डेल्टा मॉड्यूलेशन

डेल्टा PWM का सिद्धांत. आउटपुट सिग्नल (नीला) की तुलना सीमा (हरा) से की जाती है। सीमाएँ (हरा) संदर्भ संकेत (लाल) के अनुरूप होती हैं, जो किसी दिए गए मान से ऑफसेट होती हैं। हर बार जब आउटपुट सिग्नल किसी सीमा तक पहुंचता है, तो पीडब्लूएम सिग्नल (बैंगनी) स्थिति बदल देता है।

डेल्टा मॉड्यूलेशन (डीएम या Δ-मॉड्यूलेशन) एक एनालॉग-टू-डिजिटल और डिजिटल-टू-एनालॉग सिग्नल रूपांतरण प्रणाली है जिसका उपयोग ध्वनि सूचना के प्रसारण के लिए किया जाता है जहां गुणवत्ता प्राथमिक महत्व की नहीं है। डीएम डिफरेंशियल पल्स-कोड मॉड्यूलेशन (डीपीसीएम) का सबसे सरल रूप है जहां क्रमिक नमूनों के बीच अंतर को n-बिट डेटा स्ट्रीम में एन्कोड किया जाता है। डेल्टा मॉड्यूलेशन में, प्रेषित डेटा को 1-बिट डेटा स्ट्रीम में घटा दिया जाता है जो या तो ऊपर (↗) या नीचे (↘) का प्रतिनिधित्व करता है। इसकी मुख्य विशेषताएं हैं:

• एनालॉग सिग्नल को खंडों की एक श्रृंखला के साथ अनुमानित किया जाता है।
• अनुमानित सिग्नल के प्रत्येक खंड की तुलना पूर्ववर्ती बिट्स से की जाती है और क्रमिक बिट्स इस तुलना द्वारा निर्धारित किए जाते हैं।
• केवल सूचना में परिवर्तन भेजा जाता है, अर्थात, पिछले नमूने से केवल सिग्नल आयाम में वृद्धि या कमी भेजी जाती है, जबकि कोई परिवर्तन नहीं होने की स्थिति के कारण मॉड्यूलेटेड सिग्नल पिछले नमूने की समान ↗ या ↘ स्थिति में रहता है।

ध्वनि अनुपात के लिए उच्च सिग्नल प्राप्त करने के लिए डेल्टा मॉड्यूलेशन को ओवरसैंपलिंग प्रणालियों का उपयोग करना चाहिए, अर्थात, एनालॉग सिग्नल को नाइक्विस्ट दर से कई गुना अधिक दर पर नमूना किया जाता है।

डेल्टा मॉड्यूलेशन के व्युत्पन्न रूप निरंतर परिवर्तनशील प्रवणता डेल्टा मॉड्यूलेशन, डेल्टा-सिग्मा मॉड्यूलेशन और विभेदक मॉड्यूलेशन हैं। डिफरेंशियल पल्स-कोड मॉड्यूलेशन डीएम का सुपरसेट है।

सिद्धांत

इनपुट एनालॉग तरंग के मान को मापने के अतिरिक्त, डेल्टा मॉड्यूलेशन वर्तमान और पिछले चरण के बीच अंतर को मापता है, जैसा कि चित्र 1 में ब्लॉक आरेख में दिखाया गया है।

चित्र 1 - Δ-मॉड्यूलेटर/डिमोडुलेटर का ब्लॉक आरेख

मॉड्यूलेटर क्वांटाइज़र द्वारा बनाया जाता है जो इनपुट सिग्नल और पिछले चरणों के इंटीग्रल के बीच अंतर को परिवर्तित करता है। अपने सरलतम रूप में, क्वांटाइज़र को 0 (दो स्तर क्वांटाइज़र) के संदर्भ में तुलनित्र के साथ अनुभव किया जा सकता है, जिसका आउटपुट 1 या -1 है यदि क्वांटाइज़र का इनपुट धनात्मक या ऋणात्मक है। डेमोडुलेटर बस इंटीग्रेटर (फीडबैक लूप की तरह) है जिसका आउटपुट प्रत्येक 1 या -1 प्राप्त होने पर बढ़ता या गिरता है। इंटीग्रेटर स्वयं लो पास फिल्टर का गठन करता है।

