Nghiên cứu các đặc tính kênh truyền tốc độ cao và sự truyền dẫn thông tin đa sóng mang trên mạng điện lực : Luận văn ThS. Kỹ thuật điển tử - viễn thông: 2 07 00

Hình 2.20: Dung lượng lý thuyết của kênh PLC trong dải indoor với khoảng cách 60m giữa máy phát và máy thu với công suất phát trên kênh khác nhau Hình 2.21: Mật độ phổ công suất xác định

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Trịnh Ngọc Khoa

NGHIÊN CỨU CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TỐC ĐỘ CAO VÀ

SỰ TRUYỀN DẪN THÔNG TIN ĐA SÓNG MANG TRÊN MẠNG

Mục lục

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC BẢNG 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 11

Chương 1: MẠNG ĐIỆN LỰC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TỐC ĐỘ CAO 14

1.1 Một số hệ thống tiêu chuẩn quốc tế 14

1.2 Mạng điện lực và ứng dụng trong truyền thông 14

1.3 Các đặc tính của mạng điện lực 18

1.3.1 Nhiễu trên đường dây điện lực 18

1.3.2 Hàm truyền của một mạng PLC trong dải access 22

1.3.3 Hàm truyền của mạng PLC trong dải indoor 28

1.4 Kết luận 30

Chương 2: KHẢO SÁT MẠNG ĐIỆN LỰC TRONG DẢI TẦN TỪ 0.1MHz ĐẾN 30MHz 32

2.1 Trình bày về giao diện 32

2.1.1 Đặc tính của giao diện 33

2.1.2 Biến thế cao tần 37

2.2 Nghiên cứu lý thuyết và thực hiện thực tế 40

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 40

2.2.2 So sánh các kết quả thực nghiệm và lý thuyết 44

2.3 Các phép đo nhiễu và đáp ứng tần số trong mạng điện lực trong môi trường công nghiệp 44

2.3.1 Các loại nhiễu đo được trên mạng điện lực 44

2.3.2 Đo hàm truyền của mạng điện lực trong các cấu hình khác nhau 51

2.4 Dung lượng kênh truyền 62

2.5 Tổng hợp kết quả 65

2.6 Tiến hành thử nghiệm với modem PLC IOGEAR GHPU01 71

2.7 Kết luận 73

Chương 3: HỆ THỐNG THU PHÁT VÀ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ 74

3.1 Sơ đồ nguyên lý một hệ thống truyền dẫn số 74

3.1.1 Mã hoá: 75

3.1.2 Các kỹ thuật điều chế số (Mã hoá Symbol(biểu tượng) + điều chế ) 76

3.2 Ảnh hưởng của kênh truyền lên tín hiệu đa sóng mang 77

3.2.1 Ví dụ về một kênh truyền điển hình 79

3.3 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT 80

3.3.1 Nguyên lý OFDM/DMT 81

3.3.3 Các giao thoa có mặt trong OFDM/DMT, thời gian bảo vệ và sự cân bằng 83

Chương 4: CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG MANG OQAM 88

4.1 Giới thiệu 88

4.2 Các chức năng của hệ thống 88

4.3 Dải tần của tín hiệu đa sóng mang OQAM 89

4.4 Phần phát và thu của một hệ thống đa sóng mang OQAM 91

4.5 Nguyên lý dàn lọc số 93

4.6 Dàn lọc đa pha và DFT 94

4.6 1 Tính toán mạch lọc nguyên gốc 96

4.6.2 Các hệ số và sự thực hiện 99

4.6.3 Các mạch lọc giao thoa 101

4.7 Kết luận : 105

Chương 5: CÁC KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 106

5.1 Mô phỏng hệ thống OFDM 106

5.2 Mô phỏng kỹ thuật điều chế OQAM 111

5.2.1 Kết quả mô phỏng 113

KẾT LUẬN 117

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 118

TÀI LIỆU THAM KHẢO 119

PHỤ LỤC A: BIẾN THẾ CAO TẦN 121

PHỤ LỤC B: BẢNG CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ 122

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

ADSL: Asymmetric digital subscriber-lines

BER: Bit error ratio

DMT : Discrete multitone

DFT : Discrete Fourier transform

FFT : Fast Fourier transform

ICI: interchannel interference

IFFT : Inverse fast Fourier transform

ISI: Intersymbol interference

ISO: International standard organization

PLC: Powerline communication

OFDM: Orthogonal frequency division multiplexing

OQAM: Orthogonal quadrature amplitude modulation

SNR: Signal to noise ratio

DANH MỤC B ẢNG

Bảng 1: Các giá trị a,b,c xác định mức độ nhiễu trong trường hợp tốt nhất và xấu

nhất

Bảng 2: Dải tần giành cho PLC

Bảng 3: Dung lượng kênh tổng cộng của mạng điện lực (100KHz đến 30MHz) Bảng 4: Dung lượng 84 kênh trong dải in-house (15MHz đến 27MHz)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Mạng PLC

Hình 1.2: Sự chia cắt giữa access và in-door

Hình 1.3: Mạng PLC đề suất

Hình 1.4: Các loại nhiễu trong mạng điện lực

Hình 1.5: Nhiễu đo được trên mạng điện lực ở tần số 1MHz đến 10MHz

Hình 1.6: Ồn xung trong miền thời gian và tần số

Hình 1.7: Cấu hình tiêu biểu của một mạng điện ở châu Âu

Hình 1.8: Sơ đồ tương đương của một dây dẫn điện không có tải chiều dài dz Hình 1.9: Đường cong suy giảm trên 1km vủa một cáp điện lực đa đường

Hình 1.14: Hàm truyền của mạng PLC trong môi trường và trên các khoảng cách

khác nhau (Đặc trưng A) và với các trở kháng của tải khác nhau (Đặc trưng B)

