I. Khám phá Đồ án Mạch bảo mật điện thoại tại ĐH SPKT TP
Trong kỷ nguyên số, an toàn thông tin là yếu tố sống còn. Đề tài Đồ Án Tốt Nghiệp: Mạch Bảo Mật Điện Thoại được thực hiện tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh là một minh chứng tiêu biểu cho nỗ lực ứng dụng khoa học kỹ thuật vào giải quyết các vấn đề thực tiễn. Đồ án này không chỉ là một khóa luận tốt nghiệp thông thường, mà còn là một công trình nghiên cứu sâu sắc về các phương pháp mã hóa tín hiệu thoại, nhằm ngăn chặn hành vi nghe lén trên các đường dây điện thoại analog truyền thống. Bối cảnh ra đời của đề tài xuất phát từ nhu cầu thực tế về việc bảo vệ các cuộc hội thoại quan trọng, mang tính riêng tư hoặc kinh doanh khỏi sự xâm nhập trái phép. Sinh viên thực hiện, dưới sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn từ khoa Điện - Điện tử HCMUTE, đã tiến hành phân tích, so sánh và lựa chọn giải pháp công nghệ tối ưu nhất. Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế và thi công một thiết bị phần cứng có khả năng mã hóa tín hiệu âm thanh ở đầu phát và giải mã tín hiệu tương ứng ở đầu thu một cách liền mạch, đảm bảo tính toàn vẹn và bảo mật của thông tin. Toàn bộ quá trình từ lên ý tưởng, nghiên cứu lý thuyết, thiết kế mạch in Altium, mô phỏng Proteus, đến thi công và kiểm thử đều được trình bày chi tiết trong báo cáo đồ án tốt nghiệp, cung cấp một nguồn tài liệu tham khảo đồ án giá trị cho sinh viên các khóa sau thuộc ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện tử - Viễn thông.
1.1. Tính cấp thiết của một hệ thống an ninh cho smartphone
Vào thời điểm đề tài được thực hiện, hệ thống điện thoại cố định vẫn là phương tiện liên lạc chủ yếu. Tuy nhiên, bản chất của đường truyền analog khiến nó dễ dàng bị nghe lén chỉ với các công cụ đơn giản. Bất kỳ ai có quyền truy cập vật lý vào đường dây đều có thể mắc song song một thiết bị nghe và theo dõi toàn bộ cuộc gọi. Điều này đặt ra một rủi ro lớn cho các cá nhân, doanh nghiệp và tổ chức khi trao đổi thông tin nhạy cảm. Vì vậy, việc phát triển một hệ thống an ninh cho smartphone và điện thoại cố định là cực kỳ cần thiết để đảm bảo quyền riêng tư và an toàn thông tin, tạo ra một kênh liên lạc tin cậy.
1.2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của luận văn tốt nghiệp
Luận văn tốt nghiệp này đặt ra mục tiêu rõ ràng: thiết kế và chế tạo thành công một mạch chống trộm điện thoại theo phương pháp mã hóa đảo phổ. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các khía cạnh: (1) Nghiên cứu các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại như trải phổ, chèn bit và đảo phổ. (2) Phân tích sâu về lý thuyết đảo phổ tín hiệu, nền tảng của giải pháp. (3) Thiết kế chi tiết các khối mạch chức năng, bao gồm mạch giao tiếp, mạch tạo tải giả, mạch mã hóa/giải mã, và bộ dao động. (4) Thi công mạch thực tế và tiến hành đo đạc, kiểm tra hiệu quả hoạt động.
