增量調(diào)制仿真設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)理工大學(xué)通信系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告增量調(diào)制仿真設(shè)計(jì)1.課程設(shè)計(jì)目的（1）加深理解增量調(diào)制編譯碼的基本原理。（2）培養(yǎng)獨(dú)立開(kāi)展科研的能力和編程能力。（3）了解系統(tǒng)的過(guò)載特性,動(dòng)態(tài)范圍以及最大量化信噪比等三大指標(biāo)的測(cè)試方法。2.課程設(shè)計(jì)要求（1）掌握課程設(shè)計(jì)的相關(guān)知識(shí)、概念清晰。（2）程序設(shè)計(jì)合理、能夠正確運(yùn)行。3.相關(guān)知識(shí)3.1增量調(diào)制簡(jiǎn)介增量調(diào)制簡(jiǎn)稱(chēng)M或增量脈碼調(diào)制方式（DM），它是繼PCM后出現(xiàn)的又一種模擬信號(hào)數(shù)字化的方法。1946年由法國(guó)工程師De Loraine提出，目的在于簡(jiǎn)化模擬信號(hào)的數(shù)字化方法。主要在軍事通信和衛(wèi)星通信中廣泛使用，有時(shí)也作為高速大規(guī)模集成電路中的A/D轉(zhuǎn)換器使用。對(duì)模

2、擬信號(hào)采樣，并用每個(gè)樣值與它的預(yù)測(cè)值的差值對(duì)周期脈沖序列進(jìn)行調(diào)制，簡(jiǎn)稱(chēng)墹M或DM。已調(diào)脈沖序列以脈沖的有、無(wú)來(lái)表征差值的正負(fù)號(hào)，也就是差值只編成一位二進(jìn)制碼。增量調(diào)制的基本原理是于1946年提出的，它是一種最簡(jiǎn)單的差值脈沖編碼。早期的語(yǔ)言增量調(diào)制編碼器是由分立元件組成的。隨著模擬集成電路技術(shù)的發(fā)展，70年代末出現(xiàn)了音節(jié)壓擴(kuò)增量調(diào)制集成單片，80年代出現(xiàn)了瞬時(shí)壓擴(kuò)集成單片，單片內(nèi)包括了開(kāi)關(guān)電容濾波器與開(kāi)關(guān)電容積分器，集成度不斷提高，使增量調(diào)制的編碼器的體積減小，功耗降低。3.2 基本概念在PCM系統(tǒng)中，為了得到二進(jìn)制數(shù)字序列，要對(duì)量化后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編碼，每個(gè)抽樣量化值用一個(gè)碼組（碼字）表示其大

3、小。碼長(zhǎng)一般為7位或8位，碼長(zhǎng)越大，可表示的量化級(jí)數(shù)越多，但編、解碼設(shè)備就越復(fù)雜。那么能否找到其它更為簡(jiǎn)單的方法完成信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換呢？我們看一下圖1。圖中在模擬信號(hào)f(t)的曲線附近，有一條階梯狀的變化曲線f(t),f(t)與f(t)的形狀相似。顯然，只要階梯“臺(tái)階”和時(shí)間間隔t足夠小，則f(t)與f(t)的相似程度就會(huì)提高。對(duì)f(t)進(jìn)行濾波處理，去掉高頻波動(dòng)，所得到的曲線將會(huì)很好地與原曲線重合，這意味著f(t)可以攜帶f(t)的全部信息（這一點(diǎn)很重要）。因此，f(t)可以看成是用一個(gè)給定的“臺(tái)階”對(duì)f(t)進(jìn)行抽樣與量化后的曲線。我們把“臺(tái)階”的高度稱(chēng)為增量，用“1”表示正增量，代表向上

