Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bước vào đầu thế kỷ XXI, ngành viễn thông Việt Nam chuyển mình mạnh mẽ trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập kinh tế. Mạng điện thoại cố định trở thành phương tiện thông tin liên lạc thiết yếu phục vụ đời sống dân sinh, kinh tế và an ninh. Tuy nhiên, kiến trúc mạng điện thoại nội hạt truyền thống sử dụng đường dây đôi bằng cáp đồng nối từ tổng đài đến từng thiết bị thuê bao tồn tại một nhược điểm bảo mật cố hữu: tín hiệu tiếng nói truyền dưới dạng tương tự (analog) không mã hóa trên dải truyền dẫn dùng chung. Khi có một thuê bao thứ ba mắc song song vào đường dây hoặc thông qua nhân viên trực tổng đài can thiệp cơ học/điện tử, toàn bộ nội dung cuộc đàm thoại đều có thể bị nghe trộm một cách thụ động mà hai bên đàm thoại không hề hay biết.

Để bảo vệ các nội dung đàm thoại quan trọng, mang tính riêng tư hoặc bí mật kinh tế, việc sử dụng mật mã bằng lời nói giữa hai bên giao tiếp thủ công tỏ ra bất tiện, dễ gây nhầm lẫn khi đàm thoại kéo dài và phụ thuộc lớn vào yếu tố con người. Do đó, nhu cầu chế tạo thiết bị bảo mật thoại phần cứng tự động mã hóa ở đầu phát và giải mã ở đầu thu là vấn đề mang tính ứng dụng thực tiễn cao. Đồ án tốt nghiệp "Mạch bảo mật điện thoại" của sinh viên Đinh Minh Vũ (ngành Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy Tạ Công Đức, hoàn thành vào tháng 02/2001) được triển khai nhằm giải quyết bài toán này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể theo các nội dung sau:

  1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống điện thoại, thiết bị đầu cuối máy điện thoại thuê bao và cấu trúc chuyển mạch của tổng đài điện thoại.
  2. Khảo sát, so sánh và đánh giá các giải pháp kỹ thuật bảo mật thoại (phương pháp trải phổ, phương pháp chèn bit, phương pháp đảo phổ).
  3. Xây dựng cơ sở lý thuyết toán học về phổ tín hiệu dựa trên biến đổi Fourier và định lý lấy mẫu tín hiệu để xác lập nguyên lý đảo phổ thoại dải tần 300 Hz đến 3400 Hz.
  4. Thiết kế và tính toán chi tiết mạch giao tiếp thuê bao (gồm mạch chuyển mạch chế độ, mạch tạo tải giả, mạch nguồn dòng giả và mạch cách ly bảo vệ).
  5. Thiết kế và triển khai khối xử lý tín hiệu bảo mật (bộ dao động sóng mang hình sin cầu Wien, mạch mã hóa và giải mã sử dụng vi mạch điều chế cân bằng, mạch Hybrid chuyển đổi 4 dây sang 2 dây khử trắc âm) cùng khối nguồn cung cấp đa điện áp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu âm thanh dải thoại (300 Hz – 3400 Hz), thiết bị đầu cuối máy điện thoại analog, giao diện đường dây thuê bao hai dây nối về tổng đài và các vi mạch xử lý tín hiệu tương tự chuyên dụng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Về mặt không gian và thực nghiệm, đề tài giới hạn thử nghiệm trên hệ thống tổng đài điện thoại nội bộ có điện áp đường dây chuẩn $V_{LINE} = 24\text{V}$; phương pháp bảo mật được lựa chọn tập trung vào kỹ thuật đảo phổ tương tự bằng điều chế song biên không mang (DSB) quanh tần số sóng mang trung tâm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình sử dụng trong đồ án dựa trên các nguyên lý kỹ thuật điện tử truyền thông và lý thuyết xử lý tín hiệu:

  • Nguyên lý thiết bị đầu cuối và tổng đài: Máy điện thoại thực hiện chức năng biến đổi âm thanh thành tín hiệu điện và ngược lại, tiếp nhận các âm hiệu báo hiệu từ tổng đài (âm mời quay số Dial tone, âm báo bận Busy tone, âm hồi chuông Ring-back tone), phát xung hoặc mã đa tần lưỡng âm DTMF theo khuyến nghị tiêu chuẩn CCITT Q.23. Tổng đài điện thoại quản lý việc cấp dòng nuôi DC, nhận diện trạng thái nhấc máy (Off-hook, trở kháng vòng DC khoảng 150 $\Omega$ – 300 $\Omega$) và gác máy (On-hook, trở kháng vòng DC rất lớn, xấp xỉ vô cùng).
  • Cơ sở lý thuyết toán học về tín hiệu và phổ: Sử dụng phép biến đổi Fourier thuận - nghịch để biểu diễn tín hiệu thoại trong miền tần số. Đồ án áp dụng hàm phân bố lược Dirac $\amalg(t) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} \delta(t - nT)$ và định lý lấy mẫu Kotielnikov - Shannon (định lý rời rạc) với chu kỳ lấy mẫu Nyquist $T \le 1/(2f_m)$ để phân tích phổ của tín hiệu thoại trước và sau khi điều chế. Tín hiệu thoại gốc $x(t)$ có dải thông $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ khi lấy mẫu với tần số thích hợp sẽ tạo ra các dải phổ lặp lại.
  • Nguyên lý đảo phổ tín hiệu (Spectrum Inversion): Thính giác con người hoạt động theo cơ chế phân tích phổ tần số âm thanh tức thời chứ không giải mã dạng sóng thời gian. Khi đảo ngược cấu trúc phổ tần số của tín hiệu thoại quanh một tần số trung tâm (các thành phần tần số thấp biến thành tần số cao và ngược lại), tín hiệu đầu ra vẫn giữ nguyên băng thông $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ nhưng tiếng nói bị biến dạng hoàn toàn, người nghe không thể hiểu được. Khi tín hiệu này tiếp tục đi qua một mạch đảo phổ thứ hai có cùng cấu trúc, phổ tần số được hoàn nguyên về dạng ban đầu, đảm bảo tính thông suốt và bảo mật cho hai bên đàm thoại.

