增量调制编译码实验系统的设计与实现

增量调制编译码实验系统的设计与实现

摘要:随着集成电路和信息技术的不断发展,通信技术得到广泛的应用。而通讯系统中的模拟信号能否有效地转换为数字信号,让信号无失真的数字化传输,很大程度上依赖于增量调制有无很好的编译码过程。增量调制编译码技术就是基本的通信调制解调方式之一。

数字通信中,增量调制是预测编码中最简单的一种。它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。目的在于简化模拟信号的数字化方法。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。目前,随着集成电路的发展,DM的优点已不再那么显著。为了提高增量调制的质量,出现了一些改进方案,例如,增量总和调制、数字压扩式自适应增量调制等。

本文首先介绍了简单增量调制编译码系统的电路组成及工作原理。然后介绍了在数字通信中广泛采用的数字压扩自适应增量调制方式中比较简单并且实用的一种——连续可变斜率增量调制方式(CVSD)。其电路的核心部分是MC34115大规模集成电路芯片。最后根据原理知识设计出能实现增量调制编译码实验系统功能的硬件电路,得到了增量调制、解调波形。该电路具有结构简单、成本低廉、工作可靠等优点,在生活中有很强的适应性。

关键词:通信技术;增量调制;编译码;CVSD

Design for Experiment System of Delta Modulation Encoding

and Decoding

Abstract:With integrated circuits and the continuous development of information technology, communication technologies are widely applied. The communication system can efficiently convert analog signals into digital signals, so that the digital signal transmission without distortion, largely depend on the availability of good delta modulation encoding and decoding process. In particular,the DM (Delta Modulation) technology is a basic one way of communication modem.

In digital communications, delta modulation is the simplest predictive coding.It will signal the instantaneous value with a sampling time of the quantitative values to quantify the difference, and only the sign of this difference is encoded, and not the size of the difference coding. It is the second after another PCM an analog signal the digital method. Aimed at simplifying the digital method of analog signals. Mainly in military communications and satellite communications in widespread use, sometimes as large scale integrated circuits in high-speed A / D converter. Now, with the development of integrated circuits, DM advantages are less significant. In order to improve the quality of delta modulation, there have been some improvements program, for example, the total incremental modulation, digital compression and expansion-type adaptive delta modulation.

This paper describes the circuit construction and principles of the simple delta modulation encoding and decoding system,and shows a simple and practical technology about Continuously Variable Slope Delta modulator(CVSD) of expansion-type adaptive delta modulation,which is widely used in digital communications.The kernel of the circuit is a large scale integrated chip named MC34115.According to the theory of principle,design a module which is as same as delta modulation encoding and decoding experiment system,finaly get the modulating and demodulation waveform. The circuit is simple in structure, low-cost and reliable work of the advantages, in life it has a strong adaptability.

Keywords:communication technologies;Delta Modulation;encoding and decoding;CVSD

目录

1 绪论 (1)

1.1引言 (1)

1.2课题的意义 (1)

1.3目前国内外研究现状及应用 (2)

1.4本课题的主要任务和内容安排 (2)

1.4.1 主要任务 (2)

1.4.2 内容安排 (3)

2 通信系统 (4)

2.1通信系统的定义 (4)

2.2通信系统的分类 (5)

2.3通信方式的分类 (6)

2.4数字通信系统简介 (7)

2.4.1 数字通信系统模型 (7)

2.4.2 数字通信的特点 (8)

2.5调制的原因 (9)

2.6调制方式 (9)

2.7数字调制概述 (10)

3 增量调制基本原理 (11)

3.1简单增量调制 (11)

3.1.1 增量调制的基本概念 (11)

3.1.2ΔM的调制原理 (12)

3.1.3 ΔM的解调原理 (13)

3.2连续可变增量调制(CVSD)系统 (14)

4 增量调制编译码实验系统的设计 (17)

4.1关于Protel99SE的介绍 (17)

4.1.1 Protel99SE的概述 (17)

4.1.2Protel99SE的功能特点及运行设计环境 (17)

4.1.3利用Protel99SE设计电路板步骤 (18)

4.1.4 电路原理图的设计过程 (19)

4.2关于MC34115的介绍 (19)

4.3编码电路工作原理 (22)

4.3.1 电路组成 (22)

4.3.2 设计电路编码基本工作原理 (22)

4.4译码电路工作原理 (25)

4.4.1 电路组成 (25)

4.4.2 设计电路工作原理 (27)

5 设计的结果 (30)

5.1各个测量点的说明 (30)

5.2实际测量波形 (30)

6 总结 (34)

参考文献 (35)

致谢 (36)

1 绪论

1.1 引言

在科学飞速发展的今天,世界已经进入了数字化、信息化的时代。其中,通讯技术的发展最为迅速。

所谓通信就是传输数据信息,如果从发送端到接收端没有很好模数转换,即没有将模拟信号经过抽样、量化、编译码,即使能收到信号,也是一堆失真的信号。因此,在通信中为了使模拟信号很好地数字化传输,使其量化信噪比高、抗误码性能好、简单化,以便接收端能正常接收原信号,这就是调制问题。而通讯系统中的模拟信号能否有效地转换为数字信号,让信号无失真的数字化传输,很大程度上依赖于增量调制有无很好的编译码过程。

增量调制在通信系统中至关重要,为了满足网络中日益迫切的语音通信的需求,提出了一种基于增量调制算法的语音通信方案。在码率较低的情况下,获得了较好的语音通信效果,这证明了在网络中进行语音通信的可行性及其发展潜力。数字通信中,增量调制是预测编码中最简单的一种。它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。它是继PCM后出现的又一种模拟信号数字化的方法。目的在于简化模拟信号的数字化方法。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D 转换器使用。目前,随着集成电路的发展,DM的优点已不再那么显著。为了提高增量调制的质量,出现了一些改进方案,例如,增量总和调制、数字压扩式自适应增量调制等。

增量(ΔM)调制是在PCM系统的基础上发展起来的,它是用一位码的PCM系统,实现模拟信号数字化的另一种方法。在PCM系统中以一组代码序列表示模拟信号的抽样值,即使采用非线性编码,抽样值也需采用7~8bit编码,一路数字话的数码率为

64kb/s,编译码设备较复杂,频带占用较宽。而ΔM是用一位二进位制码表示相邻抽样值的相对大小的方法,将模拟信号变成数字信号,一路数字话的数码率为16~

32kb/s,编译码设备较PCM系统简单,频带占用较窄。编译码设备简单,因而在军事、石油、电力等小容量通信系统中得到了广泛的应用。实用表明,该调制方式运行可靠,造价低廉,本文从实用的角度出发,对ΔM原理进行分析。

1.2 课题的意义

随着通信技术的快速发展,继PCM后又出现一种模拟信号数字化的方法,即增量调制简称ΔM或增量脉码调制方式(DM)。主要在军事通信和卫星通信中广泛使用,有时也作为高速大规模集成电路中的A/D转换器使用。

它是一种把信号上一采样的样值作为预测值的单纯预测编码方式。它将信号瞬时值与前一个抽样时刻的量化值之差进行量化,而且只对这个差值的符号进行编码,而不对差值的大小编码。因此量化只限于正和负两个电平,只用一比特传输一个样值。增量调制与PCM比较有如下特点:在比特率较低时,增量调制的量化信噪比高于PCM;增量调制抗误码性能好,可用于比特误码率为10-2—10-3的信道,而PCM 则要求10-4—10-6;增量调制通常采用单纯的比较器和积分器作编译码器(预测器),结构比PCM简单。

由于增量调制方式只考虑信号的增量,因此编译码器很简单。另外,ΔM是以单路进行编译码的,因此分路方便,对中小容量的系统既简单又经济。ΔM系统只需位同步,不要求群同步,设备简单,为小型化提供了极为有利的条件。

可见,增量调制具有设备简单,路际串音小,上下话路灵活方便,定时同步要求低,相对可靠性高,可用较低的数码率进行编码等突出优点。可广泛应用于任意选址通信、扩频通信、数字微波中继通信和卫星通信。目前,是话音数字化通信的主要通信方式之一。

1.3 目前国内外研究现状及应用

增量调制,最早是由法国工程师De Loraine于1946年提出来的,其目的在于简化模拟信号的数字化方法。在之后的几十年间有了很大发展,特别是在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到广泛应用,不仅如此,近年来在高速超大规模集成电路中已被用作A/D转换器。

八十年代不少人建议用ΔM作为信源编码,所以国内外不少科技人员在研究ΔM,希望能找出动态范围大、量化噪声小、功耗小、电路简单便于集成和成本低的系统。

我国鞍山电业局与台安微波站之间,与1997年开通了中国人民解放军第6904工厂生产的CPT-376数字微波接力特高频设备,该设备采用的就是ΔM编码。

增量调制的研究方兴未艾,新系统、新电路层出不穷。增量凋制的研究主要集中在如何以较低的速率来获得较高的话音质量。降低传输速率意味着节省了宝贵的频带。同时研究动态范围大、功耗小、电路简单便于集成的增量调制电路。如混合压扩和可变取样率混合压扩增量调制均能以16Kb/s的速率来获得近似32Kb/s的话音质量,其动态范围均能达到60分贝,既能用于话音偏码,也能用于图象偏码。一种功耗只有一般增量调制功耗四十分之一的低功耗增量调制电路也已出现。ΔM近几年来发展很快,从简单的增量调制到总和增量调制、自适应增量调制和步、可变取样率增量调制和异步增量调制等。

