Дельта модуляция: сигналды түрлендіру техникасы

Кіріспе

Сигналды түрлендіру техникасы

Дельта модуляциясы (DM немесе Δ модуляциясы) – сапасы бірінші кезекте маңызды емес дауыстық ақпаратты беру үшін қолданылатын аналогты-цифрлық және цифрлық-аналогты сигналды түрлендіру техникасы. DM – дифференциалдық импульстік кодты модуляцияның (DPCM) ең қарапайым түрі, онда тізбектелген үлгілер арасындағы айырма n биттік дерек ағынына кодталады. Дельта модуляциясында берілетін деректер 1 биттік дерек ағынына дейін азайттырылады, ол жоғары (↗) немесе төмен (↘) бағыттарын көрсетеді. Оның негізгі ерекшеліктері:

Аналогты сигнал сегменттер тізбегімен жуықталады. Жуықталған сигналдың әрбір сегменті алдыңғы үлгімен салыстырылады және келесі үлгілер осы салыстыру нәтижесінде анықталады. Тек ақпараттың өзгеруі ғана жіберіледі, яғни сигнал амплитудасының алдыңғы үлгіден артуы немесе кемуі ғана жіберіледі, ал өзгеріс болмаған жағдайда модуляцияланған сигналдың күйі алдыңғы үлгідегідей ↗ немесе ↘ күйінде қалады. Жоғары сигнал/шу қатынасына қол жеткізу үшін дельта модуляциясы артық үлгілеу (oversampling) техникасын қолдануы керек, яғни аналогты сигнал Найквист жиілігінен бірнеше есе жоғары жиілікпен үлгіленеді. Дельта модуляциясының туынды түрлері – үнемі өзгермелі беткейлі дельта модуляциясы, дельта-сигма модуляциясы және дифференциалдық модуляция. Дифференциалдық импульстік кодты модуляция – DM-нің кеңейтілген түрі.

Принцип

Кіріс аналогтық сигналдың мәнін кванттаудың орнына, дельта модуляциясы ағымдағы және алдыңғы қадам арасындағы айырманы кванттайды, бұл 1-суреттегі блок-схемада көрсетілгендей. Модулятор кіріс сигналы мен бұрынғы қадамдардың интегралы арасындағы айырманы түрлендіретін кванттағыштан құралады. Ең қарапайым түрінде кванттағыш 0-ге шамамен салыстырғышпен (екі деңгейлі кванттағыш) іске асырылуы мүмкін, кванттағыш кірісі оң болса, оның шығысы 1, ал теріс болса -1 болады. Демодулятор – бұл қарапайым интегратор (қайта байланыс тізбегіндегідей), оның шығысы әрбір 1 немесе -1 қабылданғанда көтеріледі немесе төмендейді. Интегратордың өзі төмен өткізгіш сүзгі болып табылады.

Ауысу сипаттамалары

Дельта модуляциясындағы шудың екі көзі – "еңістің артық жүктелуі", қадам мөлшері бастапқы толқынды қадағалауға жеткіліксіз кішкентай болғанда, және "ұсақталу", қадам мөлшері тым үлкен болғанда. Бірақ 1971 жылғы зерттеу көрсеткендей, еңістің артық жүктелуі, SNR өлшемдеріне ғана сүйенсек күтілгендей, ұсақталуға қарағанда аз жағымсыз болып сезіледі.

Бит-сабақ

Егер байланыс арнасының өткізу қабілеті шектеулі болса, DM немесе PCM-де бұрмалау туындауы мүмкін. Сондықтан, "DM" және "PCM" бірдей биттік жылдамдықпен жұмыс істейді, ол үлгі алу жиілігінен N есе артық.

