Chương I : TÌM HIỂU VỀ NHÀ THÔNG MINH
2.2. Công nghệ truyền thông qua đường dây tả đệ i in
2.2.1. Nguyên lắ cơ ả b n
Nguyên tắc của PLC là sự xếp ch ng c a tắn hi u i n 50 Hz (t n s ồ ủ ệ đ ệ ầ ố được phát ra bởi máy phát đ ệi n) và một tắn hiệu khác ở tần s rấố t cao (t 1-30MHz) có ừ năng lượng yếu. Tắn hiệu thứ 2 này tự nó lan truyền trên mạng lưới đ ện và có thểi thu nhận và giải đ ềi u chế.
Sự giải đ ều chế được thựi c hi n b i mộệ ở t máy thu PLC (récepteur CLP). M t ộ coupler (mạch ghép tắn hiệu_ để k t nối mạng cài đặt vào lưới đ ệế i n) được tắch hợp ở đầu vào của máy thu PLC có nhi m v khửệ ụ thành ph n t n s cơ bảầ ầ ố n trước khi th c ự hiện xử lý tắn hiệu.
Hình vẽ 2. HF signal Ờ sóng mang trong hoạt động của PLC.
Ở đ ây tắn hi u sóng mang là tắn hi u i n áp 220, có t n s là 50Hz. Th p ệ ệ đ ệ ầ ố ấ hơn rất nhiều so v i tắn hi u mang thông tin. Tắn hi u mang thông tin là 1.6Mhz đến ớ ệ ệ 30Mhz. Đây là kĩ thuật đ ềi u chế tắn hiệu. Có 2 dạng : đ ềi u chế tần s và i u ch ố đ ề ế biên độ:
Đ ềi u ch bi n do: có hình v file ắnh kèm ế ế ẽ ở đ Đ ềi u chế ầ t n s : có hình v file ắnh kèm ố ẽ ở đ Sóng mang: sóng để chở thơng tin tần số thấp
Sóng mang là những tắn hiệu hình Since tần số cao trong đó nó sẽ có các thành phần như pha hay biên độ sẽ bi n thiên theo sóng tắn hi u, để tạo thành các ế ệ sóng cao tần mang các sóng tắn hiệu này đi trong khơng gian.
Nếu khơng có sóng mang thì các sóng tắn hiệu không thể truyề đn i xa do bị suy hao tần số.
Sóng mang có nhiệm vụ đưa tắn hiệu lên mức tần số cao để truyền đi xa hơn . Sau đó sẽ được loạ ỏi b để thu được tắn hiệu nguyên thủy ( tất nhiên là có khác chút ắt )
2.2.2. Kĩ thuậ đ ềt i u chế
Để có thể truy n tắn hi u mang thông tin qua đường đ ệề ệ i n thì trước hết ta phải bi n ế đổi tắn hiệu này thành dạng phù hợp với đường truyền. Hơn nữa việc đ ềi u chế này cịn có mụ đc ắch khác là để có thể truyền thơng tin đi xa, chịu ắt tác động của nhiễu. Cho đến nay, có nhiều phương pháp đ ềi u chế được ứng dụng trong các lĩnh vực viễn thông như: Công nghệ trải phổ SS, công nghệ ghép kênh phân chia tần số trực giao OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex), GMSK, ASK, FSK, PSK, QAM,Ầ
Hiện nay phương pháp được sử dụng r ng rãi là FSK và OFDM. FSK có u ộ ư đ ểi m là đơn gi n, tuy nhiên h n ch là b ng thơng th p. Cịn OFDM tuy ph c t p ả ạ ế ă ấ ứ ạ nhưng cho tốc độ cao.