Về mặt so sánh phương pháp bảo mật thoại, tác giả đã tiến hành khảo sát ba phương pháp chính:

Phương pháp bảo mật Nguyên lý kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm / Rào cản kỹ thuật
Trải phổ (Spread Spectrum: DSSS, FHSS) Điều chế trực tiếp BPSK với mã giả ngẫu nhiên PN (DSSS) hoặc nhảy tần số sóng mang vô tuyến (FHSS). Băng thông phát lớn, mật độ phổ công suất thấp dưới mức nhiễu nền, chống nghe trộm và chống nhiễu vượt trội. Mạch máy thu cực kỳ phức tạp; bắt buộc phải có mạch bắt đồng bộ và bám đồng bộ tần số/pha chính xác; khó khả thi trên đường dây điện thoại analog nội bộ.
Chèn bit (Bit Insertion) Số hóa tín hiệu qua bộ biến đổi A/D, dùng bộ ghi dịch PISO/SIPO chèn thêm các bit mã hóa logic vào chuỗi bit thoại. Quy tắc chèn bit và mức logic do người thiết kế định đoạt; mức độ an toàn cao đối với kẻ nghe trộm thông thường. Phía thu đòi hỏi đồng bộ bit rất nghiêm ngặt để tách bit; việc chèn bit làm chậm tốc độ truyền dẫn và gia tăng xác suất lỗi bit ($BER$).
Đảo phổ (Spectrum Inversion) Biến đổi đảo ngược cấu trúc tần số trong dải nền thông qua điều chế tương tự (DSB/SSB) hoặc đảo bit dấu tín hiệu số PCM. Tín hiệu sau mã hóa giữ nguyên băng thông thoại tiêu chuẩn ($300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$); mạch điện tương thích hoàn toàn với kênh thoại analog hiện hành; cấu trúc phần cứng khả thi. Cần mạch lọc biên và mạch cân bằng chính xác để hạn chế méo phi tuyến tín hiệu thoại phục hồi.

Từ kết quả phân tích so sánh, tác giả chọn phương pháp đảo phổ tương tự bằng kỹ thuật điều chế cân bằng vì giải pháp này tối ưu hóa độ phức tạp của phần cứng, giữ nguyên dải thông truyền dẫn trên đường dây và phù hợp với điều kiện chế tạo mạch rời rạc kết hợp vi mạch tương tự.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích mạch giải tích: Lập hệ phương trình dòng - áp DC và AC cho từng tầng chuyển mạch bán dẫn, xác lập điều kiện bão hòa của Transistor BJT, tính toán thời gian phóng nạp tụ điện phục vụ quá trình đảo trạng thái tiếp điểm.
  • Phương pháp thiết kế phần cứng: Lựa chọn các linh kiện tiêu chuẩn và vi mạch tích hợp gồm IC điều chế cân bằng MC1496, Op-amp kép TL082C, bộ cách ly quang Opto 4N35, linh kiện bán dẫn công tắc SCR M910 (MCR100), transistor BJT đa dụng (C945, A1015, 2N2222) và IC ổn áp họ 78xx, 79xx.
  • Nguồn dữ liệu: Tiêu chuẩn truyền thông thoại analog của ngành bưu điện, tiêu chuẩn quay số CCITT Q.23, giáo trình Mạch điện tử (NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2000), tài liệu Điện tử công suất và cẩm nang thông số linh kiện bán dẫn (First News, 1999).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bảo mật điện thoại được thiết kế dưới dạng module phần cứng độc lập, đấu nối xen giữa máy điện thoại thuê bao và đường dây thuê bao nối về tổng đài. Kiến trúc phần cứng bao gồm ba khối chính: Mạch giao tiếp đường dây thuê bao, Khối xử lý tín hiệu bảo mật và Khối nguồn cung cấp ổn áp.

1. Mạch giao tiếp giữa thuê bao và mạch bảo mật

Mạch giao tiếp có chức năng tự động nhận biết trạng thái đàm thoại của máy điện thoại (On-hook hay Off-hook), cho phép người dùng chuyển đổi qua lại giữa chế độ thông thoại bình thường (Normal) và chế độ bảo mật (Scramble) bằng hai công tắc nút nhấn $S_1$ và $S_2$.

  • Đấu nối và chuyển mạch chế độ: Sử dụng một Relay 5V có điện trở cuộn dây $R_{DC} = 50,\Omega$ làm phần tử chuyển mạch chính. Khi không kích hoạt bảo mật, Relay ở trạng thái ngắt (OFF), đường dây điện thoại nối trực tiếp với máy điện thoại thông qua cặp công tắc quang Opto 4N35 mắc song song ngược cực. Khi người dùng nhấn nút $S_2$ (Scramble) trong trạng thái nhấc máy, dòng điều khiển kích dẫn SCR M910 và Transistor công tắc $Q_5$ (C945), cấp dòng kích đóng Relay (ON). Khi đó, máy điện thoại được ngắt hoàn toàn khỏi đường dây ngoài và chuyển sang kết nối trực tiếp với mạch bảo mật thông qua biến áp cách ly. Để trở về chế độ bình thường, người dùng nhấn nút $S_1$ (Normal), ngắn mạch làm ngắt $Q_5$, giải phóng tiếp điểm Relay.
  • Bảo vệ và cách ly quang: Cặp Opto 4N35 mắc song song ngược cực tại đầu vào đường dây giúp triệt tiêu nguy cơ đảo cực tính điện áp từ tổng đài, đồng thời cách ly hoàn toàn mạch xử lý bên trong khỏi các đột biến điện áp trên đường dây. Diode $D_1$ (1N4150, điện áp đánh thủng 50V) mắc song song ngược chiều với cuộn dây Relay để dập các xung điện áp cảm ứng âm bảo vệ tiếp giáp $C-E$ của Transistor $Q_5$. Tụ điện $C_{11} = 100,\mu\text{F}$ phối hợp với điện trở $R_{26} = 1.5,\text{k}\Omega$ có nhiệm vụ xả nhanh điện tích trong khoảng thời gian $t < 45\text{ms}$ khi nhấn nút $S_1$, đảm bảo $Q_5$ ngắt dứt khoát trước khi Photodiode dẫn trở lại.
  • Mạch tạo tải giả cho tổng đài: Khi chuyển sang chế độ Scramble, máy điện thoại tách khỏi đường dây nên tổng đài sẽ hiểu nhầm là thuê bao đã gác máy và tự động ngắt cuộc gọi. Để duy trì cuộc đàm thoại, mạch tải giả gồm Transistor $Q_2$ (2N2222), điện trở $R_{28} = 6.8,\text{k}\Omega$, $R_{29} = 180,\Omega$ và tụ $C_{12} = 2.2,\mu\text{F}$ được đóng vào đường dây. Mạch này tạo ra tổng trở một chiều đạt $R_{DC} \approx 300,\Omega$ và tiêu thụ dòng tĩnh $I_{DC} \approx 20\text{mA}$ đúng bằng tiêu chuẩn một máy điện thoại nhấc máy, đồng thời kết hợp với biến áp cách ly duy trì trở kháng xoay chiều $Z_{AC} = 600,\Omega$ phối hợp trở kháng với đường dây thuê bao.
  • Mạch tạo nguồn dòng giả nuôi máy điện thoại: Khi máy thuê bao bị tách khỏi đường dây, nó mất nguồn cấp từ tổng đài. Do đó, mạch nguồn dòng giả sử dụng Transistor $Q_3$ (loại PNP A1015), Diode Zener $V_Z = 3\text{V}$, điện trở hạn dòng Zener $R_{30} = 3.9,\text{k}\Omega$ và điện trở phát $R_{31} = 120,\Omega$ được kích hoạt để cung cấp một nguồn dòng ổn định $I_E \approx 19.2\text{mA}$ nuôi dưỡng mạch đàm thoại của máy điện thoại hoạt động bình thường. Tụ điện $C_{13}, C_{14} = 1,\mu\text{F}$ đóng vai trò ngăn dòng DC và cho tín hiệu âm tần đi qua.
Ký hiệu linh kiện Chủng loại / Giá trị Chức năng trong mạch giao tiếp
$T_1, T_2$ Biến áp âm tần tỷ lệ 1:1, trở kháng $600,\Omega : 600,\Omega$ Phối hợp trở kháng AC và cách ly hoàn toàn điện áp một chiều giữa tổng đài và khối bảo mật.
Relay 5V Cuộn dây $R_{DC} = 50,\Omega$, tiếp điểm kép chuyển trạng thái Đóng/ngắt vật lý, chuyển đổi chế độ giữa thông thoại Normal và Scramble.
4N35 Bộ ghép quang (Optocoupler), 2 phần tử mắc song song ngược cực Cách ly điện thế đường dây, nhận biết dòng vòng khi nhấc máy và chống hiện tượng đảo cực nguồn tổng đài.
SCR M910 Thyristor dòng nhỏ ($I_{max} = 1\text{A}, V_{AK} \approx 0.7\text{V}$) Chốt giữ trạng thái dẫn của mạch đóng Relay sau khi người dùng bấm nhả nút bấm $S_2$.
$Q_5$ BJT NPN C945 ($I_{Cmax} = 150\text{mA}, P_{max} = 150\text{mW}$) Khóa chuyển mạch công suất đóng/ngắt dòng 100 mA qua cuộn dây Relay.
$Q_4$ BJT PNP A1015 Đệm phân cực kéo sáng đèn LED báo hiệu trạng thái mạch đang hoạt động ở chế độ Scramble.
$Q_2$ BJT NPN 2N2222 ($I_{Cmax} = 50\text{mA}, h_{FE} = 80 - 200$) Thành phần chủ động trong mạch tải giả $300,\Omega$ DC duy trì dòng 20 mA về tổng đài.
$Q_3$ BJT PNP A1015 Nguồn dòng giả cung cấp dòng nuôi $19.2\text{mA} - 20\text{mA}$ cho máy điện thoại ở chế độ bảo mật.

