Modulación delta

Principio del delta PWM. La señal de salida (azul) se compara con los límites (verde). Los límites (verde) corresponden a la señal de referencia (red), compensada por un valor dado. Cada vez que la señal de salida alcanza uno de los límites, la señal PWM cambia de estado.

Una modulación delta (DM o modulación Δ) es una técnica de conversión de señal de analógico a digital y de digital a analógico utilizada para la transmisión de información de voz donde la calidad no es de importancia primordial. DM es la forma más simple de modulación de código de pulso diferencial (DPCM) donde la diferencia entre muestras sucesivas se codifica en flujos de datos de n bits. En la modulación delta, los datos transmitidos se reducen a un flujo de datos de 1 bit. Sus principales características son:

• La señal analógica se aproxima con una serie de segmentos.
• Cada segmento de la señal aproximada se compara con los bits anteriores y los bits sucesivos se determinan por esta comparación.
• Sólo se envía el cambio de información, es decir, sólo un aumento o disminución de la amplitud de señal de la muestra anterior se envía mientras que una condición sin cambio hace que la señal modulada permanezca en el mismo 0 o 1 estado de la muestra anterior.

Para lograr una alta relación señal-ruido, la modulación delta debe utilizar técnicas de sobremuestreo, es decir, la señal analógica se muestrea a una frecuencia varias veces mayor que la frecuencia de Nyquist.

Las formas derivadas de la modulación delta son la modulación delta de pendiente continuamente variable, la modulación delta-sigma y la modulación diferencial. La modulación de código de pulso diferencial es el superconjunto de DM.

Principio

En lugar de cuantificar el valor de la forma de onda analógica de entrada, la modulación delta cuantifica la diferencia entre el paso actual y el anterior, como se muestra en el diagrama de bloques de la figura 1.

Fig. 1 – Diagrama de bloque de un Δ-modulador/demodulador

El modulador está compuesto por un cuantificador que convierte la diferencia entre la señal de entrada y la integral de los pasos anteriores. En su forma más simple, el cuantificador se puede realizar con un comparador referenciado a 0 (cuantificador de dos niveles), cuya salida es 1 o 0 si la señal de entrada es positiva o negativa. El demodulador es simplemente un integrador (como el del circuito de retroalimentación) cuya salida sube o baja con cada 1 o 0 recibido. El integrador mismo constituye un filtro de paso bajo.

Características de transferencia

Las dos fuentes de ruido en la modulación delta son la "sobrecarga de pendiente", cuando el tamaño de paso es demasiado pequeño para seguir la forma de onda original, y la "granularidad", cuando el tamaño de paso es demasiado grande. Pero un estudio de 1971 muestra que la sobrecarga de pendiente es menos objetable en comparación con la granularidad de lo que cabría esperar basándose únicamente en las medidas de SNR.

Potencia de señal de salida

En la modulación delta, existe una restricción en la amplitud de la señal de entrada, porque si la señal transmitida tiene una gran derivada (cambios abruptos), la señal modulada no puede seguir a la señal de entrada y se produce una sobrecarga de pendiente. P.ej. si la señal de entrada es

${displaystyle m(t)={Acos(omega t)}$,

la señal modulada (derivada de la señal de entrada) que transmite el modulador es

${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft}=m2} A}$,

mientras que la condición para evitar la sobrecarga de taludes es

${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft}=m2} Un "sigma"$.

Entonces, la amplitud máxima de la señal de entrada puede ser

${displaystyle A_{max}={sigma f_{s} over omega }$,

donde f_s es la frecuencia de muestreo y ω es la frecuencia de la señal de entrada y σ es el tamaño de paso en la cuantificación. Entonces A_max es la amplitud máxima que DM puede transmitir sin causar la sobrecarga de pendiente y la potencia de la señal transmitida depende de la amplitud máxima.

Velocidad de bits

Si el canal de comunicación tiene un ancho de banda limitado, existe la posibilidad de interferencia en DM o PCM. Por lo tanto, 'DM' y 'PCM' operar a la misma tasa de bits que es igual a N veces la frecuencia de muestreo.

Modulación delta adaptativa

La modulación delta adaptativa (ADM) fue publicada por primera vez por el Dr. John E. Abate (miembro de AT&T Bell Laboratories) en su tesis doctoral en el Instituto de Tecnología de NJ en 1968. Posteriormente, ADM se seleccionó como el estándar para todas las comunicaciones de la NASA. entre el control de la misión y la nave espacial.

