Nghiên cứu modun truyền và nhận tín hiệu qua đường dây truyền tải điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---***---

NGUYỄN HUY TĨNH

NGHIÊN CỨU MODUN TRUYỀN VÀ
NHẬN TÍN HIỆU QUA ĐƯỜNG DÂY
TRUYỀN TẢI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG

Người hướng dẫn khoa học:
GS.TS. PHẠM THỊ NGỌC YẾN

Hà Nội – 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của
riêng tôi, không sao chép của ai. Nội dung luận văn có
tham khảo và sử dụng tài liệu, thông tin đăng trên các
tác phẩm, tạp chí và các trang web theo danh mục tài
liệu của luận văn.
Hà Nội, ngày…… thỏng….. năm 2012

Nguyễn Huy Tĩnh


Mục lục

LỜI CAM ĐOAN

Mục lục
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
Mở đầu .................................................................................................................................. 1
Chương I: Tổng quan về PLC (POWERLINE COMUNICATION)........................... 2
1.1 Tổng quan PLC................................................................................................2
1.1.1 Định nghĩa .................................................................................................2
1.1.2 Tại sao phải nghiên cứu PLC ...................................................................2
1. Tính kinh tế...................................................................................................2
2. Tốc độ truyền nhận ......................................................................................2
1.1.3 Phạm vi ứng dụng .....................................................................................4
1.1.4 Phân loại ....................................................................................................4
1.1.5 Các phương thức mã hóa tín hiệu ............................................................5
1. Điều chế biên độ ..........................................................................................6
2. Điều chế tần số .............................................................................................7
3. Điều chế pha ................................................................................................7
4. Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM) .....................9
1.1.6 Kĩ thuật trải phổ (SS) ...............................................................................11
1.1.7 Một số vấn đề cần chú ý trong truyền thông PLC..................................13
1.2 Cấu trúc hệ thống PLC .................................................................................15
1.2.1 Cấu trúc hệ thống ....................................................................................15
1.2.2 Các phần tử mạng PLC ..........................................................................17
1. Các phần tử mạng cơ bản ..........................................................................17
2. Trạm lặp .....................................................................................................17
3. Cổng kết nối PLC .......................................................................................18
1.2.3. Kết nối đến mạng lõi và quản lý mạng truy nhập PLC.........................19

1. Các mô hình kết nối ...................................................................................19
2. Quản lý mạng truy nhập PLC ....................................................................22
1.3 Các yếu tố ảnh hưởng trong truyền thông PLC .........................................23
1.3.1 Đặc tính kênh truyền đường cáp điện ....................................................23
1.3.2 Sự giới hạn băng thông ...........................................................................24
1.3.3 Nhiễu trên đường cáp điện ......................................................................25
1. Nhiễu tần số 50Hz ......................................................................................25
2. Nhiễu xung đột biến ...................................................................................25
3. Nhiễu xung tuần hoàn ................................................................................26
4. Nhiễu xung kéo dài ....................................................................................26
5. Nhiễu chu kỳ không đồng bộ ......................................................................27
6. Nhiễu sóng radio ........................................................................................27
7. Nhiễu nền ...................................................................................................27
1.3.4 Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng .............................27
1.3.5 Suy hao trên lưới điện .............................................................................28
1.3.6 Hiện tượng sóng dừng .............................................................................29
1.3.7 Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu ....................................30
1.3.8 Tổng trở và sự suy giảm ..........................................................................30
1.4 ứng Dụng ........................................................................................................31
1.5 Các Chuẩn PLC .............................................................................................32
Chương II: Thử nghiệm các phương pháp điều chế ghép nối plc ..................................... 31
2.1 Kết nối với lưới điện ......................................................................................31
2.1.1 Mạch ghép tín hiệu ..................................................................................31
2.1.2 Mạch ghép dung kháng C .......................................................................31
2.1.3 Mạch phối ghép R-L-C phức tạp ............................................................34
2.1.4 Các bộ lọc tương tự..................................................................................34
2.1.5 Mạch lọc RC.............................................................................................35
2.1.6 Mạch lọc LC .............................................................................................35
2.1.7 Các mạch lọc bậc cao khác .....................................................................36

2.2 Các Phương Pháp Điều Chế .........................................................................37
2.2.1 Kỹ thuật tương tự .....................................................................................38
2.2.2 Kỹ thuật điều chế số .................................................................................39
1. Khoá dịch biên (ASK) ................................................................................39
2. Khoá dịch tần FSK .....................................................................................43
3. Khoá dịch pha (PSK) .................................................................................46
4. Công nghệ trải phổ ....................................................................................49
5. Trải phổ d·y trực tiếp kiểu BPSK ...............................................................50
6. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequency Hopping Spread Spectrum) ...........54
2.3 Thử nghiệm các phương thức điều chế. .....................................................55
2.3.1 Điều chế và giải điều chế ASK ................................................................55
1. Điều chế ASK .............................................................................................55
2. Giải điều chế ASK ......................................................................................56
3. Kết quả thử nghiệm ....................................................................................57
2.3.2 Điều chế và giải điều chế FSK ................................................................59
1.Vòng khoá pha (Phase locked loop - PLL) .................................................59
2. Điều chế FSK dùng vi mạch CD4046 ........................................................60
3. Giải điều chế FSK ......................................................................................61
4. Kết quả thử nghiệm ....................................................................................62
2.3.3 Điều chế và giải điều chế BPSK..............................................................63
1. Điều chế BPSK ...........................................................................................63
2. Giải điều chế BPSK dùng CD4046 ............................................................63
3. Kết quả thử nghiệm ....................................................................................64
2.3.4 Điều chế và giải điều chế FM ................................................................65
1. Điều chế FM...............................................................................................66
2. Giải điều chế FM .......................................................................................67
3. Kết quả thử nghiệm ....................................................................................67
2.4 Lựa chọn phương thức điều chế..................................................................67

