استخدام تعديل دلتا في تخزين الإشارات الرقمية المبسّطة في الأجهزة المدمجة

مزايا تعديل دلتا للأجهزة المدمجة

وتتسق نقاط القوة في نظام " دلتا " بشكل وثيق مع القيود التي تفرضها النظم المتأصلة: الذاكرة المحدودة، والقدرة المحدودة على التجهيز، والطاقة المحدودة في كثير من الأحيان، فيما يلي الفوائد الرئيسية:

• Ultra-low computational complexity]: Encoding or decoding requires only comparison and addition/subtraction. No multiplication, no trigonometric functions, no floating point. This can be implemented in a few lines of C or in dedicated analog equipment for lowest power.
• Minimal memory footprint]: تنتج كل عينة واحدة، وبالنسبة لإشارة عينت في 8 كيلوهرتز (السماح للصوت)، لا يستهلك مجرى مضيق متحرك إلا كيلوبيت واحد في الثانية.
• Constant bit rate]: ناتج إدارة الشؤون الإدارية بالضبط واحد لكل فترة عينة، وهذا يبسط الموازنة والتوقيت في نظم الوقت الحقيقي ولا توجد رموز ذات خط متغير أو رؤساء إطارات تعقّد تصميم البروتوكول.
• Inherent monotonicity]: يحفظ الترميز علامة التغيير، مما يجعل من السهل كشف أي عبور أو اتجاهات دون إعادة بناء كاملة.
• Hardware efficiency]: يمكن بناء موصلات مصممة بمعزل عن المركب المتحول، ومركب متحول، وساعة، وهذا أمر قيّم بالنسبة للأجهزة الاستشعارية ذات القدرة المنخفضة حيث يكون هناك أكثر من اللازم

القيود والتحديات

إن تعديل دلتا ليس حلا عالميا؛ ويجب فهم أوجه القصور فيه لتجنب النشر في التطبيقات غير الملائمة.

Slope Overload Distortion

وكما ذُكر، عندما تتغير الإشارة بسرعة أكبر من حجم الخطوة المضاعفة بمعدل العينة، فإن تقريب الدرجات يتخلف، وهذا يُحدث أخطاء كبيرة إلى أن ينخفض منحدر الإشارة، ويثير التشوه إشكالية خاصة بالنسبة للإشارات السمعية ذات الإشارات الحاد (مثل ضربات الطبول) أو بالنسبة للبيانات المستشعرة التي تشمل التوابل السريعة، ويمكن التخفيف من حجم الضغط الزائد عن طريق زيادة عدد نماذج التكييف.

العرائض (الملكية)

وعندما تكون الإشارة ثابتة تقريباً، يتناوب ناتج إدارة الشؤون الإدارية بين 1 و0 بينما ينحني التقدير حول القيمة الحقيقية، ويُسمع صوت هذه الضوضاء النادلية العديمة كصوت له، ويمكن تخفيضها باستخدام خطوة أصغر، ولكن ذلك يُزيد من حجم المنحدرات، والمفاضلة الأساسية بين القدرة على التتبع والضوضاء متأصلة في جميع المناورات ذات الخط الرسمي.

محدودية الاستجابة لحالات الطوارئ

وتحتاج عناصر التردد العالي إما إلى معدل عينة مرتفع جداً أو خطوة كبيرة، ومن الناحية العملية، فإن الإدارة المستدامة هي أفضل وسيلة للإشارات التي تتركز فيها الطاقة في الترددات المنخفضة - فواتير أقل من 4 كيلوهرتز، وقراءات درجة الحرارة، ونواتج أجهزة استشعار الضغط، وما إلى ذلك.

الحساسية

إذا كانت ساعة الشفرة ترتفع مقارنة بالزاوية، فإن الكمّة المعاد بناؤها ستتراكم الخطأ، هذا أمر قابل للتحكم به

تطبيقات النظم المدمجة الحقيقية

ورغم القيود التي تفرضها، لا تزال طريقة التلاعب بالدللا تعمل في الزنادق التي تتفوق فيها البساطة على الشواغل المتعلقة بالخصوبة.

