עיצוב משתנים דלתא יעילה עבור יישומי אודיו בזמן אמת

נוסחאות מודרניות כוללות את גודל הצעד על פי מדרון האות, ו-FLT:2igma-delta Modulation ( ⁇ M) , אשר משנה את גודל הצעד על פי מדרון האות, ו-FLT:2sigma-delta Modulation ( ⁇ M)igma-delta Modulation) 3, אשר משתמש באינטגרציה ורעש כדי לדחוף רעש לתוך תדרים גבוהים יותר - למרות ש- ⁇ M הוא סוג שונה מבחינה טכנית, מניות רבות עם עקרונות עיצובים ספציפיים.

שיקולים מרכזיים ליעילות

תכנון מודולר יעיל עבור אודיו בזמן אמת דורש מבחר זהיר של כמה פרמטרים תלותיים.הגורמים הבאים מופיעים באופן עקבי במרכז החלטות הנדסיות:

גודל וטווח דינמי

גודל הצעד קובע גם את מהירות המעקב ואת הרעש של ערוץ .גודל גדול מאפשר מעקב מהיר של תוכן גבוה קידוד, צמצום עומס מדרונות, אבל מציג רעש גרניט רוטט במהלך מעברים שקטים. גודל צעד קטן מפחית רעש חדיר במחיר של מהירות מעקב.השלב האופטימלי תלוי בדינמיקה הצפויה.

עיצובים יעילים לעתים קרובות מעסיקים את האלגוריתם של אופטימיזציה בגודל של FLT:0 (שלבי אלגוריתמים) 1:1 הממקסמים את יחס האות-ל-אין (SNR) עבור שיעור קטן מסוים.ב חומרה, זה מתורגם לרישום צעדים שניתן לתכנת או לשותפים עם הפניות מתח שניתן להתאים בזמן אמת.

עיצוב פילטר

מסנן הלולאה - באופן חד-משמעי a integrator - משתקף את התגובה הלולאה ומשפיעים ישירות על יציבות וביצוע רעש. a הזמנה ראשונה integrator מספק ביצועים נאותים עבור יישומים רבים נמוך-bandwidth, אבל מסננים גבוהים יותר יכולים לשפר את SNR על ידי לחיצה על רעש קוונטי מחוץ ללהקה אודיו.

עבור אודיו בזמן אמת, מעצבים לעתים קרובות מעדיפים את FLT:0switched-capacitor integratorsFLT 1 בשל הליניאריות מעולה שלהם ואת תאימות עם תהליכים CMOS. הגודל של ה- integrator של integrator, רוחב פס של הדגמה, ושער סלסול חייב להיות נבחר כדי לתמוך בתדירות דגימה הנדרשת תוך שמירה על צריכת חשמל נמוך.

מניעת עומס והתאמה

עודף סלופה הוא מצב הכישלון הקריטי ביותר בדלפק. ברגע שהמודולטור נכנס לעומס יתר, הפלט גלפור מאבד נאמנות עד שהאות מאט למטה. מניעת עומס יתר ללא ביצועי הקרב דורש קנה מידה אינטליגנטי.התאמה יעילה של ריצוף (AD) מתייחס לכך על ידי התאמה דינמית גודל מבוסס על תבניות מעט לאחרונה.

לוגיקה הסתגלות זו יכולה להיות מיושמת דיגיטלית, אנלוגיה, או עם גישה היברידית. הסתגלות דיגיטלית מציעה גמישות וגמישות, בעוד הסתגלות אנלוגית (למשל, שימוש בגלאמנט גבוה ומחולל צעד מבוקר מתח) יכול להיות מהיר יותר ויעיל יותר כוח.אתגר העיצוב המרכזי הוא לחדד את זמן ההסתגלות קבוע כדי להתאים את אותות המשמעותיים הקצרים ביותר מבלי לגרום לאי יציבות.

