PDM – Pulse Density Modulation

PDM – Pulse Density Modulation

PDM, czyli Pulse Density Modulation, to sposób reprezentowania sygnału analogowego za pomocą strumienia impulsów cyfrowych, gdzie informacja o amplitudzie jest zakodowana w gęstości tych impulsów. Dziś pokażę, jak działa ta metoda modulacji, gdzie jest wykorzystywana i jakie ma zalety oraz ograniczenia w systemach audio i przetwarzania sygnałów cyfrowych.

Jak działa PDM?

W PDM sygnał analogowy jest przekształcany na ciąg impulsów o stałej amplitudzie, ale zmiennej gęstości. Im wyższa amplituda sygnału, tym więcej impulsów pojawia się w określonym czasie. Zamiast klasycznej modulacji szerokości impulsu (PWM), gdzie zmienia się szerokość impulsów, w PDM informacja jest zakodowana w ilości impulsów na jednostkę czasu.

Można to porównać do sytuacji, gdzie sygnał o wysokiej wartości powoduje, że impulsy pojawiają się bardzo często, a dla niskiego sygnału impulsy są rzadsze. Taki sposób kodowania jest bardzo przydatny w urządzeniach o niskim poborze mocy, np. w mikrofonach MEMS.

Zastosowanie PDM w systemach audio

PDM jest często stosowane w cyfrowych mikrofonach MEMS, gdzie sygnał akustyczny jest konwertowany bezpośrednio na strumień impulsów PDM. Taki sygnał jest prosty do przesłania na dużą odległość bez znaczącego pogorszenia jakości. Następnie sygnał PDM jest przetwarzany w procesorze sygnałowym lub konwertowany na klasyczny format PCM (Pulse Code Modulation).

Zalety modulacji PDM

• Prosty strumień bitów o stałej amplitudzie — łatwy do przesłania i obróbki.
• Wysoka odporność na zakłócenia i szumy dzięki modulacji gęstości impulsów.
• Możliwość łatwej integracji z cyfrowymi systemami audio i procesorami sygnałowymi.
• Niskie wymagania sprzętowe po stronie źródła sygnału, co zmniejsza zużycie energii.

Wady i ograniczenia PDM

Modulacja PDM wymaga zaawansowanego przetwarzania sygnału po stronie odbiorczej, aby dokładnie odtworzyć sygnał analogowy. Konwersja PDM na PCM wymaga filtrów cyfrowych (np. filtry dolnoprzepustowe i decymacja), co zwiększa złożoność systemu. Ponadto, sygnał PDM generuje duży strumień danych, więc wymaga odpowiednio szybkich interfejsów transmisji.

Porównanie PDM z innymi modulacjami

Praktyczne zastosowania PDM

W codziennych urządzeniach, takich jak smartfony czy systemy IoT, PDM pozwala na łatwą integrację mikrofonów cyfrowych z procesorami sygnałowymi. Dzięki temu możliwe jest uzyskanie wysokiej jakości dźwięku przy minimalnym zużyciu energii i mniejszej liczbie komponentów. Przy okazji, kiedy omawialiśmy PCM, widzieliśmy, że jest to najczęściej stosowany format audio, ale PDM zdobywa coraz większą popularność właśnie dzięki swojej prostocie na poziomie źródła sygnału.