Русская Википедия:Дельта-модуляция
Шаблон:Технологии модуляции Шаблон:Нет сносок Де́льта-модуля́ция (ДМ) — способ преобразования аналогового сигнала в цифровую форму.
Метод дельта-модуляции был изобретён в 1946 г.
Вход — преобразуемый сигнал.
Пределы — пороги переключения компаратора.
Вых. интегратора — выходной сигнал интегратора преобразователя.
Принцип работы
В каждый момент отсчёта преобразуемый сигнал сравнивается с пилообразным напряжением на каждом шаге дискретизации. Пилообразное напряжение поступает из интегратора, который замыкает цепь обратной связи дельта-модулятора. Таким образом, поступающий в сумматор сигнал сравнивается со значением сигнала в конце предыдущего шага дискретизации. Если в момент сравнения текущая величина сигнала превышает мгновенное значение пилообразного напряжения (выходное напряжение интегратора), то последнее нарастает до следующей точки дискретизации, в противном случае оно спадает. В простейшей системе модуль скорости изменения пилообразного напряжения сохраняется неизменным в процессе преобразования. Полученный бинарный сигнал можно рассматривать как производную от пилообразного напряжения. Выбирая достаточно малым значение шага Δ, можно получить любую заданную точность представления сигнала.
Фактически, дельта-модуляция представляет собой разновидность другого, более известного, способа преобразования — импульсно-кодовой модуляции (ИКМ), в которой число уровней квантования равно двум. При ДМ по каналу связи передаётся не абсолютное значение сигнала, а разность между исходным аналоговым сигналом и аппроксимирующим напряжением (сигнал ошибки). По сравнению с конкурирующими методами, ИКМ и АДИКМ, дельта-модуляция характеризуется меньшей сложностью технической реализации, более высокими помехозащищённостью и гибкостью изменения скорости передачи.
Преимущество дельта-модуляции по сравнению, например, с ИКМ, которая также генерирует бинарный сигнал, заключается не столько в реализуемой точности при заданной частоте дискретизации, сколько в простоте реализации.
Основной недостаток ДМ состоит в том, что при быстрых изменениях сигнала дельта-кодер не успевает отслеживать изменения его уровня, вследствие чего возникает так называемая "перегрузка по крутизне". Существует большое число разновидностей ДМ, в которых используются различные способы устранения этого вида искажений. Большинство из них основаны на использовании мгновенного или инерционного компандирования аналогового сигнала, либо адаптивного изменения ступеньки аппроксимирующего напряжения в соответствии с крутизной входного сигнала.
Преобразование сигнала при дельта-модуляции
Пилообразное напряжение можно восстановить из бинарного сигнала путём интегрирования, а более гладкая аппроксимация достигается последующим пропусканием сигнала через фильтр нижних частот. Скорость передачи цифровых кодов, необходимую для получения заданного качества, можно значительно уменьшить, используя, например, линейное кодирование с предсказанием.
Структурные схемы модема, то есть модулятора и демодулятора (ДМ) линейной дельта-модуляции показаны на рисунке. Входной аналоговый (например, речевой) сигнал ограничивается по спектру полосовым фильтром с нижней и верхней частотами среза <math>f_L</math> и <math>f_H</math>. Этот сигнал преобразуется дельта-модулятором в двоичную последовательность импульсов, которая с помощью интегратора, включенного в цепи обратной связи, преобразуются обратно в аналоговый сигнал и вычитается из входного сигнала. В результате формируется сигнал рассогласования. Последний кодируется одним из двух возможных уровней квантования в зависимости от его полярности. В результате кодирования на выходе устройства квантования формируется выходная двоичная последовательность импульсов, которой представляется знак разности между входным сигналом и сигналом обратной связи.
Процесс ДМ является линейным, потому что местный декодер, то есть интегратор, является линейным устройством (под местным декодером далее понимается схема, включенная в цепи обратной связи модулятора. При линейной ДМ это всего лишь интегратор, но в иных случаях могут быть весьма сложные схемы, например в адаптивных модуляторах).
При безошибочной передаче, двоичные импульсы восстанавливаются на приёмной стороне и поступают на местный декодер (интегратор) для формирования сигнала, который отличается от исходного на сигнал ошибки в модуляторе. Выходной демодулированный сигнал получается после фильтра нижних частот (ФНЧ), включенного на выходе местного декодера с целью устранения высокочастотных составляющих шума квантования.
