第4章__增量调制

1、第4章 增量调制 第第4章章 增量调制增量调制 4.1 简单增量调制简单增量调制 4.2 增量总和调制增量总和调制 第4章 增量调制 4.1 简单增量调制简单增量调制 4.1.1 增量调制的基本概念 在PCM系统中，为了得到二进制数字序列，要对量化后的数字信号进行编码，每个抽样量化值用一个码组（码字）表示其大小。码长一般为7位或8位，码长越大，可表示的量化级数越多，但编、解码设备就越复杂。那么能否找到其它更为简单的方法简单的方法完成信号的模/数转换呢？第4章 增量调制 图中在模拟信号f(t)的曲线附近，有一条阶梯状的变化曲线f(t),f(t)与f(t)的形状相似。显然，只要阶梯“台阶”和时间间

2、隔t足够小，则f(t)与f(t)的相似程度就会提高。对f(t)进行滤波处理，去掉高频波动，所得到的曲线将会很好地与原曲线重合，这意味着f(t)可以携带f(t)的全部信息（这一点很重要）。因此，f(t)可以看成是用一个给定的“台阶”对f(t)进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶台阶”的高度的高度称为增量，用称为增量，用“1”表示正增量，代表向上增加一个表示正增量，代表向上增加一个；用用“0”表表示负增量，代表向下减少一个示负增量，代表向下减少一个。 t111111111000000tt二进制码序列编码后的数字信号f (t)f (t)第4章 增量调制 M系统系统的基本原理的基本原理 能不能将每次抽

3、样的编码位数减少（最好能减少到1位）以减小数字信号带宽呢？t010111011100反之则下一个台阶，则上一个台阶抽样值若比目前台阶高其规律可总结为：每个台阶的高度均为01,下台阶编码为上台阶编码为第4章 增量调制 则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示（如图41所示），也就是说，对对f(t)的编码的编码只用一位二进制码即可只用一位二进制码即可。此时的二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值，每一位码值反映的是曲线向上曲线向上或向下的变化趋势或向下的变化趋势。这种只用一位二进制编码将模拟只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法（过程）就称为增量调制信号变为数字序列的方法（过程

4、）就称为增量调制（Delta Modulation），缩写为），缩写为DM或或M调制。调制。第4章 增量调制 增量调制最早由法国人De Loraine于1946年提出，目的是简化模拟信号的数字化方法。其主要特点主要特点是： (1) 在比特率较低的场合，量化信噪比高信噪比高于PCM。 (2) 抗误码性能好抗误码性能好。能工作在误比特率为102103的信道中，而PCM则要求信道的误比特率为104106。 (3) 设备简单、制造容易。设备简单、制造容易。 它与PCM的本质区别是只用一位一位二进制码进行编码，但这一位码不表示信号抽样值的大小，而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。第4章 增量调制 4.1

5、.2 M的调制原理 如何在发送端形成f(t)信号并编制成相应的二元码序列呢？仔细分析一下图41，比较在每个抽样时刻t处的f(t)和f(t)的值可以发现, 当当f(it)f(it_)时，上升一个时，上升一个，发，发“1”码；码； 当当f(it)0，则Po(0)=1t=t时， e(t)=f(t)-f(t_)0，则Po(t)=1t=2t时，e(2t)=f(2t)-f(2t_)0，则Po(3t)=1;t=4t时，e(4t)=f(4t)-f(4t_)0，则Po(5t)=1;t=6t时，e(6t)=f(6t)-f(6t_)0，则Po(6t)=1;第4章 增量调制 图42 增量调制原理框图f (t)抽样 判

6、决积分器f (t)T(t)e(t)Po(t)RC(a) 增量调制器(编码器)框图(b) RC积分器第4章 增量调制 以此类推，即可得到如图43所示的波形。细心的读者会发现图43中的f(t)和图41的波形不一样。其实，图41的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理，而实际积分器的输出波形如图43（d）所示。第4章 增量调制 图43 增量调制过程示意图 tt02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tT(t)(a) 抽样脉冲(b) 样值信号tt02t3t4t5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tf (t)f (t)第4章 增量调制 (d) 积分器