1.4 本课题的主要任务和内容安排

1.4.1 主要任务

1.学习增量调制编译码的基本理论知识和电路原理图。

2.在调研的基础上,运用通信原理中关于增量调制编译码的原理以及相关知识,对通信原理实验箱中的增量调制编译码电路模块进行模拟, 所设计的电路板应具有对增量调制信号进行编码和译码的功能, 并能测出相应测量点的波形。

1.4.2 内容安排

1.根据查阅的资料进行设计前期的准备工作,初步完成电路原理图。

2.根据设计的电路图将电子元件和集成芯片插装在面包板上进行电路功能的验证,包括测量各点波形。

3.验证可实现功能后,对电子元件和集成芯片进行焊接,用数字万用表对焊接电路的连通性进行反复测量,并修复虚焊点以及在焊接过程中损坏的电子元器件。

4.焊接完成并且测量无误后,按照设计任务书要求进行参数的测量、分析与比较,记录测量结果。

5.认真撰写毕业设计论文,并在指导老师的指导下补充、完善,等待最终的验收与答辩。

2 通信系统

2.1 通信系统的定义

谈到通信,我们每个人都不陌生。古代的烽火报警,就是把敌人入侵的消息通过烽火传达给远方的人们(类似的例子还有抗日战争时期的“消息树”);舰船上的灯语和旗语通过灯的闪烁和旗子的挥动与另一舰船或港口进行无声的对话;尽管通信的方式各种各样,传递的内容千差万别,但都有一个共性,那就是进行信息的传递。因此,我们对通信下一个简练的定义:所谓通信,就是信息的传递。这里“传递”可以认为是一种信息传输的过程或方式。随着计算机技术和计算机网络技术的飞速发展,计算机网络通信也进入了我们的生活。通过因特网(Internet),我们足不出户就可看报纸、听新闻、查资料、逛商店、玩游戏、上课、看病、下棋、购物、发电子邮件。网络通信丰富多彩的功能极大地拓宽了通信技术的应用领域,使通信渗入到人们物质与精神生活的各个角落成为人们日常生活中不可缺少的组成部分我们所讨论的通信不是广义上的通信,而是特指利用各种电信号和光信号作为通信信号的电通信与光通信。作为一门科学、一种技术,现代通信所研究的主要问题概括地说就是如何把信息大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地从信源通过传输介质传送到信宿。

用于进行通信的设备硬件、软件和传输介质的集合叫做通信系统。需要强调的是,过去对通信系统的定义没有软件部分,但随着计算机进入通信系统,通信软件就成为组成通信系统的基本要素,因此我们在定义中加入软件这一模块。

从硬件上看,通信系统主要由信源、信宿、传输介质和收信、发信设备五部分组成,如图2-1所示(注意,图中的干扰可以理解为是通信系统的一部分,因为在实际应用中,一个通信系统无法彻底消除干扰)。

增量调制编译码实验系统的设计与实现

图2-1 模拟通信系统的一般模型

2.2 通信系统的分类

一、根据信道传输信号种类的不同,通信系统可分为两大类:模拟通信系统和数字通信系统。信道中传输模拟信号的系统称为模拟通信系统,如大家熟悉的电话、广播和电视系统;信道中传输数字信号的系统称为数字通信系统,比如数字电话通信系统。数字通信系统与模拟通信系统的主要区别是多了信源编码(解码)和信道编码(解码)功能模块,而这正是数字通信系统的特点所在。信源编码完成的是将模拟信息(模拟信号)转换成数字信号的功能(信源解码功能相反);信道编码是将信源编码输出的数字信号(一般是经自然编码后的数字信号。

自然编码指的是用高电平表示“1”,低电平表示“0”的简单编码方式)变成适合于信道传输的码型(信道解码功能相反),以提高传输的有效性和可靠性。

需要说明的是,自从有了数据通信系统之后,这种以信道传输信号的种类为标准对通信系统进行的分类就显得不够严谨,因为数据通信系统的信道可以是传输数字信号的信道,也可以是传输模拟信号的信道,或者说数据通信中的数据信号既可以以数字信号的形式在数字信道中传输(比如局域网),也可以转换成模拟信号。在模拟信道中传输(比如通过“猫”——调制解调器上网)。

