增量调制编译码实验系统的设计与实现.docx

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增量调制编译码实验系统的设计与实现

TTAstandardizationoffice【TTA5AB-TTAK08-TTA2C】

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着。

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

DesignforExperimentSystemofDeltaModulationEncodingandDecoding

Abstract:

Withintegratedcircuitsandthecontinuousdevelopmentofinformationtechnology,communicationtechnologiesarewidelyapplied.Thecommunicationsystemcanefficientlyconvertanalogsignalsintodigitalsignals,sothatthedigitalsignaltransmissionwithoutdistortion,largelydependontheavailabilityofgooddeltamodulationencodinganddecodingprocess.Inparticular，theDM（DeltaModulation）technologyisabasiconewayofcommunicationmodem.

Indigitalcommunications,deltamodulationisthesimplestpredictivewillsignaltheinstantaneousvaluewithasamplingtimeofthequantitativevaluestoquantifythedifference,andonlythesignofthisdifferenceisencoded,andnotthesizeofthedifferencecoding.ItisthesecondafteranotherPCMananalogsignalthedigitalmethod.Aimedatsimplifyingthedigitalmethodofanalogsignals.Mainlyinmilitarycommunicationsandsatellitecommunicationsinwidespreaduse,sometimesaslargescaleintegratedcircuitsinhigh-speedA/Dconverter.Now,withthedevelopmentofintegratedcircuits,DMadvantagesarelesssignificant.Inordertoimprovethequalityofdeltamodulation,therehavebeensomeimprovementsprogram,forexample,thetotalincrementalmodulation,digitalcompressionandexpansion-typeadaptivedeltamodulation.

Thispaperdescribesthecircuitconstructionandprinciplesofthesimpledeltamodulationencodinganddecodingsystem,andshowsasimpleandpracticaltechnologyaboutContinuouslyVariableSlopeDeltamodulator（CVSD）ofexpansion-typeadaptivedeltamodulation,whichiswidelyusedindigitalkernelofthecircuitisalargescaleintegratedchipnamedtothetheoryofprinciple,designamodulewhichisassameasdeltamodulationencodinganddecodingexperimentsystem,finalygetthemodulatinganddemodulationwaveform.Thecircuitissimpleinstructure,low-costandreliableworkoftheadvantages,inlifeithasastrongadaptability.

Keywords:

communicationtechnologies;DeltaModulation;encodinganddecoding；CVSD

1绪论

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着。

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。

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。

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DeLoraine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。

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

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）。

图2-1模拟通信系统的一般模型

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。

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。

数字通信系统简介

2.4.1数字通信系统模型

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，