ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN ANH XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VƠ TUYẾN ĐẢM BẢO AN TỒN THƠNG TIN LUẬN VĂN THẠC SỸ Hà Nội, 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN ANH XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VÔ TUYẾN ĐẢM BẢO AN TỒN THƠNG TIN Ngành: Cơng nghệ Điện tử Viễn thơng Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số: 60 52 70 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS-TS BẠCH GIA DƯƠNG Hà Nội, 2011 MỤC LỤC Trang 1.1 1.1.1 1.1.2 1.1.3 1.1.3.1 1.1.3.2 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.2.1 1.2.2.2 1.2.2.3 1.3 1.3.1 1.3.1.1 1.3.1.2 1.3.2 1.3.2.1 1.3.2.2 1.3.3 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.2.1 2.1.2.2 2.2 2.2.1 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.2 2.2.3 Lời cám ơn Danh sách từ viết tắt Danh sách hình vẽ Lời nói đầu Chương 1: Điều chế Delta Điều chế PCM Lấy mẫu Lượng tử hóa Mã hóa Mã hóa nối tiếp Mã hóa song song Điều chế Delta Điều chế DPCM Điều chế Delta Điều chế Delta tuyến tính Điều chế Sigma-Delta Điều chế Delta tự thích nghi Giới thiệu IC MC34115 hãng Motorola Một số thông số IC MC34115 Mức tối đa số Các đặc tính kỹ thuật điện Mô tả cấu trúc chân cắm chức Sơ đồ chân IC MC34115 Chức chân IC MC34115 Sơ đồ mạch IC MC34115 Chương 2: Bộ tổ hợp tần số mạch vòng bám pha Mạch vòng bám pha Giới thiệu chung Mạch vòng bám pha (PLL) Bắt chập giữ chập Đặc trưng chuyển tần số sang điện áp Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha Bộ so pha Mạch nhân tương tự Mạch XOR Mạch JK Flip-Flop Tách sóng pha số Khối trộn tần Khối khuyếch đại 2 8 10 13 15 17 17 17 18 21 21 21 26 27 27 27 28 29 29 31 32 33 35 37 38 39 40 2.3 2.4 2.4.1 2.4.2 2.4.3 2.4.4 2.4.4.1 2.4.4.2 2.4.4.3 2.4.4.4 2.4.4.5 2.4.4.6 2.4.4.7 2.4.4.8 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.2.1 3.1.2.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3 3.3.4 3.3.4.1 3.3.4.2 Kỹ thuật tổ hợp tần số dùng vòng bám pha ghép nối với máy tính Giới thiệu họ IC ADF411x Họ IC ADF411x Mô tả chức chân Đặc điểm kỹ thuật họ IC ADF411x Mô tả chức mạch điện Tầng lối vào chuẩn Tầng lối vào RF Bộ chia trước (P/P + 1) Bộ chia A B Bộ chia R Bộ tách sóng pha/tần số Thanh ghi dịch 24 bit Bộ ghép bội lối tách xung đồng Chương 3: Thực nghiệm Thiết kế mạch điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi Sơ đồ bố trí chân IC MC34115 Nguyên lý hoạt động IC MC34115 Trong trường hợp IC MC34115 dùng làm mạch mã hóa Trong trường hợp IC MC34115 dùng làm mạch giải mã Sơ đồ nguyên lý IC MC34115 Sơ đồ mạch in mạch mã hóa/giải mã Delta tự thích nghi Mạch mã hóa/giải mã Delta tự thích nghi Q trình đo kết đo thử Thiết kế dao động điều khiển điện áp VCO Sơ đồ nguyên lý Sơ đồ mạch in Mạch thực tế dao động điều khiển điện áp VCO Các kết đo Thử nghiệm phát tín hiệu điều chế Delta sử dụng VCO Mơ hình thử nghiệm thu/phát tín hiệu thoại sử dụng điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi Mạch điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi Mạch dao động điều khiển điện áp VCO Đo thử kiểm nghiệm hệ thống phát mã Delta mơ hình phịng thí nghiệm Kết nối đo thử Kết đo Kết luận Tài liệu tham khảo 41 43 43 45 47 50 50 50 50 51 51 51 52 53 55 55 55 56 56 57 58 59 60 60 64 64 64 65 