第4章__增量調(diào)制

1、第4章 增量調(diào)制 第第4章章 增量調(diào)制增量調(diào)制 4.1 簡單增量調(diào)制簡單增量調(diào)制 4.2 增量總和調(diào)制增量總和調(diào)制 第4章 增量調(diào)制 4.1 簡單增量調(diào)制簡單增量調(diào)制 4.1.1 增量調(diào)制的基本概念 在PCM系統(tǒng)中，為了得到二進制數(shù)字序列，要對量化后的數(shù)字信號進行編碼，每個抽樣量化值用一個碼組（碼字）表示其大小。碼長一般為7位或8位，碼長越大，可表示的量化級數(shù)越多，但編、解碼設(shè)備就越復(fù)雜。那么能否找到其它更為簡單的方法簡單的方法完成信號的模/數(shù)轉(zhuǎn)換呢？第4章 增量調(diào)制 圖中在模擬信號f(t)的曲線附近，有一條階梯狀的變化曲線f(t),f(t)與f(t)的形狀相似。顯然，只要階梯“臺階”和時間間

2、隔t足夠小，則f(t)與f(t)的相似程度就會提高。對f(t)進行濾波處理，去掉高頻波動，所得到的曲線將會很好地與原曲線重合，這意味著f(t)可以攜帶f(t)的全部信息（這一點很重要）。因此，f(t)可以看成是用一個給定的“臺階”對f(t)進行抽樣與量化后的曲線。我們把“臺階臺階”的高度的高度稱為增量，用稱為增量，用“1”表示正增量，代表向上增加一個表示正增量，代表向上增加一個；用用“0”表表示負增量，代表向下減少一個示負增量，代表向下減少一個。 t111111111000000tt二進制碼序列編碼后的數(shù)字信號f (t)f (t)第4章 增量調(diào)制 M系統(tǒng)系統(tǒng)的基本原理的基本原理 能不能將每次抽

3、樣的編碼位數(shù)減少（最好能減少到1位）以減小數(shù)字信號帶寬呢？t010111011100反之則下一個臺階，則上一個臺階抽樣值若比目前臺階高其規(guī)律可總結(jié)為：每個臺階的高度均為01,下臺階編碼為上臺階編碼為第4章 增量調(diào)制 則這種階梯狀曲線就可用一個“0”、“1”數(shù)字序列來表示（如圖41所示），也就是說，對對f(t)的編碼的編碼只用一位二進制碼即可只用一位二進制碼即可。此時的二進制碼序列不是代表某一時刻的抽樣值，每一位碼值反映的是曲線向上曲線向上或向下的變化趨勢或向下的變化趨勢。這種只用一位二進制編碼將模擬只用一位二進制編碼將模擬信號變?yōu)閿?shù)字序列的方法（過程）就稱為增量調(diào)制信號變?yōu)閿?shù)字序列的方法（過程

4、）就稱為增量調(diào)制（Delta Modulation），縮寫為），縮寫為DM或或M調(diào)制。調(diào)制。第4章 增量調(diào)制 增量調(diào)制最早由法國人De Loraine于1946年提出，目的是簡化模擬信號的數(shù)字化方法。其主要特點主要特點是： (1) 在比特率較低的場合，量化信噪比高信噪比高于PCM。 (2) 抗誤碼性能好抗誤碼性能好。能工作在誤比特率為102103的信道中，而PCM則要求信道的誤比特率為104106。 (3) 設(shè)備簡單、制造容易。設(shè)備簡單、制造容易。 它與PCM的本質(zhì)區(qū)別是只用一位一位二進制碼進行編碼，但這一位碼不表示信號抽樣值的大小，而是表示抽樣時刻信號曲線的變化趨向。第4章 增量調(diào)制 4.1

5、.2 M的調(diào)制原理 如何在發(fā)送端形成f(t)信號并編制成相應(yīng)的二元碼序列呢？仔細分析一下圖41，比較在每個抽樣時刻t處的f(t)和f(t)的值可以發(fā)現(xiàn), 當當f(it)f(it_)時，上升一個時，上升一個，發(fā)，發(fā)“1”碼；碼； 當當f(it)0，則Po(0)=1t=t時， e(t)=f(t)-f(t_)0，則Po(t)=1t=2t時，e(2t)=f(2t)-f(2t_)0，則Po(3t)=1;t=4t時，e(4t)=f(4t)-f(4t_)0，則Po(5t)=1;t=6t時，e(6t)=f(6t)-f(6t_)0，則Po(6t)=1;第4章 增量調(diào)制 圖42 增量調(diào)制原理框圖f (t)抽樣 判

