Реферат: Кодер - декодер речевого сигнала

Амплитудно — фазовое преобразование 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: />---(6) 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./>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), то связь фазового сдвига с изменением уровня входного сигнала при W=const: />-----------(9) 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/>Коэффициенты усиления идеального усилителя: />-----------(11) Цепь с сопротивлением Z2 представлена на рис. 3. Сопротивление R вводится для работы усилителя с малым уровнем сигнала. />Коэффициенты передачи декодера: />-----------(13) Принципиальные схемы кодера и декодера Коэффициенты передачи для схемы рис.4 />Кодер:/>-----------(14) 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 />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=100Ч50=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=KЧR1=100Ч250=25 кОм. Сопротивление R3: />Сопротивление R5 при К=50 R5=KЧR4=50Ч620=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 ё 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 і 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. Литература 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. Бодиловский В.Г., Смирнова М.А. Справочник молодого радиста. Изд. 3-е переработ. И доп. М.,«Высшая школа», 1975 г. 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. 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