模拟信号的数字传输——增量调制.ppt

第四章第四章模拟信号的数字传输模拟信号的数字传输增量调制增量调制增量调制增量调制可以看成是脉冲编码调制的一种特例。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。称为增量调制。增量调制（增量调制（DMDM或或MM）是）是DPCMDPCM家族中的一个质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。量级别最低，而结构最为简单的一种预测编码方式。DPCMDPCM的瞬时误差信号尚经过量化后仍需编为比特的瞬时误差信号尚经过量化后仍需编为比特PCMPCM的码字，而增量调制却以一个双向硬限幅器二电平的码字，而增量调制却以一个双向硬限幅器二电平“量化量化”，代替，代替DPCMDPCM的多层电平量化，于是的多层电平量化，于是DMDM编码每码字只有编码每码字只有1 1比特。比特。改进的增量编码改进的增量编码v为减小量化误差，增量调制必须采用比为减小量化误差，增量调制必须采用比PCM高很多的抽样频高很多的抽样频率。率。v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。出数字压扩自适应增量调制和增量总和调制。a)a)：增量调制的基本思想。增量调制的基本思想。对对语音信号，如果抽样速率很高，那么相邻样点语音信号，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。值）同样能反映模拟信号的变化规律。如如下下图，图，m(tm(t)为为时间连续变化的模拟信号。我们时间连续变化的模拟信号。我们可以用一个时间间隔为：可以用一个时间间隔为：相邻相邻幅差为幅差为+或或-的阶梯波的阶梯波形形 m m(t t)来逼近它来逼近它。只要只要 足够小足够小，即抽样速率即抽样速率 fs fs 足足够高，且够高，且 足够小，则阶梯波足够小，则阶梯波 m m(t t)可近似代替可近似代替 m m(t t )。4.2.1简单增量调制的原理简单增量调制的原理编码原理量化：输出两个电平量化：输出两个电平相当于相当于DPCM的一种特例的一种特例1、预测值取前一次的采样值，称为一阶预测器。、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、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），若差值信号大于零（本次样值大于前次样值），量化值量化值编码编码若差值信号小于零（本次样值小于前次样值），若差值信号小于零（本次样值小于前次样值），量化值量化值编码编码与编码相对应，译码也有两种形式。与编码相对应，译码也有两种形式。一种是收到一种是收到“1”码上升一个量阶（跳变），收码上升一个量阶（跳变），收到到“0”码下降一个量阶（跳变），这样把二进制代码码下降一个量阶（跳变），这样把二进制代码经过译码后变为经过译码后变为m(t)这样的阶梯波。这样的阶梯波。另一种是收到另一种是收到“1”码后产生一个正斜率电压，码后产生一个正斜率电压，在在t.时间内上升一个量阶时间内上升一个量阶，收到，收到“0”码后产生一码后产生一个负斜率电压，在个负斜率电压，在t.时间内下降一个量阶时间内下降一个量阶，这样，这样把二进制代码经过译码后变为如把二进制代码经过译码后变为如m(t)这样的斜变波。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方法。这种方法可用一个简单的RC积分电路，即可把积分电路，即可把二进制代码变为二进制代码变为m(t)这样的波形这样的波形.译码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）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，、输入信号与本地译码（预测）信号进行比较，产生误差信号产生误差信号e(t)e(t)0，输出，输出“1”e(t)0，输出，输出“0”2、脉冲发生器将、脉冲发生器将“1”码变成一个正脉冲码变成一个正脉冲,“0”码变码变成一个负脉冲。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。、积分器将脉冲序列叠加，形成预测信号电平。连连“1”多，则幅度高；多，则幅度高；连连“0”多，则幅度低。多，则幅度低。发送端发送端接收端接收端v工作过程：（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。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当输入信号的斜率比采样周期决定的固有斜率/TS大大时时,固定量阶的积分跟不上输入信号幅度变化时固定量阶的积分跟不上输入信号幅度变化时,将产生斜将产生斜率过载或过载噪声。