Giriş Giriş Giriş

Sensör ağları modern veri satın alma sistemlerinin arka kemiği oluşturur, işleme ve iletim için gerçek zamanlı izleme sağlar, endüstriyel ve biyomedikal alanlar.Her sensör düğümün kalbinde, analog sayısal dönüştürücü (ADC), birçok sensör ağı için önemli performansları azaltan bir yaklaşım olarak ortaya çıkar.

Düşük güç, kompakt ve maliyet-malzeme düğümleri alternatif ADC tekniklerine ilgi gösterdi. Başarıyla ilgili olarak yapılan ve flash dönüşüm için talep, özellikle yüksek örnekleme oranları gereksiz olduğunda, bu sorunları yalnızca mutlak ampliyomların dışındaki örnekleri arasındaki değişimi ele alır.Bu, üretilen ve basitleştirilmiş veri miktarını azaltır ve devreleri basitleştirir ve batarya destekli ve uzaktan sensör düğümleri için idealdir.

Delta Modulation

Temel Prensipler Temel Prensipler Temel Prensipler

Delta modulation, bir bütünlemede depolanan bir ayırıcı modülasyon tekniğidir, analog giriş tek bir sayısal yayına doğru bir sinyal verir.Her örnekin mutlak değerini ölçmek yerine, modülcü, gelen sinyali bir '0' ile karşılaştırır ve analog giriş, her bir önceki mesajın bir önceki noktaya kıyasla biraz dahaki sefere tekrarlayıcı adımların nasıl tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrar tekrarlanması anlamına gelir.

Delta modulation'ın basitliği, 1bit ölçümleyici ve tek bir bütünleştirme işleminden kaynaklanıyor. Karmaşık örnek-ve-hold devreleri veya birden fazla komplikeliye ihtiyaç duyuluyor.Bu doğrudan transistörlere, daha düşük silikon alanına ve güç dağılımına dönüştürür. sensör ağları için, bu tasarruflar önemli ölçüde bir hale gelir.

Adım Boyutu ve Sampling Rate

Bir delta modülatörün performansı iki kritik parametre tarafından yönetilir: adım büyüklüğü (345) ve örnekleme frekansı (fs) Modül cihazının maksimum değişimin hızını belirleyebilir.Eğer analog sinyal değişiklikleri {{ · fs, modülel aşırı yükleme olarak bilinen bir koşula girerse, girişle devam edemez ve büyük yeniden yapılandırma hatalarına yol açar.

Sensör ağ uygulamaları, sıcaklık, nem veya baskı gibi birçok fiziksel ölçümler yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş performans ve orta örnekleme oranları kullanmak, hem de çok geniş bir kalibrasyon teknikleri gerektiren bir dizi sensör türünde iyi tutmak.

Bitstream Generation

Bir delta modülatörünün çıkışı, sürekli bir dizi bit, her bir birim adım atarak veya aşağı yukarı doğru bir şekilde işlenebilir.Bu biraz daha sonra analiz için kullanılabilir ve ağ üzerinden gönderilir. Yerel sinyal rekontasyonu için, alıcı tarafında bir bütünleme, bir analog gerilime geri dönüş yapar. sensör düğümlerinde, yeniden inşa edilen sinyal, daha sonra analiz için çok sayıda algılama için kullanılabilir.Çünkü biraz daha basit bir sinyal kaynağı olur.

Geleneksel ADC Architectures ile Karşılaştırma

Flash ADC

Flash ADC, tek bir saat döngüsündeki girdiyi ölçmek için bir hesap bankası kullanıyor, son derece yüksek dönüşüm hızları sunuyor. ancak, komparlar çözümü ile üst düzey bir şekilde büyür - 10bit flash ADC 1000'den fazla hesaplama ve büyük çip alanına yol açıyor, flaş dönüştürücüler enerji kısıtlayıcıları için uygun olmayan sensör düğümleri sunuyor. Delta modulation, aksine, tek bir hesaplama cihazı kullanır ve yüksek etkili bir çözüm aşırı gürültüyü aşırı şekillendirmek için yüksek çözünürlükte kullanın.

