thiết kế bộ bảo mật điện thoại

Tài liệu tham khảo đồ án tốt nghiệp chuyên ngành viễn thông thiết kế bộ bảo mật điện thoại

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của nghành Điện Tử, sự ra đời của nhiều công nghệ mới được ứng dụng vào nghành Kỹ Thuật Viễn Thông đã giúp cho nghành Viễn Thông có sự tiến bộ đáng kể Hệ thống thông tin liên lạc đã được nâng cao, sử dụng đa năng, hiệu quả và chính xác, nhanh chóng để đáp ứng nhu cầu phục vụ đời sống con người Nhưng một vấn đề được đặt ra cho việc thông tin liên lạc là việc bảo mật thông tin truyền đi

Được sự giúp đỡ và hướng dẫn của bạn bè, thầy cô em đã tìm hiểu về vấn đề thông tin liên lạc trong điện thoại để từ đó tìm ra phương pháp bảøo

mật thông tin Đây là lý do để em thực hiện đề tài: “THIẾT KẾ BỘ BẢO

MẬT ĐIỆN THOẠI“

Do khả năng kiến thức còn hạn chế và khả năng thực tiễn chưa sâu nên tập luận văn không tránh khỏi thiếu sót Vì vậy, em mong sự góp ý chân thành cuả qúy Thầy Cô và bạn bè để đề tài ngày càng hoàn thiện hơn.

Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Sinh viên thực hiện

Nguyễn Văn Sinh

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến các Thầy Cô trong khoa Điện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, đặc biệt là các Thầy Cô trong bộ môn Điện Tử đã truyền thụ những kiến quý báo cho em trong những năm học qua.

Em xin chân thành cảm ơn Thầy Tạ Công Đức, giảng viên Trường

Đại Học Kỹ Thuật TP HCM đã hết lòng quan tâm giúp đỡ, cung cấp tài liệu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tập luận văn này.

Xin chân thành cảm ơn những người bạn, những người thân đã giúp đỡ và động viên trong quá trình làm luận văn.

PHẦN A

DẪN NHẬP

I ĐẶT VẤN ĐỀ:

Với xu thế hiện đại hóa và định hướng phát triển nền KH-KT nước

nhà, chúng tôi những sinh viên ngành Điện – Điện Tử phải có nhiệm vụ hoàn thiện về mọi mặt, đặc biệt về kiến thức chuyên môn Theo xu thế chung đó, sự phát triển của ngành Điện Tử đã cho ra đời nhiều công nghệ mới được áp dụng vào ngành Viễn Thông, đã giúp cho ngành Viễn Thông có sự tiến bộ đáng kể Hệ thống thông tin liên lạc đã được nâng cao, sử dụng đa năng, hiệu qủa và nhanh chóng chính xác để đáp ứng nhu cầu đời sống con người.

Trong qúa trình liên lạc thông tin thì một vấn đề quan trọng được đặt ra đó là việc thông tin truyền đi có được an toàn và giử kín hay không Đây

chính là nguyên nhân để người thực hiện đề tài thiết kế BỘ BẢO MẬT ĐIỆN

II GIỚI HẠN VẤN ĐỀ:

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều hình thức truyền thông tin như: thư từ, phát thanh, truyền hình, báo chí, điện thoại, điện tín, fax, … Hệ thống thông tin bằng diện thoại là phương thức thông tin liện lạc tiện lợi, hữu hiệu nhất và sử dụng rộng rãi nhất Cho nên, trong luận văn, người thực hiện đề tài chỉ chọn việc bảo mật thông tin giữa hai máy điện thoại

Bảo mật điện thoại là cách thức bảo vệ cuộc đàm thoại giữa hai thuê bao, ngăn cản người nghe lén trên hệ thống mạng điện thoại công cộng Mạch bảo mật điện thoại không thể phát hiện đường dây có an toàn hay không nhưng có tác dụng biến đổi tín hiệu thoại thành một tín hiệu khác hoàn toàn Chỉ có thuê bao bị gọi với thiết bị khôi phục thích hợp mới nghe được Như vậy an toàn thông tin trên đường dây điện thoại sẽ được bảo đảm

Vì thời gian thực hiện đề tài có 6 tuần nên người thực hiện đề tài chia đề tài làm các phần sau:

PHẦN A : DẪN NHẬP PHẦN B : LÝ THUYẾT PHẦN C : THIẾT KẾ

PHẦN D : MỤC LỤC –TÀI LIỆU THAM KHẢO –KẾT LUẬN HƯỚNG PHÁT TRIỂN

III MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU:

Thông qua việc thực hiện đề tài “THIẾT KẾ BỘ BẢO MẬT ĐIỆN

THOẠI” đã giúp cho người thực hiện đề tài hiểu rõ một lĩnh vực mới về Viễn

Thông, đó là nguyên lý và cách thức hoạt của tổng đài điện thoại để từ đó người thực hiện mới tìm ra phương pháp cho việc bảo mật trong điện thoại.

Cũng như củng cố và hiểu sâu hơn về kiến thức đã học như:

• Các phương pháp điều chế – giải điều chế.

• Các vấn đề về mạch dao động.

• Các vấn đề về mạch lọc.

IV THỂ THỨC NGHIÊN CỨU:

Việc thực hiện “BỘ BẢO MẬT ĐIỆN THOẠI” có 2 phương pháp:

• Bảo mật kiểu tương tự.• Bảo mật kiểu số.

IV.1 Bảo mật kiểu tương tự:

* Ưu điểm:

Mạch hoạt động hoàn toàn tự động Sau khi thuê bao gác máy, mạch bảo mật luôn hoạt động ở chế độ bình thường sẵn sàng nhận cuộc gọi hay thực hiện cuộc gọi.

* Khuyết điểm:

- Thiết kế mạch phức tạp vì cần mạch Hybrid và mạch điều khiển.- Máy mắc song song có thể nghe được tín hiệu thoại nếu điều chỉnh

sóng mang thích hợp.

IV Bảo mật kiểu số:

*Ưu điểm:- Lắp ráp đơn giản.- Mạch gọn nhẹ.

- Không dùng mạch điều khiển Relay *Khuyết điểm:

- Do tần số lấy mẫu phải lớn hơn hai lần tần số âm thanh cao nhất và tần số trung tâm khi đảo phổ bằng ¼ tần số lấy mẫu nên:

+ Nếu tần số lấy mẫu lớn hơn kéo theo tần số trung tâm lớn điều này làm phổ sau khi đảo có biên trên loại ra ngoài băng thông thoại, kết quả là âm thanh sau khi giải điều chế bị mất thành phần tần số thấp.

+ Nếu tần số lấy mẫu nhỏ thì tần số tín hiệu âm thanh cao nhất phải nhỏ để không bị méo, nghĩa là tần số âm thanh cao bị xén.- IC CODEC rất hiếm trên thị trường và giá thành cao.

Qua các ưu điểm và khuyết điểm của từng mạch bảo mật người thực hiện đề tài chọn BỘ BẢO MẬT ĐIỆN THOẠI KIỂU TƯƠNG TỰ.

PHAÀN B

LYÙ THUYEÁT

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ BẢO MẬT THÔNG TIN

I.1 Mục đích bảo mật thông tin:

Trong xã hội loài người, thông tin liên lạc luôn giữ vai trò quan trọng Đó là nhu cầu thiết yếu không thể thiếu được của đời sống con người Thông tin liên lạc bao trùm mọi lãnh vực hoạt động của xã hội Xã hội càng tiến bộ nhu cầu về thông tin liên lạc càng gia tăng cả về số lượng lẫn chất lượng.