שיעור הנפיחות וההתמדה

ממודולים דלתא פועלים בדרך כלל בשיעורי הדגימה הרבה יותר גבוה מאשר קצב Nyquist - טכניקה המכונה FLT:0)oversamplingveFLT:1 [Oversampling מפיץ רעש קוונטי מעבר רוחב פס גדול יותר, המאפשר סינון מאוחר יותר להסיר רעש מחוץ לפס. עבור יישומים אודיו, דגימות מ 64Hz ל 1 מ הרץ משותף, בהתאם ל- SNR נדרש כוח עליון, אך שיפור אזורי העיצוב יעיל יותר.

ה-SNR ה-SNR עבור מודולר דלתא 1 סיביות ניתן להשוות על ידי SNR ⁇ 6.02N + 1.76 dB, שבו N הוא יחס oversampling, אבל ביצועים בעולם האמיתי הוא לעתים קרובות מוגבל על ידי ברקת רעש ו un-idealities במרכיבים האנלוגיים.

אסטרטגיות לשיפור היעילות

מעבר לכוונון פרמטר בסיסי, מהנדסים פיתחו מגוון אסטרטגיות כדי להגביר את היעילות של מודטורים דלה במסלולי אודיו בזמן אמת.טכניקות אלה מכוונות לשלושת עמודי התווך של הביצועים: איכות אות, צריכת חשמל ואזור הסיליקון.

החלפת דלתא (ADM)

(א) נותרה הטכניקה היחידה החזקה ביותר לשיפור SNR מבלי להעלות את קצב ה bit. על ידי שינוי גודל הצעד בתגובה ל המעטפה קלט, ADM למעשה מרחיב את הטווח הדינמי.האלגוריתמים הידועים ביותר של ADM כוללים את ה-FLT:0Song-Gray-GerlingFLT:1 עבור דיבור ו-FLT:2continently Variablely Varitlydddddating del V-Fulation (D) ו-GRSD) בשימוש ב-Gerulation.

CVSD מתאים על ידי כלל אקספוננציאלי: גודל הצעד גדל באופן יחסי לערך הנוכחי שלו כאשר זרם bit מראה ריצה של ביטים שווים, ושפל אחרת. אלגוריתם פשוט זה קל ליישם הן בצורה אנלוגית והן דיגיטלית. עבור יישומים בזמן אמת, מהירות הסתגלות חייב להיות מהיר מספיק כדי לעקוב אחר צלילים הססגוניים בדיבור, אבל לא כל כך מהר זה מציג חפצים.

אדריכלות: Noise Shaping and Sigma-Delta

באופן פשטני, sigma-delta Modulation ( ⁇ M) מוסיף אינגרה לפני הקוונטים, יצירת מערכת שמעצבת רעש מתדרים גבוהים יותר. בהקשר של דלה מודולציה, הוספת יחס FLT:0noise-עיצוב FLT:1 בתוך הלולאה - או שילוב יחיד או מספר שלבים - יכול לשפר באופן דרמטי ב-Sulti-R, עבור רזולוציה נמוכה יותר מ-64-Fbitigertator.

מעצבים לעתים קרובות ללוות טכניקות שלריגמה-דלטה עבור מודטורים על ידי החלפת האינטגרטור הפשוט עם אדן או נתיב להאכיל קדימה.גישה היברידית זו, לפעמים נקראה FLT:0delta-sigma ModulationFLT:1, מציעה את הטוב ביותר של שני העולמות: המורכבות הנמוכה של שיטת דלטוציה בתוספת גבוה של רעש בעיצוב ידוע מאוד: ALT2K.

שיקולים של יישום כוללים את הצורך במסננים של לולאה יציבה, הימנעות ממחזורי הגבלת מחזור, ועיצוב הדגמות גבוהות עם רוחב פס מספיק משאבים חיצוניים כגון FLT:0Wikipedia מאמר על דלה-סגמה מודולציה FLT:1 לספק בסיס תיאורטי מוצק.