Başarılı Approximation Register (SAR) ADC

SAR ADCs, her dönüşüm döngüsü sırasında hala önemli dinamik güç tüketmektedir ve DAC lineerliği gerektirir. Delta modulation, kesin bir DAC ve basit bir bütünleme mantığını kullanır, her iki bileşen ve aktif güç azaltır.

Sigma-Delta ADC

Sigma-delta ( ⁇ ) modulation, yüksek çözünürlükte ses çıkarmak için geri bildirim ve gürültü şekillendirmek için bir formdur.Lam modulation, basit bir delta değiştiricileri için özel bir durumdur (bir tek bir optimizasyon ve gürültü şekillendirme), gerçek sigma-delta dönüştürücüler, sinyal modülünün dışına ses çıkarmak için bir döngü filtre içerir, 16 bit veya daha fazla sağlar. Sigma-delta dönüştürücüler basit bir şekilde daha karmaşıktır.

Sensör Ağları için Avantajları

Düşük Güç Tüketimi

Enerji verimliliği, sensör ağlarında delta modulation kullanmak için birincil sürücüdür. 1-bit ölçümleyici ve basit bir analog ön uç mikrowatt güç tüketiyor, çok fazla sayıda flaş veya boru hattı ADC'den daha az.Ayrıca, ADC sürekli çalışır ve sadece bir tane için işlem yapar, mikro güç işleme ile bu miktarı azaltır, bu rakamı yarı veya daha fazla uzatabilir, su tasarrufu sağlar.

Basit Devre

Bir delta modülatörün donanım uygulaması, yalnızca bir hesaplamacı gerektirir, büyük ölçekli sensör dağıtımları için kritik bir şekilde yapılır ve birkaç dijital kapı içerir. Bu basitlik, ADC'yi doğrudan özel analog süreçleri gerektirmeden bir sensör çipine entegre etmek mümkün kılar.ADC işlevselliğini, büyük ölçekli sensör dağıtımları için kritik hale getirir.

Azaltılmış Veri Oranı

Geleneksel ADC'lerde, her örnek çok fazla kelimeye dönüştürülür, örneğin, 10bit ADC örneklemesi veya yüksek hızlı bir seri bağlantı oluşturur. Delta modulation, 10 kS /s, örnek olarak 10 kbps üretir, ancak aynı zamanda, daha etkili bir şekilde, daha hızlı sinyal iletileri kullanarak, daha yüksek çözünürlükte 10 kbps veri hattını dağıtır.

Scalability

Çünkü delta modulation doğal olarak basittir, düğümlerin sayısı ile iyi ölçeklenir. Her sensör düğümü, paylaşılan bir referans veya kesin saat senkronizasyonu gerektirmeden bağımsız bir delta modülatörüne sahip olabilir.Rekampiyonel çıktısı doğrudan dönüşüm doğruluktan (tarafsız geçiş hacmine veya kablosuz vericiye ayarlandığında) bir değişim kaydı veya kablosuz vericiye kadar beslenir.

Sınırlamalar ve Mitigation Teknikleri

Slope Overload

Delta modulation'ın en önemli sınırlaması, eğim aşırı yüklemesi için algılanabilir. analog giriş, örnekleme frekansından daha hızlı değiştiğinde, modülörün izleyemez, büyük bir hatayla devam eder, sinyal seviyesi değişiklikleri yönüne kadar devam eder.Bu sorun özellikle de sensör sinyalleri için bir şekilde problemlidir, örneğin hız algılama sırasındaki çıktılar, eğimi azaltır, tasarımcılar örnekleme oranını artırabilirler veya adım boyutunu artırabilir.

Granular Gürültü

Granular gürültü, ya da boş kanal gürültüsü, giriş sinyali sabit veya yavaş farklı olduğunda gerçekleşir. Modülsel gürültünün çıkışı, sabit bir sesin etrafındaki tümlemelerin değiştirilmesi veya daha küçük bir adım boyutunun kullanılması gibi hızlanması, eğimli bir gürültünün azaltılması gibi, ancak yüksek çözünürlükte gecikme oranının azaltılması riskini artırabilir.

