Có hai cách chủ yếu để phối ghép tín hiệu vào mạng điện:
- Phối ghép chế độ vi sai (differential mode): dây pha được dùng làm một đầu
cuối, và dây trung tính làm đầu cuối thứ hai. Trong trường hợp dây trung tính không tồn tại (ở mạng cao thế), dây đất có thể làm đầu cuối thứ hai.
- Phối ghép chế độ chung (common mode): dây pha và dây trung tính được
dùng với nhau, hình thành một đầu cuối thứ hai.
Trở kháng giữa các điểm phối ghép và điểm ngắn mạch đủ lớn để cho phép truyền tín hiệu. Tuy nhiên, khó khăn tồn tại trong cách này là phải có các thiết bị bảo vệ dòng dò, mà nhiều nước không cho phép sử dụng cách này vì gây nguy hiểm cho người sử dụng.
Trong nghiên cứu thực hiện mạch ghép nối vật lý, hai phương pháp sau có thể được sử dụng:
+ Ghép dung kháng, sử dụng tụ điện để ghép.
+ Ghép cảm kháng, sử dụng cuộn cảm để ghép tín hiệu. Ghép cảm kháng cung cấp sự cách ly vật lý giữa mạng điện và mạng thông tin, làm cho cài đặt an toàn hơn.
2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C
Nguyên lý của mạch phối ghép này là do tần số của tín hiệu cao hơn tần số của dòng điện 50Hz rất nhiều nên dòng điện xoay chiều 50Hz sẽ được cản lại bằng
một bộ lọc thông cao dùng tụ C, nhưng bộ lọc này phải có khả năng chịu được điện áp cao của lưới điện đặt lên, tức là tụ điện C phải là tụ cao áp chịu được điện áp lưới.
Trong sơ đồ (2.9. a): Tụ C và R tạo thành một bộ lọc thông cao, tần số lọc trung tâm được tính theo công thức sau: f0=1/2ΠRC
Với điều kiện là ứng với tần số điện lưới 50Hz thì Zc phải rất lớn so với R và tụ C phải có khả năng chịu được điện áp cao hơn điện áp lưới điện. Về mặt ngăn cản điện 220V - 50Hz thì Zc càng lớn càng tốt và R càng nhỏ càng tốt nhưng thực tế thì điều đó lại còn phải phụ thuộc vào tín hiệu cần truyền, do vậy Zc không thể tăng mãi được.
Hình 2.9: Mạch ghép dung kháng
Ví dụ yêu cầu ở đầu ra:
- Đối với dòng điện 220V- 50Hz là : UAC 220mV (suy giảm hơn 3dB) - Đối với tín hiệu thông tin 1MHz: Us suy giảm < 1dB
Do kết quả không nhất thiết phải chính xác một cách tuyệt đối mà chỉ cần nằm trong một khoảng nào đó nên ta có thể tính một cách gần đúng như sau:
6 220 * 220 1000 1 1000 ( 50 ) 2 . . 3, 2.10 AC C C AC AC V R U mV Z R Z R R f Hz f C RC (2.1) Với R= 1KΩ →C<3.2*10-9(F) ~3 (nF)
Tương tự với tần số 1MHz: 6 8 * 0.1 9 1 9 ( 10 ) 2 . . 18.10 v S v C C S S U R U U Z R Z R R f Hz f C RC (2.2) Với R= 1KΩ →C>18.10-11(F) ~0.2 (nF)
→ giá trị của R và C nằm trong khoảng trên sẽ thỏa mãn với điều kiện được đưa ra. Sơ đồ (a) tuy thõa mãn về nguyên lý nhưng thực tế sẽ không an toàn do điện cao áp vẫn tiếp xúc trực tiếp với mạch điện và người sử dụng có thể bị giật nếu chạm cào phần đó. Sơ đồ (b) cũng là tương tự với sơ đồ (a) với 1 2
1 2 * C C C C C nhưng sơ đồ
(b) sẽ an toàn hơn cho mạch điện và người sử dụng do tụ C1 và C2 sẽ cách ly hoàn toàn với mạch điện.
2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C
Mạch ghép dung kháng ở trên có ưu điểm là khá đơn giản, nhưng chỉ có thể làm việc tốt với điều kiện điện lưới là điện hạ thế (không quá lớn) và tần số của tín hiệu sóng mang cần truyền phải lớn hơn tần số dòng điện xoay chiều một khoảng nhất định. Nếu như điện áp của dòng điện lưới là vài KV trở lên hoặc tần số của tín hiệu chỉ khoảng vài chục KHz thì thực tế mạch sẽ không còn tác dụng như tính toán ở trên. Nguyên nhân là do R gần như không thay đổi trở kháng khi tần số thay đổi, vì thế mà bậc lọc của mạch chỉ là bậc nhất nên hiệu quả lọc không cao.
