Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thoại qua đường dây điện lực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

––––––––––––––––––––––––––

NÔNG VĂN NIỆP

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG

TRUYỀN THOẠI QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

Mã số: 60 52 70

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:TS. NGUYỄN THANH HÀ

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC

KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THUYẾT MINH

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Nông Văn Niệp

Lớp: Cao học - K11

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Hà

Ngày giao đề tài: 20 tháng 01 năm 2010.

Ngày hoàn thành: … tháng … năm 2010.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Thanh Hà

HỌC VIÊN

Nông Văn Niệp

BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

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 trước đó.

Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2010

Tác giả luận văn

Nông Văn Niệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iii

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận

tình của các thầy cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn Thầy giáo TS. Thanh Hà,

Phó trưởng khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái

Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng 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

được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.

Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nông Văn Niệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

iv

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ viễn thông đã có những tiến bộ vượt

bậc với những thành tựu vô cùng to lớn mang lại cho con người rất nhiều tiện ích trong đời

sống cũng như trong mọi lĩnh vực hoạt động khác. Đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ

viễn thông là một trong những hướng phát triển chung được sự quan tâm đặc biệt của tất cả

các nước trên thế giới.

Nước ta cũng đã xác định công nghệ viễn thông là một ngành công nghiệp mũi

nhọn đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự thành công của công cuộc công nghiệp

hoá- hiện đại hoá đất nước trong thế kỷ 21, thế kỷ của nền kinh tế tri thức.

Hiện nay, công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power

Line Communication) đã mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với

việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho

phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng. Trước đây, những thành tựu của

khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây

điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển. Cùng với tốc độ phát

triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ

thông tin, hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết

hợp với các ứng dụng khác như: đo lường từ xa, quản lý điều khiển và phân phối tự

động từ xa, truy nhập Internet, truyền thoại và video trên đường dây điện lực

Đối với một học viên sắp tốt nghiệp chuyên ngành “Kỹ thuật điện tử”,

việc bổ xung những kiến thức chuyên môn mới, thực tế là rất cần thiết và có ý nghĩa

rất quan trọng. Trong thời gian vừa qua, nhờ sự liên hệ, bố trí của các thầy-cô giáo

trong Khoa sau đại học, Khoa Điện tử - Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp và sự

giúp đỡ chu đáo, tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, tôi đã phần nào

nắm được những kiến thức cơ bản về PLC (Power line Communication) - một công

nghệ truyền tin mới với nhiều đặc tính ưu việt, nổi trội, hứa hẹn mang lại một sự

phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết cho mạng viễn thông thế giới và Việt Nam

trong một tương lai gần.

Luận văn tốt nghiệp của tôi có tiêu đề: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền

thoại qua đường dây điện lực” với nội dung tóm lược một cách cơ bản về công nghệ

truyền thông PLC và xây dựng một hệ thống truyền thoại quá PLC. Qua đó tạo tiền đề cho

việc tìm hiểu các quá trình truyền thông tin thoại qua mạng PLC, tạo tiền đề cho việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

v

nghiên cứu , khai thác các ứng dụng đã có của công nghệ này trên thế giới và tiến tới áp

dụng nó một cách có hiệu quả vào Việt Nam trong tương lai.

Luận văn gồm ba chương. Trong đó đưa ra các vấn đề sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC

Tìm hiểu chung về lịch sử phát triển PLC; Cập nhật các thành tựu có được của

công nghệ PLC trên thế giới; Phân tích rõ nguyên lý và sơ đồ khối cơ bản của một hệ

thống PLC và cuối cùng đưa ra một số ứng dụng hiện tại của PLC; Cập nhật các tiêu

chuẩn truyền thông cho PLC đã ban hành;

Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC

Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm

ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối

ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…

Chương 3: Xây dựng hệ thống truyền thoại qua PLC

Phân tích lựa chọn phương thức điều chế phù hợp với mục tiêu thiết kế. Ứng dụng

vi điều khiển 8051 nhằm phân tích, thiết kế và lắp ráp mạch thực minh chứng cho quá trình

điều khiển thiết bị và truyền thoại qua đường dây điện lực.

Như đã trình bày ở trên, công nghệ PLC đã được khẳng định là công nghệ của thế

kỷ 21. Tuy nhiên, hiện nay nhiều vấn đề liên quan đến công nghệ này vẫn còn đang được

nghiên cứu hoàn thiện, việc thương mại hoá các sản phẩm cũng ở mức hạn chế. Luận văn

này chắc chắn không tránh khỏi các hạn chế, thiếu sót, rất mong được sự chỉ bảo của các

thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm.

Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tất cả các thầy- cô giáo trong

Khoa sau đại học, Khoa Điện tử và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, người đã

giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp quan trọng này.

Thái Nguyên ngày 30 tháng 08 năm 2010

Ngƣời thực hiện

Nông Văn Niệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vi

MỤC LỤC

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........................................................................................ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ..............................................................................................x

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT............................................................. xiii

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 được của PLC......................................................... 3

1.1.3. Phân loại công nghệ................................................................................. 4

1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên

đường 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

1.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC......................................................................8

1.3.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và đồng hồ ....... 9

1.3.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao .......................................................... 9

1.3.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC...................................... 9

1.3.4. Ứng dụng trong gia đình - Intelligent home ........................................... 10

1.4. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực.........................................10

1.4.1. X10......................................................................................................... 10

1.4.2. Lonwork.................................................................................................. 12

1.4.3. CEBus..................................................................................................... 13

1.4.4. HomePlug ............................................................................................... 14

1.5. Kết luận chương.....................................................................................................15

CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC......17

2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện..................................................................17

2.1.1. Sự giới hạn băng thông........................................................................... 18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

vii

2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện...................................................................... 19

2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng................................ 22

2.1.4. Suy hao trên lưới điện............................................................................. 23

2.1.5. Hiện tượng sóng dừng ............................................................................ 23

2.1.6. Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu ..................................... 24

2.2. Ghép nối với lưới điện - xử lý tín hiệu................................................................25

2.2.1. Mạch ghép tín hiệu ................................................................................. 25

2.2.2. Các bộ lọc tương tự................................................................................. 29

2.3. Các phương thức mã hóa ......................................................................................31

2.3.1 Mã xoắn ................................................................................................... 31

2.3.2. Mã Reed - Solomon ................................................................................ 35

2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu ......................................................................38

2.4.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông .................................. 38

2.4.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK................................................... 41

2.4.3. Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK..................................................... 41

2.4.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK..... 42

2.4.5. Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực............................ 43

2.5. Kỹ thuật trải phổ ....................................................................................................45

2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp.............................................................................. 46

2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) ........ 52

2.6. Công nghệ OFDM .................................................................................................53

2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM .............................................................. 54

2.6.2. Tính trực giao.......................................................................................... 55

2.6.3. Hệ thống OFDM..................................................................................... 56

2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ ........ 58

2.7. Kết luận chương.....................................................................................................59

CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC..................61

3.1. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn phương án thực hiện ...........................................61

3.1.1. Các yêu cầu của thiết kế ......................................................................... 61

3.1.2. Lựa chọn phương án thực hiện ............................................................... 61

3.1.3. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống ........................................................ 62

3.2. Thử nghiệm các phương thức điều chế ...............................................................64

3.2.1. Điều chế và giải điều chế ASK............................................................... 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

viii

3.2.2. Điều chế và giải điều chế FSK .............................................................. 67

3.2.3. Điều chế và giải điều chế BPSK............................................................ 71

3.2.4. Điều chế và giải điều chế FM................................................................. 74

3.3. Thiết kế cụ thể và thi công....................................................................................76

3.3.1. Thiết kế modul phát................................................................................ 78

3.3.2. Thiết kế modul thu.................................................................................. 84

3.3.3. Sơ đồ nguyên lý , lưu đồ thuật toán và sơ đồ mạch thực........................ 90

3.3.4. Nhận xét.................................................................................................. 96

3.4. Kết luận chương.....................................................................................................97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................................98

TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................100

PHỤ LỤC 1: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 ......................................................................102

PHỤ LỤC 2: IC VÒNG KHÓA PHA 4046...................................................................104

PHỤ LỤC 3: CHƢƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN ........................................106

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

ix

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. So sánh các phương thức điều chế .......................................................................77

Bảng 3.2. Khung truyền của tín hiệu.....................................................................................79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực ........................................1

Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện................................................................2

Hình 1.3: Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện .................................................7

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..............................................................................................9

Hình 1.7: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình - Intelligent home..........................10

Hình 1.8: X10 timing on 60 Hz waveform.......................................................................11

Hinh 1.9: X10 packet format...............................................................................................12

Hình 1.10: CEBus spread spectrum chirp.........................................................................14

Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực .................17

Hình 2.2: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ.....................................................................18

Hình 2.3: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện...........................................................18

Hình 2.4: các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC ......................................................19

