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

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 thụng tin liờn lạc Mã số: LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỚI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS HỒ VĂN SUNG Hà Nội - 2005 Mục lục DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU Chương 1: MẠNG ĐIỆN LỰC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TỐC ĐỘ CAO 1.1.Một số hệ thống tiêu chuẩn quốc tế 1.2.Mạng điện lực ứng dụng truyền thông 1.3 Các đặc tính mạng điện lực 1.3.1 Nhiễu đường dây điện lực 1.3.2 Hàm truyền mạng PLC dải access 1.3.3 Hàm truyền mạng PLC dải indoor 1.4.Kết luận Chương 2: KHẢO SÁT MẠNG ĐIỆN LỰC TRONG DẢI TẦN TỪ 0.1MHz ĐẾN 30MHz 2.1.Trình bày giao diện 2.1.1 Đặc tính giao diện 2.1.2 Biến cao tần 2.2.Nghiên cứu lý thuyết thực thực tế 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết 2.2.2 So sánh kết thực nghiệm lý thuyết 2.3.Các phép đo nhiễu đáp ứng tần số mạng điện lực t nghiệp 2.3.1 Các loại nhiễu đo mạng điện lực 2.3.2 Đo hàm truyền mạng điện lực cấu hình khác 2.4.Dung lượng kênh truyền 2.5.Tổng hợp kết 2.6 Tiến hành thử nghiệm với modem PLC IOGEAR GHPU01 2.7.Kết luận Chương 3: HỆ THỐNG THU PHÁT VÀ TRUYỀN DẪN TÍN HIỆU SỐ 3.1.Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền dẫn số 3.1.1 Mã hoá: 3.1.2 Các kỹ thuật điều chế số (Mã hoá Symbol(biểu tượng) + điều chế ) 3.2.Ảnh hưởng kênh truyền lên tín hiệu đa sóng mang 3.2.1 Ví dụ kênh truyền điển hình 3.3 Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM/DMT 3.3.1 Nguyên lý OFDM/DMT 3.3.2: Các tính chất DFT Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 3.3.3 Các giao thoa có mặt OFDM/DMT, thời gian bảo vệ cân 83 Chương 4: CÁC HỆ THỐNG TRUYỀN DẪN ĐA SÓNG MANG OQAM .88 4.1 Giới thiệu 88 4.2 Các chức hệ thống 88 4.3 Dải tần tín hiệu đa sóng mang OQAM 89 4.4 Phần phát thu hệ thống đa sóng mang OQAM 91 4.5 Nguyên lý dàn lọc số 93 4.6 Dàn lọc đa pha DFT 94 4.6 Tính tốn mạch lọc ngun gốc 96 4.6.2 Các hệ số thực 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 hệ thống OFDM 106 5.2 Mô kỹ thuật điều chế OQAM 111 5.2.1 Kết mô 113 KẾT LUẬN .117 DANH MỤC CÁC CƠNG 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 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 DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Các giá trị a,b,c xác định mức độ nhiễu trường hợp tốt xấu Bảng 2: Dải tần giành cho PLC Bảng 3: Dung lượng kênh tổng cộng mạng điện lực (100KHz đến 30MHz) Bảng 4: Dung lượng 84 kênh dải in-house (15MHz đến 27MHz) Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1: Mạng PLC Hình 1.2: Sự chia cắt access in-door Hình 1.3: Mạng PLC đề suất Hình 1.4: Các loại nhiễu mạng điện lực Hình 1.5: Nhiễu đo mạng điện lực tần số 1MHz đến 10MHz Hình 1.6: Ồn xung miền thời gian tần số Hình 1.7: Cấu hình tiêu biểu mạng điện châu Âu Hình 1.8: Sơ đồ tương đương dây dẫn điện khơng có tải chiều dài dz Hình 1.9: Đường cong suy giảm 1km vủa cáp điện lực đa đường Hình 1.10: Hàm truyền sóng Hình 1.11: Ví dụ mạng Hình 1.12: Mơ hàm truyền kênh PLC dài 1km dải tần 1MHz đến 30MHz rẽ nhánh 15m Hình 1.13: Kết đo tín hiệu thu nhiễu loạn đường dây dài 300m hình a 1000m hình b Hình 1.14: Hàm truyền mạng PLC môi trường khoảng cách khác (Đặc trưng A) với trở kháng tải khác (Đặc trưng B) Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống truyền dẫn PLC Hình 2.2: Ví dụ giao diện Hình 2.3: Ngun lý đo giá trị đo trở kháng nạp ácquy với chiều dài dây nguồn khác Hình 2.4: Ví dụ giá trị trở kháng theo tần số Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 