Khi truyền tín hiệu đi trên đường điện, tín hiệu sẽ được phát xạ vào không gian. Có thể xem lưới điện là một anten khổng lồ, thu và phát tín hiệu, vì vậy phải
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi sử dụng dải tần số từ 1 - 20MHz cho truyền thông, sự phát xạ là một vấn đề vô cùng quan trọng bởi vì nhiều ứng dụng radio khác được cho phép trong khoảng tần số này. Nó không thích hợp cho một hệ thống gây nhiễu với thông tin trên máy bay, thông tin hàng hải, và các hệ thống thông tin quảng bá khác. Những nghiên cứu gần đây về vấn đề này cố gắng thiết đặt mức công suất phát của sự truyền dẫn. Điều rất quan trọng là công việc này sẽ được hoàn thành trong tương lai gần, từ đó giới hạn việc sử dụng băng tần này và sự phát triển của hệ thông tin cho kênh truyền là lưới điện.
Với đường cáp điện đi trên các cột điện được cắm trên mặt đất thì sự phát xạ rất lớn, đồng thời nhiễu thu vào từ sóng cũng sẽ lớn. Khi đường cáp được đi ngầm dưới mặt đất thì sự phát xạ sẽ là nhỏ và ít ảnh hưởng đến các hệ thống khác. Thay vào đó là sự phát xạ từ các hộ gia đình sẽ trở thành thành phần đóng góp chủ yếu. Các đường dây điện bên trong các hộ gia đình không được che chắn và vì thế sự phát xạ là khá nghiêm trọng. Một giải pháp có thể sử dụng là khối lọc tín hiệu thông tin từ đầu vào căn nhà. Bên trong nhà, tần số và công suất phát được lựa chọn sao cho khả năng gây nhiễu là nhỏ nhất, khối lọc tín hiệu thông tin làm nhiệm vụ chuyển tiếp thông tin giữa hai kênh truyền là trong nhà và ngoài nhà.
2.2. Ghép nối với lƣới điện - xử lý tín hiệu
2.2.1. Mạch ghép tín hiệu
Có hai cách chủ yếu để phối ghép tín hiệu vào mạng điện:
- Phối ghép chế độ vi sai (differential mode): dây pha được dùng làm một đầu cuối, và dây trung tính làm đầu cuối thứ hai. Trong trường hợp dây trung tính không tồn tại (ở mạng cao thế), dây đất có thể làm đầu cuối thứ hai.
- Phối ghép chế độ chung (common mode): dây pha và dây trung tính được dùng với nhau, hình thành một đầu cuối thứ hai.
Trở kháng giữa các điểm phối ghép và điểm ngắn mạch đủ lớn để cho phép truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khó khăn tồn tại trong cách này là phải có các thiết bị bảo vệ dòng dò, mà nhiều nước không cho phép sử dụng cách này vì gây nguy hiểm cho người sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Trong nghiên cứu thực hiện mạch ghép nối vật lý, hai phương pháp sau có thể được sử dụng:
+ Ghép dung kháng, sử dụng tụ điện để ghép.
+ Ghép cảm kháng, sử dụng cuộn cảm để ghép tín hiệu. Ghép cảm kháng cung cấp sự cách ly vật lý giữa mạng điện và mạng thông tin, làm cho cài đặt an toàn hơn.
2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C
Nguyên lý của mạch phối ghép này là do tần số của tín hiệu cao hơn tần số của dòng điện 50Hz rất nhiều nên dòng điện xoay chiều 50Hz sẽ được cản lại bằng một bộ lọc thông cao dùng tụ C, nhưng bộ lọc này phải có khả năng chịu được điện áp cao của lưới điện đặt lên, tức là tụ điện C phải là tụ cao áp chịu được điện áp lưới.
Trong sơ đồ (2.10. a): Tụ C và R tạo thành một bộ lọc thông cao, tần số lọc trung tâm được tính theo công thức sau: f0=1/2ΠRC
Với điều kiện là ứng với tần số điện lưới 50Hz thì Zc phải rất lớn so với R và tụ C phải có khả năng chịu được điện áp cao hơn điện áp lưới điện. Về mặt ngăn cản điện 220V - 50Hz thì Zc càng lớn càng tốt và R càng nhỏ càng tốt nhưng thực tế thì điều đó lại còn phải phụ thuộc vào tín hiệu cần truyền, do vậy Zc không thể tăng mãi được.
