Wireless Communication Network Lab. 單元七 差異 (delta) 調變與解調 註：本教材主要是修改自「通訊系統實驗」作者趙亮琳與范俊杰教授所提供之教學資源 曾志成 國立宜蘭大學 電機工程學系

Wireless Communication Network Lab. 教學目標 瞭解差異調變 (Delta Modulation ， DM) 及解調 之原理，並進一步瞭解斜率連續改變型差異 (Continuously Variable Slope Delta ， CVSD) 調 變及解調之方法。 瞭解一種簡易型之類比轉數位及數位轉類比之 行為。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng2

Wireless Communication Network Lab. 原理說明 (1/11) 差異調變是把類比信號轉為數位信號的一種技術，所 以它基本上也是一種 A/D (Analog to Digital) 轉換器； 而差異解調則是把收到的數位信號復原為類比信號， 所以基本上它是一種 D/A (Digital to Analog) 轉換器。 差異調變的主要特色就是每一個取樣點 (sample) 只用一 個位元 (bit) 來表示，而另一種常見的脈波編碼調變 (Pulse Code Modulation ， PCM) 則是每一個取樣要用多 個 ( 例如： 8 個 ) 位元來表示，所以差異調變可大量地減 少數位傳輸量。不過，它所付出的代價是復原後的類 比信號品質可能不如 PCM 系統。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng3

Wireless Communication Network Lab. 差異調變、解調系統的結構如圖 7-1 所示。其 運作原理說明如下： 圖 7-1 差異調變、解調系統 原理說明 (2/11) EE of NIU Chih-Cheng Tseng4

Wireless Communication Network Lab. 原理說明 (3/11) (1) 當類比輸入 V i 大於預測電壓 V p 時，比較器輸 出為 Low ，經取樣後，數位輸出 V d 就送出一 個 Low 電壓，而這個 Low 電壓也同時接回至 積分器，控制積分器以固定的斜率增大其輸出 電壓 V p ，使預測電壓 V p 往 V i 接近。 (2) 當類比輸入 V i 小於預測電壓 V p 時，比較器輸 出為 High ，經取樣後，數位輸出 V d 就送出一 個 High 電壓，而這個 High 電壓也同時接回至 積分器，控制積分器以固定的斜率降低其輸出 電壓 V p ，使預測電壓 V p 往 V i 接近。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng5

Wireless Communication Network Lab. 原理說明 (4/11) (3) 綜合 (1)(2) 兩種狀況，各端點之波形如圖 7-2 所示，每隔一個取樣週期就會由數位輸出端送 出一個位元，而且這串輸出位元帶有復原 V i 所 需的資訊，因為這串位元經過積分器後能產生 很接近 V i 波形的預測電壓 V p 。 (4) 由 (3) 之敘述可得知，在解調端只要將接收 到的數位資料 V d 送至一個和調變端相同特性的 積分器，就能復原出很接近原輸入 V i 波形的類 比輸出 V a 。當然，若再以 LPF 濾除 V a 的鋸齒部 分，則能復原出更像 V i 的波形。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng6

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-2 差異調變系統中各端點之波形 原理說明 (5/11) EE of NIU Chih-Cheng Tseng7

Wireless Communication Network Lab. 原理說明 (6/11) 在前述的基本差異調變 / 解調系統中，積分器使用固 定的輸出斜率， 當輸入 V i 之頻率較高 ( 即 V i 變化較快速 ) 時，會出現積分器之輸 出斜率不足的現象，這將造成解調後的類比輸出嚴重的失真 [ 參考圖 7-3(a)] 。 雖然將斜率設計得大一點可以解決這個問題，可是當輸入 V i 之頻率不高時，這又會出現斜率太大的現象，其後果是類比 輸出之鋸齒會較大 [ 如圖 7-3(b)] ，使得後面的 LPF 不易將鋸齒 成分濾除。 總而言之，使用固定的斜率會有下述兩難的狀況： 斜率越大則較高頻的失真越小，但較低頻鋸齒越大； 斜率越小則較低頻鋸齒越小，但較高頻的失真越厲害。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng8

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-3 差異調變在斜率太大或太小時的波形 原理說明 (7/11) EE of NIU Chih-Cheng Tseng9

