استخدام تعديل دلتا لتبسيط تحويل مدوّن إلى رقمي في شبكات الاستشعار

مقدمة

وتشكل شبكات الاستشعار العمود الفقري لنظم اقتناء البيانات الحديثة، مما يتيح الرصد في الوقت الحقيقي عبر المجالات البيئية والصناعية والطبية الحيوية، وتكمن في صميم كل جهاز استشعار في أن تكون هذه النظم محولاً للمثليات الفوقية إلى نظامية، مما يترجم الكميات المادية المستمرة إلى قيم رقمية مجزأة للتجهيز والانتقال، ونظراً لأن ميزات شبكات الاستشعار ترتفع إلى آلاف القطع، فإن الهياكل الأساسية للقوى العاملة في مجال الطاقة تواجه تحديات كبيرة في استهلاك الطاقة.

إن الطلب على أجهزة الاستشعار المنخفضة القدرة والارتباط والفاعلة من حيث التكلفة قد دفع الاهتمام بتقنيات بديلة للتصنيف الصناعي، فالطرق التقليدية مثل التقريب المتعاقب أو التحويل الفوري تتطلب عناصر دقيقة، وكثيرا ما تستهلك قدرا كبيرا من الطاقة، ولا سيما عندما تكون معدلات أخذ العينات عالية غير ضرورية، ولا تعالج طريقة الدلتا هذه القضايا إلا بالتغير بين العينات المتتالية وليس الكمائن المطلق، مما يقلل من كمية البيانات المولدة والمثل الأعلى.

Understanding Delta Modulation

المبادئ الأساسية

ويستخدم أسلوب تعديل الدلتا الأصلي في أسلوب تغيير النبضات الذي يرمز إلى إشارة متماثلة في مسار رقمي واحد، بدلا من تحديد القيمة المطلقة لكل عينة، يقارن الموصل الإشارة الواردة بنسخة مستنسخة مخزنة في جهاز تكامل، وإذا كانت مدخلات المعالج تتجاوز حجم المدمج الثابت، فإن نواتج " الموصل " أقل.

ويعود بساطة عملية تعديل الدلتا إلى استخدامها لرب واحد من طرازات واحد وجهاز تكامل واحد، ولا توجد حاجة إلى دوائر معقدة من العينات والربط بين العينات والمجمعات المتعددة، وهذا يترجم مباشرة إلى عدد أقل من المترجمين، ومنطقة من السيليكون، وانخفاض تفكك الطاقة، أما بالنسبة لشبكات الاستشعار التي يمكن أن تنشر فيها آلاف الندوات، فتؤدي هذه الوفورات إلى تراكم عدد واحد على مسار واحد.

معدل حجم و أخذ العينات

ويحكم أداء مرشد دلتا بارامترين حاسمين هما: حجم الدرجة )الدرجة( وتواتر أخذ العينات )الدرجة( ويحدد حجم الدرجة القصوى للتغيير التي يمكن للمحرك أن يتتبعها، وإذا ما تغيرت الإشارة الناظرية أسرع من الإشارة الدينامية، فإن الموصل يدخل حالة معروفة بحجم المنحدر الزائد، حيث لا يمكنه أن يحافظ على ضوضاء الناتج، مما يؤدي إلى حدوث أخطاء نسبية كبيرة في مجال التعمير.

وفي تطبيقات شبكة الاستشعار، فإن العديد من القياسات المادية مثل درجة الحرارة أو الرطوبة أو تغير الضغط تباطؤ مع مرور الزمن، مما يسمح للمصممين باستخدام أحجام صغيرة من الدرجات ومعدلات أخذ عينات متوسطة، مع إبقاء الضوضاء الكمية واستهلاك الطاقة منخفضة، كما أن تقنيات تعديل الدلتا التناسبية يمكن أن تزيد من صقلها عن طريق تعديل حجمها بصورة دينامية استنادا إلى نمط المجرى المضئيل الأخير، مما يؤدي تلقائيا إلى تفاوتات الواسعة.