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống truyền dẫn PLC

Hình 2.2: Ví dụ về giao diện

Hình 2.3: Nguyên lý đo và các giá trị đo trở kháng của một bộ nạp ácquy với

chiều dài dây nguồn khác nhau

Hình 2.4: Ví dụ về giá trị trở kháng theo tần số

Hình 2.5: Biến thế cao tần

Hình 2.6: Sơ đồ tương đương của một biến thế cao tần

Hình 2.7: Đáp ứng tần số tiêu biểu của biến thế cao tần ở các nhiệt độ khác nhau Hình 2.8: Sơ đồ mắc và sơ đồ tương đương không có cầu điện trở

Hình 2.9: Đáp ứng tần số lý thuyết và đo được của giao diện không có cầu điện

trở trong dải 1MHz dến 30MHz

Hình 2.10: Sơ đồ mắc và sơ đồ tương đương của giao diện N-Sine

Hình 2.11: Đáp ứng tần số lý thuyết và đo được của giao diện N-Sine

Hình 2.12: Nguyên lý đo nhiễu trên mạng điện lực

Hình 2.13-a: Ồn nền trên mạng PLC

Hình 2.13-b: Nhiễu của một modem PLC hoạt động trong dải CENELEC

Hình 2.13-c: Nhiễu của đèn halogen có độ sáng cực tiểu

Hình 2.13-d: Nhiễu của đèn halogen có độ sáng trung bình

Hình 2.13-e: Nhiễu của đèn halogen có độ sáng cực đại

Hình 2.13-f : Ồn nền trong khi phòng thí nghiệm hoạt động bình thường

Hình 2.13-g: Nhiễu trên mạng điện lực với một máy tính đang hoạt động

Hình 2.13-h : Nhiễu thu được do các đài phát radio khi ta mở rộng dải tần

Hình 2.13-i: Nhiễu xung xuất hiện khi ta bật tắt đèn halogen

Hình 2.14: Sơ đồ phòng thí nghiệm của Trung tâm nghiên cứu Điện tử & Viễn

thông

Hình 2.15:Sơ đồ đo hàm truyền giữa hai ổ cắm

Hình 2.16: Đáp ứng của kênh đối với một tín hiệu cao tần

Hình 2.17: Hàm truyền của một cáp dài 50m tải trở kháng có giá trị khác nhau

Hình 2.18-a: Biên độ hàm truyền giữa ổ cắm 1 và các ổ cắm 2,3,4

Hình 2.18-b: Pha của hàm truyền giữa các ổ cắm 1 và các ổ cắm 2,3,4

Hình 2.18-c: Đáp ứng xung của đường truyền trên cùng một pha

Hình 2.18-d: Biên độ hàm truyền giữa ổ cắm 1 và ổ cắm 4 lúc 7h,10h ,15h và 19h Hình 2.18-e: Pha của hàm truyền giữa ổ cắm 1 và ổ cắm 4 vào lúc 7h, 10h, 15h và

19h

Hình 2.18-f: Hàm truyền giữa ổ cắm 1 và ổ cắm 5 (khác pha điện)

Hình 2.18-g: Pha của hàm truyền giữa ổ cắm 1 và ổ cắm 5 (khác pha điện)

Hình 2.18-h: Đáp ứng xung của đường truyền giữa ổ cắm 1 và ổ cắm 5

(giữa hai pha điện khác nhau)

Hình 2.18-i: Hàm truyền của đường truyền ở các khoảng cách khác nhau

Hình 2.20: Dung lượng lý thuyết của kênh PLC trong dải indoor với khoảng cách

60m giữa máy phát và máy thu với công suất phát trên kênh khác nhau

Hình 2.21: Mật độ phổ công suất xác định trong ETSI

Hình 2.22: Sự phân cách giữa dải access và indoor được xác định bởi đề án của

chuẩn CENELEC tháng 4 năm 2001

Hình 2.23: Sơ đồ kết nối giữa hai máy tính qua mạng điện lực và modem PLC Hình 2.24: Hình ảnh màn hình của một máy tính khi đang truy cập vào máy tính

le1

Hình 2.25: Một máy tính đang chạy chương trình multimedia trực tiếp trên một

máy tính khác

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của một hệ thống truyền thông số

Hình 3.2: Chòm sao và dạng sóng của điều chế số

Hình 3.3: Tín hiệu lối ra của kênh truyền

Hình 3.4: Khai triển một kênh truyền thành nhiều kênh con

Hình 3.5: Các lối ra của N kênh con song song và độc lập với nhau trong sự

truyền dẫn đa sóng mang

Hình 3.6: Ví dụ hàm truyền của một kênh truyền tiêu biểu

Hình 3.7: Nguyên tắc cấp bít theo biểu tượng trong điều chế đa sóng mang

Hình 3.8: Sơ đồ nghuyên lý điều chế OFDM

Hình 3.9: Chức năng lọc của DFT

Hình 3.10: Các sóng mang OFDM thu được khi không có sự cân bằng về pha Hình 3.11: Ví dụ về sự giao thoa intrasymbol

Hình 3.12: Sự phát OFDM không có khoảng thời gian bảo vệ

Hình 3.13: Phát OFDM có thời gian bảo vệ

Hình 3.14: Quá trình chuyển từ miền tần số sang miền thời gian và ngược lại

với sự có mặt của thời gian bảo vệ

Hình 4.1: Đầu cuối của một hệ thống đa sóng mang OQAM

Hình 4.2: Dải tần tín hiệu đa sóng mang OQAM

Hình 4.3: Máy phát tín hiệu đa sóng mang OQAM

Hình 4.4: Máy thu của hệ thống đa sóng mang OQAM

Hình 4.5: Sự chồng phổ giữa hai kênh liên tiếp

Hình 4.6: Nguyên lý truyền dẫn đa sóng mang bằng dàn lọc

Hình 4.7: Dàn lọc đa pha ở máy thu

Hình 4.8: Mạch lọc nguyên gốc lý thuyết

Hình 4.9: Dàn lọc đa pha thu và phát

Hình 4.10: Hàm giao thoa lý thuyết

Hình 4.11: Nguyên lý điều chế OQAM

Hình 5.1: Kết quả mô phỏng OFDM với bộ fft 1024 điểm, số sóng mang là 256

Hình 5.4: Kết quả mô phỏng QAM 16 điểm BER=22.7 % Số bít lỗi =36229

Hình 5.5: Sơ đồ cơ bản hệ thống OQAM băng cơ sở: Điều chế (ở trên ) và giải

điều chế (ở dưới )

