Delta Modulation ile Scalable Signal Processing'a Giriş

Modern sinyal işleme sistemleri, bant genişliği, doğruluk ve adaptasyon talepleri ile karşı karşıya kalmaktadır. Geleneksel analog-dijital dönüştürücüler (ADCs) genellikle karar verme, güç tüketimi ve çeşitli uygulamalardaki veri oranı mimarisine karşı mücadele eder. modüler delta modulation birimleri basit ama güçlü bir kodlama tekniğini yeniden tasarlarken - her örneklemdeki tüm sistemleri kullanarak, yüksek çözünürlükte bulunan ve yeniden yapılandırılabilir olan bu birimleri tasarlayarak, doğal olarak yüksek ölçekli algoritmaların kendi kendine ödünç almasını sağlar.

Bu makale, delta modulation'ın temel prensiplerini araştırıyor, modüler mimarilerin arkasındaki tasarım felsefesi ve ses, video ve sensör ağlarının uygulanması için pratik stratejiler, her bileşeninin nasıl değerlendireceğiz - uygun bir teknik ve makine öğrenme döngüsüne – alanın nereye kadar sürekli olarak hazırlandığını gösteriyor ve doğru bir şekilde entegrasyon ve iletişim protokolleri sorunsuz bir şekilde entegrasyon sağlar.

Delta Modulation

Delta modulation (DM), dijital çıktının imza ve büyüklüğü ile başarı analog örnekleri arasındaki değişimin boyutunu temsil ettiği bir diferansiyel kodlama sistemidir.Rebrasyonel çıktıya kıyasla, her örnek için mutlak amplitüdün (veya çok-) değeri, bu farklılıkları bir hesaplayıcıdan oluşur ve bir geri bildirim döngüsünde bir bütünleme.

Bir delta modülatörünün performansını tanımlayabilmenin iki önemli zorluk: eğim aşırı yükleme ve granular gürültü. Slope aşırı yükleme, girişin sabit olduğu zaman sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenme hatası yaratır.Bu ticaretteki hızlar genellikle geri dönüşüm oranını azaltır. Granular gürültü, diğer yandan, sabit bir adım boyutunun sabit bir şekilde değiştiğinde, ancak temel bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabit bir şekilde sabitlenir.

PCM ile kıyasla, DM daha basit donanım sunar - hassas örnekleme için ihtiyaç yoktur - ve çok fazla ADC'ler - ve doğal olarak daha düşük veri oranlarına odaklanabilir. Sınırlı bant genişliği ve mütevazı dinamik aralığı ile sinyalleri için DM, ölçeklenebilir modüler sistemler için temeldir: çünkü her modül dar, iyi tanımlanmış bir görev gerçekleştirir, mühendisler iç analog devrelerden ziyade arayüz ve entegrasyona odaklanabilir.

Modüler Tasarım Paradigm

Elektronikteki modülerlik, karmaşıklığı yönetmek için iyi bir stratejidir, gelişim süresini azaltır ve sistem güvenilirliğini geliştirir.Dönetme birimlerine uygulandığında, paradigma üç temel ilke üzerinde kalır: standart arabirimler, yeniden yapılandırılabilirlik ve ölçeklenebilirlik.

Standartlaştırılmış Interfaces

Her modül – bir bütünleme, kompatörü, ölçümleyici veya saat kurtarma devresi – ortak bir elektrik ve mekanik spesifikasyona uygun değildir. Bu, pin-out tanımları, gerilim seviyelerini, sinyal engellenmeyi ve veri formatını içerir. Örneğin, bir ölçümleyici modülünün çıktısı, tanımlanmış bir mantıkla 1 bit dijital yayın olabilir (örneğin, LVCMOS 3.3 V) ve yüksek modda kullanılabilir.YouI veya I2C'ye bağlı olarak kullanılabilir.

Yeniden yapılandırma

Modüler delta modulation birimleri, sinyal işleme zincirinin izlerini kesmeden veya yeniden tasarlamadan değiştirilmesine izin verir: Darband ses sensörü için tasarlanmış bir sistem, tümleşik modül (zaman sabitleri) ve ölçümleme modülü (zaman sabitleri) ve ölçümleme algoritmaları gibi mikrokontrolel kontroller ile ilgili olarak genişleyen mikro kontrol cihazları ile başa çıkabilir.Reurability ayrıca yazılımlara da genişletilebilir: birçok modern modüller dahil edilebilir bir kapı dizileri (FPGAs) veya mikrokontroller, örnekleme katsayısı veya sabitleme algoritmaları gibi değiştirebilir.