جيل البتيستر

إن إنتاج محرك دلتا هو سلسلة مستمرة من القطع، كل منها يمثل وحدة تصعد أو تهبط، ويمكن معالجة هذا المجرى المضيء بطرق عدة، أما بالنسبة للبث الرقمي، فإن القطع تُجرى مباشرة وتُرسل عبر الشبكة، أما بالنسبة لإعادة بناء الإشارات المحلية، فإن جهازاً متكاملاً في الجانب المستقبلي يحول مساره إلى خطأ ملغى، وفي العتبة المُعاد تشكيلها.

مقارنة مع الهياكل الأساسية التقليدية

Flash ADC

وتستخدم البلدان الجزرية الصغيرة النامية مصرفا من المتجانسات لتحديد حجم المدخلات في دورة واحدة من ساعات العمل، مما يتيح سرعة تحويل عالية للغاية، غير أن عدد المتجانسات ينمو بصورة سريعة مع القرار - وهو ما يتطلب أكثر من 000 1 متجانس، مما يؤدي إلى استهلاك هائل من الطاقة ومساحة كبيرة من الرقائق، مما يجعل المحولات الخفيفة غير مناسبة بالنسبة لأجهزة قياس التردد ذات الترددات العالية التي تستخدم في استخدام الطاقة.

سجل التقريب المتعاقب

وتتمتع البلدان النامية الجزرية الصغيرة بشعبية تطبيقات الاستبانة المتوسطة نظراً لتوازنها في السرعة والسلطة، وهي تحتاج إلى محول رقمي إلى محول، وإلى مركب مقارن، وإلى منطق تقريبي متتالي، وفي حين أن البلدان الجزرية الصغيرة النامية لا تزال قادرة على استهلاك قوة دينامية كبيرة خلال كل دورة من دورات التحويل، وتتوقف دقتها على خطية الوصل، وتقضي طريقة دلتا على الحاجة إلى عنصر محدد من عناصر السحب والأخذ بمستوى بسيط.

Sigma-Delta ADC

أما أسلوب الضبط والتصنيف في النسق العالي، فهو أسلوب يغلب عليه الطابع المكثف للتطورات، ويستخدم التلقيم المرتجل والضوضاء في التوصل إلى حل مرتفع، وفي حين أن الصيغ المخففة هي حالة خاصة من الدلتا - سيغما (مع متجانس واحد ولا يوجد فيه مرشحات متشابهة)، فإن المحولات الجامدة الحقيقية تحتوي على مرشحات للثبات الكمية من أصل الإشارات().

مزايا شبكات الاستشعار

استهلاك الطاقة المنخفضة

وكفاءــة الطاقة هي المحرك الرئيسي لاستخدام أسلوب التناوب في شبكات أجهزة الاستشعار، إذ أن المفاعل ١ - حائط وجهاز العرض البسيط يستهلكان ميغاوات من الطاقة، وأقل بكثير من الوميض المتعدد الأطياف أو أجهزة التنقيب عن الأنابيب، وفي شكل نموذجي لاسلكي، يمكن أن يشكل هذا النوع من الطاقة سوى ٣٠ في المائة من إجمالي ميزانية الطاقة.

الدائرة البسيطة

ولا يتطلب تنفيذ أجهزة معالج مُعدات دلتا سوى مُقارنة، ومُتكامل (يمكن أن يكون دائرة بسيطة من RC)، وبعض البوابات الرقمية، وهذا التبسيط يجعل من الممكن إدماج شركة ADC مباشرة في رقاقة استشعار دون الحاجة إلى عمليات أشعة متخصصة، كما أن انخفاض عنصر الفرز يؤدي إلى تحسين الموثوقية وانخفاض تكاليف التصنيع، مما يجعل من الضروري أن يُنشر جهاز الاستشعار على نطاق واسع يضيف الكثير من العناصر الحديثة المصغرة.