Hình 2.5: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn.....................................................................20

Hình 2.6: Nhiễu xung tuần hoàn.........................................................................................21

Hình 2.7: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó ................................21

Hình 2.8: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz.....................................................23

Hình 2.9: Hiện tượng sóng dừng ........................................................................................24

Hình 2.10: Mạch ghép dung kháng ....................................................................................26

Hình 2.11: Mạch ghép kết hợp LC.....................................................................................28

Hình 2.12: Các mạch lọc RC...............................................................................................29

Hình 2.13: Các mạch lọc LC đơn giản ..............................................................................30

Hình 2.14: Các mạch cộng hưởng LC...............................................................................30

Hình 2.15: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741...............................................31

Hình 2.16: Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ 1/2 ................................................................32

Hình 2.17: Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23.................................33

Hình 2.18: Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23................................34

Hình 2.19: Sơ đồ lưới giải mã .............................................................................................35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

xi

Hình 2.20: Đường sống và kết quả giải mã ......................................................................35

Hình 2.21: Hệ thống sử dụng mã RS.................................................................................36

Hình 2.22: Bộ mã hoá Reed-Solomon...............................................................................37

Hình 2.23: Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, PSK, FSK .....................................40

Hình 2.24: Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số ..........................................................41

Hình 2.25: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm

giảm nhiễu ..........................................................................................................44

Hình 2.26: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ...................................................46

Hình 2.27: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS........................................................................47

Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK ...............................................................48

Hình 2.29: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản....................................................................49

Hình 2.30: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản..................................................49

Hình 2.31: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức...................................................52

Hình 2.32: Trải phổ nhảy tần FHSS...................................................................................53

Hình 2.33: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần....................................................53

Hình 2.34: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM...................................................................54

Hình 2.35: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang...........................54

b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang...................................54

Hình 2.36: Phổ của các sóng mang trực giao...................................................................56

Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM......................................................56

Hình 2.38: Sơ đồ một hệ thống OFDM.............................................................................58

Hình 2.39: Ảnh hưởng của ISI............................................................................................58

Hinh 2.40: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống ............................................................59

Hình 2.41: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix.................................................................59

Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống hoạt động đơn công ......................................................63

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống hoạt động bán song công.............................................64

Hình 3.3: Sơ đồ điều chế ASK............................................................................................64

Hình 3.4: Mạch giải điều chế ASK ....................................................................................65

Hình 3.5: Dạng tín hiệu đo được ở máy phát và thu.......................................................67

Hình 3.6: Mạch vòng khóa pha PLL cơ bản.....................................................................68

Hình 3.7: Sơ đồ điều chế FSK dùng CD4046 ..................................................................69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn

xii

Hình 3.8: Sơ đồ giải điều chế FSK dùng CD4046 ..........................................................70

Hình 3.9: Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK .............................................................71

Hình 3.10: Sơ đồ điều chế BPSK .......................................................................................72

Hình 3.11: Sơ đồ giải điều chế BPSK ...............................................................................72

Hình 3.12: Dạng sóng của tín hiệu BPSK tại máy thu ...................................................73

Hình 3.13: Sơ đồ điều chế FM với PLL4046...................................................................75

Hình 3.14: Sơ đồ giải điều chế FM ....................................................................................76

Hình 3.15: Mạch điều khiển Modul phát ..........................................................................78

Hình 3.16: Mạch điều chế FSK và FM..............................................................................80

Hình 3.17: Mạch khuếch đại âm tần ..................................................................................81

Hình 3.18: Mạch khuếch đại phát.......................................................................................82

Hình 3.19: Mạch phối ghép Modul phát với lưới điện...................................................83

Hình 3.20: Mạch phối ghép Modul thu với lưới điện.....................................................84

Hình 3.21: Mạch khuếch đại thu.........................................................................................86

Hình 3.22: Mạch giải điều chế FSK...................................................................................87

Hình 3.23: Mạch giải điều chế FM.....................................................................................88

Hình 3.24: Mạch điều khiển Modul thu ............................................................................89

Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán của Modul phát................................................................90

Hình 3.26: Sơ đồ nguyên lý Modul phát..........................................................................91

Hình 3.27: Lưu đồ thuật toán của Modul thu...................................................................92

Hinh 3.28.: Sơ đồ nguyên lý của Modul thu ...................................................................94

Hình 3.29: Sơ đồ mạch in một lớp cho mỗi modul thông tin (cả thu và phát) ..........95

Hình 3.30: Mạch thực của các modul truyền thoại qua PLC........................................96