Giriş: Delta Modulation in Modern Signal Processing
Delta modulation uzun zamandır analog-dijital dönüşüm için bir yaklaşım olarak kabul edilmiştir, büyük ölçekli sistemlerde yapılan değişikliklerin maliyetinden ziyade doğrudan bir şekilde belirlenmesi için doğrudan bir yöntem sunar. - nerede maliyet, güç verimliliği ve ölçeklenebilirlik çok daha karmaşık dönüşüm programları için cazip bir alternatif sunar - bu teknik, geleneksel dezavantajları nasıl hafifletebilir, akıllı IoT uygulamaları için uygun bir seçim yapmak için uygun bir şekilde analiz sağlar.
Delta Modulation'ın Teknik Vakfı
Delta modulation (DM) bir analog-dijital dönüşüm biçimidir, bir "0" kodlarını tekrarlamanın ardından bu adımların tamamını ölçmek yerine, bir sabit akış aralığının tamamını kullanarak sinyali yeniden yapılandırır.
Temel bir delta modülatörün temel bileşenleri bir hesaplama içerir, bir 1bit ölçümleyici ve geri bildirim döngüsünde bir bütünleme. adım büyüklüğü - her örnekle yeniden yapılandırılan sinyal değişiklikleri - küçük bir adım boyutu granular gürültüyü azaltır, ancak giriş sinyalini hızla bozmaya yol açabilir. Conversely, daha büyük bir adım büyüklüğü hızlı değişiklikler takip edebilir, ancak yavaş sinyal varyasyonları sırasında ölçümler artırabilir.Bu ticaret-off yavaş sinyal varyasyonları sırasında.
Pulse Code Modulation (PCM) ile Karşılaştırma
Pulse code modulation (PCM) yüksek sadakat uygulamaları için baskın AD dönüştürme tekniği olarak kalır, ancak çok daha yüksek bir örnekleme hızında tek bir doğrulama işlemi gerektirir. Örneğin, 16 bit PCM sistemi, 65,536 gerilim seviyelerini çözmeli, karmaşık analog devre ve yüksek hızlı dijital mantık gerektirir. Delta modulation, aksine, Döksel bir olasılık için tek bir sinyalli sürümde tek bir sinyalli sürümde kullanılabilir.
Adaptif Delta Modulation: Modern Extension
Geleneksel sabit adım delta modulation, son derece ayrıntılı olarak, üç ardışık "1s" tespit edilirse, sabit bir eğimle yetişmek için adım büyüklüğüne işaret eder; aksine, bazılarında gürültüyü en aza indirmek için bu sorunları dinamik olarak ayarlar. ADM son derece karmaşık bir şekilde artırmak için adım boyutunu geliştirir ve birçok ticariDM ADM IC'nin temel donanımını azaltırsa, sabit bir şekilde ses ve sıkıştırma için kullanılabilir.
Büyük İşbirlikleri için Maliyet Analizi
Yüzlerce veya binlerce sensör düğümü içeren projeler için dönüşüm teknolojileri değerlendirildiğinde, telemetri kanalları veya iletişim bağlantıları, toplam mülkiyet maliyeti (TCO) sadece bileşen fiyatlarından daha fazlasını içerir. İmalat, montaj, güç tüketimi, bakım ve sistem mühendisliği tüm katkıda bulunur. Delta modulation, ölçeklenince bu alanlarda farklı avantajlar sunar.
Azımsal Kompleksi ve Assembly Maliyetleri
Bir delta modüllator genellikle sadece birkaç bileşen kullanır: bir hesaplama, bir yüz-flop (veya tek bir ADC ile mikrokontrolörler) ve bir bütünleme ile bir başarı ile karşılaştırıldığında, hassas bir DAC, örnek-ve-hold, ve birden fazla referans gerilimleri, DM yaklaşımı, bu tasarruflar hacminde 0,10 $ 'lık bir miktar maliyetle uygulanabilir.
Örneğin, 10.000 sıcaklık sensörü dağıtmaya akıllı bir bina basit bir RC bütünleştirici ve düşük güçlendiricisi ile bir delta modülatörü kullanabilir. sensör başına toplam bileşen $ 20, 12bit SAR ADC ile karşılaştırılabilir. 10.000 birim ile, bu acil donanım tasarrufu daha güvenilir güç malzemeleri veya daha iyi paketlemeye yol açabilir.
Battery-Powered Systems için Daha Düşük Güç Tüketimi
Delta modulation'ın tek bit ölçümleme ve yüksek oversampling oranı doğal olarak alginç ile uyumludur:0)Işık gücü) işlemi sırasında birçok kompozatörü mikroampsiyonlar mevcut mikroplar tüketmelidir ve küçük akışlar kodlanması gereken dijital işlem basit bir mikro kontrol veya özel ASIC tarafından ele alınabilir. Aksine, çok fazla sayıda SAR ADC'nin dönüşüm döngüleri boyunca çeşitli milislere kıyasla% 40-60 oranındaki ortalama bir güç tüketimi azalır.
