通信原理增量调制1

1、第七章第七章 增量调制增量调制M(1) 简单增量调制可以认为是 一位编码一位编码时的特例，但编码的是差值信号。MPCM与与PCMPCM方式相比，其优点：方式相比，其优点：1 1、在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于、在比特率较低时，增量调制的量化信噪比高于PCMPCM2 2、增量调制的抗误码性能好增量调制的抗误码性能好3 3、增量调制编译码器简单、增量调制编译码器简单参考：第 5-7-8 章 基带数字信号及其传输M)()()(nSnSnel Q输入信号的当前与按前一时刻信号样值的编码经本地解码器得出的之差,即对前一输入信号样值的即对前一输入信号样值的（增加（增加量或减少量）用量或减少量）用

2、传输的方法称作增量调传输的方法称作增量调制制,简称为简称为 DM DM 或或MM。它是差值编码调制的一种特例它是差值编码调制的一种特例. .7.1 7.1 简单增量调制原理简单增量调制原理Q 数码数码形成形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl (n)( ne)(nS重建值前一样值前一样值重建值本地译码值预测值输入信号样值 )() 1()( )( )(nSnSnSnSnSle)(nSl1)(nC0)(nC0)( ne)(ne量化特性及编码特性量化特性及编码特性 为量化器为量化器Z Z-1 -1 一阶预测器一阶预测器 Q 0)( ,)( 0)(1)( ,)( 则0)(编码过程) 1()()()

3、()(nCnenenCnenenSnSnSnSnel称为称为M M的的量化间隔量化间隔Q 数码数码形成形成Z-1C(n)S(n)e(n)-+Sl(n)( ne)(nS即即发发射射端端本本地地重重建建信信号号因因而而传传输输过过程程无无误误码码时时)()(n)e (n)e (n),C(n)C1)(nS(n)e (n)S(n)e 1(n)C(n)e 则 0(n)CnSnS首先解码电路把接收首先解码电路把接收到的信码到的信码C(n)按照下按照下列规则解出差值信号列规则解出差值信号量化值量化值 ，再经过，再经过延迟与相加电路，输延迟与相加电路，输出重建信号出重建信号)( ne)(nS解码解码)( ne

4、)(nC)(nS1Z实际编码译码器常用简单实际编码译码器常用简单RC积分器积分器和和比较器比较器来来实现实现一阶预测器一阶预测器Z-1和和量化器量化器Q 比较器比较器判决器判决器增量增量调制信号输出调制信号输出C(n)消息信号消息信号S(t)e(t)- -Sl(t)脉冲发脉冲发生器生器+ +)( ne脉冲发脉冲发生器生器积分器积分器低通低通消息信号消息信号C (n)积分器积分器Sl (t)E-E抽样定时抽样定时与图与图7-17-1相比有四点不同：相比有四点不同：输入输入信号s(t)是模拟信号模拟信号，而不是抽样值抽样量化及编码由比较器一次完成一次完成用于产生预测值的量化器输出信号量化器输出信号

5、 ，由由C(n)控制一个脉冲发生器产生产生，即相加器相加器 与预测器预测器Z-1功能由积分器完成)( ne正脉冲正脉冲负脉冲负脉冲)( 1)()( 则 0)(nenCnenC由于预测信号Sl(t) 与接收端译码器中的积分器输出是一致的，所以也称Sl(t)为本地译码信号本地译码信号.积分器输出有折线近似折线近似和阶梯近似阶梯近似积分波形两种形式图（7-3）S(t)信号Sl(t)两种预测信号预测信号S(n-1)抽样值S(n)抽样值Sl(n)本地译码值本地译码值TS 抽样周期抽样周期S(t)Sl(t)不论采用那种形式，在相邻抽样时刻，其波形幅度都只不论采用那种形式，在相邻抽样时刻，其波形幅度都只变化

