợp đều có thể biểu diễn dướidạng một đa thức bậc N, so với tín hiệu x(t) thì x*(t) là 1 đường cong gần đúng(ví dụ đườngcong gấp khúc) Khi xi là các giá trị tức thời thì đường cong này được gọi là đường nội suytuyến tính Khi xi là các hiệu hữu hạn thì theo các giá trị này ta xây dựng các giá trị tức thờix(ti) sau đó xây dựng các đường cong gần đúng Vì thế việc phục hồi có thể coi là một phéplọc tuyến tính với các hàm xung Wi(t) Khi phục hồi phải đảm bảo sao cho sai số là nhỏ nhất.Quá trình phục hồi đảm bảo tối ưu rất khó khăn

1.6.3 Quá trình rời rạc hóa thích nghi

Có hai cách như sau:

 Cho khoảng ∆, nếu tín hiệu chưa vượt quá thì chưa chuyển tiếp

 Thực hiện tuyến tính hoá, coi ξ là sai số nhất định để tuyến tính hoá

Nhận xét: Khi tiến hành rời rạc hoá thích nghi thì các khoảng thời gian là không cònđều nhau.

1.7 Lượng tử hoá tín hiệu

1.7.1 Cách lượng tử hóa

Lượng tử hoá theo mức, đó là việc làm tròn các giá trị tín hiệu đến giá trị lượng tử gần

nhất(có hai cách làm tròn là theo kiểu cắt bỏ hoặc theo kiểu làm tròn với nửa bước lượng tử)

Tức là mỗi giá trị được làm tròn khác với các giá trị ban đầu (giá trị thực) của tín hiệu mộtlượng gọi là sai số làm tròn

Lượng tử hoá theo mức thực chất là quá trình rời rạc hoá theo mức, thường người ta sửdụng các chuyển đổi A/D Thường có 2 cách lấy lượng tử:

∆ là mức lượng tử hóa

ξ là sai số làm tròn

Trong nhiều trường hợp thì lượng tử hoá đều

hiệu quả không cao

∆ ≠ CONST

∆ thay đổi phụ thuộc vào độ lớn của tín

hiệu và sai số làm tròn cho phép ξ0

1.7.2 Sai số của phép lượng tử hoá

Ta nhận thấy độ lớn của ξ không vượt quá một nửa bước rời rạc hoá ∆/2 Nếu tín hiệuvào không biết một cách chính xác thì sai số làm tròn ξ là một đại lượng ngẫu nhiên Khibước lượng tử hoá ∆ nhỏ có thể coi luật phân bố của đại lượng ngẫu nhiên ξ là gần đúng vớiphân bố đều

0

22

khi

-1)

=

2

2 2

2

2

2 2

12

1dd

)(P

Tức là sai số bình quân phương cuả quá trình lượng tử hoá chiếm 0,29 bước lượng tử hoá

Ví dụ: Một máy tính 8 bit thì có thang đo chia làm 28 vạch Vậy một vạch là:

1.8 Mã hoá và một số phương pháp mã hoá

* Mã hoá: Mã hoá là thay thế các ký hiệu dạng này thành cách ký hiệu dạng khác.Mã: Là tập hợp các con số để thể hiện, số con số của mã được gọi là cơ số Trong kỹthuật thường dùng cơ số 2, các con số là con số 1 và con số 0 đại diện cho 2 trạng thái có điện

và không có điện trong kỹ thuật

Nếu như có n giá trị lượng tử hoá được đánh số từ 1-n thì số dãy mã cơ số 2 (m) cần để

mã hoá n giá trị làc m ≥ log2N Số dãy mã là nguyên dương

1.9 Sự dư thừa thông tin và phương pháp giảm

1.9.1 Hiện tượng dư thừa thông tin.

nhiều khi thông tin thừa không có ích Theo kinh nghiệm thì khoảng 5% thông tin từ vũ trụ là

có lợi

tin thừa rất nhiều

1.9.2 Nguyên nhân tạo thông tin thừa.

Do đo quá gần nhau các giá trị của một đại lượng biến thiên chậm

Đặt các sensor quá gần nhau khi cần đo một đại lượng vật lý

Mã hoá thông tin không tối ưu

Rời rạc hoá không thích nghi

1.9.3 Cách đánh giá thông tin thừa

+Đánh giá sự dư thừa theo phần tử

Giả sử có n phần tử thông tin truyền đi mà chỉ cần có n0 phần tử như vậy sẽ dư thừa

