Кодер - декодер речевого сигнала

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 Xt, t - изменяются по закону передаваемой информации Выходной сигнал представляется 2 где Ynt- медленно изменяющиеся амплитуда n-й гармоники, nt - фаза гармоники Явление АФК сводится к тому, что nt отличается от входной функции t не только на детерминированный угол 0, характеризующий фазовую постоянную устройства, но и на угол Xt, зависящий от уровня входного сигнала 3 Амплитуды выходного и входного сигналов связаны нелинейной

зависимостью YntYnXt 4 отражающей амплитудную нелинейнейность Выражение 2 можно записать ytYXtexpinw0t 5 где YnXtYnXtexpiXt - 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 Xt. Устройства, в которых АФК пренебрежимо мала, полностью характеризуется функцией

YnXt, а устройства с АФК - функцией Xt 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. На рис.1 векторная диаграмма, определяющая коэффициент усиления усилителя с ООС, здесь Кос - модуль коэффициента усиления ос-фазовый сдвиг, создаваемый усилителем с ООС 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. 7 Но поскольку в усилителе глубина ООС растет с увеличением уровня сигнала компрессор F2Uвхм 8 то связь фазового сдвига с изменением уровня входного сигнала при Wconst 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 Коэффициенты усиления идеального усилителя 11 Для кодера выберем Z2R1 Коэффициент передачи кодера 12 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 Коэффициент передачи для декодера, где R3R5 R4R6 C1c2 19 Сопротивление R1 выбирается из max тока через диод IgIR1 IR1UвхR1R1UвхIR1 при Ig0.1 mA Rg260.1260 Om при Uвх0.1B R10.10.11 Kom Выберем коэффициент в 15 К010, тогда

R3R1K01.01010Kom Выберем сопротивление R4100 ом, от случайных больших воздействий напряжения защищающей диоды VD1 и VD2. Возьмем конденсатор С1 исходя из его реактивного сопротивления на частоте 300 Гц. Xc12R4Rgmin2100260720 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. UвхКFK,радUвых0,0017,23-0,0072-0,0080,01 12,193-0,222-0,0220,0211,398-0,442-0,028 0,0311,128-0,609-0,0340,0411,003-0,733-0 ,040,0510,935-0,826-0,0460,0610,894-0,89 7-0,0540,0710,867-0,953-0,0610,0810,849- 0,997-0,0680,0910,836-1,033-0,0750,1010, 826-1,063-0,082 Таким образом R2R3R510 Kom R4R6100 Om C1C20.65 мкф R1R7R81 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 Ua0 токи через R1 и цепь Rg, C, R приблизительно одинаковы. Входное сопротивление источника сигнала велико и ток в R1 не протекает. IR1Irg,C,R 20 Напряжение на выходе кодера 21 Ток I в формуле 21 при условии 20 IUвхR1 22 Перепишем выражение 21 с учетом 22 23 рис.

7 Принципиальная схема декодера Для схемы на рис.7 Напряжение на входе, при Ua0 24 Решив уравнение 16 относительно I получим зависимость IFUвх.дек 25 Выходное напряжение на выходе декодера рис. 7 Uвых.декR1FUвх.декR1I 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 88Дб80Дб8Дб6,3110-3

Мощность в нагрузке Определим коэффициент усиления микрофонного усилителя для нормальной работы кодера. Напряжение на входе кодера Uвх0-1.1 В. Используем схему с двумя каскадами усиления, построенных на ОУ КК1К2100505000 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 R1250 Ом Сопротивление R2 определяется из коэффициента усиления каскада R2KR110025025 кОм. Сопротивление R3 Номинальный ток нагрузки КР140УД14 Iн20 мА Максимальное входное напряжение микросхемы Uмах13 В Сопротивление в цепи нагрузки - R4 Сопротивление

R5 при К50 R5KR45062031 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. 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 U0.001 TO 0.11 STEP 0.01 80 RD26E-3R1U 90 K0R3R1 100 ARGR4 110 B1WC1 120 CRGR3R4 130 KK0SQRA2B2C2B2 140 FKATNBC-ATNBA 150 PRINT K TAB 17 FK 160 NEXT U