Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Bước vào thế kỷ XXI, mạng lưới viễn thông tại Việt Nam bước vào giai đoạn hiện đại hóa với việc tiếp nhận các công nghệ chuyển mạch và truyền dẫn tiên tiến. Tuy nhiên, trong hệ thống thông tin thoại tương tự truyền thống, hai thuê bao liên lạc với nhau thông qua một đôi dây dẫn nối từ tổng đài bưu điện đến thiết bị đầu cuối. Do đường dây truyền dẫn vật lý trải dài và không có cơ chế tự mã hóa, tín hiệu đàm thoại rất dễ bị nghe lén nếu có một máy điện thoại thứ ba mắc song song vào đường dây hoặc thông qua các thiết bị trích xuất tín hiệu trái phép. Việc bảo vệ tính riêng tư và bảo mật thông tin thoại trở thành một yêu cầu kỹ thuật cấp thiết.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:

  1. Nghiên cứu tổng quan nguyên lý hoạt động của máy điện thoại analog và các khối chức năng giao tiếp với tổng đài điện thoại.
  2. Khảo sát, phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp bảo mật tín hiệu thoại phổ biến (phương pháp trải phổ, phương pháp chèn bit số và phương pháp đảo phổ tần số).
  3. Nghiên cứu cơ sở lý thuyết toán học về tín hiệu, biến đổi Fourier, định lý lấy mẫu và nguyên lý đảo phổ âm thoại trong dải băng thông tiêu chuẩn.
  4. Thiết kế và tính toán chi tiết các khối mạch phần cứng: mạch giao tiếp đường dây thuê bao với tổng đài (mạch tải giả, mạch nguồn dòng thay thế, mạch điều khiển chuyển mạch bảo mật), mạch tiền khuếch đại, mạch biến đổi hybrid 2 dây sang 4 dây, bộ dao động sóng mang và mạch điều chế cân bằng thực hiện chức năng mã hóa/giải mã tín hiệu thoại.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Tín hiệu âm tần tiếng nói trong dải tần số thoại tiêu chuẩn 300 Hz – 3400 Hz; các mạch điện tử xử lý tín hiệu analog và khối chuyển mạch giao tiếp đường dây thuê bao.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài giới hạn trong phạm vi thiết kế thiết bị bảo mật thoại tương tự ghép nối giữa máy điện thoại và đường dây tổng đài (xét cụ thể trên đường dây tổng đài nội bộ có điện áp nguồn 24 VDC và chuẩn tổng đài công cộng 48 VDC). Đồ án tốt nghiệp được hoàn thành vào tháng 02 năm 2001 tại Bộ môn Điện tử, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và mô hình kỹ thuật được tác giả sử dụng bao gồm:

  • Lý thuyết xử lý tín hiệu liên tục và rời rạc: Hàm phân bố lược Dirac $\mathrm{III}(t) = \sum_{n=-\infty}^{+\infty} \delta(t - nT)$, biến đổi Fourier thuận $X(\omega) = \int_{-\infty}^{+\infty} x(t) e^{-j\omega t} dt$ và 8 tính chất cơ bản của phổ (tính thực - lẻ/chẵn, đối xứng, tuyến tính, đồng dạng thang thời gian - tần số, dịch chuyển trong miền thời gian, dịch chuyển trong miền tần số và tích chập trong miền tần số).
  • Định lý rời rạc tín hiệu (định lý lấy mẫu Kotielnikov - Shannon): Điều kiện khôi phục tín hiệu liên tục từ các mẫu rời rạc mà không bị méo chồng phổ với tần số lấy mẫu $\omega_s \ge 2\omega_m$ (trong dải thoại với $f_m = 3400\text{ Hz}$, tần số lấy mẫu tối thiểu $f_s \ge 6800\text{ Hz}$).
  • Nguyên lý điều chế dải biên đơn (SSB - Single Side Band) và điều chế dải biên kép triệt sóng mang (DSB - Double Side Band): Tín hiệu thoại dải nền $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ sau khi nhân với sóng mang và đưa qua bộ lọc thông dải/thông thấp sẽ tạo ra phổ tín hiệu đảo ngược quanh tần số trung tâm mà vẫn giữ nguyên độ rộng băng thông thoại.
  • Tiêu chuẩn kỹ thuật mạng điện thoại: Khuyến nghị CCITT Q.23 cho mã quay số đa tần lưỡng âm DTMF, tiêu chuẩn trở kháng danh định đường dây $600,\Omega$, dòng vòng làm việc $15\text{ mA} - 25\text{ mA}$ (dòng định mức làm việc $20\text{ mA} - 80\text{ mA}$), điện áp chuông $70\text{V} - 110\text{V}_\text{rms}$ tần số $20\text{ Hz} - 25\text{ Hz}$.

