הבנת שינוי דלתא במערכות Embedded

צורת דלתא (DM) נותרה טכניקה בסיסית להמיר אותות אנלוגיים לצורה דיגיטלית כאשר משאבים חישוביים הם בקושי. in מוטבע מכשירים - ממיקרובקרים בלבושות ועד צמתים מרוחקים - הצורך לאחסן או לשדר אותות עם זיכרון מינימלי ועיבוד מעל דחפים מתקדמים לעבר תוכניות המרת פשוטה (ד"מ דלתא) תשובות לכך רק על ידי שינוי בין דגימות יעילות מאשר הערך המוחלט של אותות, כאשר הוא מאפשר שימוש בתכונות מורכבות יותר, כאשר הוא מאפשר שימוש בחומרה של חומרה (כגון שיטות הפעלה) של חומרה).

הרעיון עוקב אחר שורשיו בשנות ה-40 וה-50, כאשר החוקרים חיפשו דרכים יעילות להעביר אותות קוליים על ערוצים מוגבלים-פסוויים.עבודה מוקדמת של חתלר, דה ג'אגר, ואחרים הקימו את הבסיס התיאורטי למה שנודע בשם דלה מודציה. במהלך העשורים, וריאציות כגון התאמת דלה (ADM) ומדרון משתנה מתמיד (CVSD) הופיע לכתובת הקולית'ר של ימינו, קוד הקול שלו, וקוד ה-DM.

כיצד פועל דלתא

[ב]הלב של דלה מודולציה היא לולאה משוב פשוטה חיזוי.המערכת שומרת על הערכה מקומית של אות קלט אנלוגיה על כל שעון מדגם, הקלט בפועל הוא בהשוואה לאמדן זה.אם הקלט עולה על ההערכה בכל סכום, הנספח מפיץ אות לוגי:01FLT:1, מה שגורם לאמודה מקומית לעלות על ידי צעד קבוע אם ה- 3F2 הוא עדיין נמוך יותר, באותו שלב.

ה bitstream המתקבל ישירות מייצג את הכיוון של שינוי: "1" פירושו האות עולה, "0" פירושו שהוא נופל.כדי לשחזר את האות, אינגרטור פשוט (לעתים קרובות קפירטור במעגלים אנלוגיים או accumulator בלוגיקה דיגיטלית) מוסיף או subtracts את הצעד הקבוע על בסיס כל אחד מהם קיבל מעט.

מבחינה מתמטית ניתן לתאר את התהליך כ:

  1. (ה) עיין ב[[המאה ה-20]], [[1924]], [[1924]]]]
  2. (ב) כל אחד מהם (ב) ב[[1924]], [[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]
  3. (ב) אם (ב) ויקרא י"ד): "וַיְהַבְהַבְתָּבְתָּבְהַהְיִדְהַהְיִם עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַמ" (בראשית כ"ד, יט, יט, יט, ).
  4. (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הפשטות הזו היא בדיוק מה שהופך את DM אטרקטיבי עבור מכשירים משובצים.לא מכפיל, שום סורק שולחן, שום טבילה מורכבת - רק קומפוטור ו accumulator. a low-cost 8-bit microcontroller יכול ליישם DM ⁇ או decoding בכמה עשרות הוראות.

גודל קבוע והשלכותיו

גודל הצעד ⁇ הוא פרמטר העיצוב החשוב ביותר במודולציה בסיסית של דלה.זה קובע את הטווח הדינמי ואת רצפת הרעש של המערכת.צעד קטן מפחית רעש קוונטי כאשר האות שטוח או לאט משתנה, אבל זה לא יכול לעקוב אחר שינויים מהירים - המוביל ל-FLT:0slope overloadFLT:1 ). צעד גדול יכול לעקוב אחר מהיר, אבל מוסיף יותר על מקטעים שקטים (מפרקים צפופים) על בסיס תדרים צפופים).

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

היתרונות של דלתא Modulation עבור מכשירים Embedded

החוזקות של מודולציה דלה תואמות הדוק עם מגבלות של מערכות משובצות: זיכרון מוגבל, כוח עיבוד מוגבל, ולעתים קרובות מוגבל אנרגיה.

