אסטרטגיות לשיפור טווח דינמי של מערכת שינוי דלתא

יסודות דלתא משתנים

(DM) היא שיטה פשוטה אך יעילה להמירת אותות אנלוגיים לייצוגים דיגיטליים.זה משיג את ההבדל בין דגימות מוצלחות ולא ערכי הדגימה המוחלטים. גישה זו מפחיתה מורכבות ודרישות רוחב פס, מה שהופך את DM אטרקטיבי עבור יישומים החל מרמות הטלקומוניקציה לעיבוד אודיו.

במאמר זה, אנו חוקרים אסטרטגיות מוכחות להרחיב את הטווח הדינמי של מערכות המודולציה דלה.אנחנו לבחון את המצע התיאורטי של כל גישה, לדון ביישום המעשי שלהם, ולשקול את ההשתכרות המסחריות שלהם.עד הסוף, הקוראים יהיו מפת דרכים ברורה לבחירת וליישם טכניקות שמתאימות בצורה הטובה ביותר לדרישות היישום הספציפיות שלהם.

הבנה של טווח דינמי ב- Delta Modulation

טווח דינמי בכל מערכת מודולציה מוגדר בדרך כלל כיחס של אות מקסימלית amplitude אות מינימלי שניתן לקודד באופן אמין.עבור דלה מודולציה, הטווח הדינמי קשור באופן חד-משמעי לשני פרמטרים מרכזיים: גודל הצעד ( ⁇ ) ואת תדירות הדגימה (fLT:0sFLT:1).

דמות נפוצה של ערך היא היחס בין FLT:0 ל-noise (SNR)cioFLT:1, אשר מסמיך את נאמנותו של האות המשוחזר ביחס לרעש הקוונטי.במודולציה ליניארית קלאסית, SNR הוא בערך ביחס לקוביית תדר הדגימה, אך מערכת יחסים זו רק מחזיקה כאשר הגודל שנבחר באופן אופטימלי לדרגה בינונית, אם הוא נמוך מדי, הוא לא יכול להיות שונה מדי, אם הוא שלב קטן מדי, בין גודלו של מנגנונים מהירים מדי.

(בלטינית: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

אם אי שוויון זה מופר, המנטרול נכנס לעומס המדרונות ואת הגלום המשוחזר הופך להיות מוקרן ומעוותת. . . . . verse.converse, כאשר ה- Emplitude קטן מאוד, המנטר מייצר סדרה של שינוי + ⁇ ו - צעדים ⁇ , יצירת דפוס רעש המכונה טון idle או רעש גרניט.

המטרה של כל אסטרטגיה לשיפור טווח דינמי היא להרחיב את אזור ההפעלה הזה, או על ידי התאמת גודל הצעד כדי להתאים את הקלט, על ידי הגדלת קצב הדגימה, או על ידי שימוש בטכניקות עיבוד מראש המעמידות את האות לפני המודולציה.

אסטרטגיות לשיפור טווח דינמי

מהנדסים וחוקרים פיתחו מספר שיטות יעילות לדחוף את הטווח הדינמי של תצורה דלה מעבר לגבולותיה הילידים.כל שיטה מתייחסת לסחר בסיסי בין יכולת מעקב של מדרונות לבין רעש קוונטי.הסעיפים הבאים מתארים את הטכניקות המעשיות והמאומצת ביותר.

1.הגדלה של גודל הצעד

הגישה הפשוטה ביותר להרחיב את יכולת הטיפול של amplitude של מודולטור דלה היא להגדיל את גודל הצעד הקבוע ( ⁇ ) צעד גדול יותר מאפשר את המנטר לעקוב אחר מדרונות קלט תלולים יותר, ובכך לעכב את תחילת של עומס יתר של מדרונות.עם זאת, רווח זה מגיע עלות: כוח הרעש הקוונטי עולה במידה רבה יותר ל- ⁇ 2, אשר מעלה ישירות את רצפת הרעש.

בפועל, באמצעות גודל קבוע גדול יותר מומלץ רק כאשר אות קלט ידוע שיש לו אמפליטודה מינימלית גבוהה. עבור יישומים למטרות כלליות, אסטרטגיה זו מחסחסמת את הטווח הדינמי היעיל בקצה הנמוך. כתוצאה מכך, שיטות קבועות משמשות לעתים רחוקות לבד במערכות מודרניות במקום, הם משמשים כמחסום בנייה עבור גישות הסתגלות יותר.