Phương pháp nghiên cứu thực tế:

  • Phương pháp phân tích - so sánh lý thuyết: Đánh giá độ phức tạp thuật toán và khả năng hiện thực hóa phần cứng giữa ba giải pháp bảo mật (trải phổ, chèn bit số và đảo phổ).
  • Phương pháp tính toán và thiết kế mạch điện tử: Tính toán chế độ tĩnh DC (phân cực transistor BJT, diode Zener, SCR, Opto cách ly) và đáp ứng động AC (phối hợp trở kháng biến áp cách ly $600,\Omega : 600,\Omega$, tần số cắt mạch lọc RC, độ lợi khuếch đại vi sai và Op-Amp).
  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật từ sổ tay linh kiện bán dẫn (datasheets) của IC điều chế cân bằng MC1496/MC1596, Op-Amp TL082/LH0005, bộ ghép quang 4N35, transistor C945, 2N2484, A1015, SCR T106D1; các giáo trình chuyên ngành Điện tử thông tin, Kỹ thuật truyền thanh và Mạch điện tử.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống bảo mật thoại được thiết kế dưới dạng một thiết bị phần cứng ngoại vi độc lập mắc xen giữa máy điện thoại thuê bao và đường dây bưu điện (LINE). Kiến trúc phần cứng bao gồm hai khối chức năng chủ đạo:

1. Khối mạch giao tiếp đường dây thuê bao và tổng đài

Khối này giải quyết bài toán duy trì trạng thái kết nối thông suốt với tổng đài khi bật chế độ bảo mật:

  • Mạch cách ly tín hiệu: Dùng 2 biến áp cách ly T1, T2 có tỷ lệ 1:1, trở kháng AC định mức $600,\Omega$ nhằm truyền tải tín hiệu âm thanh và ngăn dòng điện một chiều DC giữa hai phía.
  • Mạch cảm biến và chống đảo cực: Sử dụng cặp Opto cách ly quang 4N35 mắc song song ngược chiều ở ngõ vào đường dây. Cách bố trí này giúp mạch luôn nhận biết được dòng nhấc máy ($I_\text{loop} = 15\text{ mA} - 25\text{ mA}$) bất kể cực tính của đôi dây bưu điện bị đảo.
  • Mạch điều khiển chuyển mạch chế độ: Sử dụng hai nút nhấn cơ học thường mở S1 (chế độ Normal - đàm thoại thông thường) và S2 (chế độ Scramble - đàm thoại bảo mật). Trạng thái kích hoạt được duy trì nhờ SCR T106D1 và transistor điều khiển $Q_5$ (C945) đóng ngắt rơ-le (Relay) 5VDC ($R_\text{coil} = 50,\Omega$, dòng $100\text{ mA}$). Đi kèm cuộn dây là diode triệt xung ngược 1N4150 và tụ giải trừ điện tích $C_{11} = 1,\mu\text{F}$ giúp ngắt dứt khoát rơ-le khi chuyển từ Scramble về Normal.
  • Mạch tạo tải giả tổng đài: Khi bật chế độ bảo mật, rơ-le ngắt máy điện thoại khỏi đường dây bưu điện. Để tổng đài không hiểu lầm là thuê bao đã gác máy, mạch tải giả gồm transistor $Q_1, Q_2$ (2N2484) cùng mạch phân cực $R_{28} = 6{,}8,\text{k}\Omega$, $R_{29} = 780,\Omega$, $R_{30} = 180,\Omega$ và tụ lọc $C_{12} = 22,\mu\text{F}$ được đóng vào đường dây, ghim dòng tiêu thụ chuẩn $20\text{ mA}$ và tạo trở kháng một chiều $R_\text{DC} \approx 300,\Omega$.
  • Mạch tạo nguồn dòng giả cho máy điện thoại: Khi máy thoại bị tách khỏi nguồn cấp bưu điện, mạch nguồn dòng phụ trợ dùng transistor $Q_3, Q_4$ (A1015), diode Zener ghim áp và điện trở $R_{31} = 120,\Omega$, $R_{32} = 3{,}9,\text{k}\Omega$ cấp nguồn dòng $15\text{ mA} - 25\text{ mA}$ độc lập để mạch đàm thoại của máy điện thoại hoạt động bình thường.

