Амплітудно - фазовий перетворення Введення Ефекти виникнення амплітудно-залежних фазових зрушень у різних, що працюють в нелінійних режимах, вузлах приймально - підсилювальних трактів називається "Амплітудно - фазова конверсія" (АФК). АФК - від англійського слова "conversion" -
перетворення. За умовами експлуатації більшості пристроїв у них повинні бути застосовані спеціальні заходи для усунення або послаблення АФК до значень, при яких показники розроблюваного устрою погіршуються незначно. Рішення задачі зводиться до створення ланцюга, аргументи комплексної
функції, передачі якої залишається постійним в широкому інтервалі змін впливають на ланцюг факторів. Ясно, що на основі відомих схемотехнічних і конструктивно - технологічних рішень не представиться можливим створення такого ланцюга. Проте реальним є пристрій, фазо - інваріантне до змін амплітуди
сигналу в обмеженому інтервалі цих змін і в конкретних умовах експлуатації. У ряді випадків явище АФК є корисним і дозволяє забезпечити необхідні показники радіоелектронної апаратури. У таких пристроях ефекти АФК примусово необхідні, наприклад, в модуляторах фази, в системах з предискаженіем фази та ін У даній роботі застосовується метод АФК для приховування мовної інформації телефонного каналу. Метод аналізу пристроїв з АФК У теоретичній радіотехніці відомі різні методи дослідження. Найбільш суворим методом, що дозволяє описати пристрій будь-якого типу і оцінити закономірності проходження
сигналів через нього, є метод, заснований на рішенні нелінійних інтегрально -
диференціальних рівнянь, що описують фізику
роботи пристрою. Отримання рішення поведінки розглянутого пристрою в широкому інтервалі змінних, представляється скрутним. Рішення робляться для окремих випадків і цей метод не універсальний тобто результати рішення не поширюються на інші пристрої. Менш суворим, але більш загальним є метод заміни пристрою еквівалентним чотириполюсником з деякими характеристиками, властивими розглядався влаштуванню. Даному чотириполюсника
відповідає певна передатна функція. Характеристики, що визначають передавальну функцію можна знайти теоретично чи експериментально. При аналітичному дослідженні ланцюгів з АФК слід використовувати чотириполюсник, який відображає лише основні риси поведінки пристрою і не враховує ряд побічних явищ, не грають принципової ролі. (Л4) При впливі квазігармоніческого
коливання (1) на вхід реального, тобто нелінійного, чотириполюсника на його виході з'являється ряд спектральних складових. Відмінною здатністю ланцюгів з АФК є зміна фази складових залежно від амплітуди вхідного впливу.
----------- (1) X (t), j (t) - змінюються за законом переданої інформації Вихідний
сигнал представляється:
----------- (2) де Yn (t) - повільно змінюються амплітуда n-ої гармоніки, yn (t) - фаза гармоніки Явище АФК зводиться до
того, що yn (t) відрізняється від вхідних функції j (t) не тільки на детермінований кут j0, що
характеризує фазову постійну пристрою, але і на кут j [X (t)], що залежить від рівня вхідного сигналу:
----------- (3) Амплітуди вихідного і вхідного сигналів пов'язані нелінійною залежністю: Yn (t) = Yn [X (t)] (4) відбиває амплітудну нелінейнейность Вираз (2) можна записати: y ( t) = Y [X (t)] expinw0t (5) де Yn [X (t)] = Yn [X (t)] expij [X (t)] - комплексна амплітуда вихідного сигналу, що характеризує комплексну нелінійність тих пристроїв, в яких амплітудна нелінійність і АФК проявляються в головній мірі при одних і тих же рівнях вхідного коливання X (t). Пристрої, в яких АФК пренебрежимо мала, повністю характеризується
функцією Yn [X (t)], а пристрої з АФК - функцією j [X (t)] (Л4).
