|
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 0,001 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 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
|
|
|
