2 Truyền thông qua đường dây tải điện PLC

Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



một phơng tiện truyền dẫn mới có những u điểm đặc biệt so với các phơng tiện

truyền thống.

Đờng dây điện tồn tại rộng khắp bất cứ một nớc nào và có thể cung cấp

phơng tiện thông tin nhanh và tin cậy vì bản chất sẵn có của chúng. Chúng có

thể cung cấp môi trờng thông tin với tốc độ số liệu hàng Mbps và vì vậy có thể

cung cấp một giải pháp hiệu quả về mặt chi phí. Tuy nhiên, đờng dây điện cha

bao giờ thật sự đợc thiết kế cho mục đích truyền dẫn. Khó khăn trong việc

truyền dẫn trên đờng dây điện là mức tạp âm cao, suy hao tín hiệu và

méo lớn, và tín hiệu tần số lớn không có khả năng phân phối qua trạm

biến áp. Thông tin đờng dây điện có tiềm năng lớn trong các ứng dụng thông

tin băng rộng và có thể đợc xem là lựa chọn kinh tế so với truyền dẫn thông

tin băng rộng bằng cáp sợi quang và vệ tinh. Với kỹ thuật điều chế hiện đại

nh kỹ thuật trải phổ và kỹ thuật điều chế phân chia theo tần số trực giao

OFDM có thể khắc phục và hạn chế đợc vấn đề nhiễu, tạp âm, đa đờng và cải

thiện tỉ lệ lỗi bit là những khó khăn chủ yếu của vấn đề truyền thông trên đờng

dây điện. Vì vậy, trong tơng lai không xa, đờng dây điện hoàn toàn có thể trở

thành một phơng tiện truyền dẫn hiệu quả và tin cậy.



6.2.2 Đặc tính của kênh truyền

Đờng dây điện và các mạng liên quan không đợc thiết kế cho mục đích

truyền thông. Mức tạp âm, suy hao cáp ở tần số hoạt động là rất lớn. Các tham

số kênh quan trọng chẳng hạn nh trở kháng và sự suy hao biến đổi không xác

định theo thời gian. Đó là thách thức lớn nhất của công nghệ PLC.

6.2.2.1 Tạp âm và nhiễu

Nguồn gây tạp âm phổ biến trên mạng truyền tải điện năng gồm có sự

phóng điện hoa, chớp, sét, các thiết bị đóng ngắt mạch .v.v... Trên mạng điện

hạ thế, nhiều nguồn gây tạp âm này bị lọc ở trạm biến áp trung, hạ thế, vì vậy

nhiễu phổ biến nhất trên mạng hạ thế là các đồ dùng gia dụng và các thiết bị



90



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



văn phòng khác nhau nối đến mạng điện. Tạp âm và nhiễu trên mạng điện có

thể đợc phân thành 2 loại:

- Nhiễu dạng sóng, gồm có: Quá áp bao gồm ổn định (> 2s) và đột

biến (<2s), sụt áp, yếu điện, biến đổi tần số.

- Nhiễu thêm vào (superimposed disturbances): Dao động liên tục hoặc

vốn có hoặc ngẫu nhiên, nhiễu chuyển tiếp bao gồm xung và dao

động cỡng bức.

Nhiễu dạng sóng thờng ít ảnh hởng đến hệ thống PLC. Bộ thu phát thờng

đủ thông minh để khắc phục đợc nhiễu quá áp và sụt áp. Nhiễu hài có thể là

nguồn nhiễu chính, nhng chúng chỉ xảy ra ở tần số thấp hơn tần số thiết kế

cho hệ thống PLC. Sự biến đổi tần số có thể gây ra vấn đề lớn cho hệ thống

PLC, vì nhiều hệ thống đơn giản dựa vào tần số sóng mang chính (sóng sin

50Hz) để đồng bộ giữa phía phát và phía thu. Sự biến đổi sóng này sẽ gây ra

lỗi truyền dẫn. Các hệ thống hiện đại có thể vợt qua trở ngại này bằng cách

tránh dựa vào tần số sóng mang chính để đồng bộ.