6、決積分器f (t)T(t)e(t)Po(t)RC(a) 增量調(diào)制器(編碼器)框圖(b) RC積分器第4章 增量調(diào)制 以此類推，即可得到如圖43所示的波形。細心的讀者會發(fā)現(xiàn)圖43中的f(t)和圖41的波形不一樣。其實，圖41的階梯波只是為了形象地說明增量調(diào)制原理，而實際積分器的輸出波形如圖43（d）所示。第4章 增量調(diào)制 圖43 增量調(diào)制過程示意圖 tt02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tT(t)(a) 抽樣脈沖(b) 樣值信號tt02t3t4t5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tf (t)f (t)第4章 增量調(diào)制 (d) 積分器

7、輸出信號t110101111110000t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tPo(t)t0f (t)圖43 增量調(diào)制過程示意圖 第4章 增量調(diào)制 4.1.3 M的解調(diào)原理 為了完成整個通信過程，發(fā)送端調(diào)制出的信號必須在接收端通過解調(diào)恢復(fù)出原始模擬信號。M信號的信號的解調(diào)比較簡單，用一個和本地解碼器一樣的積分器即解調(diào)比較簡單，用一個和本地解碼器一樣的積分器即可?？伞Ｔ诮邮斩撕桶l(fā)送端的積分器一般都是一個RC積分積分器器。解調(diào)過程就是圖43中的積分過程。當積分器輸入“1”碼時，積分器輸出產(chǎn)生一個正斜變的電壓并上升一個量化臺階；而當輸入“0”碼時，積分器輸出

8、電壓就下降一個量化臺階。第4章 增量調(diào)制 M系統(tǒng)的接收原理系統(tǒng)的接收原理M系統(tǒng)的接收器是非常簡單的,這正是M系統(tǒng)目前還在廣泛使用的原因1-1 111-1 111-1 -1編碼M積分器積分器的初始狀態(tài)為積分器的初始狀態(tài)為0t積分器輸積分器輸出出低通濾波器（LPF）恢復(fù)恢復(fù)的原的原始信始信號號m(t)m(t)第4章 增量調(diào)制 為了保證解調(diào)質(zhì)量，對解碼器有兩個要求： （1）每次上升或下降的大小要一致，即正負斜率大）每次上升或下降的大小要一致，即正負斜率大小一樣。小一樣。 （2）解碼器應(yīng)具有）解碼器應(yīng)具有“記憶記憶”功能，即輸入為連續(xù)功能，即輸入為連續(xù)“1”或或“0”碼時，輸出能連續(xù)上升或下降。碼時，

9、輸出能連續(xù)上升或下降。 對積分器的輸出信號進行低通濾波，濾除波形中的高頻成分，即可得到與原始模擬信號十分近似的解調(diào)信號，如圖44所示。第4章 增量調(diào)制 圖圖44 增量調(diào)制譯碼增量調(diào)制譯碼(解調(diào)解調(diào))示意圖示意圖積分器低通濾波Po(t)f (t)fo(t)(a) 增量解調(diào)器(譯碼器)框圖t0f (t)(b) 各點波形fo(t)第4章 增量調(diào)制 4.1.4 M調(diào)制存在的問題 增量調(diào)制盡管有前面所述的不少優(yōu)點，但它也有兩個不足：一個是一般量化噪聲問題量化噪聲問題;另一個是過載噪過載噪聲問題聲問題。兩者可統(tǒng)一稱為量化噪聲。 觀察圖41可以發(fā)現(xiàn)，階梯曲線（調(diào)制曲線）的最大上升和下降斜率是一個定值最大上升

10、和下降斜率是一個定值，只要增量和時間間隔t給定，它們就不變。那么，如果原始模擬信號的如果原始模擬信號的變化率超過調(diào)制曲線的最大斜率，則調(diào)制曲線就跟不變化率超過調(diào)制曲線的最大斜率，則調(diào)制曲線就跟不上原始信號的變化，從而造成誤差。上原始信號的變化，從而造成誤差。我們把這種因調(diào)制曲線跟不上原始信號變化的現(xiàn)象叫做過載現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的波形失真或者信號誤差叫做過載噪聲過載噪聲。 第4章 增量調(diào)制 另外，由于增量調(diào)制是利用調(diào)制曲線和原始信號增量調(diào)制是利用調(diào)制曲線和原始信號的差值進行編碼，也就是利用增量進行量化，因此在的差值進行編碼，也就是利用增量進行量化，因此在調(diào)制曲線和原始信號之間存在誤差，這種誤差稱為一

