Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ thống điều khiển ngôi nhà thông minh

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP






LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ


NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO
Hệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH




NGÔ QUỐC VIỆT






Thái Nguyên 2011


i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP





LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT


NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ TRUYỀN THÔNG
QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC ỨNG DỤNG CHO
Hệ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH



Ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 60.52.70
Học viên: Ngô Quốc Việt
Giáo viên hƣớng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Thanh
Hà







Thái Nguyên, năm 2011
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

ii
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết
quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của riêng tôi,
luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công trình đã có trƣớc
đó.
Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011
Tác giả luận văn



Ngô Quốc Việt

iii
LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Điện tử viễn thông - khoa Điện tử - trƣờng
Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên và tôi đặc biệt muốn cảm ơn
PGS.TS Nguyễn Thanh Hà đã tận tình giúp đỡ, hƣớng dẫn tôi trong thời gian thực
hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời
gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế còn
nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận đƣợc sự
đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng nhƣ của các bạn bè, đồng nghiệp.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Ngô Quốc Việt








Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

iv
LỜI NÓI ĐẦU
Chúng ta đang sống trong một kỷ nguyên hiện đại và đang đƣợc thừa hƣởng
những thành quả tiến bộ nhất của khoa học kỹ thuật. Cùng với sự phát triển của các
nghành khoa học kỹ thuật khác nhƣ điện tử, tin học, công nghệ điện tử viễn thông
đang cung cấp ngày càng nhiều các loại hình dịch vụ mới đa dạng, an toàn với chất
lƣợng cao đáp ứng ngày càng tốt các yêu cầu ngày một cao về thông tin liên lạc của
con ngƣời. Công nghệ điện tử viễn thông ngày nay không chỉ hiện đại và đa dạng
mà còn có nhiều phƣơng án tối ƣu nhằm tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả sử
dụng.
Một trong những công nghệ mà em muốn đề cập đến trong đề tài tốt nghiệp
này đó là công nghệ truyền thông qua đƣờng dây điện lực PLC (Power Line
Communication).
Công nghệ PLC giúp giảm chi phí đƣờng dây nhờ tận dụng đƣờng dây truyền
tải điện để truyền tín hiệu. Trƣớc đó, con ngƣời đã có thể tận dụng đƣờng dây tải
điện để làm các ứng dụng đơn giản nhƣ truyền các tín hiệu đo lƣờng, giám sát, điều

khiển. Với sự phát triển nhanh chóng của các công nghệ hỗ trợ trong lĩnh vực
truyền thông và công nghệ thông tin thì hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung
cấp dịch vụ truyền tải điện kết hợp với truyền dữ liệu trực tiếp tới ngƣời sử dụng.
Công nghệ truyền thông trên đƣờng dây điện lực PLC mở ra hƣớng phát triển mới
trong lĩnh vực công nghệ thông tin và truyền thông nhằm đáp ứng nhu cầu ngày một
cao của con ngƣời về thông tin phục vụ lao động và sinh hoạt.
Đƣợc sự hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Hà cùng
các thầy cô giáo trong Khoa điện tử - trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp – Đại
học Thái Nguyên, tôi xin hoàn thành luận văn tốt nghiệp cao học với nội dung:
“Nghiên cứu công nghệ truyền thông qua đường dây điện lực ứng dụng cho hệ
thống điều khiển Ngôi nhà thông minh”. Đề tài gồm các nội dung chính nhƣ sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC – Trình bày nguyên lý cơ bản và
sơ đồi khối của một hệ thống thông tin PLC bất kỳ; Chỉ ra các ứng dụng cơ bản của
PLC; Phân tích rõ đặc điểm của kênh truyền điện lực với các yếu tố nhiễu và suy
hao tác động. trên cơ sở đó chỉ ra những kỹ thuật cải tiến trên PLC nhƣ phối ghép
lƣới điện, mã hóa và điều chế thông tin.


v
Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC
Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm
làm giảm ảnh hƣởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lƣợng của hệ thống
PLC bao gồm phối ghép lƣới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển nhà thông minh sử dụng công
nghệ PLC – Trên cơ sở các kiến thức có đƣợc từ chƣơng 1 và 2 chƣơng này ứng
dụng vi điều khiển Pic thiết kế minh họa một hệ thống điều khiển thiết bị trong một
Ngôi nhà thông minh thông qua đƣờng dây điện lực.
Cuối cùng là những phân tích đánh giá nhằm rút ra kết luận và hƣớng phát
triển của đề tài.