Trên mạng hạ thế, nhiễu thêm vào do một số lớn các thiết bị gia dụng

gây ra. Có thể phân loại hơn nữa tạp âm loại B nh sau :

- Tạp âm có các thành phần dây đồng bộ với tần số hệ thống điện.

Nguồn thông thờng của loại tạp âm này là triac và bộ chỉnh lu có

điều khiển silic, mà có thể thấy trong các đồ gia dụng nh chiết áp đèn

và máy photocopy. Phổ của tạp âm loại này bao gồm một chuỗi hài

của tần số chính (50Hz).

- Tạp âm với phổ bằng phẳng nói chung do các mô tơ thông dụng gây

ra. Kết quả quá trình quét đảo pha trong thiết bị dùng mô tơ chẳng

hạn nh máy xay và máy hút bụi là tạo ra loại tạp âm này có phổ bằng

phẳng trong dải tần dùng bởi hệ thống PLC. Vì vậy, nó có thể đợc mô

hình nh tạp âm trắng băng tần giới hạn. Đặc tính của nhiều thiết bị có

mô tơ thông dụng là chúng thờng dùng trong khoảng thời gian ngắn.

Vì vậy, hệ thống PLC mà không hoạt động trong thời gian thực có

thể tránh tạp âm này bằng cách dừng hoạt động khi các thiết bị này

91



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



hoạt động. Ngợc lại, các hệ thống thời gian thực phải có khả năng

khắc phục tạp âm loại này.

- Tạp âm xung sự kiện độc lập chủ yếu do các thiết bị chuyển mạch,

đóng ngắt công tắc, v.v... Tạp âm loại này gây nhiễu toàn bộ dải tần

trong một khoảng thời gian ngắn, và thờng đợc mô hình nh nhiễu

xung. Kinh nghiệm với tạp âm xung trong môi trờng truyền dẫn khác

đã chỉ ra rằng tạp âm loại này có thể khắc phục bằng mã sửa lỗi.

- Tạp âm không đồng bộ (Non synchronous noise): Đặc điểm của tạp

âm không đồng bộ là cácthành phần có chu kỳ xảy ra ở tần số khác

các hài của tần số chính. Nguồn chủ yếu của tạp âm loại này là ti vi

và màn hình máy tính. Tín hiệu quét và đồng bộ trong các thiết bị nh

vậy có thể gây ra các thành phần tạp âm ở tần số đã biết, ví dụ, nhiễu

từ máy thu hình hệ PAL là ở 15734 kHz và các hài liên quan. Các

chuẩn khác nhau của tần số quét của máy thu hình và màn hình máy

tính có các thành phần tạp âm bức xạ khác nhau. Giải pháp để giảm

thiểu những nhiễu nh vậy là tránh truyền dữ liệu ở tần số 15734 kHz

và các hài liên quan, và dùng phơng pháp điều chế phân chia tần số,

tránh tạp âm loại này ở các tần số không dự đoán đợc.

6.2.2.2 Trở kháng kênh và suy hao.

Trở kháng đặc tính của một cáp điện không tải có thể thu đợc bằng mô

hình tham số phân bố chuẩn, cho bởi công thức

Z=



R + j L

G + j C



ở tần số hoạt động của hệ thống PLC, Z =



L

, trong đó L và C là cảm

C



kháng và dung kháng đờng dây.

Tuy nhiên, mô hình đờng dây phân bố đồng nhất không phải là một mô

hình cho thông tin PLC, vì đờng dây điện có một số tải trở kháng khác nhau



92



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



nối đến mạng điện trong các khoảng thời gian khác nhau. Vì vậy, có thể xem

trở kháng kênh là một biến thăng giáng mạnh và khó dự đoán.

