数据通信-模拟信号的数字化技术4-04教材

计算机学院1数据通信基础第4章模拟信号的数字化技术（4）数据通信基础计算机学院2复习1、脉冲编码调制的概念2、二进制的PCM编码

自然码，格雷码，折叠码3、线性编码器

级联逐次比较型编码器原理4、非线性编码器

逐次反馈型编码原理、过程、编码器框图数据通信基础3第09次课要求数据通信基础内容：

4.5增量调制

4.6差分脉冲编码调制系统掌握：1、增量调制的概念2、增量调制的调制和解调原理3、自适应的增量调制

4、差分脉冲编码调制的概念理解：1、增量调制的调制和解调原理。2、差分脉冲编码调制系统计算机学院44.5增量调制PCM编码在数字通信系统中得到了广泛的应用，但信号占用的带宽很宽，编译码电路也比较复杂。为了减小占用带宽，提高经济性能，又发展了增量调制技术。

增量调制简称ΔM或DM，它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字传输的方法，其目的在于简化语音编码方法，减少传输信号占用的带宽。数据通信基础

在PCM中，代码表示样值本身的大小，所需码位数较多，导致带宽较宽，编译码设备复杂；

一个有限模拟信号进行数字化编码，如果对其采样的速度很高，采样间隔很小，模拟信号相邻样值点的幅度变化不会很大，相邻采样值的相对大小就能反映模拟信号的变化规律，如果将这个差值用1位二进制编码表示，值为正用“1”表示，值为负用“0”表示，差值称为增量，用差值编码进行通信的方式就叫增量调制（DeltaModulation，简称DmorΔM）

4.5增量调制计算机学院6数据通信基础4.5增量调制ΔM与PCM编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点。

优点计算机学院7数据通信基础4.5增量调制增量调制思想：

m(t)代表时间连续变化的模拟信号，用一个时间间隔为

Δt，相邻幅度差为Δ的阶梯波形m′(t)来逼近它。只要Δt足够小，即采样速率fs足够大，且Δ足够小，则阶梯波m′(t)可以近似代替m(t)。

在t1时刻，用M（t1）与m′(t1-)（t1-表示t1时刻前瞬间）比较，如果M（t1）>m′(t1-),则让m′(t)上升一个台阶，ΔM输出二进制“1”码；在t2时刻，用M（t2）与m′(t2-)（t2-表示t2时刻前瞬间）比较，如果M（t2）<m′(t2-),则让m′(t)下降一个台阶，ΔM输出二进制“0”码.采用间隔为Δt、相邻幅度差为Δ的阶梯波m′(t)来逼近它，只要Δt与Δ足够小，则阶梯波m′(t)可近似代替m(t)。Δ为量化台阶Δt=Ts为抽样间隔4.5增量调制第四章模拟信号的数字化阶梯波m‘(t)有两个特点：1、在每个Δt间隔内，m'(t)的幅值不变;2、相邻间隔的幅值差不是+Δ就是-Δ。利用这两个特点，用“1”码和“0”码分别代表m'(t)上升或下降一个量化阶Δ，则m'(t)就被一个二进制序列表征，等效于该序列也表征了模拟信号m(t)，实现了模/数转换。4.5增量调制第四章模拟信号的数字化ê(n)Sp(n)

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

ttSp(0)Sp(1)Sp(2)S(n)S(n-1)S(0)S(1)-

-

-

+

-

C(n)000101111110100

ＤＭ调制示意图ＤＭ调制示意图tê'(n)+

+

+

+

+

+

+

+

-

-

-

-

-

-

-

tŜ'(n)C(n)000101111110100ＤＭ解调示意图ＤＭ解调示意图增量调制的系统噪声：1、一般量化噪声

当信号的幅度变化小于增量Δ，增量将不能不是信号的变化，由此产生的噪声。2、过载量化噪声

当信号的幅度变化过于激烈时（信号曲线比较陡，斜率比较大），增量调制曲线的变化跟不上信号的变化所产生的噪声。4.5增量调制第四章模拟信号的数字化△ê(t)Sp(t)ttS(t)C(n)111111110000000TS

过载现象4.5增量调制第四章模拟信号的数字化为了避免过载失真的情况发生，我们要适当设计和，使信号的最大斜率满足4.5增量调制第四章模拟信号的数字化

设输入模拟信号为m(t)=Asinωt，其最大斜率为Ａω。所以要不过载，应要求所以，临界过载振幅（允许的信号幅度）为实例第四章模拟信号的数字化

已知某语音信号的最高频率为fH=4KHz，幅度为A=2v，如果对此电话语音信号进行增量调制，并且一直采用频率为fs=32kHz，要消除过载量化噪声，求其增量调制的增量Δ。即：实例第四章模拟信号的数字化

基本原理：

采样自适应的方法是量化台阶的大小随着输入信号的统计特性而变化，信号幅度小的时候减小，信号幅度大的时候增加。

如果量化台阶岁信号瞬时值变化，则称为瞬时压扩M，记为ADM；如果量化台阶岁音节时间间隔（5～20MS）中信号的平均斜率变化，则称为连续可变斜率增量调制，为CVSD

3、自适应增量调制（ADM）4.5增量调制第四章模拟信号的数字化

数字压扩自适应增量调制是一种自适应增量调制，它通过检测输出码中的连“0”和连“1”来调整量阶的。

连码检测电路检测输出码中的连“0”和连“1”，当连续出现4个连码时，通过控制电路改变增量，使增大，连码越多，也就越大。3、自适应增量调制（ADM）4.5增量调制第四章模拟信号的数字化1、占用信道带宽

传输1路语音，PCM系统的信息速率为64kbit/s，而增量调制系统的信息速率为32kbit/s或16kbit/s.