Frequency Shift Keying
Frequency Shift Keying ( FSK) là một dạng củ đ ềa i u chế ầ t n số ở đ, ó tần số sóng mang bị thay đổi bởi chuỗi bit nhị phân đầu vào. Khi tắn hi u đầu vào nh phân ệ ị thay đổi từ 0 thành 1, đầu ra FSK chuyển giữa hai tần số: là mark hay tần số mức logic 1 và space hay tần số mức logic 0. Minh ho nh hình sau: ạ ư
Hình vẽ 3. Frequency Shift Keying.
- Vc : biên độ (không được đ ềì u chế) - ωc : Tần số góc sóng mang
- υm(t) : Tắn hiệu đ ềi u chế nhị phân ( = ổ1 ứng với mức logic 1 và 0) - ∆ω : độ chênh lệch tần số
Chúng ta thấy rằng biên độ Vc là hằng số, tuy nhiên tần số ủ c a tắn hiệu ra sẽ chuyển đổi bởi giá trị ổ∆ω/2.
Phase Shift Keying
Phase Shift Keying (PSK) là một dạng củ đ ềa i u chế góc pha ở đ ó pha của sóng mang thay đổi bởi chuỗi bit nhị phân đầu vào, còn tần số khơng đổi. Hình minh họa phương pháp đ ềi u chế góc pha:
Hình vẽ 4. Phase Shift Keying.
Công thức:
υ(t) = Vc .d(t) cos( c t ) ω
d(t) = ổ 1 ng vứ ới mức logic 1 và 0.
Kỹ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao Ờ OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).
dỖÉtude en dédiffution et Télécomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập niên 1980.
Ý tưởng chắnh trong kỹ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, đ ềi u này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
OFDM tạo ra lưới theo thời gian và tần số. M i hình ch nh t là m t kênh ỗ ữ ậ ộ độc lập và có th c p cho nh ng người s d ng khác nhau. ể ấ ữ ử ụ
Hình vẽ 5. OFDM.
Trong kiểu FDM truyền thống, những sóng mang được lọc ra riêng để đảm bảo rằng khơng có chồng phổ, bởi vậy khơng có hiện tượng giao thoa kắ hiệu ISI (Inter Symbol Interference) giữa những sóng mang nhưng hiệu quả quang phổ chưa cao. Ảnh hưởng giữa các symbol ỜISI là do các tiếng v ng t m t symbol nh t định ọ ừ ộ ấ (gọi là vọng symbol N) sẽ ả nh hưởng đến symbol tiếp theo (gọi là symbol N+1).
Công nghệ OFDM khắc phục vấn đề ISI b ng cách s dụằ ử ng kho ng b o v ả ả ệ (Guard Interval ỜGI period) tạ đ ại o n bắt đầu của symbol. Khoảng thời gian bảo vệ chắnh là phần symbol b nh hị ả ưởng bởi ISI còn khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng bảo
vệ chắnh là khoảng tải tin.
Hình vẽ 6. Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ.
Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số ệu tốc độ li cao và tăng hiệu quả quang phổ. Đ ềi u này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang ph ụ (sub-carrier) qua khơng trung, mỗi sub-carrier có khả năng mang s li u i u bi n. ố ệ đ ề ế Các sub-carrier được đặt vào các tần số trực giao.
Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một sub-carrier nh t định s rơi ấ ẽ đúng vào các iểm bằng 0 (null) của các sub-carrier khác. Sử dụđ ng các t n s tr c ầ ố ự giao sẽ tránh được sự ả nh hưởng lẫn nhau giữa các sub-carrier khác nhau khi sắp xếp vị trắ các sub-carrier với mật độ lớn trong mi n t n s do ó s ề ầ ố đ ẽ đạ đượt c hi u ệ quả quang phổ cao.
Kĩ thuật trải ph ổ
Nguyên lý cơ bản c a i u ch tr i ph là s dụủ đ ề ế ả ổ ử ng b ng t n r ng h n r t ă ầ ộ ơ ấ nhiều mức cần thiết để truyền thông tin. Vắ dụ, chúng ta có thể sử dụng 1 MHz và 10 Watt đối với băng hẹp nh ng 20 MHz và 100 mW ư đối với trải ph . Hình dưới ổ đây minh h a s khác nhau gi a truy n thông b ng h p và truy n thông tr i ph . ọ ự ữ ề ă ẹ ề ả ổ
Hình vẽ 8. Truyền thơng băng hẹp và truyền thông trải phổ.
