מבוא

רשתות חיישן מהוות את עמוד השדרה של מערכות רכישת נתונים מודרניות, המאפשרות ניטור בזמן אמת על פני תחומים סביבתיים, תעשייתיים וביוטכנולוגיה.בלב של כל חיישן node הוא הממיר האנלוגי-לדיגיטלי (ADC), המתורגמים כמויות פיזיות מתמשך לתוך ערכים דיגיטליים דיסקרטיים לעיבוד ומשלוח. כמו רשתות סטנדרטיות לאלפים של נבטים, ארכיטקטורות מסורתיות ניצבות בפני אתגרים משמעותיים בצריכת חשמל, מעגל, וגמישות יעילה, כמו גם לדגמי מתכת יעילה, כמו גם ליעילות מוכחת של נתונים מופשטת, כמו גם לפשוטים, כמו גם לכדי יכולת מדידה יעילה של חומרים נסייר.

הביקוש לשפל כוח, קומפקטי, ועלויות חיישן יעיל צומת הוביל עניין בטכניקות ADC חלופיות.שיטות אמנה כגון מחיאות כפיים מוצלח או המרת הבזק דורש רכיבים מדויקים ולעתים קרובות לצרוך כוח משמעותי, במיוחד כאשר שיעורי הדגימה גבוהה הם מיותרים. דלתא מתייחס לבעיות אלה על ידי אופטימיזציה אלחוטית רק את השינוי בין דגימות רצופים ולא את האמפורה המוחלטת.

הבנה של Delta Modulation

עקרונות יסוד

צורת הדופק היא טכניקת Modulation דו-קוד שונה המקודמת את אות אנלוגי לזרם דיגיטלי חד-ביט בלבד.במקום לכמת הערך המוחלט של כל דגימה, המנטרול משווה את האות הנכנס עם גרסה משוחזרת המאוחסן בתבנית אינגרה מקורית.אם קלט אנלוגי עולה על הפלט ההטגרה, המנוצרים לוגיקה "1" ובתוך הגרף הזה הוא מייצר צעדי תיבות של שינוי מוקדם יותר (0) נמוך יותר של צעדי תיבות של צעדי תיבות של צעדי תיבות של צעד זה.

הפשטות של Modulation delta נובעת משימושו של אחד-bit קוונטי ו- integrator יחיד.אין מעגלי מדגם-ו-החזקה או מקבץ משותף מרובים נדרשים.זה מתורגם ישירות לפחות טרנזיסטורים, אזור סיליקון נמוך יותר, וצמצום פערי כוח.עבור רשתות חיישן שבו אלפי צמתים עשויים להיות פרוסים, לצבור באופן משמעותי, למעט זה יכול להיות מועבר באופן ישיר מספר ערוצים או לפשט את הממשק תקשורת.

גודל שלב וקצב הנפיחות

הביצועים של מודולר דלה נשלט על ידי שני פרמטרים קריטיים: גודל שלב ( ⁇ ) ותדירות דגימה (fs) גודל הצעד קובע את השיעור המקסימלי של שינוי המנטר יכול לעקוב.אם האות האנלוגי משתנה מהר יותר מאשר ⁇ ⁇ ⁇ ; phulator נכנס למצב המכונה מדרדרונות יתר, שבו הוא לא יכול לעמוד עם קלט, המוביל לשיקום שגיאות גדולות.

באפליקציות רשת חיישן, מדידות פיזיות רבות כגון טמפרטורה, לחות, או לחץ להשתנות לאט לאורך זמן.זה מאפשר למעצבים להשתמש בגדלים קטנים ושיעורי דגימה בינוניים, שמירה הן הרעש הקוונטי וצריכת החשמל נמוכה.טכניקות הסתגלות דלה יכולות עוד לחדד את זה על ידי התאמה דינמית בגודל הצעד מבוסס על דפוס bitstream האחרון, באופן אוטומטי מתמזגת עבור אותות.

