GIỚI THIỆU

Việc sử dụng kênh truyền là mạng dây tải điện trong truyền thông (PLC - Power Line Communication) là một hướng xây dựng và phát triển các thiết bị, hệ thống truyền thông nhằm tận dụng môi trường truyền, tiết kiệm được tài nguyên tần số vô tuyến hoặc chi phí thiết lập các đường truyền hữu tuyến, và đặc biệt đây là một kỹ thuật đem lại sự tiện lợi cho việc sử dụng và khai thác các thiết bị, hệ thống truyền thông.

Tuy có những đặc điểm nổi trội đó, kỹ thuật PLC phải đối mặt với nhiều thách thức do môi trường truyền thông này là một môi trường có mức nhiễu rất cao, độ suy hao lớn, và tính bất ổn của nó rất lớn. Chính vì thế các kỹ thuật truyền thông truyền thống không thể đạt được tốc độ cao trên môi trường này.

CDMA là một kỹ thuật truyền thông có nhiều đặc tính nổi trội như: tính kháng nhiễu rất tốt, cho phép đa truy cập, tính bảo mật cao,… Do đó, đây sẽ là một giải pháp cho việc truyền thông trên mạng điện. Nó có thể khắc phục được các nhược điểm của môi trường truyền này.

CẤU TRUC HỆ THỐNG

Cấu trúc hệ thống truyền thông được thực hiện trong nghiên cứu này có dạng mạng ngang hàng, các node được

kết nối với môi trường truyền chung - mạng dây tải điện. Hình 1 thể hiện cấu trúc tổng quát của hệ thống. Mỗi node có thể truyền hoặc nhận. Trong nghiên cứu này, việc truyền, nhận dữ liệu của các node là đơn công.

Hình 2 thể hiện cấu trúc bộ phát và bộ thu ở các node. Ở bộ phát, dữ liệu truyền có thể là tín hiệu âm thanh được số hóa hoặc dữ liệu số. Dữ liệu được đóng gói thành từng frame, sau đó chuỗi bit được trải phổ với mã trải phổ, được điều chế BPSK, khuếch đại, và đưa lên mạng dây tải điện qua khối mạch giao tiếp với đường dây tải điện. Ở bộ thu, tín hiệu trong khoảng băng thông cần thu được trích ra bởi mạch giao tiếp với đường dây tải điện. Sau đó, nó được

Hình 1.Cấu trúc hệ truyền thông qua mạng dây tải điện

Thực hiện hệ truyền thông qua mạng điện ứng dụng kỹ thuật

ThS. Hoàng Mạnh Hà (*)

Việc truyền thông qua mạng lưới dây tải điện có những ưu điểm lớn về tính tiện lợi và kinh tế, song nó cũng có nhiều thách thức về mặt kỹ thuật. Với những ưu điểm nổi trội của kỹ thuật CDMA so với những kỹ thuật truyền thống có thể khắc phục được một số khuyết điểm của

môi trường truyền thông này và còn cho phép thực hiện hệ thống đa truy cập với tốc độ cao. Đó là những phân tích cơ sở để một hệ thống truyền thông qua mạng lưới dây tải điện sử dụng kỹ thuật CDMA trên nền FPGA được thực hiện và đã thành công. Trong bài báo này, mô tả về hệ thống này, các vấn đề chính trong quá trình thực hiện hệ thống, các kết quả đạt được, và một số kết luận rút ra được từ nghiên cứu này sẽ được trình bày.

CDMA

Khoa học & Ứng dụng54 Số 12 - 2010

khuếch đại, giải điều chế BPSK, qua bộ biến đổi ADC, vào khối xử lý giải trải phổ với chuỗi mã trải phổ. Chuỗi bit được tái tạo ở ngo ra bộ quyết định. Dữ liệu được khôi phục bởi khối bắt frame và khôi phục dữ liệu. Khối AGC có nhiệm vụ điều chỉnh độ lợi mạch khuếch đại nhằm điều chỉnh bộ giải trải phổ làm việc trong tầm tốt nhất, giảm sai số lượng tử và tránh hiện tượng tràn số.

Hệ thống thực hiện trong nghiên cứu này là hệ thống bất đồng bộ, tức là các node khác nhau có thể phát ở các thời điểm bất kỳ. Do đó, bộ mã trải phổ được chọn trong hệ thống này có đỉnh tương quan chéo của từng cặp mã là thấp nhất. Việc đồng bộ của máy thu được thực hiện dựa trên việc tìm đỉnh tương quan cực đại.