1.9.4 Các phương pháp giảm sự dư thừa thông tin.

Để giảm sự dư thừa thông tin trước hết ta phải chọn khoảng thời gian thực hiện phép đocho phù hợp, chọn vị trí đặ các sensor hợp lý, thực hiện mã hoá tối ưu, tiến hành rời rạc hoáthích nghi

Để giảm thông tin thừa, phải xác định số lượng tối ưu các giá trị tức thời

Có hai cách giảm thông tin:

- Cách 1: Từ thiết bị đo trước khi vào thiết bị gia công: giảm thông tin thừa

-Cách 2: Giảm thông tin thừa ngay tại ở thiết bị đo

1 Kỹ thuật tương tự: Tác động nhanh song kém chính xác: Có 2 phương pháp

a Phương pháp ngoại suy bậc thang ( đa thức bậc 0)

Cách làm: Thực hiện vẽ đường p(t)và liên tực tính sai số : C = /p(t)-x(t)/ sau đó tiến hành so sánh ở thời điểm /p(t)-x(t)/ = Co thì ta tiến hành đo giá trị x(t) Kết quả đượcthực hiện nhưsau:

b Phương pháp nội suy tuyến tính

p(ti) = x(ti-1) +x'(ti-1).Δt

Chọn: /p(ti) - x(ti) /= Co

Đầu ra của bộ so sánh có tín hiệu điều khiển

Suy ra thời điểm so sánh: / x(ti-1) +x'(ti-1).Δt -x(ti)/ = / x'(ti-1).Δt -Δx/ = Co

2.Kỹ thuật số:

a, Algôrit ngoại suy bậc thang:

+ Ở thời điểm to , giả sử có x0

Δx(t)

bộ SS lệnh đến TB đo

x'(ti-1 )

bộ trừ 2

vi phân K 2 bộ nhớ

2

bộ nhân

+ x0 được nhớ vào Ram cùng lúc có thể có thể truyền đi hoặc đưa vào xử lý.

+Ở thời điểm t1 xuất hiện x1

+ Tính độ sai lệch giữa hai giá trị C(t1) = /x1 - x0/

+ So sánh giữa C(t1) với C0 cho trước; nếu C(t1) < C0 thì x1 bị loại bỏ, coi như thông tin thừa, tiếptục điểm thứ hai

+ Ở thời điểm t2 xuất hiện x2

+Tính C(t2) = /x2 - x0/

+So sánh giữa C(t2) với C0

+ Nếu C(t2) < C0 thì x2 bị loại bỏ coi như thông tin thừa và cứ tiếp tục

+ t3 xuất hiện x3

+ Giả sử ở 1 thời điểm tk xuất hiện xk mà có C(tk) ≥ C0 Lúc đó giá trị xk được ghi lại và đượctruyền đi hay đưa vào xử lý còn x0 được xoá; khoảng thời gian rời rạc là : Δtk = tk - t0 ; t0 làđiểm đầu của đường ngoại suy, tk là điểm cuối của đường ngoại suy đó

b, Algôrit nội suy tuyến tính:

+ Ở thời điểm to → x0

+ x0 được nhớ vào RAM cùng lúc có thể có thể truyền đi hoặc đưa vào xử lý

+Ở thời điểm t1 xuất hiện x1 : được nhớ nhưng không truyền đi

+ Ở thời điểm t2 xuất hiện x2; x2 được nhớ nhưng không truyền đi

+ Tính tỷ số các số gia bậc 1 của đa thức nội suy lagrăng đi qua 2 điểm x0 và x2

P1( t1) = x0 + ∇( , )(t t t2 0 1−t0)

+Tính độ sai lệch ở t1 : C(t1) = /x1 - p1(t1)/

+So sánh giữa C(t1) với C0 cho trước; nếu C(t1) < C0 thì tín hiệu sẽ không truyền đi coi như TT

thừa

+ t3 xuất hiện x3 ; x3 được nhớ , không truyền đi

+ Tính tỷ số các số gia bậc 1 với đa thức nội suy P2 :

P1( t2) = x0 + ∇( , )(t t t3 0 1−t0)