Voice and Audio Codecs

The mostknown commercial application is the Continuously Variable Slope Delta (CVSD) modulation used in Bluetooth headsets and some military radios. CVSD adaptively changes the step size based on recent bit bit-value bit indicates a fast-changing signal, triggering a stepixating

وفي مشاريع سمعية مدمجة في هوايات ودي، تستخدم في بعض الأحيان طريقة التناوب من طراز دلتا لتقلب الصوت على وصلات منخفضة التردد (مثلا، لورا، زغبي) حيث تتجاوز الشفرة الأخرى حجم الحزمة، ومن خلال تبادل النوعية السمعية من أجل القوة، يمكن للمطورين أن يلقيوا خطابا غير قابل للاختبار عند 16 كيلوباسا أو حتى أقل.

تسجيل بيانات الاستشعار

وكثيراً ما تسجل محطات الرصد البيئي درجة الحرارة، والرطوبة، والضغط على البارومتر، أو إشارات الطول التي تتغير ببطء، ويمكن لمحرك دلتا أن يقلل من البيانات المسجلة بمعامل يتراوح بين 8 و16 مقارنة بمقياس ثنائي الفينيل الثماني، وفي حالة وجود سجل يحتوي على 256 كيلوبايت، يمكن أن يمتد هذا الوقت من أيام إلى أسابيع، ويمكن للديكور أن يعيد بناء الإشارة بدقة كافية لتحليل الاتجاهات.

تسجيل الظواهر العصبية والتشغيلات الطبية الأحيائية

أجهزة قابلة للزراعة مثل أجهزة قياس العصبية الاصطناعية تواجه قيوداً شديدة على الطاقة لأنها يجب أن تعمل بدون بطاريات أو ببطاقات صغيرة، مما يجعلها بسيطة بالنسبة للمرحلة الأولى من تجهيز الإشارات، أما إمكانات العمل (الميكروف) من الأعصاب فهي سريعة الانتقال (مدة واحدة، ومتوسطة الحجم تصل إلى 5 كيلوهرتز) فتتضاعف من حجمها

مراقبة العمليات الصناعية

وفي التشغيل الآلي للمصانع، ينتج العديد من أجهزة الاستشعار (الضغط والتدفق والمستوى) إشارات ذات ترددات تحت 10 هرتز. ويمكن أن يغذي جهاز استشعار منخفض العينات نظاماً من طراز PLC أو SCADA على حلقة بسيطة من العجلات، كما أن قوة الإشارة من طراز 1 إلى تضليل الضوضاء على الكابلات الطويلة هي ميزة جانبية: فكل عملية انتقال هي نبض رقمي كامل، منعزل إلى صغير.

مقارنة أساليب التعديل الأخرى

ولوضع أسلوب التناوب في السياق، يساعد على مقارنة ذلك مباشرة مع البدائل التي كثيرا ما ينظر فيها المهندسون.

Delta Modulation vs. Pulse-Code Modulation (PCM)

"لنفس معدل العينة، "الجهاز الآلي يقدم الكثير من التعبئة و لا تحميل زائد على سطح الماء

Delta Modulation vs. Sigma-Delta Modulation

إنّه قريبٌ من استخدام مُتكامل قبل المُقارنة (الحياكة) للتلخيص، "اللفة" للفرق"

Delta Modulation vs. Adaptive Differential PCM (ADPCM)

(ب) إن النهج الناظم للإدارة السليمة للمواد الكيميائية هو تنقيح للنموذج التفاضلي للتحكم في حجم التنبؤات ودرجة الكبريت استناداً إلى إحصاءات الإشارة، وهو يوفر نوعية أفضل بكثير من الإدارة المستندة إلى النتائج بمعدلات متوسطة (مثل 32 كيلو متراً للصوت ذي الجودة العالية)، غير أن النهج التراكمي قد يتطلب شريحة شفرة أو لب أساسي من نظام إدارة المعلومات الإدارية، مما يستهلك مساحة وقوّة أكثر من حيث المقاييس.