2.5 Kết Luận Phương Pháp Điều Chế ...............................................................68


Chương III: Thiết kế mạch thu – phát plc ...................................................................... 67
3.1 Yêu cầu thiết kế, lựa chọn phương án thực hiện ........................................67
3.1.1 Các yêu cầu của thiết kế ..........................................................................67
3.1.2 Lựa chọn phương án thực hiện ..............................................................67
3.2 Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống ...............................................................68
3.2.1 Thiết kế modul phát .................................................................................70
1. Mạch điều khiển hoạt động cho máy phát .................................................70
2. Điều chế FSK .............................................................................................72
3. Mạch khuếch đại âm tần ............................................................................72
4. Mạch khuếch đại phát ................................................................................73
5. Mạch phối ghép với lưới điện ....................................................................74
3.2.2 Thiết kế modul thu ...................................................................................75
2. Mạch khuếch đại và lọc thông dải .............................................................76
3. Mạch giải điều chế FSK .............................................................................77
5. Mạch điều khiển thu ...................................................................................79
3.3 Sơ đồ nguyên lý và lưu đồ thuật toán ..........................................................81
3.3.1 Lưu đồ thuật toán của modul phát .........................................................81
3.3.2 Sơ đồ nguyên lý modul phát ....................................................................82
3.3.3 Lưu đồ thuật toán của modul thu ...........................................................84
3.3.4 Sơ đồ nguyên lý modul thu ......................................................................85
3.4 Chương trình điều khiển trên các Modul ...................................................86
Tài liệu tham khảo .....................................................................................................101
Phụ lục ................................................................................. Error! Bookmark not defined.


Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
AM

Amplitude Modulation

Điều biên

ASK

Amplitude Shift Keying

Khoá dịch biên

BPSK

Binary Phase Shift Keying

Khoá dịch pha nhị phân

Delta Modulation

Điều chế Delta

DSSS

Direct Sequence Spread Spectrum

Trair phổ dãy trực tiếp

DPSK

Differential Phase Shift Keing

Khoá dịch pha vi phân

FM

Frequency Modulation

tần số Điều chế

FSK

Frequency Shift Keing

Khoá dịch tần

FDM

Frequency Division Multiplexing

Đa truy nhập theo tần số

FPGA

Field programmable gate array

Phạm vi có thể lập trình cổng mạng

Inter Symbol Interference

Nhiễu ISI

Local Area Network

Mạng khu vực

Orthogonal Frequency Division

Điều chế đa sóng mang

DM

ISI
LAN
OFDM

Multiplexing
PCM

Pulse Code Modulation

Điều chế xung mã

PLC

Power Line Communication

Truyền thông trên đường cáp điện

PLL

Phase Locked Loop

Vòng khoá pha

PSK

Phase Shift Keying

Khoá dịch pha

QAM

Quadrature Amplitude Modulation

Điều chế biên độ cầu phương

Selective Fading

Pha định lựa chọn

SF


Danh mục các bảng
Bảng 1.1 So sánh tốc độ PLC network .................................................................. 3
Bảng 1.2: Một số linh kiện Lowspeed PLC .......................................................... 14
Bảng 1.3 Tải đường dây trở kháng thấp............................................................. 21
Bảng 2.1: So sánh phương thức điều chế ........................................................... 66

Danh mục các hình vẽ
Hỡnh 1.1: Nguyờn lý cơ bản PLC .............................................................................2
Hình 1.2: Phân loại tiêu chuẩn PLC ............................................................................4
Hình 1.3: Sơ đồ các phương pháp điều chế tín hiệu ..................................................5
Hình 1.4: Mẫu mã hóa tín hiệu ASK ..........................................................................6
Hình 1.5: Mẫu điều chế tần số FSK ...........................................................................7
Hình 1.6: Mẫu điều chế BPSK ...................................................................................8
Hình 1.7: Mẫu điều chế QPSK...................................................................................9
Hình 1.8: Kĩ thuật điều chế OFDM...........................................................................10
Hình 1.9: Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ .......................................11
Hình 1.10: Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số .....................................11
Hình 1.11: So sánh truyền thông băng hẹp và truyền thông trải phổ.......................12
Hình 1.12: Cấu trúc một mạng truy nhập PLC ........................................................15
Hình 1.13: Cấu trúc mạng PLC trong nhà ..............................................................16
Hình 1.14: Mạng PLC sử dụng trạm lặp ...................................................................17
Hình 1.15: Thuê bao PLC kết nối trực tiếp ...............................................................18
Hình 1.16: Kêt nối thông qua cổng PLC ...................................................................19
Hình 1.17: Cổng kết nối trong mạng truy nhập PLC ................................................19
Hình 1.18: Mô hình kết nối mạng truy nhập và mạng lõi .........................................22
Hình 1.19: Quản lý mạng PLC..................................................................................22
Hình 1.20: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ ...........................................................24
Hình 1.21: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện ..................................................24
Hình 1.22: Các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC.............................................25
Hình 1.23: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn ..........................................................26
Hình 1.24: Nhiễu xung tuần hoàn .............................................................................26
Hình 1.25: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó ...........................27
Hình 1.26: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 kHz ..............................................29
Hình 2.1: Mạch ghép dung kháng .............................................................................32
Hình 2.2: Mạch ghép kết hợp LC.............................................................................33
Hình 2.4: Các mạch lọc LC đơn giản ........................................................................36