2.5: Biến cao tần Hình 2.6: Sơ đồ tương đương biến cao tần Hình 2.7: Đáp ứng tần số tiêu biểu biến cao tần nhiệt độ khác Hình 2.8: Sơ đồ mắc sơ đồ tương đương khơng có cầu điện trở Hình 2.9: Đáp ứng tần số lý thuyết đo giao diện cầu điện trở dải 1MHz dến 30MHz Hình 2.10: Sơ đồ mắc sơ đồ tương đương giao diện N-Sine Hình 2.11: Đáp ứng tần số lý thuyết đo giao diện N-Sine Hình 2.12: Nguyên lý đo nhiễu mạng điện lực Hình 2.13-a: Ồn mạng PLC Hình 2.13-b: Nhiễu modem PLC hoạt động dải CENELEC Hình 2.13-c: Nhiễu đèn halogen có độ sáng cực tiểu Hình 2.13-d: Nhiễu đèn halogen có độ sáng trung bình Hình 2.13-e: Nhiễu đèn halogen có độ sáng cực đại Hình 2.13-f : Ồn phịng thí nghiệm hoạt động bình thường Hình 2.13-g: Nhiễu mạng điện lực với máy tính hoạt động Hình 2.13-h : Nhiễu thu đài phát radio ta mở rộng dải tần Hình 2.13-i: Nhiễu xung xuất ta bật tắt đèn halogen Hình 2.14: Sơ đồ phịng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu Điện tử & Viễn thơng Hình 2.15:Sơ đồ đo hàm truyền hai ổ cắm Hình 2.16: Đáp ứng kênh tín hiệu cao tần Hình 2.17: Hàm truyền cáp dài 50m tải trở kháng có giá trị khác Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 2.18-a: Biên độ hàm truyền ổ cắm ổ cắm 2,3,4 Hình 2.18-b: Pha hàm truyền ổ cắm ổ cắm 2,3,4 Hình 2.18-c: Đáp ứng xung đường truyền pha Hình 2.18-d: Biên độ hàm truyền ổ cắm ổ cắm lúc 7h,10h ,15h 19h Hình 2.18-e: Pha hàm truyền ổ cắm ổ cắm vào lúc 7h, 10h, 15h 19h Hình 2.18-f: Hàm truyền ổ cắm ổ cắm (khác pha điện) Hình 2.18-g: Pha hàm truyền ổ cắm ổ cắm (khác pha điện) Hình 2.18-h: Đáp ứng xung đường truyền ổ cắm ổ cắm (giữa hai pha điện khác nhau) Hình 2.18-i: Hàm truyền đường truyền khoảng cách khác khơng có rẽ nhánh Hình 2.18-k: Đáp ứng xung đường truyền khoảng cách 20m khơng có rẽ nhánh Hình 2.18-m: Đáp ứng xung đường truyền khoảng cách 90m khơng có rẽ nhánh Hình 2.18-n: Hàm truyền đường truyền khoảng cách 90m rẽ nhánh Hình 2.18-o: Đáp ứng xung đường truyền khoảng cách 90m có rẽ nhánh Hình 2.18-p: Đáp ứng xung đường truyền khoảng cách 90m có rẽ nhánh Hình 2.19: Dung lượng cực đại cực tiểu kênh PLC với nhiễu trắng Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học Hình 2.20: Dung lượng lý thuyết kênh PLC dải indoor với khoảng cách 60m máy phát máy thu với công suất phát kênh khác Hình 2.21: Mật độ phổ cơng suất xác định ETSI Hình 2.22: Sự phân cách dải access indoor xác định đề án chuẩn CENELEC tháng năm 2001 Hình 2.23: Sơ đồ kết nối hai máy tính qua mạng điện lực modem PLC Hình 2.24: Hình ảnh hình máy tính truy cập vào máy tính le1 Hình 2.25: Một máy tính chạy chương trình multimedia trực tiếp máy tính khác Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền thơng số Hình 3.2: Chịm dạng sóng điều chế số Hình 3.3: Tín hiệu lối kênh truyền Hình 3.4: Khai triển kênh truyền thành nhiều kênh Hình 3.5: Các lối N kênh song song độc lập với truyền dẫn đa sóng mang Hình 3.6: Ví dụ hàm truyền kênh truyền tiêu biểu Hình 3.7: Nguyên tắc cấp bít theo biểu tượng điều chế đa sóng mang Hình 3.8: Sơ đồ nghun lý điều chế OFDM Hình 3.9: Chức lọc DFT Hình 3.10: Các sóng mang OFDM thu khơng có cân pha Hình 3.11: Ví dụ giao thoa intrasymbol Hình 3.12: Sự phát OFDM khơng 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 Hình 3.14: Quá trình chuyển từ miền tần số sang miền thời gian ngược lại với có mặt thời gian bảo vệ Hình 4.1: Đầu cuối 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 hệ thống đa sóng mang OQAM Hình 4.5: Sự chồng phổ hai kênh liên tiếp Hình 4.6: Nguyên lý truyền dẫn đa sóng mang dàn lọc Hình 