Вибір чотириполюсника з АФК Виберемо як чотириполюсників:-для кодера компресор мовних сигналів;-для декодера експандер мовного повідомлення; Компресор мовних сигналів діє за принципом підсилювача з нелінійної негативним зворотним зв'язком (ООС). Це означає, що
нелінійні елементи, опір яких змінюється
відповідно до рівня підсилюється сигналу, входять в ланцюг ООС, що охоплює як окремі каскади, так і підсилювач в цілому. Для забезпечення необхідного закону зміни коефіцієнта підсилення, необхідно певним чином вибрати спосіб включення нелінійних елементів і режими їх роботи. Розглянемо причини АФК в підсилювачах з нелінійним зворотним зв'язком. На підставі відомих співвідношень:
--- (6) визначають комплексний коефіцієнт посилення підсилювача із зворотним зв'язком. На рис.1 побудована
векторна діаграма для випадку гармонійного сигналу, що дозволяє судити про закономірності зміни показань підсилювача в залежності від глибини ООС.
На рис.1 векторна діаграма, що визначає коефіцієнт посилення підсилювача з ООС, тут:
; Кос - модуль коефіцієнта підсилення; jос-фазовий зсув, створюваний підсилювачем з ООС.
- Не комплексний коефіцієнт посилення підсилювача без НЗЗ. b - коефіцієнт передачі каналу зворотного зв'язку, передбачуваної дійсною величиною, тобто розглядається підсилювач з частотно-незалежної ООС. З діаграми випливає, що зі збільшенням глибини ООС, внесений підсилювачем фазовий зсув-зменшується.
-----------( 7) Але оскільки в підсилювачі глибина ООС зростає із збільшенням рівня
сигналу (компресор), то зв'язок фазового зсуву зі зміною рівня вхідного сигналу при W = const:
-----------( 9) тобто для малих амплітуд посилення мало, а для великих амплітуд посилення велике. Кодер на операційному підсилювачі з амплітудно - фазової конверсією Еквівалентна схема кодера (декодера) наведена на рис. 2
Коефіцієнти підсилення
ідеального підсилювача:
-----------( 11) Ланцюг з опором Z2 представлена на рис. 3. Опір R вводиться для роботи підсилювача з малим рівнем сигналу.
Коефіцієнти передачі декодера:
-----------( 13)
Принципові схеми кодера і декодера Коефіцієнти передачі для схеми мал.4
Кодер:
-----------( 14) Коефіцієнт передачі для декодера, де: R3 = R5; R4 = R6; C1 = c2
----------- (19) Опір R1 вибирається з max струму через діод 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; Виберемо коефіцієнт в (15) К0 = 10, тоді R3 = R1 * K0 = 1.0 * 10 = 10Kom Виберемо опір R4 = 100 ом, від випадкових великих впливів напруги захищає діоди VD1 і VD2. Візьмемо
конденсатор С1 виходячи з його реактивного опору на частоті 300 Гц. Xc1 = 2 (R4 + Rgmin) = 2 (100 +260) = 720 Om
Виберемо найближчий номінал
конденсатора С1: КМ6 - М750-25-0.68 10%
Розрахункові значення модуля й аргументу коефіцієнта передачі кодера, розраховані за програмою Koder AFK, див. Додаток 1, наведені в
таблиці 1.
Таблиця значень коефіцієнта передачі кодера від амплітуди вхідного сигналу, обчислених за програмою Koder AFK Таблиця 1.