تنفيذ نظام " دلتا " على مراكب مصغرة حديثة

ولتوضيح ذلك، النظر في تنفيذ جهاز قياس مدمج بسيط على جهاز مصغر مشترك من طراز ARM Cortex-M0 يعمل في 48 ميغاهيرتز، والهدف هو إدراج إشارة مقطعية من جهاز تسجيل متطور عند الشيكات عند 8 كيلو مترات في الثانية، أما قراءة المقياس المميت للكم فيكون 12 طناً ويمكن أن يكون رمز الضمادات مدمجاً:

uint16_t estimate = 2048; // midscale
const uint16_t step = 32; // step size (adjustable)

void encode_sample(uint16_t adc_value) {
 if (adc_value > estimate) {
 output_bit(1);
 estimate += step;
 } else {
 output_bit(0);
 if (estimate < step) estimate = 0;
 else estimate -= step;
 }
}

وعلى الجانب المتلقي (الديكور)، فإن الرمز متماثل:

uint16_t estimate = 2048;

void decode_bit(uint8_t bit) {
 if (bit) {
 estimate += step;
 } else {
 if (estimate < step) estimate = 0;
 else estimate -= step;
 }
 // output estimate to DAC or store
}

هذه الحلقة تستغرق أقل من 20 دورة من وحدات التصوير المقطعي لكل عينة، مما يجعل 99% من نطاقات وحدة التحكم في الأمراض بدون مقابل لمهام أخرى، ويمكن تخزين مجرى الإنتاج إلى رقاقة ومضة أو نقلها بواسطة جهاز (أورت)

الاتجاهات المستقبلية: تعديل دلتا في Era

ومع توسع شبكة الإنترنت للأشياء، سيلزم أن تبلغ بلايين أجهزة الاستشعار البيانات بكفاءة، وتوفر مجموعة من أجهزة الاستنشاق البديلات مكاناً لطيفاً للبروتوكولات اللاسلكية غير المزودة بالقدرات العالية مثل لو راواين، حيث يمكن لكل مجموعة من الحزمة أن تحمل بضع مئات من البوابات، وبضغطها على جهاز الاستشعار في سلسلة من التغييرات ذات المدار الواحد، يمكن للأجهزة إرسال المزيد من العينات لكل عبوة، مما يقلل من عدد البطاريات.

منطقة ناشئة أخرى هي أخذ العينات التي تحركها الأحداث ] حيث يقوم جهاز الاستشعار بإرسال البيانات فقط عندما تتغير الإشارة إلى ما وراء عتبة، وطريقة السحب الخاصة بـ دلتا هي تغيرات ذات أثر ملازم، ودمج الإدارة القائمة على الأحداث يمكن أن يزيد من تخفيض حجم البيانات.

وتتيح التطورات في تصميم نظام FPGA وASIC تنفيذ مصممي الدلتا كضوابط مكرّسة، واستهلاك مواه دقيقة من الطاقة، وتظهر هذه النواقص في المكتبات التي تستخدمها شركات سوكات العرف التي تستهدف الادخار الطبي أو العلامات البيئية.

وفي حين أن تعديل الدلتا لن يحل أبدا محل رموز الأداء العالي لبث الموسيقى أو الفيديو، فإن مكانه في نظم مزروعة بأدنى الموارد لا يزال آمنا، فالمهندسين الذين يفهمون مبادئه يمكنهم فتح مكاسب كبيرة في الكفاءة في تصميمهم المقبل.

خاتمة

ويوفر تعديل الدلتا نهجا مبسطا لتخزين الإشارات الرقمية في الأجهزة المدمجة، إذ أن مطالبها المنخفضة في الحاسوب، واستخدام الذاكرة بكفاءة، وتنفيذ المعدات البسيطة يجعلها جذابة للتواصل الصوتي، وقطع أجهزة الاستشعار، والتصنيع البيولوجي، ويجب على المهندسين أن ينظروا بعناية في المفاضلة بين التفريغ المفرط للكميات والضجيج الجمركي، وكثيرا ما يكيفوا حجما مع الإشارات الدينامية.

For deep technical background, see the Wikipedia article on delta modulation and the Analog Devices technical guide[FLTU:3]. Implementation details for adaptive schemes are covered in Jayant's traditional paper on adaptive delta modulation[6]