增量调制(△M)
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7.7 增量调制(△M)
增量调制是脉冲编码调制的一种特殊形式,即1比特量化的差值脉码。在PCM系统中,将信号抽样值编为多位二进制码。为提高编码质量,要增加码长,导致设备复杂。而增量调制每次抽样只用一位二进制码表示,它表示了相邻样值的增减变化,这样,编码设备十分简单。本节将介绍:
7.7.1 增量调制的工作原理
7.7.2 增量调制系统的量化噪声
7.7.3 增量调制系统的抗噪声性能7.7.1 增量调制的工作原理
增量调制的编码
增量调制信号的译码
增量调制编译码器
增量调制的编码
增量调制的基本思想是用一个阶梯波去逼近一个模拟信号,如图7-7-1所示。
图7-7-1 增量调制波形示意图
首先,根据信号的幅度大小和和抽样频率确定阶梯信号的台阶
。在抽样时刻
,比较信号
和前一时刻的阶梯波形取值,其中
:
1 如果,则
用
上升一个台阶
表示,此时编码器输出"1"码;
2 如果,则
用
下降一个台阶
表示,此时编码器输出"0"码。
下次编码按上述方法将与
比较,使之上升或下降一个台阶
电压去逼近模拟信号。如果抽样频率足够
高,台阶电压足够小,则阶梯波形近似为m(t),而上升台阶和下降台阶的二进制代码分别用"1"和"0"表示。这个过程就是增量编码。如图7-7-1所示的模拟信号m(t)采用增量调制编码编出的二进制代码
为:01010111111100011。
增量调制信号的译码
1 接收端收到"1"码,就使输出上升一个台阶电压
;
2 接收端收到"0"码,就使输出下降一个台阶电压
;
这些上升和下降的电压的累积就可以
近似地恢复出阶梯波形。
增量调制信号的译码器可由一个积分器来实现,如图7-7-2(a)所示,当积分器的输入为
"1"码时(即输入为脉冲电压),就以固定斜率上升一个
(
等于
), 当积分器的输入为"0"码时(即输入为
脉冲电压),就以固定斜率下降一个。
图7-7-2 增量调制信号的译码
图7-7-2(b)中表示了积分器的输入和输出波形。积分器的输出波形并不是阶梯波形,而是一个斜变波形。但因等于
,所以在所有抽样时刻
上斜变波形与阶梯波形的值相同。因而,斜变波形与原来的模拟信号也近似。由于积分器实现起来容易,且能满足译码要求,所以通常
采用如图7-7-2所示的积分器,其
的乘积应远大于一个二进码的脉冲宽度。积分器输出虽已接近原来模拟信号,但往往含有不必要的高次谐波分量,故需再经低通滤波器平滑,这样,就可得到十分接近模拟信号的输出信号。
增量调制编译码器
(动画)
一个简单的增量调制编码器、译码器分别如图7-7-2(a)、(b)所示。
图7-7-2 增量调制信号的译码
编码器由相减器、判决器、本地译码器和抽样脉冲产生器组成,本地译码器和接收端的
译码器完全相同,也是一个积分电路;判决器在抽样脉冲到来时刻对输入信号的变化作出判决,并输出脉冲。具体如下:将模拟信号m(t)
与本地译码器输出的斜变波形进行比较,相减的结果送入判决器进行判决,如果在给定的抽样时刻
,比较信号
和前一时刻的阶梯波形取值,其中
:
1 如果,则判决器输出"1"码;
2 如果,则判决器输出"0"码。译码器由积分电路和低通滤波器组成。
7.7.2 增量调制系统的量化噪声
从增量调制的工作原理可以看出,△M信号是按台阶
来量化的,所以译码器输出信号与原模拟信号相比存在一定的失真,即存在量化噪声,△M系统中的量化噪声有两种形式:
过载量化噪声一般量化噪声
增量调制系统的量化噪声从增量调制的工作原理可以看出,△M信号是按台阶
来量化的,所以译码器输出信号与原模拟信号相比存在一定的失真,即存在量化噪声,△M系统中的量化噪声有两种形式:
过载量化噪声
由图7-7-3可知,当模拟信号斜率陡变时,由于台阶
是固定的,而且每秒内台阶数是确定的(即采样频率一定时),因此阶梯波形就会跟不上模拟信号的变化而产生很大的失真,这样的失真称为过载失真,它产生过载噪声。这是在正常工作时必须而且可以避免的噪声。
图7-7-3 一般量化噪声和过载量化噪声(互
动)
(a)一般量化噪声(b)过载量化噪声
过载量化噪声与哪些因素有关:
首先观察影响斜变波形的上升(或下降)的最大斜率的因素。从图7-7-1中可看出斜变波形的最大变化斜率出现在连续为"1"码或连续为"0"码时,其波形最大斜率为:
其中,为采样频率。
信号的变化斜率为,当信号的变化斜率大于斜变波形的斜率时,即
此时编码器产生过载失真。
假设输入信号,则
由上式可见,信号的最大变化率是当时,则信号的变化率最大为
在输入信号为正弦情况下,不过载条件为
由上式可以看出,当输入信号的幅度增大或频率过高时,容易引起过载失真。为了不发生过载失真,可以增大或
。
一般量化噪声(互动)
由图7-7-3(a)可以看出,对于一般量化噪声,台阶
大,则量化噪声大;台阶
小,则量化噪声小,采用大的台阶
虽然能减小过载噪声,但却增大了一般量化
噪声,因此值应适当选取。
小结:
△M系统的抽样频率必须选得足够高,因为这样,既能减小过载噪声,又能降低一般量化噪声,从而使△M系统的量化噪声减小到给定的容许数值。一般△M系统中的抽样频率要比PCM系统的抽样频率高得多(通常要高两倍以上)。