Hình 5.6: Kết quả mô phỏng OQAM với FFT 1024 điểm, số sóng mang 256,

MỞ ĐẦU

Ngày nay nhưu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng cao dẫn đến sự quá tải của các mạng truyền thông hiện tại cả mạng hữu tuyến và vô tuyến đòi hỏi phải xây dựng thêm các mạng mới, nhưng công việc này tỏ ra rất tốn kém Từ những yêu cầu trên chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu khả năng truyền dẫn thông tin của mạng điện lực nhằm tạo ra một mạng thông tin mới góp phần giảm sự quá tải của các mạng hiện tại với chi phí thấp.Việc áp dụng mạng điện lực vào truyền thông

có những lợi ích sau

Kinh tế: Vì mạng điện lực là mạng sẵn có, có cơ sở hạ tầng ở mọi nơi, mạng điện lực cho phép truyền tín hiệu mà không cần phải thay đổi hay bổ xung thêm bất kỳ một cơ sở hạ tầng nào Ngoài ra nếu sử dụng mạng điện lực để truyền tin cho phép các nhà kinh doanh điện lực khai thác một thị trường mới và mở rộng phạm vi phục vụ của họ

Thực tế: PLC cho khả năng truy cập internet, telephone, truyền dữ liệu qua mạng điện lực hoặc có thể dùng mạng điện lực theo dõi hoạt động của các máy móc thiết bị của xí nghiệp, công cộng cũng như của gia đình qua một trung tâm điều khiển hoặc một trung tâm phục vụ Trong một gia đình PLC cho phép lắp đặt sử dụng điện thoại, máy tính … ở bất kì chỗ nào trong nhà

chỉ cần có một ổ cắm điện mà không cần phải kéo thêm dây dẫn

Chính vì những lợi ích thiết thực như vậy mà PLC được quan tâm rất nhiều ở các nước phát triển Hằng năm có rất nhiều hội nghị về PLC trên khắp thế giới như hội nghị ISPLC được tổ chức hằng năm trên thế giới là nơi để các nhà khoa học trên khắp thế giới công bố những công trình nghiên cứu của mình về PLC

Các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào PLC với tốc độ thấp khoảng vài kilo bit trên một giây và ở dải tần số thấp (3kHz đến 148,5kHz)

Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu PLC với tốc độ cao hơn, vấn đề này đang được nghiên cứu rất nhiều ở châu Âu Dải phổ dự kiến để truyền dữ liệu tốc độ cao là từ 1MHZ đến 30MHz và được chia thành hai dải con

Dải 1,6MHz đến 12,7 MHz dùng cho mạng ngoài trời (access)

Dải từ 14,35 MHz đến 30MHz dùng cho mạng trong nhà (indoor)

Trong đề tài này chúng tôi đã nghiên cứu modem tốc độ cao, các quá trình truyền dẫn và thử các modem đã có trên thị trường Các hệ thống thử và kiểm tra cho phép mô phỏng các ồn, nhiễu cũng như độ suy hao tín hiệu để đánh giá độ nhạy của modem theo cấu hình khác nhau để hiểu biết và làm chủ công nghệ mới

Các kỹ thuật đa sóng mang được sử dụng trên PLC là OFDM/DMT Kỹ thuật này dùng phương pháp truyền dữ liệu theo khối, mỗi khối phân cách nhau bởi một khoảng bảo vệ (Guard time) kỹ thuật này chia băng tần được phép truyền thành nhiều dải con, mỗi một dải có một symbol hoặc không có tuỳ theo tỷ số tín hiệu trên tạp âm Bộ phận then chốt của kỹ thuật này là bộ biến đổi Fourrier nhanh (FFT)

Các công việc được tiến hành trong đề tài là nghiên cứu khảo sát mạng điện lực trong dải tần dự kiến và phục vụ cho việc truyền thông tin đa sóng mang tốc độ cao Đầu tiên là thiết kế các giao diện ghép nối giữa máy đo, modem với mạng điện lực để đo đạc đánh giá và khảo sát và xác định các tác động nhiễu loạn trên đường truyền với các cấu hình khác nhau trong dải tần đã xét Các bộ ghép nối này hoạt động trong dải tần từ 0.1MHz đến 30MHz cho phép tách tín hiệu có công suất khoảng ¼ walt trên mạng điện lực Đường dây điện lực khi được sử dụng để truyền tín hiệu được đặc trưng bởi độ suy giảm và dịch pha được mô tả bởi hàm truyền qua đó thể hiện đặc tính của kênh trong miền tần số Biên độ của hàm truyền hiển thị độ suy giảm của một tín hiệu khi truyền qua kênh, trong khi đó đáp

ứng pha cho ta độ trễ của tín hiệu

Trong luận văn này chúng tôi cũng đã tiến hành các phép thử trên modem PLC GHPU01 của hãng IOGEAR (Đài Loan) với tốc độ bít 12Mbps hoạt động trên mạng điện lực của trung tâm nghiên cứu điện tử viễn thông Ngoài ra chúng tôi cũng đã nghiên cứu sơ đồ lý thuyết modem của hãng intellon có 84 kênh ở dải tần 4,3 MHz đến 20,9MHz

Chúng tôi cũng đã nghiên cứu, tính toán lý thuyết và mô phỏng về dàn lọc và kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM dùng phép biến đổi FFT cũng như các dàn lọc phân tích và tổng hợp dùng kỹ thuật OQAM

Chúng tôi cũng nghiên cứu, mô phỏng các thuật toán để làm giảm các nhiễu xung, các ồn nền, nhiễu dải hẹp trong dải tần

