宋 銳，張 凱

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南張家界 427000）

ΔM，Δ－Σ與ADM增量調(diào)制系統(tǒng)的仿真比較分析＊

宋 銳，張 凱

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，湖南張家界 427000）

運用SystemView仿真軟件分別對簡單增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)，增量總和調(diào)制（Δ－Σ）系統(tǒng)和自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）系統(tǒng)進行了仿真，分析結(jié)果表明，自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）系統(tǒng)增量的幅值在調(diào)制中能隨著模擬信號的變化自動地調(diào)節(jié)，較好地克服ΔM與Δ－Σ系統(tǒng)增量調(diào)制所產(chǎn)生的過載噪聲，解決了粒狀噪聲和超載噪聲的矛盾，擴大了信號動態(tài)范圍.

ΔM系統(tǒng)；Δ－Σ系統(tǒng)；ADM系統(tǒng)；SystemView；Matlab

增量調(diào)制將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，是對PCM（脈沖編碼調(diào)制）技術(shù)的改進與簡化，主要應(yīng)用在軍事、衛(wèi)星通信和高速大規(guī)模集成電路中的模數(shù)轉(zhuǎn)換［1－5］.為使增量調(diào)制的效果得到進一步優(yōu)化，出現(xiàn)了增量總和調(diào)制（Δ－Σ）和自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）等.筆者運用System View仿真軟件對這3種調(diào)制系統(tǒng)進行了仿真，并分析了各自的調(diào)制效果，最后運用Matlab軟件對ADM與ΔM、Δ－Σ系統(tǒng)的調(diào)制結(jié)果進行了比較.比較結(jié)果表明：自適應(yīng)增量調(diào)制系統(tǒng)ADM增量的幅值在調(diào)制中能隨著模擬信號的變化自動地調(diào)節(jié)，較好地克服ΔM與Δ－Σ系統(tǒng)增量調(diào)制所產(chǎn)生的過載噪聲，從而解決粒狀噪聲和超載噪聲的矛盾，且信號動態(tài)范圍大，該調(diào)制系統(tǒng)性能得到了改善.

1 簡單增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)

圖1 ΔM系統(tǒng)方框

簡單增量調(diào)制系統(tǒng)方框圖如圖1所示.發(fā)送端編碼器是由減法器、比較器、積分器及極性變換電路組成的一個閉環(huán)反饋電路.比較器對x0（t）與x（t）大小比較，當x（t）－x0（t）＞0時輸出“1”，反之則輸出“0”，本地譯碼器產(chǎn)生x0（t）.該系統(tǒng)中接收端譯碼器的核心電路為積分器，脈沖信號發(fā)生器和低通濾波器為輔助性的電路.

簡單增量調(diào)制的System View仿真原理如圖2所示.圖2中的原始模擬信號輸出采用了高斯噪聲源加低通濾波器來實現(xiàn)，符號5的調(diào)整增益可以改變量化階Δ的大小，接收端的解調(diào)器直接使用積分器解調(diào)輸出.如果加入低通濾波器于積分器（見圖2中符號6）和輸出放大器（見圖2中符號7）之間，則信號中的高頻成分可以濾除.

圖2 增量調(diào)制的仿真原理

圖3 一般量化誤差

圖4 過載量化誤差

分析2種噪聲波形不難發(fā)現(xiàn)，2種噪聲的大小與階梯波的抽樣間隔Δt、增量σ有關(guān).定義階梯波的一個臺階的斜率為

其中fs是抽樣頻率.當信號斜率大于跟蹤斜率時，則為過載，此時出現(xiàn)過載現(xiàn)象；當信號斜率等于跟蹤斜率時，則為臨界；當信號斜率小于跟蹤斜率時，則為不過載.

通過增大量化臺階（增量）σ進而提高階梯波形的最大跟蹤斜率就可以減小過載噪聲，而降低σ則可減小一般量化噪聲.因此，σ值需要適當選取，利用增大抽樣頻率（即減小抽樣時間間隔Δt）就可以同時改善過載噪聲和一般量化噪聲.因此，實際應(yīng)用中，ΔM系統(tǒng)的抽樣頻率要高于PCM系統(tǒng)的頻率，對于話音信號其典型值為16kHz和32kHz.

如果模擬信號為交流信號，當信號峰－峰值小于σ時，增量調(diào)制器的輸出將不隨信號的變化而變化，只輸出“1”和“0”交替出現(xiàn)的數(shù)字序列.只有當信號峰值大于σ／2時，調(diào)制器才輸出隨交流信號變化而變化的數(shù)字序列.

2 增量總和調(diào)制（Δ－Σ）系統(tǒng)

在實際的簡單增量調(diào)制系統(tǒng)中，由于其抽樣頻率和增量值改變的局限性，所以該系統(tǒng)對2種量化噪聲性能的改善是有限的.對于直流、低頻信號或高頻信號，簡單增量調(diào)制系統(tǒng)均會造成較大的量化噪聲，從而導致信息的丟失.

增量總和調(diào)制（Δ－Σ）的編碼是先對輸入的原始模擬信號進行積分，降低高頻信號分量的幅度，從而使信號更適合增量調(diào)制處理，然后進行簡單增量調(diào)制，如圖5所示.

