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M增量调制通信系统设计说明书1.1 增量调制的基本概念增量调制就是一个传输相邻两个取样瞬间差值信息的一比特编码系统，可用来将模拟话音信号波形转变成二进制比特序列的数字信号的一种调制方法。增量调制技术是在脉冲编码调制技术接近成熟的基础上，作为模拟信号数字化的另一种调制方式而提出来的。这种调制方式为模拟信号变成二进制数码提供了一种简单的编译技术。增量调制或称增量编码,是将连续变化的模拟信号变成二进制数码的一种调制方法,它是用一位二进制数码来表示信号在此时刻的值相对于前一个取样时刻的值是增大还是减小。增大发“1”码,减小发“0”码。在增量调制中，数码“1”和“0”只表示信号相对于前一时刻是增大还是减小,不代表信号的绝对值。接收端译码每收到一个“1”码,译码器的输出相对于前一时刻的值上升一个量阶,每收到一个“0”码,相对于前一时刻的值下降一个量阶。当收到连“1”码时,表示每隔一个取样时间,连续上升一个量阶,即表示信号的建续增长。收到连“0” 码时,表示每隔一个取样时间,连续下降一个量阶,即表示信号的连续下降。这就是增量编码和译码的规则。增量调制(DM)可以看成是一种最简单的DPCM。当DPCM系统中量化器的量化电平数取为2时，DPCM系统就成为增量调制系统。如图3-1所示，在模拟信号m(t)的曲线附近，有一条阶梯状的变化曲线m(t),m(t)与m(t)的形状相似。显然，只要阶梯“台阶”和时间间隔Ts(t)足够小，则m(t)与m(t)的相似程度就会提高。对m(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m(t)可以携带m(t)的全部信息。因此，m(t)可以看成是用一个给定的“台阶”对m(t)进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶”的高度称为增量，用“1”表示正增量，代表向上增加一个；用“0”表示负增量，代表向下减少一个。则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示，也就是说，对m(t)的编码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或向下的变化趋势。这种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（Delta Modulation），缩写为DM或M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。其主要特点是：(1) 在比特率较低的场合，量化信噪比高于PCM。(2) 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。图1-1 增量调制波形示意图它与PCM的本质区别是只用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。1.2 M的调制原理分析一下图1-1，比较在每个抽样时刻t处的m(t)和m(t)的值可以发现,当m(it)m(it)时，上升一个，发“1”码；当m(it)0，则Po(0)=1;t=t时，e(t)=m(t)-m(t_)0，则Po(t)=1;t=2t时，e(2t)=m(2t)-m(2t_)0，则Po(3t)=1;t=4t时，e(4t)=m(4t)-m(4t_)0，则Po(5t)=1;t=6t时，e(6t)=m(6t)-m(6t_)0，则Po(6t)=1; 图1-2 增量调制器（编码器）框图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信号的解调比较简单，如图3-3所示，用一个和本地解码器一样的积分器即可。在接收端和发送端的积分器一般都是一个RC积分器。解调过程就是积分过程。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，积分器输出电压就下降一个量化台阶。图1-3 增量解调器(译码器)原理框图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3-4所示。 图1-4 增量调制译码波形示意图对解码器有两个要求：(1)每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大小一样。(2)解码器应具有“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。