4、增加一個(gè)；用“0”表示負(fù)增量，代表向下減少一個(gè)。則這種階梯狀曲線就可用一個(gè)“0”、“1”數(shù)字序列來(lái)表示（如圖（1）所示），也就是說(shuō)，對(duì)f(t)的編碼只用一位二進(jìn)制碼即可。此時(shí)的二進(jìn)制碼序列不是代表某一時(shí)刻的抽樣值，每一位碼值反映的是曲線向上或向下的變化趨勢(shì)。這種只用一位二進(jìn)制編碼將模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字序列的方法（過(guò)程）就稱(chēng)為增量調(diào)制（Delta Modulation），縮寫(xiě)為DM或M調(diào)制。增量調(diào)制最早由法國(guó)人De Loraine于1946年提出，目的是簡(jiǎn)化模擬信號(hào)的數(shù)字化方法。其主要特點(diǎn)是：(1) 在比特率較低的場(chǎng)合，量化信噪比高于PCM。(2) 抗誤碼性能好。能工作在誤比特率為102103的信道

5、中，而PCM則要求信道的誤比特率為104106。(3) 設(shè)備簡(jiǎn)單、制造容易。它與PCM的本質(zhì)區(qū)別是只用一位二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼，但這一位碼不表示信號(hào)抽樣值的大小，而是表示抽樣時(shí)刻信號(hào)曲線的變化趨向。圖1 增量調(diào)制波形示意示4 課程設(shè)計(jì)分析4.1 M的調(diào)制原理如何在發(fā)送端形成f(t)信號(hào)并編制成相應(yīng)的二元碼序列呢？仔細(xì)分析一上圖（1），比較在每個(gè)抽樣時(shí)刻t處的f(t)和f(t)的值可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)f(it)>f(it_)時(shí)，上升一個(gè)，發(fā)“1”碼； 當(dāng)f(it)<f(it_)時(shí)，下降一個(gè)，發(fā)“0”碼。 f(it_)是第i個(gè)抽樣時(shí)刻前一瞬間的量化值。根據(jù)上述分析，我們給出增量調(diào)制器框圖如圖2所

6、示。圖2 增量調(diào)制原理框圖f(it_)可以由編碼輸出的二進(jìn)制序列反饋到一個(gè)理想的積分器以后得到。由于該積分器又具有解碼功能，因此又稱(chēng)為本地解碼器（譯碼器）。f(it)和f(it_)的差值，可以用一個(gè)比較電路（減法器）來(lái)完成。量化編碼可以用一個(gè)雙穩(wěn)判決器來(lái)執(zhí)行，并生成雙極性二進(jìn)制碼序列。具體調(diào)制過(guò)程描述如下：設(shè)f(0-)=0（即t=0時(shí)刻前一瞬間的量化值為零），因此有t=0時(shí)，e(0)=f(0)-f(0-)>0，則Po(0)=1 (1)t=t時(shí)， e(t)=f(t)-f(t_)>0，則Po(t)=1 (2)t=2t時(shí)，e(2t)=f(2t)-f(2t_)<0，則Po(2t)=0

7、; (3)t=3t時(shí)，e(3t)=f(3t)-f(3t_)>0，則Po(3t)=1; (4)t=4t時(shí)，e(4t)=f(4t)-f(4t_)<0，則Po(4t)=0; (5) t=5t時(shí)，e(5t)=f(5t)-f(5t_)>0，則Po(5t)=1; (6)t=6t時(shí)，e(6t)=f(6t)-f(6t_)>0，則Po(6t)=1; (7)以此類(lèi)推，即可得到如圖3所示的波形。會(huì)發(fā)現(xiàn)圖3中的f(t)和圖1的波形不一樣。其實(shí)，圖1的階梯波只是為了形象地說(shuō)明增量調(diào)制原理，而實(shí)際積分器的輸出波形如圖3d所示。 (C)圖3 增量調(diào)制過(guò)程示意圖4.2 M的解調(diào)原理為了完成整個(gè)通信過(guò)程