圖5 （Δ－Σ）系統(tǒng)方框

從過載特性來看，增量調(diào)制不過載且信號幅度為最大值的條件為

簡單增量調(diào)制系統(tǒng)的Amax與信號頻率fk有關(guān)，且Amax隨fk增大而減小.而在增量總和調(diào)制系統(tǒng)中，進行簡單增量調(diào)制之前先對信號進行積分，因此，增量總和調(diào)制系統(tǒng)的Amax與信號頻率fk無關(guān)，不影響信噪比.圖6，7對（Δ－Σ）和ΔM增量調(diào)制系統(tǒng)的性能進行了比較，其中fs，fk，fL和f1分別為采樣頻率、信號固有頻率、信號最高和最低截止頻率.圖6中，Δ－Σ系統(tǒng)中l(wèi)1表示fs＝32kHz，fL＝3kHZ，l2表示fs＝20 kHz，fL＝2.4kHZ，l3表示fs＝16kHz，fL＝2.4kHZ，l4表示fs＝16kHz，fL＝3kHZ.ΔM系統(tǒng)中l(wèi)5表示fs＝32kHz，fL＝3kHZ，l6表示fs＝16kHZ，fL＝3kHZ；f1＝300Hz.圖7中，Δ－Σ系統(tǒng)中l(wèi)1表示fs＝32kHz，l2表示fs＝16kHz，ΔM系統(tǒng)中l(wèi)3表示fs＝32kHz，l4表示fs＝16kHz；fL＝3kHZ，f1＝0.3kHz，Pe＝10－3.

圖6 量化信噪比比較曲線

圖7 誤碼信噪比比較曲線

由于增量總和調(diào)制系統(tǒng)與簡單增量調(diào)制系統(tǒng)的編碼方式都采用固定的量化階，因此改變量化階大小就能改進調(diào)制系統(tǒng)性能的方向.量化階的大小隨信號幅度大小變化而變化，所以提高在小信號時的量化信噪比并增大調(diào)制系統(tǒng)的動態(tài)范圍等方法是可行的.

3 自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）系統(tǒng)

應(yīng)用Matlab軟件將自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM）系統(tǒng)與簡單增量調(diào)制（ΔM）系統(tǒng)（量化階為恒定值）的調(diào)制結(jié)果進行比較，設(shè)定ADM最小步長固定為1／8，選擇ΔM的不同步長進行對比.圖8為ADM最小量化階為1／8，ΔM量化階固定為0.5.從圖8可見ΔM系統(tǒng)出現(xiàn)了明顯的過載失真，編碼速率跟不上信號的變化速率，且產(chǎn)生的量化噪聲比ADM系統(tǒng)要大.

線性增量調(diào)制前后的信號波形如圖9，其線性ΔM量化階固定為1.5.從圖9可知，ΔM已經(jīng)沒有過載失真，而是出現(xiàn)了較為明顯的一般量化噪聲，產(chǎn)生的信號噪聲比ADM要大.

圖8 ADM系統(tǒng)調(diào)制前后的信號波形比較

圖9 ΔM系統(tǒng)調(diào)制前后的信號波形比較

比較圖8，9可知，在跟蹤過程中，ADM既較好地跟蹤上信號變化較快的部分，又能跟上信號平緩的部分，減小了一般量化噪聲，達到了一個較好的效果.而線性ΔM系統(tǒng)量化階固定為1，在信號變化快的部分跟不上信號的變化速率，在信號平緩的部分又產(chǎn)生大量的一般量化噪聲，效果不理想.

3 結(jié)語

運用System View和Matlab仿真軟件分別對3種不同增量調(diào)制系統(tǒng)進行仿真.仿真結(jié)果表明：自適應(yīng)增量調(diào)制（ADM系統(tǒng)）在調(diào)制中能隨模擬信號的變化而自動調(diào)節(jié)，較好地克服了ΔM與Δ－Σ系統(tǒng)在調(diào)制中產(chǎn)生的過載噪聲，從而解決了粒子噪聲和超載噪聲的矛盾.

［1］ 戴志平，梅進杰.SystemView數(shù)字通信系統(tǒng)仿真設(shè)計［M］.北京：北京郵電大學出版社，2011.

［2］ 黎洪松，張衛(wèi)鋼.數(shù)字通信原理［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2005.

［3］ 李柏年，吳禮斌.MATLAB數(shù)據(jù)分析方法［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［4］ 樊昌信.通信原理教程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［5］ 張 輝現(xiàn)代通信原理與技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

（責任編輯 陳炳權(quán)）

Simulation and Comparative Analysis ofΔM，Δ－Σand ADM Delta Modulation System

SONG Rui，ZHANG Kai
（Zhangjiajie Institute of Aeronautical Engineering，Zhangjiajie 427000，Hunan China）

The delta modulation（ΔM）system，delta－sigma（Δ－Σ）modulation system and the adaptive delta modulation（ADM）system have been simulated respectively by SystemView simulation software in this paper.The results demonstrate that the modulation of the amplitude increment of adaptive delta modulation（ADM）system can be adjusted automatically with the change of the analog signal，which overcomes overload noise produced byΔM andΔ－Σmodulation systems，solves the contradiction of granular noise and overload noise，and extends the signal dynamic ranged.

ΔM system；Δ－Σsystem；ADM system；SystemView；Matlab

TN912.31

A

10.3969／j.issn.1007－2985.2013.03.008

1007－2985（2013）03－0035－04

2013－03－26

宋 銳（1977－），男，湖南婁底人，張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院講師，主要從事電路與系統(tǒng)研究.