通信原理第4章增量调制

第4章
增量调制
增量调制原理框图
T(t)
f (t) ＋
∑
－
e(t)
抽样 判决
Po(t)
R C
′t ) f(
积分 器 (b) RC积 分 器
(a) 增 量 调 制 器 ( 编 码 器 ) 框 图
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增量调制
组成部分的作用
积分器
用于获取f′(iΔt_) 。 由于该积分器又具有解码功能，因此又称为 本地解码器（译码器）。
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增量调制
增量调制过程示意图
T(t)
(a) 抽 样 脉 冲
0 t 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t 10t11t12t13t14t t
f (t)
′ t) f(
(b) 样 值 信 号
s
2t 0 t 3t 4t 11t 12t13t 14t 5t 6t 7t 8t 9t 10t t
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ΔM的量化信噪比与抽样频率的关系
由理论分析可知，ΔM的量化信噪比与抽样频 率成三次方关系，即抽样频率每提高一倍则量 化信噪比提高9dB。
通常ΔM的抽样频率至少16KHz以上才能使量化信 噪比达到15dB以上。32KHz时，量化信噪比约为 26dB左右，可以用于一般的通信质量要求。 高质量通信要求的35-50dB的动态范围，所以一般 将抽样频率提高到100KHz以上才有实用价值。
t
= s fs
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例题4―1
已知一个话音信号的最高频率分量 fH=3.4kHz，幅度为A=1V。若抽样频率 fs=32kHz，求增量调制台阶σ=？
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例题4―1 解
求话音信号的最大斜率。 若信号为单频正弦型信号f(t)=Asinωt，则其 斜率就是它的导数， df (t ) k (t ) = = A cos t
最早由法国人De Loraine于1946年提出; 主要在军事通信和卫星通信中广泛使用，有 时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换 器使用; 增量调制是预测编码中最简单的一种。
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增量调制的主要特点
增量调制是在PCM方式的基础上发展起来 的.PCM是 以8位编码表示模拟信号的 取样值.而增量调制则是通 过一位二进制编码表示 相邻取样值相对大小的 方法, 从而将模拟信号转换成 数字信号, 故PCM是绝对编码, . 而增量调制为相对编码 增量调制比PCM的电路简单 各自优缺点 增量调制的性能比PCM要差 :
dt
最大斜率为 K=Aω。把话音信号的最高频率 分量看成是一个正弦型信号， 由式（ 4―1 ）可知当 A2πfH≤σfs 时，系统不过 载。所以 A2 f H 2 3.4 s= = = 0.668(V ) fs 32
增量调制台阶为0.668V。
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4.2 增量总和调制
简单增量调制系统的缺点：
增量调制
举例说明
单频正弦信号f(t)=Acosωct，其最大斜率为 K=Aωc，假设该斜率大于系统最大跟踪斜率， 则对该信号直接进行简单增量调制时就会出现 过载现象。
对f(t)=Acosωct先进行积分处理，变成 ：
F (t ) =
A
c
sin ct = A sin ct
式中A′=A/ωc，则F(t)的最大斜率就变成 K′=A′ωc=A，因为ωc大于1，所以K′小于K。
x

x0 积分器
s
判决器
信道
自适应 s 调节器
脉幅 调制器
s
积分器
低通 滤波
x
V0
平滑 电路
脉幅 调制器
V0
平滑 电路
V1
V1
数字 检测器
数字 检测器
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增量调制
图中各部分的功能 : (1)数字检测器 : 检测连码的多少, 连码多时, 检测器的输出 V1大, 连码少时, 检测器的输出V1小. (2)平滑电路 : 取出V1中的直流分量V0 , 用以控制脉幅调制 V1小 V0小 脉幅调制器的输出 s 小 器, 其对应关系为 V1大 V0 大 脉幅调制器的输出 s 大 (3)脉幅调制器 : 输出量阶为 s 的方波, s 大小受V0的控制.
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增量总和调制系统框图
T(t)
f (t ) ＋
∑
－
积分 器
F (t )
抽样 判决
Po (t )
…
低通 滤波器 增量 总和解 调器
fo (t)
增 量 总 和 调 制 器 (编 码 器 )

