Chương 1: MẠNG ĐIỆN LỰC VÀ CÁC ĐẶC TÍNH KÊNH TRUYỀN TỐC ĐỘ CAO
1.3. Các đặc tính của mạng điện lực
1.3.2. Hàm truyền của một mạng PLC trong dải access
Cấu hình tiêu biểu của một mạng điện ở châu Âu như hình sau
Mỗi một trạm biến thế có khoảng 10 đường dây và mỗi đường dây cung cấp 30 đến 40 căn hộ trên một đường dây dài 1km
Hình 1.7: Cấu hình tiêu biểu của một mạng điện ở châu Âu
1 2 3
6
4 5
7
11
8 9
10
18 17 16
12
13 14
15
19 20 21
26
Trạm biến thế
31 30
27 25
24 23 22
33 32 29
28
1km cáp
1.3.2.1 Độ suy giảm và mô hình hoá đường dây PLC Độ suy giảm do các nguyên nhân sau
Suy giảm tự nhiên do cáp Suy giảm do đa đường
+ Nghiên cứu lý thuyết về đường dây PLC
Người ta chia thành các đoạn có chiều dài dz và được mô hình hoá như trên hình 1.8
Một đơn vị dài cáp điện lực hoặc cáp truyền dẫn thông tin được mô hình hoá theo sơ đồ sau đây
Hình 1.8: Sơ đồ tương đương của một dây dẫn điện không có tải chiều dài dz Các giá trị, thông số đối với cáp NAYCWY 185/185se thường được sử dụng ở châu Âu
8 7
0
4, 07.10 2, 24.10 1 H
L f m 0 9,1.10 10 F
C m
6 0 5, 78.10 .
R f
m
11 0
1,15.10 . 1
G f .
m Các đơn vị đo biểu thị trong công thức tính theo một mét dài của cáp
Henry : met H m
Ohm
R0
G0 C0
L0
i(z,t)
v(z,t)
i(z+dz,t)
v(z+dz,t)
F : m
Farad met
1 1
: .
m Ohm met
Tại mỗi một điểm z trên đường truyền có thế là v(z) và dòng là i(z). Sự thay đổi về dòng trên đường truyền theo khoảng cách z được biểu thị bằng các phương trình vi phân :
0 0
( ) ( )
dv z R jL i z
dz (1.3)
0 0
( ) ( )
dv z G jC v z
dz (1.4)
Sau khi loại bỏ i(z) trong phương trình (1.3) và v(z) trong phương trình (1.4) ta sẽ thu được hai phương trình bậc hai, đây chính là nghiệm của hai phương trình nói trên
1 2
z z
v z V e V e
1 2
0 0
z z
V V
i z e e
Z Z
với
0 0 0 0
j R jL G jC
0 0
0
0 0
R jL
z G jC
là hằng số truyền là số phức có phần thực hệ số suy giảm, phần ảo là hằng số pha Ở các tần số mà chúng ta quan tâm giá trị của z0 khoảng 6,7 và pha bằng 0.
Hình 1.9 minh hoạ độ suy giảm tự nhiên lý thuyết của đường dây điện chưa có nhiễu đa đường
Hình 1.9: Đường cong suy giảm trên 1km vủa một cáp điện lực đa đường Các giá trị lý thuyết rất lạc quan so với các giá trị đo được thực hiện trên mạng do K.Doster [7] đưa ra với độ suy giảm trên 60dB ở khoảng cách dài 300m.
Khi một đường dây điện có chiều dài là d được nối với nhau bằng điện trở tải có giá trị bằng điện trở đặc trưng của nó. Giả sử V(e) là thế vào V(s) là thế ra ( Hình vẽ)
Hình 1.10: Hàm truyền sóng Thì ta có , Vs d j d
H f d e e
Ve với H(f,d) là độ suy giảm của tín hiệu ở tần số f trên đường truyền dài
Zg
ZL
E Ve Vs
Độ suy giảm của tín hiệu do nhiễu đa đường gây ra
Cấu hình của mạng điện cũng như sự truyền tín hiệu trên mạng điện không giống như trên đường truyền đơn. Sự phản xạ của những đoạn phối hợp trở kháng không tốt gây ra các tiếng vọng lên trên tín hiệu truyền. Trong các điều kiện này một kênh truyền sóng vô tuyến có thể được xem như một kênh đa đường. Có nghĩa là tín hiệu thu là tổng của các tín hiệu, những tín hiệu này không đơn thuần bị suy giảm mà còn bị trễ. Mô hình này cũng giống nhau với giải access và indoor.
Chẳng hạn như trong một căn hộ có nhiều nguồn nuôi trên cùng một biến thế như trên hình 1.7 thì máy thu sẽ thu được một tín hiệu qua N đường mỗi đường trễ thời gian và độ suy giảm phức A(f,d). Nếu chúng ta xét đường dây và máy thu như một hàm truyền kênh đa đường thì đáp ứng tần số sẽ có dạng
.2. . . 1
. , . i
N
j f
i i
i
H f g A f d e (1.5)
với
A(f,di) : Độ suy giảm của cáp thứ i
il... iM. ...il iN;
gi t t : các hệ số phản xạ; t 1 ; Hệ số truyền
.2. . .i
j f
e Độ trễ
0 0 L L
Z Z
Z Z
Nếu ta biểu thị độ trễ là tỷ số giữa khoảng cách truyền trên vận tốc truyền:
i p
d V
Nếu coi pha đã tính trong phần (a) bằng hệ thức 2. .
p
f
V Trong một mô hình đa đường công thức (1.3) thành
. . .
, i. di. j di
H f d g e e (1.6) Ví dụ bằng số
Giả sử mạng được mắc theo sơ đồ hình 1.11
Hình 1.11: Ví dụ về mạng
Chúng ta giả sử rằng khoảng cách giữa máy phát và thu bằng 1000m và hệ số phản xạ của nhà đầu tiên =1/3 thì hệ số truyền t1=1 - =2/3. Nếu ta giả thiết rằng hệ số phản xạ sau N căn hộ khác là =-1 (phản xạ toàn bộ). Khi đó t1=t2=…=tN. Giả sử các gia đình cách đều nhau trên 1000m dài và độ dài liên hệ lối vào của căn hộ và đường dây chính là 15 m thì khi đó độ suy giảm được mô phỏng nhờ MATLAB chỉ trên hình 1.12.
Hình 1.12: Mô phỏng hàm truyền của kênh PLC dài 1km ở dải tần 1MHz đến 30MHz rẽ nhánh 15m
Kết quả mô phỏng được thực hiện với các giá trị L0, G0, R0, C0 của cáp ANAYCWY 185/185 như trên . Nếu so sánh đường cong hình 1.12 với 1.9 ta có
Nơi truyền Nơi nhận
hướng truyền
chính và giảm theo tần số. Ta nhận thấy độ suy giảm là 100dB/1km có nghĩa là gấp 3 lần độ suy giảm của cáp có đa đường.
1.3.2.2 Hàm truyền của một cáp điện lực được thực hiện nhờ các phép đo Các số liệu đo được do K.Doster cho phép xác định hàm truyền của một mạng PLC ở bên ngoài (asccess). Ông phát một tín hiệu 65dBm 1,77 V vào trong một đường dây điện vào khoảng 300m và 1000m hình 1.13
a
b
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
Số liệu đo được cho ta thấy chiều dài của cáp càng lớn thì nhiễu càng tăng do đó tỷ số tín hiệu trên tạp âm sẽ giảm.