6、（增或减）一个固定的量化间隔。变化（增或减）一个固定的量化间隔。 当信号频率过高时，本地译码信号当信号频率过高时，本地译码信号Sl(t)会跟不上信号的变会跟不上信号的变化，称为过载。化，称为过载。 Sl(t)所能跟上的信号最大斜率为所能跟上的信号最大斜率为称为临界过载情况下最大跟踪斜率，因此，为避免斜称为临界过载情况下最大跟踪斜率，因此，为避免斜率过载必须使率过载必须使SmaxTdt)t (dS 可得：（可见当，fs一定时，f与A成反比，不适合传输均匀频不适合传输均匀频谱信号谱信号），避免斜率过载必须使避免斜率过载必须使STdttdSmax)(设输入信号为正弦波 则,cos)(wtAtS Ad

7、ttdS max)()(ff2As Afs因为A远大于，所以为不发生过载现象，M M 抽样频率抽样频率要比要比PCMPCM高得多高得多! ! 321 )(21)(均分布） ， -在（)(若2222deedeepeMepteq 的量化噪声为的量化噪声为则：则：即即：之间之间量化噪声量化噪声M)12时(22qPCM通常认为通常认为量化噪声的功率谱在 内均匀分布，即：量化噪声功率谱为经截止频率为fB B的低通滤波 后，输出量化噪声功率：) , 0(sf)(LPF带带宽宽为为LPFfffBsBq322sf32 输出正弦信号的平均功率： ，即在临界条件下系统输出的最大信号功率 。2AS2o )(2ffA

8、s由不发生斜率过载条件 得临界条件临界条件为：)(2maxffAs 2AS2omax 14log10log20log30)(038. 0832101010max232322maxmax2maxmaxBsBsBsqfffdBSNRffffffSSNRAS临界过载时临界过载时上式表明：上式表明：1 1、M M的信噪比，在抽样频率每提高一倍时，量化信噪比的信噪比，在抽样频率每提高一倍时，量化信噪比将提高将提高9 9dBdB2 2、信号频率每提高一倍时，量化信噪比将下降、信号频率每提高一倍时，量化信噪比将下降6 6dBdB，即简单增量调制中，语音信号高频段的量化信噪比下降。即简单增量调制中，语音信号高

9、频段的量化信噪比下降。)(2maxffAs sBqff322)(32log10dBM M最大量最大量化信噪比：化信噪比：dBSNRkHzfkHzfkHzfsB1615 16 4 1例：例：结论：结论： 与与 三次方成正比，三次方成正比， 提提 高一倍，高一倍， 增大增大9 与与 成反比，信号频成反比，信号频率提高一倍，率提高一倍， 下降下降6SNRsfsfSNRdBSNR2fSNRdB14log10log20log30)(101010maxBsfffdBSNR6 简单增量调制的性能改进简单增量调制的性能改进 简单增量调制有两个问题：简单增量调制有两个问题： 斜率过载斜率过载 动态范围小动态范围

10、小7. 2数字压扩自适应增量调制数字压扩自适应增量调制之下降。之下降。量化信噪比也随量化信噪比也随（即信号幅度）下降时（即信号幅度）下降时可见：信号功率可见：信号功率实际量化信噪比是：实际量化信噪比是：也是不变的，而系统的也是不变的，而系统的缺点是量化噪声功率缺点是量化噪声功率是固定不变的，其主要是固定不变的，其主要（或量阶）（或量阶）中，量化间隔中，量化间隔介绍的简单增量调制介绍的简单增量调制在在SAASNR2A2ASNRSSSSff3M2222q2qBs22q maxmaxmaxmaxmaxmax1 . 7 ).KH100f.()dB5035()dB11dB2 .26dB15(dB11)A