Ta có thể thấy, giá trị trở kháng biến đổi rất lớn. Nh đã đề cập, trở kháng

toàn bộ của mạng hạ thế tạo thành từ các kết nối song sóng của tất cả các tải

trên mạng, vì thế trở kháng nhỏ sẽ đóng vai trò quan trọng. Trở kháng toàn bộ

rõ ràng rất khó dự đoán. Nói chung, trở kháng kênh rất thấp. Đó là một khó

khăn lớn khi thiết kế mạch phối ghép cho truyền thông PLC. Lý thuyết công

suất truyền tối đa chỉ ra rằng máy phát và trở kháng kênh phải phối hợp thì

công suất truyền mới lớn nhất. Với sự biến đổi trở kháng kênh mạnh mẽ, điều

này rất khó. Ngời thiết kế hệ thống PLC phải thiết kế máy phát và máy thu có

trở kháng vào và ra đủ thấp để xấp xỉ phối hợp trở kháng kênh trong phần lớn

các tình huống.

Truyền dẫn tín hiệu đa đờng: Vì cấu trúc của mạng điện hạ thế, một số

lớn sự phản xạ xảy ra do sự mất phối hợp trở kháng trên đờng dây. Tín hiệu sẽ

không chỉ đợc truyền theo đờng trực tiếp giữa máy thu và máy phát, mà còn

theo nhiều đờng khác nhau. Kết quả tạo ra sự truyền dẫn tín hiệu đa đờng với

pha dinh lựa chọn tần số. Sự truyền đa đờng ảnh hởng rất lớn đến quá trình

truyền dữ liệu. Do hiện tợng đa đờng, một hoặc nhiều bản sao của tín hiệu sẽ

cùng truyền đến máy thu, nên quá trình truyền sẽ bị nhiễu liên ký tự ISI.

Suy hao do tổn hao cáp gây ra: Suy hao tín hiệu thông tin trên môi trờng

mạng điện là rất cao. Suy hao kênh truyền thẳng kết hợp với vấn đề mất phối

hợp trở kháng sẽ đa ra mức suy hao rất lớn.



6.2.3 Hệ thống PLC

Dòng bit vào đợc mã hoá và đóng gói vào các khung. Tiếp đó dòng bit đợc chia thành các luồng con để điều chế vào các sóng mang. Mỗi sóng mang

con đều dùng các sơ đồ điều chế nh QPSK, BPSK, QAM. Các luồng này đợc

biến đổi IFFT. Dải bảo vệ đợc chèn vào đầu mỗi ký tự để giảm ISI. Các ký tự

rời rạc đợc lọc và chuyển sang tín hiệu tơng tự với tần số trung tâm f0 và đợc

đổi tần lên tần số phù hợp để đa tới đờng truyền. ở phía thu, quá trình đợc

93



Phần 3 ứng dụng của OFDM



Đồ án tốt nghiệp



thực hiện ngợc lại : Tín hiệu đợc chuyển xuống tần số fo, sau đó đến tầng lọc

và biến đổi ADC. Sau khi loại bỏ dải bảo vệ, tín hiệu rời rạc đợc chuyển sang

miền tần số bởi biến đổi Fourier FFT. Cuối cùng việc xác định ký tự và giải

mã đợc thực hiện.

Data in

Mã hóa



Nối tiếp

sang

song song



Điều chế

QAM



IFFT

và chèn

GI



Song song

sang

nối tiếp



DAC

Lọc

RF

Đường truyền

Power Line



Data out

Giải mã

và giải

cài xen



Song song

sang

nối tiếp



Giải điều

chế QAM



FFT

và loại bỏ

GI



Nối tiếp

sang

song song



RF

Lọc

ADC



Hình 6-6 Sơ đồ điều chế OFDM cho PLC

ý tởng của công nghệ PLC là ghép tín hiệu số liệu có tần số cao vào đờng dây tải điện có tín hiệu cơ bản là 50/60 Hz để truyền đi, và ở phía thu sẽ

tách tín hiệu số liệu tần cao ra khỏi tín hiệu điện 50/60 Hz, đa đến khối xử lý

tín hiệu. Việc ghép tín hiệu là một khía cạnh quan trọng của công nghệ PLC.

