Каталог :: 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.
       (1)
X(t), j(t) - изменяются по закону передаваемой информации
Выходной сигнал представляется:
            (2)
где Yn(t)- медленно изменяющиеся амплитуда n-й гармоники
yn(t) - фаза гармоники
Явление АФК сводится к тому, что yn(t) отличается от входной функции j(t) не
только на детерминированный угол j0, характеризующий фазовую постоянную
устройства, но и на угол j[X(t)], зависящий от уровня входного сигнала:
               (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)]expij[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
j[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:
     
     
     
К
К
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.
1/К
1/Кос
1/Кос
1/К
Рис.1 На рис.1 векторная диаграмма, определяющая коэффициент усиления усилителя с ООС, здесь: ; Кос - модуль коэффициента усиления; jос-фазовый сдвиг, создаваемый усилителем с ООС. - не комплексный коэффициент усиления усилителя без ООС. b - 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. (7) Но поскольку в усилителе глубина ООС растет с увеличением уровня сигнала (компрессор): b=F2(Uвхм) (8) то связь фазового сдвига с изменением уровня входного сигнала при W=const: (9) В экспандере процесс изменения ООС обратный: (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: (11) Для кодера выберем: Z2=R1 Коэффициент передачи кодера: (12) Цепь с сопротивлением Z2 представлена на рис. 3. Сопротивление R вводится для работы усилителя с малым уровнем сигнала.
VD1
R2
R2
Для декодера берем:
C
VD2
R
Рис. 3 Коэффициенты передачи декодера: (13) Принципиальные схемы кодера и декодера
VD3
a) Рис.4 б) а) кодер б) декодер Коэффициенты передачи для схемы рис.4 Кодер: Коэффициент передачи для декодера где: R3=R5; R4=R6; C1=c2 (19) Сопротивление R1 выбирается из max тока через диод 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 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

0,0017,23-0,0072-0,008
0,0112,193-0,222-0,022
0,0211,398-0,442-0,028
0,0311,128-0,609-0,034
0,0411,003-0,733-0,04
0,0510,935-0,826-0,046
0,0610,894-0,897-0,054
0,0710,867-0,953-0,061
0,0810,849-0,997-0,068
0,0910,836-1,033-0,075
0,1010,826-1,063-0,082
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

ВА1
ВА2
Rg
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: (21) Ток I в формуле (21) при условии (20): I=Uвх/R1 (22) Перепишем выражение (21) с учетом (22) (23) рис. 7 Принципиальная схема декодера Для схемы на рис.7 Напряжение на входе, при Ua=0 (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: 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: Определим коэффициент усиления микрофонного усилителя для нормальной работы кодера. Напряжение на входе кодера Uвх=0-1.1 В. 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: Номинальный ток нагрузки КР140УД14 Iн=20 мА; Максимальное входное напряжение микросхемы Uмах=13 В; Сопротивление в цепи нагрузки - R4 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 ³ 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