4.7: Dàn lọc đa pha máy thu Hình 4.8: Mạch lọc nguyên gốc lý thuyết Hình 4.9: Dàn lọc đa pha thu phát Hình 4.10: Hàm giao thoa lý thuyết Hình 4.11: Ngun lý điều chế OQAM Hình 5.1: Kết mơ OFDM với fft 1024 điểm, số sóng mang 256 BER=0.00376 %: Số bít lỗi =6 Hình 5.2: Kết mô OFDM với fft 512 điểm, 128 sóng mang, BER=0.00251 % Số bít lỗi =4 Hình 5.3: Kết mô OFDM với fft 256 điểm số sóng mang 64 BER=0.0182 % Số bít lỗi=29 Hình 5.4: Kết mơ QAM 16 điểm BER=22.7 % Số bít lỗi =36229 Hình 5.5: Sơ đồ hệ thống OQAM băng sở: Điều chế (ở ) giải điều chế (ở ) Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học b Hình 5.3: Kết mô OFDM với fft 256 điểm số sóng mang 64 BER=0.0182 % Số bít lỗi=29 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 110 Transmitted QAM QAM Symbol Input Data x 10 QAM Recovered Symbols -5 a FFT of Transmitted QAM 15000 10000 5000 Magnitude Response 0 -5 -100 Channel15000 10000 5000 0 b Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 111 16-QAM Received Signal Constellation and Decision Boundarys 2.5 1.5 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -2.5 c Hình 5.4: Kết mô QAM 16 điểm BER=22.7 % Số bít lỗi =36229 Từ kết ta thấy ưu điểm phương pháp điều chế đa sóng mang so với phương pháp điều chế QAM truyền thống 5.2 Mô kỹ thuật điều chế OQAM Kỹ thuật điều chế sử dụng tần số lấy mẫu gấp đôi độ rộng dải kênh Các liệu truyền luân phiên phần thực phần ảo tín hiệu phức kênh liên tiếp cách gửi luân phiên tín hiệu đồng pha ứng với phần thực tín hiệu tín hiệu vuông pha ( tương ứng với phần ảo tín hiệu ) kênh lân cận Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 112 Một hệ thống OQAM chuyển N chuỗi symbol phức cn(t), n=0,1,…,N – , t Z(2T) thành tín hiệu tốc độ cao v(t1), t1 đặt so le nơi truyền sau DS n Và khôi phục lại nơi thu DS n R Hình 5.5: Sơ đồ hệ thống OQAM băng sở : Điều chế (ở ) giải điều chế (ở ) Các sóng fn gT n Trịnh Ngọc Khoa f0 mang nF / gR t t n Luận văn tốt nghiệp cao học 113 Điều kiện để tạo lại hoàn hảo tín hiệu truyền khơng có méo kênh truyền nhiễu g (t0 ) thực G( f ) F g(t0 ) f bị giới hạn F / 2, F / G ( f ) mạch lọc Nyquist với tần số Nyquist F / 0, t , có nghĩa kênh c0 (t) cn (t) kênh cuối không sử dụng f nằm khoảng 0, F / 5.2.1 Kết mô FFT of Transmitted OFDM-OQAM 60 40 20 Channel Magnitude Response 0 -5 -100 60 40 20 a Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 114 Transmitted OFDM-OQAM OFDM-OQAM Symbol Input Data 0.5 -0.5 -1 2000 4000 6000 OFDM-OQAM Recovered Symbols 0.5 -0.5 -1 2000 4000 6000 b Hình 5.6: Kết mô OQAM với FFT 1024 điểm, số sóng mang 256, BER=0.00285 %, số bít lỗi =1 Transmitted OFDM-OQAM OFDM-OQAM Symbol Input Data 0.5 -0.5 -1 2000 4000 6000 OFDM-OQAM Recovered Symbols 0.5 -0.5 -1 2000 4000 6000 a Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 115 FFT of Transmitted OFDM-OQAM 100 Channel Magnitude Response 50 0 -5 -100 100 50 0 b Hình 5.7: Kết mơ OQAM FFT 512 điểm, số sóng mang 128, BER=0.00856 % số bít lỗi =3 Transmitted OFDM-OQAM OFDM-OQAM Symbol Input Data 0.5 -0.5 -1 2000 4000 6000 OFDM-OQAM Recovered Symbols 0.5 -0.5 -1 2000 4000 6000 a Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 116 FFT of Transmitted OFDM-OQAM 100 Channel Magnitude Response 50 0 -5 -100 100 50 0 b Hình 5.8: Kết mơ OQAM FFT 256 điểm, số sóng mang 64, BER=0.0514 %, số bít lỗi =18 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 117 KẾT LUẬN Kết khảo sát tính tốn cho thấy mạng điện in-house môi trường truyền dẫn tốt cho việc truyền thông liệu tốc độ cao khoảng tần số từ 750kHz đến 23.7Mhz Trong dải tần