Cùng với đà phát triển của xã hội và sự tiến bộ phát triển nhanh chóng của kỹ thuật và nhất là công nghệ điện tử tin học thì thông tin được truyền đi với nhiều hình thức như: truyền thanh, truyền hình, thông tin thoại, số liệu, fax, … Việc nghiên cứu để truyền thông tin đi đã là một công việc khó nhưng để đảm bảo thông tin truyền đi được an toàn bí mật càng khó hơn Trước đây việc bảo mật thông tin chỉ được ứng dụng trong quân sự, an ninh quốc gia Xã hội càng tiến bộ nhu cầu về đời sống tinh thần ngày cao, con người đòi hỏi cần phải được bảo mật thông tin liên lạc cá nhân với nhau Việc bảo mật được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau tuỳ thuộc vào hình thức truyền khác nhau.

Trong luận văn tốt nghiệp chỉ xét đến việc bảo mật thông tin giữa hai máy điện thoại với nhau Hai điện thoại liên lạc với nhau thông qua tổng đài Nếu là tổng đài tự động thì thông tin được bảo mật còn nếu việc thông thoại được thực hiện thông qua thông thoại viên thì thông tin liên lạc không còn bảo mật nữa Mặt khác, mỗi điện thoại đều được cấp một đôi dây từ tổng đài đến Cho nên khi mắc một máy điện thoại song song thì thông tin liên lạc bị nghe lén.

Như vậy vấn đề được đặt ra là phải bảo mật thông tin cho dù có bị nghe lén Điều này được thực hiện bằng bộ bảo mật:

Điện thoại A

Bộ bảo mậtĐiện

Bộ bảo mật

TỔNG ĐÀI

I.2 Giới thiệu các phương pháp bảo mật:

Việc bảo mật thông tin được thực hiện với nhiều phương pháp khác

nhau như:

I.2.1 Phương pháp trải phổ:

Trải phổ là một kỹ thuật biến điệu và phân đường nhằm phân phối tín hiệu cùng dãy tần số của chúng trên một dãy tần số rất rộng.

BRF : băng thông trước khi trải BD : băng thông sau khi trải Có 2 loại trải phổ cơ bản:

- FH (Fequency Hopping) : Tần số sóng mang của máy phát được thay đổi một cách ngẫu nhiên ở tốc độ cao hơn tần số của dữ liệu nhị phân nối tiếp dùng biến điệu sóng mang.

- DS (Direct Sequence): Dữ liệu nhị phân nối tiếp được trộn với mã nhị phân giả ngẫu nhiên với tần số hơn rồi đem biến điệu pha một sóng mang.

Ứng dụng:

- Truyền dữ liệu vô tuyến.- LAN vô tuyến.

- Modem máy tính cá nhân.

Ưu điểm: khó có thể nhận biết sự tồn tại của tín hiệu vì tín hiệu lẫn dưới nền nhiễu, dù biết sự tồn tại của tín hiệu nhưng vẫn không thu được tín hiệu nếu không biết qui luật trải phổ.

I.2.2 Phương pháp dời, đảo phổ:

Phương dời, đảo phổ được thực hiện bằng hai cách:

I.2.2.1 Điều chế biên độ:

f

Tín hiệu tin tức: em = Emcosωmt

Sóng cao tần được truyền đi trong không gian gọi là sóng mang ec = Ecsinωct

Khi được điều chế biên độ thì: eAM= Ec(1+mcosωmt)sinωct

Trong đó m = Em / Ec :hệ số điều chế

eAM= Ecsinωct + mEc/2.[sin(ωc+ωm)t] + mEc/2.[sin(ωc-ωm)t ]

Sóng mang : Ecsinωct Sóng biên trên : (mEc/2)sin(ωc+ωm)t Sóng biên dưới : (mEc/2)sin(ωc-ωm)t

Kế tiếp các tín hiệu âm thanh này được lấy mẫu với tấn số lấy mẫu Fs (Fs>2 tần số âm thanh cao nhất) Tần số phải thỏa mãn điều kiện của định lý lấy mẫu để tín hiệu khôi phục không bị méo, công việc được thực hiện bằng bộ CODEC.

Sau khi lấy mẫu ta được những chuỗi 8 xung nối tiếp nhau, thực hiện đảo xung dấu (Xung đầu trong chuỗi 8 xung) luân phiên ở các mẫu có nghĩa là theo sau 7 mẫu xung số trước đó không bị đảo dấu và cứ tiếp tục như thế, …

ωmmin ωmmax

eAM

Ở đầu máy thu tín hiệu số được biến đổi nhờ bộ CODEC và đưa qua mạch lọc thông dải tái tạo âm thanh giống như ở đầu máy đài phát dải Kết quả: sau khi làm như thế sẽ được tín hiệu có phổ đảo ngược với tần số trung tâm bằng Fs/4.

I.2.2.3 Phương pháp chèn bit:

Đây là phương pháp chèn thêm một số bit vào bộ mã kí tự được truyền đi Nhằm mã hoá bộ mã kí tự được truyền theo phương pháp nào đó Công việc này được thể hiện ở nơi phát tín hiệu.

Ngược lại ở nơi thu sẽ cắt bỏ những bit chèn vào làm công việc mã hóa tín hiệu truyền đi, để còn lại bộ mã kí tín hiệụ cơ bản để rồi giải mã lấy lại tín hiệu thực giống như tín hiệu cần truyền ở nơi phát.

Đường dây xoắn đôi 22 đi từ tổng đài đến máy điện thoại khá dài nếu tại một điểm bất kỳ trên đường dây này ta mắc một máy điện thoại song song (paralell) với thuê bao thì kết quả sẽ ra sao? Kết quả là máy paralell sẽ nghe được toàn bộ thông tin của thuê bao trong khi đang liên lạc với bất kỳ thuê bao nào đó.

Như vậy vấn đề đặt ra là làm sao bảo mật được thông tin khi đường dây bị mắc paralell Điều này thực hiện bởi mạch BẢO MẬT MÁY ĐIỆN THOẠI.

Mạch bảo mật máy điện thoại ta dùng phương pháp lập mã và giải mã tự động có thể thực hiện bằng cách điều chế và giải điều chế SSB để có được hai biên tần như đã nói, biên tần dưới có phổ đảo ngược Ta loại bỏ biên tần trên để lấy biên tần dưới Muốn tái tạo ở đầu thu ta giải điều chế SSB Hay nói một cách khác bảo mật máy điện thoại là làm công việc dời tất cả các tần số cao của tín hiệu tiếng nói xuống tần số thấp và ngược lại tất cả các tần số thấp của tín hiệu tiếng nói lên tần số cao Việc dời tần số này dựa vào tần số trung tâm của tín hiệu (tần số gốc của tín hiệu), ở đây tần số trung tâm là 1790Hz Ví dụ phần tiếng nói có tần số ở 2290Hz (500Hz cao hơn tần số trung tâm), tần số này sẽ được dời lui tới 1290Hz (500Hz cao hơn tần số trung tâm) Nếu giọng nói thay đổi, có tần số 2790Hz (1000Hz cao hơn tần số trung tâm), thì sẽ dời lui tới 790Hz (1009Hz thấp hơn tần số trung tâm) Kết quả, tín hiệu đã được làm sai lệch, để nghe được tín hiệu ban đầu ở máy phát ta phải làm công việc ngược lại như trên.