由于简单增量调制的信号量化噪声比小，主要是量化阶距固定不变，即为均匀量化。对均匀量化而言，如果量阶取值较大，则信号斜率变化较小的信号的量化噪声就大；如果量阶取值较小，则信号斜率较大的量化噪声就大。均匀量化无法使两种噪声同时减小，以至于信号的动态范围变窄，所以简单增量调制在实际通信中没有得到应用，但是它为增量调制技术提供了理论基础。2 总体设计2.1抽样脉冲发生器与抽样判决电路图2-1 抽样脉冲发生器与抽样判决电路图上述电路的功能是实现对输入信号的分频，产生抽样脉冲，由于输入信号是256KHz的信号，按题目要求需对输入信号进行二分频从而得到128KHz的信号。其中D触发器即是二分频器，由非门和与门构成单稳态电路，从而输出128KHZ的窄脉冲作为抽样脉冲。抽样判决器电路由外部的D触发器构成，在CP的前沿到来时刻，若0，则为“1”码，若 0时，Q4的输出为+3V，当 0时，Q4的输出为+3V。整个比较器的放大量要根据本地译码器输出的量化台阶的大小决定，放大倍数K应满足：2.3译码器电路图2-3 译码器电路图译码器分为本地译码器和解码译码器，本地译码器和解码译码器的电路结构基本相同。本地译码器由极性变换电路、积分器和射极跟随器组成。极性变换电路有Q10,Q11和Q12组成，功能是将抽样判决电路输出的单极性序列P(t)变换成双极性码。当P(t)由低电平0.3V（0码）跳变为高电平3.6V(1码)时，通过电容的耦合作用，使得Q11截止，Q12饱和导通，A点的电位近似为-12V,当P(t)由高电平跳变为低电平时，Q6截止，Q5饱和导通，A点的电位近似为+12V。因此，A点的输出电压幅度近似为12V的双极性码。经Q7射随隔离后输出。 积分电路由R和C组成，电容C上的电压，就是本地译码器输出的比较信号，输出的信号经Q8社随后送到比较器 。 2.4 低通滤波器电路图2-4 低通滤波器电路图低通滤波器接在积分器之后，积分器即是解码译码器，其输出的波形基本上接近原来模拟信号，但还包含有不必要的高次谐波分量，故需经低通滤波器进行平滑，从而得到十分接近原始模拟信号的输出信号。该滤波器采用的是有源低通滤波器，同时还有反向的作用，使得输出的波形与原始模拟信号同向。2.5总体电路总体系统框图如图2-5-1所示，总电路设计图如图2-5-2所示：模拟信号IN图2-5-1 总体系统框图图2-5-2 总电路设计图3实验仿真3.1仿真软件MultisimMultisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它包含了电路原理图的图形输入、电路硬件描述语言输入方式，具有丰富的仿真分析能力。工程师们可以使用Multisim交互式地搭建电路原理图，并对电路进行仿真。Multisim提炼了SPICE仿真的复杂内容，这样工程师无需懂得深入的SPICE技术就可以很快地进行捕获、仿真和分析新的设计，这也使其更适合电子学教育。通过Multisim和虚拟仪器技术，PCB设计工程师和电子学教育工作者可以完成从理论到原理图捕获与仿真再到原型设计和测试这样一个完整的综合设计流程。Multisim 11组成(1)构建仿真电路(2)仿真电路环境(3)multi mcu -单片机仿真(4)FPGA、PLD，CPLD等仿真(5)FPGA、PLD，CPLD等仿真(6) 通信系统分析与设计的模块(7) PCB设计模块：直观、层板32层、快速自动布线、强制向量和密度直方图(8)（自动布线模块）仿真的内容器件建模及仿真；电路的构建及仿真；系统的组成及仿真；仪表仪器原理及制造仿真。器件建模及仿真：可以建模及仿真的器件：模拟器件（二极管，三极管，功率管等）；3.2实验仿真结果（1）用双踪示波器观测输出主时钟信号256KHZ和抽样脉冲信号的波形，如下图所示3-2-1所示：图3-2-1 主时钟信号和抽样脉冲信号的波形分析：上图中，幅值较小的且频率较大的是主时钟信号，幅值较大的且频率较小的是抽样脉冲信号，可见主时钟信号的频率是抽样脉冲的频率的两倍，即抽样脉冲信号是经过了D触发器的二分频作用。从图中可以看出两信号的上升沿的一样的。（2）输入幅值为2V，频率为3khz的模拟信号，用双踪示波器观测模拟信号的波形和比较信号的波形，如下图3-2-2所示：图3-2-2 模拟信号的波形和比较信号的波形分析：上图中规则的正弦波是输入的模拟信号，而另一与模拟信号反相且波形近似为正弦波的信号的射随输出的比较信号。由图可知，射随器输出的比较信号与原信号是反向的，而且是锯齿波形状。