확률적 신호 밀도 변조

Stochastic Signal Density Modulation
그림 1: 평균을 갖는 샘플 SSDM 신호.

확률적 신호 밀도 변조(SSDM)[1][2]는 주로 LED 전력 제어에 사용되는 새로운 전력 변조 기술입니다.유사 랜덤 폭을 갖는 펄스를 사용하여 정보를 인코딩하거나 전력 레벨을 설정합니다.펄스는 평균적으로 생성된 신호가 하이 상태와 로우 상태 사이에서 원하는 비율을 갖도록 생성됩니다.예를 들어, 일반적으로 LED 전원을 제어하는 데 선호되는 PWM(펄스 폭 변조)과 같은 SSDM을 사용할 경우의 주요 이점은 전자기 간섭을 줄이는 것입니다.그림 1은 SSDM 신호를 보여주며 평균 신호 밀도가 원하는 값에 도달하는 방법을 보여줍니다.신호의 유사 랜덤 펄스가 표시됩니다.

SSDM은 펄스 밀도 변조(PDM) 또는 랜덤 펄스 폭 변조(RPWM)의 특수한 경우로 볼 수 있습니다.

원리 및 신호 생성

그림 2: SSDM 생성 블록 다이어그램
그림 3: 신호 밀도가 30%인 5비트 SSDM 신호 생성

SSDM 신호를 생성하려면 일련의 의사 난수, 신호 밀도 레지스터 및 비교기를 제공하는 선형 피드백 시프트 레지스터(LFSR) 또는 유사한 소스가 필요합니다.각 클럭 주기에서 LFSR은 의사 난수를 하나씩 제공합니다.이 값은 신호 밀도 레지스터와 비교됩니다.신호 밀도 레지스터가 생성된 유사 난수보다 낮으면 출력이 높음으로 설정됩니다.신호 밀도 레지스터가 생성된 유사 난수보다 높으면 출력이 낮습니다.이는 그림 [1][3][4]2에 나와 있습니다.

LFSR을 사용하여 가능한 최대 기간을 갖는 의사 난수를 제공하는 경우 시퀀스는 범위의 각 숫자를 한 번(0 제외) 포함하고 결국 반복합니다.[5]4비트 LFSR의 경우 시퀀스는 [1 2 5 3 7 64]입니다.신호 밀도 레지스터가 3으로 설정되는 경우 해당 SSDM 신호가 [1 1 0 1 0 0 0] 패턴을 반복합니까?

그림 3은 신호 생성 프로세스를 보여줍니다.생성된 의사 난수 시퀀스는 첫 번째 하위 그림과 원하는 30% 임계값에 표시됩니다.아래 그림은 생성된 SSDM 신호입니다.생성된 의사 난수가 원하는 임계값 이하일 때만 출력이 높음을 알 수 있습니다.SSDM 신호는 평균 최대치의 30%에서 발생합니다.또한, LFSR의 반복적인 특성은 의사 난수 시퀀스와 결과 SSDM 신호에서 볼 수 있습니다.

다른 변조 방법과의 비교

그림 4: SSDM과 PWM 신호 비교
그림 5: 시뮬레이션된 SSDM 및 PWM 신호의 진폭 스펙트럼

SSDM은 전력 제어에 사용할 때 PWM에 비해 상당한 이점이 있습니다.PWM 신호에서 출력이 하이로 전환되는 주파수는 일정합니다.펄스의 폭만 변경됩니다.이로 인해 상대적으로 높은 전자기 간섭 진폭이 발생합니다.SSDM의 경우 펄스 폭과 간격이 일정하지 않기 때문에 결과적으로 발생하는 간섭이 더 넓은 스펙트럼에 분산되어 전체 간섭 [3]진폭이 감소합니다.

SSDM과 PWM의 근본적으로 다른 작동 원리는 그림 4에 나와 있습니다.두 신호 모두 서로 다른 신호 밀도 또는 펄스 폭 비율(10% 및 70%)로 표시됩니다.

그림 5는 PWM과 비교한 SSDM 신호의 시뮬레이션 스펙트럼을 보여줍니다.둘 다 신호 밀도 또는 펄스 폭 30%로 설정되며 동일한 주파수에서 작동합니다.볼 수 있듯이, SSDM에서 가장 낮은 주파수 성분의 진폭은 20dB 이상 감쇠됩니다.이것은 또한 SSDM의 경우 대부분의 신호 에너지가 더 높은 [6]주파수로 이동한다는 것을 보여줍니다.일부 출처는 30dB의[1] 감소를 인용합니다.