I.3 Lựa chọn phương pháp thi công:

- Mạch gọn nhẹ.

- Không dùng mạch điều khiển Relay *Khuyết điểm:

- Do tần số lấy mẫu phải lớn hơn hai lần tần số âm thanh cao nhất và tần số trung tâm khi đảo phổ bằng ¼ tần số lấy mẫu nên:

+ Nếu tần số lấy mẫu lớn hơn kéo theo tần số trung tâm lớn điều này làm phổ sau khi đảo có biên trên loạt ra ngoài băng thông thoại, kết quả là âm thanh sau khi giải điều chế bị mất thành phần tần số thấp.

+ Nếu tần số lấy mẫu nhỏ thì tần số tín hiệu âm thanh cao nhất phải nhỏ để không bị méo, nghĩa là tần số âm thanh cao bị xén.- IC CODEC rất hiếm trên thị trường và giá thành cao nên trong luận

án này ta kiểu thi công là tương tự Ở phương pháp tương tự ta dùng điều chế SSB

CHƯƠNG II : GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TỔNG ĐÀI ĐIỆN THOẠI

II.1 Tổng đài điện thoại: II.1.1 Định nghĩa:

Tổng đài điện thoại là một hệ thống chuyển mạch, nó có nhiệm vụ kết nối các cuộc liên lạc từ thiết bị đầu cuối chủ gọi (Calling side) đến thiết bị cuối (Called side)

II.1.2 Cấu trúc mạng điện thoại:

Các thành phần chính cuả mạng điện thoại chuyển mạch công cộng được phân cấp như hình vẽ:

H II.1 Cấu trúc mạng điện thoại

Đường chọn cuối

Trung kế có độ sử dụng cao

Để giải quyết định tuyến, trong phân lớp chuyển mạch tuỳ theo cuộc gọi nội hạt, liên tỉnh trong nước hay ngoài nước mà người ta qui định mã số máy của người sử dụng, mã tổng đài đầu cuối, mã tỉnh hay mã từng nước khác nhau theo những mã số khác nhau:

Các thuê baoTrung tâm miền

Một người sử dụng đầu cuối là thuê bao nhà hoặc công sở trực tiếp nối đến tổng đài đầu cuối (nội hạt) của mạng điện thoại còn được gọi là tổng đài lớp 5 hoặc trung tâm điện thoại nội hạt (C.O) Các người sử dụng đầu cuối thường được nối đến C.O qua một đôi dây xoắn đơn hoặc được gọi là đường dây thuê bao (C.O:central office)

Các trạm cấp 4 (tổng đài đường dài) có thể đáp ứng 2 chức năng: + Là một chuyển mạch đường dài, tổng đài cấp 4 là một phần của mạng đường dài, nói cách khác, một tổng đài lớp 4 có thể hoạt động như một chuyển mạch chuyển tiếp để nối các tổng đài lớp 5 này khi có đủ lưu lượng thông tin giữa các tổng đài để điều chỉnh các trung thế trực tiếp.

+ Các chuyển mạch của tổng đài chuyển tiếp nội hạt cũng có thể chuyển mạch điều khiển lưu thông vượt tràn trên các trung kế trực tiếp giữa các tổng đài đầu cuối Sự phân biệt giữa các chuyển mạch đường dài và chuyển mạch chuyển tiếp trở nên đặc biệt quan trọng dần đến kết quả là phân ly các nguồn thông tin trong mạng

Việc định tuyến giữa các C.O phải luôn luôn đảm bảo số tổng đài càng ít càng tốt để giảm đến tối thiểu chi phí tuyến dẫn lưu lượng Tuyến thực được chọn sẽ phụ thuộc vào các yếu tố như khoảng cách giữa 2 C.O, mức lưu lượng của mạng hiện tại và vào thời gian của ngày Nếu hai người sử dụng được nối vật lý đến cùng C.O thì cuộc gọi chỉ cần thông qua một tổng đài duy nhất Ở những nơi mà hai thuê bao được nối đến các trung tâm điện thoại nội hạt khác nhau và hai tổng đài lớp 5 được nối đến một tổng đài lớp 4 thì trung tâm đường dài đó có thể thực hiện cuộc nối.

Khi các C.O ở cách xa nhau thì sử dụng các tổng đài khác, mặc dù các tổng đài lớp 5, 4 hoặc 3 không cần luôn luôn nối qua cấp chuyển mạch cao hơn tiếp theo Một chuyển mạch lớn có thể tạo ra tất cả các chức năng chuyển mạch lớn thấp hơn Ví dụ một tổng lớp 5 có thể được đáp ứng bằng một tổng đài của lớp 4, 3, 2 hoặc 1.

Hình II.1 chỉ ra cấu trúc tuyến chọn cuối (sơ cấp) được bổ sung bằng một cấu trúc định tuyến luân phiên Để tối thiểu hóa các tải lưu lượng lớn ở các cấp mạng cao hơn và sự suy giảm tín hiệu khi tuyến gồm nhiều trung kế có độ sử dụng cao giữa các tổng đài lớn bất kỳ, ở đó hiệu chỉnh một cách kinh tế

II.1.3 Băng thông và độ rộng băng thông:

Trước khi phân tích yêu cầu tuyến dẫn tiếng nói của con người, đầu tiên ta phải xác định độ rộng của băng tần liên quan đường thuê bao điện thoại.

Ta đã biết tần số của một tín hiệu tương tự là số các sóng hình Sin hoàn chỉnh được gởi đi trong mỗi giây và được đo bằng số chu kỳ trên giây Băng thông của một kênh là khoảng tần số có thể truyền kênh đó Độ rộng băng tần đơn thuần là độ rộng băng thông.

Tiếng nói của con người có thể tạo ra những âm trong băng thông khoảng 50 đến 15.000 Hz (15 kHz) với độ rộng băng tần 14,95Khz Tai người có thể nghe được các âm thanh nằm trong băng thông 20 Hz-20.000Hz

(độ rộng băng tần là 19,98Khz)

Băng thông của đường thuê bao nội hạt khoảng từ 300Hz-3.400Hz Điều này có thể làm ngạc nhiên nếu coi rằng tiếng nói của con người tạo nên các âm thanh giữa 50Hz-15.000Hz

Trong thực tế, đường thuê bao không phải để dành mang chọn tín hiệu tương tự bất kỳ nào mà được tối ưu cho tiếng nói của con người nằm trong băng thông khoảng 200Hz-350Hz Đây là khoảng tần số chứa phần lớn công suất, như vậy băng thông 300Hz-3.400Hz là thích hợp để truyền tiếng nói của con người có chất lượng.

Lý do chủ yếu để mạng điện thoại sử dụng băng tần 3,1Khz hẹp thích hợp hơn so với toàn bộ băng tần tiếng nói 15Khz là vì băng hẹp cho phép nhiều cuộc đàm thoại được truyền đi một kênh vật lý duy nhất Đây là một vấn đề thực tế quan trọng cho các trung kế nối các tổng đài chuyển mạch điện thoại Các bộ lọc và các cuộn dây phụ tải trong mạng sẽ cắt các tín hiệu tiếng nói dưới 300Hz-3.400Hz trên cuộc nối còn khả năng truyền các tần số cao hơn nhiều.