Hình 2.5: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741 ............................................37


Hình 2.6: Sơ đồ điều chế và giải điều chế ASK........................................................42
Hình 2.7: Điều chế khoá dịch biên ASK ...................................................................42
Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý FSK ................................................................................44
Hình 2.10: Điều chế khoá dịch tần FSK ...................................................................45
Hình 2.11: Điều chế tín hiệu PSK .............................................................................47
Hình 2.13: Sơ đồ điều chế trải phổ trực tiếp ............................................................52
Hình 2.15: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản.............................................53
Hình 2.16: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần .............................................55
Hình 2.17: Sơ đồ điều chế ASK ................................................................................56
Hình 2.18: Mạch giải điều chế ASK .........................................................................56
Hình 2.19: Dạng tín hiệu đo được ở máy phát và thu ...............................................59
Hình 2.20: Mạch vòng khoá pha PLL cơ bản ...........................................................59
Hình 2.21: Sơ đồ điều chế FSK dùng CD4046 .........................................................60
Hình 2.22: Sơ đồ giải điều chế FSK dùng CD4046 ..................................................61
Hình 2.23: Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK .....................................................62
Hình 2.24: Sơ đồ điều chế BPSK ..............................................................................63
Hình 2.26: Dạng sóng của tín hiệu BPSK tại máy thu..............................................65
Hình 2.27: Điều chế FM với PLL4046 ....................................................................66
Hình 2.28: Sơ đồ giải điều chế FM ...........................................................................67
Hình 3.1: Sơ đồ khối hoạt động hệ thống .................................................................69
Hình 3.2: Mạch điều khiển Modul phát ....................................................................70
Hình 3.3: Mạch điều chế FSK ...................................................................................72
Hình 3.4: Mạch khuếch đại âm tần ...........................................................................73
Hình 3.5: Mạch khuếch đại phát ...............................................................................73
Hình 3.6: Mạch phối ghép Modul phát với lưới điện ...............................................74
Hình 3.7: Mạch phối ghép Modul thu với lưới điện .................................................75
Hình 3.8: Mạch khuếch đại thu .................................................................................76

Hình 3.9: Mạch giải điều chế FSK ............................................................................77
Hình 3.10: Mạch giải điều chế FM ...........................................................................78
Hình 3.11: Mạch điều khiển Modul thu ....................................................................79
Hình 3.12: Sơ đồ nguyên lý modul phát ..... 83Hình 5.13: Sơ đồ nguyên lý modul thu
............................................................................................................................................. 86


Mở đầu

Mở đầu
Hiện nay, nhu cầu sử dụng nối mạng trong nhà trên thế giới đang phát triển với một
tốc độ nhanh chóng. Sự phát triển các dịch vụ internet băng thông rộng tốc độ cao, việc
triển khai các thiết bị thông minh cho gia đình, khả năng phát triển mô hình làm việc từ
xa và kinh doanh tại nhà đang là nhu cầu của thế giới hiện đại. Việc đưa ra các thiết bị
thông minh đã mang lại cho người tiêu dùng tính linh hoạt để thực hiện các công việc tự
động. Các thiết bị phụ trợ số cá nhân PDA (Personal Digital Assistant), điện thoại thông
minh, và hộp set-top box đang tạo ra các đặc tính và khả năng mới. Thiết bị thông minh
có khả năng điều khiển các thiết bị điện tử trong nhà như: Phòng cháy, phòng hơi độc,
phòng khí ga, quản lý nhiệt độ, tủ lạnh, đèn, quạt, interner, lò vi sóng, các thiết bị âm
thanh - hình ảnh, và các hệ thống bảo vệ trong nhà. Để thực hiện được các nhiệm vụ này
các thiết bị thông minh và thiết bị điện tử cho gia đình phải có khả năng nối mạng và kết
nối toàn cầu. Vì thế công nghệ truyền thông trên mạng lưới điện đang được mọi người
chú ý và phát triển nó để đáp ứng mọi nhu cầu của xã hội.
Trong luận văn thạc sỹ kỹ thuật được giao với đề tài: “Nghiờn cứu Modun truyền
và nhận tín hiệu qua đường dây truyền tải điện” Nội dung luận văn gồm các phần cơ
bản như sau:
Chương I: Tổng quan về PLC (POWER LINE COMUNICATION)
CHƯƠNG II : THử NGHIệM CáC PHƯƠNG PHáP ĐIềU CHế GHéP NốI PLC
CHƯƠNG III : THIếT Kế MạCH THU – PHáT

Sau gần một năm được sự hướng dẫn tận tình của các Thầy cô trong bộ môn Đo
lường và Điều khiển và đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của Cô GS-TS: Phạm Thị
Ngọc Yến, luận văn của em đã hoàn thiện. Do thời gian thực hiện luận văn có hạn và khả
năng còn hạn chế, luận văn em thực hiện không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em mong
nhận được sự đóng góp ý kiến của Thầy cô và các bạn.
Hà Nội, ngày…….tháng…….năm 2012

