基于时序逻辑电路和运算放大器的自适应增量调制系统转让专利
申请号 : CN201010291178.8
文献号 : CN102013878B
文献日 : 2014-01-15
发明人 : 何绪兰 , 陶喆 , 张晓光 , 林财兴 , 荣坚 , 马嘉林
申请人 : 上海大学
摘要 :
本发明涉及一种基于时序逻辑电路和运算放大器的自适应增量调制系统。本系统的发送端通过原调制信号X和积分器甲输出的量阶梯信号X在比较运算放大器甲中进行输入比较，比较出来的信号经过时钟脉冲打入发送端Kβ信号产生模块甲，端口输出的信号和O端输出的信号分别经过比较运算放大器乙和乘法放大运算器甲后作为乘法运算放大器乙的输入。乘法运算放大器乙的输出作用在积分器甲上，产生量化阶梯信号Kβ信号产生模块的端输出信号作为信道传输信号，在接收电路中经接收端Kβ信号产生模块乙的CP脉冲打入，端上输出和O端输出信号分别经过比较运算放大器丙和乘法放大运算器丙后作为乘法运算放大器丁的输入。乘法运算放大器丁的输出作用在积分器乙上，就产生了量化阶梯信号就是最后的接收信号。本发明结构简单，增量调制的台阶可自动控制，弥补增量调制中会产生的过大的过载量化噪声和普通量化噪声。
权利要求 :
1.一种基于时序逻辑电路和运算放大器的自适应增量调制ADM调制系统，包括信号发送端电路和信号接收端电路，其特征在于所述的信号发送端电路是由两个比较运算放大器β甲、乙（1、10）、一个K 信号产生模块甲（2）、两个乘法运算放大器甲、乙（4、8）、一个RC积分器甲（9）、三个电容（6、7、3）和一个X型继电器甲（5）组成；所述信号接收端电路是由一β个比较运算放大器丙（17）、一个K 信号产生模块乙（11）、两个乘法运算放大器丙、丁（12、
14），一个RC积分器丁（18）、三个电容（15、16、19）和一个X型继电器乙（13）组成；
β
所述的信号发送端电路连接方式：比较运算放大器甲（1）输出端连接在K 信号产生模β块甲（2）的输入端，K 信号产生模块甲（2）的O输出端连接在乘法运算放大器甲（4）的一β个输入端，K 信号产生模块甲（2）的 输出端连接在比较运算放大器乙（10）的正向输入端，乘法运算放大器甲（4）的另一个输入端和一个输出端分别和X型继电器甲（5）的输入端相连，该X型继电器甲（5）的两个输出端分别经电容（6、7）后接地；乘法运算放大器乙（8）的输出端经RC积分器甲（9）连接电容（3）后接地；
β
所述的信号接收端电路连接方式： K 信号产生模块乙（11）的O输出端连接在乘法运β算放大器丙（12）的输入端，K 信号产生模块乙（11）的 输出端连接在比较运算放大器丙（17）的正向输入端，乘法运算放大器丙（12）的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器乙（13）的输入端相连，该X型继电器乙（13）的两个输出端分别经电容（15、16）后接地；乘法运算放大器丁（14）的输出端经积分器丁（18）连接电容（19）后接地。
2.根据权利要求1所述基于时序逻辑电路和运算放大器的自适应增量调制ADM调制系统，其特征在于所述X型继电器甲（5）的两个左端分别接在乘法运算放大器甲（4）的输入端和输出端，两个右端分别接在电容C1（6）和电容C2（7）上，X型继电器乙（13）的两个左端分别接在乘法运算放大器丙（12）的输入端和输出端，两个右端分别接在电容C4（15）和电容C5（16）上。
说明书 :
基于时序逻辑电路和运算放大器的自适应增量调制系统
技术领域
[0001] 本发明涉及一种自适应增量调制(ADM)系统，尤其是一种基于时序逻辑电路和运算放大器的ADM调制系统。
背景技术
[0002] 数字通信系统具有许多优点而成为当今通信的发展方向，然而自然界中传输的大部分信号经过传感器检测输出后的量都是模拟量，例如电话，电视等通信业务，其信源送出的都是模拟量，若要利用数字通信系统传输模拟信号，一般都需要进行模数转化和编码后再进行传输。而其中最为常用的就是由法国工程师Alee Reeres于1937提出的脉冲编码调制(PCM)，虽然PCM可以增加信号传输时的抗干扰性，但是大大增加了信号带宽，例如语音传输系统中，声音的频率范围在0～4kHz，如果采用PCM编码，抽样频率为8kHz，每个抽样值用八位码元表示就需要64kHz的带宽。为了能够减少PCM所占用的带宽，人们提出了差分脉冲编码调制(DPCM)，但是DPCM的调制系统相对来说较为复杂，于是增量调制简称ΔM或DM的调制方法便出现了，ΔM与旧的编码方式相比具有编译码设备简单，低比特率时的量化信噪比高，抗误码特性好等优点，在军事和工业部门的专业通信网络中得到广泛应用。但是在某些情况下由于其自身的增量台阶不可调而导致会出现严重的过载量化噪声和普通量化噪声。
发明内容
[0003] 为了解决以上问题，本发明的目的就是提供一种简单易行的可以调整增量台阶的基于时序逻辑电路和放大运算器的自适应增量调制系统。
[0004] 为达到上述目的本发明的构思是：在调制系统的发送端通过原调制信号X和积分器甲输出的量化阶梯信号 在比较运算放大器甲中进行输入比较，比较出来的信号经过时β钟脉冲(cp)打入发送端K 信号产生模块甲， 端口输出的信号和O端输出的信号分别经过比较运算放大器乙和乘法放大运算器甲后作为乘法运算放大器乙的输入。乘法运算放大器乙的输出作用在积分器甲上，就产生了量化阶梯信号 模块甲的 端口输出的信号作β
为信道传输的信号，这个信号经过信道传输后在接收电路中经过接收端K 信号产生模块乙的CP脉冲打入，模块乙 n端口输出的信号和O端输出的信号分别经过比较运算放大器丙和乘法放大运算器丙后作为乘法运算放大器丁的输入。乘法运算放大器丁的输出作用在积分器乙上，就产生了量化阶梯信号 就是最后的接收信号。
为信道传输的信号，这个信号经过信道传输后在接收电路中经过接收端K 信号产生模块乙的CP脉冲打入，模块乙 n端口输出的信号和O端输出的信号分别经过比较运算放大器丙和乘法放大运算器丙后作为乘法运算放大器丁的输入。乘法运算放大器丁的输出作用在积分器乙上，就产生了量化阶梯信号 就是最后的接收信号。
[0005] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
[0006] 一种基于时序逻辑电路和运算放大器的ADM调制系统，包括信号发送端电路和信号接收 端电路，其特征在于所述的信号发送端电路是由两个比较运算放大器甲、乙、一个βK 信号产生模块、两个乘法运算放大甲、乙器、一个RC积分器乙、三个电容和一个X型继电β
器甲组成；所述信号接收端电路是由一个比较运算放大器丙、一个K 信号产生模块乙、两个乘法运算放大器丙、丁，一个RC积分器乙、三个电容和一个X型继电器乙组成；信号发送β β
端电路连接方式：比例运算放大器甲输出端连接在K 信号产生模块甲的输入端，K 信号产生，模块甲的O输出端连接在乘法运算放大器甲的输入端，信号产生模块甲的 输出端连接在比例运算放大器乙的正向输入端，乘法运算放大器甲的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器甲的输入端相连，乘法运算放大器乙的输出端连在RC积分器甲上；信号接收β β
端电路连接方式：K 信号产生模块乙的输入端O连接在乘法运算放大器丙的输入端，K 信号产生模块乙的 输出端连接在比例运算放大器丙的正向输入端，乘法运算放大器丙的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器乙的输入端相连，乘法运算放大器丁的输出端连在积分器乙上。