này, tín hiệu bị suy giảm ít, ảnh hưởng đa đường thiết bị dùng điện lên kênh truyền không lớn Khi áp dụng phương pháp điều chế đa sóng mang ta đạt dung lượng kênh truyền tối đa cho toàn dải khoảng 26 Mbps dung lượng kênh truyền tối đa cho dải inhouse 18Mbps Cùng với kết khảo sát mạng, kết thử nghiệm với modem đa sóng mang GHPU01 cho kết tốt cho thấy khả sử dụng mạng điện lực phịng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu Điện tử & Viễn thơng cho mục đích truyền thông tin Từ kết mô thấy ưu điểm hệ thống đa sóng mang so với phương pháp điều chế thơng thường, khả chống nhiễu tốt, tăng dung lượng kênh truyền đặc biệt chúng phù hợp với kênh truyền kênh truyền PLC Đề tài giải vấn đề then chốt ban đầu nhằm tiếp cận đến PLC tốc độ cao mà mục đích cuối hệ thống PLC tốc độ cao hoàn chỉnh Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 118 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ Đo đặc tính nhiễu xác định hàm truyền mạng điện lực cho kênh truyền thơng tin tốc độ cao In-house Tạp chí Khoa học Công nghệ số 42+43 năm 2003 Transfer function and noise characteristics mearures of in-house power line channel for high-speed data communication REV’02 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt Hồ Văn Sung (2003), Xử lý số tín hiệu - Phương pháp truyền thống kết hợp với phần mềm MATLAB tập 1, NXB Giáo dục Hồ Văn Sung (2003), Xử lý số tín hiệu - Phương pháp truyền thống kết hợp với phần mềm MATLAB tập 2, NXB Giáo dục Tiếng anh Assimokopoulos,C and Pavlidou, F.,N Measurements and modeling of in- house power lines installation for broadband communications ISPLC2001 http://www.n-sine.com http://www.emitech.fr http://www.mini-circuits.com John Terry and juha Heiskala OFDM Wireless LANs : A Theoretical and Practical Guide Jong-ho Lee, Ji-hoon Park,… Measurement, modeling and Simulation of power line Channel for in-door High-speed data Communication ISPLC2001 K.Dostert Powerline communication, Prentice Hall PTR 2001 Lorenzo Vangelista Efficient Implementations and Alternative Architecture for OFDM – OQAM Systems IEEE Transaction on Communications, Vol 49,No 4, APRIL 2001 Powerline Telecommunications (PLT) – Coexistence of Access/In-house Systems CNELEC 2001 Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 120 10 S.Tsuzuki, S.Yamamoto, T.takamatsu, Y.Yamada Measurement of Japanese indoor Power-line Channel ISPLC2001 11 Sung Ho Van, Khoa Trinh Ngoc Transfer function and noise characteristics mearures of in-house power line channel for high-speed data communication REV’02 12 T.Esmailian,FR.Kschischang,P.G.Gulak “charateristics of in-building power lines at high frequencies and their channel capacity” ISPLC 2000, 05 au 07 avril 2000, University of Limerick, Ireland 13 X.Q.Gao, H.Zhang and Z.Y.He Subband Model and Implementation of O- QAM System Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 121 PHỤ LỤC A: BIẾN THẾ CAO TẦN Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học 122 PHỤ LỤC B: BẢNG CHUYỂN ĐỔI ĐƠN VỊ Trịnh Ngọc Khoa Luận văn tốt nghiệp cao học ... kỹ thuật điều chế đa sóng mang dùng kỹ thuật OQAM cuối chương năm với kết mô 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... nghiên cứu khả truyền dẫn thông tin mạng điện lực nhằm tạo mạng thơng tin góp phần giảm tải mạng với chi phí thấp.Việc áp dụng mạng điện lực vào truyền thơng có lợi ích sau Kinh tế: Vì mạng điện. .. 1 .2 .Mạng điện lực ứng dụng truyền thơng 1.3 Các đặc tính mạng điện lực 1.3.1 Nhiễu đường dây điện lực 1.3 .2 Hàm truyền mạng PLC dải access 1.3.3 Hàm truyền mạng