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-3 差異調變在斜率太大或太小時的波形 ( 續 ) 原理說明 (8/11) EE of NIU Chih-Cheng Tseng10

Wireless Communication Network Lab. 原理說明 (9/11) 為了解決上述斜率太大或太小的問題，必須讓 斜率能隨著輸入頻率的大小而自動地調整，這 就是連續改變斜率型差異 (CVSD) 調變、解調 系統，其構想如下： 當斜率夠大 ( 積分器輸出足以跟上輸入 V i 的變化 ) 時，積分器的輸出斜率就一直變小，直到發現 斜率太小 ( 跟不上 V i 的變化 ) 時，則又持續增大積 分器的輸出斜率，當再度發現斜率夠大時則又 降低斜率，如此連續地改變斜率即能使斜率保 持在最適當的範圍內。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng11

Wireless Communication Network Lab. 原理說明 (10/11) 連續改變斜率型差異 (CVSD) 調變、解調系統 結構如圖 7-4 所示，由圖上可看出它改用了斜 率可機動調整的積分器，其斜率調整動作如下： 當監測電路發現連續出現 n 個 ( 本單元電路之 n=3) 相 同的位元 [ 像圖 7-3(a) 的狀況 ] 時，它就認定斜率太 小而送出 Low 信號給積分器，使積分器之斜率持續 增大。 當監測電路發現連續 n 個位元不完全相同 [ 像圖 7- 3(b) 的狀況 ] 時，它就認定斜率已經夠大而送出 High 信號給積分器，使積分器之斜率持續縮小。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng12

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-4 CVSD 調變、解調結構 原理說明 (11/11) 最後，當不傳送信號時 [ 此時稱為通道閒置 (channel idle)] ，調變端最好能送出 High 、 Low 交替變化的通道閒置信號以利接收端維持同步。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng13

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-5 CVSD 調變器 CVSD 調變器 (1/2) EE of NIU Chih-Cheng Tseng14

Wireless Communication Network Lab. 做 CVSD 調變時， 端必須接 5 V ， A-in 端 為類比信號輸入端， D-out 端為數位信號輸出 端， CLK-out 端為取樣時脈輸出端。 取樣時脈約為 21.5 kHz 。取樣動作發生在取樣 時脈負邊緣時，也就是在取樣時脈負邊緣後會 由 D-out 端輸出一個新的位元。 類比輸入電壓的直流成分會被去除，交流之峰 對峰值不可超過 4 V 。 D-out 端輸出為 0 V 、 5 V 之數位方波。 CVSD 調變器 (2/2) EE of NIU Chih-Cheng Tseng15

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-3 CVSD 調變器結構 CVSD 調變器電路分析 (1/5) 本電路所用的 MC34115 是一顆 CVSD 調變 / 解調 IC 。其 第 15 支接腳接 High 時是做為調變用，接 Low 時是做為 解調用或做為通道閒置信號產生器用。 圖 7-5 CVSD 調變器的結構方塊如圖 U8-3 所示，它的 運作原理如下： EE of NIU Chih-Cheng Tseng16

Wireless Communication Network Lab. CVSD 調變器電路分析 (2/5) 為了使預測電壓能保持貼近輸入電壓，積分器之輸出 斜率必須與輸入電壓之變化速度差不多，如圖 U8-4(a) 所示。若斜率太小，則如圖 U8-4(b) 所示，會發生預測 電壓變化太慢而跟不上輸入之變化。反之，若斜率太 大，則如圖 U8-4(c) 所示，預測電壓會產生太大之鋸齒 波形。 本電路中，監測電路若發現連續輸出了三個以上的相 同位元時 [ 如圖 U8-4(b) 之 D-out 的狀況 ] ，即認定積分 斜率太小而發出 Low 信號去提升積分器之輸出斜率。 反之，若發現輸出一直有變化 [ 如圖 U8-4(c) 之 D-out 的 狀況 ] ，則認定斜率可能太大而發出 High 信號去降低積 分器之輸出斜率。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng17

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-4 CVSD 之運作情形 CVSD 調變器電路分析 (3/5) EE of NIU Chih-Cheng Tseng18