Scalability

Scalability, ekstra modüller dahil etmek için işlem kapasitesi lineer olarak artırılır - hatta süper kanallı – iç otobüsleri satarak veya kabul edilemez gecikme aşamalarında etkili bir çözüm veya gürültüyü artırabilir. İyi tasarlanmış bir modüler platform, bağlantı genişliği ve güç dağıtımını destekler.

Delta Modulation Modülleri

Yeniden kullanılabilir bina blokları tasarlamak için, biri klasik delta modülator'ı ayrı modüllere paketlenebilir fonksiyonlara devre dışı bırakmak zorundadır. Aşağıdaki bileşenler temel araçta biçimlenir.

Bütünleme Modülleri

İntevazi, analog sinyali yeniden inşa etmek için sayısal farklılıkları toplar. Temel bir geçişte, bütünleme modülü operasyonel bir yükselteç, kapasitör ve analog anahtarlar içerir.Bir modüler tasarım için, bütünleştirici zaman sabit (RC ürün) eşlemeli veya dijital olarak kontrol edilebilir bir güçlü modüller ile eşlemeli hızlar gerekir. giriş ve çıkış arabirimleri ayırıcı analog sinyallerdir, bağlantı noktaları ve sıfırlama davranışı standartlaştırır.

Karşılaştırmacı Modül

Kompatörü, giriş sinyalinin yukarıda veya altında yeniden inşa edilmiş sinyal olup olmadığına karar verir. 1-bit deltalator'da, bu sadece dijital çıktı ile standart kontrol otobüsünin bir parçasıdır.Bir komparator, trenin giriş aralığına kadar ayarlanabilir hisler sunmalıdır.

Sayılama Modülleri

Temel bir delta modülatörü 1-bit ölçümleyici kullanır ( ⁇ ting +1 veya -1), modüler tasarımlar gelişmiş dinamik aralıklar için multi-bit ölçümünü destekleyebilir. Bir ölçüm cihazı modülü, bir flash ADC veya bir sigma-delta dönüştürücüyü örnek olarak üretebilir.

Geri bildirim ve Modül Saatleri

Geri bildirim yolu, ölçümleyicinin tekrar bütünleme girdisine bağlanır. Özel bir geri bildirim modülü tüm modüllere dağıtılabilir bir dijital-to-analog dönüştürücü (DAC) ve ağırlık ağı. DAC çözümü, niceleştirici sistemlerle eşleştirilmelidir.

Modüler Delta Modulation Birimlerinin Avantajları

Bir modüler yaklaşımı benimseme, delta modulation'ın temel basitliğinin ötesine uzatan faydalar sağlar.

Flexability and Yükseltability

Daha iyi gürültü performansı ile yeni bir bütünleme mevcut olduğunda, bu esnekliğin sabit riskin değiştirilmesi veya ölçümleme oranları gibi standartların değiştirilmesine olanak sağlar. Aynı şekilde, niceleştirme gürültülerini azaltmak için çok fazla sayısal ölçüm cihazı geliştirmek, yeni bir modülde takılmak ve muhtemelen zaman zaman içerisindeki bilgisayarı güncellemek için bir hale getirebilir.Bu esneklik obsolating riskini azaltır ve daha yüksek bant genişliği sinyalleri için daha yüksek örnekleme oranları gibi standartları geliştirmenize olanak sağlar.

Maliyet-i

Reusable modüller, çoklu projelerde olmayan mühendislik (NRE) maliyetlerini yaymaktadır. Bir şirket bir kez yüksek performanslı bütünleme modülüne yatırım yapabilir ve onlarca ürün çeşidinde dağıtabilir. Dahası, modül düzeyinde test, bir monolithic çip testinden daha verimli olabilir: her modül bağımsız olarak doğrulanabilir ve sistem düzeyinde deresyon, iç analog devrelerden ziyade arayüzlere odaklanabilir.

Hatalı Hoşgörü ve Güvenliliği Koruma

Her modül kendi güç düzenleme ve koruma ile kendi kendine özgü bir birim olduğundan, bir modüldeki bir başarısızlık mutlaka tüm sistemi geri getirmiyor. Red dışı modüller sıcak-swapped ve tanılar hata bloğu hızla belirleyebilir.