معدل البيانات المخفض

وفي البلدان الجزرية الصغيرة النامية التقليدية، تحول كل عينة إلى كلمة متعددة الأطارات، تتطلب عدة خطوط بيانات موازية أو وصلة متسلسلة عالية السرعة، وتولد مجموعة من أجهزة التحليل ذات المدار الواحد بنفس معدل ساعة العينات، وتضغط البيانات بشكل فعال بعدد القطع التي يستخدمها المحول التقليدي، مثلاً، مجموعة من أجهزة تحديد النقاط المرجعية التي تبلغ 10 كيلو مترات/أبوطاً تنتج بيانات متفاوتة

Scalability

ونظراً لأن تعديل الدلتا بسيط بطبيعته، فإنه يتسع نطاقه إلى حد كبير مع عدد العقدات، ويمكن أن يكون لكل جهاز استشعار معالج مستقل للدلتا دون اشتراط وجود مرجع مشترك أو التزامن الدقيق للساعة، ويمكن أن يُدرَج الناتج المضلل مباشرة إلى سجل للتحول أو جهاز إرسال لاسلكي دون عائق، مما ييسر تصميم صفائف استشعارية ضخمة مع آلاف من اللمودات، حيث تصبح البنى الجاهزة التقليدية للتطورات.

Limitations and Mitigation Techniques

تحميل زائد على المنحدر

أما أهم قيود على طريقة التناوب في التلألؤ فهي احتمالية الإفراط في تحميل المتخلفات، وعندما تتغير المدخلات المشابهة بسرعة أكبر من حجم الحد الأدنى الذي يسجله تواتر أخذ العينات، لا يمكن للمنظم أن يتابع أثره، مما يؤدي إلى خطأ كبير يدوم إلى أن يتغير مستوى الإشارة، وهذه المسألة تثير إشارات مؤثرة بدرجة كبيرة من حيث حجمها المفاجئ، مثل زيادة حجم المصابيح عند زيادة حجم التأثير.

الرقم القياسي

ويحدث الضوضاء الجمردية، أو الضوضاء الخفيفة، عندما تكون الإشارة إلى المدخلات ثابتة أو متفاوتة ببطء، ويقلل إنتاج الموصل بين 1 و0 كحد أقصى من المتجانسات البديلة حول القيمة الحقيقية، وينتج موجة من الدرجات مع خطأ من حيث الطول إلى الصفر يعادل حجم الخطوة، ويمكن أن يؤدي هذا الضجيج الكمي إلى تخفيض نسبة الضوضاء من الاشارات إلى أخرى.

تعديل دلتا

ويمكن أن يُعدل تعديلاً إيجابياً في المقياس على أساس نمط الإنتاج الأخير، وتشمل الخوارزميات المشتركة مقياس سونغ - كانغ أو المقياس الصوتي المتغير باستمرار الذي يُستخدم في الترميز الصوتي، وفي إطار نظام تحديد الرؤوس الرقمية، إذا كانت ثلاث أو أكثر متتالية، فإن حجم الخطوة تزداد؛ وإذا ما انخفضت بسرعة حجم الطلب على المكالمات الصوتية.

مواصلة إجراء تعديل مائي لحجم الدلتا

وقاعدة البيانات الرقمية هي نوع محدد من الصيغ التكييفية المستخدمة على نطاق واسع في الاتصالات الصوتية الرقمية، وهي تستخدم نهجاً مقارناً ساعياً حيث يتحكم في حجم الخطوة من مظروف الإشارة إلى المدخلات، حيث تكون أجهزة البرمجيات ذات القدرة العالية الصنع بسيطة لتصميم وتشغيلها بمعدلات منخفضة تبلغ 16 كيلو متراً بينما تقدم خطابات ذات جودة عالية.

