: 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