Введение
Техника преобразования сигнала
Дельта-модуляция (DM или Δ-модуляция) – это техника преобразования сигнала из аналогового в цифровой и из цифрового в аналоговый, используемая для передачи голосовой информации, где качество не является первостепенным. DM – это простейшая форма дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (DPCM), в которой разность между последовательными отсчетами кодируется в n-битные потоки данных. В дельта-модуляции передаваемые данные сводятся к 1-битному потоку, представляющему либо увеличение (↗), либо уменьшение (↘). Ее основные особенности:
Аналоговый сигнал аппроксимируется серией сегментов. Каждый сегмент аппроксимированного сигнала сравнивается с предыдущим, и последующие биты определяются на основе этого сравнения. Передается только изменение информации, то есть только увеличение или уменьшение амплитуды сигнала по сравнению с предыдущим отсчетом, в то время как отсутствие изменений приводит к тому, что модулированный сигнал остается в том же состоянии ↗ или ↘, что и предыдущий отсчет. Для достижения высокого отношения сигнал/шум дельта-модуляция должна использовать методы передискретизации, то есть аналоговый сигнал отбирается с частотой, в несколько раз превышающей частоту Найквиста. Производными формами дельта-модуляции являются дельта-модуляция с непрерывно изменяемым наклоном, дельта-сигма-модуляция и дифференциальная модуляция. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция является обобщением DM.
Принцип
Вместо квантования значения входной аналоговой формы сигнала, дельта-модуляция квантует разницу между текущим и предыдущим шагом, как показано на блок-схеме на рис. 1. Модулятор состоит из квантизатора, который преобразует разницу между входным сигналом и интегралом предыдущих шагов. В простейшей форме квантизатор может быть реализован компаратором с опорным уровнем 0 (двухуровневый квантизатор), выход которого равен 1 или -1, если вход квантизатора положительный или отрицательный соответственно. Демодулятор представляет собой просто интегратор (как в контуре обратной связи), выход которого возрастает или убывает при получении каждого 1 или -1. Сам интегратор является низкочастотным фильтром.
Характеристики переноса
Два источника шума в дельта-модуляции — это "перегрузка по наклону", возникающая, когда размер шага слишком мал для отслеживания исходной формы сигнала, и "зернистость", возникающая при слишком большом размере шага. Однако исследование 1971 года показало, что перегрузка по наклону воспринимается менее неприятно по сравнению с зернистостью, чем можно было бы предположить, основываясь только на показателях SNR.
Битовая скорость
Если канал связи имеет ограниченную полосу пропускания, возможны помехи как в DM, так и в PCM. Следовательно, DM и PCM работают с одинаковой битовой скоростью, равной N умноженному на частоту дискретизации.
История
Основополагающая работа, объединяющая обратную связь с передискретизацией для достижения дельта-модуляции, была опубликована Ф. де Ягером из исследовательских лабораторий Philips в 1952 году. Первоначальные патенты включают:
"Коммуникационная система, использующая постоянные по амплитуде импульсы противоположной полярности" Мориса Делорена и др. (Французский патент, выданный в 1946 году, заявка на патент США подана в 1947 году). "Дифференциальное квантование сигналов связи" К. Чапина Катлера (подана в 1950 году), описывающее дифференциальную ШИМ и дельта-модуляцию (DPCM с 1 битом).
