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:
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; 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.
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.
|