Радиоэлектроника

Кодер-декодер речевого сигнала. Амплитудно-фазовое преобразование


                    Казанский государственный университет
                             имени А.Н. Туполева


               Кафедра радиоэлектронных и квантовых устройств



                      Кодер - декодер речевого сигнала
                     Амплитудно - фазовое преобразование

       Расчетно-пояснительная записка к курсовой работе по дисциплине
                        «Системы сокрытия информации»



                                                         Выполнили  студенты
                                                                           .
                                                         Руководитель работы



                              Успехов в защите


                                 Казань 1997

                                 Содержание

1. Введение                                                   3
2. Метод анализа устройств с АФК                              4
3. Выбор четырехполюсника с АФК                               6
4. Кодер на операционном усилителе с АФК                      8
5. Расчет параметров микрофонного усилителя                   14
6. Расчет усилителя низкой частоты                                  15
7. Схема кодирующего и декодирующего блоков              17
8. Аннотация                                                  18
9. Литература                                                 19
Приложение 1                                                  20



                                  Введение

    Эффекты возникновения амплитудно-зависимых фазовых сдвигов в различных,
работающих в нелинейных режимах, узлах приемно - усилительных трактов
называется «Амплитудно - фазовая конверсия»  (АФК).
    АФК - от английского слова «conversion» - преобразование.
    По условиям эксплуатации большинства устройств в них должны быть
применены специальные меры для устранения или ослабления АФК до значений,
при которых показатели разрабатываемого устройства ухудшаются
незначительно. Решение задачи сводится к  созданию цепи, аргументы
комплексной функции, передачи которой остается постоянным в широком
интервале изменений воздействующих на цепь факторов. Ясно, что на основе
известных схемотехнических и конструктивно - технологических решений не
представится возможным создание такой цепи. Однако реальным является
устройство, фазо - инвариантное к изменениям амплитуды сигнала в
ограниченном интервале этих изменений и в конкретных условиях эксплуатации.
    В ряде случаев явление АФК является полезным и позволяет обеспечить
требуемые показатели радиоэлектронной аппаратуры. В таких устройствах
эффекты АФК принудительно необходимы, например, в модуляторах фазы, в
системах с предыскажением фазы и др.
    В данной работе применяется метод АФК для сокрытия речевой информации
телефонного канала.



                        Метод анализа устройств с АФК

    В теоретической радиотехнике известны различные методы исследования.
    Наиболее строгим методом, позволяющим описать устройство любого типа и
оценить закономерности прохождения сигналов через него, является метод,
основанный на решении нелинейных интегрально - дифференциальных уравнений,
описывающих физику работы устройства. Получение решения поведения
рассматриваемого устройства в широком интервале переменных, представляется
затруднительным. Решения делаются для частных случаев и этот метод не
универсален т.е. результаты решения не распространяются на другие
устройства.
    Менее строгим, но более общим является метод замены устройства
эквивалентным четырехполюсником с некоторыми характеристиками,
свойственными рассматриваемому устройству. Данному четырехполюснику
соответствует определенная передаточная функция. Характеристики,
определяющие передаточную функцию можно найти теоретически или
экспериментально. При аналитическом исследовании цепей с АФК следует
использовать четырехполюсник, который отражает лишь основные черты
поведения устройства и не учитывает ряд побочных явлений, не играющих
принципиальной роли. (Л4)
    При воздействии квазигармонического колебания (1) на вход реального,
т.е. нелинейного, четырехполюсника на его выходе появляется ряд
спектральных составляющих. Отличительной способностью цепей с АФК является
изменение фазы составляющих в зависимости от амплитуды входного
воздействия.

                   [pic]  (1)

    X(t), ((t) - изменяются по закону передаваемой информации
    Выходной сигнал представляется:

                   [pic]       (2)

    где Yn(t)- медленно изменяющиеся амплитуда n-й гармоники
          (n(t) - фаза гармоники

    Явление АФК сводится к тому, что (n(t) отличается от входной функции
((t) не только на детерминированный угол (0, характеризующий фазовую
постоянную устройства, но и на угол ([X(t)], зависящий от уровня входного
сигнала:

               [pic]          (3)

    Амплитуды выходного и входного сигналов связаны нелинейной
зависимостью:

                        Yn(t)=Yn[X(t)]                              (4)

    отражающей амплитудную нелинейнейность
    Выражение (2) можно записать:

    y(t)=Y[X(t)]expinw0t                                         (5)

    где Yn[X(t)]=Yn[X(t)]expi([X(t)] - комплексная амплитуда выходного
сигнала, характеризующая комплексную нелинейность тех устройств, в которых
амплитудная нелинейность и АФК проявляются в главной мере при одних и тех
же уровнях входного колебания X(t). Устройства, в которых АФК пренебрежимо
мала, полностью характеризуется функцией Yn[X(t)], а устройства с АФК -
функцией ([X(t)] (Л4).