Trong khi băng tần trải phổ là tương đối rộng, thì cơng suất đỉnh c a tắn hiệu ủ lại rất thấp. Đây chắnh là yêu cầu thứ 2 đối với một tắn hiệu được xem như là trải phổ. Một tắn hiệu được xem là trải ph khi nó có cơng su t th p. Hai đặc i m này ổ ấ ấ đ ể của trải phổ (sử dụng b ng t n s rộă ầ ố ng và công su t r t th p) làm cho bên nh n ấ ấ ấ ậ (receiver) nhìn chúng giống như là một tắn hiệu nhi u. Noise (nhi u) c ng là tắn ễ ễ ũ hiệu băng rộng công suất thấp nhưng sự khác biệt là nhiễu thường là không mong muốn. Hơn nữa, vì bộ nhận tắn hiệu xem các tắn hiệu trải phổ như là nhiễu, nên các receiver sẽ không cố gắng demodulate (gi i i u ch ) hay di n gi i nó làm cho vi c ả đ ề ế ễ ả ệ truyền thơng có tắnh bảo m t t t. ậ ố
Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ ơ ả c b n:
- Trải phổ chuỗi trực ti p (DS-Direct Sequence): Hệ thống DS/SS đạt được ế trải phổ bằng cách nhân tắn hiệu nguồn với một tắn hiệu giả ngẫu nhiên.
- Trải phổ nhảy tần (FH-Frequency Hopping): Hệ thống FH/SS đạt được trải phổ bằng cách nh y t n s mang trên m t t p (l n) các t n s . M u nh y t n s có ả ầ ố ộ ậ ớ ầ ố ẫ ả ầ ố dạng giả ngẫu nhiên.
- Trải phổ nhẩy thời gian (TH-Time Hopping): hệ thống TH/SS, một khối các bit số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian. Một mẫu nh y th i gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụả ờ ng để truy n ề dẫn trong mỗi khung.
Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên.
Hiện nay phần lớn các quan tâm về hệ th ng SS là các ng d ng a thâm ố ứ ụ đ nhập mà ở đ ó nhiều người sử dụng cùng chia xẻ ột độ ộ m r ng b ng t n truy n d n. ă ầ ề ẫ Ở hệ thống DS/SS nhiều người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tắn hiệu của họ đồng th i. ở các hệ thống FH/SS và TH/SS, mỗi người sử dụờ ng được n ấ định một mã gi ngẫả u nhiên sao cho khơng có c p máy phát nào s dụặ ử ng cùng t n ầ số hay cùng khe thời gian, từ đ ó các máy phát sẽ tránh được xung đột.
Như vậy FH và TH là các ki u h th ng tránh xung đột , trong khi ó DS là ể ệ ố đ kiểu hệ thống lấy trung bình.
2.2.3. Phương pháp đ ềi u khiển truy nhập đường truyền (MAC)
Yêu cầu: không bị xung đột
Giải pháp: Phương pháp CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid) (kiểu truy cập đường truyền với Topology BUS).
Hiện nay chưa có một giao thức MAC chuẩn nào cho PLC. HomePlug khuyến nghị s dử ụng phương pháp a truy c p c m nh n sóng mang tránh xung đột đ ậ ả ậ CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoid).
Giao thức CSMA/CA tránh xung đột dựa trên nguyên tắc báo nhận lẫn nhau giữa bên truyền và bên nhận.
