Hình 2.39 cho ta thấy một ký hiệu và phiên bản trễ của nó. Chính thành phần trễ này gây ra nhiễu ảnh hưởng đến phần đầu của ký hiệu tiếp theo. Đây là nhiễu lên ký hiệu ISI (Inter- symbol Interference).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hinh 2.40: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống
Để loại bỏ sự ảnh hưởng của ISI, chúng ta dời ký hiệu thứ i ra xa ký hiệu trước đó (ký hiệu i- 1) một khoảng bằng khoảng trễ trải (max). Một khoảng rỗng do đó sẽ được chèn vào giữa hai ký hiệu (hình 2.40), nhưng như vậy tín hiệu sẽ bị thay đổi đột ngột và mất tính liên tục. Vì vậy, trong thực tế, người ta chèn khoảng bảo vệ ΔG được coppy từ phần cuối của ký hiệu và dán vào phần đầu ký hiệu đó như hình 2.41. Khoảng bảo vệ này được gọi là cyclic prefix. Chiều dài của khoảng bảo vệ cần được hạn chế để đảm bảo hiệu suất sử dụng băng tần, nhưng nó vẫn phải dài hơn khoảng trễ trải của kênh truyền nhằm loại bỏ được nhiễu ISI.
Hình 2.41: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix
Ở máy thu, khoảng bảo vệ này được lại bỏ trước khi thực hiện giải điều chế.
2.7. Kết luận chƣơng
Trên cơ sở các khái niệm về PLC và đặc điểm của kênh truyền điện lực có được, chương này đã đề cập đến các kỹ thuật nhằm nâng cao chất lượng hệ thống truyền thông PLC và đưa ra các tiêu chuẩn quốc tế khuyến nghị cho các mạng PLC. Bao gồm kỹ thuật phối ghép lưới điện, kỹ thuật mã hóa, kỹ thuật điều chế, kỹ thuật trải phổ, kỹ thuật OFDM. Các kết quả này sẽ là những lựa chọn cần thiết cho quá trình xây dựng hệ thống truyền thoại trên PLC được trình bày trong chương 3.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC 3.1. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn phƣơng án thực hiện
3.1.1. Các yêu cầu của thiết kế
Với mục đích thiết kế một hệ thống có ứng dụng trong tầm ngắn (trong phạm vi căn hộ hay một toà nhà). Hệ thống có các chức năng sau:
- Điều khiển các thiết bị điện trong nhà.
- Truyền âm thanh từ một điểm đến một hay nhiều điểm khác trên mạng điện hạ thế.
Như vậy, với các yêu cầu trên ta sẽ thấy rằng:
- Phạm vi hoạt động :Hệ thống được sử dụng trong phạm vi hẹp dưới 100m là đã có thể thoả mãn yêu cầu.
- Tốc độ truyền dẫn; Đối với tín hiệu điều khiển thì chỉ cần vài trăm bps là có thể phù hợp. Còn đối với tín hiệu âm thanh được điều chế số (sử dụng điều chế delta ) thì chỉ cần từ 16kbps trở lên thì mới có thể được.
- Khả năng chống nhiễu: Đây là một yêu cầu hết sức quan trọng,hệ thống phải có khả năng chống nhiễu thật tốt, đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi bất kỳ nhiễu của thiết bị điện khác, tín hiệu nhận được phải luôn chính xác. Bởi vì tín hiệu điều khiển nếu không được nhận chính xác thì có thể sẽ gây những vấn đề nghiêm trọng như việc thiết bị điện bị bật một cách ngoài ý muốn.
- Giao diện đơn giản, dễ sử dụng.
- Tác động phụ: Không gây nhiễu cho các thiết bị như TV, máy tính; hạn chế nhiễ cho máy thu thanh.
3.1.2. Lựa chọn phương án thực hiện
- Chế độ làm việc: Đơn công hoặc bán song công, chế độ song công không được chọn do thực hiện mạch song công khá phức tạp về phần cứng. Để điều khiển hoạt động của hệ thống ta có thể dùng các loại vi điều khiển, 89C51 được lựa chọn do khá quen thuộc và tính năng có thể đáp ứng được yêu cầu của hệ thống. Để truyền thông tin từ một modul đến các modul khác thì mỗi modul thu sẽ được đánh một địa chỉ riêng biệt, tín hiệu điều khiển cần truyền đi sẽ được đưa vào khung
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
truyền dẫn bằng phương pháp truyền nối tiếp không đồng bộ, mỗi một khung truyền dẫn đều có chứa địa chỉ của nơi đến và tín hiệu điều khiển.
