Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển vượt bậc của hạ tầng thông tin liên lạc, nhu cầu xây dựng mạng truyền thông nội bộ tại các cơ quan, doanh nghiệp và khách sạn ngày càng gia tăng, với hơn 80% đơn vị vừa và nhỏ yêu cầu hệ thống tổng đài có tính ổn định cao, bảo mật và tiết kiệm chi phí vận hành. Các hệ thống tổng đài cơ điện thế hệ cũ như kiểu Strowger hay thanh ngang dọc bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng về kết cấu cơ khí cồng kềnh, tiêu tốn năng lượng và chi phí bảo dưỡng đắt đỏ. Trong khi đó, việc nhập khẩu các tổng đài ngoại tuyến dung lượng lớn gây lãng phí tài nguyên và khó khăn trong công tác làm chủ công nghệ. Do đó, bài toán nghiên cứu, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống tổng đài điện tử nội bộ PABX dung lượng nhỏ trở thành yêu cầu cấp thiết của ngành kỹ thuật viễn thông.

Đề tài tập trung giải quyết mục tiêu thiết kế và hiện thực hóa hoàn chỉnh hệ thống tổng đài điện tử tự động PABX dung lượng 4 máy nhánh nội bộ và 1 trung kế kết nối mạng công cộng CO-Line. Nghiên cứu thực hiện mô hình hóa toàn diện từ khối điều khiển trung tâm vi xử lý, khối tạo âm hiệu chuẩn hóa, khối giải mã tín hiệu đa tần DTMF, ma trận chuyển mạch không gian cho đến các mạch giao tiếp ngoại vi. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian 12 tháng tại phòng thí nghiệm chuyên ngành Điện tử Viễn thông, bám sát các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia, đặc biệt là Quyết định số 1035/QĐKHCN ngày 01/08/1995 của Tổng cục Bưu điện. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cắt giảm tới 65% chi phí chế tạo phần cứng so với thiết bị nhập khẩu, đảm bảo mức tiêu thụ năng lượng dưới 2W trên một đường thuê bao, duy trì độ trễ xử lý ngắt quét trạng thái dưới 10ms và độ tin cậy kết nối đạt trên 99.8%.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu xây dựng trên nền tảng lý thuyết lấy mẫu tín hiệu của Shannon-Nyquist, quy định tần số lấy mẫu tối thiểu phải lớn hơn hoặc bằng hai lần tần số cực đại của tín hiệu tương tự để đảm bảo khả năng phục hồi nguyên dạng. Do phổ tín hiệu thoại tập trung chủ yếu trong dải tần số từ 300Hz đến 3400Hz, tần số lấy mẫu lý thuyết tối thiểu là 6.8 kHz, song trong thực tế kỹ thuật viễn thông chọn tần số lấy mẫu chuẩn hóa là 8 kHz nhằm khắc phục đặc tính lọc phi lý tưởng của các mạch lọc tương tự. Đồng thời, nghiên cứu vận dụng lý thuyết điều chế mã xung PCM kết hợp điều chế biên độ xung PAM để số hóa và chuyển đổi tín hiệu thoại, đặt tiền đề ghép nối mạng số tích hợp đa dịch vụ ISDN.

Bên cạnh đó, khung lý thuyết chuyển mạch không gian và phân chia thời gian được áp dụng để phân tích cấu trúc ma trận tiếp điểm. Với mô hình chuyển mạch nhiều tầng của mạng Clos, tổng số tiếp điểm tối ưu được tính theo công thức đạo hàm cực tiểu, giúp số tiếp điểm chỉ tăng theo tỷ lệ hàm mũ 3/2 so với dung lượng thuê bao thay vì hàm bậc hai như ma trận đơn tầng. Các khái niệm học thuật cốt lõi được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm: tổng đài nhánh tự động nội bộ PABX, đường trung kế CO-Line kết nối trung tâm viễn thông, kỹ thuật hoán đổi khe thời gian TSI, kỹ thuật quay số đa tần DTMF và trở kháng đặc tính đường dây 600 Ohm.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng mạch điện tử và lập trình nhúng thời gian thực. Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình đo kiểm trên cỡ mẫu 500 cuộc gọi thử nghiệm nội hạt và liên mạng trung kế nhằm đánh giá các chỉ tiêu âm hiệu, thời gian thiết lập kết nối và tỷ lệ suy hao. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo các khung giờ cao điểm và thấp điểm để kiểm thử độ bền tải danh định của 16 tiếp điểm khóa trên ma trận chuyển mạch.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mạch tương tự kết hợp xử lý số thời gian thực là nhằm đảm bảo tính toàn vẹn tín hiệu thoại, kiểm soát dòng tĩnh và khả năng cách ly quá áp bảo vệ an toàn cho bộ vi điều khiển. Timeline nghiên cứu 12 tháng được phân bổ thành 4 giai đoạn: 3 tháng đầu nghiên cứu lý thuyết và tiêu chuẩn TCVN; 4 tháng thiết kế sơ đồ nguyên lý các khối chức năng; 3 tháng gia công mạch in, đo kiểm dạng sóng tín hiệu và lập trình vi điều khiển 8951; 2 tháng cuối thử nghiệm liên tục 500 chu kỳ cuộc gọi và hoàn thiện đánh giá thống kê.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thiết kế và đo đạc thực nghiệm đã đem lại các kết quả định lượng cụ thể:

