Modulația Delta
Modulația Delta (DM) este o metodă de conversie a unui semnal analogic în formă digitală .
Metoda de modulare delta a fost inventată în 1946.
Cum funcționează
La fiecare moment de referință, semnalul convertit este comparat cu tensiunea dinți de ferăstrău la fiecare pas de eșantionare . Tensiunea din dinți de ferăstrău provine de la integrator , care completează bucla de feedback a modulatorului delta. Astfel, semnalul care intră în sumator este comparat cu valoarea semnalului de la sfârșitul etapei de eșantionare precedentă. Dacă în momentul comparației valoarea curentă a semnalului depășește valoarea instantanee a tensiunii din dinte de ferăstrău (tensiunea de ieșire a integratorului), atunci aceasta din urmă se ridică la următorul punct de eșantionare, în caz contrar scade. În cel mai simplu sistem, modulul vitezei de modificare a tensiunii din dinte de ferăstrău este menținut neschimbat în timpul procesului de conversie. Semnalul binar rezultat poate fi privit ca un derivat al tensiunii din dinte de ferăstrău. Alegând o valoare suficient de mică a pasului Δ, se poate obține orice precizie dată a reprezentării semnalului.
De fapt, modulația delta este o variație a unei alte metode de transformare, mai cunoscută, - modularea codului de impulsuri (PCM), în care numărul de niveluri de cuantizare este de două. Cu DM, nu valoarea absolută a semnalului este transmisă pe canalul de comunicație, ci diferența dintre semnalul analogic original și tensiunea de aproximare (semnal de eroare). În comparație cu metodele concurente, PCM și ADPCM, modulația delta se caracterizează printr-o complexitate tehnică mai mică, imunitate mai mare la zgomot și flexibilitate în modificarea ratei de transmisie.
Avantajul modulației delta față de, de exemplu, PCM, care generează și un semnal binar, constă nu atât în precizia realizabilă la o anumită rată de eșantionare, cât în ușurința implementării.
Principalul dezavantaj al DM este că atunci când semnalul se schimbă rapid, codificatorul delta nu are timp să urmărească modificările nivelului său, drept urmare apare așa-numita „suprasarcină de pantă”. Există un număr mare de soiuri de DM, care folosesc diverse metode pentru a elimina acest tip de distorsiune. Cele mai multe dintre ele se bazează pe utilizarea compresiei instantanee sau inerțiale a semnalului analogic sau modificarea adaptivă a treptei tensiunii de aproximare în conformitate cu panta semnalului de intrare.
Conversie de semnal cu modulație delta
Tensiunea dinți de ferăstrău poate fi recuperată din semnalul binar prin integrare, iar o aproximare mai lină se realizează prin trecerea semnalului printr-un filtru trece-jos. Rata de biți a codurilor digitale necesare pentru a obține o anumită calitate poate fi redusă semnificativ folosind, de exemplu, codarea predictivă liniară.
Diagramele structurale ale modemului , adică modulatorul și demodulatorul (DM) al modulației delta lineare sunt prezentate în figură. Semnalul analogic de intrare (de exemplu, vorbire) este limitat în spectru de un filtru trece-bandă cu frecvențe de tăiere inferioare și superioare și . Acest semnal este convertit de un modulator delta într-un tren de impulsuri binar, care este convertit înapoi într-un semnal analogic prin intermediul unui integrator inclus în bucla de feedback și scăzut din semnalul de intrare. Ca rezultat, este generat un semnal de eroare. Acesta din urmă este codificat în unul dintre cele două niveluri de cuantizare posibile, în funcție de polaritatea sa. Ca rezultat al codificării la ieșirea cuantificatorului, se formează o secvență de impulsuri binare de ieșire, care reprezintă semnul diferenței dintre semnalul de intrare și semnalul de feedback.
Procesul DM este liniar, deoarece decodorul local, adică integratorul, este un dispozitiv liniar (în continuare, decodorul local este înțeles ca un circuit inclus în circuitele de feedback ale modulatorului. Cu un DM liniar, acesta este doar un integrator, dar în alte cazuri pot exista circuite foarte complexe, de exemplu în modulatoarele adaptive).