  • (FLT:0) מורכבות חישובית נמוכה של LT:1; Encoding או decoding דורש רק השוואה ותוספת / subtraction. No Multiplication, no trigonometric function, no צומת נקודה.
  • (FLT:0) זיכרון זיכרון סמיילי (FLT:1): כל דגימה מייצרת קצת.עבור אות המדגם ב 8 kHz (מקור לקול), bitstream מגודלת צורכת רק 1 kbyte למחשב השני.M ברזולוציה של 8 סיביות יצרכו 8 kbytes בו זמנית.
  • (FLT:0) , bitreave Rate (FLT:1): DM מפיץ בדיוק קצת זמן לדגימה. זה מפשט את התזמון במערכות בזמן אמת.אין קודים באורך משתנה או כותרות מסגרות המסבך את עיצוב הפרוטוקול.
  • (ב) ⁇ :0) מונוטוניות בלתי-נכונה: ה ⁇ משמרת את אות השינוי, מה שהופך אותו קל לזהות אפס-קרוסאונדים או כיוונים אופנתיים ללא שיקום מלא.
  • (FLT:0) יעילות ההדוקה של ה-FLT:1: Analog Disrete-component delta Modulators ניתן לבנות עם מכנה, מהפך-capacitor integrator, ושעון.זה ערך עבור חיישן אולטרה-עוצמה שבו ADC יהיה overkill.

גבולות ואתגרים

צורת דלתא אינה פתרון אוניברסלי; יש להבין את חסרונותיה כדי להימנע מפריסה ביישומים לא מתאימים.

סלייפ Overload Distortion

כאמור, כאשר האות משתנה מהר יותר מאשר גודל הצעד מוכפל על ידי קצב הדגימה, התוספת מדרגות נופלת מאחור.זה מציג שגיאות גדולות עד שמדרון האות יורד.העיוות הוא בעייתי במיוחד עבור אותות אודיו עם טראנסים חדים (למשל, תמרים) או עבור נתוני חיישן הכוללים ספייקטים מהירים.

גרנול (Quantization) Noise

כאשר האות הוא כמעט קבוע, הפלט DM משתנה בין 1 ל 0 כמו האומדן אוקטלט סביב הערך האמיתי.רעש ערוץ זה נשמע כמו שלו ביישומים אודיו. זה יכול להיות מופחת על ידי שימוש צעד קטן יותר, אבל זה להחמיר את המרברון יתר על המידה.המסחר הבסיסי בין יכולת מעקב ורצפה רעש הוא טבועה בכל המותים.

תגובה מוגבלת

רכיבים גבוהים מאוד דורשים קצב מדגם גבוה מאוד או צעד גדול. בפועל, DM מתאים ביותר עבור אותות שבהם האנרגיה מרוכזת בתדרים נמוכים - חשבונית מתחת 4 kHz, קריאה טמפרטורה, פלטי חיישן לחץ, וכו ' עבור אותות פס רחב, PCM או sigma-delta מודולulation מתאימים יותר.

סינכרון Sרגישות

אם השעון של הפעוט נע יחסית לקוד, האמפולדה המשוחזרת תצטבר שגיאה.זה מנוהל עם לולאה מובעת בשלב שידורים רצופים, אבל עבור נתונים מאוחסנים, המערכת חייבת להניח שחזור שעון מושלם או לשלוח סמנים סינכרוניים תקופתיים.

יישומים במערכות Embedded

למרות המגבלות שלה, דלה מודולציה ממשיכה לשרת נישות שבו הפשטות שלה עולה על חששות נאמנות.

קול וסאונד Codecs

היישום המסחרי המפורסם ביותר הוא FLT:0 (בדרך כלל משתנה סלופה דלתא (CVSD) מודולומרטוט 1 1 (FLT: 1) בשימוש ראשי Bluetooth וכמה רדיוים צבאיים. CVSD משנה באופן הסתגלות את גודל הצעד מבוסס על תבניות קטנות האחרונות: מיתר של אותו ערכי ערך כולל גם אות המשתנה במהירות, מה שמשתנה צעד גדול יותר; שינויים מצביעים על גודל הדרגתי, וצפוי תיבות של 3F2LP) משפרים את הדינמיקה זו.

