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
+ 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)
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.
Sơ đồ FSK có khả năng chống nhiễu rất tốt, tốt hơn ASK rất nhiều. Tuy lúc thử nghiệm có các thiết bị điện gây nhiễu mạnh cùng hoạt động như máy khoan, máy tính, máy sấy… nhưng tín hiệu ra không thấy bị ảnh hưởng.
Sơ đồ FSK ở trên có nhược điểm là kém ổn định,dễ bị dịch tần số và gây lỗi truyền dẫn. Nếu khoảng cách giữa hai tần số phát f1,f2 (Bp) hẹp thì vi mạch dao động của cả bên phát và thu là mạch RC, khả năng ổn định kém nên dễ bị dịch tần và gây lỗi. Còn nếu khoảng cách f1, f2 (Bp) lớn thì băng thông chiếm dụng cũng lớn hơn và còn bị ảnh hưởng của bộ lọc thông dải, bộ lọc thông dải LC là mạch lọc cộng hưởng nên dải lọc khá hẹp và sẽ làm ảnh hưởng đến tín hiệu có băng thông lớn. Tốc độ tối đa của dữ liệu cho phépvới sơ đồ mạch trên là khoảng 12kbps, đến mức đó thì chất lượng dữ liệu bắt đầu bị giảm sút. Qua việc thử nghiệm với các dải tần từ 700khz đến 1200 khz thì thấy, vấn đề của FSK dùng 4046 là tốc độ cho phép thấp và kém ổn định.
3.2.3. Điều chế và giải điều chế BPSK
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3-10: Sơ đồ điều chế BPSK
Sơ đồ điều chế BPSK cũng khá đơn giản và giống với điều chế ASK.
Mạch dao động thạch anh dùng IC cổng NAND (7400) sẽ tạo ra dao động rồi qua IC đếm 7490 chia tần số theo yêu cầu. IC 74HC86 là vi mạch cổng EX-OR có nhiệm vụ thực hiện biến đổi pha của sóng mang theo dữ liệu vào. Khi data In = 0, tín hiêụ ngõ ra sẽ cùng pha với tín hiệu cao tần ngõ vào, khi data In = 1, tín hiêụ ngõ ra sẽ ngược pha với tín hiệu cao tần ngõ vào. Tần số ra quyết định bởi tần số của thạch anh, ở đây ta sử dụng thạch anh 12 Mhz và chia 10 lần tần số để có sóng mang 1,2 Mhz.
3.2.3.2. Giải điều chế BPSK dùng CD4046
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Ở bên thu, tín hiệu BPSK nhận đựơc sẽ đưa đến ngõ vào thứ nhất của hai bộ so pha, tín hiệu dao động của VCO được đưa đến ngõ vào còn lại. Mạch so pha một được sử dụng chân 2. Dao động của VCO được điều chỉnh bởi RP1, RP2 sao cho tần số dao động nằm trong khoảng từ 900 - 1300 khz. Khi hoạt đọng, mạch VCO sẽ được điều khiển bởi điện áp của mạch so pha 1 và sẽ bám theo tín hiệu ngõ vào, mỗi khi trạng thái đảo pha xuất hiện thì nó sẽ gây ra một xung đột biến tại ngõ ra của bộ so pha. Xung đột biến đó sẽ được khuếch đại lên nhờ vi mạch LM386 rồi qua tầng khoá điện tử để đưa về mức điện áp chuẩn và đến ngõ vào của IC74LS90, 74LS90 có nhiệm vụ chia đảo trạng thái theo mỗi sườn xung đột biến để khôi phục lại dạng dữ liệu ban đầu. Tuy nhiên, thực tế sự đảo pha là tương đối và không thể biết được pha trước là bit 1 hay bit 0, do đó việc tách pha phải được kết hợp với phần mềm để điều khiển.
3.2.3.3. Kết quả thử nghiệm
Hình 3-12: Dạng sóng của tín hiệu BPSK tại máy thu
Ưu điểm rất lớn của kỹ thuật BPSK đạt được so với ASK và FSK qua thử nghiệm là cho phép tốc độ bit cao hơn rất nhiều khi cùng một tần số sóng mang. Sơ đồ điều chế BPSK trên cho tốc độ tới 30 kbps đối với sóng mang tần số 1.2MHz, nguyên nhân gây ảnh hưởng khá rõ đến tốc độ bit là sự trễ của bộ lọc. Như ta thấy ở trên hình 3-12, những chỗ có biên độ sóng hẹp lại chính là điểm xảy ra
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
đảo pha (đảo mức tín hiệu dữ liệu ở máy phát) và khi đó, sự quá độ của mạch cộng hưởng LC đã gây ra hiện tượng trên. Nếu như tốc độ bit thấp hay thời gian quá độ của mạch LC là ngắn so với chiều dài bit thì hiện tượng trên hầu như không ảnh hưởng đến việc tách dữ liệu ra, nhưng nếu tốc độ bit cao đến mức thời gian quá độ của mạch LC có thể so sánh với chiều dài bit thì rõ ràng sẽ gây ra sự lỗi bit không mong muốn.
Hình 3-12 (3) thể hiện các xung pha sau khi giải điều chế BPSK. Mạch BPSK cho thấy sự ổn định là khá tốt do tần số làm việc dùng thạch anh có độ ổn định rất cao.
Nhược điểm của BPSK là sự phức tạp trong việc giải điều chế cả về phần cứng và phần mềm. Giải điều chế không chỉ sử dụng đơn thuần phần cứng mà còn phải dùng phần mềm để kiểm tra và tách pha. Khả năng chống nhiễu ở mức vừa phải, tức là chống nhiễu tốt hơn ASK và kém hơn FSK.
3.2.4. Điều chế và giải điều chế FM
Trong lịch sử phát triển của PLC, ở thời kỳ đầu khi kỹ thuật số chưa phát triển mạnh thì kỹ thuật FM được sử dụng để truyền âm thanh qua đường cáp điện. Ưu điểm của mạch điều chế và giải điều chế FM là sự đơn giản với các vi mạch sẵn có và khả năng chống nhiễu khá tốt.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Hình 3-13: Sơ đồ điều chế FM với PLL4046
C1=1uF C2=1uF C3=1nF CP0=55pF R1=100k R2=15k R3=1k R4=100 R5=10k R6=22k R4=4.7k RP1=10k RP2=3.3k Ec=9V
Điều chế FM sử dụng 4046 được thực hiện như sau: tín hiệu Audio được khuếch đại qua tầng khuếch đại T1 mắc theo kiểu EC, qua R7 đến ngõ vào của mạch VCO (chân9). Sự biến thiên về điện áp ở ngõ vào sẽ chuyển thành sự biến