Modulatory delta z adaptacją interwału próbkowania – rozwiązania predyktorów w technologii CMOS

fot. sxc.hu

Obszary zastosowań modulatorów z asynchronicznym próbkowaniem, to np.: medyczne techniki obrazowania (tomografia komputerowa i rezonans magnetyczny, rejestracja sygnałów EKG i ogólnie zdalne nadzorowanie), rejestracja zakłóceń impulsowych w liniach energetycznych, czujniki i rejestratory stężenia gazów np. w kopalniach [1].

Modulacja ANS-DM

Istotną cechą metod kodowania różnicowego jest to, że uwalniając całkowitą informację źródła od redundancji i kodując jej pozostałą część, mogą silnie zmniejszać wymaganą liczbę bitów, czyli zwiększać kompresję. Algorytmy modulacji różnicowych w swym opisie funkcjonalnym są bardzo proste, co skłania ku ich bezpośredniej realizacji sprzętowej.

Modulatory ANS-DM (ang. Adaptive Nonuniform Sampling – Delta Modulation [2]), to przetworniki różnicowe 1-bitowe z adaptacją zarówno kroku kwantyzacji jak i częstotliwości próbkowania (NS-DM – to przetworniki różnicowe 1-bitowe z adaptacją jedynie częstotliwości próbkowania). Dzięki jednoczesnemu zmniejszaniu odstępu próbkowania τpi (i – kolejny moment próbkowania) i zwiększaniu kroku kwantyzacji qi koder ANS-DM charakteryzuje się dużą szybkością zmian sygnału aproksymującego, przy stosunkowo niewielkim zakresie zmian każdego z adaptowanych parametrów. Zmniejsza to szumy przeciążenia stromości przez ograniczenie przeregulowań [3], zapewniając, wypadkowo wzrost SNR co jest szczególnie istotne przy konwersji analogowych sygnałów niestacjonarnych. Pojawiające się w przetwarzanym sygnale składowe wolnozmienne prowadzą do zmniejszenia odstępów między kolejnymi momentami próbkowania i kroku kwantyzacji, a to z kolei redukuje szum granulacji i średnią przepływność bitową [2, 3].

Rys. 1. Schematy blokowe: a) modulator ANS-DM, b) demodulator ANS-DM

Zgodnie ze schematem blokowym modulacji ANS-DM, (rys. 1) analogowy sygnał wejściowy x(t) porównywany jest z sygnałem aproksymującym y(t), którego wielkość na wyjściu predyktora w chwilach próbkowania ti wynosi:

Operacja kwantowania, podobnie jak w przypadku NS-DM przebiega zgodnie z:

Interwał pomiędzy dwoma kolejnymi chwilami próbkowania wynosi:

Wartość odcinka czasu do chwili pobrania nowej wartości próbki sygnału τ_{p (i + 1)} determinuje algorytm MIF [2]:

przy czym: k₁, k₂ – stałe współczynniki zmiany okresu próbkowania. Poprawna aproksymacja wymaga, aby: k₁< 1 < k₂; τ_p0 – startowy odstęp próbkowania, którego wartość jest zawarta w przedziale [ τ_pmin , τ_pmax] .
Adaptacja kroku kwantyzacji przebiega według algorytmu MSF [2]:

gdzie: P > 1 – stały współczynnik przyrostu kroku kwantyzacji,
q₀ – początkowy krok kwantyzacji.
Zastosowanie w algorytmie ANS-DM mechanizmu powrotu do interwału startowego (4), (5) zwiększa odporność systemu transmisyjnego na zakłócenia oraz gwarantuje uzyskanie synchronizacji po włączeniu odbiornika [3].

Charakterystyka dotychczasowych implementacji koderów Δ z nierównomiernym próbkowaniem

Specyfika działania koderów z nierównomiernym próbkowaniem (NS-DM i ANS-DM) nakazuje ich budowę w oparciu o metodę z aproksymacją cyfrową. Przebiegi aproksymujące w postaci krzywych schodkowych, a więc z wybranymi wartościami dyskretnymi, uzyskuje się najczęściej, wykorzystując jako elementy wykonawcze wielobitowe przetworniki c/a. Innym rozwiązaniem jest zastosowanie układów integratorów ładunkowych paczkowych [2, 4]. W tym przypadku stosować można technikę przetwarzania częstotliwość/napięcie, pozwalającą na realizację adaptacji częstotliwości próbkowania, a także kroku kwantyzacji za pomocą tej samej grupy podzespołów cyfrowych [4].