2. Khối xử lý tín hiệu bảo mật (Mã hóa và Giải mã)

  • Bộ dao động sóng mang hình sin cầu Wien: Nhằm cung cấp tín hiệu sóng mang chuẩn cho quá trình điều chế đảo phổ, tác giả thiết kế mạch dao động cầu Wien sử dụng Op-amp TL082C. Tần số dao động được chọn là $f_0 = 2400\text{Hz}$ theo công thức: $$f_0 = \frac{1}{2\pi RC}$$ Với tụ điện chọn trước $C = 0.01,\mu\text{F}$, giá trị điện trở tính ra là $R \approx 6.8,\text{k}\Omega$. Để biên độ sóng sin ổn định ở mức tối thiểu 12V đỉnh-đỉnh mà không bị bão hòa xén ngọn méo dạng, vòng hồi tiếp âm sử dụng điện trở $R_1 = 510,\Omega$, biến trở tinh chỉnh $R_{F1} = 2,\text{k}\Omega$ (chọn điểm làm việc $1,\text{k}\Omega$), kết hợp với cặp Diode Zener $5.6\text{V}$ đấu tựa lưng (back-to-back) đảm bảo hệ số khuếch đại khởi động ban đầu lớn hơn 3 và tự động ghìm ổn định ở $A_v = 3$ khi dao động xác lập.
  • Mạch khuếch đại tín hiệu Micro: Tín hiệu âm thanh từ micro bột than của ống nói điện thoại có biên độ rất nhỏ, dao động từ $7\text{mV} - 10\text{mV}$. Để cấp mức tín hiệu hiệu dụng chuẩn $0.295\text{V}$ vào ngõ vào vi mạch điều chế, đồ án thiết kế mạch khuếch đại đảo dùng Op-amp TL082 có hệ số khuếch đại $A_v = 35$, trở kháng ngõ vào $R_{in} = 3,\text{k}\Omega$ và điện trở hồi tiếp $R_f = 75,\text{k}\Omega$.
  • Mạch mã hóa và giải mã tín hiệu dùng vi mạch chuyên dụng MC1496: Nhận thấy việc ghép nối các linh kiện rời rạc để tạo mạch nhân tín hiệu rất dễ gây sai số, méo pha và độ trôi nhiệt làm hệ thống mất ổn định, tác giả lựa chọn vi mạch cân bằng MC1496. Vi mạch này có dải tần sóng mang hỗ trợ lên tới 300 MHz, thực hiện chức năng điều chế cân bằng tạo sóng song biên không mang (DSB) và giải điều chế cân bằng. Cấu hình chân của MC1496 được thiết kế như sau:
    • Chân 1 và Chân 4: Cặp ngõ vào tín hiệu thoại vi sai (+/-).
    • Chân 2 và Chân 3: Nối biến trở điều chỉnh độ lợi vi sai.
    • Chân 5: Ngõ phân cực dòng tĩnh (Bias).
    • Chân 6 và Chân 12: Cặp ngõ ra tín hiệu vi sai (+/-).
    • Chân 8: Ngõ tiếp nhận xung dao động sóng mang nội từ bộ dao động cầu Wien 2400 Hz.
    • Chân 10: Nối mass nguồn; Chân 14: Nối nguồn cấp dương $+V_{CC}$; Chân 7 và 9: Nối nguồn dương qua điện trở gánh; Chân 11 và 13: Bỏ trống (NC).
  • Mạch Hybrid (chuyển đổi 2 dây sang 4 dây và khử trắc âm): Hệ thống điện thoại thoại truyền dẫn theo nguyên lý song công hai chiều chỉ trên 2 sợi dây, trong khi khối xử lý bảo mật chia thành 4 dây riêng biệt (2 dây cho micro nói và 2 dây cho loa nghe). Mạch Hybrid sử dụng Op-amp TL082C được thiết kế với các giá trị điện trở phối hợp $R_L = 600,\Omega$, $R_{21} = 600,\Omega$ và $R_{22} = R_{23} = 10,\text{k}\Omega$. Hàm truyền đạt của mạch được cân chỉnh để triệt tiêu hoàn toàn đường truyền trực tiếp từ Micro đến Speaker cùng máy ($H_{MS} = 0$), giúp khử bỏ hiện tượng trắc âm (sidetone) làm chói tai người nói, đồng thời bảo đảm hệ số khuếch đại từ đường truyền Line vào loa đạt $H_{LS} = 2$.

3. Khối nguồn cung cấp ổn áp

Hệ thống bảo mật sử dụng kết hợp cả vi mạch tuyến tính analog (Op-amp TL082, MC1496) đòi hỏi nguồn đối xứng lẫn các linh kiện chuyển mạch (Relay, Opto) dùng nguồn đơn. Bộ nguồn được thiết kế bao gồm:

  • Biến áp nguồn hạ áp từ lưới điện dân sinh xuống điện áp thứ cấp $14\sqrt{2}\text{V}$ hiệu dụng (điện áp đỉnh trên 28V).
  • Cầu diode chỉnh lưu toàn sóng kết hợp các tụ hóa dung lượng lớn $C_{16} = C_{18} = 2200,\mu\text{F}$ (chọn cho tải tiêu thụ tối đa 0.8A – 1A, mức điện áp danh định chịu đựng cao hơn 20% so với biên độ đỉnh của điện áp ngõ vào).
  • Các vi mạch ổn áp tích cực: IC 7812 cung cấp nguồn ổn áp dương $+12\text{V}$, IC 7912 cung cấp nguồn ổn áp âm $-12\text{V}$ (tạo đường nguồn kép đối xứng $\pm 12\text{V}$ cấp cho TL082 và MC1496). Các vi mạch họ 78xx khác được bố trí để hạ áp cung cấp nguồn $+5\text{V}$ (nuôi Relay và mạch đóng cắt bán dẫn) và nguồn $+24\text{V}$. Các tụ gốm $C_{17} = C_{19} = 1,\mu\text{F}$ mắc tại các ngõ ra ổn áp giúp làm phẳng triệt để đáp ứng quá độ và loại trừ nhiễu tần số cao.

Nội dung chính theo từng chương

Chương dẫn nhập

Chương dẫn nhập trình bày bối cảnh lịch sử của đất nước bước vào thế kỷ XXI với sự bùng nổ của ngành viễn thông trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Tác giả nêu bật tính cấp thiết của việc bảo vệ thông tin đàm thoại trên mạng cáp điện thoại công cộng trước nguy cơ nghe trộm trái phép. Giới hạn nghiên cứu được xác định rõ: tập trung giải quyết bài toán bảo mật thoại analog bằng kỹ thuật điều chế đảo phổ tương tự, xây dựng hệ thống phần cứng hoàn chỉnh từ mạch giao tiếp đường dây đến khối xử lý tín hiệu. Chương này cũng phân tích mục đích của đồ án là tổng hợp kiến thức chuyên môn sau bốn năm học tập tại Khoa Điện - Điện tử và rèn luyện phương pháp nghiên cứu khoa học thực nghiệm.

