108964 (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)

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.

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

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.

Коэффициенты передачи декодера:

(13)

Принципиальные схемы кодера и декодера

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.

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: