增量调制：数字语音信号处理的一种方法

增量调制（△M）是继PCM后的又一种语音信号数字化的方法。与PCM相比，其编码器和译码器简单，且对数字通信系统的误码性能要求较低，因而广泛应用于军事和其他一些专用网中。

1.△M编码原理

基于△M的模拟信号数字化同样要经过取样、量化和编码3个步骤。其数字化过程可用图7-12加以说明，图中m（t）是需要数字化的模拟信号，按一定的取样速率对模拟信号取样，每得到一个取样值，将其与前一取样值的量化电平进行比较，如果该取样值大于前一个样值的量化电平，则该取样值的量化电平在前一个量化电平的基础上上升一个台阶δ，编码输出“1”，反之，如果该取样值小于前一个样值的量化电平，则该取样值的量化电平在前一个量化电平的基础上下降一个台阶δ，同时编码输出“0”，图中m′（t）表示由各取样值的量化电平所确定的阶梯波形。

图7-12 △M数字化过程示意图

2.△M译码原理

接收端收到二进制代码后恢复模拟信号的过程称为译码。译码方法是：收到代码“1”，输出信号上升一个台阶δ；收到代码“0”，输出信号下降一个台阶δ。如果台阶的上升或下降是在瞬间完成的，则译码输出信号是个阶梯波，如图7-12中的m′（t）。如果使用积分器来实现在一个码元宽度（取样间隔）内线性地上升或下降一个台阶，则译码输出信号为图7-12中的m″（t）。不管是m′（t）还是m″（t），都需要用一个低通滤波器来进一步平滑，低通滤波器的输出为恢复的模拟信号。

采用积分器的△M编码和译码原理框图如图7-13所示。

图7-13 △M编译码原理框图

a）编码器 b）译码器

3.△M系统中的噪声

采用△M实现模拟信号数字传输的系统称为△M系统，框图如图7-14所示。

图7-14 △M系统原理框图

与PCM系统一样，△M系统中引起m_o（t）与m（t）之间误差的噪声也有两类，一类是△M编码产生的量化噪声，另一类是数字通信系统误码引起的误码噪声。

图7-15 过载量化噪声示意图

（1）量化噪声

△M系统中的量化噪声有两种：一般量化噪声和过载量化噪声，如图7-15所示。

1）过载量化噪声。当信号发生急剧变化时，阶梯波m′（t）会因跟不上模拟信号m（t）的变化而产生很大的误差，这种现象称为过载，由此产生的误差称为过载量化噪声。实际系统中应避免过载现象的发生。

避免出现过载的条件：

式中，为模拟信号的最大斜率；δf_s为台阶与取样速率的乘积，称为最大跟踪斜率。(www.xing528.com)

可见，增大δ或提高取样速率f_s都能使最大跟踪斜率增大，避免过载的发生。但增大δ会使一般量化噪声增大，提高取样速率f_s会使数字化后的二进制码元速率增大，占用数字通信系统更多的带宽，使有效性降低。

当f_s和δ给定时，设输入模拟信号为m（t）=Acos（2πf₀t），则不发生过载所允许的信号最大幅度为

2）一般量化噪声。在不发生过载的情况下，模拟信号m（t）与其量化信号m′（t）之间的误差就是一般量化噪声。

当模拟信号为m（t）=Acos（2πf₀t）时，不发生过载的最大量化信噪比为

用分贝表示为

（S_o/N_q）_max≈（30lgf_s-20lgf₀-10lgf_m-14）dB （7-22）

式中，f_m为低通滤波器的截止频率，对于语音信号常取f_m=3000Hz。

结论：

●取样频率每提高一倍，量化信噪比就提高9dB，记为9dB/倍频程。

●信号频率每提高一倍，量化信噪比就下降6dB，记为-6dB/倍频程。

●对于语音信号，也可用式（7-22）来近似估算量化信噪比，常取f₀=800～1000Hz。

●取样速率f_s=32kHz才满足语音信号的通信要求。

（2）误码噪声

当模拟信号为m（t）=Acos（2πf₀t）时，在不发生过载的条件下低通滤波器输出端的最大误码信噪比为

结论：

●误码信噪比与数字通信系统的误码率成反比，误码率越小，误码信噪比越大。

●误码信噪比与取样频率成正比，取样频率越高，误码信噪比越大。

4.自适应增量调制（A△M）

自适应增量调制的基本思想是：根据信号变化的快慢自动改变台阶。即当信号变化快时，用大台阶，以确保不发生过载；当信号变化慢时，用小台阶，以减小一般量化噪声，如图7-16所示。

和台阶固定不变的△M系统相比，A△M系统能适应信号大的变化范围，故其动态范围更大。