Hình vẽ 9. Nguyên tắc CSMA/CA
Trạm truyền phải lắng nghe đường truyền, và đợ đến khi đường truyền rỗi i trong một khoảng thời gian gọi là DIFS (Distributed Inter Frame Space) thì mới có thể truyền. Trạm truyền gửi m t bộ ản tin gọi là đã sẵn sàng truyền RTS (Ready To Send), bản tin RTS bao gồm những thông tin về kắch thước dữ liệu, tốc độ truyền. Trạm nhận trả lời m t bảộ n tin báo r ng ằ đường truyền rỗi CTS (Clear To Send). Nhận được bản tin CTS, trạm truyền mới bắt đầu truyền.
2.2.4. Phương pháp ghép nối với lưới đ ệi n hạ áp
Với công nghệ truyền thông tin qua đường dây đ ện, cần phải có một coupler i để ghép nối gi a m ng i n và transceiver. ữ ạ đ ệ
Tồn tại hai phương pháp ghép nối:
- Kết nối dung kháng: Mộ ụ đ ệt t i n chịu trách nhiệm kết nối.
- Kết nối cảm kháng: Sử dụng m t cu n dây i n c m. K t n i c m kháng ộ ộ đ ệ ả ế ố ả tạo ra sự tách biệt về mặt vật lý giữa mạng năng lượng và mạng truyền thông, do đó tạo ra sự an tồn khi cài đặt.
Một khó khăn trong việt thiết kế kết n i v i m ng lưới i n là ph i nh n ố ớ ạ đ ệ ả ậ được sự đ áp ng t n s phù c a m ch ghép tắn hi u Ờ g i là coupler. Theo chiều ứ ầ ố ủ ạ ệ ọ nhận thông tin, mong muốn là thiết bị kết n i có ố đặc tắnh l c thông d i, ch n tắn ọ ả ặ hiệu 50Hz và cho phép tắn hiệu tại tần số mang đi qua. Theo chiều truyền thông tin, chúng ta mong muốn coupler có đặc tắnh thơng cao, cho tắn hiệ đu i qua mà không suy giảm. Mạch ghép nối cũng phải phố ợi h p tr kháng v i đường dây i n để cho ở ớ đ ệ công suất truyền tố đi a. Việc thỏa mãn tất cả những yêu cầu này là rất khó khăn. Thiết kế mạch ghép v cơ bảề n ph i k t h p các ả ế ợ đặc tắnh theo chi u truy n, chi u ề ề ề nhận và cả trở kháng.
Kết nối dung kháng
Kiểu kết nối này được sử dụng nhi u cho ng d ng PLC indoor, nó r t phù ề ứ ụ ấ hợp cho mạng một pha.
Kết nối này cũng có thể được sử dụng trong m ng 3 pha, tuy nhiên ph c t p ạ ứ ạ hơn và cần có sự giúp đỡ của thợ đ ện. i
Dưới đây là một thiế ịt b coupler của hãng Oxance.
http://www.maison-domotique.com/powerline/phonex/cpl_phases.php Đặc tắnh:
Tension nominale de 400VAC 50-60Hz Conducteur de 2.5mmỗ maximum Capacité de 3x10nF (nanoFarad)
Fréquences comprises entre 0.5 et 50MHz
Kết nối cảm kháng
Một số công nghệ phổ biến được chỉ ra dưới hình sau:
Hình vẽ 12. S ơ đồ ghép cảm kháng 1
Đây là sơ đồ ph biến nhất. ổ
Phương pháp này dựa trên 2 nguyên tắc cơ bản:
- Giá trị ủ c a Ceq tạo ra trở kháng thắch hợp để chặn tần số 50 Hz.
- Sự cộng hưởng gi a t i n Ceq và cu n dây i n c m L1 để đưa ra m t ữ ụ đ ệ ộ đ ệ ả ộ trở kháng thấp phù hợp.
Hạn chế của sơ đồ này là việc dùng biến áp lõi sắt từ. Cảm kháng hiệu dụng của lõi này khó đo đạc và có thể thay đổi phi tuyến làm thay đổi đặc tắnh của mạch ghép nối.