2. Khối xử lý tín hiệu bảo mật và điều chế

  • Mạch tiền khuếch đại micro: Tín hiệu từ micro than (biên độ $1\text{ mV} - 10\text{ mV}$) được đưa qua tầng khuếch đại đảo dùng Op-Amp TL082 với độ lợi điện áp $A_v = 25$ ($R_\text{in} = 3,\text{k}\Omega$, $R_f = 75,\text{k}\Omega$) để đạt biên độ danh định $0{,}295\text{V}_\text{rms}$ cung cấp cho bộ điều chế.
  • Mạch biến đổi Hybrid 2 dây sang 4 dây: Sử dụng Op-Amp TL082 kết hợp mạng điện trở cân bằng và biến áp cách ly $600,\Omega : 600,\Omega$. Mạch được tính toán triệt tiêu thành phần tín hiệu nói truyền sang ống nghe của cùng một máy ($H_{TS} = 0$ khi $R_{14}R_{21} = R_{23}R_{22}$), ngăn chặn hiện tượng tự kích tiếng vọng (tiếng click và trắc âm).
  • Bộ dao động chuẩn sóng mang: Mạch dao động cầu Wien sử dụng Op-Amp TL082C, vòng hồi tiếp ổn định biên độ bằng 2 diode Zener $5{,}6\text{V}$, tạo điện áp đầu ra sóng sin ổn định xấp xỉ $12\text{V}_{p-p}$ ở tần số chuẩn để cung cấp vào chân 8 của IC điều chế.
  • Khối mã hóa và giải mã vi mạch MC1496: Sử dụng vi mạch điều chế cân bằng nhân đôi MC1496/MC1596. Tín hiệu thoại đưa vào ngõ vào vi sai chân 1 và chân 4; tín hiệu dao động sóng mang đưa vào chân 8; dòng phân cực định mức qua chân 5. Tín hiệu điều chế lấy ra tại chân 6 và chân 12. Do cấu trúc toán học của phép đảo phổ là đối xứng, mạch mã hóa ở đầu phát và mạch giải mã ở đầu thu có cấu trúc sơ đồ nguyên lý hoàn toàn giống hệt nhau.
  • Khối nguồn cung cấp hệ thống: Biến áp nguồn phối hợp bộ chỉnh lưu cầu và tụ hóa lọc nguồn dung lượng lớn $2200,\mu\text{F}$, đưa qua hai vi mạch ổn áp tuyến tính 7812 và 7912 để tạo nguồn đối xứng $\pm 12\text{V}$ (dòng định mức $0{,}5\text{A} - 1\text{A}$) nuôi Op-Amp TL082 và vi mạch MC1496, kết hợp các vi mạch họ 78xx cung cấp mức điện áp $+5\text{V}$ và $+24\text{V}$.

Bảng so sánh các phương pháp bảo mật thoại được tác giả phân tích trong đồ án:

Phương pháp Nguyên lý kỹ thuật Ưu điểm Nhược điểm / Trở ngại kỹ thuật
Trải phổ (DS-BPSK, FH-SS) Điều chế pha trực tiếp bằng chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN tốc độ cao hoặc nhảy tần số sóng mang. Mật độ phổ công suất nằm dưới mức nhiễu nền; tính bảo mật rất cao; chống nghe lén tuyệt đối. Mạch thu đòi hỏi hệ thống bám đồng bộ cực kỳ phức tạp; băng thông truyền dẫn chiếm dụng rất rộng; thi công phần cứng khó khăn.
Chèn bit số Tín hiệu thoại qua A/D, chuyển đổi song song sang nối tiếp (PISO), chèn các bit giả ngẫu nhiên theo xung TXD. Quy tắc mã hóa do người thiết kế định đoạt; mức độ bảo mật linh hoạt dựa vào số lượng bit chèn. Yêu cầu mạch thu (SIPO, D/A) phải có xung RXD đồng bộ cao độ để tách bit chèn; làm tăng tốc độ bit và suy giảm tốc độ truyền thực.
Đảo phổ (Lựa chọn của đề tài) Đảo ngược cấu trúc phổ tần số thoại $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ quanh tần số trung tâm bằng điều chế cân bằng tương tự. Băng thông tín hiệu không đổi; tai người không thể nhận biết được nội dung; cấu trúc mã hóa/giải mã đối xứng; phần cứng gọn nhẹ, khả thi. Cần mạch lọc dải biên chuẩn xác; mức độ an toàn dừng ở mức trung bình nếu đối phương nắm được tần số sóng mang đảo phổ.

