《通信原理》课程设计说明书解析.docx
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《通信原理》课程设计说明书解析
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?
如图1.1所示:
图1.1增量调制波形示意图
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”σ和时间间隔Δt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”σ对f(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(如图1.1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(DeltaModulation),缩写为DM或ΔM调制。
增量调制最早由法国人DeLoraine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~的信道中,而PCM则要求信道的误比特率为~。
(3)设备简单,制造容易。
增量调制与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。
2ΔM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1.1,比较在每个抽样时刻Δt处的f(t)和f′(t)的值可以发现:
(1)当f(iΔt)>f′(iΔt_)时,上升一个σ,发“1”码
(2)当f(iΔt) f′(iΔt)是第i个抽样时刻前一瞬间的量化值。 根据上述分析,我们给出增量调制器框图如图2.1所示: 图2.1增量调制原理框图 f′(iΔt)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)。 f(iΔt)和f′(iΔt)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f′(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)=f(0)-f′(0-)>0,则Po(0)=1 t=Δt时,e(Δt)=f(Δt)-f′(Δt_)>0,则Po(Δt)=1; t=2Δt时,e(2Δt)=f(2Δt)-f′(2Δt_)<0,则Po(2Δt)=0; t=3Δt时,e(3Δt)=f(3Δt)-f′(3Δt_)>0,则Po(3Δt)=1; t=4Δt时,e(4Δt)=f(4Δt)-f′(4Δt_)<0,则Po(4Δt)=0; t=5Δt时,e(5Δt)=f(5Δt)-f′(5Δt_)>0,则Po(5Δt)=1; t=6Δt时,e(6Δt)=f(6Δt)-f′(6Δt_)>0,则Po(6Δt)=1。 以此类推,即可得到如图2.2所示的波形: 图2.2增量调制过程示意图 发现图2.2中的f′(t)和图1.1的波形不一样。 其实,图1.1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2.3所示: 图2.3积分器输出信号 3ΔM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,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2.2和图2.3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。 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3.1所示: 图3.1增量调制译码(解调)示意图 4增量调制存在的问题 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1.1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σ和时间间隔Δt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4.1所示: 图4.1两种量化噪声的示意图 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Δt和增量σ有关。 我们定义K为阶梯波一个台阶的斜率, (4.1) 式中,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)σ进而提高阶梯波形的最大跟踪斜率,就可以减小过载噪声;而降低σ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,σ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Δt),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,ΔM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)。 另外,如果模拟信号为交流信号,且信号峰-峰值小于σ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σ/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σ/2电平称为增量调制器的起始编码电平。 5电路设计 ΔM调制与解调系统电路如图5.1所示: 图5.1ΔM调制与解调系统电路 ΔM调制与解调系统组成框图如图5.2所示: 图5.2ΔM调制与解调系统组成框图 比较器电路原理图如图5.3所示: 图5.3比较器电路 本地译码器电路图如图5.4所示: 图5.4本地译码器电路 抽样脉冲发生器和抽样判决器电路图如图5.5所示: 图5.5抽样脉冲发生器和抽样判决器电路 低通滤波器电路图如图5.6所示: 图5.6低通滤波器电路 6心得体会 这次通信原理的课程设计,我们的题目是ΔM通信系统设计,经过翻阅《通信原理》的课本,以及相关资料,还有在网上搜集的类似设计,最终我们确定了设计思路和电路原理图。 增量调制可以看成PCM的一个特例,因为它们都是用二进制代码形式去表示模拟信号的方式。 但是在PCM中,信号的代码表示模拟信号的抽样值,而且,为了减小量化噪声,一般需要较长的代码及较复杂的编译码设备。 而ΔM是将模拟信号变换成仅由一位二进制码组成的数字信号序列,并且在接收端也只需要用一个线性网络,便可复制出原模拟信号。 首先跟据设计思路,设计各个模块的电路,再将各模块连接起来,通过再次的翻阅课本及相关资料,确定对应的参数,从而得到这个电路设计图。 接下来就是调试。 通过硬件的调试,修改相关元件的参数,最终达到设计要求。 通过这次通信原理的课程设计,我从中不仅学到了ΔM通信系统设计的设计原理和基本思路,深入了解了增量调制通信系统,而且也加深了对理论的认识,进一步理解了增量调制的原理,了解了如何设计硬件,通过硬件测试,如何发现问题并通过修改而解决问题,更学会了如何通过各种途径收集资料,从中获取需要的信息,并为我所用,成为自己的能力,这对于今后的学习还是工作都有着积极的影响。 参考文献 [1]樊昌信,张甫翊,徐炳祥,吴成柯.通信原理.第5版.北京: 国防工业出版社,2003.9 [2]贺贵明.通信原理概论.武汉: 华中科技大学出版社,2000.8 [3]马海武,刘毓,达新宇.通信原理.北京: 北京邮电大学出版社,2004.1 致谢 在本次课程设计中,我从中学到了不少东西,不仅加强了动手能力,也加深了对理论的认识,其中离不开同组同学的帮助和支持,在此表示感谢。 课程设计不仅能检验我们对理论知识的掌握,也了解了设计的思路,在此我要感谢学校开设的这门课程,以及对我们的培养。 在课程设计过程中,当我们遇到困难时,指导老师的认真指导指引我们成功完成设计,在此表示万分的感谢!
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