Разработка устройства защиты телефонной линии от прослушивания

     - блок шумогенератора и регулируемого фильтра формирует шумовой сигнал в "надзвуковой" области частот и усиливается усилителем мощности. Через согласующий трансформатор "шум" попадает в телефонную линию, где смешивается со звуковой информацией. На участке телефонной линии, прибор - АТС, присутствует смешанный сигнал шума и голоса. В АТС входными фильтрами "шум" "вырезается" и до следующего абонента сигнал доходит "чистым". Абонент слышит практически только звуковую информацию. Прибор содержит схему подавления шумов в телефон пользователя. Таким образом, оба абонента не слышат шумов. Нелегальные устройства, установленные на участке телефонной линии, прибор - АТС, как правило, из-за маленьких габаритов не содержат входных фильтров и шумы, вырабатываемые прибором, оказывают на них влияние. В результате снимаемая ими информация "зашумлена". Кроме того, устройства, включающиеся режимом акустопуск, воспринимают шум как полезный сигнал и включаются при положенной трубке телефонного аппарата. Таким образом, расходуется их энергетический ресурс и объём памяти;

     - блок автоматики прибора содержит узел регулировки напряжения в линии при поднятой телефонной трубке. Данный режим блокирует включение устройств, реагирующих на поднятую трубку. Создаётся искусственное поднятие напряжения в линии до 20-30V, и нелегальные устройства "не понимают", что линия нагружена. Также данный блок содержит таймер, который выключает режим защиты в приборе, чтобы исключить ошибку в момент набора номера пользователем;

     - прибор оснащён индикатором напряжения  в телефонной линии. Индикатор позволяет оперативно отмечать физические изменения в линии, также необходим для настройки напряжения нагруженной линии.

     Принципиальная  электрическая схема устройства изображена на рис. 2.15  

        

     Рис. 2.15 – принципиальная электрическая схема устройства защиты телефонной линии от прослушивания. 

     3. Разработка, расчет высокочастотного фильтра устройства. 

     Рассмотрим  методы реализации различных типов  функций цепи, основанные на использовании  схем фильтров, включающих как активные, так и пассивные элементы; из последних рассматриваются исключительно резисторы и конденсаторы. Такие фильтры относят к классу активных RС-фильтров или безиндуктивных фильтров.

     Использование активных фильтров привлекательно по целому ряду причин и может быть предпочтительней пассивных RLС-эквнвалентов. Например, активные RС-фильтры обычно имеют меньшую массу и занимают меньше места, чем пассивные. Это имеет большое значение при использовании фильтров в аэрокосмических приборах. Другое преимущество—активные фильтры могут быть изготовлены в микромодульном исполнении при использовании технологии интегральных микросхем. Кроме того, они относительно недороги и могут производиться в массовом масштабе. С другой стороны, так как катушка индуктивности не может быть выполнена в интегральном исполнении, то пассивные схемы можно создать только с помощью дискретных компонентов. Этот вариант значительно дороже. По этим и ряду других причин во многих традиционных областях применения фильтров, особенно в радиосвязи, приходится проводить модернизацию, направленную на исключительное использование активных фильтров. В результате этого ежегодное производство активных фильтров оценивается миллионами, и многие компании предлагают их как стандартные блоки.

     Одним из наиболее широко используемых типов  активных RС-фнльтров являются RС-фильтры на усилителях.

     Существуют  два общих метода использования  активных RС-фильтров при реализации функции цепи. Первый из них — метод каскадной реализации. Этот метод называется так потому, что реализуемая функция сначала факторизуется (разлагается на произведение сомножителей второго порядка). Каждый сомножитель реализуется затем отдельно активной RС-схемой, после чего каскадируется, или последовательно соединяется с другими, чтобы реализовать функцию цепи в целом. Отдельные активные RС-схемы, конечно, должны быть синтезированы так, чтобы он" не взаимодействовали друг с другом.

     Второй  общий метод использования RС-схем для реализации функций цепей  — метод непосредственной реализации, в котором для реализации функции  в целом используется одна единственная схема.

     Каскадный метод использования активных RС-схем для реализации функции цепи дает много преимуществ инженеру-проектировщику. Прежде всего, любая рассматриваемая RС-схема, требуемая для реализации звена второго порядка обычно относительно проста, а число требуемых элементов невелико. В результате этого процедура синтеза, необходимая для определения значений элементов, обычно несложна и позволяет легко учесть дополнительные ограничения, такие как использование стандартных номиналов элементов или ограничения, накладываемые при минимизации чувствительности. Другое преимущество состоит в том, что каждое звено второго порядка можно индивидуально настроить для реализации соответствующей характеристики. Это, конечно, значительно легче, чем пытаться настроить схему, в которой все элементы взаимодействуют друг с другом; именно это и происходит, когда используется непосредственный метод реализации.

     В качестве активного элемента активного RС-фильтра можно использовать любой  тип управляемого источника, на практике чаще всего используется один ИНУН (источник напряжения, управляемый напряжением).

     Идеально  ИНУН представляет собой четырехполюсник, который характеризуется следующими свойствами: 1) бесконечно большим входным  полным сопротивлением; 2) нулевым выходным полным сопротивлением; 3) выходным напряжением, пропорциональным входному, причем коэффициент пропорциональности обычно называют коэффициентом усиления. Коэффициент усиления может быть положительным (в этом случае говорят, что ИНУН неинвертирующий) или отрицательный (в этом случае говорят, что он инвертирующий). Среди других причин широкого распространения ИНУН как активного элемента активных RС-фильтров можно указать на легкость его реализации с помощью операционного усилителя.