Scalability and System Entegrasyon
Çünkü delta modulation kanal başına tek bir dijital bit akışı, çokluxing çoklu sinyalleri veya onları paylaşılan bir otobüse bağlaması basit. Bu, çoklu kanal veri satın alma sistemlerinin mimarisini de azaltır.Büyük ölçekli dağıtımlar için sismik izleme dizileri veya endüstriyel durum izleme gibi, merkezi bir işlemci karmaşık analog çoklu seri akışları gerektirmeden veya yüksek paralel otobüslere bağlanabilir.
Quantitative Cost Tasarrufları: Bir Hipotez Deployment
Bir su dağıtım ağı üzerinde 50.000 uzaktan baskı sensörü dağıtmaya devam edin. Her sensör Node 8bit çözünürlükte 10 Hz'de baskı yapmalıdır, kablolu veya kablosuz bağlantı üzerinden $ 0.1.Ek olarak, DM yaklaşımı, MCU'nun sadece örnekleme ve iletmesi için maliyetinin yaklaşık 0,8 $ 'dan fazla olan yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bir şekilde azaltılabilir.
Meydanlar ve Mitigation Strategies
Maliyet avantajlarına rağmen, delta modulation, kullanımını kısıtlayabilecek iyi bilinen kısıtlamalara sahiptir. Mühendisler bu zorlukları anlamalı ve sistem performansının özelliklerini sağlamak için uygun mitigation teknikleri uygulamalıdır.
Slope Overload and Granular Gürültü
Bahsettiği gibi, sabit bir adım boyutu aynı anda hızlı ve yavaş sinyal varyasyonları tutamaz. Slope aşırı yükleme, girişin modülatörden daha hızlı değiştiğinde gerçekleşir, bir kare benzeri bozulma üretir. Granular gürültü, adım büyüklüğü yavaş yavaş yavaş yavaş farklı sinyallerle çok büyük bir şekilde karşılaştırılabilir görünüyor, yeniden yapılandırılan dalgaformu doğru sinyal kalitesi etrafında silümesine neden olur.
[FONT:0]Mession:[Dönetici:[Dönetici:0) Adaptive delta modulation, her iki problemi de gerçek zamanlı olarak ayarlamaya zorlar. Ek olarak, aşırı hız - örnekleme oranından çok daha yüksek bir saatte DM'yi çalıştırın - basit bir şekilde ölçümleme gürültüyü indirin ve basit bir düşük frekanslı filtrelemeyi sağlar. Birçok sensör uygulamalarında, fiziksel sinyal (örneğin, sıcaklık, basınç) yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş
Yüksek-Fidelity Uygulamaları için Sınırlı Karar
12'den fazla etkili bitleri gerektiren ses veya araçlama için, delta modulation mücadeleleri. İyi çözünürlük için gerekli olan yüksek aşırı hız oranları, elektromanyetik aralığına, artan güç tüketimine ve dijital işleme talepleri. PCM veya sigma-delta modulation (bu çok fazla genel DM'nin genelleştirilmesi) daha verimli hale gelir.
[FONT:0]Mession:[Dönetici:[Dönetici:0) DM'yi sadece karar gerekliliklerinin mütevazı olduğu yerde kullanın - 10-12 etkili bitlere kadar - veya küçük boyutlu dönüştürücüleri, delta modulation'ı gürültü şekillendirme ve decimasyon filtreleri ile birleştiren sigma-delta dönüştürücüleri düşünün.
Saat Jitter Hassasiyet
Çünkü delta modulation sabit bir örnekleme oranını kullanır, saat veya hesaplama sırasında jitter anlık hataları tanıtabilir. büyük ölçekli dağıtılmış sistemlerde, birçok düğümde temiz bir saat artırmak maliyet artırabilir.
[FONT:0]Mession:[Döneticiler, yüksek çözünürlükte, x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x
Signal Distortion from Over-simplification
Karmaşık multi-channel sistemlerde, DM'nin basitliği çift taraflı bir kılıç olabilir. giriş sinyali yüksek frekanslı müdahale veya gürültü içeriyorsa, 1-bit ölçümleyicisi sinyal olarak gürültüyü yanlış yorumlayabilir, aliased deme yol açabilir.