Do đây là một đề tài còn mới, đƣợc hoàn thành trong một thời gian ngắn và
điều kiện tiếp cận để nghiên cứu, cùng với năng lực bản thân còn hạn chế nên có thể
chƣa đề cập đƣợc hết các vấn đề liên quan đến đề tài một cách đầy đủ, sâu sắc và
cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình nghiên cứu, trình bày.
Kính mong các thầy, cô giáo và các bạn quan tâm đến nội dung của đề tài, góp ý
kiến để tôi có điều kiện tiếp thu và phát triển đề tài cũng nhƣ bổ xung thêm kiến
thức cho bản thân đƣợc đầy đủ, đúng đắn và để luận văn của tôi đƣợc hoàn thiện
hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 08 tháng 10 năm 2011
Người thực hiện



Ngô Quốc Việt





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

vi
MỤC LỤC
Nội dung
Trang
Thuyết minh luận văn thạc sỹ kỹ thuật
i
Lời cam đoan

ii
Lời cảm ơn
iii
Lời nói đầu
iv
Mục lục
vi
Danh mục các bảng biểu
xi
Danh mục các hình vẽ
xii
Các thuật ngữ viết tắt
xv
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
1
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1
1.1.1. Khái niệm PLC
1
1.1.2. Một số thành tựu đạt đƣợc của PLC
3
1.1.3. Phân loại công nghệ
4
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
4
1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
4
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
5

1.1.3.4. Phân loại theo phƣơng thức điều chế
5
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của HTTT trên đƣờng cáp điện lực.
6
1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống
6
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống.
7
1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation)
7
1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation)
8
1.2.2.3. Khối khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification)
8
1.2.1.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation)
8
1.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC
8
1.3.1. Ứng dụng trong các HT quản lý, giám sát lƣới điện và đồng hồ.
9
1.3.2. Truyền thông đƣờng dài tốc độ cao
9
1.3.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC
10
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình – Intelligent home
10
1.5. Kết luận chƣơng
11

vii

CHƢƠNG 2

MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC
15
2.1. Đặc tính kênh truyền đƣờng cáp điện
15
2.1.1. Sự giới hạn băng thông
16
2.1.2. Nhiễu trên đƣờng cáp điện
17
2.1.2.1. Nhiễu tần số 50Hz.
17
2.1.2.2. Nhiễu xung đột biến
17
2.1.2.3. Nhiễu xung tuần hoàn
18
2.1.2.4. Nhiễu xung kéo dài
18
2.1.2.5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ
19
2.1.2.6. Nhiễu sóng radio
19
2.1.2.7. Nhiễu nền
20
2.1.3. Trở kháng đƣờng truyền và sự phối hợp trở kháng
20
2.1.4. Suy hao trên lƣới điện
20
2.1.5. Hiện tƣợng sóng dừng
21

2.1.6 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu
22


2.2. Ghép nối với lƣới điện – xử lý tín hiệu
23
2.2.1. Mạch ghép tín hiệu
23
2.2.1.1. Mạch ghép dung kháng C
23
2.2.1.2 Mạch ghép kết hợp cảm kháng và dung kháng L-C
25
2.2.1.3. Mạch phối ghép R-L-C phức tạp
26
2.2.2. Các bộ lọc tƣơng tự
26
2.2.2.1. Mạch lọc RC
26
2.2.2.2. Mạch lọc LC
27
2.2.2.3 Các mạch lọc bậc cao khác
28
2.3. Các phƣơng thức mã hóa
28
2.3.1 Mã xoắn
29
2.3.2. Mã Reed – Solomon
32
2.4. Các phƣơng thức điều chế tín hiệu
35