II.2.Phân loại tổng đài:

II.2.1.Phân loại theo công nghệ:

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, tổng đài điện thoại ngày càng phù hợp với yêu cầu phát triển của xã hội Quá trình nâng cao hoạt động của tổng đài trải qua các loại như sau:

II.2.1.1.Tổng đài công nhân:

Tổng đài công nhân ra đời từ khi mới bắt đầu hệ thống thông tin điện thoại Trong tổng đài việc định hướng thông tin được thực hiện bằng sức người Nói cách khác, việc kết nối thông thoại cho các thuê bao (máy điện thoại) được thực hiện trực tiếp bằng con người (gọi là điện thoại viên) Nhiệm vụ cụ thể của điện thoại viên bao gồm:

-Nhận biết yêu cầu thuê bao gọi của yêu cầu thuê bao bằng tín hiệu đèn báo hoặc chuông kêu, đồng thời định vị được thuê bao gọi.

-Trực tiếp hỏi thuê bao gọi có nhu cầu thông thoại với thuê bao nào.

-Trực tiếp rung chuông cho thuê bao đối phương (thuê bao bị gọi) bằng cách đồng bộ chuyển mạch cung cấp dòng điện AC đến thuê bao đối phương.

-Trong trường hợp thuê bao đối phương (đối phương đang đàm thoại), điện thoại viên trả lời cho thuê bao gọi biết.

-Khi thuê bao gọi đối phương nhấc máy, điện thoại viên nhận biết điều này và ngắt dòng chuông, rút phích cắm của thuê bao và cắm phích cắm của thuê bao bị gọi, cho phép hai thuê bao thông thoại Công việc tiếp theo của điện thoại viên là giám sát cuộc đàm thoại

-Nếu một trong hai thuê bao gác máy, điện thoại viên nhận biết điều này và cắt thông thoại, báo cho thuê bao còn lại biết cuộc đàm thoại đã chấm dứt.

Tổng đài công nhân đầu tiên là tổng đài từ thạch công nhân Trong tổng đài này, các cuộc đàm thoại đều thiết lập bởi điện thoại viên tiếp dây bằng phích cắm hay khóa di chuyển Tại ngay tổng đài và thuê bao có một máy phát điện riêng để gọi chuông và nguồn DC để cung cấp cho cuộc đàm thoại Sau đó tổng đài công nhân phát triển theo một bước phát triển mới: tổng đài công nhân điện Trong tổng đài này, các thuê bao chỉ có một nguồn duy nhất đúng chung cho tất cả các máy.

*Nhược điểm của tổng đài công nhân: -Thời gian kết nối lâu.

-Dễ bị nhầm lẫn.

-Với dung lượng lớn, kết cấu và thiết bị của tổng đài phức tạp và có nhiều điện thoại viên làm việc cùng một lúc mới đảm bảo thông thoại cho các thuê bao liên tục.

II.2.1.2.Tổng đài tự động:

Việc phát triển từ tổng đài công nhân sang tổng đài tự động là một bước tiến quan trọng cho tổng đài thông tin điện thoại Người ta chia tổng đài tự động ra làm hai loại:

-Tổng đài cơ điện -Tổng đài tự động.

1.Tổng đài cơ điện:

Kỹ thuật chuyển mạch trong tổng đài cơ điện nhờ vào các bộ chuyển mạch cơ khí, được điều khiển bằng các mạch điện tử, bao gồm:

-Chuyển mạch quay tròn -Chuyển mạch từng nấc.

-Chuyển mạch ngang dọc

Trong tổng đài cơ điện, việc nhận dạng thuê bao gọi, xác định thuê bao bị gọi, cấp âm hiệu, kết nối thông thoại đều được thực hiện một cách tự động nhờ các mạch điều khiển bằng điện tử cùng với các bộ chuyển mạch bằng cơ khí So với tổng đài nhân công tổng đài cơ điện có những ưu điểm lớn:

-Thời gian kết nối nhanh hơn, chính xác hơn -Dung lượng tổng đài có thể tăng lên nhiều -Giảm nhẹ công việc của điện thoại viên.

*Tuy nhiên tổng đài cơ điện có một số nhược điểm sau: -Thiết bị cồng kềnh

-Tốn nhiều năng lượng -Điều khiển kết nối phức tạp.

Các nhược điểm này càng thể hiện khi dung lượng khá lớn

2.Tổng đài điện tử:

Trong các tổng đài điện tử,các bộ chuyển mạch gồm các linh kiện bán dẫn, vi mạch dùng với các relay, analog switch được điều bởi các mạch điện tử, vi mạch Trong tổng đài điện tử, các bộ chuyển mạch bằng bán dẫn thay thế các bộ chuển mạch cơ khí của tổng đài cơ điện làm cơ cấu của tổng đài gọn nhẹ đi nhiều,thời gian kết nối thông thoại nhanh hơn, năng lượng tiêu tán ít hơn Tổng đài điện tử có ưu điểm lớn là có thể tăng dung lượng lớn mà thiết bị không phức tạp lên nhiều.

II.2.2.Phân loại theo cấu trúc mạng điện thoại:

Hiện nay trên mạng viễn thông có 5 loại tổng đài sau:

-Tổng đài cơ quan PABX (Private Automatic Branch Exchange) :được dùng trong cơ quan,khách sạn và chỉ sử dụng cho trung kế CO-line.

-Tổng đài nông thôn RE (Rural Exchange): được sử dụng ở các xã, khu dân cư đông, các chợ… và có thể sử dụng các loại trung kế.

-Tổng đài nội hạt LE (Local Exchange): được đặt ở các trung tâm huyện tỉnh và sử dụng các loại trung kế.

-Tổng đài đường dài TE (Toll Exchange): dùng để kết nối tổng đài nội hạt tỉnh với nhau, chuyển mạch các cuộc gọi đường dài trong nước không có thuê bao nào.

-Tổng đài các cửa ngõ quốc tế (Gate Exchange): tổng đài này được dùng chọn hướng và chuyển mạch cuộc gọi vào mạng quốc tế Để nối các mạng quốc gia với nhau có thể chuyển quá giang các cuộc gọi.

II.3 Máy điện thoại:

Bất cứ máy điện thoại nào cũng phải hoàn thành các chức năng sau: -Báo hiệu cho người sử dụng điện thoại biết hệ thống tổng đài đã sẵn sàng hay chưa sẵn sàng tiếp cuộc gọi Chức năng này thể hiện ở chỗ phải báo hiệu cho người sử dụng điện thoại bằng âm hiệu mời quay số hay âm hiệu báo bận.

-Phải gởi được mã số thuê bao bị gọi vào tổng đài Điều này được thực hiện bằng cách quay số hay nhấn phím.

-Chỉ dẫn cho người sử dụng biết tình trạng diễn biến kết nối bằng các âm hiệu hồi âm chuông hay báo bận.

-Báo hiệu cho người sử dụng biết thuê bao đang bị gọi thường là bằng tiếng chuông.

-Chuyển đổi tiếng nói thành tín hiệu điện truyền đi đến đối phương và chuyển đổi tín hiệu điện từ đối phương đến thành tiếng nói.

-Có khả năng báo cho tổng đài khi thuê bao nhấc máy -Chống tiếng gọi lại, tiếng keng, tiếng clic khi phát xung số.

-Ngoài ra người ta còn chú ý đến tính năng tự dộng điều chỉnh mức âm thanh nghe, nói Tự động điều chỉnh nguồn nuôi, phối hợp trở kháng với đường dây Chức năng này trước kia chưa được chú ý lắm, vì vậy trong thực tế xảy ra tình trạng nếu đường dây thuê bao gắn máy nói nghe lớn và ngược lại Máy ấn phím được chế tạo cacù bộ nghe nói mà hệ số khuếch đại có thể thay đổi tỷ lệ nghịch với đường dây.