器甲组成；所述信号接收端电路是由一个比较运算放大器丙、一个K 信号产生模块乙、两个乘法运算放大器丙、丁，一个RC积分器乙、三个电容和一个X型继电器乙组成；信号发送β β
端电路连接方式：比例运算放大器甲输出端连接在K 信号产生模块甲的输入端，K 信号产生，模块甲的O输出端连接在乘法运算放大器甲的输入端，信号产生模块甲的 输出端连接在比例运算放大器乙的正向输入端，乘法运算放大器甲的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器甲的输入端相连，乘法运算放大器乙的输出端连在RC积分器甲上；信号接收β β
端电路连接方式：K 信号产生模块乙的输入端O连接在乘法运算放大器丙的输入端，K 信号产生模块乙的 输出端连接在比例运算放大器丙的正向输入端，乘法运算放大器丙的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器乙的输入端相连，乘法运算放大器丁的输出端连在积分器乙上。
[0007] 本发明与现有技术相比较，具有如下的突出实质性特点和显著优点：本发明基于时序逻辑电路和运算放大器，结构简单，只需要简单的器件就能实现调制功能。本发明中增量调制的台阶可以进行自动的控制，弥补了增量调制中会产生的过大的过载量化噪声和普通量化噪声。本发明采用了最近三次抽样的原始信号和阶梯信号的比较值作为台阶调整的依据，在处理速度和减少误差上达到了平衡。
附图说明
[0008] 图1为本发明的信号发送端的电路图。
[0009] 图2为本发明的信号接收端的电路图。
[0010] 图3为本发明的Kβ信号产生模块内部电路图。
[0011] 图4为逻辑因变量k0的卡诺图。
[0012] 图5为逻辑因变量k1的卡诺图。
[0013] 图6为逻辑因变量k-1的卡诺图
[0014] 具体实施方式
[0015] 本发明的优点实施例结合附图说明如下：
[0016] 实施例一：
[0017] 参见图1和图2，本基于时序逻辑电路和运算放大器的ADM调制系统，包括信号发送端电路和信号接收端电路，其特征在于所述的信号发送端电路是由两个比较运算放大器β甲、乙1、10、一个K 信号产生模块2、两个乘法运算放大甲、乙器4、8、一个RC积分器乙9、三个电容6、7、3和一个X型继电器甲5组成；所述信号接收端电路是由一个比较运算放大β
器丙17、一个K 信号产生模块乙11、两个乘法运算放大器丙、丁12、14，一个RC积分器乙
18、三个电容15、16、19和一个X型继电器乙13组成；信号发送端电路连接方式：比例运 算β β
放大器甲1输出端连接在K 信号产生模块甲2的输入端，K 信号产生，模块甲2的O输出端连接在乘法运算放大器甲4的输入端，信号产生模块甲2的 输出端连接在比例运算放大器乙10的正向输入端，乘法运算放大器甲4的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器甲5的输入端相连，乘法运算放大器乙8的输出端连在RC积分器甲3上；信号接收端电路连接方式：Kβ信号产生模块乙11的输入端O连接在乘法运算放大器丙12的输入端，Kβ信号产生模块乙11的 输出端连接在比例运算放大器丙17的正向输入端，乘法运算放大器丙12的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器乙13的输入端相连，乘法运算放大器丁14的输出端连在积分器乙18上。
器丙17、一个K 信号产生模块乙11、两个乘法运算放大器丙、丁12、14，一个RC积分器乙
18、三个电容15、16、19和一个X型继电器乙13组成；信号发送端电路连接方式：比例运 算β β