A mediados de la década de 1980, la empresa de audio de Massachusetts DBX comercializó un sistema de grabación digital sin éxito comercial basado en la modulación delta adaptativa. Ver DBX 700.

La modulación delta adaptativa o la modulación delta de pendiente continuamente variable (CVSD) es una modificación de DM en la que el tamaño del paso no es fijo. Más bien, cuando varios bits consecutivos tienen el mismo valor de dirección, el codificador y el decodificador asumen que se está produciendo una sobrecarga de pendiente y el tamaño del paso se hace progresivamente más grande.

De lo contrario, el tamaño del paso se vuelve gradualmente más pequeño con el tiempo. ADM reduce el error de pendiente, a expensas de aumentar el error de cuantificación. Este error se puede reducir mediante el uso de un filtro de paso bajo. ADM proporciona un rendimiento sólido en presencia de errores de bits, lo que significa que la detección y corrección de errores no se utilizan normalmente en un diseño de radio ADM, es esta técnica muy útil la que permite la modulación delta adaptativa.

Aplicaciones

Las aplicaciones contemporáneas de la modulación Delta incluyen, entre otras, la recreación de formas de onda de sintetizador heredadas. Con la creciente disponibilidad de FPGA y ASIC relacionados con juegos, las frecuencias de muestreo se controlan fácilmente para evitar problemas de granularidad y sobrecarga de pendientes. Por ejemplo, el C64DTV usó una frecuencia de muestreo de 32 MHz, lo que proporcionó un amplio rango dinámico para recrear la salida SID a niveles aceptables.

Aplicación SBS Modulación delta de 24 kbps

Satélite Business Systems o SBS utilizaba Delta Modulation para sus puertos de voz a fin de proporcionar servicio telefónico de larga distancia a grandes corporaciones nacionales con una importante necesidad de comunicaciones entre corporaciones (como IBM). Este sistema estuvo en servicio durante la década de 1980. Los puertos de voz utilizaron modulación delta de 24 kbit/s implementada digitalmente con compresión de actividad de voz (VAC) y supresores de eco para controlar la ruta de eco de medio segundo a través del satélite. Realizaron pruebas de escucha formales para verificar que el modulador delta de 24 kbit/s lograba calidad de voz total sin degradación perceptible en comparación con una línea telefónica de alta calidad o el estándar de 64 kbit/s. s PCM compandida de ley µ. Esto proporcionó una mejora de ocho a tres en la capacidad del canal satelital. IBM desarrolló el controlador de comunicaciones por satélite y las funciones de puerto de voz.

La propuesta original de 1974 utilizaba un modulador delta de 24 kbit/s de última generación con un único integrador y un Shindler Compander modificado para la recuperación de errores de ganancia. Esto demostró tener una calidad de voz inferior a la línea telefónica completa. En 1977, se asignó a un ingeniero con dos asistentes en el laboratorio de IBM Research Triangle Park, Carolina del Norte, para mejorar la calidad.

La implementación final reemplazó al integrador con un Predictor implementado con un filtro de paso bajo de par complejo de dos polos diseñado para aproximarse al espectro de voz promedio a largo plazo. La teoría era que, idealmente, el integrador debería ser un predictor diseñado para coincidir con el espectro de la señal. Un Shindler Compander casi perfecto reemplazó la versión modificada. Se encontró que el compander modificado dio como resultado un tamaño de paso menos que perfecto en la mayoría de los niveles de señal y la rápida recuperación del error de ganancia aumentó el ruido según lo determinado por las pruebas de escucha reales en comparación con las mediciones simples de señal a ruido. El compander final logró una recuperación de error de ganancia muy leve debido al error de redondeo de truncamiento natural causado por la aritmética de doce bits.

La función completa de modulación delta, VAC y control de eco para seis puertos se implementó en un solo chip de circuito integrado digital con aritmética de doce bits. Los seis puertos compartían un solo convertidor de digital a analógico (DAC) que brindaba funciones de comparación de voltaje para los moduladores y alimentaba los circuitos de muestra y retención para las salidas del demodulador. Una sola tarjeta contenía el chip, el DAC y todos los circuitos analógicos para la interfaz de la línea telefónica, incluidos los transformadores.