Thứ nhất, mạch cảm biến thuê bao và trung kế ứng dụng bộ cách ly quang Opto 4N35 cùng biến áp âm tần tỷ lệ 1:1 đem lại khả năng cách ly điện áp an toàn lên tới 1500V, triệt tiêu hoàn toàn xung sét và điện áp lạ trên đường dây vượt ngưỡng 110V. Dòng cấp nguồn DC cho máy thoại khi nhấc máy được duy trì ổn định ở mức 20mA đến 40mA từ nguồn cách ly +24V, với độ gợn sóng sơ cấp nhỏ hơn 2.5 mV.

Thứ hai, mạch tạo âm hiệu tích hợp vi mạch định thời kết hợp mạch lọc thông thấp đã tạo ra các tín hiệu âm báo chuẩn hóa ở tần số 425 +/- 25 Hz với biên độ 5V. Dial Tone hoạt động liên tục, Busy Tone có nhịp đóng ngắt chuẩn 0.5s mở và 0.5s tắt, Ringback Tone có chu kỳ 3s mở và 1s tắt. Mạch tạo chuông Ring Generator tạo ra điện áp chuông xoay chiều 75 VRMS ở tần số 25Hz, tuân thủ chính xác Quyết định số 1035/QĐKHCN.

Thứ ba, khối thu và giải mã tín hiệu DTMF sử dụng vi mạch CM8870 đạt độ nhạy thu nhận phím bấm vượt trội với thời gian hiện diện tín hiệu tối thiểu 40ms và thời gian bảo vệ chống nhiễu tGTP đạt 26ms. Tỷ lệ giải mã nhị phân chính xác đạt 99.5%, vượt trội so với cơ chế quay số xung Pulse có chu kỳ 100ms với chu kỳ chiếm dụng 33% và thời gian ngắt nghỉ giữa hai chữ số lên tới trên 500ms.

Thứ tư, khối chuyển mạch sử dụng IC ma trận tương tự CD22100 gồm 16 khóa analog độc lập, được điều khiển thông qua 4 đường địa chỉ giải mã kết hợp tín hiệu chốt Strobe từ vi điều khiển 8951, đảm bảo truyền dẫn tín hiệu âm thoại hai chiều mà không gây méo biên độ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt hiệu năng cao là sự phối hợp tối ưu giữa trở kháng xoay chiều danh định 600 Ohm +/- 10% và các mạch lọc thông dải từ 300Hz đến 3400Hz. Các kết quả đo kiểm cho thấy suy hao truyền dẫn giữa hai thuê bao nội bộ chỉ dao động từ 0 đến 8 dB, suy hao giữa thuê bao với đường trung kế từ 0 đến 3 dB, và suy hao xuyên âm ở tần số kiểm tra 1000Hz đạt mức vượt trội trên 67 dB.

Khi so sánh với các nghiên cứu tiền nhiệm về tổng đài cơ điện và tổng đài phân chia không gian thuần túy, giải pháp sử dụng vi điều khiển 8951 với chu kỳ ngắt quét polling 10ms giúp giảm 80% kích thước phần cứng, giảm 70% điện năng tiêu thụ và loại bỏ hoàn toàn các tiếp điểm cơ khí dễ mài mòn. Về mặt trình bày dữ liệu, các kết quả đo kiểm suy hao truyền dẫn qua dải tần số 300Hz đến 3400Hz có thể được trực quan hóa hiệu quả thông qua biểu đồ đường biểu diễn đáp ứng tần số, và bảng đối sánh thời gian thiết lập kết nối giữa phương pháp quay số xung Pulse và quay số đa tần DTMF để làm nổi bật ưu thế xử lý tín hiệu.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hiệu năng và mở rộng phạm vi ứng dụng của hệ thống tổng đài PABX, 4 giải pháp cụ thể được đề xuất như sau:

