デルタ変調

デルタ変調では、同じ符号のパルスの発生数に制限がないため、信号が急激に変化しない限り、クリッピングなしで任意の振幅の信号を追跡できます。 ^{[ 5 ]}ただし、入力信号が${\displaystyle m(t)}$派生形を持つ$\displaystyle {\dot {m}}(t)}$より大きい

${\displaystyle |{\dot {m}}(t)|_{max}=\sigma f_{s}}$、

どこ${\displaystyle f_{s}}$はサンプリング周波数であり、${\displaystyle \sigma }$が量子化ステップサイズである場合、信号の変化が速すぎて、傾斜過負荷が発生します。たとえば、入力信号が周波数のコサイン波である場合${\displaystyle \omega }$振幅${\displaystyle A}$、

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

そしてその導関数は、

${\displaystyle {\dot {m}}(t)=-\omega A\sin(\omega t)}$、

最大で

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

したがって、正弦波入力の場合、傾斜過負荷は発生しません。

$\displaystyle \omega A<\sigma f_{s}}$。

したがって、正弦波信号の振幅が以下であれば、傾斜過負荷なしで送信できます。

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

実際の入力信号は単一の正弦波よりも複雑な場合があるが、この例は、サンプリング周波数、ステップサイズ、および入力信号の周波数に応じて、送信信号がどのように減衰するかを示している。

スロープ過負荷（スロープクリッピングとも呼ばれる）は量子ステップサイズまたはサンプリングレートを上げることで回避できるが、パルス符号変調（PCM）と同じ品質を達成するには、通常、対象となる最高周波数の20倍という非常に高いサンプリングレートが必要となる。^{[ 5 ]}

変調された信号には入力信号の微分しか含まれていないため、信号の直流成分や低周波成分は失われ（低周波成分を含まない音声やその他のアプリケーションでは問題ない場合もある）、伝送エラーが蓄積され、高周波ノイズが増幅されます。デルタシグマ変調と呼ばれるDMの改良版では、積分器の位置を変更して変調された信号が入力信号の微分だけでなく振幅を表すようにすることで、これらの欠点を回避しています。^{[ 1 ] [ 2 ]}

ニンテンドーエンターテインメントシステムのオーディオ処理ユニット（リコー2A03チップ）には、パーカッションや効果音を復調するためのデルタ変調チャンネル（DMC）が含まれています。DMCは、デルタエンコードされたオーディオデータをダイレクトメモリアクセスでシフトレジスタに読み込み、それがシリアルにシフトされて復調器の積分器として機能するアップ/ダウンカウンタに送られます。シフトレジスタは設定可能なタイマーによってクロックされるため、再生速度を調整することでオーディオの周波数をシフトできます。カウンタの値は7ビットのデジタル-アナログコンバータ（DAC）を介して出力されます。あるいは、PCMサンプルをカウンタに直接書き込むことで、DM復調をバイパスして低ビットPCM出力を得ることができます。^{[ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]}

デルタ変調は、サテライト・ビジネス・システムズ（SBS）が音声ポートに使用し、 IBMなどの企業間通信ニーズの高い国内大企業に長距離電話サービスを提供した。各トラフィックチャネルの ビットレートは32 kbit/sであった。^{[ 16 ]}このシステムは1980年代を通じて運用されていた。音声ポートは、デジタル実装された24  kbit/sデルタ変調と音声アクティビティ圧縮（VAC）およびエコーサプレッサを使用して、衛星を通過する0.5秒のエコーパスを制御した。彼らは正式なリスニングテストを実施し、24 kbit/sデルタ変調器が、高品質の電話回線や標準の64 kbit/s μ-law圧縮 PCMと比較して、目立った劣化なく完全な音声品質を達成したことを検証した。これにより、衛星チャネル容量が8対3に向上した。IBMは、衛星通信コントローラと音声ポート機能を開発した。 

1974年の当初の提案では、最先端の24kbit  /sデルタ変調器と単一の積分器、そしてゲイン誤差回復用に改良されたシンドラーコンパンダーが使用されました。しかし、この方式では電話回線の音声品質が十分ではありませんでした。1977年、ノースカロライナ州リサーチ・トライアングル・パークにあるIBM研究所で、1人のエンジニアと2人のアシスタントが品質改善のために派遣されました。

最終的な実装では、積分器を、長期平均音声スペクトルを近似するように設計された2極複素対ローパスフィルタで実装された予測器に置き換えた。理論的には、積分器は信号スペクトルに一致するように設計された予測器であるべきである。ほぼ完璧なシンドラーコンパンダーが、修正版に取って代わった。修正版コンパンダーは、ほとんどの信号レベルでステップサイズが完全ではなく、高速ゲイン誤差回復により、単純な信号対雑音比測定と比較して、実際のリスニングテストで判明したノイズが増加することが判明した。最終的なコンパンダーは、12ビット演算による自然な切り捨て丸め誤差により、非常に穏やかなゲイン誤差回復を実現した。

デルタ変調、VAC、およびエコー制御の6ポート分の機能は、12ビット演算を備えた単一のデジタル集積回路チップに実装されています。単一のデジタル-アナログ変換器（DAC）は6ポートすべてで共有され、変調器の電圧比較機能を提供するとともに、復調器出力のサンプルホールド回路に信号を送ります。単一のカードには、チップ、DAC、およびトランスを含む電話回線インターフェース用のすべてのアナログ回路が搭載されています。