现代通信原理(07)

1现代通信原理第七章增量调制2单元概述增量调制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。为减小量化误差，增量调制必须采用比PCM高很多的抽样频率。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。3单元学习提纲（1）简单增量调制原理，本地译码信号、重建信号、量化噪声、斜率过载；（2）简单增量调制量化信噪比与抽样频率、输入信号频率的关系；（3）数字压扩自适应增量调制改善增量调制动态范围的原理；（4）增量总和调制的特点；（5）简单增量调制的抗误码性能优于脉冲编码调制。4第七章增量调制∆M的主要优越性:(1)低比特率时，量化信噪比高于PCM。(2)抗误码性能好,能在误码率较高的信道里工作(3)∆M的编码、译码比PCM简单。包括:改进型增量调制差分脉冲编码调制57.1简单增量调制的原理M可以看成是DPCM的一种特例。它只用一位编码，不是表示采样值的大小，而是表示采样时刻波形的变化趋势。6编码电路如图所示：相当于DPCM的一种特例1、预测值取前一次的采样值，称为一阶预测器。72、量化曲线如下页图若差值信号大于零（本次样值大于前次样值），量化值编码)(ne1)(nc若差值信号小于零（本次样值小于前次样值），量化值编码)(ne0)(nc89其接收解调原理图如：10一个实际的M系统11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）12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，产生误差信号e(t)e(t)0，输出“1”e(t)0，输出“0”2、脉冲发生器将“1”码变成一个正脉冲,“0”码变成一个负脉冲.3、积分器将脉冲序列叠加，形成预测信号电平.连“1”多，则幅度高;连“0”多，则幅度低.13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。14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；15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。16M调制的波形图17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。18M斜率过载问题:当输入信号的斜率比采样周期决定的固有斜率/TS大时,固定量阶的积分跟不上输入信号幅度变化时,将产生斜率过载或过载噪声.19斜率过载失真波形20对于采样周期为TS,量阶为的系统,能跟踪的最大斜率为/TS,称为临界过载下的最大跟踪斜率.设输入为正弦信号tAtscos)(斜率tAdttdscos)(最大斜率A21M为临界过载时STA/SfA即Afsmax信号的最大角频率sfAmax或22M的最大量化信噪比1、噪声功率deepeq)(22e(t)是信号与预测信号之差)()()(tststele(t)假设服从均匀分布21)(ep2333)(213|2121233322edeeq24sBqff*322又假设e(t)在频域（0，fs)服从均匀分布,则接收端经低通滤波后的输出量化噪声为：fS是采样频率fB是接收端低通滤波器带宽25信号功率：22222222max822fffASss信噪比BsBssfffffffSNR2322222max038.083*2614lg10lg20lg30)(maxBsfffdBSNR1、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9分贝。2、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6分贝。3、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。4、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。277.2数字压扩自适应增量调制简单增量调制有两大问题1、信号频率高，量阶相对小，量化跟不上变化，产生过载失真。2、信号频率低。量阶相对大，产生量化失真（颗粒噪声）。28改进方法1、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ADM。2、量阶随音节时间间隔（5-20ms)的信号平均斜率变化，称为连续可变斜率增量调制CVSD。29重点介绍第二种方法：（图在下页）1、检测编码输出信号的连“1”或连“0”，连“1”过多或连“0”过多，说明信号的斜率大。2、将所检出的脉冲送入平滑电路（积分器，时常数为5-20ms)，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。3、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），调幅器输出信号大，扩张了量化电平。3031数字压扩增量调制对信噪比的改进情况如图所示32音节：指信号幅度包络的变化周期，对于语音信号，就是音量变化的周期。音节压扩：使量阶∆V随着每个音节时间间隔内的信号平均斜率变化，称为连续可变斜率增量调制。数字检测电路：输出脉冲的宽度与连码个数成正比。