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。的变化，因而产生斜率过载噪声。M斜率过载问题斜率过载问题量化噪声量化噪声v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。、v因此为了避免斜率过载，必须使得v v其中dx(t)/dt max是的最大斜率。对于采样周期为对于采样周期为TS,量阶为量阶为 的系统的系统,能跟踪的最大斜率为能跟踪的最大斜率为/TS,称称为临界过载下的最大跟踪斜率。为临界过载下的最大跟踪斜率。设输入为正弦信号设输入为正弦信号斜率：斜率：最大斜率：最大斜率：AM为临界过载时为临界过载时即即信号的最大角频率：信号的最大角频率：或或动态范围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的量化信噪比的量化信噪比(1)低比特率时，量化信噪比高于低比特率时，量化信噪比高于PCM。(2)抗误码性能好抗误码性能好,能在误码率较高的信道里工作能在误码率较高的信道里工作(3)M的编码、译码比的编码、译码比PCM简单。简单。包括包括:改进型增量调制、差分脉冲编码调制改进型增量调制、差分脉冲编码调制(4)电路简单，无需帧同步电路简单，无需帧同步 M的主要优越性的主要优越性1、简单增量调制的信噪比与采样频率的三次方成、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，量化信噪比提高正比。采样频率提高一倍，量化信噪比提高9分贝。分贝。2、量化信噪比与信号频率的平方成反比，信号每、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，信噪比下降提高一倍频程，信噪比下降6分贝。分贝。3、简单增量调制要满足一定的信噪比，采样频率、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。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，、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。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数字压扩自适应增量调制制v简单增量调制有两大问题简单增量调制有两大问题1 1、信号频率高，量阶相对小，量化跟不上变、信号频率高，量阶相对小，量化跟不上变化，产生过载失真。化，产生过载失真。2 2、信号频率低。量阶相对大，产生量化失真、信号频率低。量阶相对大，产生量化失真（颗粒噪声）。（颗粒噪声）。改进方法改进方法1 1、自适应方式使量阶的大小随信号幅度瞬时、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压扩，称为瞬时压扩增量调制ADMADM。2 2、量阶随音节时间间隔（、量阶随音节时间间隔（5-20ms)5-20ms)的信号平均的信号平均斜率变化，称为连续可变斜率增量调制斜率变化，称为连续可变斜率增量调制CVSDCVSD。数字压扩自适应增量调制数字压扩自适应增量调制v1 1、检测编码输出信号的连、检测编码输出信号的连“1 1”或连或连“0 0”，连，连“1 1”过多或连过多或连“0 0”过多，说明信号的斜率大。过多，说明信号的斜率大。2 2、将所检出的脉冲送入平滑电路（积分器，时、将所检出的脉冲送入平滑电路（积分器，时常数为常数为5-20ms)5-20ms)，产生一缓慢变化电压，这个电压与语音，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。信号的平均斜率成正比。3 3、将这个电压对输入脉冲串进行调幅，当连码、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。出信号大，扩张了量化电平。增量总和调制v高频丰富的信号高频丰富的信号,如果用简单增量调制如果用简单增量调制,高频端的信噪高频端的信噪比要下降。采用比要下降。采用-调制方式来解决。调制方式来解决。-调制步骤调制步骤:1、对输入信号首先进行积分、对输入信号首先进行积分,使高频分量的幅度使高频分量的幅度下降。下降。2、进行简单增量调制。、进行简单增量调制。3、接收端增加一次微分过程，补偿高频。、接收端增加一次微分过程，补偿高频。用以上方法后，其信噪比：用以上方法后，其信噪比：上式说明，通过一定变换后的上式说明，通过一定变换后的-调制的信噪比与信调制的信噪比与信号的频率无关，只与抽样频率和低通滤波器的截止频率号的频率无关，只与抽样频率和低通滤波器的截止频率等参数有关，可以适用于频率比较高的信号。等参数有关，可以适用于频率比较高的信号。.4信道误码对增量调制的影响信道误码对增量调制的影响v增量调制比PCM编码调制有较高的抗误码特性。