Hình 2.10: Mạch ghép dung kháng
Ví dụ yêu cầu ở đầu ra:
- Đối với dòng điện 220V- 50Hz là : UAC 220mV (suy giảm hơn 3dB) - Đối với tín hiệu thông tin 1MHz: Us suy giảm < 1dB
Do kết quả không nhất thiết phải chính xác một cách tuyệt đối mà chỉ cần nằm trong một khoảng nào đó nên ta có thể tính một cách gần đúng như sau:
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 1000 1 1000 ( 50 ) 2 . . 3, 2.10 C AC AC Z R R f Hz f C RC (2.1) Với R= 1KΩ →C<3.2*10-9(F) ~3 (nF) Tương tự với tần số 1MHz: 6 8 * 0.1 9 1 9 ( 10 ) 2 . . 18.10 v S v C C S S U R U U Z R Z R R f Hz f C RC (2.2) Với R= 1KΩ →C>18.10-11(F) ~0.2 (nF)
→ giá trị của R và C nằm trong khoảng trên sẽ thỏa mãn với điều kiện được đưa ra.
Sơ đồ (a) tuy thõa mãn về nguyên lý nhưng thực tế sẽ không an toàn do điện cao áp vẫn tiếp xúc trực tiếp với mạch điện và người sử dụng có thể bị giật nếu chạm cào phần đó. Sơ đồ (b) cũng là tương tự với sơ đồ (a) với 1 2
1 2 * C C C C C nhưng
sơ đồ (b) sẽ an toàn hơn cho mạch điện và người sử dụng do tụ C1 và C2 sẽ cách ly hoàn toàn với mạch điện.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.11: Mạch ghép kết hợp LC
Mạch ghép dung kháng ở trên có ưu điểm là khá đơn giản, nhưng chỉ có thể làm việc tốt với điều kiện điện lưới là điện hạ thế (không quá lớn) và tần số của tín hiệu sóng mang cần truyền phải lớn hơn tần số dòng điện xoay chiều một khoảng nhất định. Nếu như điện áp của dòng điện lưới là vài KV trở lên hoặc tần số của tín hiệu chỉ khoảng vài chục KHz thì thực tế mạch sẽ không còn tác dụng như tính toán ở trên. Nguyên nhân là do R gần như không thay đổi trở kháng khi tần số thay đổi, vì thế mà bậc lọc của mạch chỉ là bậc nhất nên hiệu quả lọc không cao.
Do vậy đối với những trường hợp đó phải sử dụng các mạch phối hợp phức tạp hơn như mạch kết hợp LC. Có hai cách sử dụng L trong trường hợp này là dùng cuộn cảm đơn hay ghép biến áp. Việc ghép biến áp tuy phức tạp hơn nhưng đạt hiệu quả rất cao và rất an toàn cho người sử dụng do việc cách ly hoàn toàn phần mạch với lưới điện, điều đó còn có giá trị bảo vệ mạch điện rất tốt khi lưới điện gặp các sự cố như quá áp hay bị sét đánh. Khi hoạt động, cuộn cảm L mắc song song có vai trò cũng giống như tụ C là cho tần số cao là tần số của tín hiệu sóng mang đi qua và gây suy hao lớn với tần số thấp là tần số của dòng điện lưới.
Đối với cả sơ đồ thu và sơ đồ phát tín hiệu thì mạch phối ghép cũng gần giống nhau. Tuy nhiên, ZC ở mạch phát thường nhỏ hơn khá nhiều so với ZC ở mạch thu, do trở kháng ra ở mạch phát là nhỏ đóng vai trò là R nhỏ nên ZC không cần lớn để giảm suy hao cho tín hiệu phát đi.
Sơ đồ (c) là toàn bộ phối ghép với lưới điện cho lưới điện 3 pha.