根据通信技术的现状,我们认为应该在传统分类方式的基础上,结合信源和信宿所处理的信号种类对通信系统重新进行分类。这样,我们就把通信系统分为三种:模拟通信系统、数字通信系统和数据通信系统。这里需要明确模拟通信、数字通信和数据通信的概念:

(1)模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传输的都是模拟信号的通信过程或方式。因此,模拟通信系统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。

(2)数字通信是指信源发出和信宿接收的是模拟信号,而信道传输的是数字信号的通信过程或方式。因此,数字通信系统可以说是以数字信号的形式传输模拟信号的系统。

(3)数据通信是随计算机和计算机网络的发展而出现的一种新的通信方式,它是指信源、信宿处理的都是数字信号,而传输信道既可以是数字信道也可以是模拟信道的通信过程(方式)。

通常,数据通信主要指计算机(或数字终端)之间的通信。数字通信产生的直接原因是为了提高模拟通信的质量,所以,数字通信可以理解为是模拟通信的升级。因为对通信双方而言,它们接触的仍然是模拟信号(或模拟信息),如果只从信号传输的角度上看(不考虑保密等),数字通信与模拟通信的主要差别仅仅是前者信宿接收到的信号质量更好一点而已,但它们的信号传输方式(传输系统)却迥然不同;而数据通信在信号传输上与数字通信大致相同(先不考虑模拟信道传输),但它的信息源一般为数字信息(离散信息),所以数据通信在功能上可以认为是数字通信的延伸或分支。因此,

从技术体制上看,通信方式仍然只分为模拟通信和数字通信两种。

二、按传输介质分类

按传输介质的不同,通信系统又有无线通信系统与有线通信系统之分。利用无线电波、红外线、超声波、激光进行通信的系统统称为无线通信系统。广播系统、移动电话系统、传呼通信系统、电视系统等都是无线通信系统。而用导线(包括电缆、光缆和波导等)作为介质的通信系统就是有线通信系统,如市话系统、闭路电视系统、普通的计算机局域网等。随着通信技术、计算机技术和网络技术的飞速发展,单纯的有线或无线通信系统越来越少,实际通信系统常常是“无线”中有“有线”,“有线”中有“无线”。因此,无论是作为科学知识还是学科专业,当代的无线通信、有线通信和计算机网络三者的关系密不可分。

三、按调制方式分类

按调制与否,可分为基带通信系统和调制通信系统。所谓基带系统,传输的是基带信号(指没有经过任何调制处理的信号),而调制通信传输的是已调信号。

四、按传送信息的物理特征分类

分为电话通信系统、电报通信系统、广播通信系统、电视通信系统、数据通信系统等。

五、按工作波段分类

按使用波长可分为长波通信系统、中波通信系统、短波通信系统、微波通信系统和光通信系统等。

一种通信系统可以分属不同的种类,比如我们所熟悉的无线电广播既是中波通信系统(短波通信系统),调制通信系统、模拟通信系统,也是无线通信系统。无论怎样划分通信系统,都只是在信号处理方式、传输方式或传输介质等外在特征上做文章,其通信的实质并没改变,即大量地、快速地、准确地、广泛地、方便地、经济地、安全地传送信息。因此,我们在分析、研究、设计、搭建和使用一个通信系统时,只要抓住这个实质,就不会被系统复杂的结构、先进的技术和生涩的技术术语所迷惑。

2.3 通信方式的分类

通信方式指通信双方(或多方)之间的工作形式和信号传输方式,它是通信各方在通信实施之前必须首先确定的问题。

根据不同的标准,通信方式也有多种分类法。

(1)按通信对象数量的不同,通信方式可分为点到点通信(即通信是在两个对象之间进行)、点到多点通信(一个对象和多个对象之间的通信)和多点到多点通信三种(多个对象和多个对象之间的通信)。

(2)根据信号传输方向与传输时间的不同,任意两点间的通信方式可分为单工通信(Simplex):在任何一个时刻,信号只能从甲方向乙方单向传输,甲方只能发信,乙

方只能收信。比如广播电台与收音机、电视台与电视机的通信(点到多点)、遥控玩具、航模(点到点)、寻呼等均属此类。

半双工通信(Half―Duplex):在任何一个时刻,信号只能单向传输,或从甲方向乙方,或从乙方向甲方,每一方都不能同时收、发信息。比如对讲机、收发报机以及问询、检索等之间的通信。

双工通信(Full―Duplex):在任何一个时刻,信号能够双向传输,每一方都能同时进行收信与发信工作。比如普通电话、手机。

(3)按通信终端之间的连接方式可划分为两点间直通方式和交换方式。直通方式是通信双方直接用专线连接;而交换式的通信双方必须经过一个称为交换机的设备才能连接起来,如电话系统。