THỰC HIỆNCác đặc tính của môi trường truyền được sử dụng làm

cơ sở cho việc thiết kế. Các đặc tính bao gồm: trở kháng, mức độ suy hao, khoảng cách truyền, mức nhiễu, mức độ dao động của các thông số,…[1]. Từ đó, các thông số cơ bản của hệ thống được chọn lựa như sau: tần số sóng mang 10MHz; băng thông 2MHz; công suất phát của mỗi node từ 40mW đến 200mW, phương pháp điều chế BPSK.

Việc truyền thông của hệ thống dựa trên kỹ thuật CDMA được kiểm nghiệm bằng mô phỏng trên Matlab. Việc mô phỏng được tiến hành nhằm mục đích: kiểm chứng lý thuyết kỹ thuật CDMA; kiểm chứng các giải thuật thực hiện các chức năng của các bộ phát, bộ thu; khảo sát đáp ứng của hệ thống ứng với các bộ mã trải phổ khác nhau và chọn lựa bộ mã tốt nhất; khảo sát đáp ứng của hệ thống ứng với một số điều kiện khác nhau của môi trường truyền chẳng hạn: mức nhiễu, sự giới hạn băng thông; và khảo sát đáp ứng của hệ thống ứng với các trạng thái khác nhau của hệ thống chẳng hạn: số lượng node phát, độ lệch về thời gian của các node phát khác nhau [2], [3]

Sau khi hệ thống được mô phỏng, từng khối mạch tương tự được thiết kế, mô phỏng bằng PSPICE để hiệu chỉnh thiết kế trước khi thi công thử nghiệm. Sau đó, từng khối mạch lại được thử nghiệm, đo đạc, và hiệu chỉnh để có được đáp ứng như mong muốn. Những công việc này cũng có rất nhiều khó khăn do giới hạn về công nghệ chế tạo mạch và

giới hạn về nguồn linh liện [4], [6].Các khối chức năng xử lý chính của bộ phát và bộ thu

được thực hiện trên FPGA. Board XUP với chip FPGA Vertex II pro. của Xilinx được sử dụng trong nghiên cứu này. Từng khối chức năng được thiết kế và mô phỏng trước khi đưa vào hệ thống [5].

Việc xử lý số tín hiệu thực hiện trên dữ liệu số hóa dưới dạng số dấu chấm tĩnh có dấu. Các mẫu tín hiệu vào bộ giải trải phổ có chiều dài 8 bit, 4 bit cho phần nguyên và dấu, 4 bit cho phần thập phân.

Khối chức năng giải trải phổ ở máy thu được thể hiện ở hình 3. Nó thực hiện việc tính tương quan giữa chuỗi mã trải phổ và tín hiệu thu qua việc tính tổng chập. Bộ thanh ghi dịch lưu trữ các mẫu vào. Các bộ ROM lưu trữ các bit mã trải phổ. Cứ 10 chu kỳ xung nhịp 1 mẫu mới được dịch vào thanh ghi dịch, và trong 10 chu kỳ xung nhịp đó, việc tính tổng chập được thực hiện bằng bộ tính tổng tích lũy các tích. Ứng với mỗi bộ ROM, 9 mẫu của các bit mã trải phổ được lần lượt nhân với 9 mẫu của tín hiệu vào, 9 tích đó được cộng tích lũy qua mỗi xung nhịp. Tại thời điểm cạnh lên của xung nhịp thứ 10, bộ tổng tích lũy được reset để chuân bị cho chu kỳ kế tiếp. Với cấu trúc này, chiều dài mã trải phổ có thể thay đổi được và tối đa là 128 bit. Chiều dài mã trải phổ sử dụng trong nghiên cứu này là 16 và 32 bit.

Hàm tương quan từ bộ giải trải phổ được đưa đến khối quyết định. Giải thuật thực hiện của khối này là tìm giá trị cực trị trong khoảng thời gian của 1 bit dữ liệu. Cực trị này sẽ quyết định giá trị bit dữ liệu, và thời điểm của cực trị này là cơ sở cho việc đồng bộ của máy thu.

KẾT QUẢ

Hình 2. Cấu trúc của bộ phát và bộ thu

Hình 3. Khối chức năng giải trải phổ

Hình 4. Tỉ số bit lỗi theo số lượng node phát

Khoa học & Ứng dụng 55Số 12 - 2010

Việc mô phỏng hệ thống đã cho ra một số kết quả như sau:

•Qua mô phỏng, lý thuyết về kỹ thuật CDMA đã được kiểm chứng; các giải thuật sử dụng trong các khối chức năng chính cũng đã được kiểm chứng.

•Bằng việc kiểm chứng bằng mô phỏng, 2 bộ mã trải phổ 16 bit và 32 bit đã được chọn và được sử dụng trong việc hiện thực hệ thống.