8、，發(fā)送端調(diào)制出的信號(hào)必須在接收端通過(guò)解調(diào)恢復(fù)出原始模擬信號(hào)。M信號(hào)的解調(diào)比較簡(jiǎn)單，用一個(gè)和本地解碼器一樣的積分器即可。在接收端和發(fā)送端的積分器一般都是一個(gè)RC積分器。解調(diào)過(guò)程就是圖43中的積分過(guò)程。當(dāng)積分器輸入“1”碼時(shí)，積分器輸出產(chǎn)生一個(gè)正斜變的電壓并上升一個(gè)量化臺(tái)階；而當(dāng)輸入“0”碼時(shí)，積分器輸出電壓就下降一個(gè)量化臺(tái)階。為了保證解調(diào)質(zhì)量，對(duì)解碼器有兩個(gè)要求：（1） 每次上升或下降的大小要一致，即正負(fù)斜率大小一樣。（2） （2）解碼器應(yīng)具有“記憶”功能，即輸入為連續(xù)“1”或“0”碼時(shí)，輸出能連續(xù)上升或下降。對(duì)積分器的輸出信號(hào)進(jìn)行低通濾波，濾除波形中的高頻成分，即可得到與原始模擬信號(hào)十分近似的

9、解調(diào)信號(hào)，如圖4所示圖4 增量調(diào)制譯碼(解調(diào))示意示5 增量調(diào)制MATLAB的仿真5.1 程序代碼:Ts=1e-3;t=0:Ts:20*Ts;x=sin(2*pi*50*t)+0.5*sin(2*pi*150*t);delta=0.4;D(1+length(t)=0;for k=1:length(t) e(k)=x(k)-D(k); e_q(k)=delta*(2*(e(k)>=0)-1); D(k+1)=e_q(k)+D(k); codeout(k)=(e_q(k)>0);endsubplot(3,1,1);plot(t,x,'-o');axis(0 20*Ts,

10、-2 2);hold on;subplot(3,1,2);stairs(t,codeout);axis(0 20*Ts,-2 2);Dr(1+length(t)=0;for k=1:length(t) eq(k)=delta*(2*codeout(k)-1); xr(k)=eq(k)+Dr(k); Dr(k+1)=xr(k);endsubplot(3,1,3);stairs(t,xr);hold on;subplot(3,1,3);plot(t,x);5.2 增量調(diào)制Simulink仿真實(shí)現(xiàn)采用Simulink基本模塊實(shí)現(xiàn)和采用DPCM編解碼模塊實(shí)現(xiàn)。仿真測(cè)試模型如圖（6）所示。仿真步進(jìn)設(shè)置為

11、0.001s，模型中所有需要設(shè)置采樣時(shí)間的地方均設(shè)置采樣時(shí)間為0.001s。在增量調(diào)制部分，Relay模塊作為量化器適應(yīng)，其門(mén)限設(shè)置為0，輸出值分別設(shè)置為0.4和-0.4；Relay作為編碼器使用，其門(mén)限設(shè)置為0，輸出值設(shè)置為1和0；解碼端Relay2模塊作為解碼器使用，其門(mén)限設(shè)置為0.5，輸出值分別為0.4和-0.4；使用單位延時(shí)器Unit Delay作為預(yù)測(cè)濾波器，初始狀態(tài)均設(shè)置為零。使用DPCM編解碼模塊進(jìn)行等價(jià)實(shí)現(xiàn)，DPCM編碼模塊的設(shè)置是，預(yù)測(cè)器分子系數(shù)為0,1，分母系數(shù)是1，量化分割值為0，碼書(shū)為-0.4,0.4，解碼器與編碼器設(shè)置相同。仿真時(shí)間設(shè)置為0.02s，即仿真前20個(gè)采樣

12、點(diǎn)。仿真結(jié)果如圖（7）所示，采用Simulink基本模塊實(shí)現(xiàn)的解碼結(jié)果與編程法得到的波形相同。但是，由于初始值設(shè)置問(wèn)題，采用DPCM編解碼模塊得出的解碼結(jié)果與采用Simulink基本模塊實(shí)現(xiàn)的解碼結(jié)果在起始部分稍有不同，隨著仿真時(shí)間的增加，兩者輸出結(jié)果相同。圖6增量調(diào)制編碼仿真測(cè)試模型其中f(u)=sin(2*pi*50*u)+0.5*sin(2*pi*150*u)6 結(jié)果分析程序執(zhí)行結(jié)果如圖5所示。從圖中原信號(hào)和解碼結(jié)果對(duì)比看，在輸入信號(hào)變化平緩的部分，編碼器輸出1、0交替碼，相應(yīng)的解碼結(jié)果以正負(fù)階距交替變化，形成顆粒噪聲，稱(chēng)空載失真；在輸入信號(hào)變化過(guò)快的部分，解碼信號(hào)因不能跟蹤上信號(hào)的變化