II. Phân tích các phương pháp bảo mật trong đồ án tốt nghiệp
Để đi đến giải pháp cuối cùng, đề tài đã thực hiện một bước phân tích quan trọng: so sánh các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại phổ biến. Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng, việc lựa chọn phụ thuộc vào độ phức tạp, chi phí và hiệu quả trong bối cảnh ứng dụng thực tế. Đồ án đã xem xét ba kỹ thuật chính: Trải phổ (Spread Spectrum), Chèn bit (Bit Insertion), và Đảo phổ (Spectrum Inversion). Phương pháp Trải phổ, dù có tính bảo mật rất cao và được dùng trong quân sự, lại đòi hỏi các mạch điện tử cực kỳ phức tạp và quy trình đồng bộ hóa khắt khe, không phù hợp với quy mô một đồ án sinh viên. Phương pháp Chèn bit, tức chèn thêm các bit mã hóa vào luồng dữ liệu, gặp khó khăn lớn trong việc đồng bộ giữa bên phát và bên thu để có thể tách đúng các bit đã chèn. Sai sót trong đồng bộ sẽ dẫn đến việc giải mã thất bại hoàn toàn. Cuối cùng, phương pháp Đảo phổ được lựa chọn vì sự cân bằng hợp lý giữa hiệu quả bảo mật và tính khả thi trong thiết kế. Kỹ thuật này không làm thay đổi băng thông tín hiệu nhưng thay đổi cấu trúc phổ, khiến âm thanh trở nên khó hiểu đối với người nghe trộm nhưng có thể dễ dàng khôi phục bằng một mạch giải mã tương ứng. Đây là cốt lõi của mạch bảo mật điện thoại trong đồ án này.
2.1. Hạn chế của các phương pháp trải phổ và chèn bit
Phương pháp trải phổ, bao gồm trải phổ chuỗi trực tiếp (DS) và nhảy tần (FH), yêu cầu các bộ tạo mã giả ngẫu nhiên (PN code) và mạch đồng bộ sóng mang phức tạp. Việc triển khai các hệ thống này đòi hỏi kiến thức sâu về xử lý tín hiệu số và chi phí linh kiện cao. Tương tự, phương pháp chèn bit đòi hỏi một cơ chế đồng bộ khung (frame synchronization) cực kỳ chính xác. Bất kỳ sự trôi pha (phase drift) nào trên đường truyền cũng có thể làm mất đồng bộ, dẫn đến việc giải mã sai lệch toàn bộ thông điệp. Những thách thức này khiến chúng không phải là lựa chọn tối ưu cho đề tài.
2.2. Lý do lựa chọn phương pháp đảo phổ tín hiệu thoại
Phương pháp đảo phổ (Spectrum Inversion) được chọn làm giải pháp trung tâm. Nguyên lý của nó là nhân (trộn) tín hiệu thoại với một sóng mang có tần số xác định, sau đó sử dụng bộ lọc để giữ lại dải biên dưới (Lower Sideband - LSB). Kết quả là phổ tần số của tín hiệu bị lật ngược quanh một trục. Ví dụ, tần số 300Hz trở thành 3400Hz và ngược lại. Tín hiệu sau khi đảo phổ có cùng băng thông nhưng không thể nghe hiểu được. Quá trình giải mã đơn giản là thực hiện lại quy trình đảo phổ một lần nữa để khôi phục tín hiệu gốc. Sự đơn giản trong sơ đồ nguyên lý mạch và tính hiệu quả đã khiến đây trở thành lựa chọn phù hợp nhất.
III. Hướng dẫn thiết kế Mạch bảo mật điện thoại theo Đồ án SPKT
Phần cốt lõi của đồ án tốt nghiệp này là quá trình thiết kế và thi công chi tiết mạch bảo mật điện thoại. Hệ thống được chia thành các khối chức năng rõ ràng, mỗi khối đảm nhận một nhiệm vụ riêng biệt nhưng phối hợp chặt chẽ với nhau. Khối đầu tiên và quan trọng nhất là Mạch giao tiếp, có nhiệm vụ chuyển đổi giữa chế độ hoạt động bình thường và chế độ bảo mật. Nó sử dụng relay và optocoupler để cách ly và chuyển mạch an toàn. Tiếp theo là Mạch tạo tải giả và Mạch tạo nguồn giả, đảm bảo rằng khi thiết bị bảo mật được kích hoạt, tổng đài vẫn nhận diện được trạng thái nhấc máy của thuê bao và điện thoại vẫn được cấp nguồn để hoạt động. Trái tim của hệ thống là Mạch mã hóa và giải mã, được xây dựng dựa trên IC điều chế cân bằng chuyên dụng MC1496. IC này thực hiện quá trình trộn tín hiệu thoại với sóng mang từ một bộ dao động cầu Wien được thiết kế riêng. Cuối cùng là các mạch phụ trợ như khuếch đại, lọc và nguồn cung cấp. Toàn bộ thiết kế thể hiện sự kết hợp nhuần nhuyễn giữa lý thuyết và kỹ năng thực hành, một đặc trưng trong đào tạo tại Đại học SPKT TPHCM.