Ngoài chức năng trên người ta còn chế tạo các máy điện thoại có khả năng sau:

-Gọi bằng số rút gọn -Nhớ số thuê bao đặc biệt.

-Gọi lại tự động: khi gọi một thuê bao nào đó mà thuê bao này bị bận, ta có thể đặt máy trong khi số thuê bao vừa được lưu trữ trong bộ nhớ máy điện thoại Sau đó ta nhấn một nút tương ứng, số điện thoại vừa gọi này được phát đi, hoặc sau thời gian nào đó dù không nhấn nút gọi thì số điện thoại này cũng tự động phát đi, khi thuê bao rảnh thì máy tự động reo chuông từ hai phía

Các thông số và giới hạn máy điện thoại:

II.4 Trung kế: II.4.1 Định nghĩa:

Trung kế là đường dây liên lạc giữa hai tổng đài

H II.2

II.4.2 Các loại trung kế:

• Trung kế CO-Line (Central Office Line)

H II.3

- Kết nối hai dây cáp.

- Sử dụng đường dây thuê bao của tổng đài khác làm trung kế cuả tổng đài mình.

- Có chức năng như máy điện thoại (nhận khung quay số).

• Trung kế tự động 2 chiều E & M (Ear And Mouth Trunk)

H II.4- Kết nối dây trên bốn dây Cable.- Hai dây để thu tín hiệu thoại.- Một dây để thu tín hiệu trao đổi.- Một dây để phát tín hiệu trao đổi.

- Các tín hiệu trao đồi gồm: chiếm, quay số, xác nhập, thiết lập cuộc gọi, tính cước.

II.5 Vòng nội bộ – Các âm hiệu của tổng đài:

II.5.1 Vòng nội bộ:

Tổng Đài A

E

H II.5 Đường Tip và Ring của vùng nội bộ

Vòng nội bộ của thuê bao là một đường hai dây cân bằng nối với đất với đài cuối, một nguồn chung của đài cuối cung cấp 48VDC cho mỗi vòng thuê bao Hai dây dẫn được nối với Tip và Ring (thuật ngữ dùng để mô tả Jack điện thoại).

Đường Ring có điện thế –48VDC đối với Tip, Tip được nối đất (chỉ đối với DC) ở đài cuối.

II.5.2 Nguyên lý làm việc của tổng đài:

Khi thuê bao nhấc máy (off-hook): làm đóng tiếp điểm chuyển

mạch tạo nên một dòng điện khoảng (20-80)mA chạy trong vòng thuê bao Ở chế độ off-hook, điện thế DC rơi trên đường dây giữa Tip và Ring khoảng 4VDC ở thiết bị đầu cuối thuê bao.

• Tổng đài nhận biết thuê bao nhấc máy thông qua sự thay đổi điện trở mạch vòng Bình thường khi thuê bao ở vị trí gác máy, điện trở của thuê bao rất lớn (hở mạch), khi thuê bao nhấc máy, điện trở DC của mạch vòng giảm xuống còn khoảng 150-1500Ω (thường là 600Ω)• Khi đài cuối phát hiện off-hook, cấp âm hiệu mời quay số (Dial Tone)

được cấp cho thuê bao đồng thời nhận các số của vòng thuê được gọi Âm hiệu Dial-Tone là tín hiệu hình sin liên tục có tần số f=425±25Hz

• Khi thuê bao nhận biết được tín hiệu dial tone người gọi sẽ hiểu được: được phép quay số Người gọi bắt đầu quay số hoặc ấn phím chọn số (đối với máy điện thoại ấn phím loại phát xung) tổng đài nhận biết các số được quay nhờ vào các chuỗi xung quay số được phát ra từ thuê bao của người gọi.

H II.6 Chuỗi xung quay số

CO 48 VDC

TR

Khi quay số bằng DTMF, các số chọn bởi các chuyển mạch bằng nút bấm và một tần số riêng được phát đồng thời với mỗi số.

H II.8 Tín hiệu busy tone (tín hiệu báo bận).

Tổng đài nhận biết các số do thuê bao gọi gởi đến và nhận xét:nếu số đầu nằm trong tập thuê bao của tổng đài, thì tổng đài sẽ phục vụ như một cuộc nội đài Nếu số đầu không phụ thuộc không nằm trong tập thuê bao của tổng đài thì tổng đài phục vụ như một cuộc liên đài, qua trung kế và gởi toàn bộ định vị quay số sang tổng đài đối phương đã giải mã – nếu số đầu là các giải mã đặc biệt, tổng đài sẽ thực hiện các chức năng đó để phục vụ yêu cầu của thuê bao Thông thường đối với các loại tổng đài nội bộ có dung lượng nhỏ từ vài chục đến vài trăm số, có thêm nhiều chức năng đặc biệt làm cho chương trình phục vụ cho các thuê bao thêm phong phú, tiện lợi cho người sử dụng, làm tăng khả năng khai thác và sử dụng tổng đài.

• Nếu thuê bao không bận thì tổng đài sẽ cấp chuông cho thuê bao với điện áp AC tứ 70-110V; với tần số f = 16 - 25Hz và chu kỳ nhịp với 3s có và 4s không.

1209Hz 1336Hz 1447Hz 1633Hz

0,5s0,5s

H II.8 Tín hiệu chuông 90VAC/25Hz

• Khi thuê bao bị nhấc gọi máy tổng đài nhận biết trạng thái nhấc máy này, tiến hành cắt dòng chuông cho thuê bao bị gọi một cách kịp thời để tránh hư hỏng cho thuê bao Đồng thời tổng đài cũng cắt âm hiệu Ring back tone cho thuê bao gọi và tiến hành nối kết thông thoại cho hai thuê bao.

• Khi hai thuê bao đang thông thoại mà có một thuê bao gác máy, tổng đài nhận biết trạng thái gác máy này cắt thông thoại cho cả hai thuê bao, cấp âm hiệu busy tone cho thuê bao còn lại, giải tỏa link cho các cuộc đàm thoại khác Khi thuê bao còn lại gác máy tổng đài cắt âm hiệu báo bận cho thuê bao, xác nhận trạng thái gác máy, kết thúc chương trình phục vụ cho thuê bao.

H II.9 Tín hiệu Ring back tone

Như chúng ta đã biết, tất cả mọi hoạt động nêu trên của tổng đài điện tử đều được thực hiện một cách hoàn toàn tự động Nhờ vào các mạch điều khiển điện tử, ngoài ra điện thoại viên có thể trực tiếp theo dõi toàn bộ hoạt động của tổng đài ở mọi điểm nhờ vào các bộ chỉ báo, chỉ thị (hiệu thị) và điện thoại viên có thể trực tiếp điều khiển tổng đài thông qua các thao tác trên bàn phím, hệ thống công tắc… Các hoạt động điều khiển có thể gồm có nghe xen vào các cuộc đàm thoại, hội nghị điện thoại…

Tổng đài điện tử cũng có thể được điều khiển bởi một máy điện toán nếu như tổng đài được thiết kế liên kết với máy điện toán Chính điều này giúp làm tăng khả năng khai thác và sử dụng hệ thống điện thoại lên rất nhiều.

3s

CHƯƠNG III : ĐIỀU BIẾN – GIẢI ĐIỀU BIẾN

Điều biến tín hiệu gốc là biến đổi tín hiệu này ra một sóng có mang nội dung thông tin của tín hiệu gốc Sóng có mang thông tin gọi là sóng đã điều biến.