Performansın Kolaylığı

Signal processing talepleri büyüdükçe, modüler mimari, paralel kanallar veya dikey olarak katlanarak genişletilebilir. Örneğin, 4 kanallı ses yakalama sistemi, dört ayrı modüllü üniteden inşa edilebilir bir saat modülü ile ortak bir faza yüklenen bir saat modülü oluşturabilir. 8 kanal versiyonu gerektiğinde, tasarım sadece dört kanallı deseni tekrarlar.

modüler Birimler için Tasarım Yöntemioloji

Başarılı bir modüler delta modulation sistemi, hem donanım hem de yazılım değerlendirmelerini kapsayan yapısal bir metodoloji gerektirir.

Adım 1: Sistem Gereksinimleri Tanımlamak

Hedef sinyal bant genişliğini, dinamik aralığı, çözünürlük, güç bütçesini ve maksimum geçliği belirtmek için başlayın. Örneğin, bir ses uygulaması 20 kHz genişlikte, 16-bit etkili bir karara ve kanal başına 1 mW ile daha az bir optimizasyon oranına ihtiyaç duyabilir.Bu gereksinimler doğrudan örnek olarak, düşük güç sensörü birkaç mikroamp çizimi kullanabilirken, yüksek bant genişliğini de etkileyebilir: yüksek bant genişliğine de etkileyebilir: yüksek bant genişliğine sahip 100 MHz toggle oranıyla bir hesaplamaya ihtiyaç duyabilir.

Adım 2: Interface Standartları seçin

Fiziksel bir bağlantı standardı (örneğin, kompaktPCI, M.2 veya özel bir mezzanine konektörü) benimsemeli ve bir pin-out tanımlamalı. Yüksek hızlı sinyalleri kontrol edilen bir yapılandırma otobüsü olarak yollanmalıdır (örneğin I2C veya SPI) maksimum giriş gerilimi aralığı dahil olmak üzere elektrik özellikleri için rezerve edilmelidir.

Adım 3: Design Modül İçleri

Her modül, en yüksek basamak büyüklüğünde kesintiye uğramaktan kaçınmak için kendi performans ölçümleriyle buluşmak için tasarlanmıştır.Örneğin, kontraseptörden önce gürültü bant genişliğini sınırlamak için bir artırılmış ürün ve yarı yarıya indirme oranı gerekir.Entegratöredeki tümleme işlemine sıfır devre ekleyin.

Adım 4: senkronizasyon ve Saat Dağıtımı

Tüm modüller ortak bir zaman tabanında çalışmalıdır. Saat modülü, düşük seviyeli bir fanout tampon ile dağıtılan bir master saati oluşturur.Her modül, JESD204B'yi birden fazla dönüştürücüyü dengelemek için bir PLL kullanır.

Adım 5: Yazılım Kontrolü ve Yapılandırma

Bir mikrokontrollü (veya FPGA yumuşak-core) yapılandırma otobüsü üzerinden her modülü ile iletişim kurar. Kontrol yazılımı, adım boyutunu ayarlayabilir, etkinleştirilebilir modüller, filtre katlarını seçin ve durumu kaydedici bir sistemde, mikro kontroller sinyalini analiz edebilir ve eğimi azaltmak için gerçek zamanlı olarak adım boyutunu ayarlayabilir.

Uygulama Stratejileri ve Zorluklar

Açık bir tasarım metodolojisi ile bile, pratik uygulamalar üretim hazır bir sistem için ele alınması gereken birkaç engelle karşı karşıyadır.

Gürültü ve Interference

Modülerity, analog ve dijital modüllerin fiziksel olarak ayrı olabileceğini, elektromanyetik müdahaleye karşı algılanabilirlik (EMI) Güvenilir PCB düzeni, analog ve dijital bölümler arasında kalkan ve analog yollar için farklı sinyalleme kullanımı önemlidir. Her bir modül yerel dekonupling kapasitörleri içermelidir ve gerekirse, küçük bir ferritin enerji azaltıcısı gürültüyü izole etmek için kullanılabilir.

Güç tüketimi ve ısı Yönetimi

Yüksek hızlı hesaplamacılar ve FPGA'lar önemli bir ısı üretebilirler. Yoğun bir şekilde nüfuslu modüler bir kapta, termal haçlı geçişler ile tasarım modülleri, ısı parçaları veya hava akışı kanalları ile tasarlanabilir; Güç dağıtımı mevcut araç kapasitesi ve düşük yüklenebilirlik sağlar; temiz gerilim rayları ve sequencing sağlar.