     Из практики известно, что использование неинвертирующего ИНУН дает лучшие результаты.

     Фильтры верхних частот на одном усилителе  с положительным коэффициентом  усиления

     Обобщенная  передаточная функция по напряжению ФВЧ второго порядка имеет  вид 

      (3.1) 

     В этом выражении Н₀ — коэффициент передачи на бесконечно большой частоте, ω_n – собственная частота, Q –добротность.

     Преобразуя (3.1) получаем: 

      (3.2) 

     Сравнивая (3.1) и (3.2) и анализируя результат можно получить первый вариант расчетных формул. Выбирая R₂=R₄=R и С₁=Сз=С, получаем:

      ; 1/Q=3-K; H₀=K, (3.3а), (3.3б), (3.3в) 

     Реализацию  ФВЧ второго порядка можно  получить подстановкой К=1. Полагая m=С₃/С₁, и n=R₄/R₂ и подставляя С₁=С и R₂=R, получаем вместо (3.2) 

      (3.4) 

     Сравнивая полученное с (3.1), находим еще один вариант расчетных формул (вариант 2): 

        (3.5)

     Отсюда  видно, что для любого заданного  значения п минимум 1/Q достигается  при m=1. Так как обычно желательно иметь минимум 1/Q для любого заданного п, то примем m=1. В этом случае (3.5) упрощается и принимает вид 

        (3.6) 

     В другом используемом на практике наборе номиналов элементов RС-фильтра верхних частот на одном усилителе с положительным коэффициентом усиления, емкости обоих конденсаторов имеют равные номиналы, а коэффициент усиления ИНУН равен двум. Тогда нормированные значения С₁=С₃=С и K=2. Используя выражение (3.2), в этом случае находим 

        (3.7) 

     Преимущество  структуре Саллена и Ки на усилителе с положительным коэффициентом усиления заключается в том, что она характеризуется в общем случае простыми расчетными соотношениями; проектировщик имеет возможность легко управлять значениями номиналов элементов и их разбросом; кроме того, допустимо использовать небольшие значения коэффициента усиления ИНУН, которые удобны тем, что их легко стабилизировать. Есть также и некоторые недостатки; основной из них состоит в том, что она характеризуется высокими значениями чувствительности, если с их помощью пытаются реализовать схемы с высоким Q.

     Фильтры, реализующие комплексно-сопряженные  нули

     Рассмотрим  реализации активных фильтров для обобщенной передаточной функции второго порядка. Их обычно относят к биквадратным функциям фильтрации. Общий вид биквадратных передаточных функций по напряжению второго порядка такой 

      (3.8) 

     где Н — постоянная, ω_z и ω_p — нули и полюсы, соответствующие собственным частотам, а Q_z и Q_p — добротности комплексных нулей и полюсов. Предполагается, что нули могут быть вещественными или комплексными и что они могут быть расположены в любом месте на плоскости комплексной частоты, включая и правую полуплоскость.

     Первый  тип биквадратного фильтра реализуется на основе схемы с одним усилителем и конечным коэффициентом усиления.

     Предполагая, что нули расположены ближе к  началу координат, чем полюсы, получаем следующие расчетные соотношения: 

      ; ; (3.9а), (3.9б)

      ; Н=К (3.9в), (3.9г) 

     Множитель т можно выбрать произвольно.

     Второй  тип биквадратного фильтра реализуется  одним усилителем с бесконечным  коэффициентом усиления. Здесь используется операционный усилитель с дифференциальным входом. Передаточную функцию такого фильтра легко найти 

      (3.10) 

     Если Y₁+Y_a+Y₄=Y₂+Y_b+Y₃ или Y_a=Y₂+Y₃ или Y_b=Y₁+Y₄, то (1.10) примет вид 

      (3.11) 

     В третьем типе реализации биквадратного  фильтра используются два операционных усилителя. Анализ этой схемы дает 

      ,что совпадает с (3.11). 

     Рассмотрим  еще одну реализацию биквадратного  фильтра. В ней используются двойные  Т-образные цепи в качестве пассивных  компонентов. Передаточная функция  фильтра по напряжению

(3.12), где

     b+2=g+e; f+2=d; T=RC. (3.13) 

     Из (1.8) и (1.13) получаем 

      ; ;

      ; ; . (3.14) 

     Если  Н₀, ω_p, ω_z, Q_p и Q_z подлежат определению, то приведенные уравнения можно разрешить относительно параметров а, Ь, е, f, g, R и С.

     Для ФВЧ g=b=0, e=2, 2+f=d.

     Фильтры на операционных усилителях

     Ранее были рассмотрены RС-фильтры на усилителях, причем главным образом фильтры, в которых в качестве усилителя  использовался ИНУН, имеющий относительно низкий коэффициент усиления, обычно в диапазоне от 1 до 5. В этой главе проанализируем другие тины фильтров с усилителями, и, прежде всего, фильтр на усилителе, в качестве которого используется ИНУН с бесконечно большим, в идеале, коэффициентом усиления, т. е. операционный усилитель. Фильтр с таким усилителем в качестве активного элемента будем называть фильтром с бесконечно большим коэффициентом усиления, где слово бесконечный, конечно, относится к коэффициенту усиления активного элемента, а не к коэффициенту усиления схемы в целом. Такой тип фильтра имеет как преимущества, так и недостатки, если сравнивать его с теми типами, которые рассматривались до этого.

     Рассмотрим  в реализацию фильтра высоких  частот с многопетлевой обратной связью.

     Его передаточная функция определяется: 

      (3.15) 

     Её  можно представить в виде 

      (3.16)