Nguyễn Huy Tĩnh

1


Chương 1: Tổng quan về PLC

Chương I
Tổng quan về PLC
(POWERLINE COMUNICATION)
1.1 Tổng quan PLC
1.1.1 Định nghĩa
Powerline communication (PLC) là kĩ thuật truyền tin sử dụng mạng điện sẵn có
làm môi trường truyền dẫn. Nguyên tắc của PLC là sự xếp chồng của tín hiệu điện
50Hz ( tần số được phát ra bởi máy phát điện) và một tín hiệu khác ở tần số rất cao (từ
1-30MHz) có năng lượng yếu. Tín hiệu thứ 2 này tự nó lan truyền trên mạng lưới điện
và có thể thu nhận và giảI điều chế. Sự giải điều chế được thực hiện bởi một máy thu
PLC. Một coupler (mạch ghép tín hiệu để kết nối mạng cài đặt vào lưới điện) được tích
hợp ở đầu vào của máy thu PLC có nhiệm vụ khử thành phần tần số cơ bản trước khi
thực hiện xử lý tín hiệu. Nguyên lý này được mô phỏng trên hình 1.1:
Tín hiệu điện 50Hz
Tín hiệu điện 50Hz

Tín hiệu tần số cao 50HF

Tín hiệu
tần số
cao từ
1,6Mhz
- 30Mhz
Hỡnh 1.1 Nguyờn lý cơ bản PLC

1.1.2 Tại sao phải nghiên cứu PLC
1. Tính kinh tế
Tận dụng đường dây điện có sẵn, giảm các chi phí lắp đặt, giảm các chi phí bảo
trì sửa chữa.
2. Tốc độ truyền nhận
Tốc độ truyền nhận của PLC rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Khoảng cách
giữ máy phát điện và máy biến thế, số lượng người sử dụng kết nối vào mạng, kiến trúc
“indoor” hay “outdoor”, số lượng bộ lặp được cài đặt giữa máy biến thế và máy phát,
kiểu ứng dụng cụ thể. Đối với các ứng dụng “indoor” thì tốc độ trung bình là 14Mbps.
2


Chương 1: Tổng quan về PLC

PLC không cần phải nối cáp riêng, và truyền xa hơn (1,000 feet) so với mạng Ethernet
(150 feet). Về lý thuyết mạng PLC có thể truyền tốc độ tối đa là 14 Mbps, nhưng trong
thực tế, tốc độ chỉ đạt khoảng 7Mbps, tuy vậy vẫn nhanh hơn so với Wifi 802.11b
(4Mbps tới 5Mbps). Tốc độ truyền của mạng PLC chậm hơn so với Wifi 802.11a
(22Mbps-thực tế) và mạng tốc độ cao (60Mbps-thực tế). Như vậy tốc độ truyền của
PLC ở mức trung bình, đủ để phục vụ cho các ứng dụng thông thường như chia sẻ tài
liệu, truy nhập internet và kết nối các thiết bị ngoại vi (printer…), tuy nhiên không

thích hợp cho các ứng dụng giải trí: Chia sẻ hình ảnh, hội thảo từ xa…
Approximate
range

Claimed/typical
data speeds

Pros

Cons

Cheap ($10 for adapter)
Included on most new PCs
Hundreds of hardware
makers

Requires cabling
Larger networks
need distribution
hubs and switches

300 feet per
segment

100/60Mbps*

Power line Uses existing home
(HomePlug) wiring
Government-strength
56-bit DES encryption

Relatively
expensive
Vulnerable to
spikes (sudden
rises in energy),
surges (prolonged
overvoltages), and
brownouts

1,000 feet

14Mbps

Wi-Fi
(802.11b)

Relatively inexpensive
($75 for PC Card)
Dozens of
manufacturers
WECA certification
Radios integrated on
new notebooks

Data speeds
inadequate for
high-end
multimedia
Three channels

100 feet

11/5.5Mbps

Wi-Fi5
(802.11a)

High bandwidth fro
multiple users or
multimedia distribution
Eight channels

Expensive ($150
for PC Card
adapter)
Small number of
manufacturers
Not integrated on
notebooks
No certification

50 feet

54/22Mbps

Bluetooth

Very cheap ($5 to
$7.50) for integrated

radio on PDA or phone
Widespread installation

Low throughput
Short range
Lack of
compatibility

20 to 50 feet

1Mbps/300Kbps

Ethernet

3


Chương 1: Tổng quan về PLC
Low power use

Bảng 1.1 So sánh tốc độ PLC network
1.1.3 Phạm vi ứng dụng
Phạm vi ứng dụng của PLC tương đối rộng rãi:
- Tự động hóa trong nhà
- Dịch vụ internet trên cơ sở PLC
- Hệ thống giám sát điều khiển SCADA
- Hệ thống đo đếm điện năng từ xa AMR
1.1.4 Phân loại

Hình 1.2 Phân loại tiêu chuẩn PLC

- PLC - Powerline Carrier: Tín hiệu băng hẹp, truyền trên dây cao thế 132kV275kV. Dải tần sử dụng: 9-500kHz, tốc độ dưới 100kbps. Dùng cho các ứng dụng:
Điều khiển chuyển mạch, điện thoại. Hiện nay do tốc độ truyền hạn chế nên điều
khiển chuyển mạch, điện thoại. Hiện nay, do tốc độ truyền hạn chế nên Powerline
Carrier dần được thay thế bởi cáp quang.
- BPL - Broadband over Powerline: Cung cấp dịch vụ truy cập internet băng
thông rộng đến nhà bằng việc sử dụng các phương pháp điều chế số trên dải tần còn
lại của đường dây điện. Trong tòa nhà có trang bị BPL system, người sử dụng chỉ
cần một BPL modem cắm vào ở điện là có thể truy cập internet tốc độ cao.
- DLC - Distribution Line Carrier: (High speed narrowband powerline system)
dùng với mạng trung thế (11kV) và hạ thế. Dải tần hoạt động 9-500KHz, tốc độ tới