Nội dung chính theo từng chương

Chương dẫn nhập

Tác giả nêu bối cảnh chuyển dịch kinh tế thị trường và sự mở cửa giao lưu khoa học kỹ thuật của Việt Nam đầu thế kỷ XXI, nhấn mạnh tầm quan trọng của lĩnh vực bưu chính viễn thông. Đặt ra vấn đề then chốt: thông tin thoại trao đổi qua mạng cáp bưu điện hai dây hoàn toàn không có khả năng chống nghe trộm khi có máy thứ ba đấu nối trung gian. Tác giả xác định giới hạn nghiên cứu tập trung vào phương pháp bảo mật bằng đảo phổ tần số tương tự, xây dựng mục đích nghiên cứu nhằm củng cố kiến thức kỹ thuật điện tử 4 năm đại học và phục vụ công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.

Chương I: Giới thiệu chung về điện thoại

Chương này tổng kết toàn diện về nguyên tắc thông tin thoại và thiết bị đầu cuối:

  • Trình bày sơ đồ khối và nguyên lý chuyển đổi năng lượng âm thanh thành dòng điện qua micro than và ngược lại qua loa ống nghe.
  • Khảo sát các thông số kỹ thuật mẫu của máy điện thoại tiêu chuẩn: độ trắc âm $> 3\text{ dB}$, tạp âm $< 40\text{ dB}$, dòng làm việc $20\text{ mA} - 80\text{ mA}$, nguồn tổng đài quy chuẩn (24 VDC đến 48 VDC), điện trở vòng chuông $1400,\Omega \pm 40,\Omega$, trở kháng nhấc máy $600,\Omega \pm 20%$, điện trở gác máy $> 20,\text{k}\Omega$, dòng chuông $90\text{V}_\text{rms}/20 - 25\text{ Hz}$, thanh áp ống nói $70 - 90\text{ dB}$, độ méo phát tổng cộng $< 50\text{ dB}$.
  • Phân tích chi tiết chức năng các khối mạch: mạch bảo vệ quá áp dùng 2 diode Zener mắc nối tiếp ngược chiều chống sét và chạm điện lực; mạch chống đảo cực dùng cầu diode 4 nhánh; bộ quay số xung và DTMF theo chuẩn CCITT Q.23 (độ rộng xung 50 ms, ngắt giữa xung 45 ms, sai số tần số $< 1{,}5%$); mạch thu chuông phân cách dòng chuông AC với dòng nuôi DC; mạch diệt tiếng kêu click loại trừ gai điện áp nhọn khi đóng ngắt; mạch tự động điều chỉnh âm lượng (AGC); mạch đàm thoại và mạch Hybrid phân tách 2 dây bưu điện thành 4 dây nội bộ.
  • Phân loại và nguyên lý chuyển mạch tổng đài: từ tổng đài nhân công chuyển mạch bằng tay của điện thoại viên, tổng đài cơ điện (chuyển mạch quay tròn Rotary, từng nấc Step-by-step, thanh ngang Crossbar) đến tổng đài điện tử điều khiển bằng máy tính có dung lượng phục vụ hàng chục ngàn thuê bao với tốc độ đóng ngắt cao.

Chương II: Các phương pháp bảo mật điện thoại

Tác giả khảo sát 3 phương pháp bảo mật thông tin thoại trên đường truyền:

  1. Phương pháp trải phổ: Phân tích kỹ thuật trải phổ trực tiếp DS-BPSK (dùng chuỗi mã giả ngẫu nhiên PN tốc độ chip $R_c$ nhân với tín hiệu số để dãn băng thông) và trải phổ nhảy tần FH-SS (nhảy tần nhanh FFH, nhảy tần chậm SFH). Chỉ ra rào cản mạch giải điều chế và bám đồng bộ pha cực kỳ phức tạp.
  2. Phương pháp chèn bit số: Khảo sát mô hình số hóa tín hiệu thoại qua A/D, ghép nối tiếp qua thanh ghi dịch PISO/SIPO để chèn bit mã hóa theo xung TXD. Đánh giá nhược điểm gây trễ, tăng tốc độ baud trên đường dây và đòi hỏi mạch đồng bộ xung đồng hồ rất khắt khe.
  3. Phương pháp đảo phổ tín hiệu: Phân tích nguyên lý đảo dải tần thoại dải nền $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$. So sánh phương pháp tương tự (điều chế đơn biên SSB triệt sóng mang) và phương pháp số (đảo bit dấu PCM). Tác giả kết luận lựa chọn phương pháp đảo phổ tương tự vì bảo toàn băng thông đường truyền, mạch mã hóa và giải mã có sơ đồ đối xứng, dễ dàng triển khai thực tế bằng các linh kiện điện tử tương tự sẵn có.

