Op mod 20 procent af strømforbruget i mobiltelefoner, fjernsyn og anden elektronik vil kunne spares væk ved brug af sparse sampling.

Det er idéen bag et nyt forskningsprojekt med deltagelse af blandt andre Aalborg Universitet og den nye spin off-virksomhed Innovative RF, som blev dannet, da Texas Instruments lukkede i Aalborg.

»Vi kom til at snakke om, at energiforbruget i konvertere er meget højt og tænkte, at det måske kunne reduceres ved en anden måde at sample på,« fortæller professor på Institut for elektroniske systemer Torben Larsen.

Sparse sampling går ud på at håndtere signalerne ved dataoverførsel mere intelligent i sampleren, så der ikke bruges unødig strøm, når der ikke overføres data.

Faktor 2-teorien skudt ned
I dag siger teorien, at samplingfrekvensen skal være mindst to gange så høj som båndbredden for at undgå signalforvrængning ved analog-til-digital-konvertering. Det er denne samplingfrekvens, som forskerne gerne vil sænke for at minimere aktiviteten i konverteren.

»Man behøver ikke sample med faktor to, hvis man ved noget om signalerne og ved, hvornår de ændrer sig. Er ændringerne meget små eller konstante, er det ikke nødvendigt at sample så tit,« siger Torben Larsen.

Sparse sampling er en meget ny teknologi med kun få år på bagen, heraf ingen i Danmark. Hidtil har en gruppe amerikanske forskere på teoretisk plan bevist den i billedbehandlingsprogrammer, hvor det i et simuleret miljø er lykkedes at lette billedfiler ved at gå ind i billedet og kun fokusere på de reelle informationer i billedet og ikke på billedet som helhed.

Dette inspirerede Torben Larsen og hans kollega professor Søren Holdt Jensen til at tænke metoden ind i elektronik, som bliver mere og mere presset på strømforbrug i takt med den stærkt stigende dataoverførsel, som ikke alene 3G, men i høj grad LTE vil bringe med sig. Derfor vil den videre forskning også i højere grad blive baseret på LTE-signaler, hvor der er en høj båndbredde at arbejde med.

Halvdelen af konverter-arbejdet fjernes
De 20 procent i strømbesparelse vurderer Torben Larsen som værende et konservativt skøn baseret på en teoretisk mulighed for at spare omkring halvdelen af strømforbruget i konverteren og signalbehandleren, der skal arbejde knap så hårdt, og i nogle tilfælde ligger omkring 40 procent af en mobiltelefons strømforbrug i konverteren, så det er her, der virkelig er noget at hente.

Første skridt blev at lave simuleringer i programmet Matlab, hvor forskerne udtog sjældnere samples for at se, om kvaliteten blev opretholdt alligevel. De brugte mobilstandarden Edge som udgangspunktet, men meningen er, at metoden skal være standarduafhængig.

Det viste sig, at der ikke kun var fordele at hente i at bruge en lavere samplingfrekvens. Et passende valg af samplingsfrekvens kan også flytte forstyrrende signaler væk fra de ønskede på grund af den måde samplingen flytter frekvensspektret.

»Signal-støjforholdet blev forbedret med 20-30 dB, hvilket svarer til en faktor 1000. Om de to teknikker kan kombineres, er noget af det, vi skal arbejde videre med,« lyder det fra Torben Larsen.

»Det er ikke muligt at plukke få samples uden at få fejl, men standarden tillader også mindre fejl. Ingen elektronik er ideel, og der er plads til fejl mellem to tal. Det er heller ikke noget, der betyder noget, og vi kan kun se dem opstå, fordi vi sammenligner med det ideelle signal skabt på papiret,« siger han.

Udfordring med støj
Efter at have bevist, at det er muligt at opretholde datakvaliteten uden at sende konstant, fik forskerne blod på tanden og fandt partnere og forskningsmidler. En stærk computer med 16 GPU’er er blevet indkøbt til beregningerne og testfaciliteterne sat op.

Næste skridt bliver at arbejde med signaler, som er forstyrret af støj og forvrænget for at se på et lidt sværere, men også mere realistisk scenarium. N

Nok vil det koste flere fejl måske at måtte sample sjældnere, men idéen er at se, hvor grænsen ligger, og så skal der arbejdes med matematikken, fordi alle gængse teorier på området ikke er fyldestgørende, når man bruger sparse-metoden.

Desuden skal der udvikles helt nye chips med integrerede kredsløb, som ikke er hyldevarer, når sampleraten skal kunne styres. Herefter skal der bygges en sampler og en digital signalbehandler.

»Det er ikke bare lige til at gøre, men vi har nogle idéer, som vi vil prøve af,« siger Torben Larsen uden at ville komme nærmere ind på den konkrete metode.

»Det sværeste bliver at finde ud af, hvordan vi håndterer fysiske signaler, der er påvirket af støj og interferens. Vi skal også have lavet elektronikken, så den ikke bliver for kompliceret. Det bliver en udfordring,« understreger han.

Projektet ventes at løbe over tre år og har netop fået bevilget 5,5 millioner kroner fra det strategiske forskningsråd. Partnerne har selv skudt 6 millioner kroner i projektet.