Тарих

Дельта модуляциясын қолдану үшін кері байланыс пен үлгілеуді біріктірген маңызды мақаланы 1952 жылы Philips Research Laboratories зертханасының Ф. де Ягер жазған. Алғашқы патенттерге мыналар кіреді:

Морис Делорейн және басқалардың «Қарсы полярлы тұрақты амплитудалы импульстерді пайдаланатын байланыс жүйесі» (1946 жылы Францияда, 1947 жылы АҚШ-та тіркелген). К. Чапин Катлердің «Байланыс сигналдарын дифференциалдық кванттау» (1950 жылы тіркелген), ол дифференциалдық PCM және дельта модуляциясын (1 биттік DPCM) сипаттайды.

Адаптациялық дельта модуляциясы

Адаптивті дельта модуляциясы (ADM) алғаш рет 1968 жылы доктор Джон Э. Абат (Bell Labs Fellow) NJ Технологиялық институтындағы докторлық диссертациясында жарияланды. Кейіннен ADM миссиялық басқару және ғарыш кемелері арасындағы барлық NASA байланыстары үшін стандарт ретінде таңдалды. 1980 жылдардың ортасында Массачусетс аудио компаниясы DBX адаптивті дельта модуляциясына негізделген, бірақ коммерциялық сәттілікке ие болмаған цифрлық жазу жүйесін сатты. DBX 700 қараңыз. Адаптивті дельта модуляциясы немесе үздіксіз өзгеретін еңіс дельта модуляциясы (CVSD) – бұл қадам мөлшері бекітілмеген DM-нің модификациясы. Керісінше, егер бірнеше тізбектелген биттерде бірдей бағыт мәні болса, кодтаушы және декодер еңіс артығы жүктелгенін анықтайды және қадам мөлшері прогрессивті түрде үлкейеді. Әйтпесе, қадам мөлшері уақыт өте келе біртіндеп кішірейеді. ADM еңіс қатесін азайтады, бірақ кванттау қатесін арттырады. Бұл қателікті төмен өткіргіш сүзгіні қолдану арқылы азайтуға болады. ADM биттік қателердің болуына қарамастан, тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз етеді, яғни қателерді анықтау және түзету әдетте ADM радио дизайнында қолданылмайды. Осы өте пайдалы техника адаптивті дельта модуляциясына мүмкіндік береді.

Қолданбалар

Қазіргі заманғы дельта модуляциясының қолданылуы мұражайлық синтезаторлардың толқын формаларын қайта жасаумен ғана шектелмейді. FPGA және ойынға қатысты ASIC-тердің қолжетімділігі артуымен, еңіс артығы жүктемесі және ұсақ бөлшектік мәселелерді болдырмау үшін үлгі алу жиілігін оңай басқаруға болады. Мысалы, C64DTV 32 МГц үлгі алу жылдамдығын қолданды, бұл SID шығысын қанағаттанарлық деңгейде қайта жасау үшін жеткілікті динамикалық диапазонды қамтамасыз етті.