Zapewnienie dużej dynamiki przetwornika NS-DM wymaga stosowania szerokiego zakresu zmian częstotliwości próbkowania.
To z kolei generuje, dużą liczbę jej wartości, niezbędnych podczas procesu kodowania i dekodowania. Konieczność  wykonania dużej liczby operacji arytmetyczno-logicznych w czasie rzeczywistym (szczególnie przy wyższych częstotliwościach próbkowania) może być powodem ograniczającym praktyczną realizację przetwarzania w szczególności NS-DM, nawet za pomocą niektórych procesorów sygnałowych. Dlatego stosowane są metody dyskretyzacji wartości interwału próbkowania i kroku kwantyzacji, a także ograniczenia ich liczby do ściśle określonych wartości [5]. Pozwala to na utworzenie tablic odniesień (LookUp Tables) zmniejszających ilość operacji niezbędnych do realizacji procesu przetwarzania nierównomiernego.

Rys. 2. Schemat blokowy modulatora/ demodulatora ANS-DM [6]

W pełni sprzętowe podejście do realizacji kodowania delta, zostało zaprezentowane podglądowo na rys. 2. Modulacji poddawany jest analogowy sygnał wejściowy, a algorytm konwersji jest realizowany sprzętowo. Za obróbkę i aproksymację sygnału analogowego odpowiedzialny jest blok analogowy, natomiast algorytm przetwarzania różnicowego realizowany jest w bloku cyfrowym. Dodatkowo w skład bloku cyfrowego wchodzi moduł odpowiedzialny za sterowanie całym układem oraz system transmisji danych.

Rys. 3. Przykład bardzo prostego cyfrowego układu realizującego dyskretne zmiany wartości częstotliwości próbkowania

W układach tego typu szczególną rolę pełni układ predyktora, którego zadaniem jest wytwarzanie aktualnej wartości sygnału aproksymującego sygnał wejściowy. Bardzo prostą koncepcję układu realizującego dyskretną adaptacyjną zmianę szybkości próbkowania przedstawiono na rys. 3. Ciągła adaptacja częstotliwości próbkowania jest w niej zastąpiona wybranymi  wartościami częstotliwości. Selekcji konkretnej częstotliwości dokonuje multiplekser sterowany rewersyjnym układem zliczającym, sprzężonym z algorytmem MIF [2], a wartość chwilowa częstotliwości f_s zależy od sekwencji bitów wyjściowych kodera. Częstotliwość f_s steruje akumulatorem przetwornika c/a, ustalając ostatecznie kształt krzywej aproksymującej.

Rozwiązania układowe kodeka ANS-DM

W koderze ANS-DM przedstawionym na rys. 4 i 5 zastosowano mechanizm momentalnej adaptacji „wstecz” i 3-bitowy algorytm quasi-koincydencyjny [2] realizowany przez układ logiki adaptacyjnej. Programowalny binarny generator impulsów poza możliwością powrotu do częstotliwości startowej (reset) dokonuje zmian szybkości próbkowania zgodnie z zadanym algorytmem.

Rys. 4. Struktura modulatora ANS-DM z predyktorem w postaci przetwornika c/a oraz cyfrowego akumulatora

Rys. 5. Struktura modulatora ANS-DM z predyktorem w postaci integratora ładunkowego (paczkowego)

Interesującym i konkurencyjnym rozwiązaniem dla predyktora z wielobitowym przetwornikiem c/a jest układ predyktora z integratorem paczkowym (ang. parcelling integrator [3]), którego koncepcja dzięki wykorzystaniu techniki przyrostu ładunku, oddzielnie dla każdego cyklu przetwarzania jest kompatybilna z ideą przetwarzania różnicowego. Pozwala to wyeliminować wielobitowy przetwornik c/a, ograniczając wady, które wnosi on do techniki przetwarzania Δ z adaptacją. W efekcie można uprościć problem kompensacji błędów przesunięcia zera i błędów wzmocnienia, czy ograniczyć błędy nieliniowości całkowej i różniczkowej.

Implementacja predyktora paczkowego w technologii CMOS zaprojektowana i wykonana przez Autorów w technologii AMS 350 nm, zostanie omówiona w dalszej części.