Chương I: Giới thiệu chung về điện thoại

Chương I hệ thống hóa toàn diện cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ sinh thái điện thoại analog:

  • Trình bày nguyên lý biến đổi qua lại giữa sóng âm thanh và tín hiệu điện qua ống nói (micro) và ống nghe (loa).
  • Thống kê các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của máy điện thoại: dòng làm việc đường dây ($20\text{mA} - 80\text{mA}$), điện áp nguồn tổng đài ($-48\text{V} \pm 6\text{V}$), điện trở vòng DC ($0 - 1300,\Omega$), trở kháng máy khi đàm thoại ($600,\Omega \pm 20%$), dòng chuông ($90\text{V}_{RMS} / 20\text{Hz}$), độ méo phát/thu ($< 5%$) và công suất toàn băng thoại ($< -9\text{dBm}$).
  • Phân tích chi tiết chức năng từng khối bên trong máy điện thoại: mạch bảo vệ quá áp (dùng hai diode Zener mắc đối đầu), mạch chống đảo cực (dùng cầu Diode), bộ quay số xung và đa tần DTMF theo chuẩn CCITT Q.23, mạch thu chuông nhận tín hiệu gọi $25 \pm 3\text{Hz}$, chuyển mạch gác/nhấc máy, mạch dập tiếng click khi quay số, mạch điều chỉnh âm lượng tự động AGC và mạch Hybrid phối hợp trở kháng khử trắc âm.
  • Khảo sát nguyên lý tổng đài điện thoại: phân tích chu trình phục vụ cuộc gọi từ phát âm hiệu Dial tone, nhận dạng số quay, phát dòng chuông đến giải tỏa đường truyền; phân loại và đánh giá ba thế hệ tổng đài: tổng đài nhân công, tổng đài tự động cơ điện (chuyển mạch Rotary, Step-by-Step, Crossbar) và tổng đài điện tử số hiện đại.

Chương II: Các phương pháp bảo mật

Chương II phân tích chuyên sâu về mục đích và các giải pháp kỹ thuật bảo mật thoại:

  • Khẳng định nguy cơ mất an toàn khi đường dây thuê bao nối dài qua nhiều tủ cáp và trạm chuyển mạch, chỉ cần một máy nhánh đấu song song là có thể thu trọn nội dung hội thoại.
  • Khảo sát chi tiết phương pháp trải phổ: Phân tích kỹ thuật trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS sử dụng điều chế khóa dịch pha BPSK kết hợp chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN (Pseudo-Noise) tốc độ chip $R_c$; kỹ thuật trải phổ nhảy tần FHSS (nhảy tần nhanh FFH và nhảy tần chậm SFH). Chỉ ra nguyên nhân không chọn phương pháp này do cấu trúc máy thu yêu cầu mạch bắt và bám đồng bộ cực kỳ phức tạp.
  • Khảo sát phương pháp chèn bit số: Phân tích mô hình số hóa qua biến đổi A/D, sử dụng các bộ ghi dịch PISO và SIPO để chèn bit mã hóa. Đánh giá phương pháp này đòi hỏi đồng bộ phía thu khắt khe, làm giảm tốc độ truyền và tăng tỷ lệ lỗi bit.
  • Khảo sát phương pháp đảo phổ: Trình bày cơ chế đảo phổ tương tự qua điều chế song biên không mang (DSB) hoặc đơn biên (SSB), và phương pháp đảo phổ số (đảo bit dấu của chuỗi xung mã PCM). Kết luận phương pháp đảo phổ tương tự là lựa chọn tối ưu nhất cho đồ án.

Chương III: Lý thuyết về đảo phổ tín hiệu

Chương III thiết lập nền tảng toán học cho kỹ thuật đảo phổ:

  • Định nghĩa hàm phân bố lược Dirac $\amalg(t)$ và chứng minh các tính chất giải tích của lược xung trong biến đổi tín hiệu rời rạc.
  • Khái quát hóa biến đổi Fourier của tín hiệu thoại $x(t)$, xác định các thành phần phổ biên độ, phổ pha, phổ thực (hàm chẵn) và phổ ảo (hàm lẻ).
  • Trình bày hệ thống 11 định lý và tính chất của phổ: tính tuyến tính, tính đối xứng, định lý đổi thang độ (co giãn thời gian làm thay đổi mật độ phổ), định lý dịch thời gian, định lý điều chế dịch chuyển tần số, định lý vi phân và định lý tích chập trong miền thời gian/tần số.
  • Phân tích định lý rời rạc tín hiệu Kotielnikov - Shannon, tính toán khoảng thời gian lấy mẫu Nyquist $T \le 1/(2 f_m)$.
  • Chứng minh nguyên lý đảo phổ thoại: Tín hiệu âm thanh dải tần $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ ($f_{max} = 3400\text{Hz}$) được nhân với chuỗi lấy mẫu tần số $\omega_s \ge 2\omega_m = 6800\text{Hz}$. Bằng cách thực hiện hiệu phổ giữa hai thành phần lấy mẫu và cho qua bộ lọc thông thấp có tần số cắt phù hợp, phổ đầu ra thu được sẽ bị đảo ngược cấu trúc tần số so với ban đầu nhưng bảo toàn trọn vẹn bề rộng dải thông.

