1、第4章 增量调制,4.1 简单增量调制 4.2 增量总和调制,4.1 简单增量调制,4.1.1 增量调制的基本概念 在PCM系统中，为了得到二进制数字序列，要对量化后的数字信号进行编码，每个抽样量化值用一个码组（码字）表示其大小。码长一般为7位或8位，码长越大，可表示的量化级数越多，但编、解码设备就越复杂。那么能否找到其它更为简单的方法完成信号的模/数转换呢？,我们看一下图41。图中在模拟信号f(t)的曲线附近，有一条阶梯状的变化曲线f(t),f(t)与f(t)的形状相似。显然，只要阶梯“台阶”和时间间隔t足够小，则f(t)与f(t)的相似程度就会提高。对f(t)进行滤波处理，去掉高频波动，所
2、得到的曲线将会很好地与原曲线重合，这意味着f(t)可以携带f(t)的全部信息（这一点很重要）。因此，f(t)可以看成是用一个给定的“台阶”对f(t)进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶”的高度称为增量，用“1”表示正增量，代表向上增加一个；用“0”表示负增量，代表向下减少一个。,则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示（如图41所示），也就是说，对f(t)的编码只用一位二进制码即可。此时的二进制码序列不是代表某一时刻的抽样值，每一位码值反映的是曲线向上或向下的变化趋势。这种只用一位二进制编码将模拟信号变为数字序列的方法（过程）就称为增量调制（Delta Modulation），缩
3、写为DM或M调制。,增量调制最早由法国人De Loraine于1946年提出，目的是简化模拟信号的数字化方法。其主要特点是： (1) 在比特率较低的场合，量化信噪比高于PCM。 (2) 抗误码性能好。能工作在误比特率为102103的信道中，而PCM则要求信道的误比特率为104106。 (3) 设备简单、制造容易。 它与PCM的本质区别是只用一位二进制码进行编码，但这一位码不表示信号抽样值的大小，而是表示抽样时刻信号曲线的变化趋向。,4.1.2 M的调制原理 如何在发送端形成f(t)信号并编制成相应的二元码序列呢？仔细分析一下图41，比较在每个抽样时刻t处的f(t)和f(t)的值可以发现, 当f
4、(it)f(it_)时，上升一个，发“1”码； 当f(it)0，则Po(0)=1t=t时， e(t)=f(t)-f(t_)0，则Po(t)=1t=2t时，e(2t)=f(2t)-f(2t_)0，则Po(3t)=1;t=4t时，e(4t)=f(4t)-f(4t_)0，则Po(5t)=1;t=6t时，e(6t)=f(6t)-f(6t_)0，则Po(6t)=1;,图42 增量调制原理框图,以此类推，即可得到如图43所示的波形。细心的读者会发现图43中的f(t)和图41的波形不一样。其实，图41的阶梯波只是为了形象地说明增量调制原理，而实际积分器的输出波形如图43（d）所示。,图43 增量调制过程示意
5、图,图43 增量调制过程示意图,4.1.3 M的解调原理 为了完成整个通信过程，发送端调制出的信号必须在接收端通过解调恢复出原始模拟信号。M信号的解调比较简单，用一个和本地解码器一样的积分器即可。在接收端和发送端的积分器一般都是一个RC积分器。解调过程就是图43中的积分过程。当积分器输入“1”码时，积分器输出产生一个正斜变的电压并上升一个量化台阶；而当输入“0”码时，积分器输出电压就下降一个量化台阶。,为了保证解调质量，对解码器有两个要求： （1）每次上升或下降的大小要一致，即正负斜率大小一样。 （2）解码器应具有“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。 对积分器的
6、输出信号进行低通滤波，滤除波形中的高频成分，即可得到与原始模拟信号十分近似的解调信号，如图44所示。,图44 增量调制译码(解调)示意图,4.1.4 M调制存在的问题 增量调制尽管有前面所述的不少优点，但它也有两个不足：一个是一般量化噪声问题;另一个是过载噪声问题。两者可统一称为量化噪声。 观察图41可以发现，阶梯曲线（调制曲线）的最大上升和下降斜率是一个定值，只要增量和时间间隔t给定，它们就不变。那么，如果原始模拟信号的变化率超过调制曲线的最大斜率，则调制曲线就跟不上原始信号的变化，从而造成误差。我们把这种因调制曲线跟不上原始信号变化的现象叫做过载现象，由此产生的波形失真或者信号误差叫做过载