하지만 신호에 존재하는 주파수가 높기 때문에 SSDM은 부하 구동 회로에서 PWM보다 더 많은 것을 요구할 수 있습니다.SSDM 신호에 고주파 성분을 줄이기 위한 필터링이 있는 경우 신호 밀도에도 영향을 미칠 수 있습니다.또한 개별 전환의 수가 증가하면 사용되는 MOSFET의 스위칭 손실 [de]도 증가할 수 있습니다.

PWM과 마찬가지로 델타 시그마 변조(DSM)[3][7]는 기본 주파수와 다음 4가지 고조파에서 SSDM보다 훨씬 높은 진폭을 생성합니다.

실용적 구현

하드웨어 지원

SSDM 기술은 사이프레스 [1][2]세미컨덕터에 의해 특허를 받았습니다.따라서 전용 하드웨어 모듈을 사용하여 SSDM 신호 생성을 지원하는 마이크로컨트롤러는 사이프레스 세미컨덕터의 PSoC 장치입니다. SSDM[4] 모듈은 PSoC 1 시리즈 장치에서 사용할 수 있습니다.PSoC 시리즈 3, 4 및 5에서는 정밀 조명 신호 변조(PrISM)[8] 모듈을 사용할 수 있습니다.PrISM은 SSDM과 호환됩니다.

미국 특허 8129924에서는[1] 신호 생성에서 하나의 실질적인 선택지가 CPLD 또는 FPGA 장치를 사용하는 것이라고 인정하고 있지만, 2017년 10월 현재 그러한 구현은 공개되지 않고 있습니다.

고려 사항.

SSDM 신호를 생성할 때는 방법(HW, FPGA, 소프트웨어)에 관계없이 신호가 생성되는 주파수와 다른 회로를 고려해야 합니다.

  • 신호가 생성되는 최저 주파수는 다음과 같이 LFSR이 난수를 생성하는 주파수와 원하는 분해능에 의해 결정됩니다.
  • LED 전원 제어에 SSDM을 사용하는 경우 구동 주파수는 Flicker_fusion_threshold보다 높아야 합니다.PrISM 기술의 경우 출력의 최소 주파수 120Hz는 눈에 보이는 깜박임을 방지하기에 충분해야 합니다.300Hz로 깜박임이 없는 [3]작동을 보장합니다.
  • SSDM 신호의 주파수가 증가하면 고주파 성분의 수도 증가합니다.이는 출력 구동 회로에 영향을 미칠 수 있으며, 경우에 따라 필터링이 발생할 수 있습니다.필터링은 결과 펄스 밀도에 영향을 미칠 수 있습니다.
  • 일부 구현에서는 SSDM [9]신호의 주파수 중 상위 부분을 필터링하도록 설정된 로우패스 필터의 사용을 시연합니다.
  • SSDM을 사용하면 스위칭 손실이 증가할 수 있습니다.
  • SSDM 신호의 고주파 성분이 다른 시스템에 미치는 영향을 분석해야 합니다.

참고 항목

레퍼런스

  1. ^ a b c d e 미국 특허 8129924 광 변환기 제어를 위한 확률적 신호 밀도 변조 (2012년 3월 6일)
  2. ^ a b 미국 특허 8476846 광변환기 제어를 위한 확률적 신호 밀도 변조(Jul 2, 2013)
  3. ^ a b c d AN47372: LED 조광 사이프레스 반도체를 위한 PrISM 기술 (2017년 4월 28일)
  4. ^ a b 확률적 신호 밀도 변조 데이터시트 사이프레스 반도체(2014년 7월 24일)
  5. ^ 16비트 하드웨어 PrISM 데이터시트 사이프레스 반도체(2014년 3월 3일)
  6. ^ Seguine, Dennis (Sep 4, 2015). "Enhanced PWM Implementation Adds High-Performance DAC to MCU". Electronic Design. Retrieved October 17, 2017.
  7. ^ 사이프레스 반도체 AN49262: LED 조광 사이프레스 반도체를 위한 변조 기술 (2008년 10월 22일)
  8. ^ 정밀 조명 신호 변조(PrISM) 데이터 시트 사이프레스 반도체(2013년 2월 20일)
  9. ^ 미국 특허 8044612 네트워크 조명 장치를 위한 방법 및 장치 (2007년 6월 7일)

외부 링크