Chương III: Lý thuyết về đảo phổ tín hiệu

Chương này xây dựng nền tảng toán học cho giải pháp kỹ thuật:

  • Định nghĩa phân bố lược Dirac $\mathrm{III}(t)$ tuần hoàn chu kỳ $T$ và biểu thức giải tích của nó.
  • Phân tích biến đổi Fourier của tín hiệu thời gian $x(t)$, biểu diễn phổ biên độ $|X(\omega)|$, phổ pha $\varphi(\omega)$, phổ thực $P(\omega)$ và phổ ảo $Q(\omega)$.
  • Chứng minh và trình bày 8 định lý tính chất phổ của tín hiệu thực. Đặc biệt nhấn mạnh định lý chuyển dịch tần số $x(t) e^{\pm j\omega_0 t} \Leftrightarrow X(\omega \mp \omega_0)$ và định lý tích chập trong miền tần số.
  • Thiết lập định lý lấy mẫu Kotielnikov - Shannon trên cơ sở nhân tín hiệu thoại $x(t)$ với chuỗi xung Dirac tuần hoàn $\mathrm{III}(t)$, dẫn xuất điều kiện tần số lấy mẫu $\omega_s = 2\omega_m$ (với dải thoại $\omega_m = 3400\text{ Hz}$, chọn $\omega_s = 6800\text{ Hz}$).
  • Chứng minh toán học quá trình đảo phổ: Tín hiệu thoại qua điều chế và bộ lọc thông thấp có băng thông $\Omega_m$ sẽ tạo thành tín hiệu mới có cùng băng thông $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$ nhưng đảo ngược trật tự các thành phần tần số, làm tai người hoàn toàn không thể nhận dạng được ngữ âm.

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

Tác giả trình bày sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh và quy trình tính toán các linh kiện cho mạch giao tiếp:

  • Chọn rơ-le $5\text{V}$, trở kháng cuộn dây $R_\text{coil} = 50,\Omega$, dòng nuôi $100\text{ mA}$; chọn diode dập xung ngược 1N4150 (điện áp đánh thủng $50\text{V}$); chọn transistor kích rơ-le $Q_5$ loại C945 ($I_{C\text{max}} = 150\text{ mA}$, $P_{C\text{max}} = 150\text{ mW}$).
  • Tính toán điện trở phân cực cho $Q_5$ để bảo đảm chế độ dẫn bão hòa sâu: xác định dòng cực gốc $I_{B5} = 2\text{ mA}$, tính ra $R_{21} = 1{,}5,\text{k}\Omega$ ($0{,}25\text{W}$).
  • Tính toán mạch chỉ thị LED và kích SCR: chọn SCR T106D1 ($V_{AK} = 0{,}7\text{V}$, dòng thuận cực đại 4A); chọn LED đỏ ($V_\text{LED} = 2\text{V}$, $I_\text{LED} = 10\text{ mA}$); transistor kéo LED $Q_1$ dùng loại A1015; tính được điện trở hạn dòng LED $R_{24} = 330,\Omega$ ($0{,}25\text{W}$) và điện trở phân cực cực B của $Q_1$ là $R_{25} = 3{,}3,\text{k}\Omega$ ($0{,}25\text{W}$).
  • Tính toán mạch cách ly quang Opto 4N35: xác định dòng qua photodiode ngõ vào $I_\text{diode} = 20\text{ mA}$, điện áp sụt trên máy thoại khi nhấc máy $V_\text{thoai} = 12\text{V}$, suy ra điện trở hạn dòng $R_{22} = R_{23} = 560,\Omega$ ($0{,}5\text{W}$) ứng với điện áp đường dây tổng đài nội bộ $24\text{V}$; tính điện trở cực phát phototransistor $R_{20} = 330,\Omega$.
  • Tính toán tụ trễ chuyển mạch $C_{11}$: dựa vào phương trình phóng điện $v_C(t) = V_0 e^{-t/\tau}$, với hằng số thời gian $\tau = R_{20} C_{11}$, tính toán được $C_{11} \approx 1,\mu\text{F}$ bảo đảm rơ-le ngắt dứt khoát trước khi Opto dẫn trở lại.
  • Thiết kế mạch tải giả tổng đài: dùng transistor $Q_2$ (2N2484, $h_{FE} = 80 - 200$) ghim dòng $I_C = 20\text{ mA}$; tính toán phân cực điện trở $R_{28} = 6{,}8,\text{k}\Omega$, $R_{29} = 780,\Omega$, $R_{30} = 180,\Omega$ để đạt tổng trở DC chuẩn $R_\text{DC} = 300,\Omega$ và tổng trở AC $Z_\text{AC} = 600,\Omega$.
  • Tính chọn các tụ điện lọc và chặn DC: tính chọn tụ lọc tầng tải giả $C_{12} = 22,\mu\text{F}$ ứng với tần số cắt $f_c < 300\text{ Hz}$; chọn cặp tụ chặn DC đường truyền $C_{13} = C_{14} = 47,\mu\text{F}$ (tần số cắt dưới thực tế đạt $5{,}6\text{ Hz} \ll 300\text{ Hz}$).
  • Thiết kế mạch tạo nguồn dòng giả: tính toán transistor $Q_4$ (A1015) phối hợp diode Zener ghim áp, điện trở $R_{31} = 120,\Omega$ và $R_{32} = 3{,}9,\text{k}\Omega$ ($2\text{W}$) bảo đảm cấp dòng ổn định $20\text{ mA}$ cho máy điện thoại hoạt động ở chế độ Scramble.