Wireless Communication Network Lab. CVSD 調變器電路分析 (4/5) EE of NIU Chih-Cheng Tseng19 ( 續 ) 圖 U8-4 CVSD 之運作情形

Wireless Communication Network Lab. ( 續 ) 圖 U8-4 CVSD 之運作情形 CVSD 調變器電路分析 (5/5) EE of NIU Chih-Cheng Tseng20

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-5 比較器部分的電路 比較器電路 EE of NIU Chih-Cheng Tseng21

Wireless Communication Network Lab. 比較器電路分析 電路中第 15 支接腳接 High (5 V) ，故使用的是 #1 比較器。 由於電源電壓為 0 V 、 V CC ，所以必須將類比輸入電壓 之直流準位調至 V CC /2 ，使 V i 之波形較不會被截掉。 電路中之 3.3 μF 電容能隔絕直流而讓交流通過，用重 疊定理可得調整後之輸入電壓 如下式： 其中之 V i (ac) 為 V i 的交流成分。 因比較器的反相輸入端使用了 560 Ω 的電阻，故其非反 相輸入端亦串上 560 Ω 的電阻以降低比較器之直流偏移 誤差。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng22 (U8-1)

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-6 取樣電路及監測電路 取樣電路及監測電路 EE of NIU Chih-Cheng Tseng23

Wireless Communication Network Lab. 取樣電路及監測電路分析 移位暫存器 (Shift Register) 之特性為： 高低態電壓界限為 V CC /2 。 當時脈負邊緣時，移位暫存器才會接收比較器送來之信號， 而這接收到的信號 ( 即最左邊的 Q) 才是輸出及用以控制積分極 性的信號。 取樣電路是由移位暫器所完成的。 邏輯 (Logic) 電路特性為： 當三個輸入完全相同時 ( 代表已連續輸出三個相同的位元 ) ， 其輸出為接地， 反之，只要三個輸入沒有完全相同，其輸出呈現開路。因此， 其輸出端必須接上提升 (pulling up) 電阻 R P 。 監測電路是由移位暫存器及邏輯電路所構成。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng24

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-7 積分器部分的電路 積分器電路 EE of NIU Chih-Cheng Tseng25

Wireless Communication Network Lab. 積分器電路分析 (1/4) 當極性控制為 Low 時， I INT >0 ，積分器之輸出 電壓 V a 上升，反之可類推。 積分器之輸出斜率大小與積分電流 I INT 成正比， 也與電容 C 有關， C 越小則斜率越大。 |I INT | 與 I GC 約成正比關係，而 I GC =(5-V 4 )/R X 。又 V 3 ≈V 4 ，所以 EE of NIU Chih-Cheng Tseng26 (U8-2)

Wireless Communication Network Lab. 積分器電路分析 (2/4) 當斜率控制端為開路時 ( 代表輸出一直有在變 化 ) ， V 3 將往 (R min /(R P +R S +R min )  5V≈5V 上升， 再由 (U8-2) 式可得 I GC 將往 0 mA 下降，而下降的速 度由 [(R P +R S )//R min ]C S ≈(R P +R S )C S 決定， (R P +R S )C S 越小則下降越快。 也就是說，當輸出有在變化時，積分器之斜率 會持續縮小，最低可降至幾乎為零，而且斜率 縮小的速度與 (R P +R S )C S 有關， (R P +R S )C S 越小 則斜率縮小得越快。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng27

Wireless Communication Network Lab. 積分器電路分析 (3/4) 當斜率控制端為接地時 ( 代表已連續三個輸出 位元相同 ) ， V 3 將往 0 V 下降， 再由 (U8-2) 式可得 I GC 將往 5/R X 上升，而上升的速度 由 (R S //R min )C S ≈R S C S 決定， R S C S 越小則上升越快。 也就是說，當連續輸出三個相同的位元時，積 分斜率會持續增大，而且斜率增大之速度與 R S C S 有關， R S C S 越小則斜率增大得越快。 因反相輸入端有 10 kΩ 之電阻 R ，故在非反相輸 入端亦須串接 10 kΩ 之 R1 以降低直流偏移誤差。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng28