11、Alg(20dB15SKH32f)AAlg(20dB2 .26dB15fffH1000800H1000f,H3000fAAlg1014flg10flg20flg30SSlg10Slg10Slg10dB15,dB15SKH32fZmax2qZsmaxBZZZB2maxBsmax2qmax2q2qZs SS除除非非的的要要求求不不能能满满足足通通信信质质量量只只有有的的动动态态范范围围情情况况下下，信信号号最最低低限限值值在在，可可见见：在在代代入入上上式式，得得：和和、之之间间），将将（信信号号能能量量集集中中在在通通常常选选即即最最低低限限值值为为时时，例例：在在 7. 2 数字压扩自适应增量

12、调制数字压扩自适应增量调制若量节能随信号瞬时压扩，则称为瞬时压扩若量节能随信号瞬时压扩，则称为瞬时压扩M M，记作，记作ADMADM。若量节若量节随音节随音节时间间隔（时间间隔（5-20ms5-20ms）中信号平均斜率变化，）中信号平均斜率变化，则称为连续可变斜率增量调制，记作则称为连续可变斜率增量调制，记作CVSDCVSD. .可同时解决动态范围小和斜率过载问题。可同时解决动态范围小和斜率过载问题。其基本概念是，如同非均匀其基本概念是，如同非均匀PCM中那样，中那样，改变量化间隔改变量化间隔即采用自适应方法使量阶的大小，随输入信号的统计特即采用自适应方法使量阶的大小，随输入信号的统计特性变化

13、而跟踪变化。使输出信噪比总在额定值以上。性变化而跟踪变化。使输出信噪比总在额定值以上。连续出现多个连续出现多个“1”“1”( (或多个或多个“0”)0”)，即可认为信号有出现，即可认为信号有出现过载的可能，从而增大过载的可能，从而增大 ，使其本地译码信号跟上信号变化，使其本地译码信号跟上信号变化。用作自动控制量阶的控制电压的提取方法大致分为两类用作自动控制量阶的控制电压的提取方法大致分为两类一类是：直接从输入语音信号的包络变化中提取信息称为前向控制（或前向自适应）一类是间接从输出码流中连1或连0码的长度中提取，称为反向控制（或后向自适应）用控制电压改变量阶所需要的用控制电压改变量阶所需要的也有

14、两种选择：也有两种选择：一种选择的时间常数大致与取样时间间隔Ts在同一数量级，称为瞬时压扩一种是选择的时间常数大致与在同一数量级，故称为音节压扩。（人的语音除了有频率变化的不同外，还有音量大小变化的不同，从波形上看，音量大小的变化使语音信号的包络不断的变化。音节音节是指语音信号包络变化的一个周期，统计特性表明这个周期在520ms）可采用音节压扩，而不是瞬时压扩.一音节（520）ms目前采用数字检测音节压扩、自适应增量调制系统如图74(p158)所示.PCM与简单增量调制相比，增加了连与简单增量调制相比，增加了连1 1连连0 0数字检测电路和音数字检测电路和音节平滑电路节平滑电路. .用脉冲幅度

15、调制器代替了固定幅度的脉冲发生器用脉冲幅度调制器代替了固定幅度的脉冲发生器. .数字检测电路：数字检测电路：可用移位寄存器和与非门实现，检测出码流C(n)中连1码和连0码的数目，这个数目反映输入语音信号连续上升或下降的趋势，间接得到输入语音信号强弱的信息，连1或连0码越多，监测器输出的脉冲宽度就越宽，将这个输出宽度变化的脉冲加到音节平滑电路.按音节周期的时间常数把脉冲平滑为慢变化的控制电压（此电压与语音信号的平均斜率成正比）.在平滑输出控制电压作用下，PAM（脉冲调幅器）使输出端的数字码流脉冲幅度按照控制电压的大小线性变化，因此达到了自动改变量阶的目的.音节平滑电路音节平滑电路图75 曲线曲线

16、表明数字压扩增量调制信噪比明显比简单增量调制优越，并且编码器能正常工作的变化范围有很大改进.脉冲调幅器脉冲调幅器7.37.3 增量总和调制增量总和调制可解决斜率过载问题其要点是：将信号先进行积分，改变其频率响应。使高频分量幅度下降（与预加重相反），然后再进行M编码，为此，在接收端为了不失真恢复原信号，需要将解码后信号进行微分。)(M又称脉冲发脉冲发生器生器积分器积分器低通低通消息信号消息信号I(f)dtdABD(f)比较器比较器判决器判决器积分器积分器增量增量调制信号输出调制信号输出C(n)消息信号消息信号S(t)e(t)-Sl(t)脉冲发脉冲发生器生器积分器积分器I(f)I(f)g(t)若积

17、分器和微分器是若积分器和微分器是的，则接收端的积分器和微分器可省去的，则接收端的积分器和微分器可省去比较器比较器判决器判决器积分器积分器增量增量调制信号输出调制信号输出C(n)消息信号消息信号S(t)e(t)-Sl(t)脉冲发脉冲发生器生器积分器积分器I(f)I(f)g(t) 上图发端的两个积分上图发端的两个积分器可用一个代替：器可用一个代替： dttgtSdttgdttStSdttStel)()()()()()()(误差抽抽样样频频率率低低通通滤滤波波器器的的截截止止频频率率与与信信号号频频率率无无关关。值值为为调调制制的的_.maxmaxSH3H3sffff120SNRSNR 对应的量化输

18、出间隔对应的量化输出间隔记为：记为：显然：显然：解码解码)( ne)(nC)(nS1Z)( ) 1( )( nenSnS)( ne)()( nbne0)( , 11)( , 1)(nCnCnb721式式721是一个迭代的式子是一个迭代的式子是是初初始始数数值值，反反代代回回去去有有：)0(S)0(S)k(b)n(S)1(b)0(S)1( e )0(S)1(S)2n(b)3n(S)2n( e )3n(S)2n(S)1n(b)2n(S)1n( e )2n(S)1n(Sn1k 和和时刻前接受信号的累加时刻前接受信号的累加所有所有接收端信号可以看成是接收端信号可以看成是即即nTtM: 对简单对简单接收

19、端的输出信号有接收端的输出信号有接收端信号可以看成是所有接收端信号可以看成是所有t t = = nTnTs s 时刻前的接收信时刻前的接收信号的累加和号的累加和；根据增量调制原理，无信号输入无信号输入S(n)=0时，发送端输出稳定的时，发送端输出稳定的1，0交替序列交替序列；传输过程中任一误码都会引起 的误差，使总的信噪比下降.即：)( nenM无误码序列接到有误码序列误码序列)( nep)(nen)( ne = +)( ne)(nen)( nep误码引起的脉冲发生器输出发生+ +E E-E-E 或- -E E+E+E的变化，因此误码信号序列应为正负正负的序列设信道误比特率为Pb，则误码信号产

20、生的功率为：b22tPE2)( 上式为因误码在接收端脉冲发生器输出端产生的功率。 误码信号功率谱密度功率谱密度 与单个矩形波的频谱函数平单个矩形波的频谱函数平 方成正比方成正比，如图实线所示)(2ft)(2ft可见：可见：1 1、误码能量在、误码能量在0fs内为非均匀分布内为非均匀分布2 2、因、因fsfH，所以在，所以在0fH内近似为均匀分布内近似为均匀分布3 3、fH)f(21t 所以误码信号的近似为：sb2s2t21tfPE82ff )(当RC很大时， 接收端积分器积分器（图7-7）的频率响应为：MRCfjjffjwcRjwcfI 2111)(1 误码信号经过的误码功率谱功率谱密度为2ff0CRffPE2ffIfs2222sb221t222t ,)()()( RC21f1 脉冲调制器积分器)(tf)(te)(tfq钟脉冲)(S积分器低通滤波器AB)(tfq)(tf 在语音信号频率fLfH范围内，总误码信号功率：)11(212)(222222222222HLsbffsbffttffCRfEPdffCRfEPdffHLHL 由于fL fH， 故上式化简为：LsbtfCRfEP222222积分器