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 |