Wireless Communication Network Lab. 積分器電路分析 (4/4) 積分電路各重要元件之整理： 積分電容 C 越小則積分斜率越大。 電阻 R X 越小則積分斜率越大。 (R P +R S )C S 越小則斜率縮小時會縮小得越快。 R S C S 越小則斜率增大時會增大得越快。 R min 會影響到斜率之最小值，而且當 R min 不夠大時， 它也會影響到斜率改變之速度。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng29

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-8 時脈產生器 時脈產生器電路 EE of NIU Chih-Cheng Tseng30

Wireless Communication Network Lab. 本電路如圖 U8-8 所示，它是一般常見的 555 無穩態多 諧振盪電路 (Astable Multivibrator) ，其詳細分析可查閱 一般電子學的書籍，在此僅列出其頻率 f 0 之計算式： 時脈產生器電路分析 (1/4) EE of NIU Chih-Cheng Tseng31

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-6 CVSD 解調器 CVSD 解調器 EE of NIU Chih-Cheng Tseng32

Wireless Communication Network Lab. CVSD 解調器之結構如圖 U8-9 所示，其運作原理如下： 圖 U8-9 CVSD 調解器結構 CVSD 調解器電路分析 (1/2) EE of NIU Chih-Cheng Tseng33

Wireless Communication Network Lab. CVSD 解調器電路分析 (2/2) D-in 端為數位輸入端， A-out 端為類比輸出端， CLK-in 為時脈輸入端。 在本電路中，數位輸入並不直接接給監測電路 和積分器，而是先經過反相器再經取樣後才送 給它們，這將造成重建之類比輸出波形會和調 變端之預測電壓波形反相，原因是 High 、 Low 相反會造成積分器輸出之升降方向相反。 如此設計主要之目的是為了使 MC34115 很容易 產生通道閒置信號。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng34

Wireless Communication Network Lab. MC34115 內的反相器 在圖 U8-2 中，其數位輸入反相器之電路如圖 U8-10 所示。由於 MC34115 之 PIN 15 接地，所 以使用 # 2 比較器。 當數位輸入 D-in 電壓大於 V CC /2 時，比較器 # 2 之輸出為 Low ；當 D-in 電壓小於 V CC /2 時，比 較器 # 2 輸出為 High 。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng35 圖 U8-10 MC34115 內的反相器

Wireless Communication Network Lab. 通道閒置信號產生器 (1/2) 若將圖 7-5 的調變電路中的 端接地，並且將 D-out 端和 D-in 端連在一起，則其主要結構如圖 U8-11 所示， 其中之比較器 # 2 仍是扮演反相器的角色。 假設一開始 D-out =D-in=High ，則當時脈負邊緣時， 取樣結果為 D-out =D-in=Low ，再到下一個時脈負邊緣 時，取樣結果為 D-out =D-in=High ，依此類推可知 D- out 端會輸出 High 、 Low 交替的信號。當通道不傳送 信號時 ( 稱為通道閒置 ) ，若能持續傳送這種 High 、 Low 交替的信號，將有助於讓接收端保持位元同步。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng36

Wireless Communication Network Lab. 圖 U8-11 通道閒置信號產生器結構 通道閒置信號產生器 (2/2) EE of NIU Chih-Cheng Tseng37

Wireless Communication Network Lab. 圖 7-7 CVSD 調變、解調實驗電路 CVSD 調變、解調實驗電路 EE of NIU Chih-Cheng Tseng38

Wireless Communication Network Lab. CVSD 調變、解調實驗電路電路說明 整個實驗電路如圖 7-7 所示。 左半邊電路之 端接 5 V ，所以是 CVSD 調變電路，其輸入 電壓 V i 由 A-in 端輸入，而調變後之數位輸出 V d 則由 D-out 端接 出。 右半邊電路則是 CVSD 解調電路，其數位信號 V d 由 D-in 端輸入， 解調後之類比電壓 V a 則由 A-out 端輸出。 另外，調變端之時脈直接接給解調端，也就是本單元中假設 解調端能獲取和調變端完全相同的時脈，至於實際上解調端 如何去獲得該時脈則留待下一單元中再來探討。 當通道閒置時，只須將左邊調變電路之 D-out 端與 D-in 端連在一起，並將其 端改接地，就能由 D-out 端 送出通道閒置信號。 EE of NIU Chih-Cheng Tseng39