+ Tính độ sai lệch của phép nội suy tại t1 , t2

C(t1) = /x1 - p2(t1)/

C(t2) = /x2 - p2(t1)/

+ So sánh C(t1) và C(t2) vớiC0

+ Nếu C(t1) < C0

và C(t2) < C0

thì giá trị x2 không chấp nhận và không được truyền đi coi như TT thừa

+ Giả sử ở tk nào đó xuất hiện xk và đa thức nội suy là

Đoạn thẳng tiếp theo sẽ đi qua điểm xk-1 và giá trị tiếp theo của quá trình rời rạc hoá thích nghi

1.10 Nhiễu và các phương pháp chống nhiễu

Thiết bị thu và xử lý Nhiễu

1.10.2 Các loại nhiễu

Nhiễu cũng như tín hiệu cũng được phân thành 2 loại:

+Nhiễu ngẫu nhiên là các dãy xung có biên độ, độ dài, thời gian xuất hiện 1 cách ngẫunhiên

+Nhiễu hệ thống là các nhiễu có giá trị không đổi hoặc thay đổi có quy luật Ví dụ nhưnhiễu do sự thay đổi chậm của nhiệt độ, độ ẩm v.v Nhiễu hệ thống thì có thể loại trừ được,còn với nhiễu ngẫu nhiên thì không thể loại trừ được

1.10.3 Các phương pháp chống nhiễu

Có nhiều phương pháp chống nhiễu, nhìn chung được chia thành 4 loại như sau

a Các phương pháp điều chế chống nhiễu

+Điều chế: là sự tác động của tín hiệu đo lên một

thông số của tín hiệu mang

+Sự ảnh hưởng của nhiễu phụ thuộc nhiều vào

các dạng diều chế, tín hiệu mang có thể là điện áp xoay

chiều hình sin, tần số cao

a.1 Điều chế với tín hiệu mang là điện áp xoay

chiều hình sin, tần số lớn

Tín hiệu mang: u=Umaxsin(ωt+ψ)

+Umax: Biên độ cực đại

+ω: tần số góc, ω = 2πf

+ψ: góc pha đầu

* Điều biên

Khi tín hiệu đo tác dụng lên Umax thì ta có

điều chế biên độ (AM -Modulation Amplitude)

*Điều tần

(FM - Frequency Modulation)

Tín hiệu đo tác động lên tần số của tín hiệu

mang Khi tín hiệu đo lớn thì tần số cao và ngược lại

Khi dùng điều chế loại nào thì ta dùng giải điều

chế loại đó Trong hai phương pháp trên thì phương

pháp điều tần là ít chịu ảnh hưởng của nhiễu nhất

ω t

x * (t)

a.2 Điều chế với tín hiệu mang là xung Thường

điều chế dùng xung chữ nhật

+Điều chế biên độ xung

Tĩn hiệu đo tác động vào biên độ xung

+Điều chế tần số xung

Tín hiệu đo tác động vào biên độ xung

+Điều chế tần số xung

Tín hiệu đo tác động vào tần số của xung, ở đâu

tín hiệu đo lớn thì tần số sẽ lớn và ngược lại ở đâu tín

hiệu nhỏ thì tần số sẽ thấp

+Điều chế độ rộng xung

Tín hiệu đo tác động lên độ rộng của xung, ở

đâu tín hiệu đo lớn thì độ rộng của xung lớn hơn, ở

đâu tín hiệu nhỏ thì độ rộng xung hẹp hơn, thực ra là

điều chế thời gian xung

+Điều chế mã xung

Là cách điều chế theo mã, ở đâu tín hiệu lớn thì

mã có số lớn, ở đâu tín hiệu nhỏ thì mã có số nhỏ

Phương pháp điều chế mã xung có độ chống nhiễu tốt

nhất Bởi vì với phương pháp này thì nhiễu thay đổi

được 1 ký hiệu mã từ 1 thành 0 hoặc ngược lại thì

Mã số lớn hơn

Mã số nhỏ nhất

x * (t)

t

1 0 1

Trong thực tế để truyền tín hiệu đi xa ngoài điều chế mã xung người ta còn kèm thêmmột điều chế khác nữa

Ví dụ: Kèm với điều tần, để truyền đi một mã 101

Ngoài ra còn sử dụng mã sửa sai và mã kiểm tra để chống nhiễu

Người ta cũng có thể sử dụng mã kiểm tra và một mã sửa sai vì nhiễu khi nhiễu vẫn cókhả năng làm thay một ký hiệu của mã