11、調(diào)制曲線和原始信號之間存在誤差，這種誤差稱為一般量化誤差或一般量化噪聲。般量化誤差或一般量化噪聲。兩種噪聲示意圖如圖45所示。第4章 增量調(diào)制 圖45 兩種量化噪聲示意圖 ttf (t)f (t)n(t)n(t)f (t)f (t)第4章 增量調(diào)制 M系統(tǒng)系統(tǒng)的量化噪聲的量化噪聲t010111011100的整數(shù)倍高度肯定是由于量化后的臺階函數(shù)故會產(chǎn)生量化噪聲一定相等所以它和原樣值之間不,)()(teteqq的范圍為量化誤差第4章 增量調(diào)制 M系統(tǒng)系統(tǒng)的過載現(xiàn)象及避免方法的過載現(xiàn)象及避免方法（1）過載產(chǎn)生的原因由于M系統(tǒng)一次采樣只能輸出1bit也就是說1次只能調(diào)整1個臺階來跟蹤原始信號m(t)如

12、果原始信號變化太快，則有可能跟蹤不上，從而造成所謂“過載”t010111幅增加從而使量化噪聲功率大過載時量化誤差會超過第4章 增量調(diào)制 仔細分析兩種噪聲波形我們發(fā)現(xiàn)，兩種噪聲的大小與階梯波的抽樣間隔抽樣間隔t和增量和增量有關(guān)。我們定義K為階梯波一個臺階的斜率斜率sKft 式中,fs是抽樣頻率是抽樣頻率。該斜率被稱為最大跟蹤斜率最大跟蹤斜率。當信號斜率大于跟蹤斜率信號斜率大于跟蹤斜率時，稱為過載條件過載條件，此時就會出現(xiàn)過載現(xiàn)象；當信號斜率等于跟蹤斜率時，稱為臨界條件；當信號斜率小于跟蹤斜率時，稱為不過載條件。第4章 增量調(diào)制 可見，通過增大量化臺階（增量）進而提高階梯波形的最大跟蹤斜率，就可以

13、減小過載噪聲；而降低則可減小一般量化噪聲。顯然，通過改變量化臺階進改變量化臺階進行降噪出現(xiàn)了矛盾，因此，行降噪出現(xiàn)了矛盾，因此，值必須兩頭兼顧，適當選值必須兩頭兼顧，適當選取。取。不過，利用增大抽樣頻率（即減小抽樣時間間隔增大抽樣頻率（即減小抽樣時間間隔t），卻可以），卻可以“左右逢源左右逢源”，既能減小過載噪聲，又，既能減小過載噪聲，又可降低一般量化噪聲可降低一般量化噪聲。因此，實際應(yīng)用中，M系統(tǒng)的抽樣頻率要比PCM系統(tǒng)高得多（一般在兩倍以上，對于話音信號典型值為16kHz和32kHz）。第4章 增量調(diào)制 【例題41】 已知一個話音信號的最高頻率分量已知一個話音信號的最高頻率分量fH=3.4

14、kHz，幅度為，幅度為A=1V。若抽樣頻率。若抽樣頻率fs=32kHz，求，求增量調(diào)制臺階增量調(diào)制臺階=？ 解 首先要找出話音信號的最大斜率。若信號為單頻正弦型信號f(t)=Asint，則其斜率就是它的導(dǎo)數(shù)， ，最大斜率為K=A。把話音信號的最高頻率分量看成是一個正弦型信號， ( )( )cosdf tk tAtdt第4章 增量調(diào)制 由式（41）可知當A2fHfs時，系統(tǒng)不過載。所以223.40.668( )32HsAfVf增量調(diào)制臺階為0.668V。 第4章 增量調(diào)制 另外，如果模擬信號為交流信號，且信號峰-峰值小于時，增量調(diào)制器的輸出將不隨信號的變化而變化，只輸出“1”和“0”交替出現(xiàn)的數(shù)

