Deltamodulatsioon

Deltamodulatsioon on analoogsignaali digitaalseks ja digitaalsignaali analoogiks muundamise võte, mida kasutatakse peamiselt helisignaalide edastamiseks juhtudel, kus helikvaliteet pole esmatähtis. Selline lihtne signaali digitaliseerimise viis lahendab analoogsignaali edastamisega kaasnevaid probleeme.

Deltamodulatsiooni tööpõhimõte. Ülemisel joonisel on näha sisendsignaal ja demoduleeritud signaal. Alumisel joonisel on moduleeritud signaal

Deltamodulatsioon on lihtsaim diferentsiaalse impulsskoodmodulatsiooni liik. Antud tüüpi modulatsioonide puhul kodeeritakse üksteisele järgnevate kvanditud väärtuste vaheline erinevus n-bitiliseks andmevooks. Deltamodulatsiooni puhul edastatakse signaal ühebitilise digitaalsignaalina, mis tähendab, et signaali punktil on kaks võimalikku väärtust. Juhul kui kvanditud väärtus oli eelmisest sämplist suurem, siis on väärtus 1 või kui väiksem siis 0.

Sobiva SNRi (signaali-müra suhte) saavutamiseks kasutatakse ülediskreetimist, see tähendab et signaali diskreetimissagedus on mitu korda kõrgem Nyquisti-Shannoni teoreemi järgi leitud madalaima sobiliku diskreetimissageduse väärtusest.

Deltamodulatsiooni alaliik on delta-sigmamodulatsioon.

Tööpõhimõte

Deltamodulaatori/demodulaatori lihtsustatud skeem

Deltamodulatsiooni puhul ei kvandita sisendsignaali absoluutset väärtust vaid erinevust eelmise ja praeguse sämpli vahel. Kuna väljundsignaal on antud juhul ühebitiline, saab sisendsignaali muutust kvantida kahele tasemele, kas +δ või -δ. Kui eelmine väärtus oli väiksem kui praegune, saab väljundi väärtuseks +δ ja vastupidisel juhul -δ. Digitaalse signaali puhul on -δ võrdne nulliga ja +δ võrdne ühega.

Signaali moduleerimisel lastakse signaal esmalt läbi madalpääsfiltri, seejärel modulaator mõõdab hetkeväärtuse ja eelnevate väärtuste vahet. Sõltuvalt vahe märgist kvanditakse väljundsignaal. Demodulatsioon on moduleerimisest lihtsam protsess ning see toimub vastupidi. Lihtsustatult tähendab see, et kõigepealt kasutatakse integraatorit ja seejärel madalpääsfiltrit.

Eelised

• Madalamate bitikiiruste puhul on deltamodulatsioon tavalise impulsskoodmodulatsioonist parema kvaliteediga;
• Lihtne elektrooniline implementatsioon;
• Modulaatori ja demodulaatori lihtne ehitus;
• Kuluefektiivne ja töökindel.

Väljundsignaal

Deltamodulatsiooni puhul on sisendsignaali amplituud piiratud kuna sisendsignaali järskudele muutustele ei jõua moduleeritud signaal piisavalt kiiresti järgi. Seda seetõttu, et väljund saab muutuda vaid kindla sammu kaupa, ning kui toimunud muutus on sammu pikkusest palju pikem, ei jõua väljund isegi mitme sammuga sellele järele ning signaali edastamisel tekib viga. See on üks deltamodulatsiooni põhilistest puudustest. Antud olukorra vältimiseks peab sisendsignaali amplituud olema piiratud. Sisendsignaali amplituudi maksimaalne lubatav väärtus (A_max) on avaldatav modulatsiooni diskreeditud väärtuse sammu pikkuse (σ), diskreetimissageduse (f_s) ja signaali sageduse (ω) kaudu.

$A_{max}={\sigma f_{s} \over \omega }$

Müra

Lubades suuremaid sisendsignaali amplituude ja järske muutusi signaalis peame leppima rohkema müraga signaalis. Nimelt pikema diskreeditud signaali väärtuste sammu puhul tekib stabiilse signaali puhul müra, kuna moduleeritud saehammassignaal ostsilleerib oodatava väärtuse ümber suurema amplituudiga. Seetõttu on deltamodulatsiooni puhul oluline optimaalse modulatsiooni väärtuste sammu pikkuse valik, et minimeerida signaali edastamisel tekkivat müra.

Kohanduv deltamodulatsioon

Kohanduv deltamodulatsioon (adaptive delta modulation) töötati välja 1968. aastaks New Jersey tehnoloogiainstituudis ning seda on hiljem muuhulgas kasutatud NASA poolt kosmosemissioonide sidelahendustes.

Kohanduv deltamodulatsioon on deltamodulatsiooni variant, mille puhul diskreetimise sammu pikkus ei ole konstantne ning kui järjestikuste bittide väärtus on sama, eeldatakse et on tekkinud muutust ei suudetud esitada (slope overload) ning diskreeditud väärtuse sammu muudetakse jooksvalt suuremaks. Pikem diskreeditud väärtuste samm võimaldab kiiremaid muutusi väljundsignaalis. Tavaolukorras muutub diskreeditud väärtuse samm jooksvalt väiksemaks kuni jõutakse jälle olukorrani, kus see pole muutuse esitamiseks piisav. Nii hoitakse erinevat tüüpi tekkivaid vigu minimaalsena.

Kohanduv deltamodulatsioon vähendab järskudest amplituudi muutustest tingitud viga, kuid suurendab kvantimisviga. Kvantimisviga tekib kui diskreeditud väärtuste samm on liiga pikk töödeldava signaaliosa esitamiseks. Kvantimisel tekkivaid vigu leevendab mõnevõrra madalpääsfiltri kasutamine demodulatsiooni käigus. Madalpääsfilter filtreerib signaalist välja pikast diskreetimise väärtuste sammust tingitud järsud muutused, kuid signaali algset täpsust taastada pole võimalik.

Kasutusvõimalused

Põhiliseks deltamodulatsiooni kasutusvaldkonnaks on helisignaalide edastamine juhtudel, kus on oluline ribalaiust kokku hoida ning kvaliteet pole prioriteet. Need hõlmavad erinevaid raadioside- ja kõnetehnoloogiaid. Kuigi antud tehnoloogia pole tänapäeva digitaalsete signaalide maailmas enam nii aktuaalne, kasutatakse seda siiski vanemate seadmetega ühildumiseks ja mõningate lainekujude taasloomiseks. Tänapäeval lihtsustab deltamodulatsiooni kasutamist ka see, et nüüd on võimalik signaalide diskreetimissagedust üsna lihtsalt ka jooksvalt muuta.

Satellite Business Systemsi 24 kbit/s deltamodulatsioon

Satellite Business Systems (SBS) kasutas 1980. aastatel deltamodulatsiooni kaugekõneteenuse osutamisel. Nende rakenduses oli deltamodulatsioon digitaalselt implementeeritud ning kiiruseks oli 24 kbit/s. Antud süsteemi helikvaliteeti tol ajal standardse 64 kbit/s impulsskoodmoduleeritud signaaliga võrreldes ei leitud neil variantidel kuuldavat erinevust, kuid deltamodulatsioon vajas rohkem kui kaks korda vähem ribalaiust, mida tolle aja satelliitside lahenduste puhul oli vaja kokku hoida.