(4)按数字信号传输的顺序,在数据通信中(主要指计算机通信),通信方式又有串行通信与并行通信之分。

(5)按同步方式的不同,又分为同步通信和异步通信。

2.4 数字通信系统简介

2.4.1 数字通信系统模型

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图2-2 数字通信系统模型

1.信源编码与译码

信源编码主要有两个作用:一是完成模拟信源的数字化,如果信源产生的信号是模拟信号时,首先需要对模拟信号进行数字化后才能够在数字通信系统中传输。模拟信源的数字化包括采样、量化和编码三个过程,电话系统中话音信号的数字化就是典型的模拟信源数字化的过程。信源编码的另外一个作用是为提高信息传输的有效性而采用适当的压缩技术减小信息速率。如电话系统中采用PCM编码的语音速率为64kbps,而如果采用压缩编码后,单路话音的速率则可以降低到32kbps或更低,这样在同样的信道中能够同时传输的话路就增加了。

2.信道编码与译码

信道编码的目的是为了增强通信信号的抗干扰能力。由于信号在信道传输时受到

噪声和干扰的影响,接收端恢复数字信息时可能会出现差错,为了减小接收差错,信道编码器对传输的信息按照一定的规则加入保护成分(监督元),组成差错控制编码。接收端的信道译码器按照相应的逆规则进行解码,从中发现错误或纠正错误,提高通信系统的抗干扰性。在计算机中广泛使用的奇偶校验码就是最简单的一种差错控制编码,它具有一比特差错的检错能力。

3.加密和解密

在需要实现保密通信的情况下,为了保证所传输信息的安全,人为地将被传输信息的数字序列扰乱,即加上密码,这种处理过程称为加密。接收端(通常是授权或指定的接收机)对接收到的数字序列解密,恢复明文信息。

4.数字调制和解调

基本的数字调制方式有振幅键控(ASK)、频移键控(FSK)和相移键控(PSK)。在接收端可以采用相干解调或非相干解调还原基带信号,此外还有在三种基本调制方法上发展起来的其它数字调制方式,如QPSK、QAM、OQPSK、MSK、GMSK等。

5.同步

同步是使收发两端的信号在时间上保持步调一致,是保证数字通信系统有序、准确和可靠工作的前提条件。按照同步的不同作用,可以将同步分为位同步、帧同步和网同步。同步分散在系统的各个部分,如码元同步主要在调制和基带处理部分,而帧同步通常是处在调制解调之后。

需要指出的是,图2-2给出的只是点到点数字通信系统的一般化模型,实际的数字通信系统不一定包括所有的环节,例如数字基带传输系统无需调制和解调;实际通信系统也有可能增加部分处理环节,如在信道编码或调制之前经过时分复用处理,在解调或信道解码之后加入时分解复用处理等环节。

此外,模拟信号经过数字化和编码后可以在数字通信系统中传输,如在程控电话交换网中,电话线上传输的模拟话音信号到达程控数字交换机后,在交换机内进行数字化与编码,程控数字交换机之间传输的就是数字话音信号,信号到达对端交换机后,再由数字信息恢复出模拟话音,通过电话线将模拟话音传输到对端用户电话。

2.4.2 数字通信的特点:

数字通信具有以下特点:

(1)抗干扰能力强。由于数字信号的取值个数有限(大多数情况只有0和1两个值),因此在传输过程中我们不太关心信号的绝对值,只注意相对值即可。比如设高电平5V 为1,低电平0V为0,在传输时受噪声影响,5V变成8V,而我们只要看到大于5V的值认为是5V就行了(当然,0V受干扰也可能变成8V,以致于把数据0误认为数据1。但经过信道编码后,数据0不是用简单的低电平表示,因此,这样的误码就不会出现)。同时,传输中继器可再生信号,消除噪声积累。比如一个中继器收到一个受干扰而变成

8V的信号,若是模拟通信,中继器就会原封不动地把这个8V信号放大后送往下一级,下一级接着放大再往下送,这样一级一级下去,噪声被不断地放大,形成噪声积累直到通信终端。如果是数字通信,第一个收到这个8V信号的中继器先认为该信号为一高电平信号,然后并不将该信号往下传,而是重新生成一个标准高电平信号(比如为5V)传往下一级,这样,噪声就不会像模拟通信那样被一级一级地放大,而是被中继器“隔离”,从而消除了噪声积累。

