第 增量调制学习.pptx
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1、1 1与与PCMPCM的异同:的异同:相同:相同:均用二进制数字信号代表模拟信号传输均用二进制数字信号代表模拟信号传输不同:不同:PCMPCM以一组二进制代表一位抽样值大小以一组二进制代表一位抽样值大小DMDM用一位二进制代码来代表相邻两样值间的相对大小用一位二进制代码来代表相邻两样值间的相对大小2 2概况概况DMDM是由是由PCMPCM发展起来的,可以看成发展起来的,可以看成PCMPCM的特例,的特例,它们都是用二进制代码表示模拟信号。它们都是用二进制代码表示模拟信号。PCMPCM用一组二进制,其代码长度长、设备复杂。用一组二进制,其代码长度长、设备复杂。DMDM用一位二进制表征信号的相对变
2、化,设备简单。用一位二进制表征信号的相对变化,设备简单。第1页/共66页 增量调制M的概念 增量调制(M)就是对模拟调制信号相邻采样值的差值(增量)进行量化与编码。编码规则是:当模拟信号本时刻的采样值与前一个时刻采样值相比若是增大,则编为“1”码,若是减小,则编为“0”码。M是把模拟信号变换为数字信号的另一种调制方式。它与PCM方式不同的是:M是将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字信号序列,M信号传送的是信号采样值的相对大小即增量,而不是信号采样值的绝对大小。因此在M系统中,采样定理是不适用的。采样率的确定取决于对系统传输质量的要求。第2页/共66页1)增量表示的可能性一位二进制可以表示
3、两种状态可以用来描述相邻样值的变化:第3页/共66页(2 2)增量调制的编码)增量调制的编码)增量调制的编码)增量调制的编码(A)(A)把时间分成间隔为把时间分成间隔为把时间分成间隔为把时间分成间隔为t t的若干时间段的若干时间段的若干时间段的若干时间段(B)(B)把把把把m(t)m(t)信号的幅度分为若干台阶信号的幅度分为若干台阶信号的幅度分为若干台阶信号的幅度分为若干台阶(C)(C)相邻的时间段断在幅度上变化为相邻的时间段断在幅度上变化为相邻的时间段断在幅度上变化为相邻的时间段断在幅度上变化为+、-(对应(对应(对应(对应1 1,0 0),),),),用用用用阶梯波形来代替原始的模拟信号阶
4、梯波形来代替原始的模拟信号阶梯波形来代替原始的模拟信号阶梯波形来代替原始的模拟信号(D)(D)mm编码器(图)编码器(图)编码器(图)编码器(图)(3 3)mm的译码的译码的译码的译码(A)(A)在在在在mm中中中中1 1表示上升表示上升表示上升表示上升,0 0为下降为下降为下降为下降(B)(B)使用积分器就可把阶梯波变化为原始波形(例如使用积分器就可把阶梯波变化为原始波形(例如使用积分器就可把阶梯波变化为原始波形(例如使用积分器就可把阶梯波变化为原始波形(例如RCRC电路)电路)电路)电路)第4页/共66页m的分析 1m的噪声(A)过载量化噪声原因:当模拟信号斜率陡变,跟不上变化就会出现过载
5、现象,产生过载量化过载量化噪声。衡量:最大跟踪斜率 解决:选择合适的和t 第5页/共66页(B)一般量化噪声由于量化中近似所产生的噪声 第6页/共66页一、M系统基本组成及工作原理 M系统发送端由减法电路、判决电路和本地解码器组成。接收端由再生电路、解码器和低通滤波器(LPF)组成。.增量调制系统结构框图(a)M编码器 (b)M解码器相减器m(t)m(t)积分器判决器脉冲源信号Mm(t),m(t)p0(t)再生检测器积分器低通滤波器m(t)0p0(t)第7页/共66页 M工作原理 编码原理:信号m(t)与发端解码器输出的阶梯波形m(t)进入减法电路进行相减运算。然后在抽样脉冲作用下将相减结果进