Adaptif Delta Modulation

Adaptif delta modulation (ADM) otomatik olarak son sürüme dayanan adım boyutunu ayarlar; Adım değişkeni, modülel algoritmayı veya sürekli değişken eğimli delta modulation (CVSD) ses kodlaması için kullanılır. ADM'de, üç veya daha fazla ardışık bitleri aynıysa, adım büyüklüğü arttı; eğer biraz daha fazla mantıksal bir şekilde, adım boyutu azalırsa, modülelatöre sabit sinyalleri için hızlı bir şekilde hızlı bir şekilde takip eder. Modern ADM uygulamaları sağlayabiliyor.

Sürekli olarak Değişken Slope Delta Modulation (CVSD)

CVSD, dijital ses iletişiminde yaygın olarak kullanılan belirli bir tür uyarlanabilir delta modulation.Sessiz bir konuşma için, CVSD, giriş sinyalinin eğimi tarafından kontrol edilir. CVSD modülatörler, düşük güç, düşük güçte olduğu gibi CVSD'de popüler bir seçim yaptı.

Sensör Ağlarında Pratik Uygulamalar

Çevresel İzleme

Ormanlarda, okyanuslarda veya kentsel ortamlarda kullanılan kablosuz sensör ağları genellikle yavaş yavaş değişen parametreleri ölçmektedir - sıcaklık, nem, barometrik baskı ve çevre ışığı. Delta modulation bu uygulamalar için mükemmel bir uyum çünkü gerekli örnekleme oranları düşük (birkaç örnek) ve sinyallerin sınırlı bant değiştirmesi, düşük güç tüketimi ile bir akışla çözümün 10-12 etkili bir şekilde çalışmasını sağlayabilir.

Endüstriyel IoT

Endüstriyel ortamlarda, sensörler titreşimi, sıcaklıkları ve makineye tahmin edilebilir bakım için baskı uygularlar. Titreşim sinyalleri daha yüksek frekans bileşenleri içerebilir, birçok tanı özelliği düşük frekanslı membranlar ile yalan söyler. Delta modulation with adaptive step büyüklüğü bu özellikleri etkili bir şekilde yakalayabilir. ek olarak, 1-bit akışın doğal gürültü bağışıklığı elektriksel olarak gürültülü fabrika ortamlarında sağlam yapar. Industrial nodes genellikle bir delta modülel doğrudan bir sensörle bir sensörle bir araya getirir.

Biomedical Sensörler

Uygun sağlık monitörleri, 100 Hz. Delta modulation'ın altındaki ultra-düşük güç ADC'lerin şarj edilmesi için yeterli çözünürlükte, 10μW. Adaptif bir deltaulation, hızlı bazil değiştirmelere neden olan eserlere rağmen sinyal bağımlılığını sürdürmesine yardımcı olur.

Kablosuz Sensör Nodes

Kablosuz transceivers ile delta modulation entegrasyonu basittir. IEEE 802.15.4 (Zigbee) veya Bluetooth Low Energy gibi birçok radyo protokolü, seri bitleri kabul eder.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Delta modulation, sensör ağlarında analog-enerjiye dayalı dönüşüm için artırılmış ve enerji verimliliğine sahip bir çözüm sunar. Basit donanım, düşük güç tüketimi ve veri oranı, sensör sinyallerinin yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaştır ve granular gürültü, düşük maliyetli bir şekilde, düşük maliyetli bir şekilde, bulama ile, bulama yöntemleri, bulama ile birlikte, telekomünikasyon alanında kritik bir şekilde genişletilebilir bir şekilde bir şekilde çalışır.

Bir sonraki sensör ağı için delta modulation'ı dikkate alan tasarımcılar, sinyal özelliklerini dikkatle değerlendirmelidir: yarı hız, bant genişliği ve gerekli dinamik aralıklar.Birçok sensör türü için, iyi niyetli delta modülatörü, bu klasik modülasyon tekniğinin bir kısmını ve gücünü karşılayabilir.

Daha fazla okuma için, delta modulation temelleri, Wikipedia makalesi) tarafından tartışılmaktadır.In-derinlemesine bir incelemede bulunabilir.Anahtarlama şemalarının analizinde bulunabilir.[Dönem:2).Bu mühendislik referansı).