67 73 73 73 73 73 76 77 79 80 DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ABP Anti-Backlash Width Điều khiển độ rộng xung ASK Amplitude-shift keying Điều chế biên độ CLK Clock Xung đồng CML Current-Mode Logic Dòng chế độ logic CMOS DPCM Complementary Metal-Oxide Semiconductor Continuously Variable Slope Delta Modulation Different Pulse Code Modulation Chất bán dẫn oxyde kim loại bù Điều chế Delta độ dốc thay đổi liên tục Điều chế xung mã vi sai DDS Direct Digital Synthesis Bộ tổ hợp số trực tiếp LE Load Enable Cho phép tải LPD Lock Detect Precision Phát khố xác PAM Pulse Amplitude Modulation Điều chế xung biên độ PCM Pulse Code Modulation Điều chế xung mã PFD Phase Frequency Detector Bộ so sánh pha - tần PLL Phase Lock Loop Vòng bám pha TTL Transistor-Transistor Logic VCO Voltage Controlled Oscillator CVSD Bộ dao động điều khiển điện áp DANH SÁCH HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 1.6 Hình 1.7 Hình 1.8 Hình 1.9 Hình 1.10 Hình 1.11 Hình 1.12 Hình 1.13 Hình 1.14 Hình 1.15 Hình 1.16 Hình 1.17 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hệ thống truyền dẫn PCM Mạch tạo xung lấy mẫu PAM Minh hoạ q trình lượng tử hóa Bộ mã hóa đếm Bộ mã hóa nối tiếp Bộ mã hóa song song Bộ phát/thu DPCM Bộ dự đoán dùng DPCM Sơ đồ nguyên lý hệ thống truyền thông dùng điều chế Delta tuyến tính Minh hoạ tín hiệu khảo sát hệ thống truyền thông dùng điều chế Delta Bộ điều chế Delta Sơ đồ khối hệ thống điều chế Delta Sigma Bộ điều chế giải điều chế Delta Sigma Sơ đồ khối điều chế./giải điều chế sử dụng CVSD Các chân IC MC34115 Mối quan hệ dòng điều khiển khuyếch đại dòng tích phân Sơ đồ khối IC MC34115 Sơ đồ chức mạch vòng bám pha(PLL) Đặc trưng chuyển tần số-điện áp PLL Sự phụ thuộc tần số VCO vào điện áp Sơ đồ khối tổ hợp tần số dùng vòng bám pha PLL Sơ đồ khối mạch nhân tương tự Tín hiệu vào mạch nhân tương tự Mạch XOR Dạng tín hiệu mạch tách sóng pha XOR Sơ đồ phụ thuộc ud vào θe Mạch JK Flip-Flop Dạng tín hiệu JK Flip-Flop Sơ đồ phụ thuộc ud vào θe Sơ đồ khối tách sóng pha số Giản đồ xung chưa bắt chập Giản đồ xung lối vào lối Sơ đồ khối tổ hợp tần số dùng vòng bám pha ghép nối với máy tính 10 11 12 13 14 16 21 22 26 28 30 31 31 33 35 35 36 36 37 37 38 38 38 39 42 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Sơ đồ chức họ IC ADF411x IC ADF411x Các thông số khoảng cách họ IC ADF411x Tầng lối vào chuẩn Tầng lối vào RF Bộ chia A B Sơ đồ nguyên lý đơn giản hóa giản đồ xung tách sóng pha/tần số Lược đồ định thời Mạch MUXOUT Sơ đồ chân IC MC34115 Sơ đồ nguyên lý mạch mã hóa/giải mã Delta tự thích nghi dùng IC MC34115 Sơ đồ mạch in mạch mã hóa/giải mã Delta tự thích nghi dùng IC MC34115 Mạch mã hóa/giải mã Delta tự thích nghi Kết nối mạch với thiết bị đo Các kết đo Sơ đồ nguyên lý VCO Sơ đồ mạch in VCO Bộ dao động điều khiển điện áp, dải tần 500MHz-1.1GHz Các kết đo Hệ thống thu/phát tín hiệu thoại sử dụng điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi Nguyên lý điều biên tương tự Sơ đồ khối điều chế ASK Dạng sóng tín hiệu điều biên tương tự Dạng sóng tín hiệu điều chế ASK Tích hợp hệ thống điều chế phát mã Delta Tín hiệu điều chế biên tương tự Tín hiệu Delta sau điều chế ASK Quan sát phổ tín hiệu điều biên máy phân tích phổ 43 44 45 50 50 51 52 53 54 55 58 59 60 