放大器甲1输出端连接在K 信号产生模块甲2的输入端，K 信号产生，模块甲2的O输出端连接在乘法运算放大器甲4的输入端，信号产生模块甲2的 输出端连接在比例运算放大器乙10的正向输入端，乘法运算放大器甲4的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器甲5的输入端相连，乘法运算放大器乙8的输出端连在RC积分器甲3上；信号接收端电路连接方式：Kβ信号产生模块乙11的输入端O连接在乘法运算放大器丙12的输入端，Kβ信号产生模块乙11的 输出端连接在比例运算放大器丙17的正向输入端，乘法运算放大器丙12的一个输入端和一个输出端分别和X型继电器乙13的输入端相连，乘法运算放大器丁14的输出端连在积分器乙18上。
[0018] 实施例二：
[0019] 本实施例与实施例一基本相同，特别之处是：所述X型继电器甲5的两个左端分别接在乘法运算器甲4的输入端和输出端，两个右端分别接在电容C1 6和电容C2 7上，X型继电器乙13的两个左端分别接在乘法运算器丙12的输入端和输出端，两个右端分别接在β电容C4 15和电容C5 16上。所述K 信号产生模块甲2的一个输出端o接在乘法运算放β
大器甲4的输入端，另一个输出端 接在比较运算放大器乙10的正向输入端，K 信号产生模块乙11的一个输出端o接在乘法运算放大器丙12的输入端，另一个输出端 接在比较运算放大器丙17的正向输入端。
大器甲4的输入端，另一个输出端 接在比较运算放大器乙10的正向输入端，K 信号产生模块乙11的一个输出端o接在乘法运算放大器丙12的输入端，另一个输出端 接在比较运算放大器丙17的正向输入端。
[0020] 首先说明Kβ信号产生模块甲、乙(2、12)的设计原理。
[0021] 因为考虑到提高信噪比的关键就是在不出现严重过载噪声的同时能让普通量化噪声减弱，这就必须要根据原调制信号X和量化阶梯信号X的值差来调整台阶大小σ，因此本发明采取了一种基于时序逻辑电路和集成运算放大器来自适应产生可变台阶大小的ADM调制系统。
[0022] 自适应台阶大小σ调整的原则有：
[0023] 1)当输入信号斜率变大时，台阶大小σ要自动变大从而能减少过载量化噪声。 [0024] 2)当输入信号斜率变小时，台阶大小σ要自动变小从而能减少普通量化噪声。 [0025] 基于以上的原则，我们以最近三次的量化差值 作为调整β
台阶大小σ的依据，此时Δn＝Δn-1×k ，其中β的取值见表1，k＞1(σ和Δ是一个含义)表 与β取值的对应关系
台阶大小σ的依据，此时Δn＝Δn-1×k ，其中β的取值见表1，k＞1(σ和Δ是一个含义)表 与β取值的对应关系
[0026]
[0027] 由于在 时才开始有值，因此令 的值可以放在三个边沿触发D触发器中，然后这三者构成一个移位寄存器。量化差值是由原输入信号抽样值xn与量化阶梯信号的抽样值经过比较器所产生，当 时 输出高电平1， 时 输β
出低电平0。从上面的分析可以知道，要控制台阶Δ的值实际上就是控制系数k 的值，因
0 1 -1
此可以依据表1，分别写出以 为逻辑自变量k，k，k 为逻辑因变量的逻辑函数的卡诺图，如图4、图5和图6.根据图4、图5和图6可以得
出低电平0。从上面的分析可以知道，要控制台阶Δ的值实际上就是控制系数k 的值，因
0 1 -1
此可以依据表1，分别写出以 为逻辑自变量k，k，k 为逻辑因变量的逻辑函数的卡诺图，如图4、图5和图6.根据图4、图5和图6可以得
[0028]
[0029]
[0030]
[0031] 根据上述逻辑函数表达式可以设计出基于运算放大器和时序逻辑电路且以 β为信号源产生k 信号的电路，设计电路如图3所示，此模块有一个数据输入端β