אופטימיזציה של כוח נמוך

מערכות אודיו בזמן אמת מופרסות יותר ויותר במכשירים המופעלים על ידי סוללות כמו אוזניות אלחוטיות וסיוע שמיעה.יעילות כוח מתחילה ברמת transistor. UsingFLT:0subthreshold Zoneהפעלה של אוזן אלחוטית 1 עבור הדגמת של integrator מורידה את הצריכה הנוכחית תוך שמירה על רווח הולם עבור תדרי אודיו.

גישה נוספת חזקה היא ל-FLT:0gate שעון ההרחבה 1 (FLT:2 דינמית מתח ותדירות (DVFS) veFLT 3: במהלך תקופות שקטות. כי אותות אודיו יש מרווחים שקטים ארוכים, ממודולת דלתא שיכולה להיכנס למצב של ירידה באנרגיה גבוהה.

(ה) יעילות גבוהה מאוד, (FLT:0) זמן רב (CT) דלה מודטורים (FLT:1) לחסל את capacitor דגימה הקשורים לשעון רעש, צמצום הן כוח והן שטח. עיצובים CT רגישים יותר לשעון Jitterer אבל הם הופכים להיות קיימא ב- nanoscale CMOS nodes. a review of recent CT delta Modulators ניתן למצוא ב-F2EEGates:

Multi-Bit Quantization (Hybrid Approaches)

בעוד קוונטין 1 סיביות הוא סימן ההיכר של דלה מודולציה, כמה עיצובים להשתמש 2-או 3bit קוונטית הקוונטים כדי להפחית רעש קוונטי באופן משמעותי.זה לא טהור של תצורה אלא היברידית בין DM ו- PCM הנקרא FLT:0 אדיש הדופק-קוד קוד-קוד (DP)FLT:1 עם נמוך-resolution עבור אמיתי-bitive, דומה ל- 10 סיביות CM-D2 רזולוציה נמוכה יותר.

ה- Trading-off גדל קצב סיביות (שני סיביות לדגימה לעומת אחד) וקצת יותר מורכב של חומרת קודקוד. עם FPGAs ו ASICs מודרניים, אזור המעגל הנוסף הוא רשלני. קודים מסחריים רבים, כגון GSM הסתגלות Multi-Rate (AMR) codec, השתמש בלולאה פנימית DP-like.

תגיות Real-Time Audio

מודטורים Efficient delta הם משתרעים על פני מגוון רחב של מערכות אודיו בזמן אמת שבו עצלות, כוח, ועלות הם קריטיים.

• (FLT:0) תקשורת קול: אנדרט 1:1 , CVSD מודולציה משמש פרופילים ללא ידיים Bluetooth (HFP) ורדיו צבאי (למשל, SINCGARS). 16 kbps או 32 kbps bit rate הוא אידיאלי עבור קול בזמן אמת על פני ערוצים צרים.
• (FLT:0) Hearing Aids: FLT:1 Ultra-low Power דלה מודולטורים הפועלים ביחסים ממעלה של 256–512 יוצרים את הליבה של מכשירי שמיעה דיגיטליים רבים.הזרם 1 סיביות קל יותר לעבד עם מסננים דיגיטליים פשוטים, מציל חיי סוללה.
• (FLT:0)Sensor Interfaces:FLT:1 מיקרופון קטן למכשירים IoT לעתים קרובות משלב מודולטור דלה ישירות לתוך חבילת מיקרופון MEMS.התפוקה הדיגיטלית היא PDM יחיד (מודולציה צפיפות) bitstream שניתן לטפל על ידי מיקרובקר ללא ADC חיצוני.
• (FLT:0) מנוע אודיו: 1 מתוך הכרה קולית בתוך מערכת ביטול רעש פעיל דורשות עקשנות נמוכה, המרה חזקה. דלתא מודולטורים עם גדלים מתקדמים הסתגלות פועלים באופן אמין על פני טמפרטורה וקיצוניות רטט.

