Opima Project - Finalità e portata

Finalità e portata

Stato dell'arte

In tempi recenti l’attuazione tramite convertitori a commutazione è diventata estremamente popolare grazie ad un aumento della considerazione attribuita a temi di efficienza energetica ed al vero e proprio boom degli apparati elettronici portatili, dove i costi e i pesi sono dominati dalle batterie, così che ridurre la dissipazione è una necessità. Nonostante ciò non si è tuttavia osservato un parallelo miglioramento delle modulazioni utilizzate. In molti casi le applicazioni correnti continuano a fare riferimento a schemi di modulazione come il PWM, al più cercando di correggerne i difetti intrinseci, generalmente con un uso esteso di tecniche basate sulla retroazione.

Questo approccio non riesce sempre ad avere pieno successo. Per esempio gli amplificatori audio a commutazione sono generalmente molto inferiori alle loro controparti analogiche e, ancora, i convertitori a commutazione tendono ad avere molti più problemi di quelli continui nel rispettare le normative di compatibilità elettromagnetica (EMC) e così via.

Come già osservato, l’approccio convenzionale per affrontare questi problemi è di tipo addittivo: al sistema vengono aggiunte componenti per far fronte alle non-idealità. Per esempio: l’aggiunta di meccanismi di feedback può essere utile a compensare rapporti segnale rumore (SNR) non soddisfacenti; l’aggiunta di filtri e schermi può essere funzionale a compensare livelli inadeguati di compatibilità elettromagnetica e così via. Fino ad ora non si sono evidenziati sforzi sostanziali nel cercare di dare soluzione a questi problemi intervenendo sulle modulazioni stesse. Conseguentemente oggi si assiste all’accoppiamento tra hardware molto moderni e schemi di rappresentazione dell’informazione nati molti anni fa, spesso dall’intuito e/o per far fronte ad esigenze applicative contingenti, piuttosto che da una profonda comprensione di tutte le implicazioni. Il risultato è paradossale: in alcuni casi estremi le modulazioni sono addirittura più efficaci sull’hardware antiquato che non su quello attuale. È il caso del PWM che opera decorosamente in implementazioni completamente analogiche, ma che può facilmente risultare in SNR insoddisfacenti in congiunzione con implementazioni digitali dove gli eventi di commutazione sono vincolati all’allineamento con un segnale di temporizzazione globale (clock).

Recentemente, tuttavia, si captano alcuni segnali di cambiamento, che sono per lo più legati all’estremo successo dei convertitori Sigma-Delta (ΣΔ) che ha richiamato l’attenzione sulle modulazioni PDM,di cui i codici ΣΔ rappresentano un caso sofisticato. I codici ΣΔ in realtà non sono ideali per l’attuazione, visto che tendono ad esibire ritmi di commutazione troppo elevati. Tuttavia, hanno riscosso un considerevole successo, in particolare nel campo audio. In tale ambito si osservano oggi i primi tentativi di utilizzare questo tipo di modulazione non solo per l’amplificazione finale, ma anche come uno strumento generale di gestione e memorizzazione dei contenuti informativi, come dimostrato dal formato Direct Stream Digital (DSD) e dal media Super Audio Compact Disc (SACD) recentemente standardizzato e basato su di esso. Si riportano inoltre recenti tentativi di abbassare il ritmo di commutazione dei flussi ΣΔ e di migliorare la qualità audio, in particolare nella forma di soluzioni brevettate, come il DDX ed il Tri-path. Inoltre si assiste alla ricerca di tecniche per migliorare l’EMC delle modulazioni più tradizionali, come il PWM. In nessuna soluzione attuale, tuttavia, esiste un approccio in grado di tenere in conto, simultaneamente, un intero mix di vincoli e fattori di merito.

Per concludere, si può dire che lo stato dell’arte nell’ambito delle modulazioni di impulso è stato caratterizzato da progressi molto lenti fino ai tempi più recenti e che oggi vi sono forti segni di un imminente rivitalizzazione dell’area di ricerca. Uno degli obiettivi dichiarati del presente programma di ricerca è proprio quello di anticipare tale onda di cambiamento.

Attese di avanzamento delle conoscenze

Come già menzionato, le modulazioni d’impulso e le tecniche di controllo di potenza per commutazione possono essere sfruttate in molte diverse aree applicative. In ciascuna di esse un approfondimento delle conoscenze disponibili sulle modulazioni ed un ampliamento delle delle opzioni messe al servizio dei progettisti può avere forti e positive ripercussioni. In questo progetto si sono identificate alcune aree rappresentative dove possono presumibilmente venire attesi i maggiori benefici:

