Delta Modulation ve Oversampling'in Rolü

Delta modulation (DM), düşük güç tüketiminin minimum bant genişliğinin (düşük) sayısal sinyal işlemenin temel bir tekniğidir.Bu tür bir yaklaşım, sinyalin amplitüdünü ölçen veya azaltımı yapan basit bir 1-bit çıktıyı gösterir.

Bir delta modülatörünün performansını yöneten kritik bir faktör, giriş sinyalinin genişliğine göre örnekleme oranıdır. [FONTD:0)Oversampling) - aşırı hız artışı (OSR), mühendisler iki anahtar performans ölçümünü etkiler: verimlilik (projektif gürültüyü ölçmek için sinyal gücü oranı olarak tanımlanabilir) ve karar verme yeteneği (sampling().

Bu makale, aşırılıkçı etkilerin delta modulation'ı nasıl etkilediği konusunda ayrıntılı bir analiz sağlar. Teknik tartışmayı desteklemek için matematiksel temelleri, pratik ticaret-offları ve gerçek dünya uygulamaları inceleyeceğiz.

Delta Modulation

Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Temel Mimari Temel Temel Mimari Temel Mimari Temel Temel Mimari Temel Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari Temel Mimari

Bir delta modüllator bir hesaplama sinyalinden oluşur, 1bit ölçümleyici ve geri bildirim döngüsünde bir bütünleme. giriş sinyali:0)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli)[Dönemli) veya ⁇ (t)[tr|bent)[Dönetici) ve bir ikili akış olarak üretilen bir sabitleme işlemidir.

Quantization Gürültü ve Slope Overload

Temel bir delta modülatörün performansı iki farklı gürültü mekanizması ile sınırlıdır:

  • [FONT:0)Granular gürültü [Dönetici: 1)) Aynı zamanda boş kanal gürültüsü olarak da adlandırılır: Giriş sinyali neredeyse sabit olduğunda Occurs. modüllator +345 ve ⁇ adımları arasında değişir, giriş DC seviyesindeki düşük seviyeli bir “yüzlü gürültüyü üretir.
  • [FONT=0]Slope aşırılık ([Dönetici: Arises giriş sinyali, modülatörden daha hızlı bir şekilde değişebilir.The maximum follow Falls of a delta modlator isASIFLT:2345 × f s, ), where the input signalD[D]

Bu gürültü kaynaklarının her ikisi de doğrudan örnekleme oranıyla etkilenir. Yükseltme:0)f s) (oversampling) belirli bir takip eğimini korumak için adım boyutunu azaltacaktır, böylece granular gürültüyü azaltır.

Oversampling: Tanım ve Temel Prensipler

Lata modulation bağlamında, oversampling, örnekleme frekansı kullanılarak anlamına gelir:0)f s), Nyquist oranından önemli ölçüde daha yüksek olan, [[D)[tr|D][FONT=0)[D][/FONT=0|D=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=STR][/FONT=FONT=SNT=S=FONT=FONT=STR=S=S=S=S=S=S=S=S=FONT=FONT=S=S=S=S=S=S=S=S=S=SNT=S=S=SNT=S=SNT=FONT=SNT=SNT=S=SNT=S=S=SNT=S=SNT=FONT=FONT=FONT=S=SNT=S=S=SNT=S=S=SNT=S=S=FONT=FONT=FONT=FO

[FONT=0)OSR = f s / (2B)).

Örneğin, 4 kHz bant genişliği ile bir sinyal 256 kHz'de örneklenirse, OSR 32. Bu oran, dinamik aralığın arasında ticarete ayarlanabilecek bir tasarım parametresidir.

Lax modulation'ın merkezi anlayışı, ölçüm gürültüsünün gücü, tüm örnek bant genişliğine (BD'den in the DC toETHFLT:0) 0 (Düzücüksel gürültüyü korumak için) işaret bant genişliğini sabit tutarken, sinyal bant genişliğini sabit tutar.

Oversampling'in Verimlilik Üzerine Etkisi

[FONT=0]Efficiency[[[Dönetici:0)[Dönetici:0)) Daha geniş bir frekans aralığı üzerinden ölçümlenen ve sonra bant gürültüsünü reddetmek için yeniden yapılandırma sırasında düşük frekanslı filtreyi uygulayın.