(2)便于进行信号加工与处理。由于信号可以储存,因此可以像处理照片一样对信号随意加工处理(在技术允许的范围内)。

(3)传输中出现的差错(误码)可以设法控制,提高了传输质量。

(4)数字信息易于加密且保密性强。

(5)能够传输话音、电视、数据等多种信息,增加了通信系统的灵活性和通用性。

总之,数字通信的优点很多,但事物总是一分为二的。数字通信的许多长处是以增加信号带宽为代价的。比如,一路模拟电话信号的带宽为4kHz,而一路数字电话信号大概要占20~60kHz的带宽。这说明数字通信的频带利用率低。尽管如此,数字通信仍将是未来通信的发展方向。

2.5 调制的原因

调制是把基带信号变换成适合在信道中传输的信号的技术。基带信号是原始的电信号,一般是指基本的信号波形,在数字通信中则指相应的电脉冲。在无线遥测遥控系统和无线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数(振幅、频率和相位),使这些参数随基带信号变化。用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号。未调制的高频电振荡称为载波(可以是正弦波,也可以是非正弦波,如方波、脉冲序列等)。被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号。已调信号通过信道传送到接收端,在接收端经解调后恢复成原始基带信号。解调是调制的反变换,是从已调波中提取调制信号的过程。在无线电通信中常采用双重调制。第一步用数字信号或模拟信号去调制第一个载波(称为副载波)。或在多路通信中用调制技术实现多路复用(频分多路复用和时分多路复用)。第二步用已调副载波或多路复用信号再调制一个公共载波,以便进行无线电传输。第二步调制称为二次调制。用基带信号调制高频载波,在无线电传输中可以减小天线尺寸,并便于远距离传输。应用调制技术,还能提高信号的抗干扰能力。

2.6 调制方式

调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类;按照载波的形式分为连续波调制和脉冲调制两类。模拟调制有调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。数字调制有振幅键控(ASK)、移频键控(FSK)、移相键控(PSK)和差分移相键控(DPSK)

等。脉冲调制有脉幅调制(PAM)、脉宽调制(PDM)、脉频调制(PFM)、脉位调制(PPM)、脉码调制(PCM)和增量调制(ΔM)。

按照传输特性,调制方式又可分为线性调制和非线性调制。广义的线性调制,是指已调波中被调参数随调制信号成线性变化的调制过程。狭义的线性调制,指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上、下边带的调制过程。此时只改变频谱中各分量的频率,但不改变各分量振幅的相对比例,使上边带的频谱结构与调制信号的频谱相同,下边带的频谱结构则是调制信号频谱的镜像。狭义的线性调制有调幅(AM)、抑制载波的双边带调制(DSB-SC单边带调制(SSB)。

2.7 数字调制概述

数字信号的载波调制是信道编码的一部分,之所以在信源编码和传输通道之间插入信道编码是因为通道及相应的设备对所要传输的数字信号有一定的限制,未经处理的数字信号源不能适应这些限制。由于传输信道的频带资源总是有限的,因此在充分得利用现有资源的前提下,提高传输效率就是通信系统所追求的最重要指标之一。模拟通信很难控制传输效率,最常见到的单边带调幅(SSB)或残留边带调幅(VSB)可以节省近一半的传输频带。由于数字信号只有“0”和“1”两种状态,所以数字调制完全可以理解为像报务员用开关键控制载波的过程,因此数字信号的调制方式一般均为较简单的键控方式。

常用的数字调制技术有2ASK(Amplitude Shift Keying,幅移键控)、4ASK、8ASK、BIT/SK(Phase Shift Keying,相移键控)、QPSK、8PSK、2FSK、4FSK等,频带利用率从1bit/s/Hz~3bit/s/Hz。更有将幅度与相位联合调制的QAM(Quadrature Amplitude Modulation,正交振幅调制)技术,目前数字微波中广泛使用的256QAM,其频带利用率可达8bit/s/Hz,8倍于2ASK或BIT/SK。此外,还有可采用减小相位跳变的MSK 等特殊的调制技术,为某些专门应用环境提供了强大的工具。近年来,四维调制等高维调制技术的研究也得到了迅速发展,并已应用于高速MODEM中,为进一步提高传输效率奠定了基础。总之,数字通信所能够达到的传输效率远远高于模拟通信,调制技术的种类也远远多于模拟通信,大大提高了用户根据实际应用需要选择系统配置的灵活性。

3增量调制基本原理

3.1 简单增量调制

3.1.1 增量调制的基本概念

增量调制就是一个传输相邻两个取样瞬间差值信息的一比特编码系统,可用来将模拟话音信号波形转变成二进制比特序列的数字信号的一种调制方法。增量调制技术是在脉冲编码调制技术接近成熟的基础上,作为模拟信号数字化的另一种调制方式而提出来的。这种调制方式为模拟信号变成二进制数码提供了一种简单的编译技术。