הדור Bitstream

הפלט של מודולטור דלה הוא רצף מתמשך של ביטים, כל אחד המייצג יחידה צעד למעלה או למטה. זה bitstream יכול להיות מעובד במספר דרכים. עבור שידור דיגיטלי, ביטים הם משוודרים ישירות ונשלחים על הרשת. עבור שחזור אותות מקומיים, a integrator בצד המקלט יכול להמיר את bitstream בחזרה לתוך מתח אנלוגי.

השוואה עם אדריכלות ADC המסורתית

פלאש ADC

פלאש ADCs להשתמש בנק של מחוקקים כדי לכמת את הקלט במחזור שעון יחיד, המציע מהירויות המרה גבוהות מאוד.עם זאת, מספר ההשוואה גדל באופן אקספוננציאלי עם ההחלטה - 10bit פלאש ADC דורש מעל 1000 מפרשים.זה מוביל צריכת חשמל מסיבית ואזור שבב גדול, מה שהופך את הבזקים בלתי מתאימים לחקיפים מאומנים באנרגיה.

נספח (SAR) ADC

SAR ADCs פופולריים עבור יישומים לטווח בינוני עקב מאזן המהירות והעוצמה שלהם.הם דורשים ממיר דיגיטלי-ל-אנטלוג (DAC), מתאם, וטכנולוגיית התוספת הנאות מוצלחת, בעוד יעיל, SAR ADCs עדיין לצרוך כוח דינמי משמעותי במהלך כל מחזור המרה, ואת הדיוק שלהם תלוי בדגימות DAC. Delta מבטל את הצורך עבור מתאם יעיל ומדן יעיל, כלומר, כלומר, יעיל יותר כוח סגסוגת יעיל, יש צורך יעיל יותר מאשר כוח קומפקטית כוח יעיל יותר מאשר כוח קומפקטית באופן איטי יותר מאשר כוח סגסוגת כוח .

Sigma-Delta ADC

Sigma-delta ( ⁇ ) Modulation הוא צורה של oversampling ADC המשתמש משוב ורעש עיצוב כדי להשיג החלטה גבוהה. בעוד דלה מודולציה היא מקרה מיוחד של דלה-sigma (עם אחד integrator ולא רעש עיצוב מסנן), sigma-delta אמיתי נשאר מסנן כדי לדחוף רעש מתוך האות, המאפשרת 16 סיגמה מספיק גבוה יותר מאשר פילטרים).

יתרונות עבור חיישנים רשתות

צריכת חשמל נמוכה

יעילות אנרגיה היא הנהג העיקרי לשימוש במודולציה דלה ברשתות חיישן.החזית הקוונטית 1 סיביות וחזית אנלוגית פשוטה לצרוך מיקרווואט של כוח, הרבה פחות מפלאש רב סיביות או צינורות ADCs. ב חיישן אלחוטי טיפוסי, ADC יכול לקחת עד 30% של תקציב הכוח הכולל.

פשוט מעגל

יישום החומרה של מודולר דלה דורש רק קומפוטור, a integrator (אשר יכול להיות מעגל RC פשוט), וכמה שערים דיגיטליים.פשטות זו מאפשרת לשלב את ADC ישירות על שבב חיישן מבלי לדרוש תהליכים אנלוגיים מיוחדים.הרכיב מופחת גם משפר את האמינות ועלויות ייצור נמוכות יותר, קריטי עבור חיישנים בקנה מידה גדול.

הורדת Data Rate

ב- ADCs המסורתית, כל מדגם מומר במילה רב-ביט, הדורש מספר קווי נתונים מקבילים או קישור סדרתי מהיר. Delta Modulation מייצר זרם חד-ביט באותו קצב כמו שעון דגימה, ביעילות דחוס את הנתונים על ידי מספר סיביות של המרתף האלחוטית יותר לשימוש.לדוגמה, 10bit ADC מדגימה ב 1KS/ss מייצרת ביעילות 10 סיביות זה יותר ל- kps יעיל יותר, אבל לא ניתן יותר לדחיסה של רשת.