Cu transmisie fără erori, impulsurile binare sunt restaurate pe partea de recepție și alimentate decodorului local (integrator) pentru a forma un semnal care diferă de cel original la un semnal de eroare în modulator. Semnalul demodulat de ieșire se obține după ce la ieșirea decodorului local este inclus un filtru trece-jos (LPF) pentru a elimina componentele de înaltă frecvență ale zgomotului de cuantizare.
Modulatorul delta funcționează ca un convertor analog-digital , care aproximează un semnal analogic cu o funcție în trepte liniară. Pentru a asigura o bună aproximare, semnalul trebuie să se schimbe lent în raport cu viteza de trecere. Acest lucru necesită ca frecvența sa de eșantionare să fie de câteva ori (cel puțin 5) mai mare decât frecvența Nyquist- Kotelnikov.
Dacă la un anumit punct de ceas semnalul de eroare (semnal de eroare) la ieșirea modulatorului delta, apare un impuls pozitiv. Ca rezultat al integrării acestui impuls, tensiunea de aproximare crește cu o treaptă pozitivă. Această creștere a tensiunii este mai departe scăzută din semnal și astfel valoarea absolută a semnalului de eroare este modificată. Până când se formează o secvență continuă de impulsuri pozitive în ciclurile ulterioare. În cele din urmă, tensiunea de aproximare va fi mai mare decât semnalul original , iar semnalul de eroare va schimba semnul în acest ciclu. Prin urmare, la ieșirea modulatorului va apărea un impuls negativ, ceea ce va duce la o scădere a tensiunii de aproximare cu un pas de cuantificare.De aceea, modulatorul delta caută să minimizeze semnalul de eroare.
Modulatorul caută să formeze o astfel de structură a secvenței astfel încât valoarea medie a acesteia să fie aproximativ egală cu valoarea medie a abruptului semnalului armonic pe un interval de timp scurt. Un singur impuls al secvenței formează la ieșirea integratorului o scădere a tensiunii de aproximare cu o amplitudine de volți. Apoi, pe un interval de durată , valoarea medie a secvenței poate fi acum scrisă ca Modificarea semnalului inițial în același interval de timp este ZA, care corespunde abruptului mediu, care este o aproximare a valorii medii a secvența . Dacă Δ este mic, dar mare, atunci această aproximare se îmbunătățește. Pe un interval de timp de 10 cicluri între momente și panta semnalului este egală cu și valoarea medie a secvenței este Totuși, dacă valoarea medie a secvenței este calculată pe intervalul dintre momente și atunci este egală cu zero , în timp ce panta medie a semnalului indică oportunitatea minimizării valorii Δ, cu condiția ca abilitatea de a urmări semnalul inițial
Demodulator
Demodulatorul liniar DM constă dintr-un integrator și un filtru trece-bandă. Presupunând că secvența este transmisă fără erori, ca urmare a restabilirii ei pe partea de recepție, obținem o tensiune aproximativă.Acest semnal este identic cu semnalul de feedback din modulator.
Deoarece semnalul diferă de semnalul original printr-o valoare relativ mică a semnalului de eroare, se poate concluziona că semnalul de la ieșirea integratorului demodulatorului este o reproducere bună a semnalului analogic original. Forma de undă în trepte este netezită atunci când acest semnal trece printr-un filtru cu o lățime de bandă egală cu banda de frecvență a semnalului, adică filtrele de intrare și de ieșire pot fi considerate identice. O altă simplificare a demodulatorului implică înlocuirea filtrului trece-bandă de ieșire cu un filtru trece-jos. Acest lucru se datorează faptului că zgomotul sub frecvență nu este în general foarte semnificativ.
Simplitatea unui demodulator liniar DM este unul dintre avantaje, mai ales atunci când este suficient să construiești un integrator cu un singur rezistor și un condensator .