Кодер-декодер речевого сигнала. Амплитудно-фазовое преобразование

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:

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.

Рис. 3

Коэффициенты передачи декодера:

(13)

Принципиальные схемы кодера и декодера

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