Việc điều biến nhằm hai mục đích:

- Cho sóng đã điều biến thõa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc Sóng truyền được tin gọi là sóng mang hay tải tin.

- Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một môi trường.

Có nhiều kỹ thuật điều biến tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi trường truyền.

Tín hiệu gốc em= Emcosωmt

em : điện áp tức thời tín hiệu điều biếnCÁC HỆ THỐNG

ĐIỀU CHẾ

Em : biên độ cực đại tín hiệu điều biến ωm= 2πfm : tần số gốc tín hiệu điều biến fm : tần số tín hiệu điều biến

Sóng cao tần có thể truyền được trong gian gọi là sóng mang hay tải tin.

ec= Ecsinωct

ec : điện áp tức thời của sóng mang Ec : biên độ cực đại của sóng mang ωc=2πfc : tần số gốc của sóng mang fc : tần số của sóng mang

Khi sóng đã điều biến biên độ thì : e=Ec(1+mcosωmt)sinωct

m=Em/Ec : hệ số điều chế

III.1.2 Phổ tần – bề rộng phổ tần:

Ta có:

e=Ec(1+mcosωmt)sinωct

e=Ecsinωct+mEc/2[sin(ωc+ωm)t]+mEc/2[sin(ωc-ωm)t]

mEc/2[sin(ωc+ωm)]t : sóng biên trên mEc/2[sin(ωc-ωm)]t : sóng biên dưới Ecsinωct : sóng mang Phổ sóng điều biên:

BW : bề rộng dãi tần (băng thông) BW = (ωc+ωm ) – (ωc-ωm)

= 2ωm

fc-fm fc fc+fm

BW

BW = (fc+fm) – (fc-fm) = 2fm

III.1.3 Sự phân bố công suất trong sóng đã điều biến:

Hình vẽ phổ sóng đã điều biến bởi tín hiệu em=Emcosωmt cho thấy sự phân bố điện áp trong sóng Điều này cho thấy công suất được phân bố theo tỷ lệ bình phương của các giá trị điện áp là mEc/2,Ec,mEc/2.

Công suất sóng mang:

Công suất mỗi sóng biên:

Công suất của sóng đã điều biến:

Công suất được phân bố thành các thành phần:

H.III.3

lsf: tần số biên dưới

usf: tần số biên trên

Ta thấy công suất được phân bố cho các tần số biên lệ thuộc vào hệ số điều chế m.

III.2 Đơn biên SSB (Single sideband):

III.2.1 Định nghĩa:

fc-fm fc fc+fm Pc =Ec2 /2R

Plsf =m2 /4Pc Pusf =m2 /4Pc

Ta biết tin tức chỉ chứa trong biên tần,nên chỉ cần truyền đi một

biên tần là đủ thông tin về tin tức Qúa trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần gọi là điều chế đơn biên Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng, do đó có thể nén toàn bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi.

AM và SSB

Một số ưu điểm của điều chế đơn biên (SSB) so với điều biên: -Độ rộng dải tần giảm đi một nữa

Bởi vậy trong cùng một dải tần số thì số đài có thể bố trí tăng gấp đôi -Hiệu suất rất cao Đối với điều chế AM:

Khi m =1

Đối với điều chế đơn biên : Phữu ích = Pbt = PSSB Xét hệ số lợi dụng công suất :

KAM=1/3 và KSSB=1 khi m =1 KAM=1/9 và KSSB=1 khi m =0,5

Vậy khi m càng nhỏ thì máy phát đơn biên càng có công suất hữu ích lớn hơn nhiều lần so với Phữu ích của máy phát điều biên.

-Do DSSB≤ 2DAM nên đối với các loại nhiễu nói chung (S/N)SSB>(S/N)AM và riêng đối với nhiễu trắng (nhiễu có cường độ như nhau) thì (S/N)SSB≥ (S/N)AM.Như vậy để máy phát AM và SSB có cùng S/N ta phải tăng PAM lên hai lần.

-Do hiện tượng pha đỉnh trong truyền sóng mà tần số sóng mang fo có thể bị suy giảm Đối với mát thu AM khi thu có lúc m >1 sẽ gây ra hiện tượng méo do quá điều chế Nếu pha đỉnh rất lớn làm mất hẳn tần số sóng mang thì máy thu AM sẽ không thu được gì Còn đối với máy thu SSB pha đỉnh làm suy giảm hay triệt tiêu tần số sóng mang không gây ra ảnh hưởng gì.

-Đối với tín hiệu AM trong dải sóng ngắn, do sự phân tán của đặc tuyến pha mà xảy ra sự chia pha các dao động trong dải biên Điều đó làm méo tín hiệu truyền và làm giảm biên độ điện áp ở đầu vào bộ tách sóng của máy

31==

thu AM Tổn hao công suất ở đầu ra, do đó được đánh giá là 50% Còn đối với tín hiệu SSB thì mọi tin tức đều được phát trong một dải biên nên không có hiện tượng chia pha.

-Dùng tín hiệu SSB sẽ thực hiện được sự bảo mật tốt, do nếu không biết tần số sóng mang thì sẽ không thu được tin tức Do vậy máy phát và máy thu SSB được sự dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự.

Tuy có nhiều ưu điểm nhưng do yêu cầu kỹ thuật khá cao như mạch lọc dải phải rất hẹp và có dốc đứng, việc tạo ra tần số sóng mang fc trong máy thu phải rất chính xác mới không gây ra méo tín hiệu… nên máy phát và máy thu SSB có cấu tạo phức tạp hơn so với máy phát và máy thu AM Bởi vậy nó chỉ dùng trong các máy phát thông tin chuyên dụng.

III.2.2 Các phương pháp điều chế đơn biên:

Phương pháp đầu tiên để tạo ra tín hiệu đơn biên SSB là từ tín

hiệu điều biên AM người ta dùng bộ lọc dải để tách một biên tần cần thiết ra Nhưng do yêu cầu chất lượng cao nên bộ lọc dải rất phức tạp Bởi vậy người ta sử dụng hai phương pháp tạo tín hiệu SSB khác: phương pháp quay pha và

phương pháp lọc pha.

Nhưng hai phương pháp này lại tạo ra một số sản phẩm không cần

thiết như thành phần tần số sóng mang fc,dải biên thứ hai…

Mặt khác hai phương này không thể tạo ra bộ điều chế có chỉ tiêu kỷ thuật cao và ổn định, bởi vậy nó cũng ít được dùng Ngày nay phương pháp tạo tín hiệu SSB được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp tổng hợp: tạo tín hiệu SSB bằng các tần số sóng mang khác nhau Đặc biệt là khi bộ lọc thạch anh ra đời thì phương này được sử dụng rộng rãi nhất Ta sẽ lần lược xét các phương pháp tạo tín hiệu SSB khác nhau

a.Phương pháp lọc :

Điều chế cân bằng

Bộ lọc dải

hẹp

ec

H.III.3 Sơ đồ khối và phổ tín hiệu của phương pháp lọc

Tín hiệu điều chế em và tải tin ec được đưa vào bộ điều chế cân bằng(ĐCCB).Sau khi qua bộ ĐCCB ta thu được hai dải biên(DSB) Sau đó dùng bộ lọc dải ta sẽ thu được biên trên hoặc biên dưới Nhưng do ωm<<ωc nên ωc±ωm rất gần ωc vì vậy việc lọc lấy rất khó khăn Ta xét tỉ số lọc:

∆ : một nữa khoảng cách giữa cần lọc và tần số cho qua

Ta thấy X càng lớn, càng dể lọc có nghĩa là tần số sóng mang càng gần đến tần số điều chế càng dễ lọc Trong thực tế,ta chọn tần số trung gian nằm trong khoảng (100 – 500Khz) vì ở dải tần số này ta có bộ lọc thạch anh và bộ lọc cơ điện rất tốt Sau đó để chuyển tần số trung lên tần số tải tin ta dùng thêm một vài bộ ĐCCB và bộ lọc ở dải tần số khác nhau Mỗi lần lọc thì tỉ số X lớn hơn nên dể lọc hơn Phương pháp đó gọi là phương pháp tổng hợp tần số.

b Phương pháp tổng hợp:

ω1-ωmmax ω1-ωmmin ω1+ωmmin ω1+ωmmax

2ωmmin

H.III.4 Sơ đồ khối và phổ tín hiệu theo phương pháp tổng hợp

Bộ lọc 1 thường rất là bộ lọc thạch anh hay bộ lọc cơ điện chất lượng cao vì ∆ rất nhỏ Tần số sóng mang thứ 2 có f1>>fc và ∆ = ω1+ωmmin khá lớn nên dể lọc hơn Vì vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản Nếu f2 chưa ở trong dải tần số làm việc thì ta lại dùng đổi tần lần thứ 2, dùng bộ ĐCCB 3 Bộ lọc 3 cũng đơn giản như bộ lọc 2 vì ∆ lớn:

∆ = ω1+ω2+ωmmin

Cứ thế cho đến khi nào ta được tần số làm việc fc

c.Phương pháp quay pha:

H.III.5 Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp quay phaV4

ω2-ω1-ωmmaxω2-ω1-ωmmin ω2 ω2+ω1+ωmmin ω2+ω1+ωmmax

Mạch Tổng

ĐCCB IIDi Pha

VIIVI

Tín hiệu âm tần Vm và tải tin Vωc trước khi đưa vào bộ ĐCCB II được di pha một góc 900 Còn tín hiệu âm tần Vm và tải tin Vωc được đưa thẳng vào bộ ĐCCB I tín hiệu ở đầu ra của 2 bộ ĐCCB sẽ qua bộ tổng (hoặc hiệu) và ở đầu ra của bộ tổng (hoặc hiệu) là tín hiệu đơn biên SSB.

Phương pháp quay pha được thực hiện ở ngay dải tần số làm việc Ơû đầu ra ở bộ ĐCCBI ta nhận được:

Ở đầu ra bộ ĐCCBII ta nhận được :

Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được : VSSB= Vωc.Vmcos(ωc-m)t

Đây chính là biên tần dưới của SSB.Nếu ta thay mạch tổng bằng mạch hiệu ta sẽ được biên tần trên

Phương phàp này có thể mở rộng cho trường hợp hệ thống điều chế có số lượng bộ điều chế n≥3, lúc đó có thể có n mạch quay pha

Biểu thức trên chỉ đúng khi hai bộ ĐCCB hoàn toàn giống nhau để VI,VII có biên độ như nhau và hai bộ di pha phải tạo ra di pha chính xác (đúng 900) Nếu không ở đầu ra ta sẽ thu được hai biên tần Đây là một khó khăn lớn vì thực hiện quay pha chính xác đối với một tín hiệu có dải tần rộng không phải đơn giản.Vì vậy phương này ngày nay ít được sử dụng.

00

H.III.6 Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp lọc và quay pha kết hợp

Ta chọn tải tin thứ nhất có tần số dao động

Để dể dàng lọc lấy thông dưới

Đây chính là biên tần trên của tín hiệu SSB Nếu ta thay bộ tổng bằng bộ hiệu ta sẽ thu được biên tần dưới Phương pháp này không cần dùng mạch quay pha đối với tín hiệu điều chế nên dễ thực hiện hơn.

ĐCCB ILọc Thông dưới 1

ĐCCB III

Di Pha 900

Dao Động

ω2 Di Pha 900

ĐCCB II Lọc Thông Dưới 2 ĐCCB IV

Mạch TổngDao Động

VSSB

CHƯƠNG IV : NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG CỦA BỘ KHUẾCH ĐẠI THUẬT TOÁN (OP-AMP)

IV.1 Khái niệm :

Bộ khuếch đại thuật toán và các bộ khuếch đại thông thường về cơ

bản không có sự khác nhau Cả hai loại này đều dùng để khuếch đại điện áp,dòng điện hoặc công suất Trong khi tính chất của bộ khuếch đại thông thường phụ thuộc vào kết cấu bên trong của mạch thì tác dụng của bộ khuếch đại thuật toán có thể thay đổi được và chỉ phụ thuộc vào các linh kiện mắc ở mạch ngoài Để thực hiện được điều đó, bộ khuếch đại thuật toán phải có độ khuếch đại rất lớn, trở kháng vào rất lớn và trở kháng ra rất nhỏ.

Bộ khuếch đại thuật toán được biểu diễn như hình vẽ H.IV.1 Trong đó:

V+,I+:điện áp và dòng điện ngõ vào không đảo V-,I- :điện áp và dòng điện ngõ vào đảo

Vd :điện áp vào hiệu

Bộ khuếch đại thuật toán khuếch đại hiệu điện áp:Vd=V+-V- ,với hệ số khuếch đại Ao>O Do đó, điện áp sẽ là :

Vo=AoVd=Ao(V+-V-) (IV.1)

Nếu V-= 0 thì Vo=AoV+, lúc này điện áp ra đồng pha với điện áp vào V+ vì vậy người ta gọi cửa (+) là cửa vào không đảo hoặc cửa vào thuận của bộ khuếch đại thuật toán.

Nếu V+=0 thì Vo=-AoV-, dấu trừ thể hiện điện áp ra ngược pha với điện áp vào nên người ta gọi cửa (-) là cửa vào đảo của bộ khuếch đại thuật toán.

Ngoài ra, một bộ khuếch đại thuật toán thường có 3 tính chất để trở thành một OP-AMP lý tưởng:

-Độ lợi vô hạn

-Trở kháng vào vô cùng lớn -Trở kháng ra bằng 0

Theo lý thuyết, nếu op-amp có độ lợi vô hạn thì một điện áp ngõ vào cực nhỏ thì ngỏ ra tương ứng phải có điện áp ra lớn vô hạn Thực sự thì độ lợi cũng không thể nào vô hạn,ngay cả trường hợp độ lợi rất lớn cũng không thể có Tuy nhiên, nếu nó đúng khi ngõ vào rất nhỏ sẽ tạo điện áp ngõ ra đến gần giá trị cực đại (dương hay âm) Trong thực tế, chúng ta ít khi được như vậy mà

V+ ,I+

V0 ,I0V- ,I- -

+

thường dùng thêm những điện trở bên ngoài nối với Op-Amp để tạo ra những độ lợi mà chúng ta mong muốn Những độ khuếch đại như mong muốn, những điện trở tạo ra độ lợi giảm thông qua tín hiệu hồi tiếp.

IV.2 Mạch cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán:

Khi dùng bộ khuếch đại thuật toán, người ta dùng hồi tiếp âm mà không dùng hồi tiếp dương, vì hồi tiếp dương làm cho bộ khuếch đại thuật toán làm việc ở trạng thái bảo hòa Hồi tiếp âm làm giảm độ khuếch đại nhưng làm cho bộ khuếch đại thuật toán làm việc ổn định Trong một số trường hợp, người ta dùng cả hồi tiếp âm lẫn hồi tiếp dương nhưng lượng hồi tiếp âm phải lớn hơn lượng hồi tiếp dương.