- Lựa chọn phương thức điều chế tín hiêụ: Đối với tín hiệu số thì ta có thể sử dụng các kỹ thuật điều chế cơ bản: ASK, FSK, PSK. Với tần số sóng mang được lựa chọn từ 100khz đến vài Mhz tần số sóng mang thích hợp sẽ được lựa chọn qua thử nghiệm
Với mục đích truyền âm thanh thoại cho người sử dụng nên ta có thể điều chế âm thanh số hoặc tương tự. Điều chế âm thanh số cũng có hai cách là dùng phương pháp điều chế xung mã PCM (sử dụng ADC) và điều chế delta với tốc độ khoảng 16- 20khz là âm thanh có thể chấp nhận được. Điều chế delta sẽ tối ưu hơn do mạch đơn giản và tiết kiệm bít. Đối với điều chế âm thanh tương tự thì chỉ có duy nhất kỹ thuật điều tần FM là thích hợp vì kỹ thuật AM chống nhiễu rất kém. Ưu điểm khá lớn của điều chế âm thanh bằng tương tự so với điều chế số là mạch đơn giản và có chất lượng cao hơn khi cùng một băng thông sử dụng.
- Mạch giao tiếp với lưới điện: Ta có thể dùng mạch dung kháng hoặc cảm kháng.
- Mạch khuếch đại thu và khuếch đại phát: sẽ được xây dựng và thử nghiệm từ các mạch khuếch đại thông thường dùng Transistor, mạch khuếch đại dùng vi mạch khuếch đại thuật toán sẽ khó được sử dụng do trên thị trường vi mạch có thể làm việc ở tần số cao khá khó tìm, vì vậy Transistor sẽ thông dụng hơn.
3.1.3. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống
Từ các yêu cầu trên ta thấy rằng hệ thống cần có các khối chức năng sau. - Khối giao tiếp với lưới điện
- Khối khuếch đại thu bao gồm các thành phần: + Bộ lọc tương tự (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Mạch khuếch đại
- Khối khuếch đại phát: Bao gồm khuếch đại kích và khuếch đại công suất. - Khối điều chế tín hiệu
- Khối giải điều chế - Khối vi xử lí
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3-2: Sơ đồ khối hệ thống hoạt động bán song công 3.2. Thử nghiệm các phƣơng thức điều chế
Phần này trình bày về quá trình thử nghiệm các phương thức điều chế và giải điều chế tín hiệu ASK, FSK, BPSK,FM. Kiểm tra dạng tín hiêụ, đo biên độ sóng được thực hiện bằng Osscillcope tương tự. Từ đó ta sẽ có một đánh giá chung về ưu, nhược điểm của mỗi loại và lựa chọn ra phương thức thích hợp để áp dụng cho hệ thống.
3.2.1. Điều chế và giải điều chế ASK
3.2.1.1 Điều chế ASK
Điều chế ASK ta có thể được thực hiện bằng cách nhân trực tiếp sóng mang với dữ liệu cần truyền đi.
Hình 3-3: Sơ đồ điều chế ASK
Dao động làm sóng mang được tạo ra nhờ mạch dao động dùng thạch anh lên có độ ổn định rất cao về tần số. Tần số sóng mang được quyết định bởi thạch anh, ở đây ta thử nghiệm với các tần số 600 Khz; 1.2 Mhz; 2Mhz và 3Mhz. Sau đó dao động được IC đếm 7490 chia tần số xuống tần số thích hợp. Việc nhân sóng mang với dữ liệu vào trong sơ đồ trên được thực hiện nhờ phần tử AND nhưng thực tế do tần số cao cỡ Mhz, phần tử NAND (7400) làm việc tốt hơn AND (7408) nên NAND được dùng cho mạch. Tín hiệu ra có dạng xung vuôg, sau khi qua bộ lọc thông dải sẽ cho dạng Sin. Ưu điểm của sơ đồ điều chế ASK này là mạch rất đơn giản, ta có thể thực hiện trong dải tần số khá rộng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Ở sơ đồ trên, T1 làm nhiệm vụ tách sóng. Mạch tách sóng hoạt động như sau: Transistor T1 được phân áp sao cho Ube có trị số từ 0,3 - 0,4 V. Trong nửa chu kỳ dương của tín hiệu, Ube < 0,6V nên T1 tắt, do đó Ura = Uc = 0 V. Trong nửa chu kỳ âm của tín hiệu, Ube 0,6 V nên T1 bắt đầu thông và đạt tới bão hoà, Ura = Uc = Ec. Tụ C có chức năng làm dạng dữ liệu ra bằng phẳng hơn. Còn T2 làm nhiệm vụ khuếch đại đưa ra dạng giữ liệu chuẩn đưa ra tầng sau.
