הבנת דלתא משתנה ותפקידה של Oversampling

(DM) היא טכניקה בסיסית לעיבוד אותות דיגיטליים המשמש לקוד אותות אנלוגיים לתוך bitstream דיגיטלי.בניגוד לקוד הדופק מודולציה (PCM), אשר מדמה את האמרה המוחלטת של כל דגימה, דלה מודולציה קוונטית מאמת את ה-FLT:0differenceFLT:1 בין דגימות מוצלחות. גישה זו שונה מייצרת 1 סיביות פשוט לפלט, המציין אם זה נמוך יותר, או נמוך יותר, כלומר, כלומר, תכונות אלקטרו-סגולות, כגון פשטות, כגון פשטות, או מורכבות אופטית, או מורכבות אופטית, או פשטות, או פשטות, כלומר, כלומר, כלומר, כגון פשטות, כגון פשטות, כלומר, כלומר, כגון פשטות, פשטות, 000.

גורם קריטי השולט בביצוע של מודולר דלה הוא שיעור הדגימה יחסית רוחב הפס של אות קלט.FLT:0OversamplingFLT:1 - דגימה בקצב הרבה פעמים גבוה יותר מאשר קצב ניקוויקט - באופן ישיר משפיע על שני מדדי ביצועים מרכזיים: יעילות (הגדרו כיחס של כוח לרעש) ופתרון הקוונטי (היכולת למזערית של מדרונות פשוטים) על ידי הגדלת יחס של רעש (דפסדונות).

מאמר זה מספק ניתוח מעמיק של איך oversampling השפעות דלה מודולציה. אנו לחקור את היסודות המתמטיים, פעולות מסחר מעשי, יישום בעולם האמיתי, כולל הסתגלות דלה מודולציה וממירים של sigma-delta.

יסודות של Delta Modulation

אדריכלות בסיסית

(ב) , (ב) , מדרש (ב) הוא מדרש (ב) ,ב[[המאה ה', [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[[[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]] [[[[1924]]]]

המונחים: Slope Overload

הביצועים של מודולר דלה בסיסי מוגבלים על ידי שני מנגנוני רעש נפרדים:

  • (FLT:0)Granular noiseFLT:1 (נקרא גם רעש idle-channel): Occurs כאשר אות הקלט הוא כמעט קבוע.המודולטורים בין + ⁇ ו מדרגות ⁇ , לייצר דפוס טיפוסי "הההההההשמדה" המופיע כרעש אקראי נמוך סביב רמת הקלט DC.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

שני מקורות הרעש הללו מושפעים ישירות משיעור הדגימה (FLT:0f sigsFLT:1) מאפשר את גודל הצעד ⁇ להיות מופחת תוך שמירה על מדרון מעקב נתון, ובכך להפחית רעש גרניט.

Oversampling: Definition and Fundamental Principles

(ב) ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]

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

לדוגמה, אם אות עם רוחב פס 4 kHz הוא מדגם 256 kHz, ה- OSR הוא 32. יחס זה הוא פרמטר עיצוב שניתן לכוון לסחר בין רוחב פס וטווח דינמי.

(ה) התובנות המרכזיות של הדגימה בדלטה מודציה היא שכוח הרעש הקוונטי מתפשט באופן אחיד על רוחב הפס המפרק (מ- DC ל-FLT:0f s/2igFLT:1) משום שהאות תופס רק את רוחב הפס של Nyquist (FLT:2BFLT 3: 3), הרעש שנפל בתוך להקת האותות הוא רק חלק מהרעש הכולל של כוח קוונטי (FLT)

השפעה על Oversampling על יעילות

(FLT:0)EfficiencyFLT:1 בדלטה מודולציה נמדדת בדרך כלל על ידי יחס אות-ל-quantization-noise (SQNR) Oversampling ישירות משפר את SQNR על ידי הפצת הרעש הקוונטי על טווח תדר רחב יותר ולאחר מכן החל מסונן נמוך במהלך שיקום כדי לדחות רעש פסים.