(ב) ⁇ :0Trades: FLT:1 פשוט ליישם, אבל ביצועים נמוכים-אמפלוטיים עניים.

שלב ההסתגלות של דלתא משתנה (ADM)

התאמת תצורה של אטה היא השיטה הבולטת והיעילה ביותר לשיפור טווח דינמי.על ידי התאמה מתמדת לגודל הצעד המבוסס על המאפיינים של אות קלט, מערכות ADM יכולות לשמור על רצפת רעש נמוכה עבור מעברים שקטים תוך מתן השלבים הגדולים הדרושים כדי לעקוב אחר טרנסים חזקים.כלל ההתאמה הוא בדרך כלל מונע על ידי דפוס של פלט הזרם: רצף של 1s רצופים או 0 מציין כי המנטרל נאבק כדי לשמור על צעד קבוע, כדי לשמור על צעד קבוע, שבו יש צורך צעד קטן יותר, במקום שבו הוא צורך צעד קטן יותר.

קיימים אלגוריתמים רבים ליישום ADM, כולל:

(FLT:0) הסתגלות צעד אחריות לצעד 1 (FLT:1), גודל הצעד מוכפל על ידי גורם קבוע לכל נקודה שווה ברציפות, ומתפצל על ידי גורם אחר לכל שינוי.
(ב) ⁇ :0) ,התאמת צעדה (ב) - גודל הצעד מופרש או מצטמצם על ידי כמויות קבועות, המציע מעברים חלקה יותר אך לאט לאט לאט לאט לאט לאט.
(FLT:0) מודולציה דלתא עם זיכרון אחדביטה 1:1 - לוגיקה הסתגלות משתמשת רק את הפלט הנוכחי והקודם כדי להחליט את ההתאמה של הצעד, לפשט את יישום החומרה.

אחד קלאסי ADM גרסה הוא FLT:0 â € ¢ מובנים משתנה סלופה דלתא Modulation (CVSD) FLT:1, בשימוש נרחב יישומי אודיו צבאיים ומקצועיים. CVSD משתמש אלגוריתם הסתגלות אקספוננציאלית שיכול להשיג טווחים דינמיים מעל 60 dB, הרבה מעבר 20-30 dB טיפוסי של DM ליניארית, המחיר בתשלום עבור ביצועים אלה הוא גדל פוטנציאל גבוה יותר ופוטנציאל עבור פתרון מהיר, אשר יכול להציג שינויים מהירים, אשר יכול להציג שינויים מהירים יותר אם לא ניתן להציג באופן ברור אם לא ניתן להציג באופן זהיר.

שיטות הסתגלות הופכות למעשה את מערכת DM מקודמת ברזולוציה קבועה לתוך קוהסי-לוגרית קוונטית, התאמת הרגישות של האוזן האנושית לשינויים יחסיים והופכים אותם אידיאליים עבור דיבור וקידוד אודיו.

(ב) [15] , עיין ב[[1924]] ב[[1924]], ב[[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]

3.Oversampling

במקרים רבים גבוה יותר מאשר תדירות Nyquist - הידוע בשם oversampling - הוא טכניקה חזקה כדי לשפר את טווח דינמי של כל מערכת קוונטיזציה, כולל דלה מודולציה. עם oversampling, טעות קוונטית מתפשטת על פני רוחב פס רחב יותר, ואת כוח הרעש בתוך פס מופחת על ידי יחס oversampling (OSR נוסף, מספר גדול יותר של דגימות לשנייה מאפשר מעקב אחר מדרונות יכול לעקוב אחר שינויים מהירים יותר.

עבור גודל קבוע של צעד, הכפלת שיעור הדגימה יכולה לשפר באופן תיאורטי את ה-SNR על ידי בערך 3 dB (או 0.5 סיביות של החלטה) עם זאת, היתרון האמיתי של oversampling הוא ברור ביותר בשילוב עם FLT:0noise designFLT:1, כמו גם מדגמים של sigma-delta (ממוקדים בסעיף 3.5).

מערכות DM מעשיות פועלות לעתים קרובות בשיעורי דגימה בין 8 ל-64 פעמים קצב Nyquist.המסחרי-off הוא עלייה בשיעור הנתונים ודרישות מהירות החומרה.ביישומים שבהם רוחב פס בשפע אבל פתרון אמפולדי הוא קריטי, oversampling הוא פתרון פשוט ויעיל.