Tín hiệu thông tin cần truyền phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số

dòng điện chính và các hài của nó. Đồng thời, tín hiệu phải có công suất đủ

lớn để đa vào đờng dây tải điện. Một biến áp có đặc tính thông cao có thể đợc

dùng để ghép tín hiệu vào dòng điện chính. Bộ lọc thông cao đảm bảo dòng

điện chính và các hài của nó đợc cách ly khỏi modem.



94



Đồ án tốt nghiệp



Phần 4 Kết luận



Kết luận

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang đang phát triển hết sức nhanh chóng với

những kỹ thuật mới và đợc áp dụng rộng rãi trong nhiều loại đờng truyền của

các ứng dụng khác nhau. Các tiến bộ trong xử lý tín hiệu số kết hợp với khả

năng xử lý mạnh của các DSP là nền tảng vững chắc cho sự phát triển của các

hệ thống đa sóng mang. Kỹ thuật điều chế đa sóng mang mặc dù còn khá mới

mẻ, nhng với những u điểm nổi bật của mình đang dần chiếm u thế so với kỹ

thuật điều chế đơn sóng mang trong các hệ thống truyền dẫn. Đặc biệt có một

số hệ thống là lĩnh vực áp dụng riêng của OFDM nh mạng đơn tần (SFN). Dới

đây là một số u nhợc điểm của điều chế đa sóng mang OFDM so với điều chế

đơn sóng mang:

Đơn sóng

mang

Đặc tính với AWGN

Nhạy với nhiễu xung

Nhạy với nhiễu băng hẹp

Nhạy với Clipping

Nhạy với jitter và nhiễu

pha

Nhạy với trễ

Khối lợng tính toán

Giá thành và tiêu thụ năng

lợng

Thích ứng với tốc độ bit



Đa sóng mang



Tơng đơng



OFDM

X

X



X

X

X

X

X

X

X



So sánh giữa điều chế đơn sóng mang và đa sóng mang

Kỹ thuật điều chế đa sóng mang OFDM với những đặc tính kỹ thuật nổi

bật của mình: Tính trực giao đã đợc khẳng định chắc chắn về hiệu quả của nó

trong lý thuyết truyền tin; Khoảng bảo vệ cho phép đảm bảo tính trực giao

đồng thời giúp loại bỏ đợc nhiễu ISI; Phép biến đổi Fourier tạo ra giải pháp

đơn giản và hiệu quả để thực hiện kỹ thuật này, đã giúp cho OFDM có thể đợc

ứng dụng rộng rãi. Cùng với việc sử dụng hiệu quả những kỹ thuật đồng bộ,

95



Đồ án tốt nghiệp



Phần 4 Kết luận



cân bằng và mã hóa, OFDM đã chứng tỏ vai trò của mình trong các hệ thống

viễn thông nh là một kỹ thuật điều chế tiên tiến. Các ứng dụng của kỹ thuật

điều chế đa sóng mang OFDM rất đa dạng: OFDM có thể đợc dùng trong môi

trờng truyền dẫn vô tuyến và hữu tuyến; có thể dùng cho thông tin quảng bá,

thông tin điểm nối điểm, đa truy nhập, nhiều ngời sử dụng Multiuser. Hiện

nay OFDM đã đợc ứng dụng thành công trong một số ứng dụng nh phát thanh

truyền hình số quảng bá, mạng cục bộ không dây, đờng dây thuê bao số

không đối xứng và thông tin qua đờng dây tải điện. Trong tơng lai, OFDM sẽ

đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực đặc biệt là trong thông tin di động.

Do hạn chế về thời gian và năng lực nên nội dung của đồ án tốt nghiệp

này không tránh khỏi những sai sót, em mong đợc thầy cô và các bạn quan

tâm góp ý thêm.

Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn thầy Kiều Tất Thành đã tận tình

chỉ bảo và giúp đỡ để em có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.

Em cũng xin gởi lời cảm ơn tới toàn thể các thày cô giáo trong khoa Điện

tử - Viễn thông đại học Bách Khoa Hà Nội và bạn bè đã giúp đỡ em trong quá

trình học tập và rèn luyện vừa qua.



