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第四章 模拟信号的数字传输, 增量调制,增量调制可以看成是脉冲编码调制的一种特例。它只用一位二进制码表示幅度量化,这一位码表示的是前后抽样值的变化趋势(增加或减小,称为增量),故称为增量调制。 增量调制(DM或M)是DPCM家族中的一个质量级别最低,而结构最为简单的一种预测编码方式。DPCM的瞬时误差信号尚经过量化后仍需编为比特PCM的码字,而增量调制却以一个双向硬限幅器二电平“量化”,代替DPCM的多层电平量化,于是DM编码每码字只有1比特。,改进的增量编码,为减小量化误差,增量调制必须采用比PCM高很多的抽样频率。 简单增量调制存在斜率过载问题和动态范围问题,因而演变出数字压扩自适应增量调制和增量总和调制。,a) :增量调制的基本思想。 对语音信号,如果抽样速率很高,那么相邻样点之间的幅度变化不会很大,相邻抽样值的相对大小(差值)同样能反映模拟信号的变化规律。 如下图, m(t) 为时间连续变化的模拟信号。我们可以用一个时间间隔为: 相邻幅差为+ 或- 的阶梯波形 m (t ) 来逼近它。只要 足够小,即抽样速率 fs 足够高,且足够小,则阶梯波 m (t ) 可近似代替 m(t ) 。,4.2.1 简单增量调制的原理,编码原理,量化:输出两个电平,相当于DPCM的一种特例 1、预测值取前一次的采样值,称为一阶预测器。 2、量化曲线如下图 若差值信号大于零(本次样值大于前次样值), 量化值 编码 若差值信号小于零(本次样值小于前次样值), 量化值 编码,与编码相对应,译码也有两种形式。 一种是收到“1”码上升一个量阶(跳变),收到“0”码下降一个量阶(跳变),这样把二进制代码经过译码后变为m (t) 这样的阶梯波。 另一种是收到“1”码后产生一个正斜率电压,在t .时间内上升一个量阶,收到“0”码后产生一个负斜率电压,在t . 时间内下降一个量阶,这样把二进制代码经过译码后变为如 m(t) 这样的斜变波。 考虑到电路上实现的简易程度,一般都采用后一种方法。这种方法可用一个简单的RC 积分电路,即可把二进制代码变为m(t)这样的波形.,译码,译码原理图,其接收解调原理图如:,一个实际的M系统 对于以上的实际系统,有如下特点: 1、输入是模拟信号,不是采样序列。 2、采样、量化、编码由D触发器一次完成。 3、脉冲发生器和积分器完成本地译码功能(预测),工作过程:(发送端) 1、输入信号与本地译码(预测)信号进行比较,产生误差信号e(t) e(t)0,输出“1” e(t)0,输出“0” 2、脉冲发生器将“1”码变成一个正脉冲,“0”码变成一个负脉冲。 3、积分器将脉冲序列叠加,形成预测信号电平。 连“1”多,则幅度高; 连“0”多,则幅度低。,发送端,接收端,工作过程:(接收端) 接收端译码器与发送端本地译码器部分完全相同,只是在积分器之后加了一低通滤波器,以滤出高频分量。,积分器的输出形式有两种: 一种是折线近似的积分波形,另一种是阶梯波形; 以下是M的编码波形示意 实线正弦信号为输入的消息信号。 虚线折线部分是预测值(积分器输出),实线阶梯波是另一种积分器输出形式。,M调制的波形图 在信号变化比较缓慢的区域内,编码后得到的序列会是“1”和“0”交替变化的,这种现象称为颗粒噪声。,举例,当输入信号的斜率比采样周期决定的固有斜率/TS大时,固定量阶的积分跟不上输入信号幅度变化时,将产生斜率过载或过载噪声。 量化误差产生的噪声可分为一般量化噪声(颗粒噪声)和斜率过载(量化)噪声。前者是由电平的量化产生的,而后者是由于当输入信号的斜率较大,调制器跟踪不及而产生的。因为在中每个抽样间隔内只容许有一个量化电平的变化,所以当输入信号的斜率比抽样周期决定的固定斜率大时,量化阶的大小便跟不上输入信号的变化,因而产生斜率过载噪声。,M斜率过载问题,量化噪声,由图所示,x(t)的增长速度是每隔Ts时间增长,即其最大可能斜率为: / Ts 。 、 因此为了避免斜率过载,必须使得 其中dx(t)/dt max是的最大斜率。,对于采样周期为TS,量阶为的系统,能跟踪的最大斜率为/TS,称为临界过载下的最大跟踪斜率。 设输入为正弦信号 斜率: 最大斜率:A M为临界过载时 即 信号的最大角频率: 或,动态范围,1、噪声功率 e(t)是信号与预测信号之差 e(t)假设服从均匀分布 又假设e(t)在频域(0,fs)服从均匀分布 fS是采样频率 fB是接收端低通滤波器带宽 信号功率: 信噪比:,M的量化信噪比,低比特率时,量化信噪比高于PCM。 抗误码性能好,能在误码率较高的信道里工作 M的编码、译码比PCM 简单。 包括:改进型增量调制、差分脉冲编码调制 电路简单,无需帧同步,M的主要优越性,1、简单增量调制的信噪比与采样频率的三次方成正比。采样频率提高一倍,量化信噪比提高9分贝。 2、量化信噪比与信号频率的平方成反比,信号每提高一倍频程,信噪比下降6分贝。 3、简单增量调制要满足一定的信噪比,采样频率必须提高,传输率增加,带宽增宽。 4、简单增量调制在信号的高频部分信噪比下降,引出数字压扩自适应增量调制。,总结,. 数字压扩自适应增量调制,简单增量调制有两大问题 1、信号频率高,量阶相对小,量化跟不上变化,产生过载失真。 2、信号频率低。量阶相对大,产生量化失真(颗粒噪声)。 改进方法 1、自适应方式使量阶的大小随信号幅度瞬时压扩,称为瞬时压扩增量调制ADM。 2、量阶随音节时间间隔(5-20ms)的信号平均斜率变化,称为连续可变斜率增量调制CVSD。,数字压扩自适应增量调制,1、检测编码输出信号的连“1”或连“0”,连“1”过多或连“0”过多,说明信号的斜率大。 2、将所检出的脉冲送入平滑电路(积分器,时常数为5-20ms),产生一缓慢变化电压,这个电压与语音信号的平均斜率成正比。 3、将这个电压对输入脉冲串进行调幅,当连码多导致平滑电路输出电平高(输入信号斜率大)调幅器输出信号大,扩张了量化电平。,增量总和调制,高频丰富的信号,如果用简单增量调制,高频端的信噪比要下降。采用-调制方式来解决。 -调制步骤: 1、对输入信号首先进行积分,使高频分量的幅度下降。 2、进行简单增量调制。 3、接收

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