7、噪声。,另外，由于增量调制是利用调制曲线和原始信号的差值进行编码，也就是利用增量进行量化，因此在调制曲线和原始信号之间存在误差，这种误差称为一般量化误差或一般量化噪声。两种噪声示意图如图45所示。,图45 两种量化噪声示意图,仔细分析两种噪声波形我们发现，两种噪声的大小与阶梯波的抽样间隔t和增量有关。我们定义K为阶梯波一个台阶的斜率,式中,fs是抽样频率。该斜率被称为最大跟踪斜率。当信号斜率大于跟踪斜率时，称为过载条件，此时就会出现过载现象；当信号斜率等于跟踪斜率时，称为临界条件；当信号斜率小于跟踪斜率时，称为不过载条件。,可见，通过增大量化台阶（增量）进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率，就可以减
8、小过载噪声；而降低则可减小一般量化噪声。显然，通过改变量化台阶进行降噪出现了矛盾，因此，值必须两头兼顾，适当选取。不过，利用增大抽样频率（即减小抽样时间间隔t），却可以“左右逢源”，既能减小过载噪声，又可降低一般量化噪声。因此，实际应用中，M系统的抽样频率要比PCM系统高得多（一般在两倍以上，对于话音信号典型值为16kHz和32kHz）。,【例题41】 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=？ 解 首先要找出话音信号的最大斜率。若信号为单频正弦型信号f(t)=Asint，则其斜率就是它的导数， ，最大斜率为K=A。把话音信
9、号的最高频率分量看成是一个正弦型信号，,由式（41）可知当A2fHfs时，系统不过载。所以,增量调制台阶为0.668V。,另外，如果模拟信号为交流信号，且信号峰-峰值小于时，增量调制器的输出将不随信号的变化而变化，只输出“1”和“0”交替出现的数字序列。只有当信号峰值大于/2时，调制器才输出随交流信号的变化而变化的数字序列,因此，把/2电平称为增量调制器的起始编码电平。,4.2 增量总和调制,从4.1.4节中可知，对于一个实际的简单增量调制系统，其抽样频率和增量值的改变总是有限的，也就是说，系统对两种量化噪声性能的改善是有限的。因此，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
10、造成较大的量化噪声从而丢失不少信息。 为了克服简单增量调制的缺点，人们提出了增量总和调制、自适应增量调制以及数字检测音节控制调制等方案。下面简要介绍增量总和调制。,4.2.1 增量总和调制原理 增量总和调制的基本思想是对输入的模拟信号先进行一次积分处理，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），然后再进行简单增量调制。其过程就像先对信号求和（积分），后进行增量调制一样，所以称为增量总和调制。 我们可以用下面的例子简单地理解增量总和调制的原理。,比如，对于一个单频正弦型信号f(t)=Acosct，其最大斜率为其导数最大值(不考虑负号)，即:K=Ac。假设该斜率大于
11、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。为了克服这个缺点，现对f(t)=Acosct先进行积分处理，变成,式中A=A/c，则F(t)的最大斜率就变成 K=Ac=A，因为c大于1，所以K小于K。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。之所以不说肯定不会过载，是因为若K比最大跟踪斜率大很多时，存在K仍大于最大跟踪斜率的可能性。增量总和调制的系统框图见图46。,图46 增量总和调制系统框图,细心的读者会发现，按前面介绍的增量总和调制原理，应该先对信号积分，然后再进行简单增量调制，而图中的积分器怎么会放在比较器之后，而且还
12、少了一个反馈用的积分器？这是因为我们利用了一个积分的性质：两个积分信号的代数和等于两个信号代数和的积分，即,这样可以节省一个积分器，从而简化了系统结构。 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话信号。,4.2.2 增量总和调制的解调原理 增量总和调制的解调非常简单，只用一个低通滤波器即可。我们知道，增量调制其实也可以叫做“微分”调制，因为“增量”本身就有“微分”之意，而且对信号以t进行抽样，再以量化的处理过程本身就与数学中的微分相似。所以，M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，自然能够解调出原始信号，正如4.1.3节所述。,而在增量总和调制中，由于先对输入信号进行了“积分”处理，然后才进行“微分”调制，因此“积分”与“微分”的作用相互抵消，“等于”对信号没做处理，其输出脉冲已经反映了输入信号的幅度信息，可见，接收端无需再用积分器，直接用低通滤波器即可恢复原信号。,