7、输出信号t110101111110000t02t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t10t11t12t13t14tPo(t)t0f (t)图43 增量调制过程示意图 第4章 增量调制 4.1.3 M的解调原理 为了完成整个通信过程，发送端调制出的信号必须在接收端通过解调恢复出原始模拟信号。M信号的信号的解调比较简单，用一个和本地解码器一样的积分器即解调比较简单，用一个和本地解码器一样的积分器即可。可。在接收端和发送端的积分器一般都是一个RC积分积分器器。解调过程就是图43中的积分过程。当积分器输入“1”码时，积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶；而当输入“0”码时，积分器输出

8、电压就下降一个量化台阶。第4章 增量调制 M系统的接收原理系统的接收原理M系统的接收器是非常简单的,这正是M系统目前还在广泛使用的原因1-1 111-1 111-1 -1编码M积分器积分器的初始状态为积分器的初始状态为0t积分器输积分器输出出低通滤波器（LPF）恢复恢复的原的原始信始信号号m(t)m(t)第4章 增量调制 为了保证解调质量，对解码器有两个要求： （1）每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大）每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大小一样。小一样。 （2）解码器应具有）解码器应具有“记忆记忆”功能，即输入为连续功能，即输入为连续“1”或或“0”码时，输出能连续上升或下降。码时，

9、输出能连续上升或下降。 对积分器的输出信号进行低通滤波，滤除波形中的高频成分，即可得到与原始模拟信号十分近似的解调信号，如图44所示。第4章 增量调制 图图44 增量调制译码增量调制译码(解调解调)示意图示意图积分器低通滤波Po(t)f (t)fo(t)(a) 增量解调器(译码器)框图t0f (t)(b) 各点波形fo(t)第4章 增量调制 4.1.4 M调制存在的问题 增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化噪声问题量化噪声问题;另一个是过载噪过载噪声问题声问题。两者可统一称为量化噪声。 观察图41可以发现，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升和下降斜率是一个定值最大上升

10、和下降斜率是一个定值，只要增量和时间间隔t给定，它们就不变。那么，如果原始模拟信号的如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的最大斜率，则调制曲线就跟不变化率超过调制曲线的最大斜率，则调制曲线就跟不上原始信号的变化，从而造成误差。上原始信号的变化，从而造成误差。我们把这种因调制曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象，由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载噪声过载噪声。 第4章 增量调制 另外，由于增量调制是利用调制曲线和原始信号增量调制是利用调制曲线和原始信号的差值进行编码，也就是利用增量进行量化，因此在的差值进行编码，也就是利用增量进行量化，因此在调制曲线和原始信号之间存在误差，这种误差称为一

11、调制曲线和原始信号之间存在误差，这种误差称为一般量化误差或一般量化噪声。般量化误差或一般量化噪声。两种噪声示意图如图45所示。第4章 增量调制 图45 两种量化噪声示意图 ttf (t)f (t)n(t)n(t)f (t)f (t)第4章 增量调制 M系统系统的量化噪声的量化噪声t010111011100的整数倍高度肯定是由于量化后的台阶函数故会产生量化噪声一定相等所以它和原样值之间不,)()(teteqq的范围为量化误差第4章 增量调制 M系统系统的过载现象及避免方法的过载现象及避免方法（1）过载产生的原因由于M系统一次采样只能输出1bit也就是说1次只能调整1个台阶来跟踪原始信号m(t)如

12、果原始信号变化太快，则有可能跟踪不上，从而造成所谓“过载”t010111幅增加从而使量化噪声功率大过载时量化误差会超过第4章 增量调制 仔细分析两种噪声波形我们发现，两种噪声的大小与阶梯波的抽样间隔抽样间隔t和增量和增量有关。我们定义K为阶梯波一个台阶的斜率斜率sKft 式中,fs是抽样频率是抽样频率。该斜率被称为最大跟踪斜率最大跟踪斜率。当信号斜率大于跟踪斜率信号斜率大于跟踪斜率时，称为过载条件过载条件，此时就会出现过载现象；当信号斜率等于跟踪斜率时，称为临界条件；当信号斜率小于跟踪斜率时，称为不过载条件。第4章 增量调制 可见，通过增大量化台阶（增量）进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率，就可以

13、减小过载噪声；而降低则可减小一般量化噪声。显然，通过改变量化台阶进改变量化台阶进行降噪出现了矛盾，因此，行降噪出现了矛盾，因此，值必须两头兼顾，适当选值必须两头兼顾，适当选取。取。不过，利用增大抽样频率（即减小抽样时间间隔增大抽样频率（即减小抽样时间间隔t），却可以），却可以“左右逢源左右逢源”，既能减小过载噪声，又，既能减小过载噪声，又可降低一般量化噪声可降低一般量化噪声。因此，实际应用中，M系统的抽样频率要比PCM系统高得多（一般在两倍以上，对于话音信号典型值为16kHz和32kHz）。第4章 增量调制 【例题41】 已知一个话音信号的最高频率分量已知一个话音信号的最高频率分量fH=3.4