רעש שפינג ו-In-Band Noise Reduction

(ב) ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] ב[[1924]]]]

(היחסים האלה הם יסודיים:0) כל הכפלת היחס oversampling נותן עלייה של 3 dB בשיא SQNRFLT 1 עבור ממודולטור 1-bit דלה פשוטה. בפועל, זה אומר שכדי להשיג רזולוציה גבוהה (למשל, 16-bit דינמי טווח), שכפול בסיסי ידרוש סימולציה גבוהה באופן לא מעשי, ולכן הוא מציע שיפור קידוד נוסף (F) כולל קידוד 2DVate (DV) נוסף של קידוד (DV)

סלייפ Overload Mitigation

(הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

השפעה על Oversampling על החלטה

(ב) [13] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מספר יעיל של ביטים (ENOB)

ההחלטה היעילה של מערכת המודולציה של ההרחבה של מערכת ה-SQNR היא כמות של bitsFLT:1 (ENOB), שמקורה ב-SQNR:

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

עבור מאמת מסדר ראשון (שכוללת מתווך לולאה בעיצוב רעש), SQNR משתפר על ידי 9 dB ל- octave של oversampling, מניב עלייה של 1.5 ביטים ל- octave. a Second-order Modulator משתפר על ידי 15B per octave, או 2.5 סיביות ל- octaerting octaer.

החלטה של זמן-

Oversampling גם משפר את ההחלטה הזמנית של האות המשוחזר.עם שיעור גבוה יותר, רכבת הדופק המייצג את האות המנוצב מכיל זמן רב יותר מצטברים.זה מאפשר מסנן שיקום להתנגשות מדויקת יותר בין דגימות, צמצום שגיאות ג'טר תזמון ושיפור הדלנות של טראנסים מהירים.

שינויים מעשיים ושיקולי תכנון

בעוד oversampling מציעה יתרונות ברורים, זה גם מציג אתגרים משמעותיים כי מהנדסים חייבים לנהל בקפידה.

מהירות שעון מוגברת וצריכת חשמל

שיעורי הדגימה גבוהים יותר דורשים שעונים מהירים יותר, אשר ישירות להגדיל את צריכת האנרגיה הדינמית במעגלים CMOS (עוצמה בקנה מידה בערך ליניארי עם תדירות עבור קיבול נתון) במכשירים מופעלים סוללות, יש לבחור לאזן את דרישות SNR נגד יעילות אנרגיה.לדוגמה, חיישן אלחוטי משדר נתונים קוליים עשוי להשתמש ב- OSR של 64 עם מודולטור הראשון כדי לשמור על קצב 1 מתחת ל- 12bit יעיל עם פתרון יעיל.

אחסון נתונים ו-Transmission Bandwidth

זרם הגלם ממודולטור דלה מיוצר בקצב הדגימה - קצת אחד לדגימה. A גבוה OSR ולכן מייצר שיעור נתונים גבוה מאוד. עבור אות אודיו 20 kHz המדגם ב 5.12 MHz (OSR= 128), שיעור ה bit הגולמי הוא 5.12 Mbps. בעוד זה יכול להיות מחוסן לשיעור נמוך יותר לאחר סינון דיגיטלי, זרם גולמי חייב להיות מועבר לסינון נמוך, או מכווץ בנק נמוך.

אנליסטים Front-End Constraints

הבורר והנספח במודולטור חייבים לפעול בקצב הדגימה המלא. תדרים גבוהים יותר להטיל דרישות מחמירות יותר על מוצר מגבר, שיעור סלוט, ויישב זמן. Parasitic capacitance ו inducive/resistor רשת יכול להציג שינויים שלב כי מקטין את יציבותו של המנטר, במיוחד בסדר גבוה יותר, ולכן לעתים קרובות יותר של רכיבי רשת אנפילות גבוהות יותר.

חזרה Diminish Returns

ככל ש-OSR עולה מעבר לנקודה מסוימת, הרווח המצטבר ב-SQNR הופך קטן יחסית למחיר.עבור מודולטור מסדר ראשון, הכפלת ה- OSR מ-64 עד 128 מניב שיפור 9DB, אך החל מ-256 עד 512 מניב את אותו מדד DB - אבל בקצב השעון גבוה מאוד, מקורות רעש אחרים (רעש כפול, כפול, כפול) ואפקטים, כפולים, החל מ- jcrema, כדי להשתמש ברעשים, כדי להפחית את הפחתת רעשים.