Sintesi di forme d’onda armoniche o periodiche con elevata purezza spettrale. In questa applicazione si vogliono sintetizzare segnali di test e di eccitazione per una varietà di apparati. I risultati del progetto dovranno favorire lo sviluppo di tecniche di sintesi digitale dirette. Invece che fare riferimento alla riproduzione attraverso un convertitore di sequenze di campione pre-digitalizzati e memorizzate, l’idea è quella di sintetizzare per via algoritmica un codice a pochi livelli tale che il suo filtraggio analogico possa direttamente risultare nella forma d’onda desiderata. In questa applicazione le modulazioni impulsive devono essere ottimizzate prevalentemente per la purezza spettrale.
Sintesi di codici impulsivi per l’attuazione di potenza. In questa applicazione, si mira alla sintesi di codici specificatamente ottimizzati per pilotare i commutatori di convertitori elettronici di potenza. In questo caso, può esservi la necessità di trattare simultaneamente più canali (come nei circuiti pilota per macchine elettriche multifase). Inoltre, l’uso di forme d’onda impulsive con più di due livelli può essere un’opzione interessante. I risultati del progetto dovranno favorire so sviluppo di codificatori di nuova generazione capaci di migliorare la EMC e l’efficienza energetica dei convertitori elettronici di potenza.
Rappresentazione di segnali audio per compiti di memorizzazione ed amplificazione di potenza. In questa applicazione i requisiti fondamentali sono SNR e qualità audio percepita. Inoltre, l’ottimizzazione viene complicata dall’assenza di restrizioni sulla lunghezza delle forme d’onda da trattare, visto che i segnali in gioco sono completamente aperiodici. Tecniche basate sulla segmentazione del segnale e sul “windowing” potranno essere d’aiuto nel trattare questa problematica. In questa applicazione i risultati del progetto dovranno servire a sviluppare codificatori che possano venire direttamente inseriti in sistemi esistenti, migliorando l’esperienza acustica.

Oltre ai punti di natura fortemente applicativa evidenziati sopra, il progetto mira inoltre ad una:

Estensione della conoscenza teorica e fondamentale nell’area delle modulazioni d’impulso. In questo campo il gruppo proponente, che ha composizione fortemente interdisciplinare, dovrà fare leva sopratutto sulle proprie risorse nell’area matematica. Tra I risultati attesi vi è la comprensione di come relazionare il funzionamento dei modulari di impulso ai problemi classici dell’ottimizzazione combinatoria (per esempio esistono elementi che indicono a pensare che i modulatori ΣΔ possano venire relazionati a forme di soluzione euristica e sub-ottimale di problemi di ottimizzazione binaria quadratica). Inoltre andranno ricercate conoscenze fondamentali sulle dimensioni e la geometria degli spazi matematici in cui i codici impulsivi vengono generati, nonché sull’esistenza di bound teorici fondamentali nella codifica.

Programma scientifico, punti di verifica, risultati

l progetto aspira a combinare alcuni aspetti delle attività di ricerca già praticati individualmente dalle unità proponenti così da creare le opportunità per una cooperazione interdisciplinare destinata a durare nel tempo.

La fase di avvio del progetto dovrà conseguentemente comprendere uno sforzo di integrazione e si svilupperà secondo le seguenti linee:

► ricerca di base nell’area delle modulazioni d’impulso convenzionali e caratterizzazione delle loro prestazioni in applicazioni specifiche al fine di creare set di risultati di riferimento; ► sviluppo di piattaforme di simulazione su cui provare diversi schemi di modulazione, co-simulando codificatori, attuatori e impianti; ► analisi delle caratteristiche matematiche delle modulazioni d’impulso convenzionali; ► applicazione di metodi di ottimizzazione alla sintesi di forme d’onda periodiche attraverso modulazioni bipolari e tripolari in assenza di vincoli, con la caratterizzazione degli stessi attraverso l’uso di strumentazione reale; ► valutazione del funzionamento di codificatori ottimizzati per prestazione in termini di EMC su apparati di potenza reali; ► estensione di alcune modulazioni tradizionali al fine di acquisire gradi di libertà da utilizzare come oggetto di ottimizzazione e caratterizzazione dei risultati ottenibili; ► caratterizzazione mediante strumenti matematici e della teoria dell’informazione degli spazi su cui l’ottimizzazione viene praticata nei casi precedenti; ► estensione di tutte le tecniche sviluppate dal caso di segnali periodici al caso di segnali aperiodici, come quelli audio; ► sviluppo di codificatori software da impiegare come dimostratori delle tecniche sviluppate.

La fase di continuazione del programma di ricerca dovrà conseguentemente comprendere:

► estensione e formalizzazione dell’analisi delle caratteristiche matematiche degli spazi di ottimizzazione con particolare riferimento alla gestione di vincoli tratti di applicazioni reali; ► applicazione di metodi di ottimizzazione alla sintesi di forme d’onda periodiche attraverso codici bipolari e tripolari con vincoli tratti da applicazioni reali e conseguente caratterizzazione attraverso strumentazione reale; ► progetto di codificatori per l’attuazione di potenza espressamente ottimizzati per l’EMC; ► sviluppo di soluzioni hardware complete e di blocchi funzionali che possano direttamente rimpiazzare i modulatori attuali in applicazioni reali in possibile partnership con entità industriali.

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