Ví dụ: mã chẵn lẻ là mã kiểm tra

Nguyên tắc của việc này là: tất cả các dãy số phát đi phải có con số 1 là chẵn, nếu như

số số 1 là lẻ thì đầu phát phải cộng thêm 1 để có số 1 là chẵn Khi đó ở đầu thu nếu thấy số số

1 là lẻ nghĩa là dẫy mã đó sai và phải kiểm tra và truyền lại

b Các phương pháp thu chống nhiễu

Tại phần thu người ta sử dụng các bộ lọc để lọc nhiễu

2

nk n

k nk

un

unu

nu

nCvào

Kết luận: ta thấy khi thu nhiều lần thì sẽ tăng tỷ lệ công suất ra và công suất vào lên nlần Vậy về lý thuyết thì với phương pháp trên có thể thu được tín hiệu dù nhỏ đến đâu.Trong thực tế thay vì thu nhiều lần người ta có thể sử dụng nhiều kênh thu

c Phương pháp hàm tương quan

(chỉ dùng với tín hiệu tuần hoàn)

Giả sử ở đầu thu ta thu được tín hiệu

x(t) = p(t) + b(t)

Trong đó: p(t) là tín hiệu có ích

b(t) là tín hiệu nhiễu

Khi cho tín hiệu x(t) qua tương quan kế thì ta sẽ xác định được tín hiệu p(t) bởi vì:

τ

−+

τ

−+

τ

−+

τ

−+

T T

T x

dt)t(b)

t(bTdt)t(p)

t(bTdt)t(b)

t(pTdt)t(p)

t(pT

dt)t(b)

t(b)t(p)

t(b)t(b)

t(p)t(p)

t(pT)

(

R

0 0

0 0

0

11

11

Giả thiết là nhiễu (tạp âm) độc lập với tín hiệu p(t)

Với những điều kiện trên (quy tâm, mx(t)=0) thì các hàm hỗ tương quan đều bằng 0 với bất

Như vậy |τ| > τtương quan thì chỉ còn

Rx(τ) = Rp(τ) là hàm tương quan của tín hiệu tuần hoàn Thực ra ta có

πn

n n

Như vậy tín hiệu đã bị biến dạng vì biên độ là bình phương của môdun, mất tín hiệu vềpha, tần số giữ nguyên Nếu p(t) là hình sin thì nó không bị biến dạng

d Dùng phản hồi để chống nhiễu.

Ta có thể dùng nhiều mạch phản hồi để ổn định hệ thống, chống nhiễu

Ví dụ Ta có thể sử dụng mạch phản hồi như sau:

Các mạch phản hồi I, phản hồi từ tâng thu liên hệ với tầng phát, nếu tín hiệu thu nhận bịthay đổi do nhiễu thì nhờ mạch phản hồi sẽ hiệu chỉnh được tín hiệu phát để bù laị ảnh hưởng củanhiễu

Nếu hệ sử dụng mã kiểm tra thì mạch phản hồi có nhiệm vụ thông tin ngược lại cho bộphận mã hoá nếu tín hiệu nhận được là sai

1.11 Các tín hiệu điều chế số cơ bản

1.11.1 Khái niệm

Trong hệ thống thông tin, có ba dạng điều chế số cơ bản là: điều chế khoá dịch biên độASK, điều chế dịch tần FSK và điều chế khoá dịch pha PSK hình (2-…) mô tả các dạng tínhiệu điều chế này Sau đây, ta sẽ đi vào phân tích cụ thể các dạng điều chế

TÝn hiÖu nhÞ ph©n ASK FSK

Hình (2-……): Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, FSK, PSK.

(c) P(dB)

(d) P(dB)

H×nh 5.2 Phæ c«ng suÊt tÝn hiÖu khi ®iÒu chÕ sè.

1.11.2 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 làcách điều chế sóng mang đơn giản nhất

Trường sóng tín hiệu có thể viết như sau:

E s (t) = E 0 m(t)cos[ω0 t+φs (t)] (2.*)

Trong đó A s = E 0 m(t) là biên độ được điều chế thông qua tín hiệu điều chế m(t), ω0 và φs

được giữ là hằng số Vì là điều chế số nên m(t) chỉ có 2 giá trị 0 và 1 tương ứng với các bit 0

hay 1 cần được phát đi Trong hầu hết các trường hợp thì A s có giá trị bằng 0 khi truyền cácbit 0 Dạng phổ tín hiệu của ASK được biểu thị trong hình (2- a)

1.11.3 Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK.

