La modulación delta ( DM o Δ-modulación ) es una técnica de conversión de señal de analógico a digital y de digital a analógico que se utiliza para la transmisión de información de voz donde la calidad no es de primordial importancia. DM es la forma más simple de modulación diferencial de código de pulso (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 que representa arriba (↗) o abajo (↘). Sus principales características son:
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 superior a la frecuencia de Nyquist .
Las formas derivadas de modulación delta son la modulación delta de pendiente continuamente variable , la modulación delta-sigma y la modulación diferencial. La modulación diferencial de código de pulso es el superconjunto de DM.
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 Fig. 1.
El modulador está formado 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 (cuantizador de dos niveles), cuya salida es 1 o -1 si la entrada del cuantificador es positiva o negativa. El demodulador es simplemente un integrador (como el del circuito de retroalimentación) cuya salida aumenta o disminuye con cada 1 o -1 recibido. El propio integrador constituye un filtro de paso bajo .
Las dos fuentes de ruido en la modulación delta son la "sobrecarga de pendiente", cuando el tamaño del paso es demasiado pequeño para seguir la forma de onda original, y la "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 uno podría esperar basándose únicamente en medidas SNR. [1]
En la modulación delta, no hay límite para la cantidad de pulsos del mismo signo que pueden ocurrir, por lo que es capaz de rastrear señales que cambian lentamente de cualquier amplitud sin saturación . [2] Sin embargo, si la señal transmitida tiene una derivada excesiva (cambios abruptos), se produce una sobrecarga de pendiente y la señal modulada no puede rastrear la señal de entrada. Por ejemplo, si la señal de entrada es
,
la señal modulada (derivada de la señal de entrada) que es transmitida por el modulador es
,
Considerando que la condición para evitar la sobrecarga de la pendiente 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 sobrecarga de pendiente y la potencia de la señal transmitida depende de la amplitud máxima.
Si el canal de comunicación tiene un ancho de banda limitado, existe la posibilidad de que se produzcan interferencias en DM o PCM . Por lo tanto, 'DM' y 'PCM' funcionan a la misma velocidad de bits, que es igual a N veces la frecuencia de muestreo. [ dudoso – discutir ]
El artículo fundamental [3] que combina retroalimentación con sobremuestreo para lograr la modulación delta fue de F. de Jager de Philips Research Laboratories en 1952. [4] Las patentes iniciales incluyen:
La modulación delta adaptativa (ADM) fue publicada por primera vez por el Dr. John E. Abate ( becario de Bell Labs ) en su tesis doctoral en el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey en 1968. [7] Posteriormente, ADM fue seleccionado como el estándar para todas las comunicaciones de la NASA entre el control de la misión y y naves espaciales.
A mediados de la década de 1980, la empresa de audio DBX de Massachusetts comercializó un sistema de grabación digital que no tuvo éxito comercial y se basó en la modulación delta adaptativa. Ver DBX 700 .
La modulación delta adaptativa o 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 suponen que se está produciendo una sobrecarga de pendiente y el tamaño del paso se hace progresivamente mayor.
De lo contrario, el tamaño del paso se reduce gradualmente 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 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.
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 la sobrecarga de pendientes y problemas de granularidad. Por ejemplo, el C64DTV utilizó una frecuencia de muestreo de 32 MHz, lo que proporciona un amplio rango dinámico para recrear la salida SID a niveles aceptables. [8]
Satellite Business Systems (SBS) utilizó la modulación delta en 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 compresión de actividad de voz (VAC) y supresores de eco para controlar la ruta del eco de medio segundo a través del satélite. Realizaron pruebas de escucha formales 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 estándar de ley μ de 64 kbit/s. Esto proporcionó una mejora de ocho a tres en la capacidad de los canales satelitales. IBM desarrolló el controlador de comunicaciones por satélite y las funciones del 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 recuperación de errores 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 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 [ definición necesaria ] reemplazó la versión modificada. Se descubrió que el compander modificado daba 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 aumentaba el ruido según lo determinado por pruebas de escucha reales en comparación con mediciones simples de señal a ruido. El compander final logró una recuperación del error de ganancia muy leve debido al error de redondeo y 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 único chip de circuito integrado digital con aritmética de doce bits. Los seis puertos compartían un único convertidor digital a analógico (DAC), que proporcionaba funciones de comparación de voltaje para los moduladores y alimentaba circuitos de muestreo 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.
Este artículo incorpora material de dominio público de la Norma Federal 1037C. Administración de Servicios Generales . Archivado desde el original el 22 de enero de 2022. (en apoyo de MIL-STD-188 ).