4


Chương 1: Tổng quan về PLC

576kbps. Không bị ảnh hưởng bởi sóng radio và bức xạ điện từ. ứng dụng: Realtime
Energy Managements. Các chuẩn hiện hành: EN50065 (CENELEC), IEC 61000-3,
FCC part 15 supart B.
- Low speed powerline: Sử dụng dải tần số hẹp 9-148.5KHz, tốc độ dưới
9.6Kbps. Đặc điểm: Tốc độ thấp, giá rẻ thích hợp với các ứng dụng tại nhà hoặc các
tòa nhà tự động. Các chuẩn Lonwork, PowerBUS, X10, INSTEON…
Trong giới hạn nghiên cứu những ứng dụng gia đình, tốc độ truyền nhận thấp và
khoảng cách truyền ngắn ta chỉ xem xét công nghệ mạng tốc độ thấp (Low speed
powerline). Các chuẩn hiện hành: X10, INSTEON, PowerBUS, … sẽ được đề cập
kĩ hơn ở phần sau.
1.1.5 Các phương thức mã hóa tín hiệu
Để dữ liệu cụ thể được truyền, tín hiệu phải được xử lý sao cho bên máy nhận có
thể phân biệt bit 0 và 1. Sử dụng phương pháp điều chế để xử lý tín hiệu, phuơng thức
này sẽ biến tín hiệu vào trong sóng mang và mã hóa dữ liệu sao cho nó có thể truyền.

Hiện nay có các phương thức mó húa sau:

Hình 1.3 Sơ đồ các phương pháp điều chế tín hiệu
Có hai kỹ thuật khác nhau được sử dụng để mô tả dữ liệu:
+ Trạng thái hiện hành (current state): Với kĩ thuật này, gía trị hiện hành của
5


Chương 1: Tổng quan về PLC

tín hiệu được dùng để phân biệt gía trị 0 và 1. Kỹ thuật này sẽ gán một gía trị cụ thể
để chỉ ra gía trị nhị phân là 0 hay là 1. ở một thời điểm cụ thể, gía trị của tín hiệu sẽ
xác định gía trị nhị phân.
+ Chuyển trạng thái (state transition): Với kĩ thuật này, sự thay đổi hay chuyển
mức tín hiệu sẽ được dùng để phân biệt 0 và 1. Kĩ thuật này có thể mô tả gía trị 0
bằng cách thay đổi pha của sóng ở một thời điểm cụ thể, trong khi gía trị 1 sẽ đặc
trưng bằng việc giữ nguyên pha. ở một thời điểm cụ thể, yếu tố có sự thay đổi hay
không có sự thay đổi trong pha của tín hiệu sẽ được dùng để xác định gía trị nhị phân.
1. Điều chế biên độ
Mã hóa ASK
Điều biên (ASK): Thay đổi biên độ/ độ cao của tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị
phân. Điều biên dùng kĩ thuật trạng thái hiện hành, trong đó một mức biên độ được
dùng để tượng trưng mức 0 và một mức được dùng để tượng trưng mức 1. Hình 1.4
bên dưới mô tả làm thế nào một dạng sóng có thể điều chế một mã ASCII, ký tự K
dùng phuơng pháp điều biên. Biên độ lớn tượng trưng cho mức 1, trong khi biên độ
nhỏ tượng trưng cho mức 0. Chính biên độ của sóng sẽ xác định dữ liệu đang được
truyền. Bên máy nhận, sẽ chia tín hiệu nhận được ra thành những khoảng thời gian
được gọi là thời gian lấy mẫu. Máy nhận sau đó sẽ kiểm tra sóng để tìm ra biên độ.
Tùy thuộc vào giá trị biên độ của sóng, máy nhận sẽ xác định giá trị nhị phân đang
được truyền.

Hình 1.4: Mẫu mã hóa tín hiệu ASK

6


Chương 1: Tổng quan về PLC

Nhận xét:
- Phương pháp này đơn giản
- Khả năng chống nhiễu thấp
- Thường dùng để truyền tin trên cáp quang
2. Điều chế tần số
Mã hóa FSK
Điều tần thay đổi tần số tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân. Điều tần dùng kĩ
thuật trạng thái hiện hành, trong đó một mức tần số có thể tượng trưng cho mức
0 và một tần số khác tượng trưng cho mức 1. Sự thay đổi tần số sẽ xác định dữ
liệu đang được truyền. Bên máy nhận lấy mẫu của tín hiệu, nó sẽ xác định tần
số của sóng, và tùy thuộc vào giá trị tần số, máy nhận sẽ xác định giá trị nhị
phân. Hình 1.5 dưới đây sẽ mô tả làm thế nào một dạng sóng cụ thể mô tả ký tự
K của bảng mã ASCII dùng kĩ thuật điều tần. Mức tần số nhanh hơn được diễn
dịch như mức 1 và mức tần số thấp hơn được diễn tả như mức 0.

