Direct Digital Frequency Synthesizers with Broadband Noise Shaping Filters

इलेक्ट्रॉनिक्स की दुनिया में, एक सटीक ध्वनि या रेडियो सिग्नल बनाना अक्सर केवल कुछ सीधी रेखाओं का उपयोग करके एक पूर्ण वृत्त बनाने की कोशिश करने जैसा महसूस होता है। इंजीनियर इन संकेतों को उत्पन्न करने के लिए डायरेक्ट डिजिटल फ्रीक्वेंसी सिंथेसाइज़र नामक उपकरणों का उपयोग करते हैं, जो आधुनिक संचार, रडार और मेडिकल इमेजिंग की धड़कन हैं। ये मशीनें एक डिजिटल ब्लूप्रिंट से सिग्नल बनाकर काम करती हैं, जो एक तरंग (वेव) के आकार का प्रतिनिधित्व करने वाली संख्याओं की एक विशाल सूची को संग्रहीत करती हैं, और फिर उन्हें तेजी से क्रमवार पढ़ती हैं। समस्या यह है कि सिग्नल को शुद्ध और अवांछित शोर (स्टैटिक) से मुक्त बनाने के लिए, संख्याओं की सूची अविश्वसनीय रूप से लंबी और विस्तृत होनी चाहिए। यदि सूची बहुत छोटी है, या यदि स्थान बचाने के लिए संख्याओं को बहुत अधिक राउंड ऑफ कर दिया गया है, तो परिणामी सिग्नल डिजिटल आर्टिफैक्ट्स से भर जाता है, जो बिल्कुल एक कम-रिज़ॉल्यूशन वाली तस्वीर की तरह है जो ब्लॉकनुमा और धुंधली दिखती है। दशकों तक, समाधान केवल मेमोरी चिप्स को बड़ा बनाना और नंबर-क्रंचिंग को अधिक शक्तिशाली बनाना था, लेकिन यह दृष्टिकोण महंगे हार्डवेयर की मांग करता है और काफी ऊर्जा की खपत करता है।

ऑस्ट्रिया के यूनिवर्सिटी ऑफ एप्लाइड साइंसेज अपर ऑस्ट्रिया के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समझौते (ट्रेड-ऑफ) को दरकिनार करने का एक तरीका खोज लिया है। मशीन को तरंग के हर विवरण को स्टोर करने के लिए मजबूर करने के बजाय, उन्होंने एक चतुर फ़िल्टरिंग सिस्टम पेश किया जो शोर को नया आकार देता है। सिग्नल को पानी की एक धारा की कल्पना करें; जब आप इसे एक संकी गई पाइप के माध्यम से जबरदस्ती गुजारते हैं, तो दबाव बनता है और छींटे उड़ते हैं। डिजिटल शब्दों में, यह "छींटे" ही वह शोर है जो सिग्नल की स्पष्टता को बिगाड़ देता है। शोधकर्ताओं ने एक ऐसा सिस्टम डिज़ाइन किया है जो इस शोर को लेता है और उसे रास्ते से हटा देता है, यानी इसे उन आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) पर धकेल देता है जहाँ यह मायने नहीं रखता, बजाय इसके कि इसे पूरी तरह से खत्म करने की कोशिश की जाए। इस तकनीक का उपयोग करके, वे डिवाइस की मेमोरी आवश्यकताओं को गुणवत्ता खोए बिना आठ से सोलह गुना तक कम करने में सक्षम रहे। इसका मतलब है कि जिस डिवाइस को पहले एक विशाल, महंगी मेमोरी चिप की आवश्यकता थी, वह अब बहुत छोटे, सस्ते चिप के साथ काम कर सकता है, जबकि फिर भी लगभग पूर्ण सिग्नल उत्पन्न कर सकता है।

उनके नवाचार का मूल इस बात में निहित है कि वे सिग्नल जनरेशन प्रक्रिया के दो मुख्य भागों को कैसे संभालते हैं: टाइमिंग और वॉल्यूम। एक मानक प्रणाली में, टाइमिंग एक काउंटर द्वारा निर्धारित होती है जो संख्याओं की सूची के माध्यम से आगे बढ़ता है, और वॉल्यूम यह निर्धारित करता है कि वे संख्याएँ एक एनालॉग वेव में कैसे परिवर्तित होती हैं। त्रुटियों से बचने के लिए दोनों चरणों में आमतौर पर उच्च सटीकता की आवश्यकता होती है। शोधकर्ताओं ने इन चरणों से पहले और बाद में विशेष फिल्टर लगाए। ये फिल्टर एक छलनी की तरह कार्य करते हैं जो त्रुटियों को होते ही पकड़ लेते हैं और उन्हें स्पेक्ट्रम के एक अलग हिस्से में धकेल देते हैं। क्योंकि फिल्टर "ब्रॉडबैंड" के रूप में डिज़ाइन किए गए हैं, वे आवृत्तियों की एक विस्तृत श्रृंखला में कुशलतापूर्वक काम करते हैं, उन पुराने तरीकों के विपरीत जो केवल तभी अच्छी तरह काम करते थे जब सिग्नल को बहुत उच्च गति पर सैंपल किया जाता था। यह दक्षता सिस्टम को सिग्नल का प्रतिनिधित्व करने के लिए डेटा के कम बिट्स का उपयोग करने की अनुमति देती है, जिससे वेव शेप को स्टोर करने के लिए आवश्यक लुकअप टेबल का आकार नाटकीय रूप से कम हो जाता है।