स्थानांतरण विशेषताएँ

डेल्टा मॉड्यूलेशन में ध्वनि के दो स्रोत प्रवणता अधिभार हैं, जब चरण का आकार मूल तरंग रूप को ट्रैक करने के लिए बहुत छोटा होता है, जब चरण का आकार बहुत बड़ा होता है तो ग्रैन्युलैरिटी होती है।

किन्तु 1971 के अध्ययन से पता चलता है कि प्रवणता अधिभार ग्रैन्युलैरिटी की तुलना में कम आपत्तिजनक है, जो केवल एसएनआर उपायों के आधार पर अपेक्षा की जा सकती है।

आउटपुट सिग्नल पावर

डेल्टा मॉड्यूलेशन में इनपुट सिग्नल के आयाम पर प्रतिबंध होता है, क्योंकि यदि प्रेषित सिग्नल में बड़ा व्युत्पन्न (अचानक परिवर्तन) होता है तो मॉड्यूलेटेड सिग्नल इनपुट सिग्नल का पालन नहीं कर सकता है और प्रवणता अधिभार होता है। जैसे यदि इनपुट सिग्नल है

$m(t)={A\cos(\omega t)}$,

मॉड्यूलेटेड सिग्नल (इनपुट सिग्नल का व्युत्पन्न) जो मॉड्यूलेटर द्वारा प्रेषित होता है

$|{\dot {m}}(t)|_{max}=\omega A$,

जबकि शर्त प्रवणता अधिभार से बचने की है

$|{\dot {m}}(t)|_{max}=\omega A<\sigma f_{s}$.

तो इनपुट सिग्नल का अधिकतम आयाम हो सकता है

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

जहाँ f_s नमूनाकरण आवृत्ति है और ω इनपुट सिग्नल की आवृत्ति है और σ परिमाणीकरण में चरण आकार है। तो A_max वह अधिकतम आयाम है जिसे डीएम प्रवणता अधिभार उत्पन्न किए बिना संचारित कर सकता है और प्रेषित सिग्नल की शक्ति अधिकतम आयाम पर निर्भर करती है।

बिट-दर

यदि संचार चैनल सीमित बैंडविड्थ का है, तो डीएम या पल्स कोड मॉडुलेशन में हस्तक्षेप की संभावना है। इसलिए, 'डीएम' और 'पीसीएम' ही बिट-दर पर काम करते हैं जो नमूना आवृत्ति के n गुना के बराबर है।

इतिहास

डेल्टा मॉड्यूलेशन प्राप्त करने के लिए ओवरसैंपलिंग के साथ फीडबैक का संयोजन करने वाला मौलिक पेपर 1952 में फिलिप्स रिसर्च लेबोरेटरीज के एफ. डी. जैगर द्वारा बनाया गया था। प्रारंभिक पेटेंट में सम्मिलित हैं:

• मौरिस डेलोरेन एट. अल. (फ्रांसीसी पेटेंट 1946 में जारी किया गया, अमेरिकी पेटेंट 1947 में अंकित किया गया) द्वारा विपरीत ध्रुवों के निरंतर आयाम वाले दालों का उपयोग करने वाली संचार प्रणाली हैं।
• सी. चैपिन कटलर द्वारा संचार संकेतों का विभेदक परिमाणीकरण (फ़ाइल 1950), जो विभेदक पीसीएम और डेल्टा मॉड्यूलेशन (1-बिट डीपीसीएम) का वर्णन करता है।

अनुकूली डेल्टा मॉड्यूलेशन

एडाप्टिव डेल्टा मॉड्यूलेशन (एडीएम) को पहली बार 1968 में न्यू जर्सी प्रौद्योगिकी संस्थान में डॉ. जॉन ई. एबेट (बेल लैब्स फेलो) द्वारा अपने डॉक्टरेट थीसिस में प्रकाशित किया गया था। एडीएम को बाद में मिशन नियंत्रण और अंतरिक्ष-यान के बीच सभी नासा संचार के लिए मानक के रूप में चुना गया था।

