nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thoại qua đường dây điện lực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP –––––––––––––––––––––––––– NÔNG VĂN NIỆP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:TS. NGUYỄN THANH HÀ THÁI NGUYÊN - 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Học viên: Nông Văn Niệp Lớp: Cao học - K11 Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Hà Ngày giao đề tài: 20 tháng 01 năm 2010. Ngày hoàn thành: … tháng … năm 2010. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Thanh Hà HỌC VIÊN Nông Văn Niệp BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trước đó. Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2010 Tác giả luận văn Nông Văn Niệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn Thầy giáo TS. Thanh Hà, Phó trưởng khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua. Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp. Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn! Tác giả luận văn Nông Văn Niệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv LỜI NÓI ĐẦU Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ viễn thông đã có những tiến bộ vượt bậc với những thành tựu vô cùng to lớn mang lại cho con người rất nhiều tiện ích trong đời sống cũng như trong mọi lĩnh vực hoạt động khác. Đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ viễn thông là một trong những hướng phát triển chung được sự quan tâm đặc biệt của tất cả các nước trên thế giới. Nước ta cũng đã xác định công nghệ viễn thông là một ngành công nghiệp mũi nhọn đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự thành công của công cuộc công nghiệp hoá- hiện đại hoá đất nước trong thế kỷ 21, thế kỷ của nền kinh tế tri thức. Hiện nay, công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power Line Communication) đã mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng. Trước đây, những thành tựu của khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển. Cùng với tốc độ phát triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ thông tin, hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với các ứng dụng khác như: đo lường từ xa, quản lý điều khiển và phân phối tự động từ xa, truy nhập Internet, truyền thoại và video trên đường dây điện lực Đối với một học viên sắp tốt nghiệp chuyên ngành “Kỹ thuật điện tử”, việc bổ xung những kiến thức chuyên môn mới, thực tế là rất cần thiết và có ý nghĩa rất quan trọng. Trong thời gian vừa qua, nhờ sự liên hệ, bố trí của các thầy-cô giáo trong Khoa sau đại học, Khoa Điện tử - Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp và sự giúp đỡ chu đáo, tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, tôi đã phần nào nắm được những kiến thức cơ bản về PLC (Power line Communication) - một công nghệ truyền tin mới với nhiều đặc tính ưu việt, nổi trội, hứa hẹn mang lại một sự phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết cho mạng viễn thông thế giới và Việt Nam trong một tương lai gần. Luận văn tốt nghiệp của tôi có tiêu đề: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thoại qua đường dây điện lực” với nội dung tóm lược một cách cơ bản về công nghệ truyền thông PLC và xây dựng một hệ thống truyền thoại quá PLC. Qua đó tạo tiền đề cho việc tìm hiểu các quá trình truyền thông tin thoại qua mạng PLC, tạo tiền đề cho việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v nghiên cứu , khai thác các ứng dụng đã có của công nghệ này trên thế giới và tiến tới áp dụng nó một cách có hiệu quả vào Việt Nam trong tương lai. Luận văn gồm ba chương. Trong đó đưa ra các vấn đề sau: Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC Tìm hiểu chung về lịch sử phát triển PLC; Cập nhật các thành tựu có được của công nghệ PLC trên thế giới; Phân tích rõ nguyên lý và sơ đồ khối cơ bản của một hệ thống PLC và cuối cùng đưa ra một số ứng dụng hiện tại của PLC; Cập nhật các tiêu chuẩn truyền thông cho PLC đã ban hành; Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ… Chương 3: Xây dựng hệ thống truyền thoại qua PLC Phân tích lựa chọn phương thức điều chế phù hợp với mục tiêu thiết kế. Ứng dụng vi điều khiển 8051 nhằm phân tích, thiết kế và lắp ráp mạch thực minh chứng cho quá trình điều khiển thiết bị và truyền thoại qua đường dây điện lực. Như đã trình bày ở trên, công nghệ PLC đã được khẳng định là công nghệ của thế kỷ 21. Tuy nhiên, hiện nay nhiều vấn đề liên quan đến công nghệ này vẫn còn đang được nghiên cứu hoàn thiện, việc thương mại hoá các sản phẩm cũng ở mức hạn chế. Luận văn này chắc chắn không tránh khỏi các hạn chế, thiếu sót, rất mong được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm. Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tất cả các thầy- cô giáo trong Khoa sau đại học, Khoa Điện tử và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, người đã giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp quan trọng này. Thái Nguyên ngày 30 tháng 08 năm 2010 Ngƣời thực hiện Nông Văn Niệp Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi MỤC LỤC THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii LỜI NÓI ĐẦU iv MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xiii CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 1 1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1 1.1.1. Khái niệm PLC 1 1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC 3 1.1.3. Phân loại công nghệ 4 1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đường cáp điện lực 6 1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống 6 1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống 7 1.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC 8 1.3.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và đồng hồ 9 1.3.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao 9 1.3.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 9 1.3.4. Ứng dụng trong gia đình - Intelligent home 10 1.4. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực 10 1.4.1. X10 10 1.4.2. Lonwork 12 1.4.3. CEBus 13 1.4.4. HomePlug 14 1.5. Kết luận chương 15 CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 17 2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện 17 2.1.1. Sự giới hạn băng thông 18 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vii 2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện 19 2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng 22 2.1.4. Suy hao trên lưới điện 23 2.1.5. Hiện tượng sóng dừng 23 2.1.6. Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 24 2.2. Ghép nối với lưới điện - xử lý tín hiệu 25 2.2.1. Mạch ghép tín hiệu 25 2.2.2. Các bộ lọc tương tự 29 2.3. Các phương thức mã hóa 31 2.3.1 Mã xoắn 31 2.3.2. Mã Reed - Solomon 35 2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu 38 2.4.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông 38 2.4.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK 41 2.4.3. Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. 41 2.4.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 42 2.4.5. Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực 43 2.5. Kỹ thuật trải phổ 45 2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp 46 2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 52 2.6. Công nghệ OFDM 53 2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 54 2.6.2. Tính trực giao 55 2.6.3. Hệ thống OFDM 56 2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 58 2.7. Kết luận chương 59 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC 61 3.1. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn phương án thực hiện 61 3.1.1. Các yêu cầu của thiết kế 61 3.1.2. Lựa chọn phương án thực hiện 61 3.1.3. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống 62 3.2. Thử nghiệm các phương thức điều chế 64 3.2.1. Điều chế và giải điều chế ASK 64 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn viii 3.2.2. Điều chế và giải điều chế FSK 67 3.2.3. Điều chế và giải điều chế BPSK 71 3.2.4. Điều chế và giải điều chế FM 74 3.3. Thiết kế cụ thể và thi công 76 3.3.1. Thiết kế modul phát 78 3.3.2. Thiết kế modul thu 84 3.3.3. Sơ đồ nguyên lý , lưu đồ thuật toán và sơ đồ mạch thực 90 3.3.4. Nhận xét 96 3.4. Kết luận chương 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 100 PHỤ LỤC 1: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 102 PHỤ LỤC 2: IC VÒNG KHÓA PHA 4046 104 PHỤ LỤC 3: CHƢƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 106 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. So sánh các phương thức điều chế 77 Bảng 3.2. Khung truyền của tín hiệu 79 [...]