Latency ve Saat senkronizasyonu

Gerçek zamanlı uygulamalar için (örneğin, aktif gürültü iptali veya kapalı-loop kontrolü), gecikmeler en az boru hatlarının gecikmesini sağlar - Kompatörün propagasyon gecikmesi, ölçümleyicinin dönüşüm süresi, DAC'nin yerleşme süresi boyunca elde edilmesi gerekir. yüksek hızlı bir mantık (ECL veya CML) ve minimum boru hatlarıyla modüller tasarlamayı birkaç nanosaniyenin altındaki senkronizasyonun son dereceleri gerekir.

Test ve Geçerlilik

Modüler sistemler, otomatik test ekipmanlarını kullanarak modül seviyesinde test edilebilir (ATE) Her modülün elde etmek için kendi kabul testlerini tamamlaması, dengeleme, gürültü ve lineerlik. Sistem seviyesi testi daha sonra arayüz bütünlüğüne odaklanır - biraz hata kontrol etmek, saat jitter ve kendini test etmek (BIST) modülü, beklenen değerlere karşı dijital çıktıları basitleştirmek ve karşılaştırmak için dijital çıktıları karşılaştırmak için.

Modern Signal Processing uygulamaları

Modüler delta modulation birimleri ölçeklenebilirlik ve esneklikin önemli olduğu geniş bir alanda dağıtılır.

Ses ve Ses İletişim

Delta modulation, dijital telephony'de tarihsel olarak önemlidir (örneğin, farklı bir adımda çalışan 4 aşamalı bir cascade, 1-bit işlemenin basitliğini korurken 16-bit etkili bir karar elde edebilir.

IoT Sensör Ağı

Kablosuz sensör düğümleri genellikle sınırlı batarya gücü üzerinde çalışır ve ölçümlenen miktarlarda sadece değişiklikler iletmeli (örneğin, sıcaklık, baskı, vibrasyon). Bir delta modüllator doğal olarak aksan değişiklikleri ve sürekli devlet sinyalleri, yeni bir bütünleme / koparator çiftliği entegre ederek sensör füzyonu azaltır.

Video ve Görüntü İşleme

Adaptif delta modulation erken video kodcularda kullanılmıştır ve düşük çözünürlükte kenar işlemesi için ilgili olarak kalır. modüler bir video hattı, diskota modülatörü, bir delta modülatörü per color kanalda ve geri adım düzeltme modülü sunar.

Future: Adaptif ve Akıllı Modülasyon

Bir sonraki modüler delta modulation birimleri, sinyal istatistikinden öğrenilen adaptif algoritmaları içerecektir. Kontrol modülüne küçük bir sinir ağ hızlandırıcı entegre ederek, sistem eğimi tahmin edebilir ve önceden boş bir şekilde düşük aktivite dönemlerinde, adım büyüklüğü azaltılabilir.Bu adaptive behavior can training offline on representation and then installed into the modülün donanımı.

Bir başka ortaya çıkan trend, zaman boyunca kapalı delta modülellerinin ultra yüksek örnekleme oranları elde etmek için kullanılmasıdır.Sağda birkaç modülel modüle yerleştirerek, her örnekleme otomatik olarak başlangıç veya talep edilen bir dizi oluşturabilir.

Son olarak, bazı endüstri grupları tarafından önerilen açık kaynaklamalarına doğru hareket (örneğin, KiCad tasarım dosyaları ve FPGA Verilog kodu) kabul edilecektir. Standartlaştırılmış modüller, modüler ses sentezleyicilerinin başarısı gibi ve aynı şekilde sinyal işleme tasarımlarını oluşturmak için üçüncü taraf geliştiricilerine izin verebilir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Modüler delta modulation birimleri ölçeklenebilir sinyal işleme çözümleri sadece teorik bir egzersiz değildir - yeni algoritmaları adapte etmek ve tüm parlak modlamaların gerçek dünya zorluklarını ele alan pratik, üretime hazır bir stratejidir - kapalı, düşük veri oranı ve doğal diferansiyel kodlama - standartlaşmış, yeniden yapılandırılabilir bir bina bloklarına kırmak, talep eden sistemler oluşturabilir ve bu ses işleme sistemlerinden gelen hataların temelleri, akıllı telefonlardan gelen hataların düzeltilmesi ve akıllı sistemlerden kurtarılabilir.

Daha fazla okuma için lütfen aşağıdaki tabloya bakınız:0)Wikipedia'nın delta modulation) tarihinde ve temel teori için, anİLFLT:2|IEEE kağıt üzerinde sinyal işleme mimarisine) göre; ölçeklenebilir ve gelecekteki bir çözüm için.