Główna Idea: Kodowanie Informacji Gęstością

Modulacja Gęstości Impulsów (PDM) to metoda reprezentacji sygnału analogowego za pomocą strumienia bitów cyfrowych (sygnału binarnego). W przeciwieństwie do innych technik modulacji impulsowej, które kodują informację w wysokości (PAM) lub szerokości (PWM) impulsów, PDM koduje informację w gęstości impulsów.

Wyobraź sobie, że chcesz przedstawić temperaturę za pomocą dzwonka. Dzwoniłbyś nim częściej przy wysokiej temperaturze, a rzadziej przy niskiej. Szybkość, czyli gęstość dzwonków, komunikuje wartość temperatury. W PDM:

• Wyższa amplituda w oryginalnym sygnale analogowym odpowiada większej gęstości bitów '1' w strumieniu cyfrowym.
• Niższa amplituda odpowiada mniejszej gęstości bitów '1' (lub większej gęstości bitów '0').

Generacja: Rola Modulacji Sigma-Delta ($\Sigma\Delta$)

Strumień PDM nie jest tylko teoretyczną koncepcją; jest to bezpośredni, rzeczywisty sygnał wyjściowy z powszechnie stosowanego typu przetwornika analogowo-cyfrowego, zwanego modulatorem Sigma-Delta ($\Sigma\Delta$).

Modulator Sigma-Delta działa na zasadzie prostej pętli sprzężenia zwrotnego. Nieustannie porównuje analogowe wejście z aproksymacją swojego własnego wyjścia i generuje '1' lub '0', aby przybliżyć tę aproksymację do wartości wejściowej. Proces ten odbywa się z bardzo dużą prędkością (nadpróbkowanie). Strumień tych '1' i '0' jest właśnie sygnałem PDM. Część "Sigma" odnosi się do integratora, który sumuje błąd, a część "Delta" do 1-bitowego kwantyzatora, który generuje bit wyjściowy.

Z PDM z Powrotem do Analogu: Demodulacja za Pomocą Filtra Dolnoprzepustowego

Odtworzenie oryginalnego sygnału analogowego z wysokoczęstotliwościowego strumienia impulsów PDM jest zaskakująco proste. Wszystko, czego potrzeba, to filtr dolnoprzepustowy.

Filtr ten w efekcie wykonuje operację uśredniania. Nie jest w stanie zareagować na gwałtowne zmiany poszczególnych impulsów '1' i '0', więc na jego wyjściu pojawia się ich uśredniona wartość w czasie. Ponieważ gęstość bitów '1' w strumieniu PDM była wprost proporcjonalna do amplitudy oryginalnego sygnału, proces uśredniania dokładnie rekonstruuje oryginalny, gładki przebieg analogowy.

Interaktywna Demonstracja PDM

PDM w Akcji: Przykład Wizualny

Zależność między sygnałem analogowym a strumieniem bitów PDM najłatwiej zrozumieć wizualnie. Poniższy diagram przedstawia gładką, analogową sinusoidę i wynikowy strumień PDM, który z niej powstał.

Zwróć uwagę na zachowanie sygnału PDM:

• W szczycie sinusoidy (najwyższa dodatnia amplituda), strumień PDM zawiera duże zagęszczenie bitów '1'.
• W dolinie sinusoidy (najbardziej ujemna amplituda), strumień jest zdominowany przez bity '0'.
• W miejscach, gdzie sinusoida przecina punkt zerowy, gęstość bitów '1' i '0' jest w przybliżeniu równa. Średnia wartość strumienia PDM w dowolnym punkcie czasu odpowiada amplitudzie sygnału analogowego w tym samym momencie.

Zastosowania i Zalety

Unikalne cechy PDM sprawiają, że jest to technika doskonale nadająca się do zastosowań audio wysokiej jakości oraz w innych specjalistycznych obszarach.

• Cyfrowe Audio Wysokiej Jakości: Format cyfrowego audio używany w płytach Super Audio CD (SACD) nosi nazwę Direct Stream Digital (DSD) i jest formą PDM. Ekstremalnie wysoka częstotliwość próbkowania używana w bazowym modulatorze Sigma-Delta "przesuwa" nieunikniony szum kwantyzacji do bardzo wysokich, ultradźwiękowych częstotliwości, które są łatwo usuwane przez filtr dolnoprzepustowy, co skutkuje wyjątkowo czystym i wysokiej rozdzielczości dźwiękiem.
• Cyfrowe Mikrofony MEMS: Nowoczesne mikrofony cyfrowe, zwłaszcza te miniaturowe w smartfonach i innych urządzeniach (MEMS - Micro-Electro-Mechanical Systems), często zawierają wbudowany modulator Sigma-Delta. Wyprowadzają one bezpośrednio sygnał PDM, który jest odporny na zakłócenia elektryczne mogące degradować tradycyjne sygnały z mikrofonów analogowych, co prowadzi do czystszych nagrań.