IV.2.1 Mạch khuếch đại không đảo:

Phương trình Kirchoff I ở ngõ vào V+ VI=V+

Phương trình Kirchoff I ở ngõ vào V

Theo tính chất của OP-AMP0

••

IV.2.2 Mạch khuếch đại đảo:

H.IV.3

Phương trình Kirchoff I cho ngõ vào V+ V+ = 0

Phương trình Kirchoff II cho ngõ vào V

Theo tính chất của OP-AMP

− −−

••

IV.3 Các thông số của bộ khuếch đại thuật toán:

Trong thực tế có bộ khuếch đại thuật toán lý tưởng, để đánh giá bộ khuếch đại thuật toán thực so với bộ thuật toán lý tưởng, người ta căn cứ vào các tham số của nó

1. Hệ số khuếch đại hiệu A0:

H.IV.4 Đặc tuyến hàm truyền đạt của BKĐTT

Điện áp ra V0 chỉ tỷ lệ với Vd trong dải điện áp Vomin ÷ Vomax nào đó (hình.IV.4), dải điện áp này gọi là dãi biến đổi điện áp ra của bộ khuếch đại thuật toán Ngoài dải đó, điện áp ra không đổi và không phụ thuộc điện áp vào, tương đương với bộ khuếch đại làm việc ở trạng thái bão hòa.

Đối với điện áp một chiều và điện áp có tần số thấp thì A0 không phụ thuộc tần số và bằng A00 =(103÷106).Khi tần số tăng đến một giá trị nào đó thì A0 giảm, ở tần số giới hạn thì A0 = A00/1,414 Vì tần số giới hạn dưới của bộ khuếch đại thuật toán fd=0, nên tần số giới hạn trên của nó đúng bằng độ rộng dãi tần.

V0

Khi tần số khuếch đại A0 giảm theo tần số giữa V0 và Vd cũng xuất hiện góc lệch pha phụ thuộc tần số Trong những điều kiện nhất định, góc lệch pha này sẽ ảnh hưởng đến tính ổn định của bộ khuếch đại thuật toán.

2.Đặc tính biên độ- tần số:

Các tần khuếch đại nằm trong bộ khuếch đại thuật toán thường có tần số giới hạn khác nhau Đặc tính tần số của bộ khuếch đại thuật toán là tích đặc tính tần số thành phần của từng tầng.

Để xét đặc tính tần số ta dùng mô hình của bộ khuếch đại thuật toán (hình.IV.6) Đây là bộ khuếch đại thuật toán gồm một tầng khuếch đại lý tưởng, có hệ số khuếch đại A0 =A00,không phụ thuộc tần số và ba khâu lọc thông thấp riêng lẻ, đặc trưng cho các điện trở và tụ điện tạp tán trong mạch Trong hình.IV.6, tam giác +1 biểu diễn các khâu ghép mạch điện không phụ thuộc tần số và có hệ truyền đạt bằng một Do đó ta có thể viết được sự phụ thuộc của A0 theo tần số:

Trong đó :fa1,fa2,fa3_ tần số giới hạn của ba khâu lọc thông thấp Theo biểu thức trên, rõ ràng A0 giảm khi tần số tăng và Ao =1 khi f=fT (fT tần số chuyển tiếp) Đồng thời khi tần số tăng thì góc lệch pha ξ giữa V0 và Vd cũng tăng về trị tuyệt đối Tóm lại có thể minh họa đặc tính biên độ_tần số và pha_tần số của bộ khuếch đại thuật toán như (hình.IV.7), trong đó giả thuyết fa1

<< fa2 << fa3 (Hình 1.4) biểu diễn đặc tính biên độ –tần số dưới dạng đồ thị Bode Ta thấy rằng ,khi f >fα1 thì hệ số khuếch đại giảm đi với độ dốc –20dB/D, tiếp khi f >fα2 và f >fα3 thì A0 lần lượt giảm với độ dốc –40dB/D và –60dB/D Mặc khác khi tần số tăng thì góc lệch pha ξ giảm Ta đặc biệt quan tâm đến góc lệch pha ξ=1800, vì lúc đó V0 và Vd ngược pha, do đó cữa thuận và cửa đảo của BKĐTT thay đổi tác dụng của nó cho nhau.

H.IV.6 Mô hình của BKĐTT

=

H.IV.7 Đặc tính biên độ-tần số của BKĐTT

3.Hệ số nén đồng pha:

H.IV.8 Quan hệ giữa điện áp ra với điện áp vào đồng pha

Nếu đặt vào cửa thuận và cửa đảo của bộ khuếch đại thuật toán một điện áp bằng nhau, nghĩa là V+=V-=Vcm≠0,thì Vd=0.Gọi Vcm là điện áp đồng pha, theo biểu thức IV.1 thì V0 = 0 Tuy nhiên thực tế không như vậy, hình H.IV.8 cho thấy mối quan hệ giữa điện áp V0 với điện áp đồng pha Vcm.Vậy theo hình cho thấy mối quan hệ giữa điện áp V0 với điện áp đồng pha Vcm có quan hệ tỷ lệ nào đó Hệ số tỷ lệ tương ứng được gọi là hệ số khuếch đại đồng pha Acm và được xác định theo biểu thức:

Log fLog f

ξ f1 f2 f3 fT

∆∆

Hệ số này nói chung phụ thuộc vào điện áp đồng pha Trong trường hợp lý tưởng Acm=0 Giá trị cực đại của điện áp vào đồng pha cho trong các sổ tay vi mạch, cho biết giới hạn của điện áp vào đồng pha, để cho hệ số khuếch đại Acm không vượt qúa giá trị đã cho Hệ số khuếch đại Acm luôn luôn phải nhỏ hơn hệ số khuếch đại Aoo

4.Hệ số nén đồng đồng pha:

Để đánh giá khả năng làm việc của bộ khuếch đại thực so với bộ khuếch đại lý tưởng (Acm=0), người ta dùng hệ số nén đồng pha CMRR, hệ số này được định nghĩa bởi biểu thức sau:

Thường thì CMRR=103÷105

Vì A0>0,Acm có thể âm hoặc dương nên CMRR cũng có thể âm hoặc dương Trị số CMRR cho trong các tài liệu kỹ thuật là tuyệt đối Khi dùng để tính, trong một số trường hợp cần phải xác định dấu của CMRR Theo định nghĩa về hệ số khuếch đại tín hiệu A00 và hệ số khuếch đại đồng pha Acm, ta có thể viết:

Cho ∆V0 = 0,thì ta rút ra được :

Biểu thức cho biết phải đặt vào một điện áp bằng bao nhiêu để bù được hiện tượng đồng pha.

cm VVA

V

Ilo = I+- I- với V+ = V- =0 (thường chọn I = 0.1It)

Dòng vào lệch không phụ thuộc nhiệt độ, do đó khi nhiệt độ thay đổi trị số của dòng lệch không thay đổi theo Hiện tượng này gọi là hiện tượng trôi dòng lệch không Để đánh gía mức trôi dòng lệch không người ta dùng hệ số nhiệt của dòng lệch không ∂Ilo/∂t0 có thứ nguyên nA/0C.

Trong BKĐTT thực ,khi V+ =V- =0 thì V0 vẫn khác không Lúc này điện áp lệch không ở đầu vào gây nên Vậy điện áp lệch không V0 là điện áp cần phải đặt giữa hai đầu vào của BKĐTT để cho V0 =0