Hình vẽ 13. S ơ đồ ghép cảm kháng 2
Trong sơ đồ này, dung kháng ghép lớn (Ceq = 0.5uF). Tuy có trở kháng vào bộ thu phát thấp, nh ng t n hao t n s sóng mang l n (lên t i 20dB). ư ổ ầ ố ớ ớ
S ơ đồ ghép nối thứ 3:
Hình vẽ 14. S ơ đồ ghép cảm kháng 3
Nhờ có hai cuộn thứ cấp, m ch ghép n i có th ạ ố ể được thi t k vớ đế ế i áp ng ứ băng rộng, biến đổi chậm. Đáp ứng như vậy có ngh a r ng tr kháng bi n áp ắt nh ĩ ằ ở ế ả hưởng hơn đến hoạt động của mạch. Đáp ứng băng rộng này có thể được đ ều chỉnh i trên cuộn thứ cấp c a bi n áp, nh thi t k các m ch l c ở phắa thứ cấ Ở ứủ ế ờ ế ế ạ ọ p. th cấp của máy thu, đáp ứng băng rộng cải thiện đáp ứng băng hẹp để chỉ cho tần số sóng mang đi qua. Ở cuộn thứ cấp c a máy phát, đủ áp ng b ng rứ ă ộng thắch hợp cho việc lọc ở máy phát.
2.2.5. Một số ế y u tố ả nh hưởng đến việc truyền thông trên đường dây tải đ ệi n
Sự phát xạ của tắn hiệu
Khi truyền tắn hiệu trên đường dây đ ệi n lực, đường dây giống như một anten lớn nhận các nhiễu và phát xạ tắn hiệu. Khi sử dụng cho ng d ng truy n thơng tin, ứ ụ ề q trình phát xạ ầ c n được xem xét thận trọng. Nhiễu và phát xạ ừ t đường dây trong nhà các hộ dân cư là một vấn đề cần được chú ý kh c ph c b i n u các đường dây ắ ụ ở ế này không được bọc bảo vệ ố t t thì sẽ phát xạ ạ m nh gây ảnh hưởng đáng kể.
Do đó một đ ềi u quan trọng là phải làm cho tắn hiệu bức xạ này không gây nhiễu đến các hệ thống thông tin khác.
Khi sử dụng t n s trong kho ng 2ọ30Mhz cho truy n d n, tắn hi u b c x ầ ố ả ề ẫ ệ ứ ạ này càng cần quan tâm, vì các ứng dụng vơ tuyến khác cũng sử dụng d i t n này. ả ầ Hệ thống PLC không được phép làm nhiễu các hệ thống khác như định vị dẫn đường, phát thanh truyền hìnhẦ R t nhi u nghiên c u g n ây ã ấ ề ứ ầ đ đ đưa ra phương pháp để xác định mức bức xạ này.
Một giải pháp có thể sử dụng là dùng b lọộ c ng n ch n các tắn hi u truy n ă ặ ệ ề thông không vào trong nhà.
Sư phối hợp trở kháng
Với hệ ố th ng truy n thơng tin, để có được cơng su t phát c c đại thì c n ph i ề ấ ự ầ ả có được sự phối hợp trở kháng giữa kênh truyền và máy thu phát, nhưng mạng đường dây đ ệ ựi n l c ch a thắch nghi ư được vớ ấi v n đề này vì tr kháng đầu vào (hay ở đầu ra) thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trắ khác nhau, nó có thể thấp cỡ mΩ hay cao tới hàng nghìn Ω, và thấp một cách đặc biệ ạt t i các trạm con. M t s trộ ố ở kháng không phối hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây đ ệi n lực (vắ dụ do các hộp cáp không phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tắn hiệu càng lớn hơn.
Tỷ lệ tắn hiệu trên nhiễu
Một trong những tham số quan trọng đánh giá chất lượng của hệ thống là tỷ số tắn hiệu trên nhiễu S/N, tỷ số này càng lớn thì chất lượng hệ thống càng cao