简单增量调制技术的优化方案

前面介绍了脉冲编码调制,可以看到它的编译码电路较复杂,且每个样值的码字收、发要保持同步,为此,人们研究了许多改进方法、增量调制就是其中之一。增量调制的编译码电路简单,且在单路时不需同步。

所谓增量调制,就是用一位二进制代码,表示相邻的两个模拟样值的差别是增加、还是减少的调制。它编码的对象不是经量化后的样值。

1.简单增量调制原理

某一模拟信号x(t),可以用时间间隔为Δt、幅度间隔为±σ的阶梯波形x′(t)来近似,如图8.5.4所示。

图8.5.4　简单增量调制原理示意图

由图8.5.4可以看出,只要时间间隔Δt足够的小,即抽样的速率fs=1/Δt足够的大,而且幅度间隔±σ大小也合适,x′(t)就可以很好地近似x(t)。另外,也可用斜升波形x0(t)来近似原波形x(t),它在译码器中由积分电路实现。而x(t)-x0(t)表示了量化噪声e(t)。

简单增量调制的编码规则是:当前的抽样值大于或等于前一个译码样值时,用“1”码表示;当前的抽样值小于前一个译码样值时,用“0”码表示。依此规则,可以对图8.5.4所示的x(t)波形进行编码,编码结果如图8.5.4所示。

简单增量调制编码系统如图8.5.5所示。

解码系统如图8.5.6所示,它主要由积分译码器和低通滤波器组成。如当前来的是“1”,则积分器输出以σ/Δt为斜率的斜升波形,持续时间为一个码元Δt,因此上升σ;如当前来的是“0”,则积分器输出以-σ/Δt为斜率的斜降波形,在Δt时间降σ,从而得到如图8.5.4所示的斜升波形x0(t)。最后通过低通滤波器来平滑波形,最终得到译码波形。

图8.5.5　简单增量调制编码示意图

图8.5.6　简单增量调制解码示意图

2.简单增量调制噪声分析

(1)一般量化噪声

当量化误差|e(t)|=|x(t)-x0(t)|＜σ时,产生的噪声称为一般量化噪声。

(2)过载量化噪声

当斜升波形x0(t)跟不上信号波形x(t)时,出现的量化误差远远大于±σ的量化噪声。

为了防止过载量化噪声,就必须满足斜升电压的斜率大于信号最大斜率的绝对值,即(www.xing528.com)

式中,Δt是码元的时间间隔;fs是抽样速率。

由式(8.5.5)可以看出,为了防止过载,σfs就要选大些,但σ不能选大,否则一般量化噪声增大。因此,只能让fs大,可是fs大会带来信号带宽增大,信道利用率降低等问题,显然,如何选择fs的大小是很重要的。

(3)量化信噪比S/Nq

①量化噪声功率Nq

假设没有过载量化噪声,量化误差|e(t)|=|x(t)-x0(t)|＜σ,且在(-σ,σ)内均匀分布,即概率密度函数为f(e)=1/2σ,因此,在通过低通滤波器前量化噪声功率为

实验证明,随机过程e(t)的功率谱密度在(0,fs)内近似均匀,因此,通过截止频率为信号的最高频率fm的低通滤波器后的一般量化噪声功率为

②信号功率S

假设信号是x(t)=Asinωkt,且处于未过载与过载的临界状态,即有

所以输入正弦信号的最大幅度为Amax=,因此不发生过载的正弦信号的最大功率为

③量化信噪比S/Nq

由式(8.5.6)和(8.5.8),可以求出简单增量调制的量化信噪比为

由式(8.5.9)可见,简单增量调制的量化信噪比S/Nq与抽样频率的3次方成正比,因此,抽样频率的提高对信噪比的改善影响较大。

简单增量调制具有编译码电路简单,单路时不需同步等优点,但它还有传输质量不高的缺点,因此人们又研究出了自适应增量调制ADM。自适应增量调制是一种自动调节量阶大小、用以避免过载的增量调制,显然它的质量优于简单增量调制。由于篇幅的原因,在此不作介绍,感兴趣的读者可以参阅其他的书籍。