Luận văn gồm năm chương Chương một chúng tôi đề cập đến mạng PLC với các vấn đề liên quan như các chuẩn quốc tế các khái niệm kỹ thuật trong PLC và các đặc tính của một kênh PLC Chương 2 là vấn đề về giao diện, những kết quả nghiên cứu và khảo sát cũng như kết quả kểm tra khả năng truyền thông tin với modem đa sóng mang GHPU01 trên mạng PLC và dung lượng kênh truyền Các phương pháp truyền dẫn và các kỹ thuật điều chế đa sóng mang chúng tôi đề cập đến ở chương 3 Chương bốn chúng tôi trình bày dàn lọc và các kỹ thuật điều chế

đa sóng mang dùng kỹ thuật OQAM và cuối cùng là chương năm với các kết quả

mô phỏng về kỹ thuật điều chế đa sóng mang

Chương 1: MẠNG ĐIỆN LỰC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TỐC

ĐỘ CAO 1.1 Một số hệ thống tiêu chuẩn quốc tế

Trong chương này chúng tôi đưa ra một số những khái niệm về mạng điện lực và truyền tín hệu trên mạng điện lực, các tiêu chuẩn của châu âu và thế giới về truyền thông nói chung và truyền thông tin trong mạng điện lực nói riêng

European Telecommunications Standards Institute (ETSI) là một tổ chức phi lợi nhuận và độc lập, nhiệm vụ của nó là thiết lập lên các tiêu chuẩn về truyền thông cho hiện tại và tương lai ETSI chịu trách nhiệm chính về việc tiêu chuẩn hoá kỹ thuật về công nghệ thông tin và truyền thông

CENELEC, Uỷ ban châu Âu về tiêu chuẩn hoá kỹ thuật điện, được thành lập vào năm 1973 với sự kết hợp của hai tổ chức châu Âu: CENELCOM và CNEL Ngày nay, CENELEC là một tổ chức phi lợi nhuận được thiểt lập dưới pháp luật nước Bỉ và có sự tham gia của uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế của 28 nước châu Âu và 7 uỷ ban quốc tế từ trung đến đông âu Nhiệm vụ của CENELEC là soạn thảo các tiêu chuẩn kỹ thuật điện và điện tử

International Special Committee on Radio Interference (CISPR) là một tổ chức phi chính phủ được thiết lập bởi uỷ ban quốc tế của uỷ ban kỹ thuật điện quốc tế Được thành lập năm 1934 có nhiệm vụ quy định can nhiễu radio

International Electrotechical Commission (IEC) là tổ chức toàn cầu có nhiệm vụ soạn thảo và công bố các tiêu chuẩn quốc tế về điện, điện tử và các công nghệ liên quan

1.2 Mạng điện lực và ứng dụng trong truyền thông

Mạng điện lực được phân chia thành ba mạng theo mức điện áp khác nhau : mức điện áp cao (110-380 kV), mức điện áp vừa (10-30kV) và mức điện áp thấp

(0,4kV) Việc phân chia này là do nhưu cầu truyền điện áp đi xa Vì khi phải truyền điện áp trên các đường trục với khoảng cách dài thì năng lượng điện suy hao rất lớn, muốn giảm suy hao thì phải tăng thiết diện dây dẫn (điều này rất tốn kém) hoặc phải tăng điện áp lên Để thực hiện chuyển đổi giữa các mức điện áp khác nhau người ta sử dụng các trạm biế n thế, các trạm này có chức năng hạ điện

áp khi chuyển từ mạng có mức điện cao xuống mạng có mức điện áp thấp

Mạng điện lực bắt đầu được sử dụng cho mục đích truyền dữ liệu từ rất sớm (1920) Hệ thống một sóng mang đầu tiên được thực hiện trên mạng điện cao áp với khoảng cách trên 500km sử dụng công suất tín hiệu truyền 10W Hệ thống này được sử dụng cho việc truyền thông tin nội bộ của nhà cung cấp điện và thực hiện các nhiệm vụ đo lường và điều khiển từ xa

Ý tưởng chính của PLC là sử dụng lưới điện cho mục đích truyền thông để làm giảm giá thành xây dựng các mạng truyền thông mới Vì vậy các mạng điện áp vừa và cao được sử dụng để nối khoảng cách xa thay vì phải xây dựng những mạng truyền thông lớn PLC cũng được sử dụng để truyền thông tin trong nội bộ của một toà nhà hay một căn hộ gia đình PLC được chia thành hai mạng chính là mạng in-door và mạng access PLC sử dụng lưới điện trong nhà để truyền thông tin gọi là mạng in-door, nếu truyền thông tin giữa các toà nhà với nhau người ta gọi là mạng acess Nếu dùng chung một dải tần số thì mạng in-door sẽ nhiễu sang mạng access cho nên cần phân chia dải tần riêng biệt cho chúng

Việc phân chia dải tần cho hai mạng in-door và access do tiêu chuẩn CENELEC quy định với dải tần từ 1,6 MHz đến 30MHz Còn dải tần từ 3kHz đến 148kHz được quy định bởi chuẩn EN 50065

Hình 1.1: Mạng PLC

Hai hệ thống access và in-door bắt buộc phải tuân theo các tham số được chỉ ra ở hình 1.2 Để đảm bảo rằng các hệ thống access và in-door có thể tồn tại trên cùng một mạng, phổ tín hiệu truyền của access và in-door sẽ như hình 1.2

Với F1=12,7MHz; F2=14,35MHz

Hình 1.2: Sự chia cắt giữa access và in-door

Ptmax là mật độ công suất truyền cực đại

Pimax mức nhiễu nền trung bình

Mật độ công suất nhiễu cực đại

Pimax(fMHz)=(fMHz-1,6MHz)*(Pimax2-Pimax1)/(30MHz-1,6MHz)+Pimax1

Electric Meter Internet

thông tin và truyền tắt qua đồng hồ đo điện tới Indoor Master Indoor Master có nhiệm vụ điều chế tín hiệu ở dải Indoor và truyền tới các thiết bị nhận qua mạng điện trong nhà Tại các thiết bị thu chúng ta sử dụng một thiết bị gọi là Indoor Adapter để giải điều chế lấy thông tin và bảo vệ thiết bị không bị ảnh hưởng bởi dòng điện lưới 40 Hz hoặc 50Hz