增量调制或称增量编码,是将连续变化的模拟信号变成二进制数码的一种调制方法,它是用一位二进制数码来表示信号在此时刻的值相对于前一个取样时刻的值是增大还是减小。增大发“1”码,减小发“0”码。在增量调制中,数码“1”和“0”只表示信号相对于前一时刻是增大还是减小,不代表信号的绝对值。接收端译码每收到一个“1”码,译码器的输出相对于前一时刻的值上升一个量阶,每收到一个“0”码,相对于前一时刻的值下降一个量阶。当收到连“1”码时,表示每隔一个取样时间,连续上升一个量阶,即表示信号的建续增长。收到连“0” 码时,表示每隔一个取样时间,连续下降一个量阶,即表示信号的连续下降。这就是增量编码和译码的规则。

增量调制(DM)可以看成是一种最简单的DPCM。当DPCM系统中量化器的量化电平数取为2时,DPCM系统就成为增量调制系统。如图3-1所示,在模拟信号m(t)的曲线附近,有一条阶梯状的变化曲线m′(t),m′(t)与m(t)的形状相似。显然,只要阶梯“台阶”σ和时间间隔Ts(Δt)足够小,则m′(t)与m(t)的相似程度就会提高。对m′(t)进行滤波处理,去掉高频波动,所得到的曲线将会很好地与原曲线重合,这意味着m′(t)可以携带m(t)的全部信息。因此,m′(t)可以看成是用一个给定的“台阶”σ对m(t)进行抽样与量化后的曲线。我们把“台阶”的高度σ称为增量,用“1”表示正增量,代表向上增加一个σ;用“0”表示负增量,代表向下减少一个σ。

则这种阶梯状曲线就可用一个“0”、“1”数字序列来表示,也就是说,对m′(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),缩写为DM或ΔM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102~103的信道中,而PCM则要求信

道的误比特率为104~106。

(3) 设备简单、制造容易。

增量调制编译码实验系统的设计与实现

图3-1 增量调制波形示意图

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。 3.1.2 ΔM 的调制原理

分析一下图3-1,比较在每个抽样时刻t 处的m(t)和m’(t)的值可以发现,当m(i Δt )>m’(i Δt)时,上升一个σ,发“1”码;当m(i Δt )

根据上述分析,我们给出增量调制器框图如图3-2所示。m’(i Δt)可以由编码输出的二进制序列反馈到一个理想的积分器以后得到。由于该积分器又具有解码功能,因此又称为本地解码器(译码器)。m(i Δt)和m’(i Δt)的差值,可以用一个比较电路(减法器)来完成。量化编码可以用一个双稳判决器来执行,并生成双极性二进制码序列。具体调制过程描述如下:

设m ’(0-)=0(即t=0时刻前一瞬间的量化值为零),因此有 t=0时,e(0)=m(0)-m ’(0-)>0,则Po(0)=1;

t=Δt 时,e(Δt)=m(Δt)-m ’(Δt_)>0,则Po(Δt)=1; t=2Δt 时,e(2Δt)=m(2Δt)-m ’(2Δt_)<0,则Po(2Δt)=0; t=3Δt 时,e(3Δt)=m(3Δt)-m ’(3Δt_)>0,则Po(3Δt)=1; t=4Δt 时,e(4Δt)=m(4Δt)-m ’(4Δt_)<0,则Po(4Δt)=0; t=5Δt 时,e(5Δt)=m(5Δt)-m ’(5Δt_)>0,则Po(5Δt)=1; t=6Δt 时,e(6Δt)=m(6Δt)-m ’(6Δt_)>0,则Po(6Δ

t)=1;

输出二进制波形

Ts

增量调制编译码实验系统的设计与实现

图3-2 增量调制器(编码器)框图

3.1.3 ΔM 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。ΔM 信号的解调比较简单,如图3-3所示,

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σ;而当输入“0”码时,积分器输出电压就下降一个量化台阶σ。

增量调制编译码实验系统的设计与实现

图3-3 增量解调器(译码器)原理框图

对积分器的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3-4所示。

增量调制编译码实验系统的设计与实现

图3-4 增量调制译码波形示意图

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。

由于简单增量调制的信号量化噪声比小,主要是量化阶距σ固定不变,即为均匀量化。对均匀量化而言,如果量阶σ取值较大,则信号斜率变化较小的信号的量化噪声就大;如果量阶取值较小,则信号斜率较大的量化噪声就大。均匀量化无法使两种噪声同时减小,以至于信号的动态范围变窄,所以简单增量调制在实际通信中没有得到应用,但是它为增量调制技术提供了理论基础。