Gürültü Shaping ve In-Band Gürültü Azaltımı

Temel 1-bit delta modülatöründe, ölçüm gürültüsü spektrumu, DÜŞÜNCÜye ait olan toplam ölçüm cihazı (SYönetici) olarak kalır.(QD) bir faktör tarafından değiştirilebilir.[D)[Dönetici:2|D)[D)[Düzücüksel olmayan bir güç kaynağı ile yeniden inşa edilir.

Bu ilişki temeldir: 03.D:0) Her şey aşırılık oranının 3 dB artışını zirvede SQNR[DDDD) basit bir 1-bit deltator için kullanmak anlamına gelir, bu da yüksek çözünürlükte (örneğin, 16-bit eşit dinamik aralığı) temel delta modulation, ikinci bir deyişlerleyici yüksek örnekleme oranını sağlar.Bu nedenle en pratik uygulama kullanımın kullanımı için kullanım süresine ek olarak, QD rightt rightt rightt the formasyon sağlar.

Slope Overload Mession

Oversampling ayrıca eğim aşırılığını azaltarak verimliliği artırır.Bir deltatorun izleyebileceği maksimum eğim, örnekleme frekansı ile lineer olarak sabitlenebilir.).

Oversampling'in Kararları Üzerine Etkisi

[FONT=0)Resolution[[Dönetici:0)[[Dönetici:0)Resolution[Dönder)[[Dönderlik ve sonraki decim filtrelemesi ile, etkili bir karar dramatik bir şekilde artabilir.

Etkili Bits Sayısı (ENOB)

Aşırı bir delta modulation sisteminin etkili çözümü, SQNR'den elde edilen [FONTT:0) az sayıdaki (ENOB) tarafından ölçülmektedir.

[FONT=0)ENOB = (SQNR – 1.76 dB) / 6.02).

İlk sipariş için sigma-delta modüllator (bu, gürültü şekillendirmek için bir döngü bütünleştirici içerir), SQNR, 9 dB'nin aşırılıkçı çözümüne ek olarak - sadece sayısal filtreleme oranını artırmak ve dijital filtrelemek için elde edilir.

Zaman-Domain Çözümü

Oversampling ayrıca yeniden inşa edilen sinyalin zamansal çözümünü geliştirir. Daha yüksek bir örnekleme oranıyla, modlu sinyal işlemeyi temsil eden nabız treni iyi zaman artışları içerir. Bu, rekont filtresini örnekler arasında daha doğru bir şekilde interpolate sağlar, zamanlama jitter hataları azaltır ve hızlı geçicilerin sadakatini arttırır.In applications like high- speed data Acquisition or Radar sinyali işleme, bu zaman hassaslığı çözünürlüğü amplitude solution.

Pratik Ticaret-offları ve Tasarım

Oversampling açık faydalar sunarken, aynı zamanda mühendislerin dikkatle yönetilmesi gereken önemli zorluklar da ortaya koyar.

Artan Saat Hız ve Güç Tüketimi

Yüksek örnekleme oranları, doğrudan CMOS devrelerinde dinamik güç tüketimi artırmak (en az kapasiteye sahip olan saat oranına göre ortalama 64 oranında sabitlenebilir).In batarya destekli cihazlar, OSR enerji verimliliğine karşı SNR gerekliliklerini dengelemek için seçilir. Örneğin, kablosuz bir ses verileri 64 $ 'lık bir OSR'yi ilk sipariş modül cihazı ile ilk sipariş edilen saat oranını 1 MHz'in altına almak için kullanabilir.

Data Storage ve Transmission Band geniş

Bir delta modülatöründen gelen ham bitstream örnekleme hızında üretilir - biraz daha yüksek bir OSR bu nedenle düşük bantlı kanallarda 20 kHz ses sinyali örneklenir.In practice, decimation filtresi, bankalar en düşük fiyattan sonra veri oranını azaltırken, en düşük oranlarda daha düşük bir oran için azaltılabilir.

Analog Front-Bitişleri

Kompatördeki bütünleme ve kompatörün tam örnekleme hızında çalışması gerekir. Yüksek frekanslar yükseltici kazanç bant genişliği ürün, yarılık ve zaman yerleşmek için daha pahalı, daha yüksek bant genişliği analog bileşenlerinin kullanılması anlamına gelir.