2.4.1.Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông.
35
2.4.2.Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK.
27
2.4.3.Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK
38
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

viii
2.4.4.Điều chế PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK.
39
2.4.5.Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực.
39
2.4.5.1. Sử dụng điều chế để giảm xuyên nhiễu
39
2.4.5.2. Sử dụng điều chế đế tăng tốc độ truyền dữ liệu.
39
2.5. Kỹ thuật trải phổ
41
2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp
42
2.5.1.1. Trải phổ dãy trực tiếp kiểu BPSK
42
2.5.1.2.Trải phổ dãy trực tiếp kiểu QPSK
46
2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum)
48
2.6. Công nghệ OFDM
49
2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM

49
2.6.2. Tính trực giao
50
2.6.3. Hệ thống OFDM
52
2.6.4. Chống nhiễu liên ký hiệu bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ
54
2.7. Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực
55
2.7.1. X10
55
2.7.2.Lonwork
56
2.7.3. CEBus
57
2.7.4. HomePlug
58
2.8. Kết luận chƣơng
59
CHƢƠNG 3
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ THÔNG MINH
SỬ DỤNG CÔNG NGHỆ PLC

3.1. Giới thiệu về nhà thông minh
60
3.1.1. Thế nào là nhà thông minh ?
60
3.1.2. Các giải pháp điều khiển nhà thông minh
69
3.1.3. Các yêu cầu trong thiết kế nhà thông minh

71
3.2. Thiết kế nhà thông minh dựa trên công nghệ PLC
73
3.2.1 Giới thiệu
73
3.2.2. Các thiết bị sử dụng trong hệ thống
74
3.2.2.1. Modem truyền thông trên đƣờng dây điện
74
3.2.2.2. Bộ vi điều khiển PIC16F876
77
3.2.2.3. Các cổng vào ra
78

ix
3.2.2.4. Bộ thu phát đồng bộ/ không đồng bộ đa năng
80
3.2.3. Lựa chọn tốc độ Baud
81
3.2.4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
83
3.2.5. Phần mềm thi hành
84
3.2.5.1. Lập trình PIC16F876
84
3.2.5.2. Sơ đồ lập trình cho PIC16F876
85
3.2.6. Thiết kế phần cứng
86
3.2.6.1. Bộ vi điều khiển PIC16F876

86
3.2.6.2. Truyền thông nối tiếp
87
3.2.6.3. Mạch nạp PIC16F876
90
3.2.6.4. Modem Philips TDA5051A
91
3.2.6.5. Mạch ghép
92
3.2.6.6. Khối cấp nguồn
92
3.2.6.7. Sơ đồ mạch tổng thể của khối điều khiển
93
3.2.6.8. Bảng mạch in
94
3.2.6.9. Mô hình mạng quản lý thiết bị
95
3.2.7. Các kết quả thu đƣợc
98
3.2.7.1. Giao thức mạng
98
3.2.7.2. Khuôn dạng khung truyền dẫn
101
3.2.7.3. Giao diện đồ họa
102
3.2.7.4. Nhận xét
102
3.3. Kết luận chƣơng
104
Kết luận và kiến nghị

105
Tài liệu tham khảo
107
Phụ lục 1
109
Phụ lục 2
115
Phụ lục 3
117


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1. trạng thái pha của phƣơng pháp điều chế QPSK
51
Bảng 3.1. Mô tả các chân của TD A5051
75
Bảng 3.2: Các thanh ghi kết hợp với PORTA
79
Bảng 3.3: Toàn bộ các thanh ghi đƣợc gán với PORTB
80
Bảng 3.4: Công thức tính tốc độ baud
81
Bảng 3.5: Tốc độ baud ở chế độ không đồng bộ
82
Bảng 3.6. Minh họa các từ mã
102

xi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực
1
Hình 1.2: Truyền thông tin qua đƣờng dây điện
2
Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện
6
Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống
7
Hình 1.5: Ứng dụng PLC trong quản lý điện
9
Hình 1.6: Mạng thông tin PLC
10
Hình 1.7: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình – Intelligent home
10
Hình 2.1 Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đƣờng dây điện lực
15
Hình 2.2: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ
15
Hình 2.3: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lƣới điện
16
Hình 2.4: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC
16
Hình 2.5: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn

18
Hình 2.6: Nhiễu xung tuần hoàn
18
Hình 2.7: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó
19
Hình 2.8: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz
21
Hình 2.9: Hiện tƣợng sóng dừng
21
Hình 2.10: Mạch ghép dung kháng
24
Hình 2.11: Mạch ghép kết hợp LC
25
Hình 2.12: Các mạch lọc RC
27
Hình 2.13: Các mạch lọc LC đơn giản
27
Hình 2.14: Các mạch cộng hƣởng LC
27
Hình 2.15: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741
28
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xii
Hình 2.16. Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ ½
29
Hình 2.17. Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
30
Hình 2.18. Sơ đồ lƣới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23
31

Hình 2.19 Sơ đồ lƣới giải mã
32
Hình 2.20. Đƣờng sống và kết quả giải mã
32
Hình 2.21: Hệ thống sử dụng mã RS
33
Hình 2.22. Bộ mã hoá Reed-Solomon
34
Hình 2.23. Các dạng tín hiệu đƣợc điều chế ASK, PSK, FSK
36
Hình 2.24. Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số
37
Hình 2.25: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc
làm giảm nhiễu
40
Hình 2.26: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ
42
Hình 2.27: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS
42
Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK
44
Hình 2.29: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản
44
Hình 2.30: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản
45
Hình 2.31: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức
47
Hình 2.32: Trải phổ nhảy tần FHSS
48
Hình 2.33: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần

49
Hình 2.34. Phổ của tín hiệu FDM và OFDM
50
Hình 2.35: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang
b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang
50
Hình 2.36: Phổ của các sóng mang trực giao
51
Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM
52
Hình 2.38: Sơ đồ một hệ thống OFDM
53

xiii
Hình 2.39: Ảnh hƣởng của ISI
54
Hinh 2.40: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống
54
Hình 2.41: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix
54
Hình 1.8: X10 timing on 60 Hz waveform
55
Hinh 1.9: X10 packet format
56
Hình 1.10: CEBus spread spectrum chirp
58
Hình 3.1: Các hệ thống trong nhà thông minh
60
Hình 3.2: Hệ thống an ninh
61

Hình 3.3 : Hệ thống điều khiển điều hòa thông gió
62
Hinh 3.4 : Hệ thống điều khiển tiện ích
63
Hình 3.5: Hệ thống tiết kiệm năng lƣợng
64
Hình 3.6 :Hệ thống điều khiển ánh sáng
65
Hình 3.7: Hệ thống âm thanh giải trí
66
Hình 3.8: Hệ thống sân vƣờn
67
Hinh 3.9: Hệ thống quản lý tòa nhà
68
Hình 3.10. Sơ đồ khối của TDA5051A
75
Hình 3.11: Quan hệ giữa DATA
IN
và DATA
OUT
77
Hình 3.12: Phổ tín hiệu
77
Hình 3.13: Gói PDIP 28 chân của PIC16F876
78
Hình 3.14: Sơ đồ tổng quan của hệ thống PLC
83
Hình 3.15: Sơ đồ khối của hệ thống có topology (cấu trúc) hình sao
84
Hình 3.16: Sơ đồ hoạt động của vi điều khiển PIC16F876

85
Hình 3.17: Sơ đồ mạch của khối điều khiển
85
Hình 3.18: Sơ đồ chân cho đầu nối cái DB9
88
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xiv
Hình 3.19: Trạng thái logic theo chuẩn EIA232
89
Hình 3.20: Sơ đồ mạch của truyền thông nối tiếp
89
Hình 3.20: Sơ đồ mạch nạp JDM
90
Hình 3.22: Modem điện Philips TDA5051A
91
Hình 3.23: Mạch ghép sử dụng biến áp
92
Hình 3.24: Sơ đồ cấp nguồn
93
Hình 3.25. Sơ đồ mạch tổng thể
93
Hình 3.26. Sơ đồ thiết kế mạch in
94
Hình 3.27: Mô phỏng hình ảnh thực của modul điều khiển PLC
95
Hình 3.28: Mô hình mạng quản lý thiết bị
96
Hình 3.29: Đồng bộ thu, phát tại các vị trí qua không của tín hiệu 50 Hz
98

