差分脉冲编码调制、增量调制PPT演示课件

通信原理电子教案,广东海洋大学信息学院2012年12月,1,通信原理电子教案,授课班级：通信1103班、通信1104班授课教师：广东海洋大学信息学院梁能,7.6增量调制（M、DM或调制）,是在PCM方式基础发展起来的另一种模拟信号数字传输的方法。,M的特点:将模拟信号变成仅由一位二进制码组成的数字信号序列；接收端也只需要一个线性网络，便可复制出模拟信号。编译码设备通常要比PCM的简单。,3,7.6.1M原理1.调制原理,虽然：一位二进制码只能代表两种状态，当然不可能去表示抽样值的大小。但是：用一位码却可以表示抽样值的相对大小，而相邻抽样值的相对变化将能同样反映模拟信号的变化规律。因此：由一位二进制码去表示模拟信号的可能性是存在的。样值点，后比前：增加减小两种可能，两种状态：“1”、“0”表示！,4,例：一个带限模拟信号m(t)的增量调制波形m(t)示意图：,由图可见：只要t、取得足够小，相邻抽样值之差的确可反映信息波形；而抽样值之差用一位二进制代码即可表示：增“1”；减“0”。,纵轴被分成许多相等的幅度段；横轴被划分为许多相等的时间段t。,5,m(t)特点：1）每t内，电平值不变；2）相邻两个t之间，电平变化或，,当t和足够小时，阶梯波m(t)逼近连续波m(t)。代码序列可表示m(t)。,为方便起见，先介绍解码器，再介绍编码器。,6,2.解码器M信号的译码（1）目的解决在接收端怎么由二进制码序列恢复出阶梯波问题。（2）功能接收端只要每收到一个“1”码就使输出上升一个值；每收到一个“0”码就使输出下降一个值。这样就可近似地复制出阶梯波形m(t)。,问：可不可以用斜变波m0(t)逼近m(t)?如何实现斜变波？,7,（3）译码器的构成这种功能的译码器可由一个积分器来完成！RC积分器是最简单的积分器（注意：时常数RC应远大于二进制的脉冲宽度）：遇到“1”码，就以固定斜率上升一个E；遇到“0”码就以同样的斜率下降一个E。只要：E，在所有抽样时ti上斜变波与阶梯波有完全相同的值。,注：,LPF：平滑不必要的高次谐波分量，得到十分接近模拟信号的输出信号。,8,3.编码器M信号的编码模型：,本地译码器：与接收端译码器完全相同，用以从M信号中恢复出阶梯（斜变波）信号m(t)。译出的是前一采样点的值。减法器：将模拟信号m(t-)与本地输出的斜变波m(t-)进行相减。判决器：则在抽样脉冲作用下对相减结果进行极性判决，达到对输入信号的变化作出判决的目的，并输出编码脉冲。,编码规则/判决规则：,9,性能与参数（1）译码器的最大跟踪斜率K（跟踪能力）,式中：t抽样时刻间隔；fs=1/t抽样频率；K最大跟踪斜率。,过载失真：当信号实际斜率超过最大跟踪斜率K时，将发生阶梯波形跟不上信号变化，从而形成很大失真的阶梯波形，这样的失真称为过载失真/现象，也称为过载噪声。,10,（2）量化噪声M信号是按台阶来量化的，因而同样存在量化噪声问题。,1）M系统的量化噪声有两种形式：一般量化噪声：最小周期大约是抽样频率的倒数：Ts=1/fs；范围：过载量化噪声：最小周期大约是抽样频率的倒数：Ts=1/fs；范围：,11,3）选抽样速率fs大：量化噪声，过载噪声。但：码元速率一般，M系统中的抽样频率要比PCM系统中的抽样频率要高得多（通常要高两倍以上）。,（3）过载特性不过载条件：,2）选,12,（4）编码范围输入信号动态范围求m(t)：AkAmax最小编码电平：Akm(t)min,可见：信号小于/2时，编码器输出始终为：0101010,无法区别，所以Ak/2临界过载振幅：Amax,设,由,有,（7.6.4）,13,综上，可得编码范围：AkAmax或定义M系统的动态范围：,副产品：由式9.6.4，得不过载采样频率：,由于A，所以为了不发生过载现象，M系统的抽样频率要比PCM系统的抽样频率2fk高的多。