Khi thử nghiệm với mạch thực, ở bên phát: Tín hiệu ra từ tầng điều chế được đưa tiếp sang các tầng lọc, khuếch đại, phối ghép rồi kết nối với lưới điện, ở bên thu : tín hiệu sẽ qua các tầng phối ghép, khuếch đại và lọc thông dải rồi đưa vào mạch giải điều chế ASK.
Hình 3-4: Mạch giải điều chế ASK
3.2.1.3. Kết quả thực nghiệm
Mạch ASK chống nhiễu rất kém, dữ liệu thu được chỉ tốt khi biên độ nhiễu cực đại nhỏ hơn 25- 30 % biên độ cực tiểu của sóng mang. Về lí thuyết thì tốc độ bit lớn nhất đạt được là fo/2 ( với fo là tần số sóng mang ) nhưng thực tế khi thực hiện trên mạch còn phụ thuộc vào sự trễ trên các bộ lọc và mạch tách sóng vì thế, tốc độ bit thực tê lại thấp hơn rất nhiều, chỉ đạt được tối đa là 1/50fo. Đối với sơ đồ trên và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
tần số hoạt động là 1.2 Mhz tốc độ tối đa đạt đựơc khi thử nghiệm vào khoảng 10 - 12 kbps.
Với tần số thử nghiệm thấp ( khoảng 200 - 600 khz) thì nhiễu trên đường điện không cao nên chất lượng truyền dẫn của ASK khá tốt. Nhưng ở tần số cao hơn ( khoảng 1,2 Mhz - 3 Mhz ) thì nhiễu trên lưới điện là khá mạnh, do đó chất lượng truyền dẫn của ASK giảm sút nhanh chóng.
Cùng với một sơ đồ khuếch đại phát, sóng mang tần số cao sẽ truyền đi xa hơn sóng mang tần số thấp. Tuy nhiên, khi thử với tần số sóng mang 2 - 3 Mhz thì sự khuếch đại ở bên thu lại bị hạn chế do vấn đề tự kích, nếu khuếch đại lớn quá thì hiện tượng đó sẽ xảy ra và làm mạch không hoạt động.
Dạng dữ liệu vào máy phat
Dạng sóng ở máy thu trước bộ lọc
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Dạng dữ liệu ra sau khi tách sóng
Dạng dữ liệu ra sau khi qua mạch sửa
Dạng dữ liệu ra trong điều kiện nhiễu lớn
Hình 3-5: Dạng tín hiệu đo đƣợc ở máy phát và thu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3.2.2.1. Vòng khoá pha ( phase locked loop- PLL) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Vòng khoá pha đóng vai trò quan trọng trong kỹ thuật vô tuyến điện, trong kỹ thuật truyền số liệu cũng như trong kỹ thuật đo lường. PLL được dùng để tổng hợp tần số, để điều chế, giải điều chế tín hiệu…
Nguyên lý hoạt động của PLL được chỉ ra trên hình 3.6. PLL hoạt động theo nguyên tắc vòng điều khiển. Mạch so pha của PLL nhận các tín hiệu fv và fo. So sánh pha và tần số của fo với pha và tần số của fv, tạo ra điện áp sai biệt tương ứng ở ngõ ra, điện áp này được lọc thông thấp và đưa đến ngõ vào điều khiển của mạch VCO sao cho bất kỳ sai biệt nào về tần số hay pha giưa fv và f0 đều được suy giảm liên tục cho đến khi bằng 0, lúc này vòng đã được khoá.
Hình 3-6: Mạch vòng khóa pha PLL cơ bản
Hiện nay có các loại IC PLL chính CMOS 4046B, NE565. NE567 và đặc biệt là NE565( là một vi mạch chuyên dụng cho điều chế và giải điều chế). Với yêu cầu về tần số cỡ 1Mhz, điều chế và giải điều chế FSK, FM lên ta lựa chọn 4046 do khá đa năng và phổ biến. ( NE564 mạnh hơn và nhiều ưu điểm hơn nhưng lại rất khó tìm mua trên thị trường ).