בפרויקטים אודיו מוקלטים בתחביבים ו- DIY, 1-bit דלה מודציה משמש לעתים לייעל קול על קישורים פסווידאליים נמוכים (למשל, LoRa, Zigbee) שבו קודים אחרים היו עולים על גודל החבילה.על ידי מסחר איכות אודיו עבור עוצמה, מפתחים יכולים להשיג דיבור לא מודע ב 16bps או אפילו נמוך יותר.

חיישן Data Loging

תחנות ניטור סביבתיות לעתים קרובות להקליט טמפרטורה, לחות, לחץ ברומטרי, או עוצמת אור - אותות שמשנים לאט. A delta Modulator יכול להפחית את הנתונים הרשום על ידי גורם של 8-16 בהשוואה ל- 8 סיביות PCM. על לוג עם זיכרון פלאש 256 kB, זה יכול להאריך זמן הקלטה מימים עד שבועות.הקוד יכול לשחזר את האות עם דיוק מספיק לניתוח מגמה עבור תוספת אמינות, מערכת DM יכול רק עבור שימוש מלא של זמן בדיקה מלאה.

הקלטה נילית ו- Biomedical Implants

מכשירים לא מותאמים כגון מקליטים עצביים קורטיים עומדים בפני מגבלות כוח קיצוניות כי הם חייבים לפעול ללא סוללות או עם זעירים.פשטות של דלתא מנטרול עושה את זה אטרקטיבי עבור השלב הראשון של עיבוד אותות. פוטנציאל פעולה (spikes) מנוירונים הם טרנסים מהירים (1 מ 'זמן, רוחב פס עד 5 kHz), ולכן עומס יתר הוא דאגה.

בקרת תהליכים תעשייתיים

באוטומציה במפעל, חיישנים רבים (לחץ, זרימה, רמה) מייצרים אותות עם רוחב פס מתחת 10 הרץ. a low-sample-sample-rate DM encoder יכול להאכיל מערכת PLC או SCADA על לולאה פשוטה 2-wire.העוצמה של אות 1 סיביות נגד רעש על כבלים ארוכים היא יתרון צדדי: כל מעבר הוא דופק דיגיטלי מלא של עשב, חסין בפני טיפות מתח אנלוגי קטן.

השוואה לשיטות אחרות

כדי לשים את המודולציה דלה בהקשר, זה עוזר להשוות אותו ישירות עם מהנדסים חלופות לעתים קרובות לשקול.

דלתא משתנה לעומת דופק-קוד-קווציה (PCM)

PCM מקודמת כל דגימה כמספר N-bit בינארי. עבור אותו שיעור מדגם, PCM מספק הרבה יותר רזולוציה amplitude ולא עומס יתר על המידה.עם זאת, PCM צורכת פעמים רוחב רוחב ואחסון של DM. עבור אותות כי הם oversampled, DM יכול לגשת יחס אותות של PCM ל- t-noise עם פחות אצבע: SM משפר מאוד גבוה של DM.

דלתא משתנה לעומת Sigma-Delta Modulation

Stema-delta Modulation ( ⁇ M) הוא קרוב יחסית המשתמש ב- integrator לפני ה- comparator (hence "sigma" עבור סכמת, "delta" עבור ההבדל) ⁇ M צורות רעש קוונטי בתדרים גבוהים יותר, ומאפשרת מאוד גבוה לאחר סינון Dcimation. זה הבסיס של אודיו מודרני ADCs. ⁇ M הוא מורכב יותר לפענוח (מסנן) הוא לא מתאים לסינון Dbit.

דלתא משתנה לעומת PCM (ADPCM)

ADPCM הוא זיכוך של PCM שונה (DPCM) אשר מתאים את גודל החיזוי והככינר על בסיס סטטיסטיקות אותות.זה מציע איכות סאונד טובה יותר מאשר DM בשיעורי מעט בינוני (למשל, 32 kbps לקול באיכות גבוהה) עם זאת, ADPCM דורש שבב קודס או ליבה DSP, צריכת שטח סיליקון וכוח עמוק עם 8CM עשוי להיות כפול, בעוד DCM אינו יכול להיות יעיל יותר.