13、而引起斜率過(guò)載失真。量化階距越小，則空載失真就越小，但是容易發(fā)生過(guò)載失真；反之，量化階距增大，則斜率過(guò)載失真減小，但空載失真增大。如果量化階距能根據(jù)信號(hào)的變化緩急自適應(yīng)調(diào)整，則可以兼顧優(yōu)化空載失真和過(guò)載失真，這就是自適應(yīng)增量調(diào)制的意思。圖5增量調(diào)制編碼解碼波形仿真結(jié)果（一）波形解析：第一個(gè)圖形是原信號(hào)及離散樣值第二個(gè)圖形是編碼輸出二進(jìn)制序列的波形第三個(gè)圖形解碼結(jié)果和信號(hào)波形對(duì)比0.0040.006為空載失真部分0.0090.012為過(guò)載失真部分圖7增量調(diào)制編碼解碼波形仿真結(jié)果（二） 6.1 增量調(diào)制存在的問(wèn)題增量調(diào)制盡管有前面所述的不少優(yōu)點(diǎn)，但它也有兩個(gè)不足：一個(gè)是一般量化噪聲問(wèn)題;另一個(gè)是過(guò)

14、載噪聲問(wèn)題。兩者可統(tǒng)一稱(chēng)為量化噪聲。觀察圖1可以發(fā)現(xiàn)，階梯曲線（調(diào)制曲線）的最大上升和下降斜率是一個(gè)定值，只要增量和時(shí)間間隔t給定，它們就不變。那么，如果原始模擬信號(hào)的變化率超過(guò)調(diào)制曲線的最大斜率，則調(diào)制曲線就跟不上原始信號(hào)的變化，從而造成誤差。我們把這種因調(diào)制曲線跟不上原始信號(hào)變化的現(xiàn)象叫做過(guò)載現(xiàn)象，由此產(chǎn)生的波形失真或者信號(hào)誤差叫做過(guò)載噪聲。另外，由于增量調(diào)制是利用調(diào)制曲線和原始信號(hào)的差值進(jìn)行編碼，也就是利用增量進(jìn)行量化，因此在調(diào)制曲線和原始信號(hào)之間存在誤差，這種誤差稱(chēng)為一般量化誤差或一般量化噪聲。兩種噪聲示意圖如圖8所示。 圖8 兩種量化噪聲示意圖 仔細(xì)分析兩種噪聲波形我們發(fā)現(xiàn)，兩種噪聲

15、的大小與階梯波的抽樣間隔t和增量有關(guān)。我們定義K為階梯波一個(gè)臺(tái)階的斜率 式中,fs是抽樣頻率。該斜率被稱(chēng)為最大跟蹤斜率。當(dāng)信號(hào)斜率大于跟蹤斜率時(shí)，稱(chēng)為過(guò)載條件，此時(shí)就會(huì)出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象；當(dāng)信號(hào)斜率等于跟蹤斜率時(shí)，稱(chēng)為臨界條件；當(dāng)信號(hào)斜率小于跟蹤斜率時(shí)，稱(chēng)為不過(guò)載條件?？梢?jiàn)，通過(guò)增大量化臺(tái)階（增量）進(jìn)而提高階梯波形的最大跟蹤斜率，就可以減小過(guò)載噪聲；而降低則可減小一般量化噪聲。顯然，通過(guò)改變量化臺(tái)階進(jìn)行降噪出現(xiàn)了矛盾，因此，值必須兩頭兼顧，適當(dāng)選取。不過(guò)，利用增大抽樣頻率（即減小抽樣時(shí)間間隔t），卻可以“左右逢源”，既能減小過(guò)載噪聲，又可降低一般量化噪聲。因此，實(shí)際應(yīng)用中，M系統(tǒng)的抽樣頻率要比PCM