口，一个时钟脉冲输入端口，一个产生k 信号的输出端口，一个 的输出端口 [0032] 下面说明整个系统的工作原理和流程
口，一个时钟脉冲输入端口，一个产生k 信号的输出端口，一个 的输出端口 [0032] 下面说明整个系统的工作原理和流程
[0033] 在调制系统的发送端通过原调制信号X和积分器乙9输出的量化阶梯信号 在比较运算放大器甲1中进行输入比较，原调制信号接在正极而阶梯信号接在负极，比较出来β的高低电平信号 经过CP脉冲打入发送端K 信号产生模块甲2，该模块甲2的 端口输出的信号就是在CP脉冲时刻打入的 信号，此信号经过比较运算放大器乙10后，输出的信号为+1或-1用来确定增量台阶的正负值。模块甲2的o端输出的信号作为乘法运算放大器甲4的一个输入端。电容7和6分别连在乘法运算放大器甲4的输出端和另一个输入端。而X型继电器甲5的作用就是通过它CP端口的CP脉冲来控制改变电容7、6和放大器甲4的输入端和输出端的连线关系。如果在某一时刻电容7连接在放大器甲4的输入端，电容6连接在放大器甲4的输出端，则一个CP脉冲到来时，电容6将连接在放大器甲4的输出端，电容7将连接在放大器甲4的输入端，反之亦然。这样电容7、6便能保存上一采样周期的台阶Δn-1的值和此采样周期的台阶Δn的值。乘法运算器乙8的输入端中，一端接由放大器甲4输出的台阶Δn的值，另一端接由放大器乙10输出的确定本次为增量调制还是减量调制的+1或-1信号，则放大器乙8输出的就是调制台阶信号+Δn或-Δn。此信号作用在积分器甲9上，则积分器甲9上的C3就产生了量化阶梯信号 而模块甲2的 端口输出的信号就作为信道传输的信号，这个信号经过信道传输后在接收电路中，经过接β
收端的CP脉冲打入到K 信号产生模块乙11中。(接收端电路工作原理和发送端基本一致故不详细阐述了)模块乙 端口输出的信号和O端口输出的信号分别经过比较运算放大器丙17和乘法运算放大器丙12后作为乘法运算放大器丁14的输入。乘法运算放大器丁14的输出作用在积分器丁18上，就产生了量化阶梯信号 就是最后的接收信号。 [0034] 采用上述的基于时序逻辑电路和运算放大器的ADM调制系统可以提高信号调制时的信噪比，并且实现简单。
收端的CP脉冲打入到K 信号产生模块乙11中。(接收端电路工作原理和发送端基本一致故不详细阐述了)模块乙 端口输出的信号和O端口输出的信号分别经过比较运算放大器丙17和乘法运算放大器丙12后作为乘法运算放大器丁14的输入。乘法运算放大器丁14的输出作用在积分器丁18上，就产生了量化阶梯信号 就是最后的接收信号。 [0034] 采用上述的基于时序逻辑电路和运算放大器的ADM调制系统可以提高信号调制时的信噪比，并且实现简单。
[0035] 具体实例：
[0036] 设源输入信号为f(t)＝sin(t)，现在每次取样调制周期为1，并且令Δ0＝0.05，k＝1.2， 以五次采样来说明整个采样过程。
[0037] 第一次采样：x1＝sin(1)＝0.017， Δ1＝Δ0×1.2-1＝0.0417 [0038] 第一次采样：x2＝sin(2)＝0.034， Δ2＝Δ1×1.20＝0.0417
[0039] 第一次采样：x3＝sin(3)＝0.0523， Δ3＝Δ2×1.20＝0.0417
[0040] 第一次采样：x4＝sin(4)＝0.0697， Δ4＝Δ3×1.20＝0.0417
[0041] 第一次采样：x5＝sin(5)＝0.0871， Δ1＝Δ0×1.20＝0.0417
[0042] 最后所应说明的是：以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案。尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。