（3）m编码输出信号如下图3-2-3所示：图3-2-3 m编码输出信号分析：根据编码的基本思想用一时间间隔为，幅度差为的阶梯波形去逼近模拟信号在时刻用与比较，倘若，就让上升一个量阶段，同时调制器输出二进制“1”；反之就让下降一个量阶段，同时调制器输出二进制“0”。上图中正弦波为原输入模拟信号，另一信号则为编码输出波形。（4）经低通滤波器后，输出原始正弦波信号，用双踪示波器观测原始模拟信号与译码输出信号如下图3-2-4所示：图3-2-4 原始模拟信号与译码输出信号波形分析：因为译码器中含有一个反向电路，所以译码输出的波形与原始模拟波形是同向的。经过低通滤波器的作用，得到译码输出波形。由图观察可知，输出的波形中存在一点失真，可能与滤波器的参数选择有关。4硬件电路设计与结果分析4.1硬件电路转配与调试按上述设计的电路图焊接电路板，按各个模块进行焊接：（1）工具介绍本部分用到了以下工具：20W电烙铁一把，最好是可调温的，万用电表一个，尖嘴钳一把，螺丝刀一把，焊锡丝和松香水若干。（2）装配焊接焊接的目的是要使元件和印刷板之间达到可靠的电连接和对元件牢固的固定。焊接的好坏将直接影响到电子产品的质量。在焊接过程中要注意不同类型的元器件要按适当的方法焊接，像导线要进行剥皮和烫锡处理，要去除表面的绝缘层并将金属表面涂上焊锡。对于电镀件，要对元件表面做磨毛处理然后再焊接。焊接结束后对照电路图检查有无焊错的地方，有无虚焊，假焊的现象。（3）调试 在焊接工作完成后，即可用示波器观测各个测量点的波形，并与理论分析进行比较，从而验证设计方案的合理性和硬件电路是否焊接正确。4.2实物展示焊接好的电路实物如下图4-2-1，4-2-2所示：4-2-1 实物正面图图4-2-2 实物反面图4.3增量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;另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。观察下图可以发现，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升和下降斜率是一个定值，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。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。另外，由于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。两种噪声示意图如图4-3所示。图4-3 两种量化噪声示意图 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t和增量有关。我们定义K为阶梯波一个台阶的斜率 式中,fs是抽样频率。该斜率被称为最大跟踪斜率。当信号斜率大于跟踪斜率时，称为过载条件，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。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行降噪出现了矛盾，因此，值必须两头兼顾，适当选取。不过，利用增大抽样频率（即减小抽样时间间隔t），却可以“左右逢源”，既能减小过载噪声，又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）。5小结与体会通过这一次通信原理的课程设计，我对通信原理这门课程有了更进一步的了解。这次M调制通信系统设计应用到了各种模块电路，自己通过积极地查阅相关资料，请教老师，与同组的同学一起讨论，最终完成设计。由于这学期通信原理这门课有些方面学得不好，所以在设计过程中遇到了很多问题。刚开始在做这个设计时，网上的资料很少，而且在学习这门课时没认真学习关于增量调制的相关原理，开始的时候有点手足无措。然后通过查阅了网上很多的资料和老师的指导，了解了增量调制的编码和解码的原理，对整个课程设计也有了总体的轮廓，通过学过的知识以及做过的实验，最后有了整体的思路。通过本次课程设计我学到了很多新的东西，极大地拓宽了我的知识面,锻炼了能力，综合素质也得到较大提高，我感到收获不小。但在设计中也发现了大量问题，有些在设计过程中已经解决，有些还需要在今后慢慢学习，只要学习就会有更多的问题，有更多的难点，但也会有更多的收获。从这次的课程设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，由于此次课设涉及到了很多模块，比如加法器，单极性变换，低通滤波器，抽样判决，这些模块都与我们学过的模电知识紧密相关，需要我们去巩固提高相关的知识。通过此次课程设计，自己的动手实践能力得到大大的提高，通过