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

4 טכניקות הגשה

Companding (התרחבה) היא טכניקה אנלוגית קלאסית לעיבוד מותאמות עבור מערכות דלה מודולציה.הרעיון הוא לדחוס את הטווח הדינמי של אות קלט לפני מודולציה ולאחר מכן להרחיב אותו לאחר ההדגמה. Compression מפחית את יחס שיא-לממוצע, המאפשר את המנטרולטורף לפעול עם גודל קבוע כי מתאים עבור טווח הדם המקורי, לאחר שחזור מערכת יחסים קצר יותר.

עקומות סטנדרטיות, כגון חוק ה ⁇ ו- A-law המשמש בTelephony, הן פונקציות הינאריותתיות להקצות יותר רמות קוונטיות לדגימות נמוכות ופחות למזומנים גבוהים.כאשר מוחל על דלה מודולציה, היתרון הוא כפול: מדרון הופך פחות סביר כי קיצוניות amplitude הם מועשרים, ורעש נפוח הוא מופחת כי הוא פחות זמן (בגודל יעיל יותר).

השלמת ניתן ליישם לחלוטין בתחום האנלוגי לפני המנטרולטור, או דיגיטלית אם הקלט כבר בפורמט דיגיטלי.ה החיסרון העיקרי הוא הוסיף מורכבות מערכת ועיוות פוטנציאלי ממשטחים / מתעקלים שלא תואמים.עם זאת, עבור קול ויישומים אודיו, גישה זו הוכחה חזקה וסטנדרטית בקודים רבים.

5.הוריון ההולידי

שילוב של מודולציה דלתא עם טכניקות מודולציה אחרות יכול למנף את נקודות החוזק של כל אחד כדי להשיג טווח דינמי טוב יותר מאשר שיטה לבד.ה היברידית הבולטת ביותר הוא FLT:0sigma-delta ( ⁇ - ⁇ - ⁇ ) ModulationFLT:1 במגוון דינמי מאוד (Digma-delta Modulator), הקלט הוא הראשון משולב (hingma) לפני להיות מתואם את הדינמיקה דיגיטלית, כלומר, כלומר, כלומר, עם דינמיקה זו, דינמיקה (Deltrat) עם דינמיקה גבוהה יותר, סימולציה, סימולציה) עם דינמיקה (Deldigma) עם סימולציה סימולציה (Deldulator) עם סימולציה) עם דינמית יותר, דינמיקה (Deldigma) עם סימולציה) סימולציה גבוהה יותר, ⁇ , סימולציה, , , סימולציה (Deldigma) עם , דינמית יותר, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בניגוד למודולציה פשוטה של דלה, ממיר sigma-delta אינו מקודש ישירות את המדרדר; במקום זאת, הוא מקודש את האות עצמו, ואת מסנן decimation משחזר את האמפולדה.המסחר-off הוא גדל עיבוד דיגיטלי ומזל, אבל מעגלים משולבים מודרניים לעשות גישה זו מעשית מאוד.היום, הרוב המכריע של המרה אנלוגי-ל-פרו-דיגיטליים (ADC) שימוש באדריכלות מסוימות.

גישות היברידיות אחרות כוללות את ה-FLT:0 (0) sigma ModulationFLT:1 (המיקום האינטגרציה הפוך) ו-FLT:2 אדישות הדופק-קוד קוד (DPCM) MPEGFLT 3 עם קוונטיזציה מתאימה. DPCM, בעוד לא רק דלה מודולוציית, חולק את העיקרון החיזוי, והוא יכול להיות מורחב למולטי-ביטים עבור טווח דינמי יותר.

עבור מהנדסים המבקשים את הטווח הדינמי האולטימטיבי, תוכניות היברידיות מציעות את הביצועים הטובים ביותר, אבל הם דורשים עיצוב מערכת זהיר ומשאבים חישוביים גדולים יותר.עם זאת, הם מייצגים את מצב האמנות בשרשרת עיבוד אותות נאמנות גבוהה רבים.

(ב) ניתן למצוא קישור מיוחד: 1 (FLT:1) מדריך מעולה על sigma-delta ADCs ניתן למצוא בכתובת FLT:2 Maxim Integrated's application Note on sigma-delta ConvertersFLT 3.

