הבנת תפקיד של גודל הצעד ב- Delta Modulation

(DM) היא טכניקה פשוטה אך עוצמתית להמיר אותות אנלוגיים רצופים לתוך bitstream דיגיטלית.בניגוד לתכניות מורכבות יותר כגון Modulation הדופק-קוד (PCM), DM מקודמת רק את ההבדל (ה-FLT:0deltaFLT:1), בין דגימות יעילות ולא את ה- Amplitude המוחלט.

(ה) פרמטר מרכזי השולט בהתנהגותו של מודולול (Deta Modulator) הוא ה-FLT:0step SizeFLT:1 (ראה FLT:2 ⁇ FLT 3: 3) ערך זה קובע כמה ההערכות המקומיות נעות בכל מחזור שעון.גודל צעד קטן מאפשר את ההערכה לעקוב אחר וריאציות עדינות עם דיוק גבוה, אך הוא אינו יכול לשמור על שינויים מהירים, המוביל ל-Flopird (ד') על פני 2.

גודל קבוע: Inherent Trade-Offs

רבים ממודולים מוקדמים של דלה השתמשו בגודל קבוע של צעד, שנבחרו להכות פשרה בין דיוק לטווח דינמי. כאשר גודל הצעד קטן מדי, המנטרטור אינו יכול לעקוב אחר עלייה או ירידה של אות קלט; ההערכה "התגבות מאחורי", ואת הפלט נשאר לרוץ של אותות זהים מדי בעוד השגיאה מצטברת.

במערכת קבועה של שלב, על המעצב לבחור את גודל השלבים:0ib ⁇ FLT 1:1 המבוסס על הסטטיסטיקה הצפויה של קלט. עבור אותות קוליים, פשרה טיפוסית עשויה להשתמש בגודל של כמה מ"ל מ"ל בקצב דגימה של 8-10 kHz, אך אותות בעולם האמיתי הם לעתים נדירות נייחים: דיבור מכיל גם קטעים שקטים ו plosive חזק, ועלולים לכלול גם נתונים קבועים אחד עבור פרק זמן אחד בלבד.

שיטות מותאמות

הסתגלות של דלה משתנה באופן דינמי בגודל הצעד על פי ההתנהגות האחרונה של האות.הרעיון המרכזי הוא להגדיל את ה-FLT:0 ⁇ FLT:1 במהלך תקופות של שינוי מהיר (כדי להימנע מעומס יתר על פני המדרונות) ולהקטין אותו במהלך מרווחי דיוו (כדי להפחית רעש גרניט). מגוון רחב של אלגוריתמים הוצעו, החל מחוקים פשוטים המבוססים על לוגיקה ועד לפילטרים מתוחכמות.

הסתגלות מבוססת שגיאות

הגישה הפשוטה ביותר היא לעקוב אחר ההבדל בין הקלט לבין האות המשוחזר (טעות הקוונטית) אם השגיאה היא גדולה באופן עקבי ובאותו סימן, המנטרן מתפזר את גודלו של המדרון עולה את גודל הצעד.אם השגיאה משתנה בסימן (למציין התנהגות שונה), גודל הצעד מופחת.

סלייפ Overload

משפחה נוספת של אלגוריתמים מזהה ישירות את המרפק המדרונות על ידי ספירת ביטים תפוקה זהים רצופים. A ארוכה של אלה (עבור מדרדר חיובי) או אפסים (מדרונות שלילית) אותות שהאות עולה או נופל מהר יותר מהצעד הנוכחי יכול לעקוב אחר זה.כאשר זה רץ עולה על סף, גודל הצעד מוכפל על ידי גורם גדול יותר מ אחד.לאחר שינוי בכיוון, הגודל יורד בהדרגה.

שיטות היברידיות וחיזוי

תוכניות מתקדמות יותר להתאמה משלבות אינדיקטורים מרובים.לדוגמה, מערכת עשויה להשתמש הן בגודל השגיאה המיידי ואת ההיסטוריה של bit-pattern כדי למקם גודל חדש צעד.חלק מהעיצובים משלבים AFLT:0leaky integrator 1 או מסנן דיגיטלי להתאמה חלקה ולצמצם את הביצועים החיזויים עוד יותר על ידי ערכים ליניאריים המבוססים על אותות חישוביים גבוהים יותר.

החלפת סלופה דלתא משתנה (CVSD)

צורה מוכרת ידועה של התאמת DM היא FLT:0 (CVSDFelopleLT:1 ), (שהופך משתנה משתנה לחלוטין של מערכת תקשורת קול צבאי ומקצועי (למשל, 16-kbps Shift אקספוננציאלי CVSD codec) בקוד CVSD, גודל הצעד הוא גדל בכל פעם שלוש או יותר פיסות זהות ניתן לזהות את גודל נמוך לאחר מכן קצר יחסית לדרגה נמוכה של שימושית של 0D).

