|
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), ?(t) - изменяются по закону передаваемой информации
Выходной сигнал представляется:
(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:
(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:
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:
; Кос - модуль коэффициента усиления; ?ос-
фазовый сдвиг, создаваемый усилителем с ООС.
- 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.
(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:
(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.
Для декодера берем:
Рис. 3
Коэффициенты передачи декодера:
(13)
Принципиальные схемы кодера и декодера
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
0,001
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:
(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 ? 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
2
| |