השוואת טכניקות ומסחר-Offs

כל אחת מהאסטרטגיות שתוארו לעיל מציעה יתרונות נפרדים וכפות פעולות מסחר ספציפיות.השולחן הבא מסכם גורמים מרכזיים לשקול בעת בחירת גישה:

Technique	Dynamic Range Improvement	Complexity	Data Rate Impact	Best Application
Larger fixed step size	Moderate (high end only)	Low	None	Signals with known high minimum amplitude
Adaptive delta modulation	High (both ends)	Moderate	None (1-bit output)	Speech, audio, general-purpose
Oversampling	Moderate (both ends)	Low (analog) / Moderate (digital)	Increases linearly with OSR	Bandwidth-rich environments
Companding	High (both ends)	Moderate (analog/digital preprocessing)	None	Telephony, voice compression
Hybrid (e.g., Σ-Δ)	Very high (both ends)	High	Higher (multi-bit output)	High-resolution ADCs, audio

בפועל, מערכות רבות משלבות שניים או יותר של טכניקות אלה.לדוגמה, מנטרול של sigma-delta משתמש באופן טבעי על oversampling ורעש עיצוב (צורה של היברידית), והוא עשוי גם לשלב אלמנט הסתגלות בכמה יישוםים.הבחירה תלויה בסופו של דבר במגבלות היישום: צריכת חשמל, עלות, מורכבות, איכות אותות.

שיקולים מעשיים ויישומים

שיפור הטווח הדינמי של Modulation דלה אינו רק פעילות תיאורטית; יש לו השלכות ישירות על מערכות בעולם האמיתי.בתקשורת אלחוטית, שבו רוחב פס מוגבל ויעילות כוח הוא רב-חשיבות, הסתגלות של תצורה (ADM) משמש בכמה רדיוים צבאיים וקישורים קוליים מאובטחים.אלגוריתם CVSD, למשל, הוא חלק מ- נאט"ו"ו עבור שידור קולי דיגיטלי (STAN4198).

אודיו, המעבר מ DM פשוט להמרה של sigma-delta מהפכה הקלטת אודיו דיגיטלית ו- Playback. אודיו מודרני ADCs ו DACs להשיג מגוון דינמי של 120 dB או יותר, המאפשר טווח דינמי רחב דרש על ידי פורמטים ברזולוציה גבוהה כמו 24bit / 666 kHz.הטכנולוגיות הותאמות עבור יישומים מדויקים, כגון חישה סיסמיכות, שבו שניהם לכידת ענק דורש זעזועים גדולים דורש דינמית.

בעת יישום אסטרטגיות אלה, מעצבים חייבים גם לשקול את שעון הדגימה ג'ייטר, אשר יכול להפיג את SNR, במיוחד במערכות מופרכות.בנוסף, מעגלים אנלוגיים חייבים להיות מתוכנן בקפידה כדי למזער רעש תרמי ועיוות שיכול להגביל את טווח דינמי אמין אי-אפשרי לפני המנטרול אפילו רואה את האות.

היבט מעשי נוסף הוא המסחר בין צו סינון לולאה (במודולטורים של sigma-delta) ויציבות. עיצוב רעש סדר גבוה יותר יכול לדחוף יותר רעש מתוך הלהקה, אבל זה גם סיכונים חוסר יציבות אם רווח לולאה אינו נשלט כראוי.טכניקות הסתגלותיות עלולות להחמיר את הסיכון הזה אם גודל הצעד משתנה באופן פתאומי מדי.

מסקנה

טווח דינמי של מערכות מודולציה דלה יכול להיות מורחב משמעותית באמצעות שילוב של צעד הסתגלות, oversampling, companding, אדריכלות היברידית.כל שיטה מציעה איזון ייחודי בין מורכבות, עלות וביצועים. עבור יישומים מורכבים נמוך, התאמה דלטה מודולציה עדיין את הטכניקה המעשית ביותר, המספקת עד 60B של טווח דינמי עם חומרה מינימלית על פני דרישות, עבור דינמיקה נמוכה יותר, 000 דינמיקה או דינמיקה של דינמיקה גבוהה יותר.

על ידי הבנת הסיבות השורשיות של רעש גרפיטי ועומס מדרונות, ועל ידי יישום האסטרטגיות המפורטות כאן, מהנדסים יכולים לעצב מערכות של דלה מודולציה כי להתמודד באופן אמין עם ספקטרום רחב של אותות amplitudes. בין אם המטרה היא לדחוס קול עבור רדיו נמוך פסדתי, להקליט אודיו סימפטוני, או ללכוד אירועים מיקרו-סוציאליזם, השילוב הנכון של טכניקות יבטיח כי ייצוגים דיגיטליים לשמר את המקור.