14、kHz，幅度为，幅度为A=1V。若抽样频率。若抽样频率fs=32kHz，求，求增量调制台阶增量调制台阶=？ 解 首先要找出话音信号的最大斜率。若信号为单频正弦型信号f(t)=Asint，则其斜率就是它的导数， ，最大斜率为K=A。把话音信号的最高频率分量看成是一个正弦型信号， ( )( )cosdf tk tAtdt第4章 增量调制 由式（41）可知当A2fHfs时，系统不过载。所以223.40.668( )32HsAfVf增量调制台阶为0.668V。 第4章 增量调制 另外，如果模拟信号为交流信号，且信号峰-峰值小于时，增量调制器的输出将不随信号的变化而变化，只输出“1”和“0”交替出现的数

15、字序列。只有当信号峰值大于/2时，调制器才输出随交流信号的变化而变化的数字序列,因此，把/2电平称为增量调制器的起始编码电平。第4章 增量调制 4.2 增量总和调制增量总和调制 从4.1.4节中可知，对于一个实际的简单增量调制系统，其抽样频率和增量值的改变总是有限的，也就是说，系统对两种量化噪声性能的改善是有限的系统对两种量化噪声性能的改善是有限的。因此，简单增量调制系统对于直流、频率较低的信号或频率很高的信号均会造成较大的量化噪声从而丢失不少信息。 为了克服简单增量调制的缺点，人们提出了增量总增量总和调制、自适应增量调制以及数字检测音节控制调制和调制、自适应增量调制以及数字检测音节控制调制等

16、方案。下面简要介绍增量总和调制。第4章 增量调制 4.2.1 增量总和调制原理增量总和调制原理 增量总和调制的基本思想是对输入的模拟信号先对输入的模拟信号先进行一次积分处理，改变信号的变化性质，降低信号进行一次积分处理，改变信号的变化性质，降低信号高频分量的幅度（从而使信号更适合于增量调制），高频分量的幅度（从而使信号更适合于增量调制），然后再进行简单增量调制。然后再进行简单增量调制。其过程就像先对信号求和（积分），后进行增量调制一样，所以称为增量总和调制。 我们可以用下面的例子简单地理解增量总和调制的原理。 第4章 增量调制 比如，对于一个单频正弦型信号单频正弦型信号f(t)=Acosct，

17、其最大斜率为其导数最大值导数最大值(不考虑负号)，即:K=Ac。假设该斜率大于系统最大跟踪斜率系统最大跟踪斜率，则对该信号直接进行简单增量调制时就会出现过载现象。为了克服这个缺点，现对f(t)=Acosct先进行积分处理积分处理，变成 ( )sinsincccAF ttAt第4章 增量调制 式中A=A/c，则F(t)的最大斜率就变成最大斜率就变成 K=Ac=A，因为c大于1，所以K小于K。也就是说F(t)的最大斜率可能小于系统最大跟踪斜率的最大斜率可能小于系统最大跟踪斜率，对F(t)进行增量调制时就可能不会过载。之所以不说肯定不会过载，是因为若K比最大跟踪斜率大很多时，存在K仍大于最大跟踪斜率

18、的可能性。增量总和调制的系统框图见图46。 第4章 增量调制 图46 增量总和调制系统框图 积分器抽样 判决低通滤波器f (t)F (t)T(t)Po(t)fo(t)增量总和调制器(编码器)增量总和解调器第4章 增量调制 细心的读者会发现，按前面介绍的增量总和调制原理，应该先对信号积分，然后再进行简单增量调制，而图中的积分器怎么会放在比较器之后，而且还少了一个反馈用的积分器？这是因为我们利用了一个积分的性质：两个积分信号的代数和等于两个信号代数和两个积分信号的代数和等于两个信号代数和的积分的积分，即( )( ) ( )( )oof t dtP t dtf tP t dt这样可以节省一个积分器，从而简化了系统结构。 增量总和调制系统适合于传输具有近似平坦功率谱的信号，比如经过预加重的电话信号。 第4章 增量调制 4.2.2 增量总和调制的解调原理增量总和调制的解调原理 增量总和调制