Một là, mở rộng kiến trúc ma trận chuyển mạch từ mô hình đơn tầng CD22100 sang cấu trúc chuyển mạch phân chia thời gian lai ghép TST hoặc ma trận nhiều tầng Clos. Mục tiêu đạt dung lượng mở rộng từ 4 máy nhánh lên 64 đến 512 thuê bao, thực hiện trong vòng 6 tháng do nhóm kỹ sư phần cứng chủ trì.

Hai là, tích hợp module xử lý giao thức thoại qua Internet VoIP chuẩn SIP bên cạnh trung kế tương tự CO-Line truyền thống. Giải pháp này hướng tới mục tiêu giảm 50% chi phí cước viễn thông đường dài liên tỉnh và quốc tế, triển khai theo lộ trình 9 tháng do các chuyên gia mạng viễn thông đảm nhiệm.

Ba là, chuyển đổi vi điều khiển điều khiển trung tâm từ kiến trúc 8-bit 8951 sang các dòng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M có tốc độ xung nhịp cao hơn. Động tác này nhằm rút ngắn chu kỳ ngắt quét trạng thái từ 10ms xuống dưới 2ms, gia tăng dung lượng bộ nhớ đệm và hỗ trợ tính năng ghi âm lời chào tự động DISA, hoàn thành trong thời gian 3 tháng bởi đội ngũ phát triển phần mềm nhúng.

Bốn là, chuẩn hóa toàn diện các khối bảo vệ chống xung sét đường dây bằng cách tích hợp tầng bảo vệ đa cấp gồm ống phóng điện khí GDT và các diode triệt xung điện áp transient suppressor, đảm bảo khả năng chịu đựng điện áp đột biến vượt trên 2000V theo tiêu chuẩn viễn thông quốc tế, giao cho bộ phận đo kiểm chất lượng thực hiện trong 4 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là nguồn tài liệu học thuật và thực tiễn giá trị cho 4 nhóm đối tượng sau:

Nhóm học viên cao học và sinh viên ngành Điện tử Viễn thông: Luận văn cung cấp toàn bộ cơ sở toán học về chuyển mạch, phương pháp tính toán tham số phân cực transistor BJT 2SC2383, 2SC945, tính toán bộ lọc thông thấp RC và thiết kế mạch nhúng điều khiển thời gian thực phục vụ các đồ án tốt nghiệp chuyên ngành.

Nhóm kỹ sư thiết kế phần cứng và hệ thống nhúng: Cung cấp sơ đồ nguyên lý chi tiết, phương pháp phối hợp trở kháng 600 Ohm, kỹ thuật cách ly quang Opto 4N35 và lưu đồ giải thuật điều khiển cuộc gọi phục vụ việc phát triển các dòng sản phẩm tổng đài nội bộ thương mại.

Nhóm cán bộ quản trị mạng viễn thông nội bộ: Giúp nắm vững cấu trúc phân cấp mạng 5 tầng, nguyên lý hoạt động của đường trung kế CO-Line, các tiêu chuẩn âm hiệu viễn thông và phương pháp chẩn đoán sự cố đường dây thuê bao tại cơ quan, doanh nghiệp.

Nhóm các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử trong nước: Là tài liệu tham khảo quan trọng để nghiên cứu quy trình nội địa hóa thiết bị chuyển mạch PABX, cắt giảm giá thành sản xuất và xây dựng các hệ thống thông tin liên lạc độc lập, an toàn thông tin.

Câu hỏi thường gặp

Tổng đài nội bộ PABX khác biệt như thế nào so với tổng đài viễn thông công cộng? Tổng đài PABX là hệ thống chuyển mạch tự động nhánh phục vụ riêng cho một cơ quan hoặc khách sạn, kết nối với tổng đài công cộng qua đường trung kế CO-Line. Trong khi tổng đài công cộng thuộc các cấp từ 1 đến 5 quản lý hàng triệu thuê bao trên diện rộng, PABX tối ưu hóa các cuộc gọi nội bộ miễn phí và kiểm soát luồng gọi ra ngoài, giúp tiết kiệm 100% cước phí đàm thoại giữa các phòng ban.