96



Đồ án tốt nghiệp



Phần 4 Kết luận



Một số thuật ngữ dùng trong đồ án

ADC

ADSL



Analog to Digital Conversion

Asymmetric Digital Suscriber



Bộ chuyển đổi tơng tự - số

Dây thuê bao số không đối



AM

AMI

APP

ASK

ATM



Line

Amplitude Modulation

Alternate Mark Inversion

A Posteriory Probability

Amplitude Shift Keying

Asynchronous Transfer Mode



xứng

Điều chế khóa dịch biên độ

Mã đảo dấu luân phiên

Xác suất sau

Điều chế khóa dịch pha

Phơng thức truyền dẫn không



ATSC



Advanced Television Systems



đồng bộ

Tổ chức chuẩn hóa truyền hình



AWGN

BER

BnZS



Committee

Additive White Gaussian Noise

Bit Error Ratio

Bipolar with n-Zero



của Mỹ

Nhiễu tạp âm Gauss trắng cộng

Tỉ lệ lỗi bit

Mã đờng dây



BPSK

CAP



Substitution

Bipolar Phase Shift Keying

Carrierless Aplitude Phase



Khoá dịch pha hai cực

Điều chế biên độ pha không sử



CMI

COFDM

CRC



modulation

Coded Mark Inversion

Coded OFDM

Cyclic Redundancy Checking



dụng sóng mang

Mã đờng dây

Điều chế OFDM có mã hóa

Phơng pháp phát hiện lỗi d thừa



CSMA/



Carrier Sence Multiple Access



vòng

Đa truy nhập dùng sóng mang



CA

CSMA/



with Collision Avoidance

Carrier Sence Multiple Access



cảm biến với tránh xung đột

Đa truy nhập dùng sóng mang



CD

DAB

DAC

DFC



with Collision Detection

Digital Audio Broadcasting

Digital to Analog Conversion

Distributed Coordinate



cảm biến với phát hiện xung đột

Phát thanh số quảng bá

Bộ biến đổi số-tơng tự

Chức năng điều phối phân tán



DMT

DSB

DSL

DSLAM

DSP

DVB



Function

Discrete Multi-Tone

Double Side Band

Digital Subscriber Line

DSL Access Module

Digital Signal Processor

Digital Video Broadcasting



Điều chế đa âm rời rạc

Song biên

Đờng dây thuê bao số

Khối ghép kênh truy nhập DSL

Bộ xử lý tín hiệu số

Truyền hình số quảng bá

97



Đồ án tốt nghiệp



Phần 4 Kết luận



DVB-T



Digital Video Broadcasting



Truyền hình số quảng bá mặt



EC

ETSI



Teresstrial

Echo Canceller

European Telecommunications



đất

Thiết bị khử tiếng vọng

Viện tiêu chuẩn viễn thông



FDD

FDDI

FDM



Standard Institute

Frequency Division Duplex

Fiber Distributed Data Interface

Frequency Division



Châu Âu

Song công phân chia theo tần số

Chuẩn cho mạng cáp quang

Ghép kênh phân chia theo tần



FEC

FEXT

FFT

FIR



Modullation

Forward Error Checking

Far End Crosstalk

Fast Fourier Transform

Finite Impulse Response



số

Sửa lỗi trớc

Xuyên âm đầu xa

Biến đổi Fourier nhanh

Bộ lọc số có đáp ứng xung hữu



Frequency Shift Keying

Frequency Shift Keying

Hight Density Bipolar-3

High-bit-rate DSL



hạn

Điều chế khóa dịch tần

Khoá pha theo tần số

Mã đờng dây

Đờng dây thuê bao số tốc độ bit



HDTV

ICI

IDFT



High-Definition Television

InterChanel Inference

Inverse Discrete Fourier



cao

Truyền hình độ phân giải cao

Nhiễu liên kênh

Biến đổi Fourier rời rạc ngợc



IFFT

ISBN



Transform

Inverse Fast Fourier Transform

Intergrated Services Digital



Biến đổi Fourier nhanh ngợc

Chuẩn truyền hình của Nhật