3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp và chuyển đổi chế độ
Mạch giao tiếp là cầu nối giữa đường dây điện thoại (LINE), máy điện thoại và khối xử lý bảo mật. Nó sử dụng một relay DPDT (Double Pole Double Throw) để lựa chọn đường đi của tín hiệu. Ở chế độ 'Normal', đường dây được nối thẳng vào điện thoại. Khi nhấn nút 'Scramble', relay được kích hoạt, ngắt kết nối trực tiếp và định tuyến tín hiệu qua khối mã hóa/giải mã. Mạch sử dụng các optocoupler để nhận biết trạng thái nhấc máy (off-hook) từ dòng điện trên đường dây một cách an toàn, giúp kích hoạt relay mà không gây nhiễu cho tín hiệu thoại.
3.2. Thiết kế khối mã hóa giải mã sử dụng IC MC1496
Khối mã hóa và giải mã là trung tâm của hệ thống. Đồ án sử dụng IC MC1496, một bộ điều chế/giải điều chế cân bằng kinh điển. Tín hiệu thoại sau khi được khuếch đại sẽ được đưa vào ngõ vào tín hiệu của IC. Một bộ dao động cầu Wien tạo ra một sóng mang hình sin ổn định (ví dụ 3.7kHz) và đưa vào ngõ vào sóng mang của IC. Ngõ ra của MC1496 là một tín hiệu điều chế biên độ song biên không có sóng mang (DSB-SC). Tín hiệu này sau đó đi qua một bộ lọc thông thấp để loại bỏ dải biên trên, chỉ giữ lại dải biên dưới đã bị đảo phổ. Quá trình giải mã diễn ra tương tự ở phía máy thu.
3.3. Xây dựng bộ dao động và mạch nguồn cung cấp ổn định
Để thực hiện đảo phổ, một sóng mang ổn định là bắt buộc. Đồ án đã thiết kế một bộ dao động cầu Wien sử dụng Op-amp TL082. Mạch này nổi tiếng với khả năng tạo ra sóng sin có độ méo thấp và tần số ổn định. Tần số dao động được quyết định bởi các giá trị của điện trở và tụ điện trong mạch cầu. Ngoài ra, một mạch nguồn đối xứng (ví dụ +12V, -12V) và nguồn +5V ổn định được thiết kế sử dụng các IC ổn áp như 7812, 7912 và 7805 để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống, đảm bảo các linh kiện hoạt động trong điều kiện tối ưu.
IV. Kết quả thực nghiệm và ứng dụng của Mạch bảo mật điện thoại
Sau quá trình thiết kế và thi công, đồ án tốt nghiệp đã tạo ra một sản phẩm mạch bảo mật điện thoại hoàn chỉnh và hoạt động đúng theo nguyên lý đề ra. Kết quả kiểm tra thực nghiệm cho thấy, khi kích hoạt chế độ bảo mật, tín hiệu thoại truyền trên đường dây trở nên hoàn toàn không thể nghe hiểu. Âm thanh nghe được chỉ là những tiếng nhiễu méo dạng, xác nhận hiệu quả của phương pháp đảo phổ. Khi tín hiệu này được đưa vào một mạch giải mã tương tự ở đầu thu, chất lượng âm thanh được khôi phục gần như nguyên bản, chỉ suy hao một phần nhỏ không đáng kể do đặc tính của linh kiện. Điều này chứng tỏ sơ đồ nguyên lý mạch và việc lựa chọn linh kiện là hoàn toàn hợp lý. Sản phẩm của đồ án có thể được ứng dụng thực tế để bảo vệ các cuộc gọi quan trọng tại các văn phòng, công ty nhỏ hoặc cho nhu cầu cá nhân. Mặc dù công nghệ hiện nay đã chuyển sang kỹ thuật số, nhưng phương pháp luận và tư duy thiết kế hệ thống của đồ án này vẫn là một tài liệu tham khảo quý báu, đặc biệt là phần phân tích lý thuyết và thiết kế mạch analog.