סקלאה

מכיוון שמודולציה דלה היא פשוטה מטבעה, היא בקנה מידה טוב עם מספר הצמתים.כל חיישן node יכול להיות בעל מודולל דלתא עצמאי מבלי לדרוש התייחסות משותפת או סינכרון שעון מדויק. פלט bitstream ניתן להאכיל ישירות לתוך מצגת משמרת או שידור אלחוטי ללא מטבוליט.זה מאפשר עיצוב של חיישנים מסיביים עם אלפי צללים, שבו אדריכלות מסורתית ADC יהיה להיות אסרטיבית על ידי דיוק או קנה מידה של אנרגיה.

מגבלות וטכניקות מייגציה

סלייפ Overload

המגבלה המשמעותית ביותר של Modulation delta היא הרגישות שלה לעומס יתר על המידה.כאשר קלט אנלוגי משתנה מהר יותר מאשר את גודל השלבים של תדירות הדגימה, המנטרול אינו יכול לעקוב, וכתוצאה מכך טעות גדולה שנמשכת עד שרמת האות משתנה כיוון.סוג זה בעייתי במיוחד עבור אותות חיישן עם טרנספורמטים פתאומיים, כגון מאיץ של תאוצה במהלך זיהוי, כדי להגביר את קצב התגובה, או להגביר את קצב הדגימה יותר.

ניו יורק Noise

רעש גרנורי, או רעש ערוץי, מתרחש כאשר אות קלט הוא קבוע או לאט משתנה.הפלט של המנטר מתפתל בין 1 ל-0 כמו ה- integrator לסירוגין סביב הערך האמיתי, ומייצר גלאז מדרגות עם שגיאה גבוהה עד לפסאק שווה לגודל של רעש, אך רעש קוונטי זה יכול למזער את יחס אות הדרגה (NRS) לרקמות נמוכות יותר, אך ורק לטמפרטורה נמוכה יותר.

שינוי דלתא

התאמה של אלגוריתם Dta (ADM) באופן אוטומטי להתאים את גודל הצעד מבוסס על תבנית הפלט האחרונה. אלגוריתמים נפוצים כוללים את אלגוריתם סונג-Kang או את המדרונות המשתנה ברציפות דלה מודולציה (CVSD) המשמש בקידוד קול.ב ADM, אם שלושה או יותר ביטים רצופים הם אותו הדבר, גודל הצעד הוא גדל; אם הוא משתנה, הגודל של שלב זה מאפשר את המודול המהיר כדי לעקוב אחר אותות אודיו מהירים יותר עבור תריסר רזולוציה גבוהה יותר מאשר רקמות יותר מאשר ביצועים מדויקים יותר מאשר רזולוציה דיגיטלית.

החלפת סלופה דלתא משתנה (CVSD)

CVSD הוא סוג מסוים של הסתגלות מודציה דלה בשימוש נרחב בתקשורת הקולית הדיגיטלית.זה משתמש בגישה סינבית companding שבו גודל הצעד נשלט על ידי המדרונות של המעטפת אות קלט. CVSD הם פשוטים לתכנון ולפעול בקצב נמוך כמו 16 kbps תוך מתן דיבור באיכות גבוהה. עבור רשתות חיישן, CVSD יכול להיות מותאם ללכוד לא-קולנוע עם אותות דינמיים חזקים כגון מערכות חשמל הוכחוגניות.

יישומים מעשיים ב-חיישנים

פיקוח סביבתי

רשתות חיישן אלחוטיות פרוסות ביערות, באוקיינוסים או בסביבות עירוניות לעתים קרובות למדוד פרמטרים כי שינוי לאט - טמפרטורה, לחות, לחץ ברומטרי, ואור מתפתל. דלתא הוא התאמה מצוינת עבור יישומים אלה כי שיעורי הדגימה הנדרשים הם נמוך (כמה דגימות לשנייה), ואת האותות יש רק רוחב פס קל של קופטטור יכול להשיג 10-12 סיביות יעילות של פתרון עם צריכת מיקרו-וואט, לא יכול להפעיל תאים קלים של סוללות כוח סוליטיס (למשל, ללא רוחב פס פתוח) עם תאים קלים מופעלים).

