Tần số điều chế được sử dụng trong bộ phát để điều chế tín hiệu vào. Trong mạch thu, tín hiệu điều chế tần số này được khôi phục. Với bộ dao động điều khiển bằng điện áp hoạt động tuyến tính và ổn định sử dụng cho điều chế tần số với độ méo nhỏ.
1.3. Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực
Có nhiều công nghệ truyền thông trên đường dây điện đã được triển khai đến nay. Đó là LonWorks, X – 10, OFDM, Passport, CEBus, và chuẩn HomePlug. Tất cả các công nghệ này sẽ được thảo luận vắn tắt ở phần này.
1.3.1. X10
Các đặc điểm kỹ thuật của X10 đã được thiết kế dành cho truyền tín hiệu trên đường dây điện trong nhà. Các sản phẩm đầu tiên đã được phát triển bởi một công ty Điện tử tiêu dùng tại Scotland - Pico và được đưa vào thị trường năm 1978. Các ứng dụng của X10 bao gồm kiểm tra, kiểm soát và đèn chiếu sáng cũng như các thiết bị âm thanh , mở cửa nhà để xe, truyền hình và nhiều hơn nữa .
Các hệ thống X10 là đơn giản và dễ sử dụng. Nó truyền qua bằng cách sử dụng kỹ thuật OOK trên mạng điện. Chính xác hơn, nó sử dụng tín hiệu 120 kHz kéo dài trong 1 ms. Những tín hiệu này được đồng bộ hoá với việc qua điểm 0 (cả hai đều tích cực và tiêu cực) của dòng điện tín hiệu AC. Các đặc điểm kỹ thuật cho phép tín hiệu 120 khz có sai lệch tối đa 200 μs so với vị trí qua 0. Mỗi bit truyền
chiếm hai điểm qua không ; Bit 1 là đại diện của một burst theo sau không có một- burst, trong khi bit 0 là không có-burst theo sau một burst. Hình 1-8 hiển thị thời gian mối quan hệ của các bursts liên quan đến điểm qua 0
Hình 1.5: X10 timing on 60 Hz waveform
Một gói X10, hiển thị trong hình 2-50, bao gồm mười một chu kỳ của dòng điện. Nó bắt đầu với một khởi đầu cho dạng định dạng gói, bao gồm các chuỗi 'burst, burst, burst, noburst', trong đó chiếm hai chu kỳ đầu tiên (bốn điểm qua 0). Tiếp theo bốn chu kỳ đại diện các nhà mã số, và cuối năm chu kỳ đại diện một số mã (1 đến 16) .
Chức năng hoặc một mã số (On, Off, vv) hoàn thành khối này luôn luôn được truyền hai lần, với 3 dòng điện chu kỳ giữa các nhóm của 2 mã số. Do vậy tổng số chu kỳ cần thiết để hoàn thành một lần truyền là 2 * 11 + 3 = 25 chu kỳ dòng điện .
X10 hoạt động đơn giản và có tốc độ bit thấp. 25 chu kỳ dòng điện được yêu cầu truyền một khung - trong đó bao gồm 11 bit. Vì vậy mà tốc độ bit là 60 * (11/25) = 26,4 bit / giây. Tốc độ bit này chỉ là hữu ích cho các ứng dụng nhỏ, và quá chậm cho truyền tải âm thanh, video, chơi game mạng lưới giao thông, và các băng thông cao hơn mạng lưới giao thông. Tuy nhiên, X10 là không tốn kém và dễ sử dụng, vì vậy nó là một lựa chọn phổ biến cho các nhà tự động hóa.
1.3.2.Lonwork
Lonworks là một giao thức lớp mạng được tạo ra bởi Công ty cổ phần Echelon với mục đích hỗ trợ thông tin liên lạc giữa các thiết bị điều khiển hoặc các nodes. Mỗi node trong mạng lưới – ví dụ như một chuyển đổi, cảm biến, xe máy, phát hiện chuyển động vv - thực hiện một công việc đơn giản. Toàn thể mạng thực hiện các ứng dụng điều khiển phức tạp như tự động hóa tòa nhà.
Các tiêu chuẩn mới nhất cho các giao thức được sử dụng mạng LAN Lonworks định các chuẩn về điều chế, trải phổ, kỹ thuật trải phổ có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất trong việc tín hiệu bị nhiễu. Trải phổ cải thiện hiệu suất bằng cách sử dụng một băng thông rộng hơn cho việc truyền tin. Mức độ cải thiện phụ thuộc vào băng thông có sẵn, hoặc nói cách khác là mức độ trải phổ. Kỹ thuật trải phổ đầu tiên được sử dụng với một băng thông là 100 kHz - 400 kHz, nhưng băng thông này quá hẹp để thực hiện cung cấp hiệu suất có thể chấp nhận cho loại nhiễu này trên đường dây điện. Ngoài ra, Châu Âu quy định cấm điện đường dây tín hiệu ở trên 150 kHz do khả năng can nhiễu với các dịch vụ phát thanh tần số thấp .
Thay vào đó, các sản phầm mới nhất của Echelon , các bộ thu phát PLT-22 , hoạt động bằng cách sử dụng chế độ tần số sóng mang kép cùng với kỹ thật xử lý tín hiệu số (DSP). Mục đích của DSP là cung cấp sóng mang thích nghi, tương quan dữ liệu, triệt nhiễu xung, giảm nhiễu và sửa lỗi mào đầu ở mức thấp.
Các PLT-22 giao tiếp bằng cách sử dụng kỹ thuật điều chế BPSK với dải tần khoảng 125 kHz - 140 kHz (chính) và 110 kHz -125 kHz (phụ).
Dải tần chính được sử dụng nhiều trừ khi thông tin bị ngăn chặn trong phạm vi này. Khi điều này xảy ra, các PLT-22 tự động chuyển mạch sang dải tần số phụ.
Các PLT-22 giao tiếp tại tốc độ bit 5 kbps. Điều này là nhanh hơn nhiều so với X10, vì vậy phù hợp hơn cho việc điều khiển các thiết bị điện phức tạp.
1.3.3. CEBus
Năm 1984, các Liên minh Công nghiệp điện tử (EIA) Tập đoàn Điện tử tiêu dùng đã bắt đầu một nỗ lực có mục tiêu là xây dựng một tiêu chuẩn cho một mạng lưới thông tin liên lạc cho các người tiêu dùng sản phẩm trong nhà. Các tiêu chuẩn được gọi là CEBus) . Các bộ kỹ thuật bao gồm các thông tin liên lạc khác nhau về nhiều các loại phương tiện bao gồm các đường dây điện, cáp đồng, cáp đồng trục, hồng ngoại, sóng vô tuyến , và sợi quang. Các bộ kỹ thuật đã được gắn nhãn EIA- 600. Đầy đủ đặc điểm kỹ thuật đã được tiết lộ trong năm 1992.
Đây là việc làm có liên quan với việc mã hóa tại lớp vật lý được thực hiện bởi CEBus. CEBus sử dụng kỹ thuật không trở về số không (NRZ), mã hóa độ rộng xung. Có bốn ký hiệu:'1 ','0', EOF, EOP. Các ký hiệu này được mã hóa bằng cách sử dụng trải phổ chirp trong các băng thông 100 kHz đến 400 kHz. Trong kỹ thuật trải phổ, tần số tín hiệu sóng mang được quét trên một loạt các tần số. CEBus sử dụng một chuỗi các tần số quét lên và xuống tần số của sóng mang mỗi ký hiệu chiếm một khoảng thời gian 100 μs. Khoảng cách tín hiệu này là thời gian ngắn nhất "1", hoặc đơn vị biểu tượng thời gian. Đáp 0,1% lề của lỗi này cũng được xác định (100 ns cho 100 μs). Ngoài ra, thời gian để truyền tải nhị phân "1" là một đơn vị biểu tượng thời gian (100 μs), trong khi để truyền tải một nhị phân 0, đơn vị hai lần được sử dụng biểu tượng (200 μs). Đối với nhị phân ngẫu nhiên 13 dữ liệu, các biểu tượng thời gian trung bình là 150 μs sau đó, cho một chút tỷ lệ 7,5 kbps. Một đơn vị biểu tượng thời gian sẽ được hiển thị trong hình 1.10
Hình 1.7: CEBus spread spectrum chirp
Một điểm khác trong CEBus là phối hợp công suất giữa các pha tín hiệu điện trong nhà. Có hai pha 60 Hz, L1 và L2, trong một ngôi nhà được lệch pha 180 độ. Các trang thiết bị điện 120V –đồ gia dụng, đèn chiếu sáng, động cơ, vv – thông thường được kết nối vào L1 hay L2. Chỉ có thiết bị 240V kết nối vào L1 và L2 đồng thời cung cấp một đường dẫn tín hiệu giữa hai chi nhánh khác với sự phối hợp tối thiểu được cung cấp bởi các biến áp phân phối. Vì vậy, một thiết bị CEBus 120V trên L1 có thể không giao tiếp với một thiết bị CEBus 120V trên L2 do không đủ tín hiệu phối hợp giữa L1 và L2. Để giúp giải quyết vấn đề này, các tiêu chuẩn của CEBus nói rằng, một bộ phối hợp tín hiệu nên được đặt giữa L1 và L2 khi cần thiết để cải thiện việc truyền tín hiệu trong mạng lưới đường dây điện .
1.3.4. HomePlug
Các đặc điểm kỹ thuật của HomePlug là phức tạp nhất trong tất cả công nghệ. HomePlug có sự vượt bậc hơn, cao hơn tần số và băng thông được sử dụng. X10, Lonworks và CEBus có tần số thấp hơn 500 kHz. HomePlug giao tiếp bằng cách sử dụng Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) trong băng tần số 4,49- 20,7 MHz. Phương pháp ghép kênh này là tạo lên các sóng mang phụ. Các sóng mang phụ được trực giao với nhau. Trong băng thông 0 - 25 MHz, có 128 sóng mang phụ, trong đó HomePlug sử dụng 84, từ dải 4,49 đến 20,7 MHz.
Trước khi được truyền đi, bit dữ liệu được xử lý bằng cách sử dụng một số mã chống lỗi. Bit dữ liệu được điều chế lên sóng mang phụ bằng cách sử dụng DQPSK) hoặc DBPSK.. Toàn bộ quá trình là ngược lại tại phía thu .
Ngoài việc này, HomePlug adapts vào kênh điều kiện. Đặc biệt các khung được gửi và phân tích của người nhận để xác định loại của các sub-84 có sẵn cho các hãng vận chuyển thông tin liên lạc. Các bản đồ tone (TM) sau đó được tạo ra và được sử dụng bởi người gửi-nhận cặp để kênh khác nhau để điều chỉnh điều kiện. Chỉ tốt phụ mang được sử dụng để giao tiếp. Ngoài ra, modulation các chương trình có thể thay đổi (DBPSK hoặc DQPSK), và kiểm soát lỗi - mã hóa có thể được sửa đổi. Tóm lại, 139 tỷ lệ khác biệt vật lý dữ liệu có sẵn từ 1Mbps đến 14,1 Mbps .
Một số nhà sản xuất đã chứng tỏ công nghệ HomePlug có triển vọng. Phiên bản HomePlug V1.0 với các bài kiểm tra thiết bị trong nhà 500 cho thấy 80% các cặp được outlet thể giao tiếp với nhau ở khoảng 5 Mbps hoặc cao hơn, và có thể hỗ trợ 98% dữ liệu lớn hơn tỷ lệ 1 Mbps. Các liên minh HomePlug đã công bố kế hoạch cho phát triển của thế hệ tiếp theo chi tiết kỹ thuật. Tên HomePlug AV, mới đặc điểm kỹ thuật sẽ được thiết kế để hỗ trợ phân phối dữ liệu và đa phương tiện- streaming vui chơi giải trí bao gồm cả truyền hình High Definition (HDTV) và tỷ lệ dữ liệu của 100 Mbps trong suốt cả nhà .
Khả năng thích ứng là thực tế sức mạnh của HomePlug. Rõ ràng, nếu các đường dây điện trở nên thô cho các kênh truyền thông, dữ liệu sẽ được tỷ lệ chậm, nhưng sẽ có độ tin cậy duy trì. Lưu ý rằng HomePlug sử dụng một phương thức đa dạng tần số. Nó cũng sử dụng phức tạp mã hóa và kiểm soát lỗi kỹ thuật modulation được tốt cho sự đáng tin cậy, nhưng computationally đang phát triển, điện năng tiêu thụ và đắt tiền. HomePlug cung cấp tỷ lệ cao, đủ dữ liệu cho các phương tiện truyền thông tốc độ, nhưng phức tạp và chi phí của nó là nhiều hơn cần thiết.
1.4. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC
Có thể nói phạm vi ứng dụng của công nghệ PLC rất rộng lớn. Ban đầu là truyền tải thông tin phục vụ ngành điện như hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển trên đường dây điện lực.
Hiện nay, công nghệ PLC đã được triển khai rộng khắp ở nhiều nước. Hai lĩnh vực áp dụng hiện nay của PLC là:
- Kết nối mạng trong nhà (in – house networking).
Các dịch vụ của PLC luôn sẵn sàng tại mọi ổ điện và không cần thi công cáp, bao gồm: truy nhập băng thông rộng (tới 45Mbit/s hoặc hơn), các kết nối này luôn online, dich vụ thoại và fax, kết nối LAN (inhouse LAN) cho các PLC và máy in, các dịch vụ băng hẹp khác như (house automation, health care…).