אופטימיזציה קריטריה עבור שלב גודל הסתגלות

אופטימיזציה של גודל הצעד במערכת הסתגלות של דלה מודולציה כוללת איזון מספר מדדי ביצועים:

  • (ב) [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה]]]]] [ה]]]]], [ה]], [ה]]]]]][ה]]]], היחס של כוח האות המקורי לרעש שהוצג על ידי הטיהור והעומס.
  • (FLT:0) טווח דינמי:FLT:1, טווח האותות עולה על אשר המנטרול שומר ביצועים מקובלים.
  • (ב) [ה]ההתדרות: [ה]: כמה מהר המנטרול יכול להגיב לשינויים פתאומיים בקלט. תגובה מהירה יותר מפחיתה שגיאות טרנספורמטיביות, אך עלולה להגביר את הרעש במצב יציב.
  • (FLT:0) ,Bit Rate: 1FLT) בעוד DM תמיד מפצה קצת אחת למדגם, לוגיקה הסתגלות עשויה לדרוש יחס מגובה מסוים כדי לתפקד ביעילות.

אלגוריתם ההסתגלות של שלב אופטימלי תלוי ביישום. עבור אודיו בזמן אמת, התפיסה האנושית של רעש היא לא ליניארית: מאזינים הם יותר סובלניים של רעש גרניטארי גבוה מאשר של ספיגה יתר של מדרדרונות, ומכאן, אלגוריתמים אשר להגדיל באופן אגרסיבי את גודל הצעד כדי להימנע עומס יתר - אפילו על חשבון רעש גרפי - לעתים קרובות לייצר צליל סובייקטיבי יותר טוב יותר.

השפעה על איכות האות: מבט עמוק יותר

בחירת וקידוד גודל הצעד משפיע ישירות על איכות האות המשוחזרת.עם צעד קבוע בצורה גרועה, הפלט עשוי להכיל עיוותים בלתי ניתנים לזיהוי: איכות "המטושטשת" מרעש גרניט במהלך מעברים שקטים וצליל "המורכב" או "מפרק" במהלך טראנסים מדרדרונות יתר.

חידושים של Granular Noise

רעש גרנורי מתרחש כאשר גודל הצעד גדול מדי ביחס לריאציות הנאות של האות. אלגוריתמים הסתגלותיים שהורדת את גודל הצעד בתקופות של פעילות נמוכה יכולה להפחית את הרעש הזה על ידי גורם של 10 או יותר (במונחי כוח) בהשוואה לצעד אופטימלי קבוע. in CVSD, גודל הצעד המינימלי נקבע בדרך כלל רק מעל לרמת הרעש במערכת, כך שהמודולטור אינו הופך לא יציב.

ביטול של SLISO Overload Distortion

עומס סלייפ הוא אולי הצורה המזיקה ביותר של עיוות כי זה מצלם את האות amplitude. על ידי הגדלת גודל הצעד כאשר עומס מזוהה, מודולים אדפטיים יכולים לעקוב אחר מדרונות תלולים שאחרת יוטבעו. זה משמר את התוכן התדירות של האות ומונע את אפקט "מפט" רק במודולטורים קבועים.

סחר בין דמוקרטיה ומהירות

שום אלגוריתם הסתגלות הוא מושלם.מערכת שעולה על גודל הצעד אגרסיבי מדי עלולים overshoot ולהציג טבעת, במיוחד אם האות משתנה כיוון מיד לאחר עומס יתר. verse, אלגוריתם שהוא שמרני מדי עלול להיכשל למנוע עומס יתר לחלוטין.רוב עיצובים מעשיים משתמשים בהיסטריה ודעיכה אקספוננציאלית להחלפה חלקה.לדוגמה, גודל הצעד עשוי להיות מוכפל על ידי גורם של 1.5 במהלך גילוי, ולאחר מכן עם 7 פעמים של יציבות מהירה.10.

שיקולים מעשיים

יישום של מודולר שלב מותאם של חומרת דלתא דיגיטלית או תוכנה דורש בחירה זהירה של פרמטרים:

  • (FLT:0)Sampling Rate: 1) יחסים גבוהים יותר של oversampling לתת את המנטרלטור יותר הזדמנויות כדי להתאים את הצעד ולהקטין את רעש הקוונטי.שיעורים אופייניים הם 8× ל-64 × תדירות Nyquist.
  • (FLT:0) גודל טווח: גודל גודל: 1 (FLT:1) המינימום והמקסימום המותר מדרגות חייב להיות נבחר כדי לכסות את דינמיקת האות הצפויה מבלי לגרום לאי יציבות. הטווח נקבע בדרך כלל על ידי ההחלטה של DAC פנימי או מכפיל דיגיטלי.
  • (FLT:0) מהירות ההפלה: 1FLT:1, הזמן קבוע של לוגיקה של עדכון גודל הצעד משפיע על הקופה בין תגובה חולנית לבין רעש יציב של מדינה. התקפה מהירה (עלייה מהירה) הוא רצוי, אבל דעיכה איטית מונעת תנודות מופרזת.
  • (FLT:0) Noise Shaping: 1FLT) מערכות ADM מתקדמות עשויים לשלב לולאה משוב בעיצוב רעש הדוחק רעש קוונטי לתוך להקות תדר פחות סביר, הרבה כמו מנטרולטורים של Sigma-delta.זה מטשטש את השורה בין DM ו- sigma-delta Modulation.

