Tài liệu Nghiên cứu các đặc tính kênh truyền tốc độ cao và sự truyền dẫn thông tin đa sóng mang trên mạng điện lực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI 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 ĐIỆN LỰC Ngành: Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông Chyên ngành: Kỹ thuật vô tuyến điện tử và thụng tin liờn lạc Mã số: 2.07.00 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỚI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. HỒ VĂN SUNG Hà Nội - 2005 1 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 3.3.2: Các tính chất của DFT .................................................................................... 82 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 2 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 3 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 4 DANH MỤC BẢNG 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) Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 5 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 1.10: Hàm truyền sóng Hình 1.11: Ví dụ về mạng Hình 1.12: Mô phỏng hàm truyền của kênh PLC dài 1km ở dải tần 1MHz đến 30MHz rẽ nhánh 15m 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 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 6 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 7 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 không có rẽ nhánh. Hình 2.18-k: Đáp ứng xung của đường truyền ở khoảng cách 20m không có rẽ nhánh. Hình 2.18-m: Đáp ứng xung của đường truyền ở khoảng cách 90m không có rẽ nhánh. Hình 2.18-n: Hàm truyền của đường truyền ở khoảng cách 90m lần lượt rẽ nhánh. Hình 2.18-o: Đáp ứng xung của đường truyền ở khoảng cách 90m có rẽ một nhánh. Hình 2.18-p: Đáp ứng xung của đường truyền ở khoảng cách 90m có rẽ 9 nhánh Hình 2.19: Dung lượng cực đại và cực tiểu của một kênh PLC với nhiễu trắng Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 8 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 9 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 BER=0.00376 %: Số bít lỗi =6 Hình 5.2: Kết quả mô phỏng OFDM với fft 512 điểm, 128 sóng mang, BER=0.00251 % Số bít lỗi =4 Hình 5.3: Kết quả mô phỏng OFDM với fft 256 điểm và số sóng mang là 64 BER=0.0182 % Số bít lỗi=29 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 ). Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 10 Hình 5.6: Kết quả mô phỏng OQAM với FFT 1024 điểm, số sóng mang 256, BER=0.00285 %, số bít lỗi =1 Hình 5.7: Kết quả mô phỏng OQAM FFT 512 điểm, số sóng mang 128, BER=0.00856 %, số bít lỗi =3 Hình 5.8: Kết quả mô phỏng OQAM FFT 256 điểm, số sóng mang 64, BER=0.0514 %, số bít lỗi =18 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 11 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). Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 12 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. Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 13 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. Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 14 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 15 (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. Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 16 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 17 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-1,6 MHz)*(Pimax2-Pimax1)/(30 MHz-1,6 MHz)+Pimax1 Pimax1= -105 dBm/Hz Pimax2= -125dBm/Hz A M ạng điện áp vừa A M Electric S Meter Internet PSTN M M ạng điện áp thấp M Outdoor Master M Indoor Master S Outdoor Slave A Indoor Adapter Hình 1.3: Mạng PLC đề suất Hình trên là mô hình một mạng PLC được đề suất. Tín hiệu thông tin được truyền vào mạng điện áp thấp qua Outdoor Master được đặt ở trạm hạ thế. Outdoor Master có chức năng điều chế tín hiệu từ mạng thông tin sang dải access để truyền trong mạng PLC. Tại đồng hồ đo điện của mỗi hộ gia đình sẽ được lắp đặt một Outdoor Slaver và một Idoor Master. Outdoor Slaver có chức năng giải điều chế Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 18 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 s ố. 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 Trịnh Ngọc Khoa dB V theo hệ thức Hz Luận văn tốt nghiệp cao học 19 A P dB V Hz dB V Hz Z (1.1) Ở đây P là công suất thu được trong dải tần số RBW (Resolution bandwidth) còn z là trở kháng lối vào của máy phân tích phổ (z=50). Đơn vị đo này tương ứng với một giá trị biên độ độc lập với độ phân giải của máy phân tích phổ. Đơn vị đo này được cho bằng hệ thức (1.2). A dB V Hz U dB V 10log RBW Hz (1.2) Ở đây U là mức biên độ đo được theo dB V , bảng chuyển đổi đơn vị ở phụ lục C. Nhiễu dải hẹp Đây là nhiễu do các trạm phát radio sóng ngắn của trung ương hoặc địa phương hoặc các máy phát radio cá nhân từ 3MHz đến 27MHz là các nguồn nhiễu rất quan trọng tác động lên PLC. Các sóng ngắn này là các tín hiệu điều chế biên độ với độ rộng dải từ 4,5kHz đến 9 kHz. Các giá trị ngưỡng có thể lớn hơn 40dB so với ồn nền. Các mức độ nhiễu loạn do các sóng này gây ra phụ thuộc vào công suất phát, phụ thuộc vào khoảng cách đến các máy phát và điều kiện truyền dẫn. Các điều kiện truyền dẫn lại phụ thuộc vào thời gian, mùa, giờ trong ngày hoặc phụ thuộc vào địa hình và từng mạng điện lực cụ thể. Hình 1.4 – d biểu diễn các kết quả đo nhiễu dải hẹp 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 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học