כלכלה תעשייתית

בהגדרות תעשייתיות, חיישנים לפקח על רטט, טמפרטורה ולחץ על מכונות עבור תחזוקה חיזוי. בעוד אותות רטט יכול להכיל רכיבים תדר גבוה יותר, תכונות אבחון רבות שוכבות במעטפה נמוכה ⁇ . דלתא מודולציה עם גודל שלב הסתגלות יכול ללכוד את התכונות האלה ביעילות.בנוסף, חסינות הרעש הטבוע של זרם 1 סיביות עושה את זה חזק בסביבות מפעל רועש מבחינה חשמלית.

חיישנים ביו-רפואיים

צגים בריאים ללבוש דורשים אולטרה-עוצמה ADCs להאריך את חיי הסוללה בין האשמות. Electrocardiogram (ECG) ו- אלקטרונספאולוגרם (EEG) אותות יש amplitudes בטווח המילימטר ותכנים תדירות מתחת 100 הרץ. Delta Modulation יכול לגרות אותות אלה עם פתרון מספיק למטרות אבחון תוך צריכת פחות מ 10 מיקרו-W הסתגלות מסייע קידוד תחזוקה נמוכה של טכניקות להורדת משקל, למרות אותות אלה.

חיישן Wireless Nodes

השילוב של Modulation דלה עם Transceivers אלחוטי הוא פשוט.פרוטוקולים רדיו רבים, כגון IEEE 802.15.4 (Zigbee) או Bluetooth Low Energy, לקבל bitstreams סדרתיים. A delta Modulator יכול להתחבר ישירות לקוד הבסיס של משדר, ביטול הצורך עבור ADC נפרד ורשת סינון דיגיטלי.זה מקטין את שטח לוח התכנון ומורכבות.

מסקנה

Modulation דלתא מציע פתרון מלוטש ויעיל לאנרגיה להמרות אנלוגית-לדיגיטלית ברשתות החיישן.חומרה פשוטה, צריכת חשמל נמוכה וקצב נתונים מופחתת להפוך אותה לבחירה אידיאלית עבור יישומים שבהם אותות החיישן משתנים לאט ותקציבי כוח הם הדוקים. בעוד שפירוד יתר לחץ על המידה ורעש גרניט גרפיטי, אלה מטופלים ביעילות באמצעות טכניקות הסתגלות כגון CVSD ו- ADM, אשר כבר בשימוש נרחב של אבטחה נמוכה, כמו גם לחץ על פני לחץ על פני לחץ על פני פעילות גופנית, כמו לחץ על פני השטח של לחץ נמוך, כמו לחץ על פני לחץ נמוך, כמו גם לחץ על פני השטח.

מעצבים בהתחשב במודולציה של רשת החיישן הבאה שלהם צריך להעריך את המאפיינים של האות בזהירות: שיעור סלואו, רוחב פס, וטווח דינמי נדרש. עבור סוגים רבים של חיישן, מודולר דלה מותאם היטב יכול לעמוד במטרות ביצועים בשבריר של העלות וכוח של ADCs מסורתיים. בשילוב עם פרוטוקולים אלחוטיים מודרניים וטכניקות קציר אנרגיה, מודולציה דלת מאפשרת באמת חיישן אוטונומי שיכול לפעול במשך שנים ללא התערבות אנושית יעילה.

לקריאה נוספת על יסודות המודולציה של דלה, ניתן למצוא ב-FLT:0.10 המאמר ויקיפדיה: ההרחבה של ויקיפדיה מאמר FLT:1 מספקת סקירה מקיפה.אנליזה מעמיקה של תוכניות הסתגלות ניתן למצוא ב-FLT:2 (הנדסה 3FLT) הוראות עיצוב מעשי ליישום מודולים דלה בחיישן נדונים בסימן 4LTTexas Instruments של STrealyF5:675F5LT5: