פיתוח היסטורי של טכנולוגיית שינוי דלתא

מקור: Delta Modulation

הרעיון של Modulation דלה הופיע בשנות החמישים כתגובה ישירה לצורך הגדל של המרה אנלוגית-דיגיטלית יעילה במערכות תקשורת מוקדמות. חוקרים במעבדות מובילות, כולל Bell Labs, הכירו בכך שמודולציה מסורתית של הדופק (PCM) דרשה רוחב פס גבוה יחסית ועיגול מורכב. דלתא מציעה אלטרנטיבה מפלט רק על ידי שינוי (דל) בין דגימות אות רצופים (PCM) מאשר את מספר זה של דגימות רוחב פס מזעריות במידת האפשר.

העבודה הבסיסית על Modulation delta מיוחסת למספר דמויות מפתח, כולל מהנדס צרפתי Édouard Deloraine ומאוחר יותר תרומות מ F. de Jager בהולנד, הניסויים המוקדמים שלהם הראו כי 1 סיביות קוונטי יכול לייצר נאמנות אות מקובלת כאשר בשילוב עם קצב הדגימה גבוה (ample-codeing) זה היה נגד חוכמה קונבנציונלית, אשר החזיק כי מעט מאוד דגימות לדגימה היו הכרחיים עבור שחזור אחד, רק תגובה דיגיטלית אחת, רק עבור אחד בלבד, עיצוב אחד בלבד.

בתקופה זו צורה, המגבלה העיקרית של מודולציה בסיסית של דלה התבררה: עומס יתר של מדרון כאשר אות קלט השתנה מהר יותר מאשר הפעוט המקומי יכול לעקוב, המערכת המיוצרת עיוות המכונה רעש יתר על המידה.זה קרה כי הגודל הקבוע של קוונטית 1 סיביות לא יכול לשמור קצב עם אותות מהירים. חוקרים זיהו במהירות זה את האתגר הטכני המרכזי, ופתרון זה היה לנהוג עבור שני עשורים הבאים.

קרנות טכניות וחדשנות מוקדמת

סלייפ Overload - תיקון

בתחילת שנות ה-60, מהנדסים פיתחו כמה אסטרטגיות כדי להפחית את המרפק המדרונות.אחד היעיל ביותר היה הצגת שליטה בגודל של שלב הסתגלותי במקום להשתמש בגודל של צעד קבוע, הסתגלות דלה מודולציה (ADM) אפשרה לגודל הצעד להשתנות על בסיס ההיסטוריה האחרונה של האות המקודד. כאשר ביטים רצופים עוקבים הצביעו על כיוון עקבי של שינוי (עד או למטה), גודלו גדל למסלולים מהירים.

הגרסאות הידועות ביותר, מדרדרונות משתנה מתמיד (CVSD), יצאו מעבודת באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי, ומאוחר יותר שופץ על ידי מהנדסים במוטורולה וחברות אחרות של מוליכים למחצה. CVSD השתמש מסנן סינתי כדי להעריך את המדרון הממוצע של אות קלט, התאמת גודל השלבים בהתאם.טכניקה זו הוכחה יעילה במיוחד עבור דיבור קידוד, שבו תדרי האנרגיה על פני משתנה באופן משמעותי בין קונדומים לבין צלילים קודמיים נמוכים.

המונחים: noise Reduction

בעוד שפיפון השפיע על תוכן גבוה, אותות קידוד נמוך סבלו מרעש גרניט (או idle-channel) זה קרה כאשר אות קלט היה ליד אפס, מה שגורם לקודד לייצר דפוס משתנה של 1s ו 0sss כפי שהוא dither סביב האות.מהנדסים התייחס זה באמצעות טכניקות שונות, כולל שימוש של חומרים גבוהים יותר ו preemphasis טרום-emsis על ידי סינון אורנטימי פחות גבוה יותר של אנרגיה).