Hình 1.5 Mẫu điều chế tần số FSK
Nhận xét:
- ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu hơn ASK
- Có thể sử dụng sóng radio cao tần (3-30MHz) (ví dụ mạng LAN sử dụng cáp
đồng trục)
3. Điều chế pha
Mã hóa PSK

7


Chương 1: Tổng quan về PLC

Kĩ thuật này sẽ thay đổi pha của tín hiệu để mô tả dữ liệu nhị phân. Điều pha
dùng kĩ thuật thay đổi trạng thái, trong đó một pha dùng để mô tả mức 0 và một
pha khác dùng để mô tả mức 1. Sự thay đổi trạng thái của pha sẽ xác định dữ liệu
đang được truyền. Khi máy nhận lấy mẫu tín hiệu, nó sẽ xác định pha và trạng
thái của mức.
BPSK (Binary phase shift keying)

Hình 1.6: Mẫu điều chế BPSK
Hình1.6 mô tả làm tthế nào một dạng sóng có thể mô tả ký tự K dùng kĩ thuật
điều pha. Pha thay đổi đầu chu kỳ dùng để mô tả giá trị nhị phân là 1. Nếu pha
không thay đổi ở đầu chu kỳ thì mô tả giá trị 0. Một cách tiêu biểu, bên máy nhận sẽ
lấy mẫu tín hiệu và so sánh pha của mẫu hiện hành với pha trước đó và xác định sự
khác nhau. Sự khác nhau trong pha (lệch pha) sẽ được dùng để xác định giá trị mức.
QPSK (Quadrature PSK)
Thay vì dùng 2 pha để xác định giá trị nhị phân, bốn pha có thể được dùng. Mỗi
pha trong bộ bốn này có thể dùng để mô tả hai giá trị nhị phân (00,01,10,11) thay vì
chỉ một (0 hoặc 1), như vậy sẽ giúp ngắn thời gian truyền. Hình 1.7 dưới đây mô tả
ký tự K trong bảng mã ASCII, có thể được mã hóa và truyền dùng kỹ thuật này. ở
đây có ít chu kỳ lấy mẫu hơn hình vẽ trước.

8


Chương 1: Tổng quan về PLC

Hình 1.7:Mẫu điều chế QPSK
Ngoài ra có thể sử dụng:
- Nhiều pha hơn: 8 pha - biểu diễn cho 3 mức
- Kết hợp pha và biên độ(QAM): Với mỗi pha, tín hiệu có thể nhận nhiều mức
biên độ.
4. Kĩ thuật ghép kênh phân chia theo tần số trực giao (OFDM)
Công nghệ này được trung tâm nghiên cứu CCETT (Centre Commun d’étude
en dediffution et Telecomunication) của Pháp phát minh nghiên cứu từ đầu thập
niên 1980.
ý tưởng chính trong kĩ thuật OFDM là việc chia lượng dữ liệu trước khi phát đi
thành N luồng dữ liệu song song có tốc độ thấp hơn và phát mỗi luồng dữ liệu đó
trên một sóng mang con khác nhau. Các sóng mang này là trực giao với nhau, điều
này được thực hiện bằng cách chọn độ giãn cách tần số giữa chúng một cách hợp lý.
OFDM tạo ra lưới theo thời gian và tần số. Mỗi hình chữ nhật là một kênh độc lập
và có thể cấp cho những người sử dụng khác nhau.

9


Chương 1: Tổng quan về PLC

Hình 1.8: Kĩ thuật điều chế OFDM
Trong kiểu OFDM truyền thẳng, những sóng mang được lọc ra riêng để đảm
bảo rằng không có chồng phổ, bởi vậy không có hiện tượng giao thoa kí hiệu ISI
(Inter Symbol Interference) giữa những sóng mang những hiệu quả quang phổ chưa
cao. ảnh hưởng giữa các symbol -ISI là do các tiếng vọng từ một symbol nhất định
(gọi là vùng symbol N) sẽ ảnh hưởng đến symbol tiếp theo (gọi là symbol N+1).
Công nghệ OFDM khắc phục vấn đề ISI bằng cách sử dụng khoảng thời gian bảo vệ
(Guard Interval -GI period) tại đoạn bắt đầu của symbol. Khoảng thời gian bảo vệ

chính là phần symbol bị ảnh huởng bởi ISI cũng khoảng dữ liệu tiếp theo khoảng
bảo vệ chính là khoảng tới tin.

10


Chương 1: Tổng quan về PLC

Hình 1.9: Cấu trúc Symbol OFDM, ISI và khoảng bảo vệ
Công nghệ OFDM hỗ trợ truyền số liệu tốc cao và tăng hiệu quả quang phổ. Điều
này đạt được là do sự truyền dẫn song song của nhiều sóng mang phụ (sub-carrier) qua
không trung, mỗi sóng mang phụ có khả năng mang số liệu điều biến. Các sóng mang
phụ được đặt vào các tần số trực giao. Trực giao có nghĩa là tần số trung tâm của một
sóng mang phụ nhất định sẽ rơi đúng vào các điểm có giá trị bằng 0 của các sóng mang
phụ khác. Sử dụng các tần số trực giao sẽ tránh được sự ảnh hưởng lẫn nhau giữa các
sóng mang phụ khác nhau khi sắp xếp vị trí các sóng mang phụ với mật độ lớn trong
miền tần số.

Hình 1.10: Trực giao sub-carrier OFDM trong miền tần số
1.1.6 Kĩ thuật trải phổ (SS)
Nguyên lý cơ bản của điều chế trải phổ là sử dụng băng tần rộng hơn rất nhiều
mức cần thiết để truyền thông tin. Ví dụ, chúng ta có thể sử dụng 1MHz và 10Watt
đốivới băng hẹp nhưng 20MHz và 100mW đối với trải phổ. Hình 1.11 minh họa sự
khác nhau giữa truyền thông băng hẹp và truyền thông trải phổ.

