Кодер - декодер речевого сигнала

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.

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