Дельта-модулятор функционирует как аналого-цифровой преобразователь, который аппроксимирует аналоговый сигнал <math>x(t)</math> линейной ступенчатой функцией. Для обеспечения хорошей аппроксимации сигнал <math>x(t)</math> должен меняться медленно относительно скорости стробирования. Это требует, чтобы его частота дискретизации была бы в несколько раз (не менее 5) больше частоты Найквиста - Котельникова.
Если в некоторой тактовой точке сигнал ошибки (сигнал рассогласования) <math>e(t) > 0,</math> на выходе дельта-модулятора появится положительный импульс. В результате интегрирования этого импульса аппроксимирующее напряжение увеличивается на одну положительную ступеньку. Это приращение напряжения <math>y(t)</math> далее вычитается из сигнала <math>x(t),</math> и, тем самым, изменяется абсолютное значение сигнала ошибки. До тех пор, пока <math>e(t) > 0,</math> в последующих тактах будет формироваться непрерывная последовательность положительных импульсов. В конце концов, аппроксимирующее напряжение <math>y(t)</math> окажется больше исходного сигнала <math>x(t)</math> и сигнал ошибки <math>e(t)</math> в этом такте изменит знак. Поэтому на выходе модулятора появится отрицательный импульс, что приведёт к уменьшению аппроксимирующего напряжения <math>y(t)=f(t)</math> на один шаг квантования <math>\Delta.</math> Следовательно, дельта-модулятор стремится минимизировать сигнал ошибки.
Модулятор стремится сформировать такую структуру последовательности <math>L(n),</math> чтобы её среднее значение было примерно равно среднему значению крутизны гармонического сигнала за короткий интервал времени. Одиночный импульс последовательности <math>L(n)</math> формирует на выходе интегратора перепад аппроксимирующего напряжения с амплитудой <math>\Delta =V \cdot \tau</math> вольт. Тогда на интервале длительностью <math>T</math> среднее значение последовательности <math>L(n)</math> может быть теперь записано как <math>0,4 \cdot \frac {\Delta}{T}.</math> Изменение же исходного сигнала <math>x(t)</math> за тот же интервал времени составляет ЗА, что соответствует средней крутизне <math>0,3 \cdot \frac {\Delta}{T},</math> являющейся приближением к среднему значению последовательности <math>L(n).</math> <math>y(t)</math> Если <math>\Delta</math>Δ мало, а <math>f_d</math> велико, то это приближение улучшается. На интервале времени в 10 тактов между моментами <math>t_3</math> и <math>t_4</math> крутизна сигнала <math>x(t)</math> равна <math>0,1 \cdot \frac {\Delta}{T},</math> а среднее значение последовательности <math>L(n)</math> равно <math>0,2 \cdot \frac {\Delta}{T}.</math> Однако, если среднее значение последовательности <math>L(n)</math> вычисляется на интервале между моментами <math>t_5</math> и <math>t_6,</math> то оно равно нулю, тогда как средняя крутизна сигнала <math>x(t)</math> свидетельствует о целесообразности минимизации величины Δ при условии, что сохраняется возможность слежения за исходным сигналом <math>x(t).</math>
Демодулятор
Демодулятор линейной ДМ состоит из интегратора и полосового фильтра. Предполагая, что передача последовательности <math>L(n)</math> осуществляется без ошибок, в результате её восстановления на приёмной стороне получим аппроксимирующее напряжение <math>y(t).</math> Этот сигнал <math>y(t)</math> тождественен сигналу обратной связи в модуляторе.
Поскольку сигнал <math>y(t)</math> отличается от исходного сигнала <math>x(t)</math> на относительно небольшое значение сигнала ошибки <math>e(t),</math> то можно заключить, что сигнал на выходе интегратора демодулятора является хорошим воспроизведением исходного аналогового сигнала. Ступенчатая форма сигнала <math>y(t)</math> сглаживается при прохождении этого сигнала через фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот сигнала, то есть входной и выходной фильтры можно считать идентичными. Дальнейшее упрощение в демодуляторе связано с заменой выходного полосового фильтра фильтром нижних частот. Это связано с тем, что шум ниже частоты <math>f_L</math> в общем не очень существенен.
Простота демодулятора линейной ДМ является одним из достоинств, особенно когда интегратор достаточно построить всего на одном резисторе и одном конденсаторе.
См. также
Ссылки
- Гуров И. П. Основы теории информации и передачи сигналов. — СПб.: BHV-Санкт-Петербург, 2000 — 97 с.: ил.
- Цифровой ревербератор. Барчуков В. г. Москва. РАДИО № 1, 1986 г., с. 45—48
- Многоканальная система с дельта-модуляцией. © FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2015
