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), (t) - изменяются по закону передаваемой информации

Выходной сигнал представляется:

(2)

где Yn(t)- медленно изменяющиеся амплитуда n-й гармоники

n(t) - фаза гармоники

Явление АФК сводится к тому, что n(t) отличается от входной функции (t) не только на детерминированный угол 0, характеризующий фазовую постоянную устройства, но и на угол [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)]expi[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 [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; 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):

=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