1.3 Các đặc tính của mạng điện lực

Như chúng ta đã biết các đặc tính của mạng điện lực ở tần số 40-50 Hz dùng cho mục đích cung cấp điện năng đã được nghiên cứu rất nhiều nhưng các đặc tính của chúng ở dải tần số cao, đặc biệt là ở dải tần 1,6MHz dến 30MHz mới chỉ được nghiên cứu ở một số nơi trên thế giới [1] [6][10][12] Việt Nam hiện chưa có một nghiên cứu nào để có thể biết được các đặc tính về nhiễu hay độ suy hao của mạng điện lực cũng như khả năng truyền thông tin của nó Đường dây điện lực khi được

sử dụng để truyền tín hiệu được đặc trưng bởi độ suy giảm và dịch pha được mô tả bởi hàm truyền qua đó thể hiện đặc tính của kênh trong miền tần số Biên độ của hàm truyền hiển thị độ suy giảm của một tín hiệu khi truyền qua kênh, trong khi

đó đáp ứng pha cho ta độ trễ của tín hiệu Độ suy giảm và dịch pha của tín hiệu truyền dẫn là ngẫu nhiên bởi vì các tải tiêu thụ điện liên tục được nối ngắt một cách ngẫu nhiên gây nên sự thay đổi cấu hình và đặc tính của mạng

1.3.1 Nhiễu trên đường dây điện lực

Có năm loại nhiễu có mặt thường xuyên trên mạng điện lực trên các vùng tần số khác nhau

Nhiễu màu: Đây là một loại ồn trắng có phân bố Gaussian và giảm theo tần

số Ở đây bao gồm cả ồn nền Mức độ của ồn nền lớn hơn ồn trắng vào khoảng –120dBm/Hz còn các loại nhiễu màu khác thay đổi theo từng giờ trong ngày Các hình dưới đây minh họa các loại ồn này Hình 1.4-a trình bày kết quả đo ở các ổ cắm khác nhau

Hình 1.4 biểu thị các mức biên độ theo dB V

Hz theo hệ thức

dB V P

Nhiễu do các dụng cụ điện gia dụng đình hay công nghiệp tạo nên Các máy móc hay dụng cụ gia đình là các nguồn tiêu thụ điện Đện áp tiêu thụ của các dụng cụ này có thể khác nhau vì thế biên độ của điện áp 50Hz phải được biến đổi, được lọc nhờ các xung vuông góc tần số cao, giá trị điển hình là từ 100kHz đến 200 kHz Loại tác động này cũng gây nên trên phổ

tần số trong dải ta quan tâm Hình 1.4 – c là các kết quả đo ồn do các nguồn nuôi này gây lên Các xung này có giá trị khoảng 5dB trên ồn nền và lặp lại các khoảng 195 kHz

Nhiễu do các loại môtơ điện : Trong mỗi gia đình hay nhà máy rất hay dùng các loại motơ này như máy giặt, máy sấy tóc, lò sấy … mức độ nhiễu

do các loại môtơ này gây ra khoảng 10dB đến 30 dB trên ồn nền Dạng nhiễu loạn này cũng là một trong những loại nhiễu nghiêm trọng Hình 1.4 – b biểu thị các kết quả đo ồn loại này do một máy cưa gây ra

Nhiễu xung : Do các công tắc điện gây ra, thời gian tác động của các loại nhiễu này dưới 100 s Khi ta bật tắt một đèn huỳnh quang có thể sinh ra một vùng phổ nằm vào khoảng một vài MHz Mức độ tác động của các loại nhiễu này phụ thuộc vào các loại chuyển mạch phụ thuộc vào tải tiêu thụ điện từ một vài volt đến 30 volt Hình 1.8 cho hai ví dụ về nhiễu xung gây

ra trên mạng

Chúng ta có thể gặp năm loại nhiễu này trong một căn hộ hoặc ở bên ngoài Chúng

ta có thể nhận thấy các tác động dải hẹp do các sóng vô tuyến hoặc các nhiễu xung khi ta đóng mở các công tắc Hình 1.5 là một ví dụng về các mức độ nhiễu màu chúng ta có thể gặp khi lọc tần số 50 Hz Đường cong để trình bày trong chương này chỉ để minh họa các kết quả chi tiết hơn sẽ được trình bày trong chương 2

Hình 1.4: Các loại nhiễu trong mạng điện lực

Hình 1.5: Nhiễu đo được trên mạng điện lực ở tần số 1MHz đến 10MHz

Hình 1.6: Ồn xung trong miền thời gian và tần số 1.3.2 Hàm truyền của một mạng PLC trong dải access

Cấu hình tiêu biểu của một mạng điện ở châu Âu như hình sau

Mỗi một trạm biến thế có khoảng 10 đường dây và mỗi đường dây cung cấp 30 đến 40 căn hộ trên một đường dây dài 1km

Hình 1.7: Cấu hình tiêu biểu của một mạng điện ở châu Âu

30 31

24 23

22

32

281km cáp

1.3.2.1 Độ suy giảm và mô hình hoá đường dây PLC

Độ suy giảm do các nguyên nhân sau

Suy giảm tự nhiên do cáp

Suy giảm do đa đường

+ Nghiên cứu lý thuyết về đường dây PLC

Người ta chia thành các đoạn có chiều dài dz và được mô hình hoá như trên hình 1.8

Một đơn vị dài cáp điện lực hoặc cáp truyền dẫn thông tin được mô hình hoá theo

sơ đồ sau đây

Hình 1.8: Sơ đồ tương đương của một dây dẫn điện không có tải chiều dài dz

Các giá trị, thông số đối với cáp NAYCWY 185/185se thường được sử dụng ở châu Âu

1 1,15.10

v(z,t)

i(z+dz,t)

v(z+dz,t)

là hằng số truyền là số phức có phần thực hệ số suy giảm, phần ảo là hằng số pha

Ở các tần số mà chúng ta quan tâm giá trị của z0 khoảng 6,7 và pha bằng 0 Hình 1.9 minh hoạ độ suy giảm tự nhiên lý thuyết của đường dây điện chưa có nhiễu đa đường