Trong dạng điều chế FSK, thông tin được mã hoá trên sóng mang bằng cách dịch tần sốsóng mang ω0 dựa theo biểu thức () Với dạng tín hiệu số ở dạng điều chế này, biên độ sóngmang giữ không đổi, còn tần số ω0 có 2 giá trị là (ω0 -∆ω) và (ω0 +∆ω), tuỳ thuộc vào tín hiệu

phát đi là bit 0 hay 1 Sự dịch ∆f = ∆ω/2π 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 sóng tín hiệu của dạng điều chế FSK được viết như sau:

E s (t) = E 0 cos[(ω0 t+m(t) 2π∆f)+φs ] (2- )

Với m(t) có thể nhận 2 giá trị ±1 ứng với bit 1 và bit 0(Ví dụ bit 1 là 90 khz ; bit 0 là 60

khz)Nếu 2∆f là độ lệch tần đỉnh- đỉnh thì tham số β = 2∆f/B được gọi là chỉ số điều chế tần

số Tương ứng với các β khác nhau sẽ có các sơ đồ khác nhau

Hình (2-…): Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số.

1.11.4 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 điềuchế φs trong biểu thức (2.*), trong khi đó thì biên tần A s =E 0 và tần số ω0 của sóng mang đượcgiữ là hằng số Khi đó có thể viết như sau:

E s (t) = E 0 cos[ω0 t+m(t) π]

Trong đó m(t) nhận các giá trị 0 và 1 ứng với các bit 0 và 1, điều này có nghĩa là pha φs

mang như thể hiện trong hình (2 d) 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 chếPSK như vậy có thể viết

E s (t) = E 0 cos[ω0 t+m(t) π]

Trong thực tế chỉ khác ở quy luật mã vì trong DPSK, thông tin được mã hoá theo sựkhác nhau về pha giữa hai bít kế tiếp nhau Ưu điểm của điều chế DPSK là tín hiệu phát cóthể được điều chế thành công cho đến khi pha sóng mang duy trì khá ổn định trên độ dài haibít Điều chế này thường được dùng trong các hệ thống thực tế, vì không cần các bộ giải điềuchế phức tạp mà vẫn cho đặc tính tốt

CHƯƠNG 3

CÁC PHẦN TỬ CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG THÔNG TIN CÔNG NGHIỆP

1.12 Kênh liên lạc và đặc tính của kênh liên lạc

1.12.1 Khái niệm về kênh liên lạc

Là tập hợp tất cả các thiết bị kỹ thuật làm nhiệm vụ truyền độc lập các thông tin đo, baogồm thiết bị phát, thiết bị thu và dây liên lạc

Thiết bị phát, thiết bị thu phụ thuộc vào loại tín hiệu truyền trên dây liên lạc Dây liênlạc bao gồm : Dây hữu tuyến và dây vô tuyến

Dây hữu tuyến : Hệ thống nhìn thấy dây

Dây vô tuyến : Hệ thống không nhìn thấy dây : Sóng điện thoại, sóng radio…

1.12.2 Các đặc tính của kênh liên lạc

1 Dung lượng kênh liên lạc.

V k = T k H k F k

Tk : Khoảng thời gian truyền của tín hiệu

Fk : Dải tần của kênh liên lạc

Hk : Tỷ số công suất phát tín hiệu & công suất nhiễu

2 Tốc độ truyền của kênh liên lạc.

V k = I/T

Vk : Tốc độ truyền của kênh liên lạc

I : Lượng thông tin

T : Thời gian truyền của kênh liên lạc

Khi T = 1s → Vk = I

Tốc độ truyền của kênh liên lạc là lượng thông tin truyền qua kênh liên lạc trong khoảng thờigian là 1s

1.13 Dây liên lạc

1 Dây liên lạc hữu tuyến.

Như dây cáp đồng, Fe, cáp quang, đường dây tải điện

a Đường dây cáp đồng.

Khi truyền tín hiệu trên đường dây bằng kim loại luôn có sự tắt dần của tín hiệu, phụthuộc vào tần số của tín hiệu

Đường dây cáp Cu cho phép tín hiệu có tần số f < 180 KHz

Pvào : Công suất phát của tín hiệu tại đầu phát

Pra : Công suất của tín hiệu thu được

b Đường dây cáp bằng sắt.

Có đặc điểm nhu dây cáp bằng đồng, tuy nhiên chỉ cho phép tín hiệu có tần số f <30KHz.

c Đường tải điện (Tải ba PLC power line comunication).

