Delta Modulation in Gömülü Systems
Delta modulation (DM) analog sinyalleri dijital forma dönüştürmek için temel bir teknik olarak kalır. Sayısal kaynaklar yetersizdir.In gömülü cihazlar - uzaktan sensör düğümleri için giyilebilir olan mikro kontrollerden - minimum bellek ve işlemeye ihtiyaç duyan veya aktarma noktaları ile basitleştirilmiş dönüşüm şemalarına karşı şarj etmek için temel bir tekniktir. Delta modulation, bu ihtiyacı sadece mutlak sinyal değeri yerine başarı ile değiştirmek için daha karmaşık yöntemlere kıyasla cevap verir.Bu yaklaşım verileri azaltılır ve veri hacmi, daha düşük güç tüketimine olanak sağlar.
Kavram 1940'lara ve 1950'lere kökleri izler, araştırmacılar ses sinyalleri sınırlı bant genişliği kanalları üzerinden iletmenin verimli yollarını aradılar. Erken çalışma Cutler, de Jager ve diğerleri, Bluetooth ses kodcular, askeri ses kodlaması gibi değişiklikler yaptı.
Delta Modulation Nasıl Çalışır
Delta modulation'ın özünde basit bir tahmin edici geri bildirim döngüsüdür. Sistem, her örnek saat boyunca yerel bir analog giriş sinyalini korur.Eğer giriş bu tahmine kıyasla gerçek giriş, aritme göre tahminleri aşırsa, hesaplamalar mantıksal olarak yapılır:0).1).
Sonuç olarak, bir "1" sinyalinin yükselmesi anlamına gelir, düşük seviyeli bir filtre, sinyalin yeniden yapılandırılması, basit bir bütünleme (örneğin analog devrelerdeki bir kapasitör veya bir cumulator dijital mantıkta) ekler veya her bir alınan küçük adımın düşmesi anlamına gelir.
Matematiksel olarak, süreç şöyle tanımlanabilir:
- Tahmini [[0)[Dönemli[Dönemli: 0)[Dönemli) s.
- Her örnekle, [Dönemli: 1)[Dönemli) ([Dönemli)) ([Döntilmiş)))))[[Üye Olmayanlar (Dönemli))))
- [FONT=0)[[DÜŞÜNÜye: 1)[Üye: 1))) ([Üye/gün)))))))) [8]
- Güncelleme tahmin:0)[Dönemli[Dönemli:2)[Dönemli:2|Dönemli[Dönemli: 4)[Dönemli: ﴾4﴿) {0|Dönemli [Dönemli: {8|Dönemli: {0|Dönemli) {0|[Dönemli) {0|[Dönemli) {0|[Dönemli) {0|[Dönemli)
Bu basitlik, DM'nin gömülü cihazlar için çekici hale getirdiği şeydir. Çok basit, masa gözlüğü yok, karmaşık bir kodlama – sadece bir komisatör ve bir cumulator. Düşük maliyetli 8bit mikrokontroller DM encoding veya birkaç düzine talimatta dekoding uygulayabilir.
Sabit Adım Boyutu ve onun Implikasyonları
Adım büyüklüğü 345, temel delta modulation'daki en önemli tasarım parametresidir. Sistemin dinamik aralıklarını ve gürültü katını belirler.Küçük bir adım sinyal düz veya yavaş yavaş farklı olduğunda ölçüm gürültüyü azaltır, ancak hızlı değişiklikler takip edemez - yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte (Düzücük) otomatik olarak takip edebilir.
Bir sinüsoidal amplifikasyon girişi için:0)A) ve frekansı )[Dörtücükler[Dönderler)[Dönderler: 1. Sezon 2. Bölüm[D)[Döneticileri: 1. Sezon 3. Bölümde)
Delta Modulation for Gömülü Cihazlar için Avantajları
Delta modulation'ın güçlüleri gömülü sistemlerin kısıtlamalarıyla yakından uyum sağlar: sınırlı hafıza, sınırlı işlem gücü ve genellikle sınırlı enerji. Aşağıda temel faydalar vardır:
- [FONT=0) <24|24|düşük hesaplama karmaşıklığı[[Dönetici: Encoding veya decoding sadece karşılaştırma ve ek / gerileme gerektirir. hiçbir multiplikasyon, trigonometrik fonksiyonlar, yüzer bir noktada uygulanmaz. Bu, C veya en düşük güç için özel analog donanımda uygulanabilir.
- [FONT:0)Minimal hafıza ayak izi[[Dönetici: Her örnek 8 kHz (ortalama iletişim bağlantıları için) bir sinyal örneği için, bir delta-modated bitstream sadece bir PCM 8 kbaytlık çözünürlükte 8 kbay kullanır.
- [FONT=0)Constant bit oranı[[Dönetici: DM çıktıları tam olarak örnek bir dönem için biraz. Bu, gerçek zamanlı sistemlerde tamponlama ve zamanlamayı basitleştirir.Komplamentolan protokol tasarımı olan değişken uzunlukta kodlar veya çerçeve başlıkları yoktur.
