デルタ変調|物理

周波数とも呼ばれるナイキストレートは、すべての情報を保持するために有限帯域幅の信号をサンプリングする必要がある最小レートです。信号のサンプリングレートは、比較的優れたサンプリングレートを取得するために、差分パルス符号変調手順でナイキストレートよりも高く維持されます。

差分パルス符号変調 (DPCM) プロセスでサンプリング間隔が短縮されると、サンプル間の振幅差は最小になり、1 ビットの量子化の差と同様になります。その結果、ステップサイズは非常に小さくなります。

デルタ変調

デルタ変調 (DM または ∆ 変調) は、品質が優先されない場合に音声伝送に使用されるアナログからデジタルおよびデジタルからアナログへの信号変換技術です。連続するサンプル間の差は、DM の n ビットデータストリームにエンコードされます。DM は、差動パルス符号変調 (DPCM) の最も単純な形式です。送信データは、デルタ変調で 1 ビットデータストリームに縮小されます。その主な特徴は次のとおりです。

アナログ信号を近似するために一連のセグメントが使用されます。
前のビットが推定信号の各セグメントと比較され、この比較によって後続のビットが決定されます。
情報の変化のみが伝達されます。つまり、前のサンプルからの信号振幅の増加または減少のみが伝達されますが、変化のない状態では、変調された信号が保持されます。前のサンプルと同じ 0 または 1 の状態。

デルタ変調では、高い信号対雑音比を生成するためにオーバーサンプリング技術が必要です。これは、アナログ信号がナイキストレートの数倍のレートでサンプリングされることを意味します。

原則

デルタ変調は、図のブロック図に見られるように、入力アナログ波形の値ではなく、現在のステップと前のステップの差を量子化します。

図:デルタ変調器のブロック図

量子化器は、入力信号と前段の積分との差を変換して、変調器を作成します。量子化器は、入力信号が正か負かに応じて出力が 1 または 0 になる、0 を参照する比較器 (2 レベル量子化器) を使用する最も単純なバージョンで実現できます。復調器は、受信した 1 または 0 ごとに出力が増加または減少する単なるフィードバックループ積分器です。積分器は、それ自体がローパスフィルターです。

伝達特性

ステップサイズが小さすぎて元の波形と一致しない場合に発生する「スロープオーバーロード」と、ステップサイズが高すぎる場合に発生する「粒状性」は、ノイズの 2 つの原因です。デルタ変調。ただし、SNR 測定のみに基づくと、1971 年の研究では、勾配過負荷は粒度よりも不快ではないことが示唆されています。

デルタ変調器のブロック図

デルタ変調器は、上の図に示すように、1 ビットの量子化器、遅延回路、および 2 つの加算器回路で構成されます。デルタ変調器の出力は階段近似波形です。デルタ () は、波形のステップサイズです。波形の出力品質は平均的です。 DM は、高い信号対雑音比を達成するために、オーバーサンプリング手法を変更する必要があります。アナログ信号は、オーバーサンプリング技術でナイキストレートより何倍も速くサンプリングされます。

デルタ変調信号の送信には、ビット/秒単位の帯域幅が必要です。この信号のサンプリング周波数は、サンプリング周波数と同じです。以下の式を使用して、変調信号の伝送に必要な帯域幅を決定できます。

ffs サンプル/秒 X 1 ビット/サンプル =変調信号を送信するために必要な帯域幅

毎秒 ffs ビット

どこで

信号のサンプリング周波数は fs で与えられます。

復調器デルタ

デルタ復調器を下の図に示します。図に示すように、デルタ復調器は遅延回路、ローパスフィルター、および加算器で構成されます。予測回路が削除されているため、復調器に送信される推定入力はありません。

この回路には、ノイズ低減と帯域外信号の改善のためのローパスフィルターが含まれています。粒状ノイズは送信機で除去され、ステップサイズの不正確さは粒状ノイズと呼ばれます。ノイズがない場合、変調器の出力は復調器の入力と等しくなります。

適応デルタ変調器

適応デルタ変調は、より高度な種類のデルタ変調です。デルタ変調で発生するノイズの種類は、周知のとおり、粒状ノイズとスロープ過負荷歪みです。このタイプのノイズを低減するために、適応デルタ変調技術が開発されました。この方法では、デルタ変調技術で見られるスロープの不正確さが減少します。この手順により、スロープの過負荷とグラニュラーミスが完全になくなります。 LPF は、復調プロセス中に量子化ノイズを低減するために使用されます (ローパスフィルター)。

適応デルタ変調の利点

適応デルタ変調は高性能技術です。
無線設計とエラー検出では、この戦略により修正回路の必要性が減少します。
変更可能なステップサイズが幅広い値をカバーするため、ダイナミックレンジが大きくなります。
勾配過負荷エラーまたは粒度エラーの証拠はありません。
勾配エラーの量が減ります。

デルタ変調器の利点

適応デルタ変調の技術は高性能です。
この方法により、無線設計および誤り検出における修正回路が不要になります。
可変ステップサイズが非常に広い範囲の値をカバーするため、ダイナミックレンジは大きくなります。
グラニュラーまたはスロープオーバーロードミスの形跡はありません。
勾配の不正確さが多少減少しました。

デルタ変調器の欠点

ノイズの一種である勾配過負荷歪みは、デルタが小さいときに目に見えます。
ノイズの一種である粒状ノイズは、デルタの値が大きい場合に表示されます。

デルタ変調器の応用

Delta Modulation の最新のアプリケーションには、ビンテージシンセサイザーの波形の複製が含まれますが、これに限定されません。 FPGA やゲーム関連の ASIC の可用性が向上したおかげで、勾配の過負荷や粒度の問題を回避するために、サンプルレートを簡単に調整できるようになりました。たとえば、C64DTV のサンプリングレートは 32 MHz で、SID 出力を許容レベルまで複製するのに十分なダイナミックレンジを提供しました。

結論

アナログ信号のデルタ変調および復調技術。デルタ変調はサンプルごとに 1 ビットを転送しますが、周知のように、欠点 (スロープ過負荷歪みと粒状ノイズ) があります。これらの問題を解決するために、Adaptive Delta Modulation Signal を使用できます。実際には、デルタ変調の出力を受け取りますが、正しい値で適切なパラメーターを適用することで回避されたノイズがあります。

適切なパラメータと適切な値を使用してください。

結果として、それが機能しており、実際の状況で使用されていることがわかります.

制限:回路のさまざまなコンポーネントが見事に動作し、それぞれに対して正しい波形と結果を得ることができました。ただし、回路全体の完全な出力波形を得るには、個別のセクションの入出力の独立性を同期させる必要があります。