Дельта-модуляция

редактировать

Принцип дельта-ШИМ. Выходной сигнал (синий) сравнивается с пределами (зеленый). Пределы (зеленый) соответствуют опорного сигнала (красный), смещение на заданную величину. Каждый раз, когда выходной сигнал достигает одного из пределов, сигнал ШИМ меняет состояние.

Дельта-модуляция (DM или Δ-модуляция) - это аналого-цифровой и Цифро-аналоговый сигнал метод преобразования, используемый для передачи голосовой информации, где качество не имеет первостепенного значения. DM - это простейшая форма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM), в которой разница между последовательными выборками кодируется в n-битовые потоки данных. При дельта-модуляции передаваемые данные сокращаются до 1-битного потока данных. Его основные особенности:

Аналоговый сигнал аппроксимируется серией сегментов.
Каждый сегмент приближенного сигнала сравнивается с предыдущими битами, и последующие биты определяются посредством этого сравнения.
Отправляется только изменение информации , то есть отправляется только увеличение или уменьшение амплитуды сигнала из предыдущей выборки, тогда как условие отсутствия изменений заставляет модулированный сигнал оставаться на том же уровне 0 или 1 состояние предыдущей выборки.

Для достижения высокого отношения сигнал / шум при дельта-модуляции необходимо использовать методы передискретизации, то есть аналоговый сигнал дискретизируется при скорость в несколько раз выше, чем скорость Найквиста.

Производные формы дельта модуляции : дельта-модуляция с непрерывным изменением наклона, дельта-сигма модуляция, а также. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция является расширенным набором DM.

Содержание

1 Принцип
2 Передаточные характеристики
3 Мощность выходного сигнала
4 Скорость передачи данных
5 Адаптивная дельта-модуляция
6 Приложения
7 Приложение SBS Дельта 24 кбит / с модуляция
8 См. также
9 Источники
10 Внешние ссылки

Принцип

Вместо того, чтобы квантовать абсолютное значение входного аналогового сигнала, дельта-модуляция квантует разницу между током и на предыдущем шаге, как показано на блок-схеме на рис. 1.

Рис. 1 - Блок-схема Δ-модулятора / демодулятора

Модулятор состоит из квантователя, который преобразует разницу между входным сигналом и средним значением предыдущих шагов. В своей простейшей форме квантователь может быть реализован с помощью компаратора, привязанного к 0 (двухуровневый квантователь), выход которого равен 1 или 0, если входной сигнал положительный или отрицательный. Это также побитовый квантователь, поскольку он квантует только бит за раз. Демодулятор - это просто интегратор (например, тот, что находится в контуре обратной связи), выходной сигнал которого растет или падает с каждой полученной 1 или 0. Сам интегратор представляет собой фильтр нижних частот.

Передаточные характеристики

Передаточные характеристики системы с дельта-модуляцией подчиняются знаковой функции, так как он квантует только два уровня, а также один бит за раз..

Двумя источниками шума при дельта-модуляции являются «перегрузка наклона», когда размер шага слишком мал для отслеживания исходной формы волны, и «гранулярность», когда размер шага слишком велик. Но исследование 1971 года показывает, что перегрузка наклона менее нежелательна по сравнению с детализацией, чем можно было бы ожидать, основываясь исключительно на измерениях отношения сигнал / шум.

Мощность выходного сигнала

При дельта-модуляции существует ограничение на амплитуду входной сигнал, поскольку, если передаваемый сигнал имеет большую производную (резкие изменения), то модулированный сигнал не может следовать за входным сигналом, и возникает перегрузка по наклону. Например. если входной сигнал

$m (t) = A cos ⁡ (ω t) {\ displaystyle m (t) = {A \ cos (\ omega t)}}$ $m (t) = {A \ cos (\ omega t)}$ ,

модулированный сигнал (производная входного сигнал), который передается модулятором, составляет

$| m ˙ (t) | m a x = ω A {\ displaystyle | {\ dot {m}} (t) | _ {max} = \ omega A}$ $| {\ dot {m}} (t) | _ {{max}} = \ omega A$ ,

, тогда как условие, позволяющее избежать перегрузки наклона, -

$| m ˙ (t) | max = ω A < σ f s {\displaystyle |{\dot {m}}(t)|_{max}=\omega A<\sigma f_{s}}$ $| {\ dot {m}} (t) | _ {{max}} = \ omega A <\ sigma f_ {s}$ .

Таким образом, максимальная амплитуда входного сигнала может быть

$A max = σ fs ω {\ displaystyle A_ {max} = {\ sigma f_ {s} \ over \ omega}}$ $A _ {{max}} = {\ sigma f_ {s} \ over \ omega}$ ,

где f s - частота дискретизации, ω - частота входного сигнала, а σ - размер шага при квантовании. Таким образом, A max - это максимальная амплитуда, которую DM может передавать, не вызывая перегрузки по наклону, а мощность передаваемого сигнала зависит от максимальной амплитуды.

Скорость передачи данных

Если канал связи имеет ограниченную полосу пропускания, существует вероятность помех в DM или PCM. Следовательно, DM и PCM работают с одинаковой скоростью передачи данных, которая в N раз превышает частоту дискретизации.

Адаптивная дельта-модуляция

Адаптивная дельта-модуляция (ADM) была впервые опубликована Доктор Джон Э. Абейт (научный сотрудник ATT Bell Laboratories) в своей докторской диссертации в Технологическом институте штата Нью-Джерси в 1968 году. ADM позже был выбран в качестве стандарта для всей связи НАСА между управлением полетами и космическими кораблями.

Адаптивная дельта-модуляция или дельта-модуляция с непрерывным изменением наклона (CVSD) - это модификация DM, в которой размер шага не фиксирован. Скорее, когда несколько последовательных битов имеют одинаковое значение направления, кодер и декодер предполагают, что имеет место перегрузка наклона, и размер шага постепенно становится больше.

В противном случае размер шага со временем будет постепенно уменьшаться. ADM уменьшает ошибку наклона за счет увеличения ошибки квантования. Эту ошибку можно уменьшить, используя фильтр нижних частот. ADM обеспечивает надежную работу при наличии битовых ошибок, что означает, что обнаружение и исправление ошибок обычно не используются в конструкции радио ADM, это очень полезный метод, который позволяет использовать адаптивную дельта-модуляцию.

Приложения

Современные приложения дельта-модуляции включают в себя, но не ограничиваются этим, воссоздание сигналов унаследованных синтезаторов. С увеличением доступности ПЛИС и связанных с играми ASIC, частота дискретизации легко регулируется, чтобы избежать перегрузки наклона и проблем с детализацией. Например, C64DTV использовал частоту дискретизации 32 МГц, обеспечивая достаточный динамический диапазон для воссоздания выходного сигнала SID до приемлемых уровней.

Приложение SBS Дельта-модуляция 24 кбит / с

Дельта Модуляция использовалась Satellite Business Systems или SBS для своих голосовых портов для предоставления услуг междугородной телефонной связи крупным национальным корпорациям, которым требуется значительная связь между корпорациями (например, IBM). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. Голосовые порты использовали, реализованную в цифровом виде дельта-модуляцию 24 кбит / с со сжатием голосовой активности (VAC) и подавители эха для управления полусекундным трактом эхо-сигнала через спутник. Они провели формальные тесты прослушивания, чтобы убедиться, что дельта-модулятор 24 кбит / с обеспечивает полное качество голоса без заметного ухудшения по сравнению с высококачественной телефонной линией или стандартными 64 кбит / с μ-закон компандированный PCM. Это позволило увеличить пропускную способность спутниковых каналов в восемь-три раза. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосового порта.

В первоначальном предложении 1974 г. использовался современный дельта-модулятор 24 кбит / с с одним интегратором и компандер Шиндлера, модифицированный для восстановления ошибок усиления. Это оказалось хуже, чем качество речи на телефонной линии. В 1977 году один инженер с двумя помощниками в лаборатории IBM Research Triangle Park, Северная Каролина, был назначен для улучшения качества.

В окончательной реализации интегратор заменен на Predictor, реализованный с двухполюсным комплексным парным фильтром нижних частот, предназначенным для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предсказателем, спроектированным для согласования со спектром сигнала. Почти идеальный Shindler Compander заменил модифицированную версию. Было обнаружено, что модифицированный компандер привел к менее чем идеальному размеру шага на большинстве уровней сигнала, а быстрое восстановление ошибки усиления увеличило шум, как определено в реальных тестах прослушивания, по сравнению с простыми измерениями отношения сигнал / шум. Последний компандер добился очень небольшого восстановления ошибки усиления из-за ошибки округления естественного усечения, вызванной двенадцатибитной арифметикой.

Полная функция дельта-модуляции, VAC и управления эхом для шести портов была реализована в одной микросхеме цифровой интегральной схемы с двенадцатиразрядной арифметикой. Один цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) использовался всеми шестью портами, обеспечивая функции сравнения напряжения для модуляторов и подающие схемы выборки и хранения для выходов демодулятора. Одна карта содержала микросхему, ЦАП и все аналоговые схемы для интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.

См. Также

Источники

Стил Р. (1975). Системы дельта-модуляции. Лондон: Pentech Press. ISBN 0-470-82104-3.
Эта статья включает материалы общественного достояния из документа Администрации общих служб : «Федеральный стандарт 1037C».(в поддержку MIL-STD-188 )

Внешние ссылки

Дельта-модулятор