•Việc xét đáp ứng của hệ thống đối với sự gia tăng số lượng node phát đã được thực hiện và có kết quả như trong hình 4.

•Đáp ứng của hệ thống đối với sự giới hạn về băng thông của kênh truyền cũng được xem xét đến thông qua việc mô phỏng . Hình 5 thể hiện kết quả mô phỏng này.

Kết quả của việc thực hiện hệ thống bằng phần cứng bao gồm các board mạch tương tự thực hiện các chức năng của bộ thu và phát và các khối chức năng trên FPGA. Một hệ thống gồm 2 bộ phát và 2 bộ thu đã được thực hiện trong nghiên cứu này. Một hệ gồm 2 bộ phát và 2 bộ thu

được thể hiện trong hình 6. Việc thử nghiệm khối tính hàm tương quan của bộ

thu được thực hiện bằng việc cho khối chức năng này tính hàm tự tương quan của chuỗi mã trải phổ. Kết quả quan sát trên dao động ký sau khi qua DAC được thể hiện trên hình 7. Việc thử nghiệm hệ thống trên môi trường lưới tải

điện thực được thực hiện hiện với 2 node phát đồng thời và 2 node thu đồng thời, mỗi cặp phát - thu được xem là một kênh. Khoảng cách giữa node phát và thu của một kênh khoảng 20m. Dữ liệu truyền trên mỗi kênh là tín hiệu âm thanh được số hóa 64Kbps. Mỗi luồng số liệu sau khi được đóng gói có tốc độ 78,125Kbps. Việc thử nghiệm này cho kết quả tốt, tín hiệu âm thanh được khôi phục tốt ở hai node thu.

Hình 8 thể hiện tín hiệu sau bộ giải điều chế ở phía máy thu và hàm tương quan tại một node thu trong trường hợp hệ gồm 2 node phát với 2 mã trải phổ khác nhau.

Hình 9 thể hiện tín hiệu sau bộ giải điều chế ở phía máy thu và hàm tương quan tại node thu trong trường hợp hệ có 1 node phát và khoảng cách giữa node phát và thu là 5m và 30m.

KẾT LUẬN, CÁC CÔNG VIỆC TIẾP THEO

Việc áp dụng kỹ thuật CDMA vào việc truyền thông trên hệ thống đường dây tải điện trong nghiên cứu này đã đạt được một số thành công:

•Lợi dụng được tính kháng nhiễu tốt của kỹ thuật CDMA để có thể truyền được luồng dữ liệu có tốc độ tương đối cao trên một môi trường có mức nhiễu rất cao với công suất thấp.

•Kỹ thuật CDMA đã cho phép thực hiện được một hệ thống đa truy cập sử dụng chung một khoảng băng tần.

•Qua nghiên cứu này, các lý thuyết của kỹ thuật phức tạp, kỹ thuật CDMA, đã được triển khai thành công trên thực tiễn, trong điều kiện công nghệ chế tạo phần cứng cũng như các trang thiết bị rất hạn chế. Cụ thể, nghiên cứu này đã thực hiện được các board mạch chức năng tương tự

Hình 9. Tín hiệu sau giải điều chế và hàm tương quan tại node thu khi hệ có 1 node phát ừng với 2 trường hợp khoảng cách giữa node phát

và node thu là 5m (trái) và 30m (phải).

Hình 8. Tín hiệu sau giải điều chế và hàm tương quan tại 1 node thu khi hệ có 2 node phát ừng với 2 mã trải phổ khác nhau.

Hình 7. Kết quả thử nghiệm khối tính tương quan

Hình 5. Tỉ lệ bit lỗi theo độ rộng băng thông của kênh truyền

Hình 6. Kết nối hệ gồm 2 bộ phát và 1 bộ thu

Khoa học & Ứng dụng56 Số 12 - 2010

CẮN NHẦM LƯỠI RẮN

Rắn con hỏi rắn lục mẹ:- Mẹ ơi! Nọc rắn nhà mình có độc không mẹ?- Sao con lại hỏi thế?- Vì hồi nãy đang ăn nhãn lồng, con lỡ cắn nhầm lưỡi của mình rồi ạ!?

NỒNG ĐỘ VÀ NHIỆT ĐỘ CAO

Vợ chồng nhà giáo dạy hoá sau bữa cơm. - Chồng: Hôm nay em điều chế được nồi canh có nồng độ muối cao quá đấy. - Vợ: Còn anh? Vì đã tổng hợp gạo và nước ở nhiệt độ hơi cao và thời gian phản ứng kéo dài quá nên cơm hơi bị cacbon hoá đấy !