6、行极性判决。如果在给定抽样时刻 ,有 则判决器输出“1”码;如果 则判决器输出“0”码。这里,是 时刻前一瞬间,即相当于阶梯波形跃变点的前一瞬间。解码原理:接收端每收到一个“1”码就使输出上升一个值(量阶),每收到一个“0”码就使输出下降一个值。这样就可从积分器复制出阶梯波形,再经低通滤波器平滑,就可得到接近原始模拟信号的输出信号。实际积分器多采用RC积分电路,其输出不是阶梯波形,而是斜变波形.斜变波形也可以作为M码的解码输出信号。第8页/共66页增量编码波形示意图增增 量量 调调 制(制(MM)第9页/共66页1.编码的基本思想 设模拟信号为 ,抽样间隔为 ,量化间隔为 (小台阶)。只要 足
7、够小,足够小;就能够用时间间隔 ,幅度差为 的阶梯波 来逼近 。用“1”表示 在给定时刻上升一个台阶 ,用“0”表示下降一个台阶 。则 就被一个二进制序列所表征。当然该序列也相当于表征了 。编码器(调制器)的结构如图7-1所表示。将模拟信号 与本地译码器输出的斜变信号 进行比较。判决器输出的是二进制码序列 信号。第10页/共66页图7-1 编码器结构第11页/共66页 逼近 的过程:在 时刻,(表示 时刻的前一瞬间,相当于阶梯波 波形跃变点的前一瞬间),若 ,则让 上升一个台阶 ,同时 编码器输出“1”码。若 ,则让 下降一个台阶 ,同时 编码器输出“0”码。第12页/共66页第一,在每个t间
8、隔内,m(t)的幅值不变;第二,相邻间隔的幅值差不是+(上升一个量化阶),就是-(下降一个量化阶)。利用这两个特点,用“1”码和“0”码分别代表m(t)上升或下降一个量化阶,则m(t)就被一个二进制序列表征。于是,该序列也相当表征了模拟信号m(t),实现了模/数转换。除了用阶梯波m(t)近似m(t)外,还可用斜变波m1(t)来近似m(t)。斜变波m1(t)也只有两种变化:按斜率/t上升一个量阶和按斜率-/t下降一个量阶。用“1”码表示正斜率,用“0”码表示负斜率,同样可以获得二进制序列。由于斜变波m1(t)在电路上更容易实现,实际中常采用它来近似m(t)。阶梯波m(t)有两个特点:第13页/共
9、66页2.译码的基本思想接收端只要每收到一个“1”码,就使输出上升一个台阶 (跳变),每收到一个“0”码,就使输出下降一个台阶 ,连续收到“1”(或“0”)码,就使输出一直上升(下降),这样就可近似地复现 。这种功能可用一个RC积分电路(器)完成。图7-2为 译码器的结构。第14页/共66页图4-25 图7-2 译码器结构 第15页/共66页 RC积分电路遇到“1”码(+E脉冲电压),就以固定斜率上升一个 ,并 让 等于 ;RC积分电路遇到“0”码(-E脉冲电压),就以同样斜率下降一个 ;积分电路输出 。积分电路输出波形 尽管不是阶梯波(是锯齿波),但因 ,故在所有抽样时 刻 上阶梯波与锯齿波
10、有相同的值。积分电路输出已接近原来波形,再经低通滤波器平滑可十分接近 。第16页/共66页积分器译码原理 与编码相对应,译码也有两种形式。一种是变为m(t)这样的阶梯波。另一种是变为如m1(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m1(t)这样的波形。第17页/共66页在简单M系统方框图中,发送端编码器是相减器、判决器、积分器及脉冲发生器(极性变换电路)组成的一个闭环反馈电路。积分器和脉冲产生器组成本地译码器,它的作用是根据c(t),形成预测信号m1(t)。注意,若用阶梯波m(t)作为预测信号,则抽样时刻ti应
11、改为t-i,表示ti时刻的前一瞬间,即相当于阶梯波形跃变点的前一瞬间。在在t t-i i时时刻刻,斜斜变变波波形形与与阶阶梯梯波波形形有有完完全全相相同同的值。的值。在时刻ti综上所述综上所述第18页/共66页简单M系统框图之一第19页/共66页 接收端解码电路由译码器和低通滤波器组成。其中,译码器的电路结构和作用与发送端的本地译码器相同,用来由c(t)恢复m1(t),为了区别收、发两端完成同样作用的部件,我们称发端的译码器为本地译码器。低通滤波器的作用是滤除m1(t)中的高次谐波,使输出波形平滑,更加逼近原来的模拟信号m(t)。由于M前后两个样值的差值的量化编码,所以M实际上是最简单的一种D