Hình 3.30: Quy ƣớc giá trị của các bit 0 và 1
98
Hình 3.31: Từ mã bắt đầu và các từ mã biểu thị chữ
99
Hình 3.32: Các từ mã biểu thị số
100
Hình 3.33: Khung X10 đƣợc gửi đi 2 lần
100
Hình 3.34: Phân biệt dữ liệu liên tiếp
100
Hình 3.35: Mã khởi đầu và các chữ số
100
Hình 3.36: Mã lệnh
101
Hình 3.37: Khung lệnh đƣợc gửi 2 lần
101


xv
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Ký
hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ASIC
Application Specific Intergrate Circuit
Mạch tích hợp ứng dụng đặc
biệt
AM

Amplitude Modulation
Điều biên
AMR
Automated Meter Reading
Tự động đọc công tơ
AMM
Automated Meter Management
Tự động quản lý công tơ
ASK
Amplitude Shift Keying
Khóa dịch biên
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BSC
Base Station Control
Điều khiển trạm gốc
BSK
Binary Shift Keying
Khoá dịch pha cơ hai
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát gốc
CDMA
Code Divission Multiplex Access
Đa truy nhập phân chia theo
mã

CEPT
Conference of European Posts and
Telecommunication Administrations
Hội nghị về quản lý bƣu
chính viễn thông Châu Âu
CIS
Customer Information Service
Dịch vụ thông tin khách hàng
DCU
Data Concentration Unit
Đơn vị tập trung dữ liệu
DM
Delta Modulation
Điều tần
DS
Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
Trải phổ dãy trực tiếp
DPSK
Differential Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vi phân
EPRI
Electrical Power research Institution
Viện nghiên cứu điện năng
FFH
Fast Frequency Hopping
Nhảy tần nhanh.
FH

Frequency Hopping
Nhảy tần
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
Trải phổ nhảy tần
FM
Frequency Modulation
Điều tần
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần
FDM
Frequency Division Multiplexing
Đa truy nhập theo tần số
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

xvi
FPGA
Field Programmable Gate Array
Phạm vi có thể lập trình cổng
mạng
GSM
Global System for Mobile
communication
Điện thoại di động toàn cầu
HCS
Host Center Station
Trạm máy chủ trung tâm
HLR
Home Local Register

Thanh ghi định vị thƣờng trú
HPR
High Power Radio
Kênh vô tuyến công suất cao
IMEI
International Mobile Equipment
Identifier
Nhận dạng thiết bị di động
quốc tế
IMSI
International Mobile Subscriber
Identifier
Nhận dạng thuê bao di động
quốc tế
ISDN
Intergrated Service Digital Network
Mạng số tổ hợp dịch vụ
ISI
Inter Symbol Interference
Nhiễu ISI
LAN
Local Area Network
Mạng khu vực
LPR
Low Power Radio
Kênh vô tuyến công suất thấp
MIU
Đơn vị giao tiếp đồng hồ
Đơn vị giao tiếp đồng hồ .
MS

Mobile Station
Máy di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di
động
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Điều chế đa sóng mang
PC
Personal Computer
Máy tính cá nhân
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã
PIN
Personal Identification Number
Số nhận dạng cá nhân
PLC
Power Line Communication
Truyền thông trên đƣờng cáp
điện
PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
PLM
Power Line Modem
Modem điện lực
PRBS