פתרון אלגנטי במיוחד היה השימוש באינטגרציה כפולה בלולאת משוב. במקום פשוט הזמנה ראשונה הזמנה ראשונה (בעיקר accumulator), אינטגרטור הזמנה שנייה סיפק מעקב טוב יותר של אותות עם האצה קבועה. זה הפחית גם את המרב וגם רעש גרפינרית, מרחיב את רוחב הפס הנתרן של המנטרול.

המונחים:

באמצע שנות ה-60, דלה מודציה משכה את תשומת הלב של תאורטיקנים מידע שביקשו להבין את גבולות הביצועים שלה.תרומות בלתי ניתנות להשגה הגיעו מ Hiroshi Inose באוניברסיטת טוקיו וג'רי ד' גיבסון באוניברסיטת קליפורניה, סנטה ברברה.העבודה שלהם ביססה את היסודות התיאורטיים עבור דלה מודולציה, כולל ביטויים מדויקים ליחס אות-לא-רעש (NRS) כתפקוד של הדגימה ו- 8 פעמים אלה יכלו להשיג את שיעור סבירות-i-D.

המסגרת התיאורטית גם הבהירה את הקשר בין דלה מודציה לבין מודולציה דו-פעמי (DPCM) שתי הטכניקות לנצל את הרקורד בסימן הקלט על ידי הבדלים ספקולטיביים ולא ערכים מוחלטים.הבחנה העיקרית היא כי CM משתמש ב- Multi-bit קוונטי, בעוד ש- delta Modulation משתמש בסימן 1-bit קוונטית של מעצבי זה יש לכאורה השלכות עמוקות על מורכבות, propagation, ו-oftulation, ומאפשר יעילות סטנדרטית עבור שיטות מסחר אלה.

עידן הזהב: אימוץ בתקשורת

תקשורת צבאית ולוויינים

בשנות ה-70 סימנה את אימוץ נרחב של שיטת תקשורת צבאית של דלה.משרד ההגנה של ארצות הברית הכיר בכך ש- CVSD הציע ביצועים חזקים בערוצים רועשים תוך השקעת רוחב פס מינימלי וצריכת חשמל.זה הפך אותו אידיאלי עבור רדיו טקטיים, מערכות קוליות מאובטחות וקישורים לווייניים שבהם כל וואט והרץ חשובים יותר.רדיו A/PRC-77, המשמש באופן נרחב במהלך מלחמת וייטנאם, משולב כדי לשנות את יכולת הפעולה של הקול האנלוגית שלה.

מערכות תקשורת לווייניות נהנות גם מתכנית ה- INTELSAT של לווייני תקשורת שהשתמשו במודולציה של דלה עבור ערוצי קול, המאפשרות שיחות מרובות לשתף טרנסנדנדר אחד באמצעות מספר פעמים.הפשטות של דלה מודולציה פירושה כי עיבוד לוח הלוויין ניתן לשמור על מינימום, צמצום משקל וצריכת חשמל.זה היה חשוב במיוחד במהלך תקופה שבה טכנולוגיה חצי-זמנית עדיין סטנדרטים מודרניים יחסית.

יישומים צרכניים ומסחריים

תעשיית הטלפון המסחרית גם אימצה את שיטת ה- delta Modulators בשנות ה-70, מערכת בל פורקה של דלה (Bel System) ב-Lotta Modulators (Delta Modulators) של מערכות לולאה של פורמולציה (Delta Modulation) כפריות, כאשר העלות של כבלי נחושת מעוותים- off in Quality הייתה מקובלת עבור מנויים כפריים, שלעיתים קרובות לא היו קווי תקשורת ידידותיים או ידידותיים.

מוצרי אודיו לצרכנים ייצגו שוק משמעותי נוסף.בתחילת שנות השמונים ראו את ההקדמה של דלה מודולציה בקווים דיגיטליים עיכובים, יחידות ריבאונד ומעבדי גיטרה.המכשירים האלה השתמשו בשבבים זולים של דלה, כגון סדרת MC17/MC3418 ממוטורולה, כדי להשיג אפקטים באיכות סטודיו בשבריר של עלות טכנולוגיות מתחרות.