60 63 64 64 65 72 73 74 74 75 75 76 77 78 78 LỜI NĨI ĐẦU Ngày nay, hệ thống truyền thơng ngày phát triển với tốc độ cao Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ hệ thống truyền thơng, vấn đề đảm bảo an tồn thơng tin cho ngày trở nên cấp thiết Với đề tài “Xây dựng hệ thống truyền thông vô tuyến đảm bảo an tồn thơng tin”, luận văn tơi đưa phương pháp đảm bảo an tồn thơng tin sử dụng hệ thống truyền thơng, phương pháp điều chế mã Delta tự thích nghi Với phương pháp điều chế mã Delta tự thích nghi, bên cạnh ưu điểm thường nhắc đến chất lượng thông tin tương đối tốt, chiếm băng thơng đường truyền… đặc điểm quan trọng phương pháp tính bảo mật thơng tin cao phía thu phải có cơng nghệ tương thích với phía phát thu giải điều chế tín hiệu đường truyền Mặc dù phương pháp làm tăng tính bảo mật thơng tin hệ thống truyền thông phương pháp điều chế mã Delta tự thích nghi có tính bảo mật khả dụng cao, áp dụng cho nhiều hệ thống truyền thông khác Với đề tài “Xây dựng hệ thống truyền thơng vơ tuyến đảm bảo an tồn thơng tin”, luận văn chia làm hai phần với nội dung sau: Phần 1: Cơ sở lý thuyết Chương 1: Điều chế Delta Chương 2: Bộ tổ hợp tần số dùng vòng bám pha Phần 2: Thực nghiệm Chương 3: Thực nghiệm Hy vọng thầy, giáo ngồi trường bạn học viên đóng góp thêm cho tơi nhiều ý kiến quý báu để luận văn ngày hồn thiện Tơi xin chân thành cám ơn! Vũ Tuấn Anh Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ CHƢƠNG Điều chế mã Delta Hầu hết tín hiệu mà ta muốn truyền qua hệ thống thơng tin số tín hiệu tương tự Do đó, trước hết việc cần thiết phải làm biến đổi thông tin tương tự thành thơng tin số Tùy thuộc vào mục đích sử dụng chất lượng truyền dẫn mà có nhiều loại cơng nghệ biến đổi tương tự - số khác Trong tất loại công nghệ biến đổi tương tự - số, công nghệ thường hay sử dụng nhiều công nghệ điều chế xung mã PCM (Pulse Code Modulation) có chất lượng tốt Từ cơng nghệ PCM, có số biến thể tương đối thông dụng Điều chế PCM Delta, Điều chế xung mã vi sai DPCM (Diffirential Pulse Code Modulation), Điều chế Delta DM (Delta Modulation), Điều chế Delta tự thích nghi ADM (Adaptive DM) Các biến thể cho tốc độ tín hiệu số thấp so với điều chế PCM, tiết kiệm băng tần truyền dẫn 1.1 ĐIỀU CHẾ PCM[1] Tín hiệu tương tự Lọc thông thấp Đường truyền Lấy mẫu Mạch tái tạo Đường Lượng tử hóa Giải mã Mã hóa Tín hiệu Lọc thơng thấp tương tự Hình 1.1: Hệ thống truyền dẫn PCM Vũ Tuấn Anh – K13D2 truyền Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Về bản, để tiến hành điều chế xung mã PCM cần tiến hành theo bước: – Lấy mẫu tín hiệu tương tự – Lượng tử hóa mẫu thu – Mã hóa mức lượng tử 1.1.1 Lấy mẫu Lấy mẫu cơng việc q trình biến đổi tương tự - số Mục đích việc tiến hành rời rạc hóa tín hiệu tương tự đầu vào để tạo thành xung rời rạc có độ rộng xung có biên độ xung với giá trị tín hiệu tương tự thời điểm lấy mẫu Các xung gọi tín hiệu điều chế biên độ xung PAM (Pulse Amplitude Modulation) Nếu xung PAM có tần số đủ lớn khơi phục lại tín hiệu tương tự ban đầu từ xung rời rạc PAM Theo định lý Shannon, để khơi phục lại tín hiệu tương tự ban đầu tần số dãy xung PAM phải lớn tối thiểu gấp lần tần số cực đại tín hiệu tương tự đầu vào Ví dụ: Đối với tín hiệu thoại có băng tần 0,3 – 3,4 KHz tín hiệu PAM phải có tần số f ≥ 6,8 