Дельта-модуляция - Delta modulation

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 - простейшая форма дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (DPCM), где 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 этим сравнением.
Только смена Информация отправляется, то есть отправляется только увеличение или уменьшение амплитуды сигнала от предыдущей выборки, тогда как условие отсутствия изменений заставляет модулированный сигнал оставаться в том же состоянии 0 или 1, что и предыдущая выборка.

Чтобы добиться высокого соотношение сигнал шум, дельта-модуляция должна использовать передискретизация методы, то есть аналоговый сигнал дискретизируется с частотой, в несколько раз превышающей Курс Найквиста.

Производные формы дельты модуляция находятся дельта-модуляция с плавным изменением наклона, дельта-сигма модуляция, и дифференциальная модуляция. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция является надмножеством DM.

Принцип

Вместо того, чтобы квантовать абсолютное значение входного аналогового сигнала, дельта-модуляция квантует разницу между текущим и предыдущим этапами, как показано на блок-схеме на рисунке 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 1 или же 0 если входной сигнал положительный или отрицательный. Это также побитовый квантователь, так как 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 следуют знаковой функции, поскольку она 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 сигнала, и «гранулярность», когда размер шага слишком велик. Но исследование 1971 года показывает, что перегрузка наклона менее нежелательна по сравнению с детализации, чем можно было бы ожидать, основываясь исключительно на показателях отношения сигнал / шум.^[1]

Мощность выходного сигнала

При дельта-модуляции существует ограничение на амплитуду входного сигнала, потому что, 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

${displaystyle m (t) = {Acos (omega t)}}$ ,

модулированный сигнал (производная входного сигнала), который передается модулятором, равен

${displaystyle | {точка {m}} (t) | _ {max} = омега A}$ ,

тогда как условие предотвращения перегрузки на склоне

${displaystyle | {точка {m}} (t) | _ {max} = omega A$ .

Таким образом, максимальная амплитуда входного сигнала может быть

${displaystyle A_ {max} = {sigma f_ {s} over omega}}$ ,

где f_s - частота дискретизации, ω - частота входного сигнала, а σ - размер шага при квантовании. Итак, А_{Максимум} - максимальная амплитуда, которую DM может передавать, не вызывая перегрузки по наклону, а мощность передаваемого сигнала зависит от максимальной амплитуды.

Битрейт

Если канал связи имеет ограниченную полосу пропускания, существует вероятность помех в DM или PCM. Следовательно, DM и PCM работают с одинаковой скоростью передачи битов, которая в N раз превышает частоту дискретизации.^{[сомнительный – обсуждать]}

Адаптивная дельта-модуляция

Адаптивная дельта-модуляция (ADM) была впервые опубликована доктором Джоном Э. Абейтом (научный сотрудник AT&T Bell Laboratories) в его докторской диссертации в Технологическом институте штата Нью-Джерси в 1968 году.^[2] Позже ADM был выбран в качестве стандарта для всей связи НАСА между управлением полетами и космическими кораблями.

Адаптивная дельта-модуляция или Дельта-модуляция с плавным 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 радиостанции ADM, это очень полезный метод, который позволяет применять адаптивную дельта-модуляцию.

Приложения

Современные приложения дельта-модуляции включают, но не ограничиваются, воссоздание форм сигналов унаследованных синтезаторов. С ростом доступности ПЛИС и связанных с играми ASIC, частота дискретизации легко регулируется, чтобы избежать перегрузки по наклону и проблем с детализацией. Например, C64DTV использовалась частота дискретизации 32 МГц, обеспечивающая достаточный динамический диапазон для воссоздания выходного сигнала SID до приемлемых уровней.^[3]

Приложение SBS дельта-модуляция 24 кбит / с

Дельта-модуляция использовалась Спутниковые бизнес-системы или SBS для своих голосовых портов, чтобы предоставлять услуги междугородной телефонной связи крупным внутренним корпорациям, которым требуется значительная связь между корпорациями (например, IBM). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. Используемые голосовые порты цифровая дельта-модуляция 24 кбит / с со сжатием голосовой активности (VAC) и эхоподавители для управления полусекундным эхо-сигналом через спутник. Они провели формальные тесты на прослушивание, чтобы проверить Дельта-модулятор 24 кбит / с достигнуто полное качество голоса без заметной деградации по сравнению с высококачественной телефонной линией или стандартными 64 кбит / с μ-закон сопутствовал 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 IBM Парк Исследований Треугольника, Лаборатория NC была назначена для повышения качества.

Окончательная реализация заменила интегратор на Предсказатель реализован с помощью двухполюсного комплексного парного фильтра нижних частот, предназначенного для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предсказатель разработан для соответствия спектру 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 (DAC) использовался всеми шестью портами, обеспечивая функции сравнения напряжений для модуляторов и питающие схемы выборки и хранения для выходов демодулятора. Одна карта содержала микросхему, ЦАП и все аналоговые схемы для интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.

Смотрите также

Источники

Стил Р. (1975). Системы дельта-модуляции. Лондон: Pentech Press. ISBN 0-470-82104-3.
Эта статья включаетматериалы общественного достояния от Администрация общих служб документ: «Федеральный стандарт 1037С». (в поддержку MIL-STD-188 )

^ Н. С. Джаянт и А. Э. Розенберг. «Предпочтение перегрузки наклона гранулярности в дельта-модуляции речи». Технический журнал Bell System, Том 50, вып. 10 декабря 1971 г.оригинал Кешированная HTML-версия Google^{[мертвая ссылка ]}
^ Убейте, Джон Эдвард. «Линейная и адаптивная дельта-модуляция (1967)». Digital Commons @ Технологический институт Нью-Джерси.
^ Олсен, Миккель Хольм. 2011 16 ноября. По состоянию на 29 июня 2013 г. http://symlink.dk/nostalgia/dtv/dtvsid/

внешняя ссылка

Дельта-модулятор

[1] Н. С. Джаянт и А. Э. Розенберг. «Предпочтение перегрузки наклона гранулярности в дельта-модуляции речи». Технический журнал Bell System, Том 50, вып. 10 декабря 1971 г.оригинал Кешированная HTML-версия Google^{[мертвая ссылка ]}

[2] Убейте, Джон Эдвард. «Линейная и адаптивная дельта-модуляция (1967)». Digital Commons @ Технологический институт Нью-Джерси.

[3] Олсен, Миккель Хольм. 2011 16 ноября. По состоянию на 29 июня 2013 г. http://symlink.dk/nostalgia/dtv/dtvsid/

[1]

[2]

[3]