16、系統(tǒng)高得多（一般在兩倍以上，對(duì)于話音信號(hào)典型值為16kHz和32kHz）。 6.2 自適應(yīng)增量調(diào)制 增量調(diào)制中增量的幅值是固定的。若幅值選得過(guò)大，粒狀噪聲過(guò)大；若選得過(guò)小，超載噪聲增加，這給增量的幅度選擇帶來(lái)了一定的困難。為了解決這一問(wèn)題，可讓增量的幅值在調(diào)制的過(guò)程中隨著聲音信號(hào)的變化自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)制、變化，這就是自適應(yīng)調(diào)制ADM(Adaptive Delta Modulation)。ADM調(diào)制的基本原理是：在聲音信號(hào)變化不大的情況下，取較小的增量幅值以抑制粒狀噪聲。在聲音信號(hào)變化較大的情況下，預(yù)測(cè)信號(hào)跟不上聲音信號(hào)的變化，應(yīng)采取一定的算法增加增量的幅值，以此抑制超載噪聲。調(diào)制過(guò)程中，增量的幅值

17、隨聲音信號(hào)的變化自適應(yīng)地變化。ADM調(diào)制雖然能較好地克服超載噪聲，解決粒狀噪聲和超載噪聲的矛盾，但在聲音信號(hào)從高速變化轉(zhuǎn)向平坦處時(shí)，容易出現(xiàn)由于增量幅值過(guò)大而產(chǎn)生的噪聲。6.2.1 自適應(yīng)增量調(diào)制MATLAB的仿真程序代碼：Ts=1e-3;t=0Ts40Ts;x=sin(2pi50t)+0.5sin(2pi150t);x(2041)=0.2sin(2pi50t(2041);delta=0.4;D(1+length(t)=0;K=1.3;for k=1length(t) e(k)=x(k)-D(k); e_q(k)=delta(2(e(k)=0)-1); if k1 delta=delta(K.

18、sign(e_q(k).e_q(k-1); end D(k+1)=e_q(k)+D(k); codeout(k)=(e_q(k)0);endDr(1+length(t)=0;delta=0.4;for k=1length(t) eq(k)=delta(2codeout(k)-1); if k1 delta=delta(K.sign(eq(k).eq(k-1); end xr(k)=eq(k)+Dr(k); Dr(k+1)=xr(k);endstairs(t,xr);hold on;plot(t,x);自適應(yīng)增量調(diào)制中，量化間距是自適應(yīng)變化的：如果波形斜率陡峭，則連續(xù)輸出的一串量化誤差是同符號(hào)的

19、，那么應(yīng)使量化間距增大以減小斜率失真；如果波形平緩，則連續(xù)輸出的一串量化誤差是正負(fù)符號(hào)交替的，這時(shí)減小量化間距就可以減小顆粒噪聲。例如，一種較簡(jiǎn)單的自適應(yīng)規(guī)則是 （8）其中，自適應(yīng)量化間距調(diào)整系數(shù)K1。顯然，當(dāng)一串量化誤差是同符號(hào)時(shí)，則sgn()>0，于是，即量化間距增加，反之，量化間距減少。程序運(yùn)行結(jié)果如圖9所示。圖9自適應(yīng)增量調(diào)制編碼解碼仿真結(jié)果波形解析：0.01左右及0.02左右量化階距增加0.015左右及0.025-0.035量化階距減小，顆粒噪聲隨之減小6.3 增量調(diào)制應(yīng)用的例子試建立Simulink模型，研究信道誤碼對(duì)增量調(diào)制的語(yǔ)音質(zhì)量的影響。增量調(diào)制的采樣率為32kHz。仿真模型如圖（10）所示，其中使用了PateTranstion模塊將輸入語(yǔ)音信號(hào)的采樣率由8000次/s升至32000次/s，然后進(jìn)行增量調(diào)制。增量調(diào)制的預(yù)測(cè)器分子系數(shù)設(shè)置為0,0.9以避免系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)。信道誤碼率可在01內(nèi)任意設(shè)置。通過(guò)仿真聆聽(tīng)相應(yīng)誤碼率下的恢復(fù)話音，主觀感覺(jué)誤碼率在0.1時(shí)語(yǔ)音仍然具有相當(dāng)?shù)目啥?，說(shuō)明增量調(diào)制的抗噪聲能力比PCM