| Uвх | До | FK, радий | U вих |
| 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 чином: R2 = R3 = R5 = 10 Kom; R4 = R6 = 100 Om; C1 = C2 = 0.65 мкф; R1 = R7 = R8 = 1 Kom; DA1, DA2 - КР140УД14
Дана схема закриття мовної інформації в закінченому вигляді наведена на рис.5
У точці а підсилювача напруга приблизно дорівнює 0, тому коефіцієнт посилення О.У. велике - 105. Для того, щоб Ua = 0 струми через R1 і ланцюг Rg, C, R приблизно однакові. Вхідний опір джерела сигналу велика і струм в R1 не протікає. IR1 = Irg, C, R ------------------------------------------- ----------- (20) Напруга на виході кодера:
----------- (21) Струм I у формулі (21) за умови (20): I = Uвх/R1------------------ ------------------------------------( 22) Перепишемо вираз (21) з урахуванням (22)
----------- (23)
рис. 7
Принципова схема декодера Для схеми на рис.7 Напруга на вході, при Ua = 0
----------- (24) Розв'язавши рівняння (16) відносно I отримаємо залежність: I = F (Uвх.дек )------------------ ------------------------------------( 25) Вихідна напруга на виході декодера рис. 7: Uвих.дек = R1F (Uвх.дек) = R1I ------------------------------------ ------------------( 26) Вихідним напругою декодера є напруга кодера: Uвх.дек = Uвих.дек. Таким чином схема рис. 7 Вирішує зворотну задачу перебування струму від значення формул (25) і (26). На підставі формул (22) і (26) вихідна напруга декодера:
Розрахунок параметрів
мікрофонного підсилювача Виберемо мікрофон типу МД-62. Мікрофон має параметри: Діапазон робочих частот: 120-10000 Гц Номінальний опір навантаження: 250 Ом Чутливість: 88 Дб Визначимо напругу на навантаженні: 88Дб = 80дБ +8 Дб = 6,31 * 10-3 Потужність в навантаженні:
Визначимо коефіцієнт посилення мікрофонного підсилювача для нормальної роботи кодера. Напруга на вході кодера Uвх = 0-1.1 В.
Використовуємо схему з двома каскадами посилення, побудованих на ОУ: К = К1К2 = 100Ч50 = 5000 Схема підсилювача наведена на рис. 8
Рис. 8 Принципова схема мікрофонного підсилювача У даному підсилювачі застосуємо ЗУ типу КР140УД14 (л3) Опір R1 визначається з умови узгодження мікрофона (номінальний опір навантаження) R1 = 250 Ом Опір R2 визначається з коефіцієнта посилення каскаду: R2 = KЧR1 = 100Ч250 = 25 кОм. Опір R3:
Опір R5 при К = 50 R5 = KЧR4 = 50Ч620 = 31 кОм Найближчий опір 30 кОм Опір R6 = 620 Ом. Для декодерного блоку рис.
Мікрофонний підсилювач буде
мати таку ж
принципову схему, але в колі зворотного зв'язку включають змінний опір. Змінний опір служить для зміни коефіцієнта посилення мікрофонного підсилювача декодера, щоб отримати рівень вхідних сигналів 0.082 В на вході декодера.
Розрахунок підсилювача низької частоти Виберемо гучномовець типу 0.5 ГД-11 з параметрами: (Л2) Смуга робочих частот: 150 е 7000 Гц; Опір звукової котушки: 5 Ом; Розміри: 102-50 мм;
Маса: 150 гр. В якості підсилювача НЧ застосуємо мікросхему К174УН7 (Л3). Її параметри: Рвих І 4.5 Вт на навантаженні 4 Ом при напрузі живлення 15 В. Схема включення мікросхеми наведена на рис. 9. Вихідна потужність підсилювача регулюється
потенціометром R1.
Конденсатори: С1 = 100 пФ; С2 = 500 пФ; С3 = 100 пФ = С5; С4 = 2700 пФ; С6 = 510 пФ; С7 = 0.1 мкФ; С8 = 100 пФ. Опору: R1 = R3 = 100 Ом; R2 = 56 Ом; R4 = 1 Ом; R5 = 4 Ом.
Рис. 9
Підсилювач потужності К174УН7 схема
електрична, принципова.
Література Амплітудно - фазова конверсія / Крилов Г.М., Прусліна В.З.,
Богатирьов Є.А. та ін Под ред. Г.М. Крилова. - М.: Зв'язок, 1979.-256 с., Іл. Боділовскій В.Г., Смирнова М.А.
Довідник молодого радиста. Вид. Третій переробці. І доп. М., "Вища школа", 1975 р. Цифрові та
інтегральні мікросхеми:
Довідник / С.В. Якубовський, Л. Н. Ніссельсон, В. І. Кулешова і ін; під ред. С.В. Якубовського. - М.: Радіо і зв'язок, 1990.-496 с. Іл. Фолкенбері Л.М.
Застосування операційних підсилювачів / під ред. Гальперіна, 1985 - 572 с. Додаток 1 Програма розрахунку коефіцієнта передачі кодера з АФК на операційному підсилювачі. 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