Do vậy đối với những trường hợp đó phải sử dụng các mạch phối hợp phức tạp hơn như mạch kết hợp LC. Có hai cách sử dụng L trong trường hợp này là dùng cuộn cảm đơn hay ghép biến áp. Việc ghép biến áp tuy phức tạp hơn nhưng đạt hiệu quả rất cao và rất an toàn cho người sử dụng do việc cách ly hoàn toàn phần mạch với lưới điện, điều đó còn có giá trị bảo vệ mạch điện rất tốt khi lưới điện gặp các sự cố như quá áp hay bị sét đánh. Khi hoạt động, cuộn cảm L mắc song song có vai trò cũng giống như tụ C là cho tần số cao là tần số của tín hiệu sóng mang đi qua và gây suy hao lớn với tần số thấp là tần số của dòng điện lưới.
Đối với cả sơ đồ thu và sơ đồ phát tín hiệu thì mạch phối ghép cũng gần giống nhau. Tuy nhiên, ZC ở mạch phát thường nhỏ hơn khá nhiều so với ZC ở mạch thu, do trở kháng ra ở mạch phát là nhỏ đóng vai trò là R nhỏ nên ZC không cần lớn để giảm suy hao cho tín hiệu phát đi.
Sơ đồ (c) là toàn bộ phối ghép với lưới điện cho lưới điện 3 pha.
2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp
Để đạt được hiệu quả cao hơn trong việc lọc tín hiệu, sự kết hợp giữa bộ lọc thông thấp chịu được điện áp cao và mạch lọc thông dải được sử dụng.
Trong các mạch thực tế thì sau tầng cách ly ở sơ đồ thu còn có các tầng lọc thông dải để lọc nhiễu.
2.2.2. Các bộ lọc tương tự
Có hai loại mạch lọc tương tự là mạch lọc tích cực và mạch lọc thụ động. Ở mạch lọc tích cực, tín hiệu nằm trong giải thông được cho qua bộ lọc rồi được
khuếch đại lớn hơn tín hiệu vào, còn ở mạch lọc thụ động thì tín hiệu nằm trong dải lọc sẽ được cho qua bộ lọc với sự suy hao nhất định nên tín hiệu ra sẽ nhỏ hơn tín hiệu vào.
2.2.2.1. Mạch lọc RC
Ở phạm vi tần số thấp khoảng 1 MHz trở lại, chế tạo các cuộn cảm rất cồng kềnh mà chất lượng lại không tốt nên mạch lọc RC thường được sử dụng. Do đặc điểm của tụ C là trở kháng càng giảm khi tần số càng tăng nên người ta có thể dựa vào đó để thiết kế các bộ lọc RC thông thấp hoặc thông cao.
Ưu điểm của bộ lọc thụ động RC là đơn giản, kích thước nhỏ gọn tuy nhiên hiệu quả lọc không cao vì chỉ là lọc bậc nhất.
Tần số trung tâm của mạch lọc được tính theo công thức sau:
0 1 2 f RC (với R: Ω, C: F, f0: Hz) (2.3)
Mạch lọc thông dải RC được tạo thành từ hai mạch lọc thông thấp và thông cao RC, để tăng khả năng lọc ta còn có thể các tầng lọc nối tiếp nhau.
2.2.2.2. Mạch lọc LC
Hình 2.12: Các mạch lọc LC đơn giản
Hình 2.13: Các mạch cộng hưởng LC
Với tần số cao, mạch lọc LC được sử dụng và có nhiều ưu điểm so với mạch RC. Do đặc tính của mạch lọc LC là khả năng cộng hưởng nên với yêu cầu lọc dải tần số hẹp thì chất lượng lọc rất cao. Chính vì thế mạch cổng hưởng LC được sử dụng khá phổ biến trong các máy thu tín hiệu (radio, tivi…).
2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác
Để đạt chất lượng lọc cao trong phạm vi tần số không lớn (dưới vài MHz), người ta còn dùng vi mạch khuếch đại thuật toán và mạng RC gọi là mạch lọc tích cực.
Khác với lọc thụ động, mạch lọc tích cực được đặc trưng bởi ba tham số cơ bản: tần số giới hạn fg, bậc của bộ lọc và loại bộ lọc.
Tần số giới hạn là những tần số mà tại đó đặc tuyến biên độ - tần số của hàm truyền đạt giảm 3dB so với hệ số truyền đạt ở tần số trung tâm. Bậc của bộ lọc xác định độ dốc của đặc tuyến biên độ - tần số ở tần số f >> fg. Loại của bộ lọc xác định dạng của đặc tuyến biên độ - tần số xung quanh tần số giới hạn và trong khu vực
thông của mạch lọc. Mạch điện của loại bộ lọc thì giống nhau, chúng chỉ khác nhau ở giá trị của các linh kiện RC mà thôi.
Hình 2.14: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741
Tần số cộng hưởng: 0 1 2 f RC Hệ số phẩm chất: 1 3 Q K
Dải thông của mạch lọc: B f0 Q
2.3. Các phƣơng thức mã hóa
Đường dây truyền tải điện không phải được thiết kế để dành cho truyền dữ liệu. Khi đưa thông tin truyền trên đó, ta sẽ gặp phải rất nhiều yếu tố gây nhiễu cho tín hiệu vì vậy ta chủ yếu quan tâm đến mã hóa kênh để phát hiện lỗi và sửa lỗi. Các mã sửa lỗi như mã xoắn và mã Reed - Solomon có thể kết hợp với nhau trong hệ thống để cải thiện chất lượng hệ thống.
2.3.1 Mã xoắn
Mã xoắn (convolutional code) được đặc trưng bởi ba số nguyên là n, k và K. Mã xoắn hay mã chập (n,k,K) được xây dựng từ các thanh ghi dịch kK bit. Ở đây ta xét loại mã xoắn phổ biến nhất là mã xoắn có k=1. Bộ mã hóa là thanh ghi dịch K bit. Đầu ra của các vị trí trong thanh ghi được lựa chọn để cộng modul-2 với nhau. Số lượng bộ cộng modul-2 chính là n. Một bộ chuyển mạch sẽ lần lượt lấy mẫu mỗi đầu ra của bộ cộng modul-2 theo nhịp của đòng hồ thanh ghi dịch.
Hình 2.15. Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ 1/2
a) Biểu diễn mã chập bằng đa thức sinh
Có thể biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn bang các đa thức sinh. Mỗi đa thức sinh biểu diễn cho một bộ cộng modul-2. Đa thức sinh có bậc ≤K-1 miêu tả sự kết nối giữa đầu ra của một vị trí trong thanh ghi dịch với bộ cộng modul-2. Theo ví dụ trên, hai đa thức sinh là G1(x) = 1 + x2 và G2(x) = 1 + x.
Giả sử dãy tin vào bộ mã hóa la 1100, dãy mã hóa sẽ là 11101101…, nghĩa là ứng với một bit tin vào có hai bit mã hóa ra. Do đó, tỷ lệ mã là 1/2.
Định nghĩa đáp ứng xung của mã hóa là đáp ứng của bộ mã hóa khi bit vào là 1. Trong ví dụ trên, đáp ứng xung sẽ là: 110110. Với dãy vào là 1101, ta thấy dãy ra có thể được tính là chập dãy vào với đáp ứng xung. Do đó mã này có tên là mã chập.
b) Biểu diễn mã xoắn bằng sơ đồ cây.
Hình 2.16 trình bày sơ đồ cây biểu diễn mã chập cho ví dụ trên. Giả sử ban đầu toàn bộ thanh ghi được xóa về 0. Đọc sơ đồ cây theo phương ngang từ trái qua phải, mỗi nhánh cây biểu diễn một từ mã hai bit ra ứng với một bit vào. Mỗi khi có bit vào là 0, đi sang nhánh phải tiếp theo ở phía trên, nếu bit vào là 1 thì đi sang nhánh phải tiếp theo ở phía dưới.
Hình 2.16. Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.22
Giả sử dãy vào là 110, đi theo đường nét đậm trên sơ đồ cây, ta được dãy ra là 111011. Nếu số bit vào là L thì số nhánh trong sơ đồ cây sẽ là 2L. Như vậy, khi số bit vào tăng thì sơ đồ cây rất cồng kềnh.
c) Biểu diễn mã xoắn bằng sơ đồ lưới.
Nhìn trong sơ đồ cây ta thấy thực tế là bộ mã hóa mã xoắn chỉ có 4 trạng thái phân biệt, ký hiệu là a, b, c và d tương ứng với các cặp bit nhị phân 00, 10, 01 và 11.
Từ sơ đồ cây, ta thấy: lần phân nhánh đầu tiên tạo ra hai nút, lần phân nhánh thứ hai tạo ra bốn nút và cứ sau mỗi lần phân nhánh số nút tăng gấp đôi. Sau lần phân nhánh thứ ba ta thấy nửa trên và nửa dưới của cây giống hệt nhau. Như vậy, vào thời điểm ti nào đó, hai nút bất kỳ có cùng trạng thái đều có thể kết hợp với nhau thành một nút. Áp dụng điều này cho sơ đồ cây trên hình 2.16, ta được sơ đồ lưới trên hình 2.17.