Hình 1.9: Đường cong suy giảm trên 1km vủa một cáp điện lực đa đường

Các giá trị lý thuyết rất lạc quan so với các giá trị đo được thực hiện trên mạng do K.Doster [7] đưa ra với độ suy giảm trên 60dB ở khoảng cách dài 300m

Khi một đường dây điện có chiều dài là d được nối với nhau bằng điện trở tải có giá trị bằng điện trở đặc trưng của nó Giả sử V(e) là thế vào V(s) là thế ra ( Hình vẽ)

Hình 1.10: Hàm truyền sóng

Thì ta có H f d, Vs e d e j d

Ve với H(f,d) là độ suy giảm của tín hiệu ở tần

số f trên đường truyền dài

Zg

ZL

E

Độ suy giảm của tín hiệu do nhiễu đa đường gây ra

Cấu hình của mạng điện cũng như sự truyền tín hiệu trên mạng điện không giống như trên đường truyền đơn Sự phản xạ của những đoạn phối hợp trở kháng không tốt gây ra các tiếng vọng lên trên tín hiệu truyền Trong các điều kiện này một kênh truyền sóng vô tuyến có thể được xem như một kênh đa đường Có nghĩa là tín hiệu thu là tổng của các tín hiệu, những tín hiệu này không đơn thuần bị suy giảm mà còn bị trễ Mô hình này cũng giống nhau với giải access và indoor Chẳng hạn như trong một căn hộ có nhiều nguồn nuôi trên cùng một biến thế như trên hình 1.7 thì máy thu sẽ thu được một tín hiệu qua N đường mỗi đường trễ thời gian và độ suy giảm phức A(f,d) Nếu chúng ta xét đường dây và máy thu như một hàm truyền kênh đa đường thì đáp ứng tần số sẽ có dạng

.2 1

Chúng ta giả sử rằng khoảng cách giữa máy phát và thu bằng 1000m và hệ số phản

xạ của nhà đầu tiên =1/3 thì hệ số truyền t1=1 - =2/3 Nếu ta giả thiết rằng hệ số phản xạ sau N căn hộ khác là =-1 (phản xạ toàn bộ) Khi đó t1=t2=…=tN Giả sử các gia đình cách đều nhau trên 1000m dài và độ dài liên hệ lối vào của căn hộ và đường dây chính là 15 m thì khi đó độ suy giảm được mô phỏng nhờ MATLAB chỉ trên hình 1.12

Hình 1.12: Mô phỏng hàm truyền của kênh PLC dài 1km ở dải tần 1MHz đến

30MHz rẽ nhánh 15m Kết quả mô phỏng được thực hiện với các giá trị L0, G0, R0, C0 của cáp ANAYCWY 185/185 như trên Nếu so sánh đường cong hình 1.12 với 1.9 ta có thể kết luận rằng độ suy giảm tăng theo số lượng các trở kháng nối trên đường dây

hướng truyền

chính và giảm theo tần số Ta nhận thấy độ suy giảm là 100dB/1km có nghĩa là gấp 3 lần độ suy giảm của cáp có đa đường

1.3.2.2 Hàm truyền của một cáp điện lực được thực hiện nhờ các phép đo

Các số liệu đo được do K.Doster cho phép xác định hàm truyền của một mạng PLC ở bên ngoài (asccess) Ông phát một tín hiệu 65dBm 1,77 V vào trong một đường dây điện vào khoảng 300m và 1000m hình 1.13

a

b

Hình 1.13: Kết quả đo tín hiệu thu được và các nhiễu loạn của một đường dây dài

300m hình a và 1000m hình b

Số liệu đo được cho ta thấy chiều dài của cáp càng lớn thì nhiễu càng tăng do đó tỷ

số tín hiệu trên tạp âm sẽ giảm

1.3.3 Hàm truyền của mạng PLC trong dải indoor

Hàm truyền trong dải indoor khác với hàm truyền trong dải access và nó phụ thuộc vào những yếu tố sau

Mất mát trên đường : Đó là những mất mát do chính đường dây gây ra Trở kháng của mạng: Trở kháng của mạng có thể đo được từ vài đến vài

k thay đổi phụ thuộc vào số tải mắc trong mạng Trở kháng này làm thay đổi rất lớn trở kháng của mạng nên rất khó phối hợp trở kháng

Các loại trở kháng gián đoạn Có rất nhiều lý do làm gián đoạn trở kháng ở trên mạng Một trong những lý do đó là các loại trở kháng khác nhau, các cầu chì, các tải nối với mạng Sự gián đoạn này gây ra những tiếng vọng ở trong mạng Giá trị của các trở kháng này cũng thay đổi theo tần số

Các tải có thể có trở kháng thấp: Các tải này gây ra độ suy giảm rất mạnh (có thể trên 25dB) Giá trị của các trở kháng này phụ thuộc vào tần số và làm thay đổi giá trị trở kháng của mạng

Những chỗ phân nhánh của cáp: Ở mỗi một chỗ phân nhánh của mạng xuất hiện một trở kháng không liên tục Trở kháng không liên tục này chia năng lượng tín hiệu thành hai phần: một phần bị phản xạ còn một phần được truyền đi

Mạng điện lực bên trong một căn hộ thì có thể được so sánh với mạng của các kênh radio di động Độ phản xạ rất lớn trên kênh PLC có thể so sánh với sự truyền dẫn đa đường Hình 1.14 minh hoạ hoàn chỉnh hàm truyền của mạng PLC ở bên trong một vùng dân cư, phụ thuộc vào cấu hình của mạng điện (Đặc trưng A) và trở kháng của các tải nối trong mạng (Đặc trưng B)

a

b

Hình 1.14: Hàm truyền của mạng PLC trong môi trường và trên các khoảng

cách khác nhau (Đặc trưng A) và với các trở kháng của tải khác nhau (Đặc

trưng B)

