实验二ΔM编码、译码综合实验一、实验目的1．加深理解语音信号的增量调制编、译码原理。
2．了解简单增量调制(ΔM)，压扩增量调制(ADM)系统的方案，组成和特点。
3．对系统的主要技术指标进行实验测试、计算和分析，学会对这些主要指标的测试方法。
4．对简单增量调制与压扩增量调制方式的电路性能作对比分析。
二、实验内容1．简单ΔM编码实验(1) 时钟测试同步信号源实验(5) 临界编码实验(2) 静态编码实验(6) 过载编码实验(3) 起始编码实验(7) 简单ΔM编码动态范围测试(4) 正常编码实验(8) 简单ΔM译码实验2．压扩ΔM编码实验(1) 压扩控制信号实验(3) 压扩过载特性(2) 压扩编码动态范围测试(4) 幅频特性实验3．压扩译码、滤波、功放实验4．压扩编译码实验5．压扩编译码话音信号测试实验6．简单压扩ΔM音质试听评价实验7．压扩量化信噪比测试实验8．学生常犯的测量错误三、基本原理3．1概述增量调制是采用一位二进制数码来表示信号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，减少发“0”码，数码的“1”、“0”只是表示信号相对于前一时刻的增减，不代表信号的绝对值。
收端译码则是每收到一个“1”码，译码器的输出相对于前一个时刻的值上升一个量价，每收到一个“0”码下降一个量价。
当收到连“1”码时，表示信号连续增长。
当收到连“0”码时，表示信号连续下降。
译码输出再通过低通滤波器滤去高频量化噪声，从而恢复原信号。
因此，当取样频率足够高时，量价的大小取得恰当，收端恢复的信号与原信号非常接近、量化噪声可以很小。
增量调制的突出优点是：设备简单，能以较低的数码率进行编码。
特别是用在单路数字电话，增量调制更有吸引力。
因为单路增量系统根本不需解决收发同步问题，而脉码调制即使是单路通信也需要同步码组。
增量调制这一优点正是任意选址通信。
轻型数字式宽带散射通信。
微波中继通信和卫星通信等特殊方式所企求的。
目前在各种改进型增量调制中，对于话音信号编码来说，以数字音节压扩总和增量调制的效果比较好，目前采用得比较多。
对话音的清晰度和自然度，在32千比特/秒的数码率的情况下，试听效果比较满意。
3．2 简单增量调制3．2．.1 工作原理框图图2一1(a)为增量编码框图，它是由相加电路与放大限幅器(二者合在一起通常称为比较器)，定时判决电路和本地译码器三部分组成。
比较器输入端有一个相加电路，本地译码信号的反相值-S1(t)与原话音信号S(t)相加，实现s(t)和S1(t)相减，得出差值信号e(t)。
e(t)=S(t)－S1(t)设s1(t)小于原话音信号s(t)，则误差信号e(t)为正，根据增量编码规则，e(t)为正发1码。
图2.1 增量调制工作原理框图编码器输出数码P(t)为“1”码。
数码P(t)同时送给本地译码器，本地译码器收到“1”码，按增量译码规则产生一个正斜变电压，使s 1(t)上升，实际电路是将P(t)反相变成-P(t)再译码，译出的信号为-s 1(t)，如果用P(t)译码、译出的是s 1(t)。
反相的目的是为了实现s(t)与s 1(t)相减。
(为了讲述方便以后我们都用s 1(t)与s(t)来比较大小，画图也用s1(t)来表示)。
如果s 1(t)大于s(t)，则编码器发“0”码，令本地译码器产生一负斜变电压，使本地译码信号s 1(t)下降，因此本地译码信号s 1(t)在编码过程始终跟踪原话音信号s(t)上下变化，误差在一个量阶q 左右。
这样一个编码系统实际上是一个负反馈环路。
它的特点是，每隔一定的取样时时间隔T ，进行一次反馈调整，而不是随时连续的调整。
调整的结果，使本地译码信号S l (t)始终跟踪原话音信号S(t)，使差值信号e(t)保持极小值。
这种情况大致就像汽车通过驾驶盘不断地转动使它沿着正确的方向前进一样，原话音信号就像是通路，而汽车行走的轨迹就像是跟踪信号。
只要行车速度不是太快，而每次调整的相隔时间不是太长，尽管汽车不是沿着道路中心线前进，但也不会跑到道路外边去。
把这样的二进制数码，通过信道传递出去，在收端按同样规则动作，也就可以得到同样的跟踪波形。
现在让我们分析一下静态，即无信号S(t)输入时，编码器P(t)输出什么样的码型，本地译码信号S 1(t)的波形是个什么样子。
当S(t)=0时，我们先假设在t l 时刻S l (t O )= －q/2，信码P(t O )在t O 时刻之前“0”码(见图1一2)。
则误差信号e(t 0)在时刻为2)2/(0)()()(000q q t s t s t e +--=-=＝ 根据编码规则，e(t)>0时发“1”码，信码在t o 时刻由“0”变“1”。
在t o 之后S l 将在-q/2基础上产生一个正斜度变电压，到t 1时刻上升到+q/2。
这时2/)2/(0)()()(111q q t s t s t e -=+-=-=根据编码规则，e(t)<0发“0”码，S l 在t l 之后将在+q 基础上产生一负斜变电压，到t 2时刻，S l (t l )又下降到-q/2，这时e(t 2)>0发“1”码。
结果输出码流P(t)的码型为一系列“0”“1”交替的脉冲码，S 1(t)为三角形波。
增量调制静态时输出“1”“0”交替码，而PCM 编码静态时输出全“0”码。
这一点是绝然不同的，静态时增量调制能否输出“1”“0”交替码是检查增量调制工作正常与否的一个依据。
其输出频率正好是取样频率的一半。
如图2一23．2．2 简单增量调制特性1. 过载特性译码器输出的译码信号，是由一些上升或下降的斜串直线段组成，上升段称为正斜变电压，下降段称为负斜变电压，每个取样时间间隔上升或下降的量阶q 是相同的，译码器输出斜变电压，它的斜率是量阶q 与取样周期ts 的比值，即：RC E qf b q s ==在编码过程中，本地译码输出的译码信号始终跟踪输入信号的变化。
当输入信号斜率小于译码信号斜率qf s 时，本地译码的输出信号完全有能力跟上它。
如果大于qf s 时．本地译码输出信号斜率就无法跟上而引起过大的误差，这个现象称为过载。
对于正弦信号，输入信号的斜率等于输入信号f(t)对时间求微商。
t A dtt df c c ωωcos )(= t A dt t df ω=∴max)(只要满足s c qf A ≤ω，就不会发生过载现象。
所以临界过载电压振幅A m 为s c sRCf E qf Am πω2==可见，在E 、RC 一定时，或者量阶和取样频率f s 一定时，过载电压与信号频率f s 成反比2. 量化信噪比长时间统计平均量化噪声功率N 2(N 为频带受限制的平均量化噪声电压)等于从-q 到q 区间的积分平均值。
量化噪声是一种随机噪声，占有很宽的频谱，其功率大部分是集中在0－f s 范围内，而且在低频端是均匀的。
由此可求得在话音带内的量化噪声功率N a 2为：s af f q N 3022= 在末过载时，量化噪声与信号幅度无关，因此信号越大信噪比也越高，在临界幅度A m 时，量化信噪比达到最大值。
对于正弦信号，不过载时功率的最大值S m 2(S m 2为信号电压效值)为22222282c s m mf q f A S π== 可求得最大量化信噪比为：23204.0c a s a m f f f N S =⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ dB f f f N S c a s dB a m )lg 20lg 10lg 3014(--+-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛最大量化信噪比随取样频率f s 增高以每倍程9dB 的速度增大，随低通截止频率fa 的增高以每倍程3dB 的速度下降，随信号频率fc 的增高以每倍程6dB 速度下降。
3. 编码动态范围D c 和系统动态范围D编码动态范围是指编码器临界编码时的最大输入信号电压Am 和起始编码时输入信号电压Ak 之比。
是指输出码位有变化的输入信号变化范围。
km c A A D lg 20=对于ΔM ，已知2q A k =，c s m qf A ω=则得c s c f f D πlg 20= 系统动态范围是指满足语音质量要求的最小输出信噪比时，所允许的输入信号变化范围。
3．3 数字压扩增量调制（CVSD ）对于ΔM ，由于它们的Δ是固定不变的，采用较大的台阶电压时，近似信号能很快地跟踪话音信号的突变部分，从而使过载噪声减小：但量化噪声增大。
反之，当采用较小的台阶电压时，虽量化噪声减小，但过载噪声增大。
解决这个矛盾的最好方法是采用自适应增量调制。
下面是一种数字检测音节压缩和扩张增量调制，简称数字式音节压扩增量调制(音节压缩，即台阶电压Δ值，不是瞬时地随输入信号的幅度而变化，而是按输入信号的一个音节改变，所谓音节是指输入信号包络变化的一个周期。
对于语音信号，一个音节一般约为10ms ，按音节改变。
即在某个音节内，台阶电压保持不变，而在其它音节里，将随之改变，所以音节压缩就是使Δ随音节内平均斜率的变化而变化)。
这种方案的核心是在ΔM 的基础上采用数字检测器。
用数字检测器在语音信号的码流中，按音节变化规律提取控制信号，并以此控制信号去控制台阶电压发生器，使台阶电压的大小按音节规律变化。
图2.3是数字式音节压扩自适应增量调制的方框图。
它由四级移位寄存器、四与或非门、积分器等组成。
数字检测器的控制电压是根据码流中四个连“1”或四连“0”的数目来提取。
当连续四个同极性的数字脉冲出现时，控制电压有输出，台阶电压Δ增大。
图2.3(a) 数字音节压扩自适应增量调制原理方框图移位寄存器的作用是在时钟脉冲源CP的作用下，保证相邻四位作下列逻辑运算。
⋅Z⋅⋅⋅＝(2-2)⋅＋A⋅CDBACDB当有四个以上码元符号相同时，输出Z为低电平;反之为高电平。
通过电压变换和RC音节平滑滤波电路，取得控制电压V C去控制台阶发生器，从而产生可变台阶电压Δ。
当控制电压由零变为最大值时，台阶电压也从零变为最大Δmax。
实际上Δ为零的情况是不容∆无法对小信号编码。
为了保证控制电压为零时，不发生台阶电许的。
因为这将导致M压为零的状态，在可变台阶发生器上加一个小的恒定电压r∆，使台阶发生器产生一个最小的Δ以便对小信号编码。
四、实验方案实验方案、原理方框图，如图2.3(b)图 2.3b五、实验电路原理图及工作原理实验电路原理图如图2.4，工作原理如下1．比较器比较器由BG1、BG2、IC1、BG3组成，音频信号从P1送入BG1发射极，本地译码信号从P3送入BG1发射极，P1和P2两点信号互为反相。
因此，由BG1完成相减任务。
误差信号经BG2放大，IC1放大再经BG3限幅至TTL电平。
2．判决器判决器由IC2里面其中一个D触发器完成、从比较器BG3输出的限幅信号送入IC24脚，从P832KHz的时钟信号送入IC29脚，IC22脚输出判决器Q端输出信号。
