Дельта-модуляция

Дельта-модуляция ( DM или Δ-модуляция ) — это метод аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования сигнала, 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-битные потоки данных. При дельта-модуляции передаваемые данные сводятся к 1-битному потоку данных, представляющему либо восходящий (↗), либо нисходящий (↘). Его основными характеристиками являются:

Аналоговый сигнал аппроксимируется серией сегментов.
Каждый сегмент аппроксимированного сигнала сравнивается с предыдущими битами, и последующие биты определяются на основе этого сравнения.
Передается только изменение информации , то есть передается только увеличение или уменьшение амплитуды сигнала от предыдущего образца, тогда как условие отсутствия изменений заставляет модулированный сигнал оставаться в том же ↗ или ↘ состоянии предыдущего образца.

Для достижения высокого отношения сигнал/шум дельта-модуляция должна использовать методы передискретизации , то есть аналоговый сигнал дискретизируется с частотой, в несколько раз превышающей частоту Найквиста .

Производные формы дельта- модуляции — это дельта-модуляция с плавно изменяемым наклоном , дельта-сигма-модуляция и дифференциальная модуляция. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция является надмножеством DM.

Принцип

Вместо квантования значения входного аналогового сигнала дельта-модуляция квантует разницу между текущим и предыдущим шагом, как показано на структурной схеме на рис. 1.

Рис. 1 – Структурная схема Δ-модулятора/демодулятора

Модулятор создается квантователем, который преобразует разницу между входным сигналом и интегралом предыдущих шагов. В простейшей форме квантователь может быть реализован с помощью компаратора, привязанного к 0 (двухуровневый квантователь), выход которого равен 1 или -1 , если вход квантователя положительный или отрицательный. Демодулятор — это просто интегратор (подобный тому, что в петле обратной связи), выход которого растет или падает с каждой полученной 1 или -1. Сам интегратор представляет собой фильтр нижних частот .

Передаточные характеристики

Два источника шума в дельта-модуляции — это «перегрузка наклона», когда размер шага слишком мал для отслеживания исходной формы волны, и «зернистость», когда размер шага слишком велик. Однако исследование 1971 года показывает, что перегрузка наклона менее неприемлема по сравнению с гранулярностью, чем можно было бы ожидать, основываясь исключительно на измерениях SNR. ^[1]

Мощность выходного сигнала

В дельта-модуляции нет ограничений на количество импульсов одного знака, которые могут возникнуть, поэтому она способна отслеживать медленно меняющиеся сигналы любой амплитуды без отсечения . ^[2] Однако, если передаваемый сигнал имеет чрезмерную производную (резкие изменения), то возникает перегрузка по наклону, и модулированный сигнал не может отслеживать входной сигнал. Например, если входной сигнал

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

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

$|{\dot {m}}(t)|_{max}=\omega A$ ,

тогда как условием избежания перегрузки склона является

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

Таким образом, максимальная амплитуда входного сигнала может быть

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

где f _s — частота дискретизации, ω — частота входного сигнала, а σ — размер шага квантования. Таким образом, A _max — это максимальная амплитуда, которую DM может передать, 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 на одинаковой скорости передачи данных, которая равна N раз больше частоты дискретизации. ^{[ сомнительно – обсудить ]}

История

Основополагающая ^[3] статья, объединяющая обратную связь с избыточной дискретизацией для достижения дельта-модуляции, была написана Ф. де Ягером из Philips Research Laboratories в 1952 году. ^[4] Первоначальные патенты включают:

«Система связи, использующая импульсы постоянной амплитуды противоположной полярности» Мориса Делорейна и др. (французский патент, выданный в 1946 году, патент США, поданный в 1947 году). ^[5]
«Дифференциальное квантование сигналов связи» Ч. Чапина Катлера (подано в 1950 г.), ^[6] , в котором описывается дифференциальная ИКМ и дельта-модуляция (1-битная ДИКМ).

Адаптивная дельта-модуляция

Адаптивная дельта-модуляция (ADM) была впервые опубликована доктором Джоном Э. Абейтом ( сотрудником Bell Labs ) в его докторской диссертации в Технологическом институте Нью-Джерси в 1968 году. ^[7] Позднее ADM была выбрана в качестве стандарта для всех коммуникаций NASA между центром управления полетами и космическим аппаратом.

В середине 1980-х годов аудиокомпания DBX из Массачусетса выпустила на рынок коммерчески неудачную цифровую систему записи на основе адаптивной дельта-модуляции. См. DBX 700 .