Trên đây chỉ là một trong số phạm vi ứng dung nhất định hiện đang được áp dụng trên thế giới. Trong tương lai, các thiết bị PLC có thể cung cấp băng thông tới vài chục Mbit/s (hiện nay DS2 đã cho thương mại hóa sản phẩm PLC băng thông đạt 45Mbit/s) để cung cấp các ứng dụng VoD, hội nghị truyền hình. Có thể kể ra một số hướng ứng dụng cụ thể như sau
1.4.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và công tơ.
Hình 1.8: Ứng dụng PLC trong quản lý điện
Mỗi công tơ điện được gắn thêm một thiết bị thu phát PLC, thông tin trên công tơ sẽ được truyền về trung tâm, như thế việc quản lý và thu thập số liệu sẽ đơn giản hơn rất nhiều so với cách làm truyền thống là phải cử người đến từng công tơ để lấy số liệu. Thêm nữa, số liệu trên công tơ điện có thể gửi đến nhà khách hàng tương ứng, như vậy người sử dụng sẽ kiểm soát được việc sử dụng điện của mình một cách hợp lý hơn.
1.4.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao
Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dài, ngoài những công nghệ truyền thống như cáp quang, vi ba thì hiện nay đã có thêm một giải pháp, đó là dùng đường dây tải điện cao thế để kết hợp truyền thông tin tốc độ
cao. Tuy có sự suy hao lớn do bức xạ ra ngoài không gian lên tầm xa bị hạn chế nhất định nhưng lại có ưu điểm rất lớn là đường dây tải điện cao thế từ hàng chục KV đến hàng trăm KV đều có sẵn ở mọi nơi.
1.4.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC
Hình 1.9: Mạng thông tin PLC
Thay vì phải đi từng đường cáp riêng biệt đến từng nhà người sử dụng, việc ứng dụng PLC cho phép tích hợp đường điện thoại, đường truyền Internet vào cùng một đường điện lưới.
1.4.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home
Đó là ý tưởng cho một căn nhà hiện đại tự động hoàn toàn với các thiết bị điện được điều khiển theo ý muốn của người sử dụng. Hầu hết các thiết bị điện trong nhà đều được tích hợp với modem PLC và người sử dụng có thể điều khiển bất kỳ thiết bị nào ở mọi nơi trong nhà như các hệ thống chiếu sáng được quản lý và hoạt động tự động do một máy tính trung tâm điều khiển, cánh cổng cũng được điều khiển đóng mở tự động hay các hệ thống báo động, camera đều được quản lý và điều khiển qua hệ thống PLC. Không những thế, các thiết bị điện còn có thể tự động gửi thông tin ( nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng quả tải ) đến một máy chủ trong nhà để người sử dụng có thể dễ dàng biết được tình trạng của toàn bộ các thiết bị. Ta có thể thấy rõ ràng rằng, nếu không sử dụng công nghẹ PLC cho hệ thống đa dạng như trên thì việc đi các đường cáp tín hiệu sẽ rất phức tạp.
1.5. Kết luận chƣơng
Công nghệ PLC hiện nay đã được ngày một hoàn thiện cho phép hệ thống truyền tin PLC là ưu việt cho truyền dẫn dữ liệu trên mạng lưới điện lực sẵn có với thông lượng tối đa và mức năng lượng tối thiểu. Cách điều chế và phân bổ tần số tránh được xuyên nhiễu gây ra bởi sóng radio và các dịch vụ phát quảng bá khác. Công nghệ tiên tiến bảo đảm sự truyền dẫn dữ liệu là an toàn bí mật.
Hệ thống PLC là dễ dàng sử dụng:
• Chiếm tới 90% kết nối của hộ gia đình - mỗi ổ cắm chính là một giao tiếp kết nối.
• Không kéo thêm cáp mới - công nghệ vượt qua đối thủ cạnh tranh để dẫn đầu.
• Là một sự chọn lựa thực sự bắt lấy cơ hội kinh doanh trong thị trường-làm lợi cho khách hàng.
• Băng thông ngày một tăng lên đáp ứng đòi hỏi về truy cập dải rộng. • Đáp ứng nhu cầu tăng của mạng trong nhà.
Lợi dụng mạng PLC mở ra các cơ hội kinh doanh mới - không chỉ trong lĩnh vực truy nhập mà còn các dịch vụ đi kèm với PLC. Hệ thống PLC đang ở giai đoạn
phát triển ban đầu. Công nghệ đang tiếp tục phát triển, có thêm nhiều đặc tính hiệu quả trong những dòng sản phẩm tiếp theo. Một hệ thống PLC có thể mở rộng vô hạn từ nhỏ thành lớn và thêm các dịch vụ giátrị gia tăng.