Diminishing Returns

OSR belirli bir noktadan öteye yükselirken, SQNR'deki artışlar maliyetine daha küçük bir şekilde karşılık gelir. İlk sipariş modülatörü için, OSR'yi 64 ila 128 verimden 9 dB'ye kadar yükselterek, ancak 256'den 512'ye kadar aynı dB'ye kadar ulaşır - ancak saat boyunca OSR'ler, diğer gürültü kaynakları (termal gürültü, flicker gürültü, jitter) hükmetmeye başlar ve ölçümler için 256'den fazla pratik sigma-del ADC'ler kullanır.

Modern Delta Modulation'ta İleri Oversampling Techniques in Modern Delta Modulation

Adaptif Delta Modulation (ADM)

Adaptif delta modulation dynamically, giriş sinyalinin değişim oranına dayanarak adım boyutunu ayarlar, hem de aşırı gürültü ve eğim aşırılık ile bir araya geldiğinde ADM, geniş bir giriş aralığındaki SQNR'ya yakın bir şekilde ulaşabilir. adım büyüklüğü genellikle aynı olduğunda artış gösterir (göpürücük gürültüyü azaltır) ve aşırı gürültüyü değiştirirken (örneğin aşırı gürültüyü gösterir). Oversampling, sinyal değişikliklerine cevap vermek için daha hızlı bir algoritmaya olanak sağlar.

Sigma-Delta ( ⁇ ) Modulation

Sigma-delta modulation, düşük frekanslı sinyallerin (yaklaşık tüm modern yüksek çözünürlüklü ADCs) daha fazla entegre edilmesinden önce (veya daha yüksek siparişli bir filtre) daha önce, ölçümleme işlemine etkili bir şekilde gürültü şekillendirmek, basit bir delta modulationunun ne kadar basit bir şekilde sunabileceğinin ötesine geçer.

Multi-Bit Quantization ve Oversampling

Modern sigma-delta dönüştürücüler bazen çok fazla sayıda içsel ölçümler (örneğin, 1bit veya 5bit) ile 1bit ölçümleme aşamasını azaltır ve toplam ölçüm gürültü zeminini azaltır.Insampling, multi-bitizer niceleri çok yüksek çözünürlükte (örneğin 20 bit) elde edebilir (örneğin, 16 ila 32).

Vaka Çalışması: Audio Delta Modulation

Ses ve ses işleme, delta modulation ve varyantları on yıllardır kullanılmıştır. Önemli bir örnek, Adaptif bir Pulse Code Modulation[Dönetici: 1) standart (ITU G.726), bu, 16, 24, 32 veya 40 kbps. ADPCM, Adaptif bir adım büyüklüğü ile 4bit ölçümlemeli bir ölçümleme yapar, ancak Nyquist hızında çalışır; o zaman (yaklaşık 8 kHz.)

20 kHz bant genişliği için tasarlanmış yüksek sadakatli bir ses ADC düşünün. Bir sigma-delta modüllator ile 64 (sampling at 2.56 MHz) ve ikinci sipariş gürültü şekillendirme, tipik SQNR yaklaşık 100 dB'yi aşıyor, yaklaşık 16.5 bit etkili bir karara karşılık geliyor.Bu performans Nyquist-rate delta modlaulation ile imkansız, o zaman 256 OSR'nin sadece 24 dB SQNR ( ⁇ 4 bitleri).

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Oversampling, hem delta modulation sistemlerinin verimliliğini ve çözümünü önemli ölçüde artıran güçlü bir tekniktir ve bu avantajların Nyquist minimum, ölçüm gürültüsünün üzerindeki etkisini artırmak, daha geniş bir spektrumda yayılabilir, bant gürültüsünü azaltır ve daha yüksek etkili bir miktar derinlikte Slope aşırılık azaltılır.

Basit delta modulation to adaptive delta modulation and then to sigma-delta modulation, oversampling'in 1bit dönüştürücü mimarileri için bir kez imkansız olduğunu gösteriyor. Bugün, sigma-delta ADCsampling oranını artırmak için 32'nin standart olduğunu gösteriyor.

Oversampled dönüştürücülerin teorisi ve uygulamaları hakkında daha fazla okuma için, IEEE Signal Processing Society'nin koleksiyonuna bakın:0)oversampling ve sigma-deltaulation) ve Candy and Temes tarafından klasik ders.