Chương V: Thiết kế các khối chức năng và mạch bảo mật

Trình bày cơ sở tính toán và thiết kế các khối mạch điện tử xử lý tín hiệu thoại:

  • Khảo sát lý thuyết tầng khuếch đại vi sai (sơ đồ IC vi sai CA730), cấu trúc bên trong của bộ khuếch đại thuật toán (Op-Amp LH0005, TL082), nguyên lý hồi tiếp âm ổn định độ lợi, bù nhiệt và điều chỉnh trở kháng vào/ra.
  • Phân loại và khảo sát đặc tính tần số của các bộ lọc tích cực: lọc thông thấp (LPF), lọc thông cao (HPF), lọc thông dải (BPF), lọc chắn dải (BRF) và lọc toàn dải (All-pass filter).
  • Tính toán thiết kế bộ dao động cầu Wien: dùng Op-Amp TL082C nguồn nuôi $\pm 12\text{V}$, nhánh cầu RC có $R = 6{,}8,\text{k}\Omega$, tính điện trở nhánh hồi tiếp $R_1 = 510,\Omega$, biến trở tinh chỉnh độ lợi khởi động $R_2 = 1,\text{k}\Omega$, hạn biên bằng 2 diode Zener $5{,}6\text{V}$ để tạo sóng sin chuẩn biên độ ổn định.
  • Thiết kế mạch giải mã và mã hóa bằng vi mạch MC1496: phân tích chức năng 14 chân của IC, cấu hình mạch nhân cân bằng điều chế DSB/SSB với xung dao động đưa vào chân 8, tín hiệu thoại đưa vào vi sai chân 1 - 4, ngõ ra cân bằng chân 6 - 12.
  • Thiết kế mạch tiền khuếch đại micro dùng Op-Amp TL082 với độ lợi $A_v = 25$ ($R_\text{in} = 3,\text{k}\Omega$, $R_f = 75,\text{k}\Omega$).
  • Thiết kế mạch Hybrid tích cực dùng TL082: thiết lập các hàm truyền $H_{TL}$ (từ micro ra line), $H_{LR}$ (từ line vào loa) và $H_{TR}$ (từ micro sang loa); tính chọn $R_{21} = R_{23} = 600,\Omega$, $R_{22} = R_{24} = 10,\text{k}\Omega$ để triệt tiêu hoàn toàn trắc âm ($H_{TR} = 0$).
  • Thiết kế khối nguồn ổn áp: sử dụng vi mạch ổn áp 7812 (+12V), 7912 (-12V) dòng định mức 1A, biến áp nguồn có điện áp ra tối thiểu $28\text{V}$ đỉnh-đỉnh ($14\sqrt{2}\text{V}\text{rms}$), tụ lọc chính $C{16} = C_{18} = 2200,\mu\text{F}$ và các tụ gốm chống tự kích $0{,}1,\mu\text{F}$ tại các ngõ ra.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được:

  • Đã thiết lập hoàn chỉnh cơ sở lý thuyết toán học và tính toán tham số kỹ thuật chi tiết cho toàn bộ các linh kiện trong hệ thống bảo mật điện thoại bằng phương pháp đảo phổ tương tự.
  • Xây dựng thành công cấu trúc mạch giao tiếp đường dây tương thích hoàn toàn với tiêu chuẩn mạng điện thoại: duy trì trở kháng AC $600,\Omega$, trở kháng DC $300,\Omega$, dòng tĩnh đường dây $20\text{ mA}$; bảo đảm rơ-le chuyển mạch đóng cắt dứt khoát giữa hai chế độ Normal và Scramble mà không gây gián đoạn đường truyền của tổng đài.
  • Thiết kế hoàn chỉnh các mạch chức năng xử lý tín hiệu: khối tiền khuếch đại micro than đạt độ lợi $A_v = 25$; khối Hybrid triệt tiêu hoàn toàn thành phần trắc âm từ micro sang loa ($H_{TR} = 0$); khối dao động cầu Wien TL082C và khối điều chế cân bằng MC1496 tạo tín hiệu đảo phổ trong dải băng thông thoại $300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$.