...x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 1 Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện 2 Hình 1.3: Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 7 Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống 7 Hình 1.5: Ứng dụng PLC trong quản lý điện 9 Hình 1.6: Mạng thông tin PLC 9 Hình 1.7: Mô... bít cao trên đường cáp điện Một số vấn đề quan trọng là một phần của băng tần này đã được phân cho hệ thống thông tin khác Những hệ thống thông tin khác sử dụng những băng tần cho phép này cũng gây nhiễu loạn tới hệ thống thông tin trên đường điện PLC Một số ví dụ về hệ thống thông tin trong dải này là Radio, Radio nghiệp dư và hoa tiêu máy bay 2.1.2 Nhiễu trên đường cáp điện Đường dây điện được ra... đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện Ví dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên tới 500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế Hay hiện nay, công nghệ PLC được sử dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống. .. trong quá trình quá của dòng điện chính Quá trình quá độ có đủ năng lượng để làm hỏng mạch điện 1.2.2 Sơ đồ khối của hệ thống Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống 1.2.2.1 Khối cách ly (Power Line Isolation) Một phần quan trọng của bộ phát và thu tín hiệu trên đường dây điện lực là giao diện giao tiếp với đường dây điện lực Bởi vì mạch của chúng ta phải giao tiếp với lưới điện 220V- 50Hz, nếu không có... một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện Với công nghệ này, mỗi ổ cắm điện chính và bảng phân phối điện trong nhà đều là những giao diện truyền dẫn thông tin Như vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ viễn thông như trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không cần lắp đặt cáp mới (hình 1.1) Hình 1.2: Truyền thông tin qua đƣờng dây điện Công nghệ này tuy còn mới mẻ với... các xung điện áp xuất phát từ các thiết bị điện Ngoài ra, không thể phản ánh một cách chính xác năng lượng trong môi trường dây dẫn điện Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đƣờng dây điện lực Trong khi đó thực tế điện dung của đường dây bị chi phối trong các trường hợp mà trở kháng lớn hơn nhiều đặc tính của dây Một số loại tải có tính dung kháng, tuy trở kháng đối với tín hiệu điện 50Hz... nghệ PLC 1.1.1 Khái niệm PLC PLC (Power Line Communication) là công nghệ sử dụng mạng lưới đường dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư (hình 1.1) Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực PLC được phát triển bởi Northern Telecom và United Utilities, có khả năng truyền số liệu ở tốc độ trên 1Mbps (thế hệ X10) dựa trên cơ sở hạ tầng điện. .. thấy rõ ràng rằng, nếu không sử dụng công nghẹ PLC cho hệ thống đa dạng như trên thì việc đi các đường cáp tín hiệu sẽ rất phức tạp 1.4 Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực Có nhiều công nghệ truyền thông trên đường dây điện đã được triển khai đến nay Đó là LonWorks, X - 10, OFDM, Passport, CEBus, và chuẩn HomePlug Tất cả các công nghệ này sẽ được thảo luận vắn tắt ở phần này 1.4.1 X10... TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 2.1 Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện Môi trường truyền là một vấn đề quan trọng của bất kỳ hệ thống thông tin nào Do bản chất sơ khai của đường cáp điện không phải là để truyền dẫn tín hiệu thông tin cho nên không có một sự đảm bảo hiệu năng nào khi thực hiện truyền thông trên cáp điện nhìn từ quan điểm truyền dẫn tín hiệu Lưới điện là một môi trường vô cùng phức tạp với... so với cách làm truyền thống là phải cử người đến từng công tơ để lấy số liệu Thêm nữa, số liệu trên công tơ điện có thể gửi đến nhà khách hàng tương ứng, như vậy người sử dụng sẽ kiểm soát được việc sử dụng điện của mình một cách hợp lý hơn 1.3.2 Truyền thông đường dài tốc độ cao Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dài,ngoài những công nghệ truyền thống như cáp quang, vi ba thì . đề: Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thoại qua đường dây điện lực với nội dung tóm lược một cách cơ bản về công nghệ truyền thông PLC và xây dựng một hệ thống truyền thoại quá PLC. Qua. –––––––––––––––––––––––––– NÔNG VĂN NIỆP NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ. điện lực 1 Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện 2 Hình 1.3: Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 7 Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống 7 Hình 1.5: Ứng dụng PLC trong quản lý điện