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通信原理第4章增量调制

  通信原理第4章增量调制_信息与通信_工程科技_专业资料。第4章 增量调制 第4章 增量调制 4.1 简单增量调制 4.2 增量总和调制 第4章 增量调制 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(

  第4章 增量调制 第4章 增量调制 4.1 简单增量调制 4.2 增量总和调制 第4章 增量调制 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。 增量调制波形示意图 x(t ) 第4章 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 第4章 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)。 第4章 增量调制 问题讨论 : 如何由f (t ) ? f ?(t ) ? 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。 第4章 增量调制 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 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 第4章 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)。 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。 第4章 增量调制 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; 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。 第4章 增量调制 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 : 第4章 增量调制 增量调制过程示意图 ?T(t) (a) 抽 样 脉 冲 0 ?t 2?t 3?t 4?t 5?t 6?t 7?t 8?t 9?t 10?t11?t12?t13?t14?t t f (t) ′ t) f( (b) 样 值 信 号 s 2?t 0 ?t 3?t 4?t 11?t 12?t13?t 14?t 5?t 6?t 7?t 8?t 9?t 10?t t 第4章 增量调制 增量调制过程示意图 Po(t) 1 0 0 ?t 2?t 3?t 4?t 5?t 6?t 7?t 8?t 9?t 10?t11?t12?t13?t14?t 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 第4章 增量调制 4.1.3 ΔM的解调原理 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。 第4章 增量调制 增量调制译码(解调)示意图 fo (t) Po(t) 积分 器 ′t ) f( 低通 滤波 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。 第4章 增量调制 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: 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)。 第4章 增量调制 一般量化噪声: f (t ) 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 第4章 增量调制 过载噪声: f (t ), f 0 (t ) f 0 (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 第4章 增量调制 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,对于线kHz)。 ?t = s fs 第4章 增量调制 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=? 第4章 增量调制 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 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。 第4章 增量调制 4.2 增量总和调制 简单增量调制系统的缺点: 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 第4章 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。 第4章 增量调制 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 第4章 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。 第4章 增量调制 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 第4章 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 电线 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。 第4章 增量调制 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。 第4章 增量调制 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。 第4章 增量调制 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 ) (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 第4章 增量调制 1 1 1 1 0 0 0 0 交替码 0 1 0 1 0 1 0 1 0 第4章 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. 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 第4章 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.