11


Chương 1: Tổng quan về PLC

Hình 1.11 So sánh truyền thông băng hẹp và truyền thông trải phổ
Trong khi băng tần trải phổ là tương đối rộng, thì công suất đỉnh của tín hiểu lại rất
thấp. đây chính là yêu cầu thứ 2 đối với một tín hiệu được xem như là trải phổ. Hai đặc
điểm này của trải phổ (sử dụng băng tần số rộng và công suất rất thấp) làm cho bên
nhận nhìn chúng giống như là một tín hiệu nhiễu. Nhiễu cũng là tín hiệu băng rộng
công suất thấp nhưng sự khác biệt là nhiễu thường là không mong muốn. Hơn nữa, vì
bộ nhận tín hiệu xem các tín hiệu trải phổ như là nhiễu, nên bên nhận sẽ không cố gắng
điều chế hay diễn giải nó làm cho việc truyền thông có tính bảo mật tốt.
Có ba kiểu hệ thống thông tin trải phổ cơ bản:
- Trải phổ chuỗi trực tiếp (DS-Direct Sequence): Hệ thống DS/SS đạt được trải
phổ bằng cách nhân tín hiệu nguồn với một tín hiệu giả ngẫu nhiên.
- Trải phổ nhảy tần (FH-Frequency Hopping): Hệ thống FH/SS đạt được trải
phổ bằng cách nhảy tần số mang trên một tập (lớn) các tần số. Mẫu nhảy tần số có
dạng giả ngẫu nhiên.
- Trải phổ nhảy thời gian (TH-Time Hopping): Hệ thống TH/SS, một khối các bit
số liệu được nén và được phát ngắt quãng trong một hay nhiều khe thời gian. Một mẫu
nhảy thời gian sẽ xác định các khe thời gian nào được sử dụng để truyền dẫn trong mỗi
khung. Cũng có thể nhận được các hệ thống lai ghép từ các hệ thống nói trên. Hiện nay
phần lớn các quan tâm về hệ thống trải phổ (SS) là các ứng dụng đa thâm nhập mà ở đó
nhiều người sử dụng cùng chia sẻ một độ rộng băng tần truyền dẫn. ở hệ thống DS/SS
nhiều người sử dụng cùng dùng chung một băng tần và phát tín hiệu của họ đồng thời.
ở các hệ thống FH/SS và TH/SS, mỗi người sử dụng được ấn định một mã giả ngẫu
nhiên sao cho không có cặp máy phát nào sử dụng cùng tần số hay cùng khe thời gian,
từ đó các máy phát sẽ tránh được xung đột. Như vậy FH và TH là các kiểu hệ thống
12


Chương 1: Tổng quan về PLC

tránh xung đột, trong khi đó DS là kiểu hệ thống lấy trung bình.

Nhận xét:
Với ứng dụng trong nhà, ta lựa chọn phương pháp mã hóa FSK vì các lý do sau:
- Đơn giản
- Điều chế tần số ít ảnh hưởng của nhiễu và suy hao.
1.1.7 Một số vấn đề cần chú ý trong truyền thông PLC
Nhiễu
Mạng điện được ra đời phục vụ cho mục đích truyền năng lượng, với đặc điểm
phụ tải thường xuyên thay đổi, các thiết bị điện đóng cắt, các trạm chuyển tiếp, do
đó gây ra rất nhiều nhiễu cho quá trình truyền tải thông tin trên dây điện. Ngoài ra,
khi tín hiệu thông tin cao tần truyền trên dây điện, sẽ phát xạ sóng điện từ làm ảnh
hưởng tới các hệ thống truyền thông khác: Phát thanh, truyền hình.
Suy hao
Khi truyền tín hiệu đi xa, tín hiệu sẽ bị suy giảm. Người ta lắp các bộ lặp lại trên
đường truyền để khắc phục hiện tượng suy giảm tín hiệu.
Phối hợp trở kháng
Với hệ thống truyền thông tin, để có được công suất phát cực đại thì cần phải có
được sự phối hợp trở kháng giữa kênh truyền và máy thu - phát, nhưng mạng đường
dây điện lực chưa thích nghi được với vấn đề này vì trở kháng đầu vào (hay đầu ra)
thay đổi theo thời gian đối với tải và vị trí khác nhau. Một số trở kháng không phối
hợp khác có thể xuất hiện trên đường dây điện lực (ví dụ: Do các hộp cáp không
phối hợp trở kháng với cáp), và vì vậy suy giảm tín hiệu càng lớn hơn.
Mạng PLC tốc độ thấp (Lowspeed Powerline)
Như đã nói trong phần trên, công nghệ (Lowspeed PLC) sử dụng dải tần số hẹp
5-148.5 KHz, tốc độ dưới 9.6 Kbps, với ưu điểm là giá rẻ, thích hợp cho các ứng
dụng gia đình. Các công nghệ chính:
- X-10: (ra đời năm 1975 bởi Pico Electronics ở Glenrothes - Scotland) là chuẩn
quốc tế, mở, ứng dụng cho ngôi nhà tự động (home automation). Sử dụng phương
thức điều chế ASK. Dữ liệu được mã hoá với sóng mang 120KHz và được truyền ở
thời điểm dòng xoay chiều đi qua điểm 0 (zero crossing) trên đường dây điện xoay
chiều 50 hoặc 60Hz. Như vậy, mỗi bit được truyền tới một điểm (zero crossing),

một xung vuông sóng mang dài 1ms tần số 120KHz tương ứng với bit 1, sự vắng
mặt của sóng mang tương ứng với bit 0. Người ta xác định các thiết bị kết nối vào