[FONT:0]Mession:[Dönetici:[Dönetici:0)) Uygulamada, ön filtre ve aşırılıkçıların iyi sonuçlardan önce filtrelenmesi gerekir. Basit bir RC filtre genellikle yeterlidir, ancak eğim aşırı yüklemesine neden olan faz geçişlerinden kaçınmak için dikkatli bir tasarım gereklidir.
Büyük İşbirlikleri için yataklanabilir: Gerçek Dünya Kullanım Vakaları
Delta modulation, aparatın düşük maliyeti ve düşük güç [[Dönetici:0) ile düşük maliyet, düşük maliyet, düşük güç [[Dönetici: 1), ultra yüksek hassasiyetten daha önemlidir. aşağıdaki örnekler, viability in scale.
Ses ve Ses Kombinasyonu Telephony
Adaptive delta modulation (ADM) ve sürekli değişken eğim delta modulation (CVSD) askeri ve ticari ses iletişim sistemlerinde on yıllardır kullanılıyor.TheurFLT:0)CVSD[DDDDD-STD-188 olarak standartlaştırılmış, sağlam, düşük maliyetli ve düşük hesaplamalı yüksek seviyeli alan radyolarda, yüksek ölçekli sistemlerde, uygulama kolaylığı nedeniyle CVSD'yi hala kullanıyor.
Industrial Sensör Ağı
Sıcaklık, nem, vibrasyon veya bir fabrika zemininde baskı genellikle binlerce düğüm gerektirir. Bu sensörler genellikle yavaş yavaş yavaş farklı sinyaller üretir. Bir delta modülatörü doğrudan düşük güç mikro kontrol cihazı ile bir maliyet-malzeme cihazı oluşturabilir. Örneğin, Texas Instruments'un şu anki örneği için, enerji hasatına dayanan kendi güçlü düğümler için idealdir.
Uydu ve Uzay İletişim
Uydu telemetrisinde, ağırlık ve güç bir primtedir. Delta modulation'ın donanım verimliliğini basit sensör verileriyle bağlantı kurmak için cazip hale getirdi. Örneğin, Voyager 1 uzay aracı, görüntüleme sistemi için bir form kullandı? (Aslında, Voyager 8bit PCM kullandı, ancak DM daha küçük uydular tarafından azalmış bir telemetri sistemi ile daha düşük seviyeli bir şekilde uygulandı.) Modern CubeSats genellikle düşük seviyeli bir telemetri için DM uygular.
Tüketici Elektronik: Basit Analog-to- Digital Dönüşüm
Birçok düşük uç mikrokontroller, dış bir hesaplamacı kullanarak inşa edilmiş bir "delta modüllator" içerir ve MCU'nun iç karşıtlığı ile daha az maliyetlidir.Bu yaklaşım düşük maliyetli oyuncaklarda, ev otomasyon anahtarları ve mutlak doğruluk gerekli değildir.
Modern Gelişler: DM'yi Daha Fazla Etkiliyor
Süreç teknolojisi ve dijital sinyal işlemedeki son gelişmeler, belirli bantlamalarda etkili çözümlere sahip oldu. Yüksek hızlı CMOS koaratorlar ve ultra-düşük-güç dijital işlemciler, DM'nin yüksek çözünürlükte çalışmasını sağlar, 10-12 bit ADC'lerin belirli bant genişliğine ulaşmasına izin verir. ek olarak, FLT:0).
Başka bir gelişme, modern veri dönüştürücüleri ile ilgili olarak, alt prensip olarak kalır - DM'yi düşünen mühendisler için, sigma-delta ADC'leri değerlendirmek, performans talep ettiği gibi doğal bir adım olabilir.
Sonuç: Maliyet-Driven Systems için Pragmatik bir seçim
Delta modulation, donanım sadeliği, düşük güç ve ölçeklenebilirlik kritik olan büyük ölçekli projeler için zorlayıcı bir değer önermesi sunuyor.En düşük bileşen sayısı, entegrasyon kolaylığı ve düşük kanal maliyeti, dağıtılmış sensör ağları için ideal hale getirebiliyor, temel telekomünikasyon bağlantıları ve gömülü sistemler sıkı bütçeler altında faaliyet gösteren sistemler. Ancak, tasarımcılar sinyal özelliklerini, doğruluk koşullarını ve çevresel gürültüyü dikkatle değerlendirmelidir.
Yüksek sadakatli ses veya enstrümantasyon seviyesi talep edildiğinde, diğer dönüşüm teknikleri gerekli kalır. Ancak büyük ölçekli, maliyete duyarlı dağıtımlar, delta modulation – özellikle de uyarlanmış formlarında - modern geliştirmeler ve düşük maliyetli hesaplamalar ile ilgili olarak, teknik dijital sinyal işlemeye yönelik pratik ve ekonomik bir yol sunmaya devam eder.