IC CMOS 4046B là mạch PLL thông dụng nổi tiếng.
Bên trong của mạch 4046 chứa hai bộ so pha PC1 và PC2. PC1 có dạng một cổng EX-OR đơn giản, có khả năng chống nhiễu tốt và phải được kích bởi các sóng vuông ở hai đầu vào ( chân 3 và chân 14). PC2 có dạng một mạch hai trạng thái bền kích khởi cạnh bằng tín hiệu logic với ngõ ra ba trạng thái. Mạch PC2 được kích khởi bởi các dạng sóng không đối xứng trên các chân 3 và 14. Mạch PC2 có tần số rất rộng nhưng khả năng chống nhiễu không tốt.
Mạch VCO bên trong được điều khiển bằng điện áp có tầm tần số lên tới 1,3 Mhz. Tần số dao động của mạch VCO được xác định bởi điện áp ngõ vào chân 9,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Vi mạch 4046 có thể đựơc sử dụng để điều chế FSK, FM, giải điều chế FSK, FM, BPSK. Vì thế vi mạch này được sinh viên lựa chọn dùng trong việc điều chế và giải điều chế tín hiệu số và tín hiệu tương tự của mạch điện PLC.
3.2.2.2. Điều chế FSK dùng vi mạch CD4046
Đặc tính của mạch VCO tần số dao động của mạch tỷ lệ thuận với điện áp ngõ vào chân 9, điều chế FSK có thể đựơc thực hiện bằng cách lợi dụng đặc tính đó của mạch VCO của 4046.
Khi điện áp ngõ vào ở mức cao (U2) thì tần số ra sẽ lớn (f2) và khi điện áp ngõ vào ở mức thấp (U1) thì tần số ra sẽ thấp (f1). Gía trị của f1, f2 được điều chỉnh bằng điện trở dao động RP1, RP2. Riêng f1 có thể thấp đến O và khi U1 ở mức 0 và R2 lớn đến vô cùng. Như vậy với dữ liệu vào là bit 1 thì tín hiệu ra sẽ có tần số cao f2, và bit 0 sẽ tương ứng với tín hiêụ ra có tần số thấp f1.
Hình 3-7: Sơ đồ điều chế FSK dùng CD4046
Giá trị các linh kiện đựơc chọn như sau:
R1 = 10k R2 = 1k R3 = 4,7k C1 = 1nF RP1 = 10k RP2 = 3,3k CP2 = 55pF
Khi đó, tần số ra tương ứng là f1 = 1070 Khz, f2 = 1220 Khz.
3.2.2.3. Giải điều chế FSK.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
R1=100K R2=12K R3=1K R4=1K CP0=55pF CP1=10nF RP1=10k RP2=1k RP3=220k CP2=1nF Ec=9v T1=C828 Để giải điều chế FSK ta cũng sử dụng vi mạch 4046.
Trong sơ đồ 3.8, tầng khuếch đại T1 (EC) hoạt động ở chế độ A, làm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu trước khi vào giải điều chế. Tín hiệu từ tầng khuếch đại được đưa vào ngõ vào thứ nhất của hai mạch so pha chân 14, ngõ vào còn lại được nối với ngõ ra của mạch VCO. Mạch so pha 2 được sử dụng chân 13, điện áp ra từ mạch này được cho qua một bộ lọc thông thấp RP3,CP2 rồi đưa đến ngõ vào của VCO. Tần số dao động của mạch VCO được điều chỉnh bởi RP1, RP2 sao cho các giá trị từ fa đến fb và nằm trong khoảng f1,f2 khi điện áp ngõ vào biến thiên từ 0 - Ec.
Hình 3-8: Sơ đồ giải điều chế FSK dùng CD4046
Khi tín hiệu vào có tần số f2 (của), f2>fvco nên điện áp ra của mạch so pha hai chân 13 sẽ ở mức cao,tương ứng thì điện áp ra của giải điều chế chân 10 cũng lên mức cao, như vậy ta sẽ có tín hiêụ là bit 1. Khi tín hiêụ vào có tần số f1 (thấp) thì quá trình sẽ ngược lại, điện áp ra của giải điều chế sẽ xuống mức thấp, như vậy ta sẽ có tín hiêụ là bit 0.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3-9: Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK
Bt: Khoảng cách biến thiên của tần số VCO máy thu. Bp: Khoảng cách biến thiên của tần số VCO máy phát.