ASIC беспроводной HD-видеокамеры. Фото: Вашингтонский университет
Обратное рассеяние (backscattering) — физическое явление, при котором происходит отражение волн, частиц или сигналов в обратном направлении, то есть в сторону источника. Оно традиционно используется в астрономии, фотографии и УЗИ. Но оказывается, что это явление можно использовать для электроники, сенсоров и радиопередатчиков.
В лаборатории сенсорных систем Вашингтонского университета разработали HD-видеомодуль, который передаёт видеопоток 720p и 1080p на 60 FPS с энергопотреблением 321 и 806 мкВт, соответственно. Это в 1000−10000 раз меньше, чем у существующих беспроводных камер. Другими словами, модулю вполне хватит энергии, извлекаемой из окружающей среды (WiFi, свет, вибрация, разница температур, излучение СВЧ и проч.).
Этого удалось добиться за счёт устранения из устройства «лишней» электроники, в том числе АЦП и видеокодера. Сигнал с сенсора передаётся в аналоговом виде через широтно-импульсный модулятор с обратным рассеянием.
Представьте, что у нас беспроводная видеокамера, например, видеокамера наблюдения, «умные» очки или другой гаджет из интернета вещей. Если вкратце, то беспроводная видеокамера работает следующим образом:
- фотоны поступают на фотодиоды светочувствительной матрицы, которые преобразуют свет в электрический заряд;
- малошумящий усилитель (LNA) усиливает сигнал;
- модуль автоматического регулирования усиления (AGC) проверяет, что получившийся сигнал не выходит за пределы диапазона, обрабатываемого аналогово-цифровым преобразователем (АЦП или ADC);
- АЦП выполняет дискретизацию и преобразует аналоговые скачки напряжения в цифровую форму;
- видеокодер сжимает цифровой видеосигнал;
- радиопередатчик транслирует цифровой видеосигнал на базу.
Львиная доля энергопотребления в таком гаджете приходится не на фоточувствительный сенсор, а на остальную электронику. Доказано, что сам сенсор 128×128 может работать всего на 1,2 микроваттах.
Так вот, инженеры из лаборатории сенсорных систем ради снижения энергопотребления вынесли АЦП вместе с другими электронными компонентами за пределы модуля.
Схема обычной видеокамеры с передатчиком цифрового сигнала
Схема видеокамеры с передатчиком аналогового сигнала через обратное рассеяние, где остальная электроника вынесена за пределы модуля
Как видим, из мобильной части на сторону приёмника перенесены малошумящий усилитель (LNA), модуль автоматического регулирования (AGC), аналогово-цифровой преобразователь (ADC) и видеокодер. Вместо обычного радиопередатчика используется широтно-импульсный модулятор (PWM) с обратным рассеянием.
Схема широтно-импульсного модулятора с обратным рассеянием
Интересно, что PWM выполняет также компрессию аналогового сигнала в опорных кадрах. Идея в том, что значения соседних пикселей мало отличаются друг от друга. Поэтому вместо обычного построчного сканирования матрицы здесь реализовали зигзагообразное сканирование, когда чётные строчки сканируются слева направо, а нечётные — справа налево. Эксперименты показали, что это позволяет снизить полосу радиопередачи.
В таблице указана ширина полосы для передачи видео с отношением пикового сигнала к шуму на стороне приёмника более 30 dB (указаны средний и худший результаты по результатам сотни экспериментов для каждого сценария).
Качество передачи, то есть показатель Effective Number of Bits (ENOB), зависит от расстояния между видеокамерой и приёмником сигнала. На диаграмме показаны результаты лабораторного эксперимента на расстоянии от 4 до 16 футов (от 1,22 до 4,88 м). Для примера приводится также сравнение качества кадра при разных потерях (ENOB от 3 до 7 бит).
В лаборатории сенсорных систем давно экспериментируют, применяя обратное рассеяние в различных микросхемах. Ранее они разработали open source платформу WISP (Wireless Identification and Sensing Platform). Это RFID-сенсоры EPC Class 1 Generation 2 на платформе open source с программируемым 16-битным контроллером, который совместим с различными датчиками. Он передаёт данные через высокочастотный сканер радиометок UHF RFID и получаёт энергию от него же, то есть вообще не нуждается в батарейках. В отличие от обычных RFID, на платформе WISP радиометки программируются на выполнение произвольных компьютерных программ.
Платформа WISP
Миниатюрные устройства почти не потребляют энергию, поэтому идеально подходят для работы в системах мониторинга, камерах видеонаблюдения, носимых гаджетах и т. д. Вообще, использование обратного рассеяния в электронике может привести к тому, что в будущем многие мобильные устройства избавятся от батареек. Подробнее о «пассивном WiFi» можно почитать в научных статьях, ранее опубликованных специалистами Вашингтонского университета:
- Wi-Fi Backscatter: Internet Connectivity for RF-Powered Devices
- Passive Wi-Fi: Bringing Low Power to Wi-Fi Transmissions
Безопасность Интернета вещей начинается с PKI
GlobalSign сотрудничает с разработчиками, партнерами, производителями устройств и отраслевыми сообществами, что позволяет быстро развертывать системы идентификации и защиты в экосистемах Интернета вещей с минимальными капитальными вложениями и временем выхода на рынок.
Свяжитесь с нами по электронному адресу info-ru@globalsign.com, чтобы узнать, как мы можем быть вам полезны.
