Modulacja Delta (DM) | Teleinf Edu

Alternatywa dla PCM: kodowanie różnicy

Chociaż jest uniwersalną metodą reprezentacji sygnału, lecz w określonych zastosowaniach można użyć kodowania różnicowego. Modulacja delta (DM) koduje różnicę między bieżącą próbką a aproksymacją poprzedniej próbki, zamiast kodować jej wartość bezwzględną. Jest najprostszą formą różnicowej modulacji impulsowo-kodowej (DPCM) i wykorzystuje jeden bit do kwantyzacji.

Jak działa modulacja delta (DM)?

DM śledzi analogowy sygnał wejściowy za pomocą aproksymacji schodkowej. Strumień wyjściowy wskazuje, czy aproksymacja ma w kolejnym kroku wzrosnąć, czy zmaleć.

Proces DM

Porównanie: Analogowy sygnał wejściowy jest porównywany z bieżącą wartością aproksymacji schodkowej przechowywaną w pętli sprzężenia zwrotnego.
Kwantyzacja 1-bitowa: działa jako kwantyzator 1-bitowy.
- Przy przyjętej tu konwencji, jeśli sygnał wejściowy jest większy niż aproksymacja, na wyjściu pojawia się binarna '1'.
- Jeśli sygnał wejściowy jest mniejszy lub równy aproksymacji, na wyjściu pojawia się binarna '0'.
Aktualizacja aproksymacji: Wyjście binarne jest kierowane z powrotem do .
- Po otrzymaniu '1', integrator zwiększa swoje wyjście o stały krok, $\delta$ .
- Po otrzymaniu '0', integrator zmniejsza swoje wyjście o ten sam stały krok, $\delta$ .

Proces powtarza się przy podwyższonej częstotliwości próbkowania, na przykład 32 kHz. Powstaje sygnał schodkowy zbliżający się do wejścia oraz strumień binarny opisujący kierunek kolejnych zmian.

Dwa rodzaje zniekształceń: przeciążenie zbocza i szum granularny

Stały krok ( $\delta$ ) upraszcza DM, lecz prowadzi do dwóch typowych rodzajów zniekształceń.

Zniekształcenie przeciążenia zbocza

Występuje, gdy sygnał analogowy zmienia się zbyt szybko, a jego nachylenie jest większe niż szybkość, z którą aproksymacja schodkowa może się zmieniać. Stały krok $\delta$ jest za mały. Aproksymacja opóźnia się wtedy względem sygnału, co powoduje zniekształcenia, szczególnie na stromych zboczach.

Szum granularny

Drugi problem występuje, gdy sygnał analogowy jest względnie płaski lub zmienia się wolno, a stały krok $\delta$ jest za duży. Aproksymacja przechodzi wtedy naprzemiennie powyżej i poniżej sygnału, generując wzorzec '1' i '0'. Oscylacja pojawia się w odtworzonym sygnale jako szum granularny.

Modulacja delta z adaptacją kroku: ADM

Adaptacyjna modulacja delta (ADM) zmienia wielkość kroku na podstawie najnowszej historii wyjściowego strumienia bitów. Pozwala to reagować na tempo zmian sygnału, zamiast używać jednej wartości kroku w całym przebiegu.

Przykładowa logika adaptacji

Ograniczenie przeciążenia zbocza:Jeśli modulator generuje sekwencję identycznych bitów, na przykład '111' lub '000', aproksymacja może nie nadążać za zmianą sygnału. W przykładowym algorytmie logika zwiększa wtedy krok, na przykład podwaja jego wartość.
Ograniczenie szumu granularnego:Jeśli modulator generuje wzorzec naprzemienny, na przykład '1010', wskazuje to na oscylację aproksymacji wokół sygnału. Logika może wtedy zmniejszyć wielkość kroku.

Zmiana kroku może poprawić śledzenie sygnału względem DM ze stałym krokiem, zwłaszcza podczas szybkich zmian. Przy tej samej przepływności może to podnieść jakość, a przy podobnej jakości pozwolić zmniejszyć przepływność, zależnie od reguły adaptacji i jej parametrów. Dodatkowa logika zwiększa złożoność układu.