التطبيقات العملية في شبكات الاستشعار

الرصد البيئي

وكثيرا ما تقيس شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية المنتشرة في الغابات أو المحيطات أو البيئات الحضرية بارامترات تتغير ببطء - درجة الحرارة، والرطوبة، والضغط اللامعي، والضوء المحيطي.() وتعد رطوبة الدلتا مناسبة ممتازة لهذه التطبيقات لأن معدلات استبدال البطاريات منخفضة (عينات قليلة في الثانية)، كما أن الإشارات لها نطاق محدود.() ويمكن أن تحقق محطة حديدية بسيطة من الطاقة الكهربائية()

الصناعة

وفي الأوساط الصناعية، يرصد جهاز الاستشعار الاهتزاز ودرجة الحرارة والضغط على الآلات لأغراض الصيانة التنبؤية، وفي حين يمكن أن تحتوي إشارات الاهتزاز على مكونات ذات ترددات أعلى، فإن العديد من السمات التشخيصية تكمن مباشرة في الظرف المنخفض التردد، ويمكن أن يستوعب المقياس المزود بمقياس للدرجة التكييفية هذه الملامح بصورة فعالة، وبالإضافة إلى ذلك، فإن الحصانة الكامنة في تدفق الضوضاء من مجرى التحلل 1 يجعلها قوية في بيئات المسببة للتصنيع الكهربائي.

أجهزة الاستشعار الطبية الحيوية

وتحتاج أجهزة الرصد الصحي المرهقة إلى أجهزة متقدمة جداً لتطويع فترة البطاريات بين الرسوم، كما أن إشارات الكهرباء والكهرباء الفوقية ذات المقياس المغناطيسي المنخفض، التي تستخدمها أجهزة السمع ذات الصبغة المنخفضة، وأجهزة السمع المضغوطة التي تستخدمها، يمكن أن تضفي رقمنة على هذه الإشارات مع حلول كافية لأغراض التشخيص بينما تستهلك أقل من 10 ميكروتا.

جهاز الاستشعار اللاسلكي

كما أن إدماج أسلوب التناوب مع أجهزة إرسال لاسلكية هو أمر مباشر، إذ أن العديد من البروتوكولات الإذاعية، مثل IEEE 802.15.4 (Zigbee) أو " Bluetooth Low Energy " ، لا يمكن أن تتقبل المنافذ التسلسلية، كما أن الموصلات المتحركة للدلالة يمكن أن يربط مباشرة بمدخلات النطاق الأساسي للمرسل، مما يزيل الحاجة إلى سلسلة مستقلة من أجهزة التصفر الرقمية.

خاتمة

فعملية تعديل الدلتا توفر حلا مبسطا وفعالا للطاقة من أجل تحويل متماثل إلى نظامي في شبكات الاستشعار، حيث أن معداتها البسيطة، واستهلاك الطاقة المنخفضة، وانخفاض معدل البيانات، يجعلها خيارا مثاليا للتطبيقات التي تتفاوت فيها إشارات الاستشعار ببطء، وتزداد ميزانيات الطاقة الكهربائية، وفي حين أن حجم المنحدرات الزائدة والضوضاء الجمردي تشكل تحديات، فإن هذه الوسائل تعالج بفعالية من خلال تقنيات التكيف مثل CVSD وADM.

وينبغي للمصممين الذين ينظرون في تعديل الدلتا لشبكة الاستشعار القادمة أن يقيّموا بدقة خصائص الإشارة: معدل السحب، ومعدل الضمادات، والمدى الدينامي المطلوب، وبالنسبة لأنواع عديدة من أجهزة الاستشعار، يمكن لمحرك دلتا مصمم جيدا أن يفي بأهداف الأداء بجزء من تكلفة وقوّة البلدان الجزرية الصغيرة النامية التقليدية، ويقترن ببروتوكولات حديثة لاسلكية وتقنيات جمع الطاقة، يمكن أن يعمل نظام الحيازة الدلتا

For further reading on delta modulation fundamentals, the Wikipedia article] provides a comprehensive overview. An in-depth analysis of adaptive schemes can be found in ] This engineering reference]. Practical design guidelines for implementing delta modulators in sensor nodessext in [6]