ASIC Wireless HD Camcorder. Foto: Universität von WashingtonRückstreuung ist ein physikalisches Phänomen, bei dem Wellen, Partikel oder Signale in die entgegengesetzte Richtung, dh zur Quelle, reflektiert werden. Es wird traditionell in der Astronomie, Fotografie und Ultraschall verwendet. Es stellt sich jedoch heraus, dass dieses Phänomen für Elektronik, Sensoren und Funksender genutzt werden kann.
Das
Sensorsystemlabor der University of Washington
hat ein
HD-Videomodul entwickelt , das 720p- und 1080p-Videostreams mit einem Stromverbrauch von 321 bzw. 806 μW auf 60 FPS überträgt. Dies
ist 1.000 bis 1.000.000 Mal weniger als bei vorhandenen drahtlosen Kameras. Mit anderen Worten, dem Modul wird genügend Energie aus der Umgebung entzogen (WLAN, Licht, Vibration, Temperaturunterschied, Mikrowellenstrahlung usw.).
Dies wurde erreicht, indem „unnötige“ Elektronik aus dem Gerät entfernt wurde, einschließlich ADC und Video-Encoder. Das Signal vom Sensor wird in analoger Form über einen Pulsweitenmodulator mit Rückstreuung übertragen.
Stellen Sie sich vor, wir haben eine drahtlose Videokamera, zum Beispiel eine Überwachungsvideokamera, eine intelligente Brille oder ein anderes Gerät aus dem Internet der Dinge. Kurz gesagt, ein drahtloser Camcorder funktioniert wie folgt:
- Photonen kommen an den Fotodioden der lichtempfindlichen Matrix an, die Licht in elektrische Ladung umwandeln;
- Low Noise Amplifier (LNA) verstärkt das Signal;
- Das automatische Verstärkungsregelungsmodul (AGC) prüft, ob das resultierende Signal den vom Analog-Digital-Wandler (ADC oder ADC) verarbeiteten Bereich nicht überschreitet.
- Der ADC führt eine Diskretisierung durch und wandelt analoge Spannungsstöße in digitale Form um.
- ein Videocodierer komprimiert ein digitales Videosignal;
- Der Funksender sendet das digitale Videosignal an die Basis.
Der Löwenanteil des Energieverbrauchs in einem solchen Gerät entfällt nicht auf den lichtempfindlichen Sensor, sondern auf den Rest der Elektronik. Es wurde nachgewiesen, dass der 128 × 128-Sensor selbst
mit nur 1,2 Mikrowatt arbeiten kann .
Um den Stromverbrauch zu senken,
brachten Ingenieure aus dem Labor für Sensorsysteme
den ADC zusammen mit anderen elektronischen Komponenten außerhalb des Moduls .
Diagramm einer herkömmlichen Videokamera mit einem digitalen Signalgeber
Diagramm einer Videokamera mit einem analogen Signalgeber durch Rückstreuung, wobei sich der Rest der Elektronik außerhalb des Moduls befindetWie Sie sehen können, werden ein rauscharmer Verstärker (LNA), ein automatisches Regelungsmodul (AGC), ein Analog-Digital-Wandler (ADC) und ein Videocodierer vom mobilen Teil auf die Empfängerseite übertragen. Anstelle eines herkömmlichen Funksenders wird ein Pulsweitenmodulator (PWM) mit Rückstreuung verwendet.
RückstreuungsimpulsbreitenmodulatorschaltungInteressanterweise
komprimiert PWM auch
das analoge Signal in Referenzrahmen. Die Idee ist, dass sich die Werte benachbarter Pixel kaum voneinander unterscheiden. Daher wurde hier anstelle des üblichen zeilenweisen Scannens der Matrix ein Zick-Zack-Scan implementiert, bei dem gerade Linien von links nach rechts und ungerade Linien von rechts nach links gescannt werden. Experimente haben gezeigt, dass dies das Funkübertragungsband reduziert.
Die Tabelle zeigt die Bandbreite für die Videoübertragung mit einem Spitzensignal-Rausch-Verhältnis auf der Empfängerseite von mehr als 30 dB (durchschnittliche und schlechteste Ergebnisse werden gemäß den Ergebnissen von Hunderten von Experimenten für jedes Szenario gezeigt).
Die Übertragungsqualität,
dh die ENOB- Anzeige
(Effective Number of Bits) , hängt von der Entfernung zwischen dem Camcorder und dem Signalempfänger ab. Das Diagramm zeigt die Ergebnisse eines Laborexperiments in einer Entfernung von 1,22 bis 4,88 m. Beispielsweise wird auch ein Vergleich der Qualität des Rahmens bei verschiedenen Verlusten (ENOB von 3 bis 7 Bit) gegeben.
Im Labor für Sensorsysteme experimentieren sie seit langem mit Rückstreuung in verschiedenen Mikroschaltungen. Zuvor entwickelten sie die Open-Source-Plattform
WISP (Wireless Identification and Sensing Platform) . Dies sind EPC Class 1 Generation 2 RFID-Sensoren auf einer Open Source-Plattform mit einem programmierbaren 16-Bit-Controller, der mit verschiedenen Sensoren kompatibel ist. Es überträgt Daten über den UHF-RFID-Hochfrequenz-RFID-Scanner und empfängt Energie von diesem, dh es werden überhaupt keine Batterien benötigt. Im Gegensatz zu herkömmlichen RFIDs sind auf der WISP-Plattform RFID-Tags so programmiert, dass beliebige Computerprogramme ausgeführt werden.
WISP-PlattformMiniaturgeräte verbrauchen fast keine Energie und eignen sich daher ideal für Arbeiten in Überwachungssystemen, Videoüberwachungskameras, tragbaren Geräten usw. Im Allgemeinen kann die Verwendung von Rückstreuung in der Elektronik dazu führen, dass in Zukunft viele mobile Geräte Batterien entfernen. Weitere Informationen zu „passivem WLAN“ finden Sie in wissenschaftlichen Artikeln, die zuvor von Spezialisten der University of Washington veröffentlicht wurden:
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