1.4 Kết luận

Hiện nay không có một chuẩn nào thực sự chính xác để xác định việc truyền dẫn tốc độ cao trên mạng PLC Nếu ta so sánh các chuẩn đã xác định ở châu Âu và Mỹ thì chúng ta sẽ thấy rằng các nhà điều phối Mỹ nghiêng về khuynh hướng phát triển và làm mới các phương tiện thông tin Ở châu Âu chỉ nước Đức và Anh là đề nghị các chuẩn cho PLC So sánh với các chuẩn của Mỹ thì mức độ của các chuẩn của Đức thấp hơn khoảng 40dB và của Anh là 60dB Chính vì vậy mà có sự khác biệt rất lớn cho sự đầu tư và phát triển công nghệ PLC ở châu Âu Về phương diện lưu lượng thì nếu như ở Mỹ thì các chuẩn này cho phép công nghệ PLC có thể cạnh tranh với các công nghệ tốc độ cao khác trong khi các chuẩn của Đức và Anh thì không cho phép cạnh tranh với các phương tiện thông tin như ADSL hoặc các

hệ thống không dây mới Mặc dù vậy do những ưu việt của công nghệ PLC cho phép truyền dữ liệu trên một tầng vật lý (cáp) trong một căn hộ hay một nhà máy

mà không ảnh hưởng đến công việc PLC cũng cón có những ưu việt là có thể thay đổi vị trí thông tin trong căn hộ mà không cần kéo dây như dây điện thoại và còn

có thể theo dõi từ xa các hoạt động của một nhà máy xí nghiệp công cộng hay tư nhân Đặc tính của mạng thay đổi mạnh theo cấu hình của nó, theo các tải đã nối trong mạng và khoảng cách truyền Do tính chất không dừng của mạng nên rất khó thực hiện việc truyền dẫn chỉ trên một sóng mang Vì thế nhờ sự phát triển của kỹ

thuật số, điều chế đa sóng mang cho phép truyền dữ liệu với một tốc độ cao trên mạng điện lực có hiệu quả tốt

Chương 2: KHẢO SÁT MẠNG ĐIỆN LỰC TRONG DẢI TẦN TỪ 0.1MHz

ĐẾN 30MHz

Chương này trình bày các phép đo thực hiện trong mạng điện lực trong dải tần từ 0.1MHz đến 30MHz Các phép đo này được thực hiện từ các bộ ghép nối với mạng thực hiện giao diện giữa mạng 220 V và dữ liệu tần số cao, dải tần số đang được khuyến khích cho tốc độ cao là 1,6MHz đến 12,7MHz cho dải access và 14,35MHz đến 30MHz cho dải indoor Các bộ nghép nối này cho phép

Đo ồn tạp, đo nhiễu và hàm truyền trong mạng với các cấu hình khác nhau Chèn và thu dữ liệu với độ mất mát trung bình là 0,8dB của bộ ghép trong toàn bộ dải

Các bộ ghép nối hoạt động trong dải từ 1MHz đến 30 MHz và chúng có thể được

sử dụng để truyền thử trên đường dây điện lực trong phạm vi nghiên cứu.Công suất cực đại có thể phát là 250mW Chương này được chia làm 3 phần phần thứ nhất trình bày về bộ ghép nối Phần thứ hai tính toán lý thuyết và thực hiện các bộ ghép nối, phần tiếp theo là các kết quả đo nhiễu và độ suy giảm của mạng theo cấu hình khác nhau sau đó là dung lượng kênh truyền và cuối cùng là kết quả thử nghiệm với modem PLC

2.1 Trình bày về giao diện

Vai trò của bộ ghép nối là thực hiện giao diện giữa dữ liệu đã điều chế trong dải từ 1MHz đến 30MHz ở lối ra của một modem và mạng điện lực Hình 2.1 mô tả một

hệ thống truyền dẫn PLC

Các giao diện có tính thuận nghịch có nghĩa là có thể sử dụng cho cả phát lẫn thu Dưới đây là hai sơ đồ nguyên lý của giao diện Sơ đồ thứ nhất là sơ đồ của hãng N-sine [2], sơ đồ thứ hai là sơ đồ của hãng SCHLUMBERGER dùng cho các modem PLC thương mại loại ASCOM

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống truyền dẫn PLC

Hình 2.2: Ví dụ về giao diện 2.1.1 Đặc tính của giao diện

Bộ ghép nối chứa các linh kiện sau

Biến thế cao tần tỷ lệ 1:1 Chứa một BALUN, linh kiện này chuyển đổi một tín hiệu đến từ máy phát không cân bằng thành một tín hiệu cân bằng có thể truyền trên các dây pha và dây trung hoà theo kiểu vi phân

10nf 1M

Biến thế cao tần dải rộng

Biến thế cao tần dải rộng

Giao diện N-Sine

Giao diện

Giao diện

Dây pha Dây trung hoà

Điện lưới

220V

50Hz

Dữ liệu tần số cao + điện lưới

dữ liệu tốc

độ cao dữ liệu tốc độ cao

Điện dung để tách tần số radio với thế điện lưới Các tụ điện này có các đặc tính cơ học và điện rất bền vững vì sự hư hỏng của chúng sẽ rất nguy hiểm với người sử dụng

Trong bộ ghép nối của hãng N-sine còn thêm một cầu điện trở có độ suy giảm 3dB Độ suy giảm này cho phép giảm cực đại VSWR xuất hiện ở biến thế và tại máy phát tín hiệu

2.1.1.1 Một số định nghĩa

BALUN ( Cân bằng, không cân bằng) Người ta nói một biến thế được mắc theo

sơ đồ BALUN khi một lối vào cân bằng (hai chỗ nối cách biệt với đất) và một lối

ra không cân bằng ( một trong hai chỗ nối được nối với đất)

VSWR (tỷ số sóng đứng điện áp) Khi một đường truyền được nối bằng một trở kháng z(x) khác với trở kháng đặc trưng thì công suất của tín hiệu đến không được tải tiêu thụ hoàn toàn Một phần công suất bị phản xạ về phía máy phát, các sóng tới và sóng phản xạ có sự khác pha nhau tạo nên sóng đứng Tỷ số điện áp cự đại trên điện áp cực tiểu của sóng đứng được gọi là VSWR

max

min

1 1

phanxa trutiep

P1+

PVSWR=

việc này có thể thực hiện dễ dàng, có thể thay đổi từ từ trở tải trên đường dây còn với PLC thì không làm được như vậy vì trở kháng của mạng thay đổi liên tục theo môi trường