טכניקות מתקדמות של דלתא מודרנית

החלפת דלתא (ADM)

הסתגלות דלה מודולואלי מתאים דינמי גודל הצעד מבוסס על שיעור השינוי של אות קלט, הפחתת הרעש הטרוף וגם המרפק המדרונות.כאשר בשילוב עם oversampling, ADM יכול להשיג ליד-constant SQNR על פני טווח רחב של אותות קלט.גודל הצעד הוא בדרך כלל גדל כאשר ביטים רצופים הם אותו (מצביע על מדרון) וירידה במהירות כדי להגיב דיוק.

Sigma-Delta ( ⁇ ) Modulation

(הופנה מהדף Sigma-delta Modulation הוא האבולוציה המוצלחת ביותר של דלה מודולציה, בשימוש כמעט בכל מודרני ברזולוציה גבוהה של ADCs. זה מוסיף אינגרטור (או לולאה מסדר גבוה יותר) לפני ה- קוונטין, למעשה הטמיע רעש בעיצוב בתהליך המודולציה.R לולאה מסנן מגבירה את ההטבות הנמוכות (שם האנרגיה) בעודוריד גבוה יותר של מכשירי QFD.

Multi-Bit Quantization ו-Oversampling

ממירי sigma-delta משתמשים לעתים ב- Multi-bit פנימיים (למשל, 4bit או 5bit) במקום 1-bit קוונטין.זה מקטין את גודל הצעד הקוונטי ומפחית את רצפת הרעש הקוונטית הכוללת.כאשר בשילוב עם oversampling, multi-bit קוונטים קוונטים יכול להשיג רזולוציית גבוהה מאוד (מעל 20 ביטים) עם מערכת ההפעלה בינונית (g, 16.

ביקורת: Oversampling in Audio Delta Modulation

(ב) עיבוד קול וסאונד, ההרחבה של דלה מודולציה וגרסאותיה שימשו כבר עשרות שנים.דוגמה בולטת אחת היא ה-FLT:0adaptive Differential Pulse ModulationFLT:1 (ADPCM) (ITU G.726), אשר מקודמת אודיו ב-1632, או 40 kbps. ADP משתמשת ב- 4biter עם גודל סגסוגת אך לא נחוץ עבור אודיו (FD) ב-iFD2D.

שקול אודיו נאמנות גבוהה ADC תוכנן עבור רוחב פס 20 kHz.שימוש במודולטור של sigma-delta עם OSR של 64 (מדגם 2.56 MHz) ושנית צום רעש עיצוב, טיפוסי SQNR עולה על 100 dB, המקביל ל 16.5 סיביות פתרון יעיל.

מסקנה

Oversampling היא טכניקה עוצמתית שמשפרת באופן משמעותי הן את היעילות והן את ההחלטה של מערכות דלה מודולציה. על ידי הגדלת קצב הדגימה מעל המינימום Nyquist, רעש קוונטי מתפשט על פני ספקטרום רחב יותר, צמצום רעש בפס ומאפשר עומק יעיל יותר bit יעיל יותר סליפאון סליפה הוא מופחת, ואת היכולת של המערכת לעקוב אחר שינויים מהירים אותות אלה באים עלות מהירות, מהירות מוגברת של מהירות, לחץ נתונים.

האבולוציה של דלאטה פשוטה מודולציה להסתגלת דלה ולאחר מכן כדי sigma-delta Modulation מדגים כיצד oversampling כבר ממונף כדי להשיג רמות ביצועים פעם חשב בלתי אפשרי עבור אדריכלות 1 סיביות להמיר.היום, sigma-delta ADCs עם יחס דגימה של 32 כדי 256 הם תקן עבור דיוק, מדידה תעשייתית, ויישומים רפואיים, עבור אופטימיזציה של יישומים חיוניים.

לקריאה נוספת על התיאוריה והפרקטיקה של ממרים מפוספסים, להתייעץ עם אוסף החברה של IEEE Signal לעיבוד על FLT:0oversampling ו-sigma-delta ModulationFLT:1, ואת נייר הדרכות הקלאסי על ידי Candy ו Temes (1992).