Các nút trong lưới biểu diễn trạng thái của bộ mã hóa. Các nút ở cùng hang biểu diễn cùng trạng thái. Từ mỗi nút lưới có hai nhánh ra: một nhánh ứng với bit vào là 0 (đường nét liền), một nhánh ứng với bit vào là 1 (đường nét đứt). Tổng quat, sau cột nút thứ K, cấu trúc lưới được lặp lại.
Hình 2.17. Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.22
Giải mã xoắn bằng thuật toán Viterbi.
Khác với mã khối có độ dài từ mã cố định, mã xoắn không có kích thước đặc thù. Tuy vậy, mã xoắn cũng bị ép vào một cấu trúc khối bằng cách gắn thêm một số bit 0 vào cuối một dãy tin để đảm bảo đuôi dãy tin được dịch hết qua thanh ghi dịch. Các bit 0 này không mang thông tin nên tỷ lệ mã sẽ nhỏ hơn k/n. Để giữ cho tỷ lệ mã xấp xỉ với k/n, chu kỳ gắn thêm bit 0 thường rất dài. Chẳng hạn trong ví dụ trên đây sau 300 bit tin mới gắn thêm hai bit 0. Vậy tỷ lệ mã là 300/604 xấp xỉ 1/2.
Có ba kiểu giả mã chập chính là kiểu tuần tự, ngưỡng và Viterbi, trong đó Viterbi la phổ biến nhất.
Thuật toán Viterbi dựa trên cơ sở giải mã lân cậ gần nhất (nearest neighbour). Thuật toán tính khoảng cách Hamming (gọi là metric) giữa tín hiệu thu vào thời điểm ti và tất cả các đường trong lưới dẫn đến mỗi trạng thái ở cùng thời điểm ti. Khi hai đường cùng dẫn đến một trạng thái, chọn ra đường có khoảng cách Hamming ngắn hơn gọi là đường sống (surviving path). Việc chọn đường sống được thực hiện cho tất cả các trạng thái vào tất cả các thời điểm.
Ta xét lại ví dụ mã hóa mã xoắn hình 2.16. Giả sử dãy thu là 1010001010, dãy vào bộ mã hóa là 5 bit, trong đó có 3 bit tin và 2 bit 0 thêm vào.
Hình 2.18 Sơ đồ lưới giải mã
Thực hiện so sánh, chọn đường có metric thấp hơn, cuối cùng ta còn lại đường sống là đường in đậm (nét đứt và nét liền) trên hình 2.19. Từ đây suy ra dãy tin giải mã là 11100.
Hình 2.19. Đường sống và kết quả giải mã
Trong thực tế bộ giải mã Viterbi gồm có ba khối chính. Thứ nhất là khối tính giá trị metric nhánh BMV (Branch Metric Value), thứ hai là khối tính metric đường PMV (Path Metric Value) – là tổng các metric nhánh dọc theo một đường trong lưới và thứ ba là khối xác định đầu ra – chọn đường metric nhỏ nhất.
2.3.2. Mã Reed – Solomon
Mã Reed-solomon là một mã sửa lỗi thuộc loại mã khối tuyến tính, có rất nhiều ứng dụng trong thông tin số và trong lưu trữ. Mã R-S được sử dụng để sửa các lỗi trong nhiều hệ thống, bao gồm:
- Các thiết bị lưu trữ ( băng từ, đĩa CD, VCD,…) - Thông tin di động hay không dây.
- Thông tin vệ tinh. - Truyền hình số DVB.
- Các modem tốc độ cao như: ADSL, VDSL,…(xDSL)
Mã R-S thuộc một lớp con của mã BCH - lớp mã BCH không nhị phân. Mã BCH (mã Bose, Chaudhuri và Hocquenghem) là một loại mã sửa lỗi vòng ngẫu nhiên quan trọng, có khả năng sửa được nhiều lỗi và được ứng dụng rất rộng dãi. Trong mã BCH có 2 lớp con là mã BCH nhị phân và mã BCH không nhị phân. Mã BCH nhị phân được Hocquenghem đưa ra vào năm 1959, sau đó được Bose và Chaudhuri tìm ra mộ cách độc lập vào năm 1960. Trong số những mã BCH không nhị phân, quan trọng nhất là mã R-S. Mã BCH không nhị phân nghĩa là mã BCH