平滑电路：输出电压uk正比于该音节内信号平均斜率。PAM：序列脉冲幅度E’的变化规律与uk一致。积分器：337.3增量总和调制高频丰富的信号,如果用简单增量调制,高频端的信噪比要下降.采用-调制方式来解决.-调制步骤:1、对输入信号首先进行积分,使高频分量的幅度下降。2、进行简单增量调制。3、接收端增加一次微分过程，补偿高频。34Δ-Σ调制原理框图35用以上方法后，其信噪比：33max12.0HsffSNR上式说明，通过一定变换后的-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等参数有关，可以适用于频率比较高的信号。36以下来证明式7-8的正确性。首先求噪声功率说明：收发两端的积分器传递函数I(f)和微分器传递函数D(f)被设计成具有互补特性。I(f).D(f)=1接收端虚线框里的电路在实际中可以不做。对照图7-6，接收端微分之前的电路相当于一个完整的简单增量调制，在A点，具有的量化噪声q2322q37假设量化噪声功率谱在区间（0，fS)服从均匀分布，有A点的功率谱密度GA(f)sAffG3)(2B点的功率谱密度GB(f)222|)(|3|)(|)()(fDffDfGfGsAB38积分网络如图所示1111)(RCjCjRcjfI积分器传递函数391)(RCjfD微分器传递函数微分器功率传递函数22222222222)2(1)2(11)()2(1)(]1)([|)(|RCRCfRCfRCjRCjfD40令21)2(1RCf为上截止频率，有2122123)(fffffGsBB点的噪声功率密度函数41B点噪声功率通过窄带滤波器后，就是输出端的噪声功率)3(3332121202122122HHsfsqfffffdfffffH又设脉冲发生器输出幅度+/-E，且RCTS积分网络时常数大大大于采样周期)，TS时间内的充电量只有最大值E的TS/RC。sSfEfRCTE1242所以)3(343212222HHsqffffE通过参数选取使f1FH，有3222294sHqffE43以下求信号功率:-调制输入信号在发送端要进行积分，因此临界过载时，输入正弦波的最大幅度为：21221maxmaxmax)(|)(|fffAfDAAMM通常积分时常数很小，f1f，有：44EffffAffAAsM)(2)17()(1max1maxmax代入式增量总和调制的临界过载幅度与信号的频率无关,临界过载功率为22ES45信噪比为3333max2max12.09)/(HsHsqffffSSNR证明了式(7-8),增量总和调制的量化信噪比与输入信号的频率无关。467.4信道误码对增量调制的影响本章开头曾经谈到增量调制比PCM编码调制有较高的抗误码特性。以下来推导，增量调制接收系统如图在分析误码影响时,常把接收到的信号分解成无误码信号序列和误码信号序列之和，见下图。4748如果接收端脉冲发生器的输出是：“1”码产生“+E”“0”码产生“-E”则误码序列应为+/-2E的序列。误码信号功率=(2E)2*误比特率btPE22)2(即代表误码噪声功率49由于脉冲序列的功率谱密度函数与单个脉冲波形的功率谱密度函数的平方成正比。（见第九章）所以误码信号的频谱如图7-9实线所示。图中fh是窄带滤波器带宽，fs是采样频率，虚线下的面积近似等于实线下的面积，即（0，fs）范围内的总功率近似等于虚线下的面积。fs/2是信号的近似带宽。50由于fHfs,可以近似认为功率谱在(0,fs/2)平均分布误码序列e(t)的单边功率谱密度sbsbsttfPEfPEft2222182)2(2)(51信号要经过传递函数为I(f)的积分器1111)(RCjCJRcjfIRCfRCfIRCCRfI211|)(|111|)(|222时52误码噪声功率谱密度函数22222212222)(.|)(|)(CRffPEffIfsbtt低通滤波器后总误码信号功率(式中fH和fL是语音信号的上下截止频率）。)11(212)()(222222222222fHfLCRfPEdffCRfPEdfffsbfHfLsbfHfLtt53)1(2)(22222fLCRfPEfsbt由于fHfL对于积分器，若时常数RCTS，可以近似为线性增长。接收一个正脉冲（编码“1”），将增加一个量化间隔的电平。54所以RCETSSLbtTfP2222M接收端的总失真功率222qtn553222232ffTfPBSLbn误码造成信噪比下降3dB，即误码噪声功率占总噪声功率的一半，有322232ffTfPbSLb56226sLBbfffP取fB=3100HZ,fL=300HZ为单位以式中HZffPssb2152978857为单位以式中kHZffPssb253.1对于fs=32KHZ的系统，误码率为1.5*10-3，将使信噪比下降3dB。对照P131式5-70，一个线性PCM系统，误码率为3.8*10-6,将使信噪比下降3dB.M系统抗误码能力强.58五.增量调制与PCM系统性能比较采样率和带宽量化信噪比频率响应对误码率的要求系统设备59自测题（1）简单增量调制的主要优缺点是什么？（2）将3连1、连0检测和4连1、连0检测的数字压扩自适应增量调制作一比较。（3）输入信号为0电平时，简单增量调制的输出序列是什么？（4）为什么简单增量调制的抗误码性能优于PCM？（5）什么叫斜率过载？如何改善斜率过载？（6）将脉冲编码调制中采用的瞬时对数压缩特性用于增量调制，能否解决斜率过载问题？