Công suất phát không được hấp thụ một cách hoàn toàn bởi máy thu Vì thế cần phải tăng công suất phát lớn hơn để thu được tỷ số tín hiệu trên tạp âm mong muốn

Sóng phản xạ được sinh ra cộng với sóng tới, điều này có thể gây ra ảnh hưởng đến biến thế cao tần trong giao diện hoặc của máy đo trong trường hợp đo đặc trưng của mạng

ổn định thế

mạch lọc điện lưới Máy phân

tích mạng

Giao diện

Dây điện lưới

Hình 2.3: Nguyên lý đo và các giá trị đo trở kháng của một bộ nạp ácquy với

chiều dài dây nguồn khác nhau

Trở kháng đặc trưng của mạng tăng theo

Số lượng các thiết bị nối trong mạng

Chiều dài của dây nguồn nuôi

Khoảng cách đến máy phát

Sự hoạt động hay không hoạt động của các thiết bị được mắc trong lưới điện

Hình 2.4: Ví dụ về giá trị trở kháng theo tần số

2.1.2 Biến thế cao tần

2.1.2.1 Nguyên lý

Biến thế cao tần của N-Sine là biến thế cao tần loại mini-circuits ADT-1WT Còn biến thế được sử dụng trong giao diện thứ hai là biến thế cao tần loại Bourns 2 -1-6D Sự sử dụng biến thế cao tần là sự phối hợp trở kháng để truyền công suất cực đại và loại bỏ tín hiệu không mong muốn

Để bảo vệ sự quá áp hoặc đoản mạch (quá dòng)

Để cô lập điện áp một chiều giữa các mạch điện tử khi truyền AC giữa các mạch điện này

Giao diện giữa mạng cân bằng và không cân bằng

Một biến thế cao tần có hai cuộn dây liên kết với nhau bằng từ trường hỗ cảm Khi chúng ta tác động một thế xoay chiều lên một cuộn, chẳng hạn như cuộn sơ cấp thì khi đó sản sinh ra một từ trường biến đổi, biên độ của từ trường phụ thuộc vào thế tác động và số vòng trên mỗi cuộn Từ thông hỗ cảm liên kết cuộn sơ cấp làm sinh

ra một điện áp Điện áp này cũng phụ thuộc vào số vòng của cuộn sơ cấp Sự liên kết hỗ cảm có thể thực hiện dễ dàng nhờ không khí Tuy nhiên sẽ hiệu quả hơn nếu ta sử dụng một loại sắt hoặc sắt từ như nam châm hoặc Ferrist Các loại vật liệu từ này có hệ số từ thẩm rất cao so với không khí

Mối liên hệ giữa dòng điện, điện áp và trở kháng giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp là

Hình 2.5: Biến thế cao tần

3.1.2.2 Các thông số vật lý của một biết thế cao tần

Sơ đồ trong hình 2.6 là mô hình tương đương của một biến thế cao tần

Hình 2.6: Sơ đồ tương đương của một biến thế cao tần

Sơ đồ tương đương này bao gồm

L1 và L2 là các cuộn cảm rò do liên kết từ trường không hoàn hảo giữa hai cuộn dây Trở kháng của nó tỷ lệ với tần số và hệ số tự cảm làm tăng độ mất mát và vì thế làm giảm công suất thu ở tần số cao

R1 và R2 là các điện trở thuần của các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp

Các điện dung C1 và C2 cũng như các điện dung liên kết giữa các cuộn dây

C sẽ làm hạn chế các hoạt động về phía tần số cao Mặc dù vậy ưu điểm của

mô hình tương đương đã sử dụng các biến thế cao tần là các điện dung giữa các cuộn dây và các điện cảm rò được hấp thu bởi các thông số của mô hình của một đường truyền Ưu điểm này cho phép dải thông lớn hơn nếu như các cuộn dây của biến thế được chọn lựa một cách hợp lý

Lp là độ cảm ứng từ Cảm ứng này hạn chế hiệu suất ở phía tần số thấp của biến thế Giá trị của nó phụ thuộc vào hệ số từ thẩm và phụ thuộc vào kích thước của lõi vật liệu từ cũng như của số vòng dây

Rp là độ mất mát trong lõi sắt từ

Sự thay đổi về nhiệt độ cũng làm biến đổi các giá trị, điện dung, điện cảm và điện trở của mô hình tương đương Có nghĩa là các đặc tính mất mát và độ rộng của dải thông của biến thế có thể bị biến đổi theo những sự thay đổi này

2.1.2.3 Các đặc tính của một biến thế cao tần

Việc lựa chọn một biến thế cao tần được thực hiện dựa trên độ rộng dải và các mất mát Các mất mát của biến thế cao tần là phần công suất phát mất đi khi biến thế được đưa vào hệ thống truyền có phối hợp trở kháng Thông thường các nhà sản xuất chỉ ra ba dải tần mà trong đó độ mất mát thấp hơn hoặc bằng 1dB, 2dB và 3dB Phụ lục A chỉ ra các mất mát do biến thế đã được sử dụng trong giao diện Mất mát của biến thế tăng theo nhiệt độ Ở phía tần số thấp các mất mát này là do cuộn cảm song song Lp, còn ở phía tần số cao là do các điện dung của các cuộn dây C và do các cuộn cảm mất mát L1 L2 Vì thế các nhiệt độ thấp làm giảm hệ số

từ thẩm của vật liệu sắt từ do đó là tăng giá trị của Lp, do vậy làm tăng mất mát Còn khi nhiệt độ cao làm tăng hệ số từ thẩm của lõi sắt làm giảm giá trị của Lp Do vậy làm giảm mất mát đối với tần số thấp và tăng lên với tần số cao Hình 2.7 minh hoạ điều này