Адаптивная дельта-модуляция или дельта-модуляция с непрерывно изменяемым наклоном (CVSD) — это модификация DM, в которой размер шага не фиксирован. Вместо этого, когда несколько последовательных битов имеют одинаковое значение направления, кодер и декодер предполагают, что происходит перегрузка наклона, и размер шага постепенно увеличивается.

В противном случае размер шага постепенно уменьшается с течением времени. 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 радиоприемника ADM, именно эта очень полезная техника позволяет использовать адаптивную дельта-модуляцию.

Приложения

Современные приложения дельта-модуляции включают, помимо прочего, воссоздание форм сигналов синтезатора прошлых лет. С ростом доступности ПЛИС и игровых ASIC , частоты дискретизации легко контролируются, чтобы избежать перегрузки наклона и проблем с гранулярностью. Например, C64DTV использовал частоту дискретизации 32 МГц, что обеспечивает достаточный динамический диапазон для воссоздания выходного сигнала SID до приемлемых уровней. ^[8]

Приложение SBS 24 кбит/с дельта-модуляция

Дельта-модуляция использовалась компанией Satellite Business Systems (SBS) для ее голосовых портов для предоставления услуг дальней телефонной связи крупным отечественным корпорациям со значительной потребностью в межкорпоративной связи (например, IBM ). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. Голосовые порты использовали цифровую реализацию дельта-модуляции 24 кбит/с с компрессией голосовой активности (VAC) и эхо-подавителями для управления полусекундным эхо-трактом 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 стандартным 64 кбит/с μ-законом компандированным PCM. Это обеспечило улучшение пропускной способности спутникового канала в восемь раз. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосового порта.

Первоначальное предложение 1974 года использовало современный дельта-модулятор 24 кбит/с с одним интегратором и компандер Шиндлера, модифицированный для восстановления ошибок усиления. Оказалось, что это не обеспечивает полного качества речи телефонной линии. В 1977 году один инженер с двумя помощниками в лаборатории IBM Research Triangle Park , NC, был назначен для улучшения качества.

Окончательная реализация заменила интегратор на предиктор , реализованный с двухполюсным комплексным парным фильтром нижних частот, разработанным для аппроксимации долгосрочного среднего спектра речи. Теория заключалась в том, что в идеале интегратор должен быть предиктором, разработанным для соответствия спектру сигнала. Почти идеальный компандер Шиндлера ^{[ 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 было определено реальными испытаниями прослушивания по сравнению с простыми измерениями отношения сигнал-шум. Окончательный компандер достиг очень умеренного восстановления ошибки усиления из-за естественной ошибки округления , вызванной двенадцатибитовой арифметикой.

Полная функция дельта-модуляции, VAC и Echo Control для шести портов была реализована в одной цифровой интегральной микросхеме с двенадцатиразрядной арифметикой. Один цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) был общим для всех шести портов, обеспечивая функции сравнения напряжения для модуляторов и питая 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.
В этой статье использованы материалы из общедоступного федерального стандарта 1037C. Администрация общих служб . Архивировано из оригинала 2022-01-22. (в поддержку MIL-STD-188 ).

^ NS Jayant и AE Rosenberg. "Предпочтение наклонной перегрузки гранулярности в дельта-модуляции речи". Bell System Technical Journal , том 50, № 10, декабрь 1971 г. оригинал ^{[ постоянная мертвая ссылка ]} HTML-версия в кэше Google ^{[ мертвая ссылка ]}
^ Кестер, Уолт (2008). "Архитектура АЦП II: Основы сигма-дельта АЦП" (PDF) . Analog Devices . Архивировано (PDF) из оригинала 2023-08-18 . Получено 2023-08-20 .
^ Вули, Брюс А. (2012-03-22). "Эволюция аналого-цифровых преобразователей с избыточной дискретизацией" (PDF) . IEEE . Архивировано (PDF) из оригинала 2023-06-28 . Получено 2023-06-28 .
^ Ф. де Ягер, «Дельта-модуляция, метод передачи ИКМ с использованием 1-элементного кода», Philips Res. Rep., т. 7, стр. 442–466, 1952.
^ US2629857A, Морис, Делорейн Эдмонд и Борис, Дерьявич, «Система связи, использующая импульсы постоянной амплитуды противоположной полярности», выпущено 24 февраля 1953 г.
^ US2605361A, Катлер, Кассиус К., «Дифференциальное квантование сигналов связи», опубликовано 29 июля 1952 г.
^ Эбате, Джон Эдвард. «Линейная и адаптивная дельта-модуляция (1967)». Digital commons @ New Jersey Institute of Technology .
^ Олсен, Миккель Холм. 16 ноября 2011 г. По состоянию на 29 июня 2013 г. http://symlink.dk/nostalgia/dtv/dtvsid/

Внешние ссылки

Дельта-модулятор