SBS қолдануы 24 kbps дельта модуляциясы

Delta модуляциясын Satellite Business Systems (SBS) компаниясы өз дауыс порттары арқылы ірі отандық корпорацияларға (мысалы, IBM) корпорациялық байланыс қажеттілігі жоғары болған жағдайда, қашықтықтан телефон қызметін көрсету үшін пайдаланды. Бұл жүйе 1980-жылдар бойы қолданыста болды. Дауыс порттары спутник арқылы жарты секундтық эхо жолын басқару үшін дауыс белсенділігін қысу (VAC) және эхо жойғыштармен бірге 24 кбит/с дельта модуляциясын цифрлық түрде іске асырды. Олар 24 кбит/с дельта модуляторының жоғары сапалы телефон желісімен немесе стандартты 64 кбит/с μ заңмен компрессияланған PCM-мен салыстырғанда ешқандай байқалатын нашарлаусыз толық дауыс сапасына жеткенін растау үшін ресми тыңдау сынақтарын жүргізді. Бұл спутниктік каналдың сыйымдылығын сегіз есеге арттырды. IBM спутниктік байланыс контроллерін және дауыс порттарының функцияларын әзірледі. 1974 жылғы бастапқы ұсыныста бір интегратор және пайдалы қателерді түзету үшін өңделген Шиндлер компандері бар 24 кбит/с дельта модуляторы қолданылды. Бұл телефон желісінің толыққанды сапасынан төмен екені анықталды. 1977 жылы IBM Research Triangle Park, NC зертханасында екі көмекшісімен бір инженерге сапаны жақсарту міндеті тапсырылды. Соңғы нұсқада интегратор екі полюсті кешенді жұп төмен өткізгіш сүзгісімен іске асырылған болжаушымен ауыстырылды, ол ұзақ мерзімді орташа сөйлеу спектрін шамамен бейнелеуге арналған. Теория бойынша, интегратор сигнал спектріне сәйкес келетін болжаушы болуы керек еді. Өңделген нұсқаның орнына жақсырақ Шиндлер компандері қолданылды. Өңделген компандердің көптеген сигнал деңгейлерінде қадам өлшемінің жетілмегендігі және жылдам пайда қатесін түзетудің шуды арттырғаны, қарапайым сигнал-шу өлшемдерімен салыстырғанда нақты тыңдау сынақтары арқылы анықталды. Соңғы компандер 12 биттік арифметикадан туындаған табиғи уақытша дөңгелектеу қатесіне байланысты өте шағын пайда қатесін түзетуге қол жеткізді. Дельта модуляциясының, VAC және эхо басқаруының толық функционалы алты порт үшін он екі биттік арифметикамен бір цифрлық интегралдық схема чипінде іске асырылды. Барлық алты порт бір цифрлық-аналогтық түрлендіргіш (DAC) арқылы модуляторлардың кернеуді салыстыру функцияларын және демодулятор шығыстарының үлгілеу және ұстау тізбектерін қамтамасыз етті. Бір тақтада чип, DAC және телефон желісі интерфейсі үшін барлық аналогтық тізбектер, соның ішінде трансформаторлар орналастырылды.

Delta modulation was used by Satellite Business Systems (SBS) for its voice ports to provide long distance phone service to large domestic corporations with a significant inter corporation communications need (such as IBM). This system was in service throughout the 1980s. The voice ports used digitally implemented 24 kbit/s delta modulation with Voice Activity Compression (VAC) and echo suppressors to control the half second echo path through the satellite. They performed formal listening tests to verify the 24 kbit/s delta modulator achieved full voice quality with no discernible degradation as compared to a high quality phone line or the standard 64 kbit/s μ law companded PCM. This provided an eight to three improvement in satellite channel capacity. IBM developed the Satellite Communications Controller and the voice port functions. The original proposal in 1974, used a state of the art 24 kbit/s delta modulator with a single integrator and a Shindler Compander modified for gain error recovery. This proved to have less than full phone line speech quality. In 1977, one engineer with two assistants in the IBM Research Triangle Park, NC laboratory was assigned to improve the quality. The final implementation replaced the integrator with a Predictor implemented with a two pole complex pair low pass filter designed to approximate the long term average speech spectrum. The theory was that ideally the integrator should be a predictor designed to match the signal spectrum. A nearly perfect Shindler Compander replaced the modified version. It was found the modified compander resulted in a less than perfect step size at most signal levels and the fast gain error recovery increased the noise as determined by actual listening tests as compared to simple signal to noise measurements. The final compander achieved a very mild gain error recovery due to the natural truncation rounding error caused by twelve bit arithmetic. The complete function of delta modulation, VAC and Echo Control for six ports was implemented in a single digital integrated circuit chip with twelve bit arithmetic. A single digital to analog converter (DAC) was shared by all six ports providing voltage compare functions for the modulators and feeding sample and hold circuits for the demodulator outputs. A single card held the chip, DAC and all the analog circuits for the phone line interface including transformers.