13


Chương 1: Tổng quan về PLC

dây điện bằng 16 mã của ngôi nhà (từ A tới P) và 16 mã đơn vị (1 tới 16), do vậy có
tối đa 256 thiết bị có thể kết nối vào 1 dây. Ưu điểm: giá thành rẻ, dễ làm. Nhược
điểm: chậm, kém tin cậy, kém linh động.
- INSTEON: Sáng chế bởi phòng thí nghiệm, ứng dụng cho ngôI nhà thông
minh: điều khiển đèn từ xa, điều khiển truy nhập… Insteon là một mạng lưới kép
(dual-mesh network) nghĩa là các thiết bị theo chuẩn này có thể sử dụng ở mạng
PLC hoặc RF hoặc cả hai, cấu trúc mạng đến mạng (peer-to-peer). Đối với mạng
PLC, Insteon hoạt động ở tần số 131,65KHz, điều chế BPSK, với mạng RF, tần số
904 MHz, điều chế FSK. Tốc độ tức thời 13,165 bit/s, duy trì 2,880 bit/s. Số lượng
thiết bị không hạn chế. Ưu điểm: tương thích với X10, tốc độ nhanh hơn X10, tin
cậy, có cơ chế sửa lỗi, an toàn dữ liệu. Nhược điểm: thiết bị phức tạp
- UPB: (Universal Powerline Bus) sáng chế năm 1999 bởi PCS (Powerline
Controle Systems) Northridge, California, là chuẩn công nghiệp cho giao tiếp các
thiết bị trong nhà. Tín hiệu UPB là một chuỗi các xung ghộp vào đầu mỗi nửa chu
kì của tín hiệu AC, các bộ thu UPB sẽ dễ dàng phát hiện và phân tích các xung này.
Các xung điện áp là 40 V, phổ tần số trong khoảng 4-40KHz. Mỗi xung mã hóa
được 2 bit đến tốc độ baud: 240 bit/s (ở tần số 60Hz). Ưu điểm: Tốc độ và độ tin
cậy cao hơn so với X10. Nhược điểm: thiết bị phức tạp.
- LonWorks: Phát triển năm 1988 bởi công ty Echelon - Caliornia, ứng dụng chủ
yếu cho tự động hóa tòa nhà, xí nghiệp. Mô hình mạng: peer-to-peer, phương thức
truy nhập CSMA (Carrier Sense Multiple Access). Lonworks sử dụng phương thức
mã hóa BPSK, tần số 125-140 kHz. ứng dụng chủ yếu trong thương mại và công

nghiệp. ưu điểm: Tin cậy, nhanh và linh động. Nhược điểm: phức tạp và giá thành
cao.
- Intellon: Phát triển năm 1989 bởi Intellon, Ocala, Florida. Tốc độ truyền thông
tin theo (Intellon) lên tới hàng trăm Mbps. Phương pháp điều chế OFDM (phân chia
tần số trực giao) trong dải tần từ 4.5MHz tới 21MHz. Sau này Intellon phát triển lên
thành chuẩn HomePlug 1.0 từ chuẩn INT5200. Mọi thông tin về Intellon hiện nay
không còn phổ biến nữa, bây giờ tất cả đều chuẩn hóa thành chuẩn HomePlug.
- HomePlug 1.0 (HP 1.0): Phát triển bởi HomePlug Powerline Alliance, công
nghệ hiện nay là công nghệ Homeplug AV tốc độ truyền kênh truyền lên 200Mbps
và 150Mbps tốc độ thông tin trên toàn bộ các kênh. Công nghệ HomePlug 1.0 phù
hợp với các ứng dụng tốc độ thấp, tốc độ lý thuyết 14Mbps. HomePlug 1.0 có thể
14


Chương 1: Tổng quan về PLC

phục vụ trên các đường lưới điện 50 - 60Hz, kết hợp hai kỹ thuật truyền sử chữa lỗi
FEC (Forward Error Correction) và tự động làm lại theo yêu cầu ARQ (Automatic
Repeat Request). HP 1.0 sử dụng điều chế OFDM. OFDM trong HP 1.0 sử dụng 84
sóng mang con bằng nhau trong băng tần từ 4.5 MHz đến 21 MHz. Các kĩ thuật
DBPSK, DQPSK được dùng để không cần phải thực hiện quá trình equalization
(cân bằng tần số) nữa. HP 1.0 cho phép chọn DBPSK 1/2, DQPSK 1/2, và DQPSK
3/4 trên sóng mang.
Một số linh kiện sử dụng trong mạng PLC tốc độ thấp:
Sản phẩm

Nhà sản xuất

SIG40

ISL40
QDC10
QDCAN10
M16C/6S
(M306S)

Tốc độ Giao tiếp
(Kbps)
57.6 UART, LIN
57.6 UART, LIN

Bảng 1.2: Một số linh kiện Lowspeed PLC
1.2 Cấu trúc hệ thống PLC
1.2.1 Cấu trúc hệ thống

Hình 1.12 Cấu trúc một mạng truy nhập PLC
15

10 SSI
10 CAN
7.5 UART