                        Выбор четырехполюсника с АФК

    Выберем в качестве четырехполюсников:
    -для кодера компрессор речевых сигналов;
    -для декодера экспандер речевого сообщения;
    Компрессор речевых сигналов действует по принципу усилителя с
нелинейной отрицательной обратной связью (ООС). Это означает, что
нелинейные элементы, сопротивление которых изменяется в соответствии с
уровнем усиливаемого сигнала, входят в цепь ООС, охватывающей как отдельные
каскады, так и усилитель в целом.
    Для обеспечения требуемого закона изменения коэффициента усиления,
необходимо определенным образом выбрать способ включения нелинейных
элементов и режимы их работы.
    Рассмотрим причины АФК в усилителях с нелинейной обратной связью. На
основании известных соотношений:
    [pic]
           [pic]
    определяющих комплексный коэффициент усиления усилителя с обратной
связью. На рис.1 построена векторная диаграмма для случая гармонического
сигнала, позволяющая судить о закономерностях изменениях показаний
усилителя в зависимости от глубины ООС.



    Рис.1

    На рис.1 векторная диаграмма, определяющая коэффициент усиления
усилителя с ООС, здесь:
    [pic]; Кос - модуль коэффициента усиления; (ос-фазовый сдвиг,
создаваемый усилителем с ООС.
    [pic]- не комплексный коэффициент усиления усилителя без ООС. ( -
коэффициент передачи канала обратной связи, предполагаемой действительной
величиной, т.е. рассматривается усилитель с частотно-независимой ООС.
    Из диаграммы следует, что с увеличением глубины ООС, вносимый
усилителем фазовый сдвиг- уменьшается.
    [pic][pic]                         (7)
    Но поскольку в усилителе глубина ООС растет с увеличением уровня
сигнала (компрессор):
    (=F2(Uвхм)                               (8)
    то связь фазового сдвига с изменением уровня входного сигнала при
W=const:
    [pic]                         (9)
    В экспандере процесс изменения ООС обратный:
    [pic]                         (10)
    т.е. для малых амплитуд усиления мало, а для больших амплитуд усиление
велико.



      Кодер на операционном усилителе с амплитудно - фазовой конверсией

    Эквивалентная схема кодера (декодера) приведена на рис. 2



    Рис.2

    Коэффициенты усиления идеального усилителя:
    [pic]                              (11)
    Для кодера выберем: [pic]
                          Z2=R1
    Коэффициент передачи кодера:
    [pic]                             (12)
    Цепь с сопротивлением Z2 представлена на рис. 3. Сопротивление R
вводится для работы усилителя с малым уровнем сигнала.

    [pic]
                                                         Для декодера берем:
                                                                       [pic]

    Рис. 3


    Коэффициенты передачи декодера:
    [pic](13)

                   Принципиальные схемы кодера и декодера



                                                                          a)



    Рис.4                                                     б)
    а) кодер
    б) декодер

    Коэффициенты передачи для схемы рис.4

    Кодер:
    [pic]
    Коэффициент передачи  для декодера

    где: R3=R5; R4=R6; C1=c2
    [pic]        (19)
    Сопротивление R1 выбирается из max тока через диод
    [pic]Ig=IR1
    IR1=Uвх/R1=R1=Uвх/IR1
    при Ig=0.1 mA; Rg=26/0.1=260 Om;
    при Uвх=0.1B; R1=0.1/0.1=1 Kom;
    Выберем коэффициент в (15) К0=10, тогда
    R3=R1*K0=1.0*10=10Kom
    Выберем сопротивление R4=100 ом, от случайных больших воздействий
    напряжения защищающей  диоды VD1 и VD2.
      Возьмем конденсатор С1 исходя из его реактивного сопротивления на
    частоте 300 Гц.
    Xc1=2(R4+Rgmin)=2(100+260)=720 Om
    [pic]
    Выберем ближайший номинал конденсатора С1:
    КМ6 - М750-25-0.68 10%
    Расчетные значения модуля и аргумента коэффициента передачи кодера,
рассчитанные по программе Koder AFK, см. Приложение 1, приведены в таблице
1.