- [FONT=0)Inherent monotonluk[[Dönetici:[Dönetici]: Encoding değişikliğin işaretini koruyor, sıfır aralıkları veya trend yollarını tam rekont olmadan tespit etmek kolay hale getiriyor.
- [FONT=0)Hardware verimliliği[Dönetici: 0 3): Analog ayrık-komponent delta modüllators, bir sabit kontenserle ve bir saat boyunca inşa edilebilir.ADC'nin aşırı sağlanacağı ultra güç sensörü düğümleri için değerlidir.
Sınırlamalar ve Zorluklar
Delta modulation evrensel bir çözüm değildir; eksiklikleri uygunsuz uygulamalarda dağıtımdan kaçınmak için anlaşılmalıdır.
Slope Overload Distortion
Bahsettiği gibi, sinyal, örnek oranı ile çarpılan adımdan daha hızlı değiştiğinde, merdivenin yaklaşık olarak geri çekilmesini sağlar.Bu, sinyal eğimi azaltıncaya kadar büyük hataları sunar.Repleme özellikle ses sinyalleri için keskin geçiciler (örneğin, davul vuruşları) veya sensör verileri için hızlı artışlar içerir. Overload, ölçüm oranını artırmak, ölçüm boyutunu artırmak (bu da gürültüyü artırmak) veya adaptif bir adım atma şemaları ile hareket eder.
Granular (Quantization) Gürültü
sinyal neredeyse sabit olduğunda, DM çıktı 1 ile 0 arasında değişmektedir, çünkü gerçek değerdeki tahmin osilleri.Bu idle kanal gürültü, ses uygulamalarındaki bir his olarak duyulabilir. daha küçük bir adım kullanarak azaltılabilir, ancak bu eğimi takip etme yeteneği ve zemin arasındaki en kötü ticaret-off tüm üniformalı delta modüllators.
Sınırlı Frekans Yanıtı
Yüksek frekanslı bileşenler çok yüksek bir örnek oranı veya büyük bir adım gerektirir. Pratikte, DM düşük frekanslarda yoğunlaştığı sinyallerin en uygun olduğu sinyalleri için uygundur - 4 kHz'nin altındaki ses, sıcaklık okumaları, basınç sensörü çıktıları, vb. Geniş bant sinyalleri için, PCM veya sigma-delta modulation daha uygun.
senkronizasyon Hassasiyet
Eğer decoder'in saati, encoder'in yanına doğru sürüklerse, yeniden inşa edilen amplitüdün hata biriktireceği bir hata olacaktır. Bu sürekli iletimlerde faz kilitlenmiş bir döngü ile yönetilebilir, ancak depolanan veriler için sistem mükemmel bir saat kurtarma veya zamanlayıcı reenkreasyon işaretleyicileri varsaymalıdır.
Gerçekleştirilmiş sistemlerde uygulamalar
Limitlerine rağmen, delta modulation, basitliğini dışlayan komşuların sadakat endişeleri olduğu nişlerde hizmet etmeye devam ediyor.
Ses ve Ses Kodları
En ünlü ticari uygulama, son derece basit modellere dayanan adım büyüklüğüdür: aynı değerdeki bir miktar hızlı değişen bir sinyale işaret eder, biraz daha fazla yükleme yapar, Bluetooth kulaklıklarında kullanılır.Bu büyük ölçüde dinamik aralıkları geliştirirken CVSD, son derece basit modeller: [[Dönemli bir şekilde değişebilir.[Dönemli bir sinyal, daha büyük bir adıma yol açar; bazı baskılar da yüksek çözünürlükte bulunur.)
Hobi ve DIY, ses projelerinin bulunduğu, 1-bit delta modulation bazen düşük bant genişliği bağlantıları (örneğin, LoRa, Zigbee) üzerinde ses çıkarmak için kullanılır.Diğer kodcular paketin boyutunu aşacağı yerde.
Sensör Data Logging
Çevresel izleme istasyonları genellikle sıcaklık, nem, barometrik baskı veya ışık yoğunluğu - yavaş yavaş değişen işaretler. Bir deltator giriş verilerini 8-16 örüntü ile karşılaştırabilir ve DM'yi yalnızca bir logger üzerinde bir sonraki referansa kadar kullanabilir.
Neural Kaydı ve Biyomedikal İmplantlar
Kortical sinir kayıtları gibi pratik cihazlar aşırı güç kısıtlamalarına karşı karşıyadır, çünkü piller olmadan veya küçük olanlar ile Delta modulation'ın basitliği, sinyal işlemenin ilk aşaması için cazip hale getirir. Action potentials (spikes) nöronlardan hızlı bir şekilde geçici olarak 10 μW'ye kadar bant genişliği elde edilir.
Endüstriyel Süreç Kontrol Kontrolü
Fabrika otomasyonunda, birçok sensör (baskı, akış, seviye) 10 Hz. A düşük seviyeli DM encoder basit iki kablo üzerinden bir PLC veya SCADA sistemini besleyebilir. - Uzun kablolara karşı sinyal sinyalizasyon sağlamlığı bir yan avantajdır: Her geçiş tam olarak küçük analog gerilim damlaları için bağışıklık.
Diğer Modulation Yöntemlerine Karşı Karşılaştırma
Delta modulation in context, bunu doğrudan alternatifler mühendisleri ile karşılaştırmaya yardımcı olur.
Delta Modulation vs. Pulse-Kom Modulation (PCM)
PCM her örnek bir n-bit ikili sayı olarak kodlanır. Aynı örnek oranı için PCM daha az sayıdaki düşük çözünürlük ve eğimli aşırılık sağlar.Ancak, PCM, DM'nin genişliği ve depolamasını tüketmektedir.In sinyaller için PCM'nin sinyaline yaklaşabilir, DM'nin çok yüksek oranda küçültülmesi için, PCM'nin biraz fazla PCM'si eşitsiz bir şekilde artırabilir.
Delta Modulation vs. Sigma-Delta Modulation
Sigma-delta modulation ( ⁇ M), hesaplamadan sonra çok yüksek çözünürlükte bir optimizasyona izin veren yakın bir akrabadır. ⁇ M, kodlayıcı için daha karmaşıktır (elişman filtre) ve doğrudan 1bit akış için uygun değildir. DM'nin avantajı her iki uçtan sonra çok basitleştirmenin gerekli olması gerekir.
Delta Modulation vs. Adaptive Differential PCM (ADPCM)
ADPCM, DM'nin (DPCM) düşüklüğü veya DSP çekirdeğini ayarlayan ve ölçümleyici bir ölçümdür.In deep permission systems with a simpleier, ADPCM may be infeasible while DM will be in any.
Delta Modulation on a Modern Microkontroller
Örnek olarak, ortak bir ARM Cortex-M0 mikrokontrolörünün 48 MHz'de çalışan bir analog sinyalini ikinci başına 8 k örnekletmek amaçlanmıştır.ADC okuması 12bit.
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;
}
}
Alıcı tarafında (decoder), kod simetrik:
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
}
Bu döngü, MCU'nun diğer görevler için ücretsiz bant genişliğinin% 99'undan daha az CPU döngüsü alır.Performe bittiği veya UART ile aktarılabilir.Daha yüksek kaliteli için, adım büyüklüğü son derece tarihi (CVSD stili) takip ederek uyarlanabilir hale getirilebilir.
Future Trends: Delta Modulation in IoT Era
Nesnelerin İnterneti (IoT) genişlediği gibi, milyarlarca sensör veri verimli bir şekilde rapor etmek zorunda kalacaktır. Delta modulation, LoRaWAN gibi ultra güç kablosuz protokolleri sunar, her paketin yalnızca birkaç yüz tane tek başına taşıyabilir.Bir sensör akışını 1bit değişikliklerle sıkıştırarak, düğümler paket başına daha fazla örnek verebilir ve batarya hayatını kurtarır.
Bir başka ortaya çıkan alan ise şöyledir:0)event-güdümlü örnekleme), sensör yalnızca bir eşiğin ötesindeki sinyal değişiklikleri gönderirken verileri gönderir. Delta modulation'ın biraz daha doğal sinyalleri ile birlikte işlenmesi; bir olay odaklı tetikleyici ile DM'yi birleştirerek verileri daha da azaltır.
FPGA ve ASIC tasarımı, delta modülatörlerin özel periferik olarak uygulanmalıdır, mikrowattlar güç tüketiyor. Bu IP çekirdeği, özel SoCs hedefleme tıbbi implantlar veya çevresel etiketler için kütüphanelerde ortaya çıkıyor.
delta modulation, müzik veya video için yüksek performanslı kodlar asla değiştirmeyecek olsa da, en az kaynaklanmış sistemlerdeki niş güvenli kalır. ilkeleri anlamakta olan mühendisler bir sonraki tasarımda önemli verimlilik kazanımlarını yaratabilirler.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Delta modulation, gömülü cihazlarda dijital sinyal depolamaya yönelik bir yaklaşım sağlar. Düşük hesaplama talepleri, verimli hafıza kullanımı ve basit donanım uygulamaları, ses iletişim, sensör giriş ve biyomedikal enstrümantasyon için cazip hale getirir. Mühendisler, büyük işlevsellik olmadan, çelik kablolamalarının temellerini dikkatle ele geçirmelidir ve sıklıkla dinamik sinyallere adım boyutunu adapte ederek, sinyal özelliklerini ve donanım kısıtlamalarının uyumlu olduğunu seçerek, tasarımcılar güçteki önemli azalmaları elde edebilir.
Daha derin teknik arka plan için, [[Döneticileri:0)Wikipedia makalesini delta modulation) ve İLMİŞT:2)Analog cihazları teknik kılavuz[)[DÜye uygun olmayan programlar için uygulama detaylarına göre, standart bir referans sunar.