Tải ba là hệ thống truyền tin sử dụng các đường dây truyền tải điện cao áp, chủ yếuđược dùng để truyền đi một cách tin cậy tiếng nói, dữ liệu về quản lý năng lượng và các tínhiệu bảo vệ hệ thống điện Thông thường hệ thống PLC được sử dụng cho việc thông tin liênlạc bằng điện thoại trong mạng thông tin nội bộ trong ngành điện PLC cũng cho phép truyềncác tín hiệu điều khiển và bảo vệ hệ thống điện Các tín hiệu điều khiển và bảo vệ này nhằmbảo vệ các đường dây truyền tải điện trọng yếu cũng như các phần tử quan trọng khác trong

hệ thống điệ n Đồng thời, hệ thống PLC cũng cho phép kết nối các máy tính với nhau trongmạng máy tính diện rộng của ngà nh điện cũng như cho phép các máy Fax liên lạc được vớinhau

Thông thường PLC được dùng để truyền thông tin trên một khoảng cách trung (từ 20đến 100 km) hoặc khoảng cách dài (100 đến 500 km)

Đường dây tải điện đã được xây dựng sẵn được kết hợp làm đường dây liên lạc cho nêndẫn đến tiết kiệmđược chi phí, mặt khác đường dây cao áp được tính toán xây dựng khôngnhững có thể chịu đựng được các điều kiện thời tiết xấu mà cả dạng thiên tai có thể xảy ra

Do vậy tương ứng kênh liên lạc sử dụng hệ thống tải ba cũng có độ tin cậy cao

Sơ đồ như sau :

Hiện nay ngành điện lực nước ta sử dụng nhiều hệ thống thông tin tải ba khác nhau như:+Hệ thống tải ba ABC do Nga xản xuất

+Hệ thống tải ba ESB do hãng Siements (Đức) sản xuất

+ Hệ thống tải ba ETL do hãng ABB (Thuỵ Điển) sản xuất

+ Hệ thống tải ba CPL do hãng CEGELEC (Pháp) sản xuất

Sau đây là sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống thông tin tải ba CPL

Hệ thống tải điệ n có công suất lớn thường có yêu cầu về độ an toà n cao và truyền tảiđiện trên phạm vi rộng Hệ thống thông tin tải ba sẽ giú p cho việc trao đổi thông tin, số liệugiữa cá c vị trí địa lý khác nhau trong hệ thống điện Nhờ được thiết kế một cách đặc biệt choviệ c thông tin liên lạc, thiế t bị thông tin tải ba CPL -306 cho phép truyền tín hiệu theo kiểuđiểm nối điểm từ 2 đến 6 kênh truyề n làm việc song song, sử dụng môi trườ ng truyền tin làđường dây trên không hoặc dây cáp cao áp Dữ liệu ban đầu dưới dạng tín hiệu tương tự đượctruyền đến các bộ điều chế, khuếch đạ i rồi gửi đến môi trường truyền tin qua một bộ ghépnối ở cuối đườ ng truyền, mộ t thiế t bị thu sẽ khôi phục lại một cách chính xác dữ liệu đãđược truyền đi Sơ đồ hoạt động của hệ thống thông tin tải ba có thể được mô tả rõ hơn tronghình sau

RP: rơle bảo vệ

RTU: thiết bị đầu cuối

PAX: thiết bị chuyển mạch

FAX: máy Facsimile

Chức năng của các thiết bị trong hệ thống tải ba:

Từ hình 6.2 ta thấy hệ thống thông tin tải ba bao gồm các thiết bị chủ yếu nằm về phíađiện áp cao như sau:

- Cuộn kháng bẫy sóng hay còn gọi là cuộn cản LT (Line Trap)

- Tụ điện ghép nối CC (Coupling Capacitor)

- Thiết bị ghép nối CD (Coupling Device)

Chức năng chính của các thiết bị này là:

Cuộn bẫy sóng:

Các tín hiệu thông tin tải ba thường được truyền trên đường dây cao áp là các tín hiệu đolường từ xa, tín hiệu điều khiển từ xa, tín hiệu điện thoại, điện báo (Telex) Cuộn bẫy sóngđược thiết kế để ngăn chặn những tín hiệu sóng mang cao tần Chúng được mắc nối tiếp trênđường dây cao áp và đặt ở các trạm biến áp Do đó chúng phải được thiết kế để chịu đựngđược dòng điện làm việc lâu dà i lớn nhất và kể cả dòng điện ngắn mạch có thể xuất hiện trênđường dây đó Đối với cuộn bẫy sóng:

Tổng trở: Z = w.L

Mà: w = 2.pi.f = 2.pi.f.L

Từ biểu thức trên ta có thể thấy tổng trở Z và tần số f tỷ lệ thuận với nhau Do đó:

Nếu f nhỏ thì Z nhỏ cho nên dòng điện có tần số nhỏ (tần số của điện công nghiệp 50Hz) dễ dàng qua được Còn nếu f lớn (khoảng 40 đến 500 KHz) thì Z rất lớn, như vậy cuộnbẫy sóng có tính chất cản trở không cho dòng tín hiệu tần số sóng mang đi qua

Tụ điện ghép nối cũng giống như các tụ điện thông thường được mắc trong mạch nhằmngăn cản tần số điện lực không cho qua thiết bị PLC đồng thời cho các tín hiệu cao tần đi quamột cách dễ dàng để đi đến thiết bị PLC Như ta đã biết tổng trở của mạch thuần dung là:

Như vậy tổng trở của tụ ghép nối tỷ lệ nghịch với tần số Đối với tần số điện lực (50 Hz)thì f nhỏ đ Z lớn làm cho tín hiệu khó qua được Đối với tần số sóng mang (40 - 500 kHz) thì

f lớn thì Z nhỏ làm cho tín hiệu dễ dàng đi qua được Một đầu của tụ điện ghép nối đấu vàođường dây cao áp (trước cuộn bẩy sóng) còn đầu kia được nối đến thiết bị ghép nối giao tiếp

Giá trị của tụ điện ghép nối trên thực tế khoảng 1500 đến 7500 pF và giá trị này phụ thuộcvào trở kháng của đường dây cao áp.

Thiết bị ghép nối là thiết bị giao tiế p giữa đường dây cao thế (HV line) và thiết bị thôngtin tải ba PLC Phần chủ yếu của thiết bị ghép nối là bộ lọc với tác dụng cho tín hiệu tần sốsóng mạng đi qua và ngăn lại không cho dòng điện tần số lưới điện đi qua nhằm bảo vệ cácthiết bị viễn thông PLC khỏi phần điệ n áp cao cũng như quá điện áp trong hệ thống điện.Ngoài module lọc ra, thiết bị ghép nối còn bao gồm cuộn dây bảo vệ (drain coil), thiết bịphóng điện chân không, bộ phận nối đất bên ngoài và vỏ đứng

Sơ đồ ghép nối trong trường hợp có nhiều trạm như sau

A, B, C, D: các trạm biến áp

1 Thiết bị ghép nối

2 Thiết bị chuyển mạch vạn năng

3 Thiết bị PLC

Có thể sử dụng các sơ đồ ghép nối khác nhau như ghép nối pha-đất, ghé p nối pha -pha,ghép nối liên mạch Thiết bị ghép nối loại GC 305 của hãng CEGELEC (Pháp) được chế tạodưới hình thức một hộp plastic không thấm nước và có 2 mạch quan trọng:

- Một mạch bảo vệ nhằm đảm bảo độ an toàn cho nhân viên vận hành và bảo vệ thiết bịtải ba khỏi ảnh hưởng của phần cao áp của hệ thống điện và điện áp xung của quá trình quá độ

- Một mạch thích ứng có thể điều chỉnh trở kháng của thiết bị tải ba cho phù hợp vớiđường dây của hệ thống điện Mạch bảo vệ được cấu tạo gồm:

- Một dao nối đất mà nó sẽ nối đất đầu cực điện áp thấp của tụ ghép nối khi cánh cửahộp mở ra Công tắc nối đất này được hoạt động bởi tay cửa trên mặt trước của cánh cửa tủ.Với tay của cửa này nằm ngang thì công tắc nối đất ở vị trí mở, cửa tủ có thể đóng lại (vị trívận hành) Với tay cửa nằm ở vị trí dọc, công tắc nối đất được nối ở vị trí nối đất (được đónglại) ở vị trí này, sự truyền tín hiệu bị ngưng lại và có thể mở cửa tủ ra trong suốt quá trìnhbảo dưỡng để sửa chữa thiết bị một cách an toàn