ייתכן שהיישום הצרכני הנפוץ ביותר היה במכונות מענה דיגיטליות.הדור הראשון של מכונות לענות על מצב מוצק המשמשות את דלה מודולציה לאחסון הודעות מתקדמות וזרימות על שבבים זיכרון מוקדם. בעוד איכות השמע הייתה מוגבלת על ידי שיעורי הדגימה הנמוכה (בדרך כלל 8 עד 12 kHz), זה היה יותר ממספיק לקול באיכות הטלפון.

דיבור ועיבוד אודיו

עיבוד דיבור הפך להתמקד העיקרי במחקר של דלה מודציה בשנות ה-80.הפיתוח של סינתזנטים דיבור בעלות נמוכה, יחיד שבב, כגון Texas Instruments TMS5100, השתמש ב- delta Modulation כדי לקוד מילים עבור יישומים כגון מחשבונים מדברים, אזהרות רכב, וצעצועים חינוכיים.The Speak & Spell, שהוצגו בשנת 1978, השתמשו באופן מפורסם בצורת של דלה מודציה משולבת עם טכניקות חיזוי פנים וחיזוי (L) שיכולה לייצר זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון יעיל (L) שיכול לייצר זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון משותף עם זיכרון זה).

במקביל, החוקרים חקרו את השימוש של דלה מודולציה עבור סינתזה מוסיקה שידור.הנתזנטים הדיגיטליים המוקדמים מחברות כמו תאורה הוגנת ו Synclavier השתמש במודולציה כדי מדגם וצלילים מנגן ב נאמנות גבוהה. בעוד מערכות אלה היו יקרות במיוחד, הם הוכיחו כי דלה מודולוציה יכול להשיג אודיו מקצועי-איכות כאשר נקבע כראוי.

הסתגלות מודרנית ומערכות היברידיות

אינטגרציה עם Sigma-Delta Modulation

האבולוציה המודרנית המשמעותית ביותר של Modulation delta היא שילוב שלה עם sigma-delta Modulation ( ⁇ M) Sigma-delta Modulation, אשר מציב את integrator לפני ה-Visizer ולא בלולאה משוב, מציע עיצוב רעש מעולה ורזולוציה גבוהה יותר עלות המורכבות מוגברת. עם זאת, העיקרון הבסיסי של oversampling משולב עם רעש בעיצוב הוא ישירות מ-Dateulation מודרני, אשר משלבת רזולוציה גבוהה.

מערכות היברידיות המשלבות אלמנטים של גם דלה וגם sigma-delta Modulation הם עכשיו נפוץ.לדוגמה, ארכיטקטורת Multi-Stage Noise Shaping (MASH) משתמשת במספר שלבים של cascaded sigma-delta, כל אחד מהם הוא למעשה הזמנה גבוהה דלה מודולטור.מערכות אלה להשיג פתרון 24bit או טוב יותר, מה שהופך אותם מתאימים עבור אודיו מקצועי, כלי רפואי, ודיוק, ודיוק מוקדם יותר, אפילו להיות מתוחכם יותר.

דרישות בעלות עוצמה ואינטרנט

צורת דלתא מצאה חכירה חדשה על החיים בעידן האינטרנט של הדברים (IoT) פשטות וצריכת חשמל נמוכה של ממודולטורים דלתא הופכת אותם אידיאליים עבור חיישנים מופעלים סוללות ומכשירי קצה.ביישומים כגון ניטור הרטט, טמפרטורה טמפרטורה וגילוי אקוסטי, מודול דלתא פשוטה יכול לספק דיוק נאותה תוך צריכת מיקרו-אמפים של זרם זה בלתי אפשרי עם רזולוציה גבוהה, אשר דורש ממירמה דיגיטלית, הדורשת פילטר כוחם, אשר דורש ממירידות כוחם.