ISDN



Broadcasting

Intergrated Services Digital



Mạng số đa dịch vụ



ISI

ITU



Network

InterSymbol Interference

International



Nhiễu giao thoa giữa các ký tự

Tổ chức viễn thông quốc tế



LAN

LLC

LPF

MAC

MAP



Telecommunications Union

Local Area Network

Logical Link Control

Low Pass Filter

Media Access Control

Maximum a posteriori



Mạng cục bộ

Điều khiển liên kết logic

Bộ lọc thông thấp

Điều khiển truy cập môi trờng

Xác suất sau cực đại



MODEM

MPEG



Probality

Modulation/Demodulation

Motion Picture Experts Group



Điều chế/giải điều chế

Nhóm chuyên gia hình ảnh



FSK

FSK

HDB3

HDSL



98



Đồ án tốt nghiệp



Phần 4 Kết luận



MUX

NEXT

NRZ

OFDM



Multiplexer

Near End Crosstalk

Non Return Zeror

Orthorgonal Frequency



động

Bộ ghép kênh

Xuyên âm đầu gần

Mã đờng truyền NRZ

Ghép kênh phân chia theo tần



PFC

PLC

POTS

PRBS



Division Multiplexing

Point Coordinate Function

PowerLine Communication

Plain Old Telephone Service

Pseudo Random Binary



số trực giao

Chức năng điều phối điểm

Thông tin đờng dây tải điện

Dịch vụ thoại thông thờng

Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên



PSD

PSK

PSTN



Sequence

Power Spectral Density

Phase Shift Keying

Public Switch Telephone



Mật độ phổ công suất

Khoá dịch pha

Mạng điện thoại chuyển mạch



QAM



Network

Quadrature Amplitude



công cộng

Điều chế biên độ cầu phơng



QPSK

RFI

RSC

SFN

SNR

SOVA



Modulation

Quadrature Phase Shift Keying

Radio Frequency Interference

Recursive Symmetric Code

Single Frequency Network

Signal to Noise Ratio

Soft input Soft output Viterbi



Khóa dịch pha cầu phơng

Nhiễu tần số vô tuyến

Mã đối xứng đệ quy

Mạng đơn tần

Tỉ số tín hiệu trên tạp âm (S/N)

Giải thuật Viterbi mềm



SSB

TDD



Algorithm

Single Side Band

Time Division Duplex



Đơn biên

Song công phân chia theo thời



Time Division Multiple Access



gian

Đa truy nhập phân chia theo



Very High-speed DSL



thời gian

Đờng dây thuê bao số tốc độ rất



Wireless LAN



cao

Mạng cục bộ không dây



TDMA

VDSL

WLAN



99



Đồ án tốt nghiệp



Phần 4 Kết luận



Tài liệu tham khảo

- Multi-Carrier Digital Communications Theory and Applications of OFDM

Ahmad R. S. Bahai and Burton R. Saltzberg

Kluwer Academic/Plenum Publishers

- Basics & History of Orthogonal Frequency Division Multiplexing

(OFDM)

Richard van Nee

Woodside Networks, Breukelen, the Netherlands

- The suitability of OFDM as a modulation technique for wireless

telecommunications, with a CDMA comparison.

Eric Lawrey

James Cook University

- Data encoding

A. W. Krings

- Principles of Digital Modulation

Mike Fitton

Toshiba Research Europe Limited

- Data Communications Over PowerLine

www.congency.com

- Multicarrier Transmission Systems Wired &Wireless

Đào Trọng Tích

Hội nghị vô tuyến điện tử Việt Nam lần thứ 8 (REV 02)

- http://www.magnadesignnet.com/technote/ofdm/index.html

- http://www.hut.edu.vn/khoa-vien/khoa-dt-vt/dttre/nguyenly1.htm

- http://www.palowireless.com/ofdm/tutorials.asp



100