KHz, thực tế tần số lấy mẫu cho tín hiệu thoại quy định KHz Để tạo xung PAM, ta sử dụng mạch điện đơn giản sau: Hình 1.2: Mạch tạo xung lấy mẫu PAM Theo mạch này, vào thời điểm lấy mẫu, khóa đóng lại tụ C nạp điện áp với điện áp tín hiệu tương tự đầu vào Khi hết thời điểm lấy mẫu, khóa nhả điện áp tụ C khơng đổi Nó thể mức tín hiệu tương tự đầu vào Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 66 Đối với VCO chế tạo trên, phụ thuộc tần số vào điện áp mô tả Điện áp VT (V) Tần số VCOout (MHz) Điện áp VT (V) Tần số VCOout (MHz) 458.14 794.14 0.5 490.14 8.5 821.14 511.64 848.14 1.5 530.64 9.5 872.14 545.64 10 894.14 2.5 562.64 10.5 918.64 580.64 11 941.64 3.5 601.14 11.5 957.14 616.14 12 973.64 4.5 633.14 12.5 987.64 647.64 13 1006.64 5.5 672.14 13.5 1024.64 695.64 14 1038.64 6.5 715.64 14.5 1052.14 740.64 15 1063.64 7.5 770.64 1200 1000 MHz 800 600 400 200 0 10 12 14 16 V Sự phụ thuộc tần số vào điện áp điều khiển Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 67 3.2.4 Các kết đo Sau có tổ hợp tần số dùng vòng bám pha dao động điều khiển điện áp VCO, tiến hành đo máy phân tích phổ ta kết sau: f = 800 MHz f = 810 MHz Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 68 f = 820 MHz f = 830 MHz Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 69 f = 840 MHz f = 850 MHz Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 70 f = 860 MHz f = 870 MHz Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 71 f = 880 MHz f = 890 MHz Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 72 f = 900 MHz Hình 3.10 Các kết đo Từ kết thu trên, ta thấy tần số phát đạt dải 800 MHz - 900MHz với bước nhảy tuỳ ý, dao động phát có biên độ cỡ mV, có độ ổn định tần số phát tương đối cao Nếu kết hợp VCO với tổ hợp tần số dùng vịng bám pha PLL tạo sóng cao tần có độ ổn định xác cao ngang với cấp thạch anh dùng làm tần số chuẩn cho tổ hợp tần số Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 73 3.3 THỬ NGHIỆM PHÁT TÍN HIỆU ĐIỀU CHẾ DELTA TỰ THÍCH NGHI SỬ DỤNG VCO 3.3.1 Mơ hình thử nghiệm hệ thu phát tín hiệu điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi Hình 3.11 Hệ thống thu/phát tín hiệu thoại sử dụng điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi 3.3.2 Mạch điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi Mạch điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi CVSD sử dụng mạch tương tự phần 3.1 3.3.3 VCO Mạch tạo dao động điều khiển điện áp VCO sử dụng mạch tương tự phần 3.2 3.3.4 Đo thử kiểm nghiệm hệ thống phát mã Delta mơ hình phịng thí nghiệm Sau chế tạo thành công module rời rạc hệ thống, tơi thực tích hợp mơ hình phát tín hiệu mã Delta Trong mơ hình này, ngồi việc chế tạo module rời rạc việc lựa chọn phương pháp điều chế phù hợp mấu chốt vấn đề Tôi lựa chọn phương pháp điều chế kinh điển điều chế Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 74 biên độ, với ưu điểm truyền với cự ly xa cỡ vài km đến vài nghìn km tùy thuộc vào cơng suất sóng mang Hình 3.12: Ngun lý điều biên tương tự Hình 3.13: Sơ đồ khối điều chế ASK Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 75 Hình 3.14: Dạng sóng tín hiệu điều biên tương tự Hình 3.15: Dạng sóng tín hiệu điều chế ASK Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 76 3.3.4.1 Kết nối đo thử Hình 