Giải pháp tác giả đề xuất:

  • Đề xuất mô hình thiết bị bảo mật hai đầu độc lập mắc nối tiếp vào đường dây thuê bao. Khi cần bảo mật, người gọi và người nhận chỉ cần bấm phím S2 (Scramble); toàn bộ giọng nói truyền qua mạng bưu điện bị đảo phổ thành âm thanh biến dạng không thể nghe hiểu. Tín hiệu này khi đến thiết bị bảo mật ở đầu nhận sẽ được xử lý qua vi mạch MC1496 thứ hai để đảo phổ lần nữa, phục hồi lại trung thực giọng nói ban đầu.

Đóng góp kỹ thuật:

  • Đưa ra giải pháp bảo mật phần cứng tương tự nhỏ gọn, chi phí chế tạo thấp, tận dụng các linh kiện điện tử thông dụng (MC1496, TL082, 4N35, transistor thông dụng). Thiết bị có khả năng hoạt động trực tiếp trên mạng điện thoại cố định hiện hữu mà không đòi hỏi phải nâng cấp hay can thiệp vào phần cứng chuyển mạch của tổng đài bưu điện.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

  • Các tham số tính toán của mạch giao tiếp (đặc biệt là điện trở hạn dòng Opto $R_{22}, R_{23}$) được tác giả tính toán định mức trên điện áp đường dây tổng đài nội bộ $24\text{V}$; khi đưa vào mạng tổng đài công cộng $48\text{V}$ cần phải cân chỉnh lại biến trở để duy trì đúng dòng công tác $20\text{ mA}$.
  • Phương pháp đảo phổ tương tự đơn giản (inversion quanh một tần số sóng mang cố định) có mức độ bảo mật trung bình; người nghe lén có kiến thức kỹ thuật nếu dò được tần số sóng mang điều chế vẫn có thể chế tạo mạch giải mã để phục hồi tín hiệu.

Hướng phát triển tiếp theo:

  • Nâng cấp kỹ thuật đảo phổ nhiều băng tần (split-band scrambler), chia băng thông thoại thành nhiều dải hẹp rồi hoán vị động các dải tần số theo thời gian bằng vi điều khiển.
  • Ứng dụng kỹ thuật vi xử lý tín hiệu số (chíp DSP) hoặc mã hóa số hóa dữ liệu thoại (PCM, chèn bit ngẫu nhiên) để nâng cao độ an toàn bảo mật trước các thiết bị phân tích phổ hiện đại.

Giá trị tham khảo

Tài liệu là nguồn tham khảo hữu ích cho:

  • Sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Điện tử, Viễn thông, Công nghệ Kỹ thuật Phần cứng khi làm đồ án môn học hoặc khóa luận tốt nghiệp liên quan đến thiết bị đầu cuối viễn thông và xử lý tín hiệu âm tần.
  • Các kỹ sư thiết kế phần cứng mạch tương tự: đồ án cung cấp tài liệu chi tiết về quy trình tính toán phân cực tĩnh, mô hình tương đương AC/DC, kỹ thuật phối hợp trở kháng đường dây bưu điện, phương pháp thiết kế mạch tải giả và nguồn dòng thay thế.
  • Nội dung chương IV và chương V có giá trị ứng dụng cao cho việc thiết kế mạch biến đổi Hybrid 2 dây - 4 dây triệt trắc âm và mạch điều chế cân bằng sử dụng vi mạch chuyên dụng MC1496.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đồ án lựa chọn phương pháp đảo phổ tín hiệu thay vì trải phổ hoặc chèn bit số?

Phương pháp trải phổ (DS-BPSK, FH-SS) đòi hỏi băng thông truyền dẫn rất lớn và mạch bám đồng bộ pha cực kỳ phức tạp. Phương pháp chèn bit số đòi hỏi các bộ biến đổi A/D, D/A tốc độ cao và hệ thống đồng bộ xung nhịp khắt khe giữa hai đầu thu phát. Trong khi đó, phương pháp đảo phổ tín hiệu giữ nguyên băng thông tiêu chuẩn của kênh thoại ($300\text{ Hz} - 3400\text{ Hz}$), mạch mã hóa và giải mã có cấu trúc đối xứng giống hệt nhau, hoàn toàn khả thi để chế tạo bằng các vi mạch analog thông dụng như MC1496 và Op-Amp TL082.