अपने विचार का परीक्षण करने के लिए, टीम ने एक भाषा का उपयोग करके अपने सिस्टम का एक वर्चुअल मॉडल बनाया जो इलेक्ट्रॉनिक सर्किट के व्यवहार का वर्णन करती है। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के सिग्नल को चुना जिसे 'लीनियर चर्प' कहा जाता है, जो एक ऐसी टोन है जो कम पिच से उच्च पिच की ओर सुचारू रूप से घूमती है, जैसे कि चमगादड़ की पुकार या रडार पल्स। उन्होंने सिमुलेशन चलाकर देखा कि जब उन्होंने डेटा की सटीकता को सोलह बिट्स से घटाकर आठ बिट्स कर दिया, तो सिग्नल कैसा दिखता है। बिना उनके नए फिल्टरों के, सिग्नल शोरयुक्त और विकृत हो गया, जिसमें लगभग बारह डेसिबल की गुणवत्ता में गिरावट आई। हालांकि, जब उन्होंने नॉइज़-शेपिंग फिल्टर चालू किए, तो गुणवत्ता उल्लेखनीय रूप से उच्च बनी रही। फिल्टरों ने डिजिटल शोर को श्रव्य सीमा (ऑडिबल रेंज) से सफलतापूर्वक बाहर धकेल दिया, जिससे मुख्य सिग्नल साफ रहा।

परिणाम आश्चर्यजनक थे। जब उन्होंने सिस्टम के टाइमिंग वाले हिस्से पर नॉइज़-शेपिंग तकनीक लागू की, तो अनफ़िल्टर्ड संस्करण की तुलना में सिग्नल की गुणवत्ता में लगभग बारह डेसिबल का सुधार हुआ। जब उन्होंने वॉल्यूम वाले हिस्से पर इसे लागू किया, तो सुधार और भी नाटकीय था, जो लगभग छब्बीस दशमलव पाँच डेसिबल तक पहुँच गया। सबसे कठिन परीक्षण में, जहाँ उन्होंने टाइमिंग और वॉल्यूम दोनों की सटीकता को एक साथ कम किया, सिस्टम ने फिर भी एक सिग्नल उत्पन्न किया जो मूल, उच्च-सटीक संस्करण जितना ही स्पष्ट था। शोधकर्ताओं ने यह उपलब्धि तब हासिल की जब उनके फिल्टर जटिल गुणा (मल्टीप्लिकेशन) ऑपरेशन्स का उपयोग नहीं करते हैं, जो धीमे और अधिक ऊर्जा खपत करने वाले होते हैं। इसके बजाय, फिल्टर एक विशिष्ट गणितीय प्रारूप का उपयोग करते हैं जो उन्हें न्यूनतम हार्डवेयर स्पेस के साथ उच्च गति पर चलने की अनुमति देता है।

यह कार्य इस पुराने नियम को तोड़ने का सुझाव देता है कि एक पूर्ण सिग्नल प्राप्त करने के लिए आपके पास विशाल मेमोरी होनी चाहिए। त्रुटियों के स्थान को बुद्धिमानी से प्रबंधित करके, इंजीनियर छोटे, तेज़ और अधिक ऊर्जा-कुशल सिंथेसाइज़र बना सकते हैं। टीम ने अपने डिज़ाइन को दूसरों के परीक्षण के लिए उपलब्ध कराया है और दिखाया है कि यह सिम्युलेटेड वातावरण में प्रभावी ढंग से काम करता है। हालांकि परिणाम वर्तमान में भौतिक चिप के बजाय कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं, डेटा इंगित करता है कि यह दृष्टिकोण संचार उपकरणों की एक नई पीढ़ी की ओर ले जा सकता है जो शक्तिशाली और कॉम्पैक्ट दोनों हों। शोधकर्ता भविष्य में अन्य मौजूदा डिज़ाइनों के साथ अपने तरीके की तुलना करने की योजना बना रहे हैं, लेकिन फिलहाल, उन्होंने स्पष्ट रूप से प्रदर्शित किया है कि बहुत कम संसाधनों के साथ उच्च-गुणवत्ता वाला सिग्नल जनरेशन सुलभ बनाया जा सकता है।