Дельта-модуляция ( DM или Δ-модуляция ) — это метод аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования сигналов, используемый для передачи речевой информации, где качество не имеет первостепенного значения. DM — это простейшая форма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM), при которой разница между последовательными выборками кодируется в n-битные потоки данных. При дельта-модуляции передаваемые данные сводятся к 1-битному потоку данных, представляющему либо восходящий (↗), либо нисходящий (↘). Его основные особенности:
Чтобы достичь высокого отношения сигнал/шум , дельта-модуляция должна использовать методы передискретизации , то есть аналоговый сигнал дискретизируется с частотой, в несколько раз превышающей частоту Найквиста .
Производными формами дельта- модуляции являются дельта-модуляция с плавным наклоном , дельта-сигма-модуляция и дифференциальная модуляция. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция является расширенной версией DM.
Вместо квантования значения входного аналогового сигнала дельта-модуляция квантует разницу между текущим и предыдущим шагом, как показано на блок-схеме на рис. 1.
Модулятор представляет собой квантователь, который преобразует разницу между входным сигналом и интегралом предыдущих шагов. В своей простейшей форме квантователь может быть реализован с помощью компаратора, привязанного к 0 (квантизатор двух уровней), выходной сигнал которого равен 1 или -1 , если входной сигнал квантователя положительный или отрицательный. Демодулятор — это просто интегратор (подобный тому, что используется в контуре обратной связи), выходной сигнал которого увеличивается или падает с каждой полученной единицей или -1. Сам интегратор представляет собой фильтр нижних частот .
Двумя источниками шума при дельта-модуляции являются «наклонная перегрузка», когда размер шага слишком мал для отслеживания исходной формы сигнала, и «детализация», 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 SNR. [1]
В дельта-модуляции нет ограничений на количество импульсов одного знака, которые могут возникнуть, поэтому она способна отслеживать медленно меняющиеся сигналы любой амплитуды без ограничения . [2] Однако, если передаваемый сигнал имеет чрезмерную производную (резкие изменения), возникает перегрузка наклона, и модулированный сигнал не может отслеживать входной сигнал. Например, если входной сигнал
,
модулированный сигнал (производная входного сигнала), который передается модулятором, равен
,
тогда как условие, позволяющее избежать перегрузки на склоне,
.
Таким образом, максимальная амплитуда входного сигнала может быть равна
,
где f s — частота дискретизации, ω — частота входного сигнала, а σ — размер шага квантования. Таким образом, A max — это максимальная амплитуда, которую DM может передавать, не вызывая перегрузки по наклону, а мощность передаваемого сигнала зависит от максимальной амплитуды.
Если канал связи имеет ограниченную полосу пропускания, существует вероятность возникновения помех либо в DM, либо в PCM . Следовательно, «DM» и «PCM» работают с одинаковой скоростью передачи данных, которая равна N-кратной частоте дискретизации. [ сомнительно – обсудить ]
Основополагающая статья [3] , сочетающая обратную связь с передискретизацией для достижения дельта-модуляции, была написана Ф. де Ягером из Philips Research Laboratories в 1952 году. [4] Первоначальные патенты включают:
Адаптивная дельта-модуляция (ADM) была впервые опубликована доктором Джоном Э. Абате ( сотрудником Bell Labs ) в его докторской диссертации в Технологическом институте Нью-Джерси в 1968 году. [7] Позже ADM был выбран в качестве стандарта для всей связи НАСА между органами управления полетами. и космический корабль.
В середине 1980-х годов аудиокомпания DBX из Массачусетса выпустила на рынок коммерчески неудачную систему цифровой записи, основанную на адаптивной дельта-модуляции. См. DBX 700 .
Адаптивная дельта-модуляция или дельта-модуляция с постоянным переменным наклоном (CVSD) — это модификация DM, в которой размер шага не фиксирован. Скорее, когда несколько последовательных битов имеют одинаковое значение направления, кодер и декодер предполагают, что происходит перегрузка наклона, и размер шага становится все 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.
Современные применения дельта-модуляции включают, помимо прочего, воссоздание сигналов устаревших синтезаторов. С ростом доступности FPGA и ASIC, связанных с играми , частоту дискретизации легко контролировать, чтобы избежать проблем с перегрузкой наклона и детализацией. Например, C64DTV использовал частоту дискретизации 32 МГц, обеспечивая достаточный динамический диапазон для воссоздания выходного сигнала SID до приемлемых уровней. [8]
Дельта-модуляция использовалась компанией Satellite Business Systems (SBS) для своих голосовых портов для предоставления услуг междугородной телефонной связи крупным отечественным корпорациям со значительными потребностями в межкорпорационной связи (таким как IBM ). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. В голосовых портах использовалась реализованная в цифровом формате дельта-модуляция 24 кбит/ с со сжатием речевой активности (VAC) и подавителями эха для управления полусекундным путем эха через спутник. Они провели формальные тесты на прослушивание, чтобы убедиться, что дельта-модулятор со скоростью 24 кбит/с обеспечивает полное качество передачи голоса без заметного ухудшения по сравнению с высококачественной телефонной линией или стандартным PCM со скоростью 64 кбит/с, компандируемым по закону μ-law . Это обеспечило увеличение пропускной способности спутниковых каналов в восемь-три раза. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосового порта.
В первоначальном предложении 1974 года использовался современный дельта-модулятор 24 кбит/с с одним интегратором и компандер Шиндлера, модифицированный для устранения ошибок усиления. Оказалось, что качество речи на телефонной линии ниже полного. В 1977 году одному инженеру с двумя помощниками в лаборатории IBM Research Triangle Park , Северная Каролина, было поручено улучшить качество.
В окончательной реализации интегратор был заменен на Predictor, реализованный с двухполюсным фильтром нижних частот комплексной пары, предназначенным для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предсказателем , предназначенным для согласования спектра сигнала. Почти идеальный Шиндлер Компандер [ необходимо определение ] заменил модифицированную версию. Было обнаружено, что модифицированный компандер привел к неидеальному размеру шага на большинстве уровней сигнала, а быстрое восстановление ошибки усиления увеличило шум, как это было определено в реальных тестах на прослушивание, по сравнению с простыми измерениями соотношения сигнал/шум. Последний компандер достиг очень умеренного восстановления ошибки усиления из-за естественной ошибки округления, вызванной двенадцатибитной арифметикой.
Полная функция дельта-модуляции, VAC и Echo Control для шести портов была реализована в одной цифровой интегральной микросхеме с двенадцатибитной арифметикой. Один цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) использовался всеми шестью портами, обеспечивая функции сравнения напряжений для модуляторов и схемы подачи выборки и хранения для выходов демодулятора. На одной карте содержался чип, ЦАП и все аналоговые схемы интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.
Эта статья включает общедоступные материалы из Федерального стандарта 1037C. Управление общего обслуживания . Архивировано из оригинала 22 января 2022 г. (в поддержку MIL-STD-188 ).