1980 के दशक के मध्य में, मैसाचुसेट्स ऑडियो कंपनी डीबीएक्स (कंपनी) ने अनुकूली डेल्टा मॉड्यूलेशन पर आधारित व्यावसायिक रूप से असफल डिजिटल रिकॉर्डिंग प्रणाली का विपणन किया। Dbx_Model_700_Digital_Audio_Processor देखें।

अनुकूली डेल्टा मॉड्यूलेशन या सतत परिवर्तनशील प्रवणता डेल्टा मॉड्यूलेशन (सीवीएसडी) डीएम का संशोधन है जिसमें चरण का आकार तय नहीं होता है। बल्कि, जब कई लगातार बिट्स का दिशा मान समान होता है, तो एनकोडर और डिकोडर मानते हैं कि प्रवणता अधिभार हो रहा है, और चरण का आकार उत्तरोत्तर बड़ा होता जाता है।

अन्यथा, चरण का आकार समय के साथ धीरे-धीरे छोटा होता जाता है। एडीएम बढ़ती परिमाणीकरण त्रुटि की कीमत पर प्रवणता त्रुटि को कम करता है। लो-पास फ़िल्टर का उपयोग करके इस त्रुटि को कम किया जा सकता है। एडीएम बिट त्रुटियों की उपस्थिति में मजबूत प्रदर्शन प्रदान करता है जिसका अर्थ है कि त्रुटि का पता लगाना और सुधार आमतौर पर एडीएम रेडियो डिज़ाइन में उपयोग नहीं किया जाता है, यह बहुत उपयोगी प्रणाली है जो अनुकूली-डेल्टा-मॉड्यूलेशन की अनुमति देती है।

अनुप्रयोग

डेल्टा मॉड्यूलेशन के समकालीन अनुप्रयोगों में विरासत सिंथेसाइज़र तरंगों को फिर से बनाना सम्मिलित है, किन्तु यह इन्हीं तक सीमित नहीं है। एफपीजीए और गेम-संबंधित एएसआईसी की बढ़ती उपलब्धता के साथ, नमूना दरों को आसानी से नियंत्रित किया जाता है ताकि प्रवणता अधिभार और ग्रैन्युलैरिटी मुद्दों से बचा जा सके। उदाहरण के लिए, C64DTV ने 32 मेगाहर्ट्ज नमूना दर का उपयोग किया, जो एमओएस टेक्नोलॉजी 6581 आउटपुट को स्वीकार्य स्तर पर फिर से बनाने के लिए पर्याप्त गतिशील रेंज प्रदान करता है।

एसबीएस एप्लीकेशन 24 केबीपीएस डेल्टा मॉड्यूलेशन

डेल्टा मॉड्यूलेशन का उपयोग सैटेलाइट बिजनेस सिस्टम्स (एसबीएस) द्वारा अपने वॉयस पोर्ट के लिए महत्वपूर्ण अंतर-निगम संचार आवश्यकता वाले बड़े घरेलू निगमों (जैसे आईबीएम) को लंबी दूरी की फोन सेवा प्रदान करने के लिए किया गया था। यह प्रणाली पूरे 1980 के दशक में सेवा में थी। सैटेलाइट के माध्यम से आधे सेकंड के इको पथ को नियंत्रित करने के लिए वॉयस पोर्ट ने वॉयस एक्टिविटी कंप्रेशन (वीएसी) और प्रतिध्वनि दबानेवाला यंत्र ्स के साथ डिजिटल रूप से कार्यान्वित 24 kbit/s डेल्टा मॉड्यूलेशन का उपयोग किया। उन्होंने यह सत्यापित करने के लिए औपचारिक श्रवण परीक्षण किए कि 24 kbit/s डेल्टा मॉड्यूलेटर ने उच्च गुणवत्ता वाली फोन लाइन या मानक 64 kbit/s μ-लॉ कंपाउंडिंग PCM की तुलना में बिना किसी स्पष्ट गिरावट के पूर्ण ध्वनि गुणवत्ता हासिल की है। इससे उपग्रह चैनल क्षमता में आठ से तीन का सुधार हुआ। आईबीएम ने सैटेलाइट संचार नियंत्रक और वॉयस पोर्ट फ़ंक्शन विकसित किया।

