Una modulación delta (DM o modulación Δ) es una técnica de conversión de señal analógica a digital y digital a analógica utilizada para la transmisión de información de voz donde la calidad no es de importancia primordial. DM es la forma más simple de modulación diferencial de código de impulsos (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 mediante esta comparación.
- Solo se envía el cambio de información , es decir, solo se envía un aumento o disminución de la amplitud de la señal de la muestra anterior, mientras que una condición de no cambio hace que la señal modulada permanezca en el mismo estado 0 o 1 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 variable continua , la modulación delta-sigma y la modulación diferencial . La modulación diferencial de pulso-código 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 la corriente y el paso anterior, como se muestra en el diagrama de bloques de la Fig.1.
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 propio integrador constituye un filtro de paso bajo .
Características de transferencia
Las dos fuentes de ruido en la modulación delta son "sobrecarga de pendiente", cuando el tamaño del paso es demasiado pequeño para seguir la forma de onda original, y "granularidad", cuando el tamaño del paso es demasiado grande. Pero un estudio de 1971 muestra que la sobrecarga de pendientes es menos objetable en comparación con la granularidad de lo que cabría esperar basándose únicamente en las medidas de SNR. [1]
Potencia de la señal de salida
En la modulación delta hay una restricción en la amplitud de la señal de entrada, porque si la señal transmitida tiene una derivada grande (cambios abruptos), la señal modulada no puede seguir la señal de entrada y se produce una sobrecarga de pendiente. Por ejemplo, si la señal de entrada es
,
la señal modulada (derivada de la señal de entrada) que es transmitida por el modulador es
,
mientras que la condición para evitar la sobrecarga de pendientes es
.
Entonces, la amplitud máxima de la señal de entrada puede ser
,
donde f s es la frecuencia de muestreo y ω es la frecuencia de la señal de entrada y σ es el tamaño del 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.
Tasa 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' operan a la misma tasa de bits que es igual a N veces la frecuencia de muestreo. [ dudoso ]
Modulación delta adaptativa
La modulación delta adaptativa (ADM) fue publicada por primera vez por el Dr. John E. Abate (becario de AT&T Bell Laboratories) en su tesis doctoral en el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey en 1968. [2] ADM fue seleccionado más tarde como el estándar para todas las comunicaciones de la NASA entre misiones control y naves espaciales.
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 modulación delta de pendiente variable continua (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 descodificador suponen que se está produciendo una sobrecarga de pendiente y el tamaño del paso se vuelve progresivamente mayor.
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 utilizando un filtro de paso bajo. ADM proporciona un rendimiento robusto 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 Delta Modulation incluyen, entre otras, la recreación de formas de onda de sintetizador heredadas. Con la creciente disponibilidad de FPGA y ASIC relacionados con el juego, las frecuencias de muestreo se controlan fácilmente para evitar la sobrecarga de pendientes y los problemas de granularidad. Por ejemplo, el C64DTV usó una frecuencia de muestreo de 32 MHz, proporcionando un amplio rango dinámico para recrear la salida SID a niveles aceptables. [3]
Aplicación SBS Modulación delta de 24 kbps
La Modulación Delta fue utilizada por Satellite Business Systems o SBS para sus puertos de voz para 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 Voice Activity Compression (VAC) y supresores de eco para controlar la trayectoria del eco de medio segundo a través del satélite. Realizaron pruebas formales de escucha para verificar que el modulador delta de 24 kbit / s lograra una calidad de voz completa sin degradación perceptible en comparación con una línea telefónica de alta calidad o el PCM complementario de ley μ de 64 kbit / s estándar . Esto proporcionó una mejora de ocho a tres en la capacidad de canales por satélite. IBM desarrolló el controlador de comunicaciones por satélite y las funciones de puerto de voz.
La propuesta original en 1974, utilizaba un modulador delta de 24 kbit / s de última generación con un solo integrador y un Shindler Compander modificado para la recuperación del error de ganancia. Esto demostró tener una calidad de voz inferior a la de la línea telefónica completa. En 1977, se asignó a un ingeniero con dos asistentes en el laboratorio IBM Research Triangle Park , NC, 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 descubrió que el comparador modificado dio como resultado un tamaño de paso menos que perfecto en la mayoría de los niveles de señal y la recuperación rápida 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 comparador 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 Echo Control para seis puertos se implementó en un solo chip de circuito integrado digital con aritmética de doce bits. Los seis puertos compartían un único convertidor de digital a analógico (DAC) que proporcionaba funciones de comparación de voltaje para los moduladores y circuitos de alimentación 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.
Ver también
Fuentes
- Steele, R. (1975). Sistemas de modulación delta . Londres: Pentech Press. ISBN 0-470-82104-3.
- Este artículo incorpora material de dominio público del documento de la Administración de Servicios Generales : "Norma Federal 1037C" .(en apoyo de MIL-STD-188 )
- ^ NS Jayant y AE Rosenberg. "La preferencia de la sobrecarga de pendiente a la granularidad en la modulación delta del habla". The Bell System Technical Journal , Volumen 50, no. 10, diciembre de 1971. originales [ vínculo roto permanente ] Google almacena en caché versión HTML [ vínculo roto ]
- ^ Abate, John Edward. "Modulación delta lineal y adaptativa (1967)" . Digital commons @ Instituto de Tecnología de Nueva Jersey .
- ^ Olsen, Mikkel Holm. 2011 16 de noviembre. Consultado el 29 de junio de 2013. http://symlink.dk/nostalgia/dtv/dtvsid/