Pseudo Random Binary Sequence
Chuỗi nhị phân giả ngẫu
nhiên
PSK
Phase Shift Keying
Khóa dịch pha
PSTN
Public Switching Telephone Netwwork
Mạng chuyển mạch điện thoại
công cộng

xvii
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên cầu phƣơng
Q-PSK
Quadrature Phase Shift Keying
Khoá dịch pha cầu phƣơng
RF
Radio Frequency
Tần số vô tuyến
RMR
Remote Meter reading
Đọc công tơ từ xa
RTU
Remote Tranceiver Unit
Thiết bị phát từ xa một chiều
SF
Selective Fading
Pha định lựa chọn

Smart
IMS
Smart Integrated Metering System
Hệ thống đo lƣờng tích hợp
thông minh
SIM
Subscriber Identifier Modul
Đơn vị nhận dạng thuê bao
SSMA
Spread Spectrum Multiple Access
Đa truy nhập trải phổ
VLR
Visitor Local Register
Thanh ghi định vị tạm trú
WLL
Wireless Local Loop
Truy nhập không dây nội hạt


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
(POWER LINE COMMUNICATION)

1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1.1.1. Khái niệm PLC
PLC ( Power Line Communication ) là công nghệ sử dụng mạng lƣới đƣờng
dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí

đầu tƣ (Hình 1.1).


Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực

PLC đƣợc phát triển bởi Northern Telecom và United Utilities, có khả năng
truyền số liệu ở tốc độ trên 1Mbps (thế hệ X10) dựa trên cơ sở hạ tầng điện lực có
sẵn.
Công nghệ PLC ra đời do những nguyên nhân sau:
• Nhu cầu truy nhập Internet băng thông rộng rất bức thiết, trong khi các công
nghệ truy nhập băng rộng khác vì các lí do khác nhau chƣa đƣợc cung cấp.
• Mạng lƣới điện hạ thế có sẵn ở khắp nơi, dải tần trên đƣờng dây điện chƣa
đƣợc sử dụng hết (50-60 Hz).
• Đối với các nhà khai thác viễn thông mới việc xây dựng mạng truy nhập để
cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng đòi hỏi chi phí lớn và tốn nhiều thời gian,
công sức.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

2
Hình 1.2 cho thấy, để có thể truyền thông tin qua phƣơng tiện truyền dẫn là
đƣờng dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem
này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống nhƣ máy
tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đƣờng dây dẫn điện. Với
công nghệ này, mỗi ổ cắm điện chính và bảng phân phối điện trong nhà đều là
những giao diện truyền dẫn thông tin. Nhƣ vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ
viễn thông nhƣ trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không
cần lắp đặt cáp mới (Hình 1.1).


Hình 1.2: Truyền thông tin qua đƣờng dây điện

Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhƣng thực ra đã đƣợc sử
dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện. Ví
dụ nhƣ hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để
truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đƣờng dây cao thế với khoảng cách lên tới
500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của
hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC đƣợc sử
dụng cho các ứng dụng trong nhà nhƣ hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá
Ý tƣởng truyền tín hiệu thông tin trên đƣờng dây tải điện đã đƣợc sử dụng từ
lâu bằng cách sử dụng phƣơng thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on – turn
off carrier). Giống nhƣ các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện
lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải các thông tin phục vụ ngành
điện, nhƣng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển
nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

3
cho từng ứng dụng đặc biệt – ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho
phép PLC có những bƣớc phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công
nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn.

1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC
Ý tƣởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây đƣợc sử dụng để
phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xƣa nhƣ điện báo, tuy nhiên số lƣợng thiết bị
truyền thông đƣợc cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vƣợt xa số lƣợng cài đặt trên
dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần đây
con ngƣời thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của nguồn
điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế đƣợc cấp cho công ty điện
báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các mạch
cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm 1924

đã đƣa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thông qua Dòng điện xoay chiều
ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC nhƣ sau:
 Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps)
- Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thƣơng hiệu thuộc sở hữu của mạng
truyền thông Turtle của Mỹ.
- PFPM (Điều pha tần số công suất).
- Ripple Control (Điều tần qua đƣờng điện).
 Băng thông trung bình baud: (lên đến 9.600 bps)
- Echonet
- Archnet
- Công nghệ bán dẫn, Australia.
- National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893)
- Itran
 Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT)
- Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps.
- Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps
- Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps.
- Texas Instruments. (Dựa trên DSP đạt 200Mbps)
Tất cả các công nghệ đƣợc liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử nghiệm".
Sẽ mất một thời gian cho các công nghệ này sẽ đƣợc đóng gói thành sản phẩm cuối
cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thông.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4

1.1.3. Phân loại công nghệ
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
- Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách hàng
lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đƣờng truyền tải dài từ vài chục kilomet đến
vài trăm kilomet.

- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cƣ rộng, các
khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài
chục kilomet.
- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là
các hộ gia đình, cơ quan, trƣờng học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm
mét đến vài kilomet. Hệ thống lƣới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do
vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm
năng rất lớn.
Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lƣới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên
mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này
rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải đƣợc bật
hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lƣới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục
những vấn đề vật lý nhƣ vậy.

1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
- PLC băng hẹp – tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên đƣợc dùng cho
phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ
bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, ngƣời ta đã xác định giải tần có thể dùng
cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó
nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC – châu Âu) hoặc
từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật).
- PLC băng rộng – tốc độ cao: Vì giải tần đƣợc quy định bời CENELEC chỉ
cho phép truyền dẫn ở tốc độ tƣơng đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang
đƣợc thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn
sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác
chẳng hạn nhƣ an ninh, điều khiển không lƣu, các dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch
vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

5

Hiện nay dải tần từ 1 – 10 MHz đƣợc dùng cho các úng dụng ngoài nhà (Outdoor),
còn dải tần từ 10 – 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse).
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
- PLC trong nhà (In – House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp
điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ thống
trong nhà có thể hoạt động nhƣ mạng riêng mà không có bất kỳ một kết nối ra bên
ngoài.
- “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng
trục truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các
điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trƣờng hợp trạm hạ áp sẽ đƣợc dùng
nhƣ điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ đƣợc dùng để kết nối đến nhà
khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể đƣợc tổ chức ở trạm biến áp trung
thế hoặc ở những điểm thích hợp khác.
Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến 10
Mhz đƣợc ấn định dành riêng (hoặc ƣu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10
Mhz đến 30 Mhz đƣợc ƣu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).
1.1.3.4. Phân loại theo phƣơng thức điều chế
Kỹ thuật thứ nhất có thể đƣợc sử dụng cho truyền thông qua đƣờng dây điện
lực. Với một PLL (vòng khóa pha), quá trình truyền tải có thể đƣợc thực hiện với
các kỹ thuật điều chế số Khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK) hoặc
khóa dịch pha (PSK). Đây là công nghệ nổi tiếng và không tốn kém, nhƣng hiệu
quả bị hạn chế.
Kỹ thuật thứ hai là dựa trên nguyên lý trải phổ với một bộ tƣơng quan. Ở đây,
tín hiệu phát chiếm băng thông lớn hơn đáng kể băng thông tối thiểu cần thiết để
gửi các thông tin vì vậy nó đƣợc trải ra và đƣợc điều chế. Đầu thu cần biết mẫu phát
và tín hiệu đƣợc lấy mẫu thƣờng xuyên. Băng thông thấp sẽ làm tăng tính nhạy cảm
với hiện tƣợng méo tín hiệu do đó cần phải thay đổi (Máy thu hình là một ví dụ phổ
biến của biến dạng méo tín hiệu).
Kỹ thuật thứ ba kết hợp làm việc DSP trong một dải hẹp và sử dụng chế độ hai
tần số sóng mang hoạt động với bộ triệt nhiễu xung và một cơ chế điều chỉnh thích

ứng với méo tín hiệu.
Kỹ thuật thứ tƣ kết hợp điều chế của một tần số thấp, xung cƣờng độ cao trong
dòng điện để liên lạc. Các loại hình giao tiếp nhƣ vậy đã đƣợc thử nghiệm bởi các
công ty phân phối để quản lý tránh các lỗi của tải của họ Trong số các công nghệ