1974 में मूल प्रस्ताव में, एकल इंटीग्रेटर के साथ अत्याधुनिक 24 kbit/s डेल्टा मॉड्यूलेटर और गेन एरर रिकवरी के लिए संशोधित शिंडलर कंपांडर का उपयोग किया गया था। यह पूर्ण फोन लाइन भाषण गुणवत्ता से कम साबित हुआ। 1977 में, आईबीएम अनुसंधान त्रिभुज पार्क , एनसी प्रयोगशाला में दो सहायकों के साथ इंजीनियर को गुणवत्ता में सुधार करने का काम सौंपा गया था।

अंतिम कार्यान्वयन ने इंटीग्रेटर को प्रेडिक्टर के साथ बदल दिया, जिसे दो ध्रुव जटिल जोड़ी कम-पास फिल्टर के साथ लागू किया गया, जिसे दीर्घकालिक औसत भाषण स्पेक्ट्रम का अनुमान लगाने के लिए डिज़ाइन किया गया था। सिद्धांत यह था कि आदर्श रूप से इंटीग्रेटर को सिग्नल स्पेक्ट्रम से मेल खाने के लिए डिज़ाइन किया गया भविष्यवक्ता होना चाहिए। लगभग पूर्ण शिंडलर कंपांडर ने संशोधित संस्करण को प्रतिस्थापित कर दिया। यह पाया गया कि संशोधित कंपाउंडर के परिणामस्वरूप अधिकांश सिग्नल स्तरों पर सही चरण आकार से कम था और तेजी से लाभ त्रुटि पुनर्प्राप्ति ने ध्वनि को बढ़ा दिया जैसा कि ध्वनि माप के लिए सरल सिग्नल की तुलना में वास्तविक श्रवण परीक्षणों द्वारा निर्धारित किया गया था। अंतिम कंपाउंडर ने बारह बिट अंकगणित के कारण होने वाली प्राकृतिक ट्रंकेशन पूर्णन त्रुटि के कारण बहुत हल्की लाभ त्रुटि पुनर्प्राप्ति हासिल की।

छह बंदरगाहों के लिए डेल्टा मॉड्यूलेशन, वीएसी और इको कंट्रोल का पूरा कार्य बारह बिट अंकगणित के साथ एकल डिजिटल एकीकृत सर्किट चिप में लागू किया गया था। एकल डिजिटल-टू-एनालॉग कनवर्टर (डीएसी) को सभी छह बंदरगाहों द्वारा साझा किया गया था जो मॉड्यूलेटर के लिए वोल्टेज तुलना फ़ंक्शन प्रदान करता था और डेमोडुलेटर आउटपुट के लिए नमूना और होल्ड सर्किट खिलाता था। एकल कार्ड में चिप, डीएसी और ट्रांसफार्मर सहित फोन लाइन इंटरफ़ेस के सभी एनालॉग सर्किट होते थे।

यह भी देखें

• अनुकूली अंतर पल्स-कोड मॉड्यूलेशन
• एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर (एडीसी)
• कोडेक
• पल्स कोड मॉडुलेशन
• पल्स-घनत्व मॉड्यूलेशन
  • डेल्टा-सिग्मा मॉड्यूलेशन
  • डायरेक्ट स्ट्रीम डिजिटल

स्रोत

• Steele, R. (1975). डेल्टा मॉड्यूलेशन सिस्टम. London: Pentech Press. ISBN 0-470-82104-3.
•  This article incorporates public domain material from Federal Standard 1037C. General Services Administration. (in support of MIL-STD-188).

बाहरी संबंध

• Delta Modulator