Håkon A. Hjortland har i sin ferske doktorgrad videreutviklet teknologien bak 1-bit-systemene til å lage radarchiper. Disse chipene har flere nyttige bruksområder, som å detektere folk i rom.
– For eksempel når brannalarmen går på et hotell så kan den detektere om det er folk igjen på rommene. Den kan også måle pusting gjennom natta, og monitorere søvnmønsteret ditt, sier Hjortland som er ansatt hos Novelda - som er et grunderselskapet fra Insitutt for informatikk ved UiO.
Snødybde og inspeksjon av rør
Radaren har flere andre applikasjoner, som å måle snødybde, finne folk under sammenraste bygninger og snøskred, eller inspeksjon av rør. Den brukes også ved såkalt ice trucking i Russland, der de måler hvor tykk isen er.
Piloter i jagerfly kan ha den festet bak stolen og den kan monitorere hjerterytmen og pustingen, og sjekke at piloten ikke er for stressa. Det er ikke tvil om at 1-bit-systemene gjør nytten sin i disse små chipene.
– Den får tak i signaler som andre type sensorer ikke ser. Det er også billig elektronikk fordi vi bruker 1-bit-systemer. Det er smått og bruker ikke mye strøm.
Det dreier seg om en liten chip på 3x3 mm, som sender ut en radiopuls som blir det reflektert fra objekter, og kommer tilbake.
– Da må vi sample det veldig kjapt, for radarpulsene går med lysets hastighet og det er utfordrende å ha et så kjapt system, det er snakk om forskjeller på noen picosekund. De enkle 1-bit-systemene gjør det lettere å lage disse systemene, sier Hjortland som forteller om bakgrunnen for forskningen.
Kun to mulige verdier
– Et vanlig lydsignal er enten analogt, at det bare er en spenning på en ledning, eller det kan for eksempel være 16-bit-lyd, som på en CD-plate eller mp3. Da har du mange mulige nivåer som signalet kan være på, og så varierer det opp og ned.
Det Hjortland har studert i avhandlingen sin er 1-bit-signaler, der det kun er to mulige verdier. En teknikk som kalles Sigma Delta, brukes ofte til å konvertere mellom analogt og digitalt. Men det finnes enklere 1-bit-systemer som er mindre utforsket, og det er disse han har tatt en nærmere titt på.
– 1-bit er i bruk ved avanserte og komplekse systemer, som gir gode resultater. Enklere systemer, som gir noe dårligere resultater, har blitt mindre studert. En av disse kalles SSR, som står for Suprathreshold Stochastic Resonance. Fordelene med å lage den enkle, men dårligere versjonen, er at det er kjappere, mindre, billigere og bruker kanskje mindre strøm. I likhet med Sigma Delta, passer det bra for moderne typer mikrobrikker.
Brukes i GPS-mottakere
På disse bildene kan man se hvordan 1-bit-representasjon av analoge signaler fungerer. Vi har originalbildet, der vi har gråtoner med, som er et analogt signal.
Det er mange nivåer (eller gråtoner) mellom det som er svart og det som er hvitt. Så skal vi prøve å gjenskape det samme bildet med 1-bit, altså kun svarte eller hvite piksler.
– Det man gjør da er å terskle det. Det vil si at det som er over 50 prosent grått blir svart, det som er under 50 prosent grått blir hvitt. En enklere måte å forklare terskling på, er å si at man ser bare på fortegnet til signalet, om det er positivt eller negativt. Men da ser vi at mye av informasjonen i bildet forsvinner. Det man kan gjøre da er å legge til støy. Da vil summen av signalet og støyen bli såpass høy at det krysser terskelen i noen tilfeller, selv om det ikke hadde gjort det uten støy. Dette kalles stokastisk resonans, eller nyttig støy. Noen ganger ønsker du altså ikke minst mulig støy på signalet, men et optimalt nivå med støy.
Disse systemene kan brukes blant annet i GPS-mottagere, i følge Hjortland.
– Der har du veldig støyete signal, og da taper du lite informasjon ved å gå til 1-bit, rett og slett fordi signalet allerede er så dårlig.
Trekker linjer mellom natur og teknologi
Hjortland forteller at samme type metode også brukes ved fremkalling av god, gammeldags fotografisk film.
– Når filmen, som består av mange små sølvsaltkrystaller, fremkalles, blir hvert krystall enten helt svart eller ikke svart i det hele tatt. Et fotografi består altså av mange små svarte og hvite “piksler”, som på avstand danner et gråtone-bilde. Det er interessant å se at selv enkle kjemiske reaksjoner kan utgjøre et 1-bit-system.
Man kan trekke flere linjer mellom naturen og teknologien. Hjortland mener at disse mekanismene kanskje finnes evolusjonen også, når vi snakker om “survival of the fittest”.
– Skillet mellom liv og død, ligner litt på skillet mellom svart og hvitt, én og null.
– Evolusjonsmekanismen ønsker jo å vite hvor godt tilpasset hver organisme er. Man tenker kanskje at når en kun har info om noe lever eller ikke lever, så er det lite, det er bare 1 bit med informasjon. Men igjen, som med GPS-mottakeren, så er det et støyete signal, det er mange tilfeldigheter som spiller inn.”
Man taper altså ikke så mye informasjon ved å gjøre en slik terskling eller todeling, man har likevel tilgang til mye informasjon ved å bare se på hvilke dyr som lever eller dør.
Hjortland forklarer sammenligningen på denne måten:
– Tenk deg at du har en gruppe med én million organismer som har en type gen, la oss si gen A. En annen gruppe med en million organismer har gen B. Dersom 510.000 i den første gruppen overlever, mens 490.000 i den andre gruppen overlever, så vet man at gen A er litt bedre. Da ligger den informasjonen der, selv om du bare har data om hvem som lever og dør.
– Så kan du stokke om på de to millioner organismene og se på helt andre gener, og igjen se hvor mange i den ene og den andre gruppen som overlever. Det var jo litt morsomt å legge merke til at man har den samme 1-bits-mekanismen i evolusjonen. Du kan ofte se 1-bit-signalbehandlingen i bunnen av naturen, det er kanskje noe fundamentalt over den.
Snublet over morsom oppdagelse
Hjortland gjorde også en annen spennende oppdagelse da han skrev avhandlingen sin.
– Jeg oppdaget et spesielt tilfelle med svært lite tap, nemlig når flicker noise, eller pink noise, opptrer.
Flicker noise er en kjent type støy som opptrer i elektronisk i enkelte tilfeller på lave frekvenser. Det kan blant annet brukes for å teste lydsystemer.
– Det jeg oppdaget var at hvis du har et lavfrekvent signal, og elektronikken din gjør at du får flicker noise, så er det praktisk talt ingen forringing av signalet når du gjør tersklingen. Det er jo veldig interessant, og noe vi bare snublet over. Selv om du kun ser på fortegnet, er det er ikke noe tap av informasjon.
– Hva kan man bruke funnet til?
– Kanskje for å lage noen enkle systemer, så trenger du ikke noen avansert analog til digital konverter. Du trenger kun se på fortegnet, så har du digitalisert signalet. Det er en veldig billig måte å gjøre det på.
Du trenger en høy samplingsrate og du bruker litt energi på å gjøre den hyppige avlesingen, men kretsen din blir veldig liten og enkel å lage. Hvis du har en sensor med saktevarierende signaler, da har du at signalet ligger på det lavfrekvente området. Det er også slik at du ofte får flicker noise fra elektronikken din. Dermed kan det fort være at du har det tilfellet med signal og støy som er slik at du kan utnytte denne effekten, påpeker Hjortland.