2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp
Để đạt được hiệu quả cao hơn trong việc lọc tín hiệu, sự kết hợp giữa bộ lọc thông thấp chịu được điện áp cao và mạch lọc thông dải được sử dụng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
2.2.2. Các bộ lọc tương tự
Có hai loại mạch lọc tương tự là mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động. Ở mạch lọc tích cực, tín hiệu nằm trong giải thông được cho qua bộ lọc rồi được khuếch đại lớn hơn tín hiệu vào, còn ở mạch lọc thụ động thì tín hiệu nằm trong dải lọc sẽ được cho qua bộ lọc với sự suy hao nhất định nên tín hiệu ra sẽ nhỏ hơn tín hiệu vào.
2.2.2.1. Mạch lọc RC
Ở phạm vi tần số thấp khoảng 1 MHz trở lại, chế tạo các cuộn cảm rất cồng kềnh mà chất lượng lại không tốt nên mạch lọc RC thường được sử dụng. Do đặc điểm của tụ C là trở kháng càng giảm khi tần số càng tăng nên người ta có thể dựa vào đó để thiết kế các bộ lọc RC thông thấp hoặc thông cao.
Ưu điểm của bộ lọc thụ động RC là đơn giản, kích thước nhỏ gọn tuy nhiên hiệu quả lọc không cao vì chỉ là lọc bậc nhất.
Tần số trung tâm của mạch lọc được tính theo công thức sau:
0 1 2 f RC (với R: Ω, C: F, f0: Hz) (2.3)
Mạch lọc thông dải RC được tạo thành từ hai mạch lọc thông thấp và thông cao RC, để tăng khả năng lọc ta còn có thể các tầng lọc nối tiếp nhau.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.2.2. Mạch lọc LC
Hình 2.13: Các mạch lọc LC đơn giản
Hình 2.14: Các mạch cộng hƣởng LC
Với tần số cao, mạch lọc LC được sử dụng và có nhiều ưu điểm so với mạch RC. Do đặc tính của mạch lọc LC là khả năng cộng hưởng nên với yêu cầu lọc dải tần số hẹp thì chất lượng lọc rất cao. Chính vì thế mạch cổng hưởng LC được sử dụng khá phổ biến trong các máy thu tín hiệu (radio, tivi…).
2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác
Để đạt chất lượng lọc cao trong phạm vi tần số không lớn (dưới vài MHz), người ta còn dùng vi mạch khuếch đại thuật toán và mạng RC gọi là mạch lọc tích cực.
Khác với lọc thụ động, mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba tham số cơ bản: tần số giới hạn fg, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc.
Tần số giới hạn là những tần số mà tại đó đặc tuyến biên độ - tần số của hàm truyền đạt giảm 3dB so với hệ số truyền đạt ở tần số trung tâm. Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ - tần số ở tần số f >> fg. Loại của bộ lọc xác định dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quanh tần số giới hạn và trong khu vực
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.15: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741
Tần số cộng hưởng: 0 1 2 f RC Hệ số phẩm chất: 1 3 Q K
Dải thông của mạch lọc: B f0 Q
2.3. Các phƣơng thức mã hóa
Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu. Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu vì vậy ta chủ yếu quan tâm đến mã hóa kênh để phát hiện lỗi và sửa lỗi. Các mã sửa lỗi như mã xoắn và mã Reed - Solomon có thể kết hợp với nhau trong hệ thống để cải thiện chất lượng hệ thống.
2.3.1 Mã xoắn
Mã xoắn (convolutional code) được đặc trưng bởi ba số nguyên là n, k và K. Mã xoắn hay mã chập (n,k,K) được xây dựng từ các thanh ghi dịch kK bit. Ở đây ta xét loại mã xoắn phổ biến nhất là mã xoắn có k=1. Bộ mã hóa là thanh ghi dịch K bit. Đầu ra của các vị trí trong thanh ghi được lựa chọn để cộng modul-2 với nhau. Số lượng bộ cộng modul-2 chính là n. Một bộ chuyển mạch sẽ lần lượt lấy mẫu mỗi đầu ra của bộ cộng modul-2 theo nhịp của đòng hồ thanh ghi dịch.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.16. Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ 1/2
a) Biểu diễn mã chập bằng đa thức sinh
Có thể biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn bang các đa thức sinh. Mỗi đa thức sinh biểu diễn cho một bộ cộng modul-2. Đa thức sinh có bậc ≤K-1 miêu tả sự kết nối giữa đầu ra của một vị trí trong thanh ghi dịch với bộ cộng modul-2. Theo ví dụ trên, hai đa thức sinh là G1(x) = 1 + x2 và G2(x) = 1 + x.