כאשר נעשה שימוש בתוכנה, אלגוריתם ההסתגלות יכול להיות מושג עם מכונה פשוטה המדינה כי מצטבר או מקלקל נגד שליטה בגודל הצעד. טבלאות מבט להאיץ חישוב. עבור מערכות משובצות בזמן אמת, ניתן לסנתז את ההיגיון במספר קטן של פרוסות FPGA או שערי לוגיקה.

השוואה עם טכניקות אחרות

Modulation דלתא לעתים קרובות בהשוואה למודולציה הדופק (PCM) ו- sigma-delta Modulation (SDM) עבור קצב מסוים מסוים, DM בדרך כלל משיג נמוך יותר SNR מאשר PCM בשל ה- יחיד-bit שלו, אבל התאמת DM יכול להתאים או לעלות על איכות PCM בקצב נמוך מאוד (למשל, 16 kbps עבור דיבור יחיד, שימוש קולי נמוך יותר, אך ורק עם DXbit נמוך יותר).

המחקר גם הפיק תוכניות היברידיות כגון FLT:0 (Dupative Differential Pulse-Code Modulation (ADPCM)FLT:1, המשלבת מולטי-bit קוונטין עם גודל של צעד הסתגלות וחיזוי. ADPCM (למשל, G.726) מציעה איכות טובה יותר מאשר DM בשיעורי bit ביניים (3-64bps) אבל דורש עיבוד נוסף עבור הפתרון הפשוט ביותר, אך הוא עדיין לאנטי, אך עדיין מספק פתרון אלגנטי.

דוגמאות ל- Real-World

גודל שלב אופטימיזציה של דלה מודולציה משמש במגוון תחומים:

  • (FLT:0Military and Secure Communications:FLT:1 , CVSD codecs (כגון האריס AN/PRC-152) פועל ב-16 או 32 kbps והם עמידים לרעש ערוצים וקידוד.גודל הצעד ההסתגלוי מבטיח דיבור בלתי-סביר גם בתנאים שליליים.
  • (FLT:0)Radio Telemetry:FLT:1ir נתונים חיישן מרחוק בתעופה ניטור תעשייתי מועבר לעתים קרובות באמצעות DM כדי למזער כוח ורוחב הפס. גודל שלב הסתגלות מאפשר למערכת להתמודד עם מגוון רחב של אותות מחיישנים שונים.
  • (FLT:0) קודרים קול דיגיטלי מוקדם:FLT:1 אלגוריתם CVSD שימש בטלפון מאובטח של בריטניה ובכמה מערכות הצפנה קוליות מוקדמות.
  • (FLT:0) הדגמה של שדים:FIRLT:1) דלתא מודולציה היא נושא קלאסי בקורסים תקשורת דיגיטלית.סטודנטים יכולים ליישם אלגוריתמים מתאימים על מיקרו-בקרים כדי לדמיין את ההשפעה של גודל צעד על שחזור אותות.

(ב) יישום מחקר ידוע אחד הוא ה-FLT:0 song-Gray מתאם של דלה מודולרלמפוס 1:1, אשר הפך למדד עבור דיבור נמוך קידוד לאחרונה, אלגוריתמים בהשראת DM כבר הוחלו על ידי FLT:2neural ⁇ FLT 3: ו-FLT:4t- אפילו לא מבוסס מצלמות:5, שבו יש התאמה דינמית.

כיוונים עתידיים ומחקר

המחקר הנוכחי במודולציה דלה מתמקד בשיפור אלגוריתמים של עיבוד באמצעות למידת מכונה ושליטה לא ליניארית.רשתות נילי יכולות ללמוד התאמות בגודל שלב אופטימלי לשיעורי אותות ספציפיים (למשל, אודיו, ECG, רטט) בנוסף, שילוב DM עם FLT:0compressive sensingFLT:1 מאפשר דגימה מתחת לשיעור Nyquist כאשר אות הוא ספארי, בעוד התאמה יעילה עוזר לשמור על גודל fidelial.

אזור מבטיח נוסף הוא (FLT:0) כוח דלתא מודולציה 1 עבור חיישנים באינטרנט-of-Things (IoT) על ידי אופטימיזציה של גודל השלבים ושימוש בהסתגלות אנרגיה-מודע, מכשירים יכולים להעביר נתונים משמעותיים ברמות כוח מיקרו-וואט.

מסקנה

גודל הצעד הוא knob קריטי הקובע את הביצועים של מערכת מודולציה דלתא. גודל צעד קבוע כוח פשרה בין דיוק לטווח דינמי, המוביל רעש קרוע או עומס יתר על המידה. טכניקות גודל צעד הסתגלות - בין אם פשוט bitpattern זיהוי כמו ב- CVSD או יותר מתוחכם שגיאות מבוסס שגיאות - שיפור משמעותי על ידי התאמה דינמית של הצעד להתנהגות המקומית של האיתולטיביתולטיבית, ו-Stratual optimization יעיל יותר ויותר, תלוי ב-Ricial של שיטות חישוביות, תלויות של יעילות, ו-S.