因此当信道的利用率不变时，增量调制系统占用的信道带宽低于PCM系统。4、DM与PCM系统的性能比较4.5增量调制第四章模拟信号的数字化2、输出信噪比

当码位数n>4时，PCM的量化间隔比较小，因而量化噪声比较小，量化信噪比大，反之，PCM量化间隔大，量化噪声就大，量化信噪比就小。

由于语音PCM的编码位数大于4，其量化信噪比大于简单的ΔM系统的量化信噪比。4、ΔM与PCM系统的性能比较4.5增量调制第四章模拟信号的数字化4.5增量调制第四章模拟信号的数字化3.信道误码的影响

ΔM对误码率的要求较低，一般在10-3~10-4。而PCM的每一个误码会造成较大的误差,所以对误码率的要求较高，一般为10-5~10-6。由此可见，ΔM允许用于误码率较高的信道条件，这是ΔM与PCM不同的一个重要条件。

4.5增量调制第四章模拟信号的数字化4.设备复杂度

PCM系统采用多路信号统一编码，编码设备复杂，但质量较好，一般用于大容量的干线通信。

ΔM系统的特点是设备简单。在传输语音信号时，ΔM话音清晰度和自然度方面都不如PCM。4.5增量调制第四章模拟信号的数字化4.6差分脉冲编码调制系统(DPCM)

在PCM中，每个波形样值都独立编码，需要较多位数，所需带宽大大增加。然而大多数以奈奎斯特或更高速率抽样的信源信号在相邻抽样间表现出很强的相关性，因此可以针对相邻样值的差值而不是样值本身进行编码。由于相邻样值的差值比样值本身小，可以用较少的比特数表示差值。这样可以使编码位数显著减少，信号带宽大大压缩。这种利用差值的PCM编码称为差分PCM（DPCM）。第四章模拟信号的数字化d(0)tx(t)0T2T3T4T5T6TS(0)S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)d(0)d(1)d(2)d(3)d(4)d(5)d(6)样值序列延迟T+S(k)S(k-1)d(k)样值序列的恢复0T2T5T6Td(k)差值序列t3T4TS(0)=d(0)；S(1)=S(0)+d(1)=d(0)+d(1)；S(2)=S(1)+d(2)=d(0)+d(1)+d(2)；···第四章模拟信号的数字化

前面介绍差分脉码调制是将两个相邻样值之间的差值直接传送到接收端，在实际数字通信中，传送的差值信号必须进行量化编码，由此会带来量化误差e(k)。

在接收端用前一时刻的样值与本时刻的差值相加就可以恢复出当前时刻信号的样值序列。4.6差分脉冲编码调制系统第四章模拟信号的数字化d(0)tx(t)0T2T3T4T5T6TS(0)S(1)S(2)S(3)S(4)S(5)S(6)d(1)d(2)样值序列0T2T5T6Td(k)差值序列t3T4Td(3)d(4)d(5)d(6)延迟T+S(k)S(k-1)d(k)延迟T+S'(k)S'(k-1)d'(k)样值序列的恢复d'(0)d'(1)d'(2)d'(3)d'(4)d'(5)d'(6)第四章模拟信号的数字化量化器延迟T编码解码++延迟T+Sr(k-1)S(k)Sr(k)d(k)Sr(k)Sr(k-1)d'(k)+++I(k)I’(k)d'(k)-DPCM码流数字信道发送端接收端td'(0)d'(2)0T2T3TS(0)S(1)S(2)S(3)d'(1)d'(3)d(0)d(1)d(2)d(3)重建样值的形成图Sr(2)Sr(1)Sr(3)Sr(0)第四章模拟信号的数字化

ADPCM

值得注意的是，DPCM系统性能的改善是以最佳的预测和量化为前提的。但对语音信号进行预测和量化是复杂的技术问题，这是因为语音信号在较大的动态范围内变化。为了能在相当宽的变化范围内获得最佳的性能，只有在DPCM基础上引入自适应系统。有自适应系统的DPCM称为自适应差分脉冲编码调制，简称ADPCM

。第四章模拟信号的数字化

ADPCM

的主要特点是用自适应量化取代固定量化，用自适应预测取代固定预测。自适应量化指量化台阶随信号的变化而变化，使量化误差减小；自适应预测指预测器系数可以随信号的统计特性而自适应调整，提高了预测信号的精度，从而得到高预测增益。通过这两点改进，可大大提高输出信噪比和编码动态范围。

4.6差分脉冲编码调制系统第四章模拟信号的数字化预测自适应控制DPCM系统原理图Sr