3.16: Tích hợp hệ thống điều chế phát mã Delta Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 77 3.3.4.2 Kết đo  Phát thử nghiệm tín hiệu điều biên tương tự Quan sát dạng sóng tín hiệu điều biên tương tự dao động ký với tín hiệu dạng sin tần số 1KHz Hình 3.17: Tín hiệu điều chế biên tương tự  Quan sát tín hiệu Delta sau điều chế ASK Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 78 Hình 3.18: Tín hiệu Delta sau điều chế ASK Hình 3.19: Quan sát phổ tín hiệu điều biên máy phân tích phổ Qua quan sát tín hiệu Delta dùng điều chế ASK máy dao động ký, ta nhận thấy với biên độ tín hiệu lớn biên độ tín hiệu Delta lớn, hồn tồn tương ứng với lý thuyết (trong hình ảnh phía tín hiệu Delta điều chế phía tín hiệu Delta chưa qua điều chế ASK) Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 79 KẾT LUẬN Với đề tài luận văn “Xây dựng hệ thống truyền thông vô tuyến đảm bảo an tồn thơng tin”, luận văn tơi giải vấn đề sau: A VỀ LÝ THUYẾT Nghiên cứu, tìm hiểu điều chế Delta, đặc biệt điều chế Delta tự thích nghi Nghiên cứu, tìm hiểu tổ hợp tần số dùng vịng bám pha PLL B VỀ THỰC NGHIỆM Thiết kế, chế tạo điều chế Delta tự thích nghi sử dụng IC MC34115 Motorola, kết đạt tương đối tốt Thiết kế, chế tạo dao động điều khiển điện áp VCO để tạo tần số sóng mang tùy biến dải từ 800 MHz – 900 MHz Thử nghiệm thu/phát tín hiệu điều chế/giải điều chế Delta tự thích nghi sử dụng IC MC34115 Motorola kết hợp với VCO dùng điều chế ASK Như vậy, với mạch điều chế Delta tự thích nghi sử dụng IC MC34115, luận văn giải vấn đề an tồn thơng tin hệ truyền tin vơ tuyến đồng thời với thử nghiệm điều chế tín hiệu mã Delta lên sóng mang VCO sử dụng điều chế ASK cho thấy tín hiệu Delta hồn tồn thích hợp với việc sử dụng hệ thống truyền thơng Việc tích hợp mơ hình điều chế phát mã Delta, sở quan trọng việc xây dựng mơ hình thu phát thơng tin bí mật thời gian tới Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO A Tiếng Việt Bài giảng thông tin số – http://www.tailieu.vn/ Bài giảng thông tin số - TS Trần Đức Tân Nguyên lý Kỹ thuật Điện tử – Trần Quang Vinh – Chử Văn An B Tiếng Anh Atmel datasheet “AT89C51” 8-bit Microcontroller with 4K Bytes Flash Motorola datasheet "IC MC34115/34115p" Motorola datasheet "IC ADF4110/4112/4113" Principles of Sigma-Delta Modulation for Analog-to- Digital Converters by Sangil Park, Ph D.Strategic Applications Digital Signal Processor Operation Unlocking PLL http://www.complextoreal.com http://www.sentex.net/~mec1995/gadgets/pll/pll.html 10 http://www.qsl.net/va3iul/ Vũ Tuấn Anh – K13D2 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ ... HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ VŨ TUẤN ANH XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THÔNG VƠ TUYẾN ĐẢM BẢO AN TỒN THƠNG TIN Ngành: Cơng nghệ Điện tử Viễn thông Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử Mã số:... nay, hệ thống truyền thông ngày phát triển với tốc độ cao Cùng với phát triển ngày mạnh mẽ hệ thống truyền thông, vấn đề đảm bảo an tồn thơng tin cho ngày trở nên cấp thiết Với đề tài ? ?Xây dựng hệ. .. cấp thiết Với đề tài ? ?Xây dựng hệ thống truyền thơng vơ tuyến đảm bảo an tồn thơng tin? ??, luận văn đưa phương pháp đảm bảo an tồn thơng tin sử dụng hệ thống truyền thơng, phương pháp điều chế