Адаптивная дельта-модуляция
Адаптивная дельта-модуляция (ADM) была впервые опубликована доктором Джоном Э. Абате (Bell Labs Fellow) в его докторской диссертации в Институте технологий Нью-Джерси в 1968 году. Позже ADM был выбран в качестве стандарта для всех коммуникаций NASA между центром управления полетами и космическими аппаратами. В середине 1980-х годов аудиокомпания DBX из штата Массачусетс выпустила на рынок коммерчески неудачную цифровую систему записи, основанную на адаптивной дельта-модуляции. См. DBX 700. Адаптивная дельта-модуляция, или дельта-модуляция с непрерывно изменяемым наклоном (CVSD), является модификацией ДМ, в которой размер шага не фиксирован. Вместо этого, когда несколько последовательных битов имеют одинаковое направление, кодер и декодер предполагают, что происходит перегрузка по наклону, и размер шага постепенно увеличивается. В противном случае размер шага постепенно уменьшается со временем. ADM снижает погрешность наклона за счет увеличения погрешности квантования. Эту погрешность можно уменьшить, используя фильтр нижних частот. ADM обеспечивает устойчивую работу при наличии битовых ошибок, что означает, что обнаружение и коррекция ошибок обычно не используются в конструкции ADM-радиоприемника. Именно эта полезная техника позволяет реализовать адаптивную дельта-модуляцию.
Приложения
Современные применения дельта-модуляции включают, помимо прочего, воссоздание устаревших волновых форм синтезаторов. Благодаря растущей доступности ПЛИС (FPGA) и специализированных микросхем (ASIC) для игр, частоты дискретизации легко контролируются, чтобы избежать перегрузки по наклону и проблем с квантованием. Например, в C64DTV использовалась частота дискретизации 32 МГц, что обеспечивало достаточный динамический диапазон для воссоздания выходного сигнала SID на приемлемом уровне.
Применение SBS 24 кбит/с дельта-модуляция
Дельта-модуляция использовалась компанией Satellite Business Systems (SBS) для своих голосовых портов с целью предоставления услуг телефонной связи на большие расстояния крупным отечественным корпорациям, имеющим значительные потребности во внутрикорпоративной связи (таким как IBM). Эта система находилась в эксплуатации на протяжении 1980-х годов. В голосовых портах использовалась цифровая реализация дельта-модуляции со скоростью 24 кбит/с, с компрессией голосовой активности (VAC) и подавителями эхосигнала для управления полусекундным эхо-каналом через спутник. Были проведены формальные тесты прослушивания для подтверждения того, что дельта-модулятор со скоростью 24 кбит/с обеспечивает полное качество голоса без ощутимой деградации по сравнению с высококачественной телефонной линией или стандартным 64 кбит/с μ-закономным компрессированным PCM. Это позволило увеличить пропускную способность спутниковых каналов в 8 раз по сравнению с исходной. IBM разработала контроллер спутниковой связи и функции голосовых портов. Первоначальное предложение 1974 года использовало современный дельта-модулятор со скоростью 24 кбит/с с одним интегратором и компандером Шиндлера, модифицированным для восстановления ошибок усиления. Однако это обеспечивало качество речи ниже, чем у телефонной линии. В 1977 году один инженер с двумя помощниками в лаборатории IBM Research Triangle Park, NC, был назначен для улучшения качества. В окончательной реализации интегратор был заменен на предсказатель, реализованный с помощью двухполюсной комплексной пары фильтров нижних частот, предназначенных для аппроксимации долгосрочного среднего речевого спектра. Теоретически, интегратор должен был быть предсказателем, соответствующим спектру сигнала. Почти идеальный компандер Шиндлера заменил модифицированную версию. Было обнаружено, что модифицированный компандер приводил к неоптимальному шагу квантования на большинстве уровнях сигнала, а быстрое восстановление ошибки усиления увеличивало шум, что было установлено в ходе фактических тестов прослушивания по сравнению с простыми измерениями отношения сигнал/шум. Окончательный компандер достиг очень незначительного восстановления ошибки усиления из-за естественной ошибки округления, вызванной использованием 12-битной арифметики. Полная функциональность дельта-модуляции, VAC и управления эхосигналом для шести портов была реализована в одной цифровой интегральной схеме с 12-битной арифметикой. Один цифро-аналоговый преобразователь (DAC) использовался всеми шестью портами для обеспечения функций сравнения напряжения для модуляторов и питания цепей выборки-хранения для выходов демодулятора. На одной плате размещались чип, DAC и все аналоговые схемы для интерфейса телефонной линии, включая трансформаторы.