Giả sử dãy tin vào bộ mã hóa la 1100, dãy mã hóa sẽ là 11101101…, nghĩa là ứng với một bit tin vào có hai bit mã hóa ra. Do đó, tỷ lệ mã là 1/2.
Định nghĩa đáp ứng xung của mã hóa là đáp ứng của bộ mã hóa khi bit vào là 1. Trong ví dụ trên, đáp ứng xung sẽ là: 110110. Với dãy vào là 1101, ta thấy dãy ra có thể được tính là chập dãy vào với đáp ứng xung. Do đó mã này có tên là mã chập.
b) Biểu diễn mã xoắn bằng sơ đồ cây.
Hình 2.17 trình bày sơ đồ cây biểu diễn mã chập cho ví dụ trên. Giả sử ban đầu toàn bộ thanh ghi được xóa về 0. Đọc sơ đồ cây theo phương ngang từ trái qua phải, mỗi nhánh cây biểu diễn một từ mã hai bit ra ứng với một bit vào. Mỗi khi có bit vào là 0, đi sang nhánh phải tiếp theo ở phía trên, nếu bit vào là 1 thì đi sang nhánh phải tiếp theo ở phía dưới.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.17. Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
Giả sử dãy vào là 110, đi theo đường nét đậm trên sơ đồ cây, ta được dãy ra là 111011. Nếu số bit vào là L thì số nhánh trong sơ đồ cây sẽ là 2L. Như vậy, khi số bit vào tăng thì sơ đồ cây rất cồng kềnh.
c) Biểu diễn mã xoắn bằng sơ đồ lưới
Nhìn trong sơ đồ cây ta thấy thực tế là bộ mã hóa mã xoắn chỉ có 4 trạng thái phân biệt, ký hiệu là a, b, c và d tương ứng với các cặp bit nhị phân 00, 10, 01 và 11.
Từ sơ đồ cây, ta thấy: lần phân nhánh đầu tiên tạo ra hai nút, lần phân nhánh thứ hai tạo ra bốn nút và cứ sau mỗi lần phân nhánh số nút tăng gấp đôi. Sau lần phân nhánh thứ ba ta thấy nửa trên và nửa dưới của cây giống hệt nhau. Như vậy, vào thời điểm ti nào đó, hai nút bất kỳ có cùng trạng thái đều có thể kết hợp với nhau thành một nút. Áp dụng điều này cho sơ đồ cây trên hình 2.17, ta được sơ đồ lưới trên hình 2.18.
Các nút trong lưới biểu diễn trạng thái của bộ mã hóa. Các nút ở cùng hang biểu diễn cùng trạng thái. Từ mỗi nút lưới có hai nhánh ra: một nhánh ứng với bit vào là 0 (đường nét liền), một nhánh ứng với bit vào là 1 (đường nét đứt). Tổng quat, sau cột nút thứ K, cấu trúc lưới được lặp lại.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 2.18. Sơ đồ lƣới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
Giải mã xoắn bằng thuật toán Viterbi
Khác với mã khối có độ dài từ mã cố định, mã xoắn không có kích thước đặc thù. Tuy vậy, mã xoắn cũng bị ép vào một cấu trúc khối bằng cách gắn thêm một số bit 0 vào cuối một dãy tin để đảm bảo đuôi dãy tin được dịch hết qua thanh ghi dịch. Các bit 0 này không mang thông tin nên tỷ lệ mã sẽ nhỏ hơn k/n. Để giữ cho tỷ lệ mã xấp xỉ với k/n, chu kỳ gắn thêm bit 0 thường rất dài. Chẳng hạn trong ví dụ trên đây sau 300 bit tin mới gắn thêm hai bit 0. Vậy tỷ lệ mã là 300/604 xấp xỉ 1/2.
Có ba kiểu giả mã chập chính là kiểu tuần tự, ngưỡng và Viterbi, trong đó