3.2 连续可变增量调制(CVSD)系统

在语音通信中应用较为广泛的是音节压扩自适应增量调制,它是在数字码流中提取脉冲控制电压,经过音节平滑,按音节速率(也就是语音音量的平均周期)去控制量化阶距σ的。在各种音节压扩自适应增量调制中,连续可变斜率增量调制(CVSD)系统用到较多。

连续可变斜率增量调制(Continuously Variable Slope Delta Modulation),其英文缩写为CVSD,有其专用集成芯片,其型号有MC3417,MC3418,MC3517,MC34115等等。它只需要一个时钟信号,在该集成芯片的外围适当接上一些分立元器件做为辅助电路,即可实现音节压扩自适应增量调制。图3-5为CVSD编、解码器的方框图。

增量调制编译码实验系统的设计与实现

(a)发送端的编码器

增量调制编译码实验系统的设计与实现

(b) 接收端的解码器

图3-5 CVSD编码器、解码器方框图

由图3-5可知,与简单增量调制相比,发端的编码器在反馈回路中增加了自适应控制电路,即音节压扩控制电路,它由三个部分组成:

(1)斜率过载检测电路,用来检测斜率过载状态,它是由一个3比特移位寄存器构成的输出三连“1”码或三连“0”码数字逻辑电平信号,其电路由D触发器作移位寄存器电路以及与门、或门组成。因此,斜率过载检测电路也称为电平检测电路。

(2)斜率量值控制电路:用来控制量化阶距σ的大小,其电路由RC音节平滑滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成。

(3)斜率极性控制电路:用来转化量化阶距σ的极性,当ΔS≥0时,输出为正极性,当ΔS<0,输出为负极性,其电路由脉冲幅度调制器和积分网络组成。

其电路的工作过程是这样的:在输入端,话音信号S(t)与话音信号S(t)进行比较,将其比较的结果ΔS值进行判决,若ΔS>0,则P(t)输出“1”码,若ΔS<0,则P(t)输出为“0”码,这同简单增量调制器编码方式是相同的,但是当输入话音信号S(t)中,连续出现上升沿或连续出现下降沿,或者输入信号中正斜率增大或负斜率增大,这样,在编码器的输出端P(t)中将出现连续的“1”码或连续的“0”码,这样如果不增加自适应控制电路,则将会出现S’(t)无法跟踪S(t)信号,而出现过载现象。

若电路中增加自适应控制电路,则当P(t)中连续出现“1”码或“0”码时,斜率过载检测电路则立即工作,当P(t)出现连续的“1”或“0”码时,斜率过载检测器从P(t)的返回信号中即输出码流中按三个连“1”和三个连“0”检测,其输出是一些不同宽度的正脉冲,其宽度为Tn=(K-2)Ts,K是连码的个数,Ts是取样信号周期,它们输入到斜率量值控制电路,因斜率量值器由RC音节滤波器、电压电流转换器和非线性网络组成,因而RC音节平滑滤波器把正脉冲序列进行平滑滤波,变成连续缓慢变化和直流控制电压,其变化的周期等于一个音节时间(约10ms),当P(t)出现“1”码增多时,斜率过载检测器输出的正脉冲数就相对增多,通过R对C的充电时间相对增长,放电时间相对缩短,因此,直流控制电压愈高,电压电流转换器把音节平滑滤波器输出的控制电压转换为控制电流,非线性网络使控制电流的变化规律能更好地跟随输入信号斜率的变化,提高自适应能力,扩大其动态范围。另外,斜率过载检测电路内部的P(t)输出信号还接至斜率极性控制电路内的脉幅调制器的输入端,与来自斜率量值控制电路的输入信号一起加到脉幅调制器的另一输入端,因斜率极性控制电路由脉幅调制器和积分网络组成,经过脉幅调制电路和积分网络后就形成了有正负斜率变化的再生信号P(t),脉幅调制电路的作用有二:一是使送往积分网络的电压,有正负极性的量阶;二是根据音节平滑滤波器输出的电压来改变量阶,使量阶的变化为自适应的变化,有量阶值由自适应逻辑控制。此时,当检测到三个“1”码或是“0”码,则称为3bit规则,若为四个连“1”码或是“0”码,则称为4bit规则。也就是说,CVSD的量阶变化,主要是由连码检测规则决定的,因发端的编码器是反馈方式工作,即量阶σ是从输出码流中检测的。因此,随输入信号正斜率增加,码流中连“1”

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