f (t )dt - Po (t )dt = [ f (t ) - Po (t )]dt
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增量调制
增量调制的概念
Δt：时间间隔； σ：增量
原始模拟信号f(t)； 时间间隔为Δt(Δt =1/fs)，幅度差为σ的阶梯 波形f ′(t)； 若Δt和σ足够小，则f ′(t)逼近f(t)；
若对f′(t)进行高频滤波，则f ′(t)→ f(t)。
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问题讨论 : 如何由f (t ) f (t ) ?
f (t )
e
s
跟不上时, 两者之间误差 e > s , 产生过载量化误差
0
t
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如何降低量化噪声
最大跟踪斜率K ：阶梯波一个台阶的斜率；
当信号斜率大于跟踪斜率时→过载
K=
s
增加σ→K增加→过载噪声减少，一般量化噪 声增加； fs增大→Δt减小→过载噪声减小，一般量化噪 声也降低。
实际应用中，ΔM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）。
fo (t )
′t ) f(
0 (a) 增 量 解 调 器 ( 译 码 器 ) 框 图 (b) 各 点 波 形
t
从上可知，增量调制的编码和译码电路都非常简单。
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4.1.4 ΔM调制存在的问题
一般量化噪声：
增量调制的调制曲线和原始信号之间存在的误差， 称为一般量化误差（一般量化噪声）。
过载噪声：
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增量调制过程示意图
Po(t) 1 0 0 t 2t 3t 4t 5t 6t 7t 8t 9t 10t11t12t13t14t 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 t
′ t) f(
(d) 积 分 器 输 出 信 号
0
t
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4.1.3 ΔM的解调原理
每个抽样间隔内只容许有一个量化电平的变化，当 σ和Δt给定时，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升 和下降斜率是一个定值； 当模拟信号的变化率太大，超过调制曲线的最大斜 率时，则调制曲线跟不上原始信号的变化，从而造 成过载现象。产生斜率过载失真（或称为斜率过载 噪声）。
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一般量化噪声：
f (t )
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第4章 增量调制
4.1 简单增量调制 4.2 增量总和调制
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4.1 简单增量调制
4.1.1 增量调制的基本概念
产生原因：PCM系统中，模拟信号f(t) → 抽 样值f(kTs) → 2k个量化电平之一 → k位二进 制代码，码长一般为7位或8位。 前提条件：fs >> Nyquist频率时，样值间关 联度增加，可以仅用一位编码表示抽样值的 趋势。
增量调制
4.2.2 增量总和调制的解调原理
只用一个低通滤波器即可
增量调制其实也可以叫做“微分”调制， ΔM 信号可以认为携带输入信号的微分信息。因此， 在接收端对其进行积分，即能够解调出原始信 号。 在增量总和调制中，先对输入信号“积分”， 然后才进行“微分”调制，“积分”与“微分” 的作用相互抵消，其输出脉冲已经反映了输入 信号的幅度信息，故，接收端直接用低通滤波 器即可恢复原信号。
解调：解码器 (积分器) + 低通滤波器
对解码器 (积分器) 的要求：
1. 每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率 大小一样；
2. 应具有“记忆”功能，即输入为连续“1”或 “0”码时，输出能连续上升或下降。
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增量调制译码(解调)示意图
fo (t)
Po(t)
积分 器
′t ) f(
低通 滤波
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。
如何克服简单增量调制的缺点：
增量总和调制
自适应增量调制 数字检测音节控制调制
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增量调制
4.2.1 增量总和调制原理
增量总和调制的基本思想：
先对输入的模拟信号积分 • 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） 再进行简单增量调制。
增量调制波形示意图
x(t )
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增量调制
s 称为量阶 s
x(t ) : 阶梯波(蓝色) x0 (t ) : 积分器 输出(绿色) x(t ) : 输入 信号(红色)
s
s s
0 t1 t 2 t3 t 4 t5 t 6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13 t {xk } 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 TS 2TS t 1, 下降则编码为 0, TS = ti +1 - ti 取样周期 上升一个量阶s 编码为
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增量调制Байду номын сангаас
特点：增量总和调制与简单增量调制相比， 能提高信噪比。
设x(t ) = A sin k t , 则 dx 基本增量调制 : sf S dt Amax
max
= A k cos k t max = A k
sf S = Amax与信号频率 k 有关. k
max
d 改进型增量调制 : sf S xdt dt 能提高信噪比
= A sin k t max = A
Amax = sf S Amax与信号频率 k 无关
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增量调制
也就是说F(t)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。
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。
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改进ΔM动态范围的方法
采用自适应方法使量阶Δ的大小随输入信号的 统计特性变化而跟踪变化
量阶能随信号瞬时压扩，则称为瞬时压扩ΔM，记 作ADM。 若量阶Δ随音节时间间隔（5一20ms）中信号平均斜 率变化，则称为连续可变斜率增量调制，记作 CVSD（Continuous Variable Slope Delta Modulation ） 音节压扩的自适应增量调制，简称数字压扩增量调 制。
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自适应增量调制（Adaptive Delta Modulation）
（1）基本概念：
由前述的基本增量调制, 得信号幅度的动态范围为 [ Amin , Amax ] : Amin = 小信号
s
2
sf s ~ Amax = k
大信号
动态范围为D0 = Amax / Amin , D0 越大, 效果越好.如果能通过 某种方法增大D0 , 则增大信噪比. 增大D0的方法是, 对于大信号增加s , 对于小信号减小s , 即 为s可变的自适应增量调制( ADM )
当f(iΔt)>f′(iΔt_)时，上升一个σ，发“1”码
当f(iΔt)<f′(iΔt_)时，下降一个σ，发“0”码
f′(iΔt_)是第i个抽样时刻前一瞬间的量化值。
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能够完成这个任务的器 件称为比较器
(或判决器 )因此, 增量调制又称为斜率 跟踪编码, 大致规律为： 正斜率编" 1"码 负斜率编"0"码 零斜率或斜率很小者编"0和1的交替码"
（2）增量调制的基本特点是，大信号编码的结果是连码 （包括连1码和连0码），小信号的连码少，缓慢变化 的小信号则为交替码，没有连码，如下图所示。
连 1码 连 0码
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1
1
1
1
0
0
0
0
交替码 0 1 0 1 0 1 0 1 0
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增量调制
(3) 根据这一特点, 可采用自适应增量调制方法,即根据信号的 大小来自适应调节量阶 s 的大小, 对于大信号则增加 s 的值, 对 于小信号则减小 s 的值,即为 s 可变的自适应增量调制( ADM ). (4) 系统框图如下, 它是在增量调制中增加了两个虚框所示的 部分来实现的.
比较电路（减法器）
用于获取 f(iΔt) - f′(iΔt_)
抽样判决器（可采用双稳判决器）
用于量化编码。生成双极性二进制码序列。
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增量调制
增量调制（Delta Modulation）：用一位二进制 编码表示信号曲线向上或向下的变化趋势，从 而将模拟信号变为数字序列的方法（过程）。 缩写为DM或ΔM调制;
s 称为量阶 s
f (t ) : 阶梯波(蓝色)
f 0 (t ) : 积分器 输出(绿色) f (t ) : 输入 信号(红色)
s
s s
0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11
t12
t13 t
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增量调制
过载噪声：
f (t ), f 0 (t )
f 0 (t )