4.1. Đánh giá chất lượng tín hiệu sau khi mã hóa và giải mã
Việc đánh giá được thực hiện bằng cả phương pháp định tính (lắng nghe) và định lượng (sử dụng máy hiện sóng). Kết quả cho thấy tín hiệu sau khi mã hóa có dạng phổ bị đảo ngược hoàn toàn so với tín hiệu gốc. Về mặt âm thanh, nó không còn mang thông tin có thể hiểu được. Sau khi qua khối giải mã, tín hiệu được phục hồi với độ trung thực cao. Mức độ suy hao và méo hài (harmonic distortion) nằm trong giới hạn chấp nhận được, đảm bảo cuộc đàm thoại vẫn diễn ra rõ ràng. Đây là thành công lớn nhất của báo cáo đồ án tốt nghiệp này.
4.2. Khả năng ứng dụng thực tiễn của mạch chống trộm điện thoại
Mạch chống trộm điện thoại này có thể được phát triển thành một sản phẩm thương mại cỡ nhỏ. Nó có thể được tích hợp vào một hộp bảo vệ nhỏ gọn, kết nối dễ dàng giữa đường dây điện thoại và máy điện thoại của người dùng. Với chi phí linh kiện không quá cao và thiết kế tương đối đơn giản, sản phẩm này hoàn toàn có thể đáp ứng nhu cầu bảo mật cơ bản cho các cuộc gọi trên đường truyền analog, vốn vẫn còn được sử dụng ở một số khu vực hoặc trong các hệ thống tổng đài nội bộ cũ.
V. Kết luận và Hướng phát triển cho Đồ án Mạch bảo mật điện thoại
Tổng kết lại, Đồ Án Tốt Nghiệp: Mạch Bảo Mật Điện Thoại của sinh viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành xuất sắc các mục tiêu đề ra. Đề tài không chỉ thể hiện năng lực nghiên cứu, thiết kế và thi công của sinh viên mà còn cung cấp một giải pháp khả thi cho vấn đề bảo mật điện thoại analog. Bằng việc phân tích kỹ lưỡng các phương pháp và lựa chọn kỹ thuật đảo phổ, đồ án đã tạo ra một sản phẩm hoạt động hiệu quả, cân bằng giữa độ phức tạp và tính năng. Hướng phát triển trong tương lai cho đề tài này rất rộng mở, đặc biệt khi kết hợp với các công nghệ hiện đại. Thay vì xử lý analog, có thể chuyển sang xử lý tín hiệu số (DSP) để áp dụng các thuật toán mã hóa mạnh hơn như AES, RSA. Việc tích hợp vi điều khiển Arduino hoặc STM32 có thể giúp quản lý hệ thống thông minh hơn, bổ sung các tính năng như nhận dạng người gọi, tự động kích hoạt bảo mật. Xa hơn nữa, có thể phát triển các hệ thống cảnh báo mất cắp tích hợp định vị GPS và cảnh báo qua SMS sử dụng module SIM900A và module GPS NEO-6M, biến nó thành một hệ thống an ninh toàn diện.
5.1. Tóm tắt những kết quả chính đã đạt được trong khóa luận
Khóa luận tốt nghiệp đã thành công trong việc: (1) Nghiên cứu và hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại. (2) Lựa chọn và chứng minh tính hiệu quả của phương pháp đảo phổ. (3) Thiết kế và thi công thành công một mạch bảo mật hoàn chỉnh, hoạt động ổn định. (4) Cung cấp bộ tài liệu đầy đủ bao gồm báo cáo, sơ đồ nguyên lý mạch, và phân tích chi tiết, làm tài liệu tham khảo cho các nghiên cứu sau này.
5.2. Đề xuất cải tiến và phát triển sản phẩm trong tương lai
Để nâng cao hiệu quả, sản phẩm có thể được cải tiến bằng cách số hóa toàn bộ quá trình. Sử dụng một cặp Vi xử lý tín hiệu số (DSP) hoặc vi điều khiển có khả năng xử lý audio để thực hiện các thuật toán mã hóa phức tạp hơn. Có thể tích hợp thêm các module không dây để điều khiển từ xa hoặc kết nối với các thiết bị IoT khác. Việc thiết kế lại mạch in để tối ưu hóa kích thước, giảm nhiễu và tiêu thụ ít năng lượng hơn cũng là một hướng đi cần thiết để thương mại hóa sản phẩm.