- Một thiết bị phóng điện chống sét với điện áp định mức là 500 V được nối giữa cựcđiện áp thấp của tụ ghép nối và đất Nó được dùng để giới hạn những điện áp đỉnh xung nguyhiểm để bảo vệ cho thiết bị thông tin và người vận hành được an toàn

- Một cuộn dây bảo vệ được nối song song với thiết bị phóng điện chống sét tạo mộtđường thoát đến đất cho dòng điện tần số lưới bị rò qua tụ ghép nối Nó sẽ có một điện khánglớn hơn 5000 Ohm ở tín hiệu tần số sóng mang

- Một cầu chì bảo vệ của thiết bị tải ba

- Một thiết bị phóng điện chống sét thứ cấp với điện áp định mức là 600 V giới hạn điện

áp tăng vọt bất thường

d Đuờng dây cáp quang.

+ Thông tin được mã hoá dưới dạng ánh sáng

+ Tốc độ truyền thông tin là lớn nhất

+ Số lượng truyền đi là lớn

+ Khả năng chống nhiễu rất cao

* Nhược điểm :

Giá thành đắt, đầu nối phức tạp, cáp quang không dược bẻ cong một góc <1200

tín hiệu Sau độ dài nhất định người ta cần phải đặt trạm khuyếch đại tín hiệu

2 Đường dây liên lạc vô tuyến.

+ Chỉ dùng trong trường hợp không dùng dược dây hữu tuyến Vì dây vô tuyến có nhiễulớn Do diều kiện, không khí …

+ Sử dụng các sóng điện từ lan truyền trong không gian để truyền thông tin Dây vôtuyến chỉ dùng trong trường hợp không thể nối được dây hữu tuyến

* Đặc điểm : Khi sử dụng dây vô tuyến công suất phát rất lớn

1.14 Các bộ đổi nối

1.14.1 Khái niệm về bộ đổi nối

Bộ đổi nối là thiết bị làm nhiệm vụ gộp nhiều kênh tín hiệu (analog hoặc digital từ cáccảm biến hoặc từ các CĐCH v v) thành một kênh tín hiệu và ngược lại tách một kênh tín hiêuthành nhiều kênh tín hiệu

+ Thiết bị làm nhiệm vụ gộp nhiều kênh tín hiệu thành một kênh tín hiệu được gọi là

bộ dồn kênh(demultiplexor)

+ Thiết bị làm nhiệm vụ ngược lại biến một kênh tín hiệu thành nhiều kênh tín hiệu thìgọi là bộ phân kênh (demultiplexor)

Trong hệ thống thông tin đo lường thì bộ đổi nối và bộ phân kênh thường dùng trong hệ thống

có cấu trúc nối tiếp

Laze Điều chế điện quang Phát quang

Điều chế sơ bộ

Tín hiệu đo

Cáp quang

Bộ dồn kênh và bộ phân kênh có nguyên tắc giống nhau, chỉ khác nhau chiều tín hiệutruyền đi, do vậy ở đây ta chỉ tìm hiểu về bộ dồn kênh còn bộ phân kênh tương tự, như vậy ta

sẽ gọi chung là bộ đổi nối

1.14.2 Các phương pháp đổi nối (multiplexing)

+ Phương pháp đổi nối phân chia thời gian (Time Division Multiplexing -TDM)Trong phương pháp này mỗi một kênh tín hiệu sẽ được truyền đi trong một khe khoảng thờigian (time slot) nhất định nào đó Phương pháp đổi nối này thường dùng trong hệ thống thôngtin đo lường trong công nghiệp

Ngoài ra:

+ Phương pháp đổi nối phân chia tần số (Frequency Division Multiplexing -FDM ) Trong phương pháp này mỗi một kênh tín hiệu được ấn định với một tần số khác nhau.Phương pháp này thường dùng trong phát thanh, truyền hình v.v

+ Phương pháp đổi nối phân chia bước sóng (Wavelength Division Multiplexing WDM)) Mỗi một kênh tín hiệu được ấn định với một bước sóng cụ thể khác nhau; thường

sử dụng khi dùng trong hệ thống có sử dụng cáp quang

1.14.3 Bộ đổi nối phân chia thời gian

1 Nguyên lý làm việc

Cảm biến 1 (hoặc thiết bị hiển thị ) Cảm biến 2 (hoặc thiết bị hiển thị )

Cảm biến n (hoặc thiết bị hiển thị )

y(t)

x2(t)

x1(t)

xn(t)

Multiplexor

Demultiplexor

Các chân địa chỉ