Tại sao phương pháp quay số đa tần DTMF lại thay thế hoàn toàn quay số xung thập phân Pulse? Phương pháp quay số Pulse hoạt động dựa trên cơ chế đóng ngắt cơ khí mạch dòng với chu kỳ 100ms và khoảng nghỉ giữa hai số lớn hơn 500ms nên tốc độ rất chậm. Ngược lại, kỹ thuật DTMF mã hóa mỗi phím bấm thành tổ hợp 2 tần số âm thanh chuẩn với thời gian tồn tại chỉ tối thiểu 40ms và thời gian nghỉ 60ms, giúp tăng tốc độ thiết lập cuộc gọi lên gấp 5 lần và loại bỏ hoàn toàn hiện tượng tiếp điểm cơ khí bị nảy gây sai số.

Khối giao tiếp thuê bao bảo vệ tổng đài trước sự cố quá áp đường dây bằng cách nào? Khối giao tiếp sử dụng bộ cách ly quang Opto 4N35 có điện áp cách ly lên tới 1500V để truyền tín hiệu trạng thái mà không có tiếp xúc điện trực tiếp. Kết hợp cùng biến áp âm tần tỷ lệ 1:1 và các cặp diode zener 4.7V ghim áp biên độ, mạch ngăn chặn triệt để các xung sét lan truyền hoặc hiện tượng điện áp lạ vượt quá 110V xâm nhập vào các vi mạch điều khiển trung tâm.

Tại sao tần số lấy mẫu tín hiệu âm thoại trong điều chế PCM lại được chọn là 8 kHz? Theo định lý lấy mẫu Shannon-Nyquist, dải tần tiếng nói con người từ 300Hz đến 3400Hz chỉ yêu cầu tần số lấy mẫu tối thiểu là 6.8 kHz. Tuy nhiên, các bộ lọc thông thấp tương tự trong thực tế luôn có vùng chuyển tiếp suy giảm dần thay vì cắt thẳng đứng, nên tần số lấy mẫu chuẩn hóa 8 kHz được áp dụng quốc tế để triệt tiêu hiện tượng chồng phổ và tái tạo âm thanh trung thực nhất sau khi giải mã 8-bit.

Chu kỳ ngắt quét trạng thái 10ms của vi điều khiển 8951 có đảm bảo tính thời gian thực không? Chu kỳ ngắt 10ms được tính toán tối ưu dựa trên tần số thạch anh 12 MHz của vi điều khiển 8951. Khoảng thời gian này vừa đủ nhỏ để phát hiện tức thời các thay đổi trạng thái nhấc máy, gác máy và lọc hiện tượng rung phím tiếp điểm của điện thoại, vừa đủ thời gian để CPU xử lý tuần tự 7 trạng thái của 4 thuê bao và 1 trung kế mà không xảy ra nghẽn hàng đợi lệnh.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn bài toán nghiên cứu, tính toán và chế tạo thành công mô hình tổng đài điện tử nội bộ PABX dung lượng nhỏ, mang lại những giá trị cốt lõi sau:

  • Hoàn thiện thiết kế phần cứng tích hợp vi điều khiển 8951, giải mã DTMF CM8870 và ma trận chuyển mạch CD22100 hoạt động ổn định, tiêu thụ năng lượng dưới 2W trên một đường dây.
  • Chuẩn hóa toàn diện các thông số kỹ thuật âm hiệu Dial Tone, Busy Tone và nguồn chuông 75 VRMS ở tần số 25Hz theo đúng Quyết định số 1035/QĐKHCN.
  • Đạt chỉ tiêu truyền dẫn âm thoại xuất sắc với suy hao từ 0 đến 8 dB và suy hao xuyên âm tại 1000Hz vượt ngưỡng an toàn 67 dB.
  • Đảm bảo an toàn tuyệt đối cho hệ thống vi xử lý nhờ công nghệ cách ly quang và biến áp đạt ngưỡng cách điện 1500V.
  • Xây dựng thuật toán quét ngắt polling thời gian thực chu kỳ 10ms quản lý mượt mà 7 trạng thái vận hành của từng thuê bao.

Về lộ trình tiếp theo, nghiên cứu dự kiến hoàn thiện mẫu thử nghiệm công nghiệp trong vòng 6 tháng và tích hợp giao thức truyền thông IP trong 12 tháng kế tiếp. Độc giả quan tâm và các kỹ sư viễn thông hãy tham khảo chi tiết toàn văn đề tài cùng sơ đồ thiết kế nguyên lý để ứng dụng hiệu quả vào công tác nghiên cứu và triển khai thực tế.