Chương IV: Mạch giao tiếp giữa thuê bao và mạch bảo mật

Chương IV là phần thiết kế phần cứng giao tiếp chi tiết:

  • Thuyết minh sơ đồ nguyên lý mạch giao tiếp kết nối giữa máy thuê bao, đường dây tổng đài và mạch bảo mật.
  • Phân tích cơ chế hoạt động của mạch trong cả ba tình huống: chế độ thông thoại thông thường (Normal), quá trình chuyển mạch sang chế độ bảo mật (Scramble) khi nhấc máy (Off-hook), và phản ứng tự động giải tỏa ngắt Relay khi người dùng gác máy (On-hook).
  • Trình bày toàn bộ quá trình tính toán giải tích xác định thông số linh kiện: tính chọn dòng đóng Relay 100 mA, diode triệt xung $D_1$ 1N4150, tính toán tầng kích Transistor $Q_5$ bão hòa sâu ($I_{B5} = 2.26\text{mA}, R_{22} = 1.5,\text{k}\Omega$), tính toán tầng đệm LED hiển thị qua $Q_4$ ($R_{21} = 330,\Omega, R_{23} = 4.7,\text{k}\Omega$).
  • Tính toán điện trở hạn dòng Opto 4N35 ($R_{24} = R_{25} = 560,\Omega / 500\text{mW}$ trên mức nguồn $V_{LINE} = 24\text{V}$), tụ xả $C_{11} = 100,\mu\text{F}$ khống chế thời gian ngắt dưới 45 ms.
  • Thiết kế mạch tạo tải giả $300,\Omega$ DC với dòng tiêu thụ tĩnh 20 mA ($R_{28} = 6.8,\text{k}\Omega, R_{29} = 180,\Omega, C_{12} = 2.2,\mu\text{F}$) và mạch tạo nguồn dòng giả nuôi máy điện thoại dùng Zener 3V và Transistor $Q_3$ ($R_{31} = 120,\Omega$ cho dòng phát $19.2\text{mA}$).

Chương V: Thiết kế bộ dao động, mạch mã hóa - giải mã và nguồn cung cấp

Chương V hoàn thiện các khối chức năng xử lý tín hiệu và khối nguồn:

  • Phân tích lý thuyết khuếch đại thuật toán (Op-amp), cấu trúc mạch khuếch đại vi sai ngõ vào, các tầng dịch mức DC và mạch khuếch đại đẩy kéo ngõ ra; phân tích vai trò của kỹ thuật hồi tiếp âm trong việc ổn định độ lợi, mở rộng băng thông và hạ thấp trở kháng ra.
  • Trình bày lý thuyết mạch lọc tích cực (thông thấp, thông cao, thông dải, chắn dải và toàn thông - All-pass) cùng quy luật suy giảm biên độ theo bậc lọc ($20\text{dB/decade}$ cho bậc 1, $40\text{dB/decade}$ cho bậc 2).
  • Thiết kế chi tiết bộ dao động hình sin cầu Wien tần số $f_0 = 2400\text{Hz}$ dùng Op-amp TL082C: tính chọn $R = 6.8,\text{k}\Omega, C = 0.01,\mu\text{F}$, mạch hồi tiếp âm ghìm biên độ đỉnh 12V dùng biến trở $2,\text{k}\Omega$, $R_1 = 510,\Omega$, $R_2 = 1,\text{k}\Omega$ và cặp Diode Zener $5.6\text{V}$.
  • Thiết kế mạch tiền khuếch đại Micro dùng TL082C với hệ số khuếch đại $A_v = 35$ ($R_{in} = 3,\text{k}\Omega, R_f = 75,\text{k}\Omega$), nâng mức tín hiệu micro than từ $7\text{mV} - 10\text{mV}$ lên $0.295\text{V}_{RMS}$.
  • Thiết kế mạch mã hóa và giải mã DSB bằng vi mạch MC1496, xác định chức năng và sơ đồ đấu nối 14 chân của IC, đưa tần số dao động nội 2400 Hz vào chân số 8 để thực hiện điều chế cân bằng dời tần đảo phổ.
  • Thiết kế mạch Hybrid 2 dây sang 4 dây bằng TL082C ($R_L = R_{21} = 600,\Omega, R_{22} = R_{23} = 10,\text{k}\Omega$), tính toán hàm truyền triệt tiêu trắc âm giữa micro và loa.
  • Thiết kế hoàn chỉnh bộ nguồn ổn áp: tính chọn biến áp thứ cấp $14\sqrt{2}\text{V}$, tụ lọc ngõ vào $C_{16} = C_{18} = 2200,\mu\text{F}$, các IC ổn áp LM7812 ($+12\text{V}$), LM7912 ($-12\text{V}$), họ 78xx ($+5\text{V}, +24\text{V}$) và tụ chống dao động quá độ ngõ ra $C_{17} = C_{19} = 1,\mu\text{F}$.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể, có số liệu tính toán minh chứng xuyên suốt toàn bộ nội dung thuyết minh:

  • Thiết lập thành công mô hình toán học giải thích hiện tượng đảo phổ tín hiệu thoại tương tự trong dải băng tần tiêu chuẩn $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ dựa trên biến đổi Fourier và định lý rời rạc Kotielnikov - Shannon.
  • Thiết kế và tính toán hoàn chỉnh mạch giao tiếp đường dây với các thông số đáp ứng đầy đủ tiêu chuẩn mạng viễn thông:
    • Tách máy điện thoại độc lập khỏi đường dây khi bật chế độ bảo mật nhưng không làm rớt cuộc gọi nhờ mạch tải giả đạt điện trở một chiều $R_{DC} \approx 300,\Omega$, duy trì dòng tải tĩnh $I_{DC} = 20\text{mA}$ về tổng đài.
    • Tự động duy trì nguồn nuôi cho máy điện thoại ở chế độ bảo mật bằng mạch nguồn dòng giả ổn định $I_E = 19.2\text{mA}$.
    • Thời gian cắt chuyển mạch từ Scramble về Normal được khống chế dứt khoát dưới 45 ms nhờ mạch phóng nạp $R_{26} C_{11}$ ($1.5,\text{k}\Omega - 100,\mu\text{F}$).
    • Đảm bảo an toàn cách ly tuyệt đối giữa đường dây thuê bao ngoài và mạch điện tử nội bộ thông qua biến áp âm tần tỷ lệ 1:1 ($600,\Omega : 600,\Omega$) và cặp Opto cách ly quang 4N35.
  • Thiết kế thành công khối xử lý tín hiệu bảo mật:
    • Bộ dao động sóng sin cầu Wien tạo sóng mang $f_0 = 2400\text{Hz}$ có biên độ đỉnh 12V ổn định nhờ vòng khống chế Diode Zener 5.6V.
    • Tầng tiền khuếch đại micro bột than đạt độ lợi điện áp chuẩn $A_v = 35$, biến đổi tín hiệu $7 - 10\text{mV}$ thành mức $0.295\text{V}_{RMS}$ tương thích ngõ vào vi mạch điều chế.
    • Ứng dụng thành công vi mạch cân bằng chuyên dụng MC1496 để thực hiện điều chế DSB dời tần đảo phổ ở phía phát và hoàn nguyên tín hiệu ở phía thu, khắc phục triệt để các hạn chế về méo tín hiệu và sai số trôi nhiệt của các mạch nhân rời rạc.
    • Mạch Hybrid khử hoàn toàn trắc âm (hàm truyền từ Micro sang Loa $H_{MS} = 0$), phối hợp trở kháng chuẩn $600,\Omega$ với đường dây.
    • Khối nguồn cung cấp ổn áp kép $\pm 12\text{V}$ (LM7812, LM7912) và nguồn đơn $+5\text{V}, +24\text{V}$ hoạt động ổn định với độ gợn sóng thấp nhờ hệ thống tụ lọc dung lượng lớn $2200,\mu\text{F}$.

Đóng góp của đồ án: Tác giả đã đề xuất một giải pháp bảo mật phần cứng khả thi, giá thành thấp, có thể lắp đặt trực tiếp vào các máy điện thoại analog hiện có mà không đòi hỏi phải thay đổi hay can thiệp vào kết cấu tổng đài viễn thông sẵn có. Thiết bị giải quyết triệt để vấn đề nghe lén thụ động từ các máy điện thoại đấu nối song song trên cùng một đôi dây thuê bao.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đồ án:

  • Do giới hạn về thời gian và điều kiện thực nghiệm, các tính toán và phối hợp đường dây của mạch giao tiếp mới chỉ được khảo sát cụ thể trên mức điện áp tổng đài nội bộ $V_{LINE} = 24\text{V}$ (chưa kiểm nghiệm trên toàn bộ dải biến thiên điện áp thực tế của mạng bưu điện công cộng từ $-48\text{V}$ đến $-60\text{V}$ với chiều dài cáp lớn).
  • Phương pháp đảo phổ tương tự bằng điều chế DSB quanh tần số cố định 2400 Hz cung cấp mức độ bảo mật ở mức cơ bản (chống nghe trộm trực tiếp bằng tai người hoặc máy điện thoại thông thường). Đối với các đối tượng sử dụng thiết bị phân tích phổ chuyên dụng có thể dò tìm tần số sóng mang, tín hiệu thoại vẫn có nguy cơ bị khôi phục.
  • Mạch đảo phổ tương tự còn nhạy cảm với sai lệch tần số sóng mang giữa hai đầu phát - thu; nếu hai bộ dao động không hoàn toàn đồng pha và đồng tần số, âm thanh tái tạo sẽ bị biến dạng âm sắc.

Hướng nghiên cứu tiếp:

  • Thay thế các điện trở phân cực cố định $R_{24}, R_{25}$ bằng mạch điều chỉnh thích nghi tự động hoặc biến trở đa vòng để thiết bị có thể tương thích linh hoạt với nhiều hệ thống tổng đài và chiều dài đường dây khác nhau.
  • Tích hợp vi điều khiển để thay đổi tần số sóng mang đảo phổ ngẫu nhiên theo một khóa mã hóa số động (Frequency Inversion with hopping/scrambling code), làm tăng tính bảo mật trước các thiết bị giải mã phổ chuyên dụng.
  • Nghiên cứu ứng dụng các bộ xử lý tín hiệu số (DSP) chuyên dụng để chuyển đổi sang phương pháp bảo mật số hoàn toàn (như đảo bit PCM hoặc mã hóa dữ liệu thoại số), kết hợp các thuật toán trải phổ hiện đại khi công nghệ vi mạch cho phép.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và thực tiễn chuyên sâu cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện tử Viễn thông và Kỹ thuật Truyền thông: Tài liệu cung cấp toàn bộ chu trình phân tích, tính toán và thiết kế một hệ thống phần cứng tương tự hoàn chỉnh từ khâu ghép nối đường dây (Line Interface), xử lý tín hiệu âm tần, điều chế cân bằng đến thiết kế khối nguồn ổn áp đối xứng.
  • Người nghiên cứu và thiết kế mạch giao tiếp đường dây thuê bao (SLIC - Subscriber Line Interface Circuit): Cung cấp phương pháp thiết kế chi tiết bằng linh kiện rời rạc cho các khối chức năng quan trọng: mạch tạo tải giả DC $300,\Omega$ duy trì dòng vòng $20\text{mA}$, mạch tạo nguồn dòng giả, kỹ thuật cách ly chống quá áp/đảo cực và mạch Hybrid chuyển đổi 2 dây/4 dây khử trắc âm dùng khuếch đại thuật toán.
  • Ứng dụng vi mạch tương tự chuyên dụng: Hướng dẫn chi tiết cách cấu hình và tính toán phân cực cho vi mạch điều chế cân bằng MC1496 và Op-amp TL082 trong các bài toán dời tần, điều chế DSB/SSB và tạo dao động sóng sin cầu Wien ổn định biên độ bằng Diode Zener.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao máy điện thoại không bị tổng đài ngắt cuộc gọi khi chuyển sang chế độ bảo mật (Scramble)?