,14,7.6.2M系统中的量化噪声一般不考虑过载情况，即不考虑过载噪声，只考虑量化噪声。即默认：,M系统的组成方框图：,则量化噪声：,系统输出信号和量化噪声分别用m0(t)和nq(t)表示。,设eq(t)在区间(-,+)上均匀分布，即eq(t)一维pdf为：,15,则eq(t)的平均功率为,（7.6.1）,分析量化噪声时，可不计n(t)及编译码的影响。则解调器输出端的信号便是m(t)，误差波形正是量化波形eq(t)。所以,（7.6.1a）,考虑到量化噪声eq(t)的最小周期大约是抽样频率fs的倒数，而且大于1/fs的任意周期都可能出现。因此eq(t)的频谱近似在(0fs)的范围内，假设其服从均匀分布，则eq(t)的pdf近似为,16,经理想LPF（截至频率为fm）后的量化噪声功率为：,讨论：NqfmNqfsNq可见，M系统输出量化噪声功率与量化台阶及比值(fm/fs)有关，而与输入信号的幅度无关。当然，这后一条性质是在无过载的前提下才成立的。,17,现在以正弦信号为例来求M系统输出信噪比：,设,则,在临界（过载）条件下，系统将有最大的信号功率输出，为,（7.6.5）,于是可得临界条件下最大的信噪比,讨论：最大信噪比与抽样频率fs的三次方成正比，而与信号频率的平方成反比。因此，对于M系统而言，提高抽样频率将能明显地提高信号与量化噪声的功率比。,18,7.7PCM和M的性能比较主要比较So/Nq,假设：系统无误码（或误码率极低）。,PCM:,（7.7.1a）,（7.7.1b）,（7.7.2a）,或,M:,或,（7.7.2b）,比较的条件：相同的信道带宽，亦即相同的传输速率fb。,PCM:,M:,（M的采样频率比PCM大的多！）,19,（7.7.3）,M:,因为fkfm，取fk1000Hz，fm3400Hz（一路话音）则在此条件下，上式变为,M:,PCM:,(7.7.4),(7.7.1),20,讨论：在相同的信道传输速率下：NPCM的S0/Nq，N4：M的S0/NqPCM的S0/Nq，且随N的增大，PCM相对于M来说,其性能将会越来越好，但M编译码易实现。,21,7.8增量（差分）脉冲编码调制（DPCM）系统7.8.1DPCM原理,问题：由前面的系统性能分析看出，在不考虑信道误码率的情况下，M的性能通常比PCM的差。主要原因：M系统不管误差如何变化，传输的增量是固定不变的。改进措施：误差信号(t)增量信号量化（M个电平）编码传输系统组成框图：,目的/预计：增量信号被细化系统性能会得到改善。,22,7.8.2DPCM系统性能,利用前述PCM和M系统性能分析时所得到的结论来分析。,1.S0,信号m(t)的平均输出功率S0仍由式7.6.5给出，只是在DPCM系统中，由于误差范围(-,+)被量化为M个电平，即,这里，v为量化间隔。于是，由式7.6.5可得,（7.8.1）,Nq量化噪声功率,在DCPM系统中，量化误差不再是在的范围内，而是在（-v,+v）的范围内，按照7.5.3（而不是7.6.1a）推导同样的方法，可得此时：,23,仍假设经量化后的误差信号具有均匀的功率谱密度，而DCPM系统输出数字信号的码元素率仍为Nfs，于是噪声频谱被认为均匀分布于频率范围（0,Nfs）之内，故可求得此时的单边功率谱密度为：,（7.8.3）,经截止频率为fm的LPF后，算得噪声功率为：,（7.8.4）,3.S0Nq,由式9.8.1和式9.8.4，可算得