כל יישום מטיל מגבלות ייחודיות: מכשירי שמיעה מעדנים את הכוח (<10 μW), בעוד מערכות הרכב מדגישות את האמינות ויכולות לקבל כוח גבוה יותר.המעצב חייב להתאים את גודל הצעד, יחס oversampling ואלגוריתם הסתגלות בהתאם.

אתגרים ומסחר

כל החלטה עיצובית בהנדסת קונדסטור כוללת יחסי מסחר- off.הבסיס העיקרי הוא בין FLT:0SNR ו- רוחב פס FLT:1: הגדלת יחס oversampling משפר את SNR אבל צורך יותר כוח וניתן להציג טונים פסים-band. מהנדסים חייבים גם להתמודד עם FLT:2jitterרגישות FLT 3: במיוחד בעיצוב מתמשך של JDR.

אתגר מתמשך נוסף הוא (FLT:0) מחזורי מחזורי FLT:1 - oscillations נמוך ו ⁇ המתרחש בלולאות סדר גבוה יותר כאשר הקלט קרוב אפס.אלה יכולים לייצר טון גלוי כי הם מאוד התנגדות. אסטרטגיות מייגציה כוללים דיטרינג, הוספת רעש מכוון, או תכנון הלולאה עם מסנן בתדירות מוגבלת:2Agra מציעה טיפול יסודי של מחזורי נתונים של מחזורי נתונים של LT2A.

לבסוף, ה-FLT:0 (FLT:0)-off בין יישום דיגיטלי ולוגי של יישום הטמעת ההרחבה 1:1 הוא משמעותי.מדן אנלוגי לחלוטין הוא מהיר ויעיל כוח אך גמיש; יישום דיגיטלי יכול להתאים לסוגים שונים של אותות אבל דורש ADC קלט, הביס את המטרה של ממיר מורכב נמוך.

כיוונים עתידיים

כאשר מערכות אודיו נודדות לנקודות תהלוכות קטנות יותר ותקציבי חשמל הדוקים יותר, דלה מודולציה ממשיכה להתפתח.כיוון מבטיח אחד הוא FLT:0machine-learning-learning-oriented AdaptFLT:1: במקום כללים קבועים, רשת עצבית יכולה ללמוד את גודל הצעד האופטימלי עבור קלט אודיו מסוים, פוטנציאל לשפר את SNR על ידי 3-6 dB על העבודה המוקדמת בתחום זה מתמקדת תוכנה מוגדרת רדיו.

Another trend is joint source-channel coding, where the delta modulator's bitstream is directly used as a recovery mechanism for lost packets in wireless audio. Because delta modulation produces a low-bitrate stream, it can embed redundancy that allows the decoder to continue playing with graceful degradation during packet loss.

לבסוף, (FLT:0) מודפס ואלקטרוניקה אורגנית אלקטרוניקה 1FIRLT:1) הם חקרו את דלה מודולציה כדרך לממשק חיישנים אנלוגיים עם עיבוד דיגיטלי על תת-שכבות גמישות.ניתן לרוקן את קוונטין 1 סיביות באמצעות טרנזיסטורים פילים דקים, המאפשרים דמעה לאחור או אודיו חד-פעמיים.

עבור מהנדסים שנכנסים לתחום, תפיסה מוצקה של תיאוריית המעגל האנלוגי ועיבוד אותות דיגיטליים היא חיונית.משאבים כמו FLT:0) The Scientist ומדריך מהנדס ל-Digital Signal ProcessingFLT:1 לספק ידע בסיסי החל ישירות על עיצוב מודולטור דלה.

מסקנה

עיצוב מודולטור Efficient delta הוא פעולה איזון בין פשטות וביצועים, אבל כאשר מבוצע היטב, זה מספק ערך יוצא דופן עבור יישומי אודיו בזמן אמת, על ידי בחירת גדלים שלב מתאים, תכנון מסנן לולאה יציבה, ומינוף טכניקות הסתגלות, מהנדסים יכולים ליצור ממירים שעומדים בעקביות, כוח, דרישות איכות של מערכות הקול המודרני אודיו.