15、字序列。只有當信號峰值大于/2時，調(diào)制器才輸出隨交流信號的變化而變化的數(shù)字序列,因此，把/2電平稱為增量調(diào)制器的起始編碼電平。第4章 增量調(diào)制 4.2 增量總和調(diào)制增量總和調(diào)制 從4.1.4節(jié)中可知，對于一個實際的簡單增量調(diào)制系統(tǒng)，其抽樣頻率和增量值的改變總是有限的，也就是說，系統(tǒng)對兩種量化噪聲性能的改善是有限的系統(tǒng)對兩種量化噪聲性能的改善是有限的。因此，簡單增量調(diào)制系統(tǒng)對于直流、頻率較低的信號或頻率很高的信號均會造成較大的量化噪聲從而丟失不少信息。 為了克服簡單增量調(diào)制的缺點，人們提出了增量總增量總和調(diào)制、自適應(yīng)增量調(diào)制以及數(shù)字檢測音節(jié)控制調(diào)制和調(diào)制、自適應(yīng)增量調(diào)制以及數(shù)字檢測音節(jié)控制調(diào)制等

16、方案。下面簡要介紹增量總和調(diào)制。第4章 增量調(diào)制 4.2.1 增量總和調(diào)制原理增量總和調(diào)制原理 增量總和調(diào)制的基本思想是對輸入的模擬信號先對輸入的模擬信號先進行一次積分處理，改變信號的變化性質(zhì)，降低信號進行一次積分處理，改變信號的變化性質(zhì)，降低信號高頻分量的幅度（從而使信號更適合于增量調(diào)制），高頻分量的幅度（從而使信號更適合于增量調(diào)制），然后再進行簡單增量調(diào)制。然后再進行簡單增量調(diào)制。其過程就像先對信號求和（積分），后進行增量調(diào)制一樣，所以稱為增量總和調(diào)制。 我們可以用下面的例子簡單地理解增量總和調(diào)制的原理。 第4章 增量調(diào)制 比如，對于一個單頻正弦型信號單頻正弦型信號f(t)=Acosct，

17、其最大斜率為其導(dǎo)數(shù)最大值導(dǎo)數(shù)最大值(不考慮負號)，即:K=Ac。假設(shè)該斜率大于系統(tǒng)最大跟蹤斜率系統(tǒng)最大跟蹤斜率，則對該信號直接進行簡單增量調(diào)制時就會出現(xiàn)過載現(xiàn)象。為了克服這個缺點，現(xiàn)對f(t)=Acosct先進行積分處理積分處理，變成 ( )sinsincccAF ttAt第4章 增量調(diào)制 式中A=A/c，則F(t)的最大斜率就變成最大斜率就變成 K=Ac=A，因為c大于1，所以K小于K。也就是說F(t)的最大斜率可能小于系統(tǒng)最大跟蹤斜率的最大斜率可能小于系統(tǒng)最大跟蹤斜率，對F(t)進行增量調(diào)制時就可能不會過載。之所以不說肯定不會過載，是因為若K比最大跟蹤斜率大很多時，存在K仍大于最大跟蹤斜率

18、的可能性。增量總和調(diào)制的系統(tǒng)框圖見圖46。 第4章 增量調(diào)制 圖46 增量總和調(diào)制系統(tǒng)框圖 積分器抽樣 判決低通濾波器f (t)F (t)T(t)Po(t)fo(t)增量總和調(diào)制器(編碼器)增量總和解調(diào)器第4章 增量調(diào)制 細心的讀者會發(fā)現(xiàn)，按前面介紹的增量總和調(diào)制原理，應(yīng)該先對信號積分，然后再進行簡單增量調(diào)制，而圖中的積分器怎么會放在比較器之后，而且還少了一個反饋用的積分器？這是因為我們利用了一個積分的性質(zhì)：兩個積分信號的代數(shù)和等于兩個信號代數(shù)和兩個積分信號的代數(shù)和等于兩個信號代數(shù)和的積分的積分，即( )( ) ( )( )oof t dtP t dtf tP t dt這樣可以節(jié)省一個積分器，從而簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 增量總和調(diào)制系統(tǒng)適合于傳輸具有近似平坦功率譜的信號，比如經(jīng)過預(yù)加重的電話信號。 第4章 增量調(diào)制 4.2.2 增量總和調(diào)制的解調(diào)原理增量總和調(diào)制的解調(diào)原理 增量總和調(diào)制