12、PCM方案,预测值仅用前一个样值来代替,即当DPCM系统的预测器是一个延迟单元,量化电平取为2时,则DPCM系统就是一个简单M系统。如下图:第20页/共66页简单M系统框图之二第21页/共66页增量调制的过载特性与动态编码范围量化噪声(a)一般量化误差;(b)过载量化误差第22页/共66页 的量化误差 信号是按台阶 来量化的,同样存在量化误差(噪声)问题。系统中的量化噪声有两种。(1)一般量化噪声 当本地译码器为RC积分器时,量化误差为 ,即模拟信号与阶梯波形之间的误差,它总在 之间内变化。第23页/共66页(2)过载量化噪声 当模拟信号 变化速度很快时,以至于积分器电容充放电跟不上 的变化,
13、就会产生过载现象,此时的误差称过载量化误差噪声,如图7-3所示。即当信号实际斜率超过译码器的最大跟踪斜率时,即 阶梯电压波形m(t)就会跟不上m(t)的变化而导致较大的失真。第24页/共66页图7-3 过载量化噪声第25页/共66页 发生过载现象时,会大大超出 ,不能限制在 范围内。实际应用中,要防止出现过载现象。对于一般量化噪声,大则量化噪声大,小则量化噪声小。采用大 ,可以减少过载噪声,但却增大了一般量化噪声。因此必须合理选取 值。另外的办法是:提高抽样频率,这样既减小过载噪声,又能够降低一般量化噪声。一般来讲,系统的抽样频率要比PCM系统高二倍以上。第26页/共66页p0(t)0 1 2
14、 3 4 5 6 7 t/TS过载噪声量化噪声eq(t)m(t)m(t)1 1 1 1 0 1 0 第27页/共66页第28页/共66页 举例 设输入信号 ,则为了不发生斜率过载,必须满足:则正弦信号m(t)不发生斜率过载的最大振幅为:M系统适宜于传输频谱幅度随频率的升高而减小的信号。话音信号正好具有这种特性,故适于用M系统来传送。第29页/共66页为了不发生过载,必须增大和fs。但增大,一般量化误差也大,由于简单增量调制的量阶是固定的,因此很难同时满足两方面的要求。不过,提高fs对减小一般量化误差和减小过载噪声都有利。因此,M系统中的抽样速率要比PCM系统中的抽样速率高的多。M系统抽样速率的
15、典型值为16kHz或32kHz,相应单话路编码比特率为16 kb/s或32kb/s。最大跟踪斜率无过载条件结论结论第30页/共66页在正常通信中,不希望发生过载现象,这实际上是对输入信号的一个限制。现以正弦信号为例来说明。输入模拟信号斜率无过载条件临界过载振幅 当当信信号号斜斜率率一一定定时时,允允许许的的信信号号幅幅度度随随信信号号频频率率的的增增加加而而减减小小,这这将将导导致致语语音音高高频频段段的的量量化化信信噪噪比比下下降降。这是简单增量调制不能实用的原因之一。增增 量量 调调 制(制(MM)无过载条件)无过载条件第31页/共66页 上面分析表明,要想正常编码,信号的幅度将受到限制,
16、我们称Amax为最大允许编码电平。同样,对能正常开始编码的最小信号振幅也有要求。编码的动态范围最小编码电平若第32页/共66页动态范围与抽样速率关系 抽样速率为fs(kHz)1020324080100编码的动态范围DC(dB)121822243032 由上表可见,简单增量调制的编码动态范围较小,在低传码率时,不符合话音信号要求。通常,话音信号动态范围要求为4050dB。因此,实用中的M常用它的改进型,如增量总和调制、数字压扩自适应增量调制等。第33页/共66页 量化噪声有两种,即过过载载噪噪声声和和一一般般量量化化噪噪声声。由于在实际应用中都是防止工作到过载区域,因此这里仅考虑一般量化噪声。不
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