NHỮNG ĐẶC ĐIỂM CHÍNH XÁC Người phát minh ra phương pháp lưu hóa cao su là Ch.Goodyear. Ông là người nghèo túng nhưng kiên trì theo đuổi công việc của mình. Một hôm có một chủ xưởng máy hỏi người bạn của mình làm thế nào tìm gặp được Goodyear, người này bèn bảo: -Anh cứ tìm người nào mặc quần cao su, áo cao su, đi giày cao su, đội

mũ cao su, có một cái ví bằng cao su nhưng không có lấy một đồng xu thì... đó chính là Goodyear.”

DUNG DỊCH NÀO ĂN MÒN… Có một nữ sinh thi rớt môn hoá học. Tối lại đến nhà riêng thầy giáo xin ... nâng điểm. Thấy cô gái cứ sụt sùi, nước mắt ngắn, nước mắt dài, thầy giáo liền hỏi: - Em hãy cho biết dung dịch nào ăn mòn kim loại? - Thưa thầy... axit - Dung dịch nào ăn da? - Thưa thầy... xút - Thế dung dịch nào ăn điểm và ăn mòn nhân cách? Cô gái đỏ bừng mặt, vội lau khô những giọt “dung dịch” từ mắt mình.

và các khối chức năng trên FPGA để thực hiện được các giải thuật của một hệ thống CDMA. Cũng qua nghiên cứu này, một số mặt hạn chế của

kỹ thuật CDMA đã được nhận diện trong môi trường truyền là hệ thống đường dây tải điện:

•Kỹ thuật CDMA có tính kháng nhiễu rất tốt do thông tin được trải ra trong một khoảng băng tần rộng. Tuy nhiên, với phổ tần rộng, nó cũng gặp bất lợi là đặc tính không bằng phẳng theo tần số, hoặc sự giới hạn về băng thông của hệ thống đường dây tải điện trong khoảng phổ tần của tín hiệu trải phổ, đặc biệt là đặc tính này biến đổi phức tạp theo số lượng tải. Kết quả là có sự méo dạng tín hiệu phục hồi ở phía thu, ảnh hưởng xấu đến kết quả của hệ thống. Điều này được chứng minh trong kết quả mô phỏng ở hình 5.

•Hệ thống CDMA bất đồng bộ đòi hỏi bộ mã trải phổ phải có trị tuyệt đối của cực trị của hàm tương quan chéo giữa mỗi cặp mã càng thấp càng tốt. Điều này làm giảm số lượng mã của bộ mã trải phổ dẫn đến dung lượng của hệ thống giảm.

•Vấn đề đồng bộ cho máy thu là vấn đề cần phải được thực hiện tốt, vì nó có ảnh hưởng lớn đến giá trị cực trị của hàm tương quan, và nó ảnh hưởng lớn đến tỉ số bit lỗi. Từ những kết quả đạt được cũng như những mặt còn hạn chế, một số hướng để mở rộng và hoàn thiện công trình này được đưa ra như sau:

•Tối ưu thiết kế để có thể hiện thực hóa các giải thuật

bằng công nghệ ASIC.•Cải tiến hệ thống thành hệ thống đồng bộ.•Sử dụng các bộ lọc thích nghi để cải thiện đặc tính của

kênh truyền.•Sử dụng các kỹ thuật khác nhằm hạn chế ảnh hưởng

của sự không bằng phẳng theo tần số và tính biến động của kênh truyền, chẳng hạn kỹ thuật OFDM.

(*) Giảng viên Khoa Điện – Điện tử Trường ĐH Tôn Đức Thắng

TÀI LIỆU THAM KHẢO:[1]. J. A. Malack and J. R. Engstrom, “RF impedance of United States and European power lines,” IEEE Trans. Electromagn. Compat., vol. EMC-18, pp. 36–38, Feb. 1976.[2]. B. Sklar, Digital communications, Prentice-Hall, 1988, chap 10.[3]. Raymond L. Pickholtz, Donald L. Schilling and Laurence B. Milstein, Theory of spread spectrum communication - A tutorial, IEEE tran. On communications, vol. com-30, no.5, May 1982.[4]. ST7537 - Power line modem application, SGS-Thomson Microelectronics.[5]. Virtex-II Pro and Virtex-II Pro X FPGA User Guide, Xilinx Inc., 2007[6]. Evaluation Board User’s Guide ADC12D040 Dual 12-Bit, 40 MSPS, 5 Volt, 600 mW- National Semiconductor.

Vui cười:

Khoa học & Ứng dụng 57Số 12 - 2010