                Таблица значений коэффициента передачи кодера
           от амплитуды входного сигнала, вычисленных по программе
                                  Koder AFK

                                                                  Таблица 1.
|Uвх            |К              |FK,рад         |Uвых           |
|0,001          |7,23           |-0,0072        |-0,008         |
|0,011          |2,193          |-0,222         |-0,022         |
|0,021          |1,398          |-0,442         |-0,028         |
|0,031          |1,128          |-0,609         |-0,034         |
|0,041          |1,003          |-0,733         |-0,04          |
|0,051          |0,935          |-0,826         |-0,046         |
|0,061          |0,894          |-0,897         |-0,054         |
|0,071          |0,867          |-0,953         |-0,061         |
|0,081          |0,849          |-0,997         |-0,068         |
|0,091          |0,836          |-1,033         |-0,075         |
|0,101          |0,826          |-1,063         |-0,082         |



    Таким образом:
    R2=R3=R5=10 Kom;
    R4=R6=100 Om;
    C1=C2=0.65 мкф;
    R1=R7=R8=1 Kom;
    DA1,DA2 - КР140УД14
    Данная схема закрытия речевой информации в законченном виде приведена
на рис.5



    Рис.5 Структурная схема устройства закрытия речевой информации.



    Рис.6 Принципиальная схема кодера

    В точке а усилителя напряжение приблизительно равно 0, т.к. коэффициент
усиления О.У. велико - 105. Для того, чтобы Ua=0 токи через R1 и цепь Rg,
C, R приблизительно одинаковы. Входное сопротивление источника сигнала
велико и ток в R1 не протекает.
                     IR1=Irg,C,R                   (20)
    Напряжение на выходе кодера:
    [pic]  (21)
    Ток I в формуле (21) при условии (20):
    I=Uвх/R1                                 (22)
    Перепишем выражение (21) с учетом (22)
    [pic] (23)



    рис. 7  Принципиальная схема декодера

    Для схемы на рис.7      Напряжение на входе, при Ua=0
    [pic]  (24)
    Решив уравнение (16) относительно I получим зависимость:
                        I=F(Uвх.дек)            (25)
    Выходное напряжение на выходе декодера рис. 7   :
                   Uвых.дек=R1F(Uвх.дек)=R1I          (26)
    Выходным напряжением декодера является напряжение кодера:
    Uвх.дек= Uвых.дек. Таким образом схема рис. 7  Решает обратную задачу
    нахождения тока от значения формул (25) и (26).
    На основании формул (22) и (26) выходное напряжение декодера:
    [pic]



                  Расчет параметров микрофонного усилителя

    Выберем микрофон типа МД-62. Микрофон имеет параметры:
    Диапазон рабочих частот:                 120-10000 Гц
    Номинальное сопротивление нагрузки:      250 Ом
    Чувствительность:                        88 Дб

    Определим напряжение на нагрузке:
    88Дб=80Дб+8Дб=6,31*10-3
    Мощность в нагрузке:
    [pic]
    Определим коэффициент усиления микрофонного усилителя для нормальной
    работы кодера. Напряжение на входе кодера Uвх=0-1.1 В.
    [pic]
    Используем схему с двумя каскадами усиления, построенных на ОУ:
    К=К1К2=100(50=5000
    Схема усилителя приведена на рис. 8



    Рис. 8  Принципиальная схема микрофонного усилителя

    В данном усилителе применим ОУ типа КР140УД14 (л3)
    Сопротивление R1 определяется из условия согласования микрофона
    (номинальное сопротивление нагрузки)
    R1=250 Ом
    Сопротивление R2 определяется из коэффициента усиления каскада:
    R2=K(R1=100(250=25 кОм.
    Сопротивление R3:
    [pic]
    Номинальный ток нагрузки КР140УД14 Iн=20 мА;
    Максимальное входное напряжение микросхемы Uмах=13 В;
    Сопротивление в цепи нагрузки - R4
    [pic]
    Сопротивление R5 при К=50
    R5=K(R4=50(620=31 кОм
    Ближайшее сопротивление 30 кОм
    Сопротивление R6 = 620 Ом.
    Для декодерного блока рис.     Микрофонный усилитель будет иметь такую
    же принципиальную схему, но в цепи обратной связи включают переменное
    сопротивление. Переменное сопротивление служит для изменения
    коэффициента усиления микрофонного усилителя декодера, чтобы получить
    уровень входных сигналов 0.082 В на входе декодера.