יישום דלתא משתנה על מיקרובקר מודרני

כדי להמחיש, לשקול יישום של קוד DM פשוט על ARM Cortex-M0 מיקרובקר פועל ב-48 MHz.המטרה היא לקוד אות אנלוגי מ- ADC ב-8 k דגימות לשנייה.קריאה ADC היא 12 סיביות.קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד קוד יכול להיות קומפקטי:

uint16_t estimate = 2048; // midscale
const uint16_t step = 32; // step size (adjustable)

void encode_sample(uint16_t adc_value) {
 if (adc_value > estimate) {
 output_bit(1);
 estimate += step;
 } else {
 output_bit(0);
 if (estimate < step) estimate = 0;
 else estimate -= step;
 }
}

בצד המקבל (דקודר), הקוד הוא סימטרי:

uint16_t estimate = 2048;

void decode_bit(uint8_t bit) {
 if (bit) {
 estimate += step;
 } else {
 if (estimate < step) estimate = 0;
 else estimate -= step;
 }
 // output estimate to DAC or store
}

לולאה זו לוקחת פחות מ-20 מחזורי CPU לדגימה, מה שהופך 99% מפס רוחב הפס של MCU בחינם עבור משימות אחרות.התפוקה bitstream ניתן לאחסן שבב SPI או מועבר באמצעות UART. עבור איכות גבוהה יותר, את גודל הצעד ניתן לבצע הסתגלות על ידי ניטור ההיסטוריה של ה bit לאחרונה (סגנון CVSD).

מגמות עתידיות: דלתא משתנה בעידן ה-IoT

ככל שהאינטרנט של הדברים (IoT) מתרחב, מיליארדי חיישנים יצטרכו לדווח על נתונים ביעילות.דלתא מודולו מציעה מקום מתוק לפרוטוקולים אלחוטיים אולטרה-נמוכים כמו LoRaWAN, שבו כל חבילה יכולה לשאת רק כמה מאות ע"י דחיסת זרם חיישן לתוך רצף של שינויים חד-ביטים, צמתים יכולים להעביר יותר דגימות לחבילה, צמצום מספר השידורים והצלת החיים.

אזור מתפתח נוסף הוא (FLT:0) samplingFLT ( 1:1), שבו החיישן שולח רק נתונים כאשר האות משתנה מעבר לסף, אותות bitstream של Delta Modulation של שינוי מטבעו; שילוב DM עם גורם מונחה אירוע יכול עוד להפחית את נפח הנתונים.

ההתקדמות בעיצוב FPGA ו ASIC מאפשרת למודולטורים של דלה להיות מיושם כפריפריה ייעודית, צריכת מיקרו-וואט של כוח. ליבות IP כאלה מופיעים בספריות עבור שתלים רפואיים מותחים אישית או תגים סביבתיים.

בעוד שמודולציה דלה לעולם לא תחליף רכיבי ביצועים גבוהים עבור מוסיקה הזרמת וידאו או וידאו, הנישה שלה במערכות משובצות קוד מינימלי נשאר בטוח.מהנדסים אשר מבינים את עקרונותיה יכולים לפתוח רווחים משמעותיים בעיצוב הבא שלהם.

מסקנה

צורת דלתא מספקת גישה מנומנמת לאחסון אותות דיגיטליים במכשירים משובצים.דרישות חישוביים נמוכות, שימוש בזיכרון יעיל, יישום חומרה פשוט להפוך אותו אטרקטיבי לתקשורת קולית, חיישנים, וכליכלי ביו-רפואיים. מהנדסים חייבים לשקול בקפידה את ה- Trading-off בין מדרדרון לרעש גרפיטי, ולעתים להתאים את גודל הצעד לסימנים דינמיים.

(ב) רקע טכני עמוק יותר, ראה את המאמר (FLT:0)Wikipedia מאמר על דלה מודולומבייט 1 ו-FLT:2Analog מכשירים טכניים הדרכה טכנית הדרכה 3LT 3: 3 הטמעת פרטים עבור תוכניות הסתגלות מכוסה FLT:4 ג'נט 7 LT.