כמה מיקרובקרים מודרניים כוללים פריפריה משולבת של דלה מודולים עבור חיישן מקיפים.לדוגמה, משפחת PSOC מ Infineon ו- ARM Cortex-M התקנים מציעים מודולטורים דלה שניתן לכוון למאפיינים ספציפיים חיישן. אלה היקפיים מאפשרים ליישם חיישנים חכמים עם רכיבים חיצוניים מינימליים, צמצום המרחב לוח ועלויות של חומר- HIV.com משקף את אותה צורך יעיל עבור מוטיבציה מקורית של התפתחות זו.

רדיו אודיו דיגיטלי

תקני אודיו דיגיטליים (DAB) נמשכים גם על טכניקות של דלה מודולציה. בעוד קודק הדומיננטי עבור DAB הוא MPEG Audio Layer II (MP2), כמה הצעות מוקדמות עבור רדיו דיגיטלי המשמש את דלה מודולציה פרויקט Eureka 147, אשר עיצב את תקן DAB, הערכה דלה מודולציה באופן נרחב לפני התיישבות על MPEG.

העברת הקול Bluetooth, המשתמשת בקישור SCO (Synchronous Connection-Oriented), שנשמר באופן מסורתי על CVSD עבור הקול ⁇ .המפרט Bluetooth כולל CVSD כקוד חובה עבור אודיו ללא ידיים ושיחות קוליות.זה מבטיח תאימות בין מכשירים מיצרנים שונים תוך שמירה על איכות קול מקובלת על הקישור Bluetooth נמוך יחסית.

יישומים חדשים ב Machine Learning

יישום חדש מפתיע של Modulation דלה התפתח בתחום הלמידה של המכונה.רשתות עצביות Spiking (SNN), אשר מחקה את ההתנהגות המונעת של נוירונים ביולוגיים, באופן טבעי לייצר אותות דלה-מתונים. כל אחד מהספייק מייצג אירוע דיסקרטי, ואת התזמון בין הספייקים מקודדים מידע.

בנוסף, Modulation דלה הוצע כטכניקה לדחיסת משקלי רשת עצביים והפעלה במהלך ההפרעה. על ידי אופטימיזציה רק השינויים בין ערכים רצופים, דלה מודולציה יכולה להפחית רוחב פס וצריכת חשמל במאצת חומרה. יישום זה עדיין בשלב המחקר, אבל תוצאות מוקדמות מראות כי תצורה דלתא יכולה לשחק תפקיד במתן אנרגיה יעילה AI בהקצאת הקצה.

מסקנה

ההתפתחות ההיסטורית של Modulation דלה היא סיפור של פשטות אלגנטית עמידה בצורך מעשי.ממקורותיה בשנות החמישים כחלופה של רוחב פס למחשבי, באמצעות תור הזהב שלה ביישומים צבאיים וצרכנניים, להתגשמות המודרנית שלה במגרשים של sigma-delta וחיישנים IoT, דלה מודציה הוכיחה יכולת הסתגלות יוצאת דופן.

בעוד טכנולוגיות חדשות יותר שתלו את המודולציה של דלה ביישומים רבים, המורשת שלו מוטבעת בתשתיות הדיגיטליות שאנו מסתמכים על מדי יום.כל פעם ש- Bluetooth נושא שיחת קול, בכל פעם שממירת sigma-delta לוכדת אודיו בעוצמה גבוהה, ובכל פעם חיישן בעל עוצמה נמוכה מתעורר כדי לדווח על מדידה, ההשפעה של Modta הוא הנוכחי של טכניקות למידה נמוכה, ממשיכה לפתח כלי מדידה, כמו פיתוח יעיל של כוח חשיבה פשוטה, כמו פונקציות למידה.

(בקריאה נוספת, המשאבים הבאים מספקים מידע טכני מפורט:0A נייר קלאסי על דלה מודולציה על ידי J. C. Candy ו- O. J. BenjaminFLT:1,FLT:2 The Original Patent for Adaptive delta Modulation by N.J. JaantFLT 3:, F:4a כולל סקירה מקיפה של igma-delta ממכשירים מ-Fogirdation: 7.