                       Расчет усилителя низкой частоты

    Выберем громкоговоритель типа 0.5 ГД-11 с параметрами: (Л2)
    Полоса рабочих частот:                   150 ( 7000 Гц;
    Сопротивление звуковой катушки :         5 Ом;
    Размеры:                                 102-50 мм;
    Масса:                                   150 гр.

    В качестве усилителя НЧ применим микросхему К174УН7 (Л3). Ее параметры:
    Рвых ( 4.5 Вт на нагрузке 4 Ом при напряжении питания 15 В. Схема
    включения микросхемы приведена на рис. 9    . Выходная мощность
    усилителя регулируется потенциометром R1.
    Конденсаторы:
    С1 = 100 пФ; С2 = 500 пФ; С3 = 100 пФ = С5;
    С4 = 2700 пФ; С6 = 510 пФ; С7 = 0.1 мкф; С8 = 100 пФ.

    Сопротивления:
    R1 = R3 = 100 Ом; R2 = 56 Ом; R4 = 1 Ом; R5 = 4 Ом.



    Рис. 9  Усилитель мощности К174УН7  схема электрическая,
    принципиальная.



                                  Аннотация

    В данной работе требовалось сконструировать устройство для кодирования
    и декодирования сигнала по принципу амплитудно - фазового
    преобразования.
    Данное (разработанная нами устройство) полностью отвечает данным
    требованиям. В частности прибор может быть подключен к телефонной линии
    и исключить возможность подслушивания телефонного разговора третьими
    лицами. У этого прибора - большое будущее т.к. многие деловые люди
    могут заинтересоваться данной разработкой.



                                 Литература

 1. Амплитудно - фазовая конверсия /Крылов Г.М., Пруслин В.З., Богатырев
    Е.А. и др. Под ред. Г.М. Крылова. - М.: Связь, 1979.-256 с., ил.
 2. Бодиловский В.Г., Смирнова М.А. Справочник молодого радиста. Изд. 3-е
    переработ. И доп. М.,»Высшая школа», 1975 г.
 3. Цифровые и интегральные микросхемы: Справочник/ С.В. Якубовский,
    Л.Н.Ниссельсон, В.И.Кулешова и др.; под ред. С.В. Якубовского. - М.:
    Радио и связь, 1990.-496 с. Ил.
 4. Фолкенбери Л.М. Применение операционных усилителей/ под ред.
    Гальперина, 1985 - 572 с.



                                                                Приложение 1
                   Программа расчета коэффициента передачи
                   кодера с АФК на операционном усилителе.

    1 REM KODER AFK
    10 R1=
    20 R3=
    30 R4=
    40 C1=
    50 F=
    60 WC1=
    70 FOR U=0.001 TO 0.11 STEP 0.01
    80 RD=26E-3*R1/U
    90 K0=R3/R1
    100 A=RG+R4
    110 B=1/WC1
    120 C=RG+R3+R4
    130 K=K0*SQR((A^2+B^2)/(C^2+B^2))
    140 FK=ATN(B/C)-ATN(B/A)
    150 PRINT K; TAB 17; FK
    160 NEXT U
-----------------------
К

К

Кос

(к

Кос

(ос

(ос

(1

(1

(ос

(ос

(к

1/Кос

1/К

1/Кос

1/К

Z2

Z1

-

+

-

Z3

VD1

R2

R2

C

VD2

R

C1

VD1

R4

VD2

R3

R1

DA1

R2

VD3

R8

R6

C2

VD4

DA2

R5

R7

Umax=0.2mB

Uвых=0-0.082В

Uвх=0-0.1B



                                    Кодер

УМ1

A1

ВА1

BM1

А) Кодирующий блок

Uвх=0-0.082В

Uвых=0-1В

А2

УМ2

                                   Декодер

ВА2

ВМ2

Б) Декодирующий блок

Rg

C

R

R1

    a

R1

a

R

C

Rg

R2

R5

R1

R4

DA

DA

R6

R3

R3

C5

Uпит

C1

Вх

12

4

1

UВЫХ

8

R1


                                   К174УН7

9

C6

5

10

6

7

С8

C2

R5

R4

C4

R2

C7

C3




смотреть на рефераты похожие на "Кодер-декодер речевого сигнала. Амплитудно-фазовое преобразование"