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:



      

К

К

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.

		1/К		1/Кос

1/Кос

1/К

                                                           

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.

			VD1
	R2

R2

Для декодера берем:

C

VD2

R

Рис. 3
Коэффициенты передачи декодера:

(13)
Принципиальные схемы кодера и декодера

VD3

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.

U вх	К	FK, рад	U вых
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

			ВА1
			ВА2

Rg

Рис.5 Структурная схема устройства закрытия речевой информации.





Рис.6 Принципиальная схема кодера
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=100×50=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=K×R1=100×250=25 кОм.

Сопротивление R3:



Номинальный ток нагрузки КР140УД14 Iн=20 мА;

Максимальное входное напряжение микросхемы Uмах=13 В;

Сопротивление в цепи нагрузки - R4



Сопротивление R5 при К=50

R5=K×R4=50×620=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 ¸ 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 ³ 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.
Аннотация
В данной работе требовалось сконструировать устройство для кодирования и декодирования сигнала по принципу амплитудно - фазового преобразования.

Данное (разработанная нами устройство) полностью отвечает данным требованиям. В частности прибор может быть подключен к телефонной линии и исключить возможность подслушивания телефонного разговора третьими лицами. У этого прибора - большое будущее т.к. многие деловые люди могут заинтересоваться данной разработкой.

Литература
1.               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.

2.               Бодиловский В.Г., Смирнова М.А. Справочник молодого радиста. Изд. 3-е переработ. И доп. М.,»Высшая школа», 1975 г.

3.               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.

4.               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