Khi chuyển sang chế độ Scramble, Relay đóng làm hở mạch máy điện thoại khỏi đường dây. Để tổng đài không hiểu nhầm là thuê bao đã gác máy (On-hook) và tự động ngắt kết nối, tác giả đã thiết kế mạch tạo tải giả gồm Transistor $Q_2$ (2N2222), điện trở $R_{28} = 6.8,\text{k}\Omega$, $R_{29} = 180,\Omega$ và tụ $C_{12} = 2.2,\mu\text{F}$. Mạch tải giả này thay thế máy điện thoại tiêu thụ một dòng tĩnh một chiều $I_{DC} \approx 20\text{mA}$ từ tổng đài và duy trì trở kháng một chiều $R_{DC} \approx 300,\Omega$, giữ cho tổng đài luôn nhận biết thuê bao đang ở trạng thái đàm thoại (Off-hook).

2. Nguyên nhân tác giả không lựa chọn phương pháp trải phổ (DSSS, FHSS) hoặc chèn bit để thi công mạch?

Trong Chương II, tác giả đã phân tích: Phương pháp trải phổ (DSSS dùng BPSK hoặc FHSS) và phương pháp chèn bit đòi hỏi cấu trúc máy thu rất phức tạp. Bên thu bắt buộc phải có các khối bắt đồng bộ và bám đồng bộ tần số/pha cực kỳ chính xác để tách mã trải phổ hoặc tách bit chèn; ngoài ra phương pháp chèn bit còn làm chậm tốc độ truyền và tăng xác suất lỗi bit ($BER$). Do điều kiện thời gian và yêu cầu thiết kế một mạch điện tử tương thích trực tiếp với đường dây analog sẵn có, phương pháp đảo phổ tương tự bằng vi mạch cân bằng được lựa chọn vì tính khả thi và độ phức tạp phần cứng vừa phải.

3. Cặp Opto 4N35 mắc song song ngược cực trong mạch giao tiếp giữ vai trò gì?

Cặp Opto 4N35 mắc song song ngược cực tại ngõ vào đường dây có hai nhiệm vụ then chốt: thứ nhất, đóng vai trò cảm biến trạng thái nhấc máy nhờ dòng vòng đường dây chạy qua kích sáng photodiode; thứ hai, việc mắc song song ngược cực giúp mạch tự động dẫn thông bất kể cực tính của điện áp trên đường dây $a$ và $b$ từ tổng đài tới bị đấu ngược, đồng thời cách ly hoàn toàn điện áp tĩnh và các xung quá áp đột biến từ đường dây để bảo vệ an toàn cho khối vi mạch xử lý phía sau.

4. Bộ dao động sóng mang sử dụng cấu hình mạch nào và có thông số thiết kế ra sao?

Bộ dao động sóng mang được thiết kế theo cấu hình cầu Wien sử dụng một nửa vi mạch Op-amp TL082C để tạo tín hiệu sóng sin có tần số $f_0 = 2400\text{Hz}$ và biên độ đỉnh tối thiểu 12V. Mạch sử dụng các nhánh $RC$ với giá trị chuẩn $R = 6.8,\text{k}\Omega$ và $C = 0.01,\mu\text{F}$. Vòng hồi tiếp âm gồm điện trở $R_1 = 510,\Omega$, biến trở tinh chỉnh $R_{F1} = 2,\text{k}\Omega$ (chọn làm việc ở $1,\text{k}\Omega$), kết hợp cùng cặp Diode Zener 5.6V mắc đối đầu để ổn định độ lợi mạch khuếch đại ở mức $A_v = 3$, chống bão hòa xén ngọn tín hiệu sin.

5. Vi mạch MC1496 đảm nhận chức năng gì và nhận tín hiệu sóng mang tại chân số mấy?

Vi mạch tích hợp MC1496 là mạch điều chế và giải điều chế cân bằng dải tần rộng (hỗ trợ sóng mang lên tới 300 MHz). Trong đồ án, MC1496 thực hiện nhân tín hiệu thoại băng gốc với sóng mang hình sin 2400 Hz để tạo ra tín hiệu đảo phổ song biên không mang (DSB) ở đầu phát và thực hiện giải điều chế khôi phục tín hiệu gốc ở đầu thu. Tín hiệu sóng mang dao động nội từ bộ dao động cầu Wien được cấp trực tiếp vào chân số 8 của vi mạch MC1496.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mạch bảo mật điện thoại" của tác giả Đinh Minh Vũ đã giải quyết thành công bài toán bảo vệ an toàn thông tin đàm thoại trên mạng điện thoại analog bằng giải pháp phần cứng đảo phổ tương tự dời tần DSB. Bằng việc kết hợp hài hòa giữa cơ sở lý thuyết toán học (biến đổi Fourier, định lý lấy mẫu Shannon) và kỹ thuật thiết kế mạch tương tự (vi mạch cân bằng MC1496, Op-amp TL082, mạch chuyển mạch bán dẫn), tác giả đã chế tạo một hệ thống giao tiếp thuê bao hoàn chỉnh có khả năng đóng/ngắt tự động, tạo tải giả và nguồn dòng giả chuẩn xác. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi cao trong việc nâng cao tính bảo mật cho các thiết bị đầu cuối viễn thông analog mà không cần can thiệp hay thay đổi hạ tầng mạng tổng đài hiện hành.