2. Mạch tải giả trong khối giao tiếp đảm nhận vai trò gì khi kích hoạt chế độ bảo mật?

Khi nhấn phím S2 để chuyển sang chế độ Scramble, rơ-le sẽ tách máy điện thoại khỏi đường dây tổng đài để kết nối vào mạch bảo mật. Nếu không có biện pháp duy trì, tổng đài bưu điện sẽ hiểu lầm là thuê bao đã gác máy (On-Hook) do điện trở vòng tăng cao. Mạch tải giả dùng transistor $Q_1, Q_2$ (2N2484) đóng vai trò thay thế máy điện thoại, ghim dòng điện DC tiêu thụ ở mức chuẩn $20\text{ mA}$ và tạo trở kháng một chiều $R_\text{DC} \approx 300,\Omega$, giúp đường truyền tổng đài luôn được duy trì thông suốt.

3. Nguyên lý và vai trò kỹ thuật của IC MC1496 trong đồ án là gì?

IC MC1496 là vi mạch điều chế cân bằng nhân đôi (balanced modulator/demodulator). Trong đồ án, MC1496 nhận tín hiệu âm thoại tại ngõ vào vi sai (chân 1 và 4) và nhận tín hiệu sóng mang từ mạch dao động cầu Wien đưa vào chân 8. Vi mạch thực hiện phép nhân tương tự để tạo ra tín hiệu điều chế dải biên kép triệt sóng mang (DSB). Khi kết hợp với bộ lọc, tín hiệu dải biên nghịch đảo được tạo ra, làm biến đổi hoàn toàn cấu trúc phổ tần số thoại ban đầu để chống nghe trộm.

4. Mạch Hybrid dùng Op-Amp TL082 trong đồ án giải quyết vấn đề kỹ thuật nào?

Đường dây điện thoại bưu điện chỉ có 2 dây nhưng truyền nhận tín hiệu song công đồng thời, trong khi mạch bảo mật và cụm ống nghe - ống nói bên trong máy điện thoại phân tách thành 4 dây riêng biệt (2 dây nói, 2 dây nghe). Mạch Hybrid tích cực sử dụng Op-Amp TL082 phối hợp biến áp cách ly $600,\Omega : 600,\Omega$ giải quyết việc chuyển đổi giữa 2 dây và 4 dây, đồng thời mạng điện trở cân bằng giúp triệt tiêu hoàn toàn hàm truyền từ micro sang loa ($H_{TR} = 0$), loại bỏ trắc âm và chống hiện tượng tự kích tiếng rú rít trong ống nghe.

5. Vì sao cần phải thiết kế mạch nguồn dòng giả dùng transistor Q3, Q4?

Ở chế độ bảo mật, rơ-le ngắt máy điện thoại khỏi đường dây bưu điện, đồng nghĩa với việc máy thoại mất nguồn điện một chiều DC do tổng đài cung cấp để nuôi micro và mạch đàm thoại. Mạch nguồn dòng giả gồm các transistor pnp A1015 phối hợp diode Zener được thiết kế để cấp dòng nuôi DC thay thế từ $15\text{ mA}$ đến $25\text{ mA}$ cho máy điện thoại, giúp mạch đàm thoại bên trong máy thoại duy trì trạng thái hoạt động bình thường mà không bị mất nguồn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Mạch bảo mật điện thoại" của sinh viên Nguyễn Dương Ngọc Toàn (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, niên khóa 1997-2001) đã giải quyết trọn vẹn bài toán bảo vệ quyền riêng tư đàm thoại trên mạng viễn thông analog cố định bằng phương pháp đảo phổ tín hiệu tương tự. Đề tài xây dựng đầy đủ cơ sở toán học về biến đổi Fourier, định lý lấy mẫu và phân tích kỹ thuật các giải pháp bảo mật thoại. Tác giả đã hoàn thành việc tính toán chi tiết từng linh kiện phần cứng cho mạch giao tiếp đường dây thông minh (tải giả DC $300,\Omega$, nguồn dòng thay thế $20\text{ mA}$), khối tiền khuếch đại, mạch Hybrid triệt trắc âm và khối mã hóa/giải mã sử dụng vi mạch điều chế cân bằng MC1496. Công trình là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư thiết kế phần cứng viễn thông tương tự.