אופטימיזציה של IIR Filters עבור הקטנת מורכבות Computational במכשירים לבישים

מכשירים לבישים כגון שעונים חכמים, מעקבי כושר, ותיקונים ניטור רפואי מסתמכים על רכישת נתונים רציפה ועיבוד בזמן אמת.על הסרת פריטים תנועה מאלקטרוקרדיגרם (ECG) אותות לניקוי נתונים של מד תאוצה לספירת השלבים, סינון דיגיטלי ממלא תפקיד מרכזי.בין הסוגים הרבים של סינון זמן, תגובה בלתי מוגבלת (I) הם עבודה מפרישת יישומים אלה על מנת לקבל תשובות חדות של תכונות חישוביות, עם תכונות חישוביות פשוטות יותר, עם תכונות פשוטות של חומר זה.

הבנת מסנן IIR בלבוש

מסננים IIR הם מסננים דיגיטליים המוגדרים על ידי פונקציה העברה הכוללת גם את משככי המזינים קדימה משוב coefficients. מתמטית, מסנן IIR יכול להיות מיוצג כמו:

[n]=0x [n] + b1x [n-1] + + bMx [n-M] - A1-y[n-1] - ANY [n-N]

מכיוון שהפלט תלוי בפלטים קודמים (הנקה), מסננים IIR יכולים להשיג תגובה בתדר מסוים עם הזמנה נמוכה יותר מאשר מסנן אימפולס אימפולס שווה ערך של Finite (FIR) עבור מכשירים לבישים, זה אומר פחות מכפיל-מטען (MAC) פעולות לדגימה, זיכרון מופחת לאחסון יעיל, ועומס נמוך יותר.

למרות היעילות שלהם, IIR מסנן אתגרים נוכחיים בתחבושות: הם יכולים להיות לא יציבים בגלל קוונטיזציה יעילה, לסבול מנקודות מחזור מוגבל, ודורשים דרוג קפדני כדי למנוע זרימה יתר בקידוד קבוע. יתר על כן, חישובים חוזרים למנוע מקבילה קלה, מה שהופך כל מדגם a תלויות סדרתית.

אסטרטגיות מפתח להורדת IIR Computational Complexity

1. ניכוי ניכוי

הדרך הישירה ביותר להוריד את העלות החישובית היא להפחית את סדר המסנן.פחות חסכוניים של פחות מ- MAC לדגימה. עם זאת, פשוט להוריד את ההזמנה מבלי לשקול את הביצועים של הסימון לעתים קרובות מחיתולים.

  • (FLT:0) אופטימיזציה של אפס אפס: FLT:1 על ידי מיקום בקפידה קטבים ואפסים ב- z-plane, מעצבים יכולים לעמוד בפס ועצירים עם מסנן הזמנה נמוך יותר מאשר עיצוב Butterworth סטנדרטי או Chebyshev. לדוגמה, באמצעות מסנן אלפטי עם קרוע קטן המאפשר לעצור לעתים קרובות מניב את ההזמנה הנמוכה ביותר עבור מעבר נתון.
  • (FLT:0) מ"מ-ז' משתנה:FLT:1 כאשר המרת אבטיפוס אנלוגי, השינוי הדו-לינארי הוא סטנדרטי, אבל שינוי ה- z התואם יכול לפעמים לשמר את תגובת התדירות עם סדר דיגיטלי נמוך יותר אם מסנן אנלוגי הוא פשוט.
  • (FLT:0) הפחתה של סדר סדר: החל עם עיצוב הזמנה גבוהה, ולאחר מכן ליישם טכניקות הפחתה מודל כמו דחיפות מאוזנת או נספח אנרכטיבי לייצר מסנן יציב, מופחת הזמנה IIR כי תואם באופן הדוק את התגובה התדירות המקורית.זה שימושי במיוחד כאשר המסנן המקורי נגזר מהנתונים.

בפועל, מסנן IIR מסדר שלישי יכול לעתים קרובות להחליף עיצוב סדר חמישי עם אובדן ביצועים רשלני עבור משימות סינון ביושי כגון EMG או ECG בסיס נדחה.

2. Coefficient Quantization and Word-Length Reduction

מיקרובקרים בעליל בדרך כלל פועלים עם 16 סיביות או 24bit קבוע נקודה.שימוש בנקודת זמן כפולה מלאה בצפיפות כפולה הוא גם כוח-הungry מיותר.הפחתת אורך המילה ה-32 סיביות לנקודה צפה, למשל, 16 סיביות קבוע חיתוך השימוש בזיכרון על ידי חצי ומהירויות של פעולות סיבולת (במיוחד אם המעבד יש ייעודי ב-Rultigerteracter-cumaculate).

  • (FLT:0) בחר את תוכנית הקוונטים הנכונה: FIRLT:1 השתמש ב- Q-format (למשל, Q15 עבור 16 סיביות חתום שברירית) כדי לייצג את האפקטיביות.סיבוב לערך הקרוב ביותר עשוי לגרום לחוסר יציבות; בהתחשב רגישות הקוטב מסייע להקצות יותר סיביות ל- coefficients רגישים.
  • (FLT:0) אופטימיזציה של קוונטיזציה באמצעות שיטות סטטיסטיות: אנדרל 1 החל סימולציה של אלגוריתמים אנמנלינג או אלגוריתמים גנטיים כדי למצוא קבוצה של אפקטיביות קוונטית שעדיין עומדים במפרט המסנן.זה יכול לאפשר הפחתה של 2-4 ביטים בהשוואה לסבב תמים נאיביים.
  • (FLT:0) סמכויות של שני מזהמים: ⁇ FLT 1:1 אם coefficients ניתן להשוות על ידי סכומי של שתי המעצמות, ריבוי ניתן להחליף כמה שינויים מוסיף, באופן דרסטי להפחית מורכבות חישובית.זה יעיל במיוחד עבור מסננים IIR קבועים בשימוש ניטור אודיו או לב.

לדוגמה, מסנן IIR Notch הזמנה שנייה עם coefficients הקוונטים לסמכויות-of-Two יכול להתבצע באמצעות רק ארבעה פעולות משמרות ושלוש תוספות לדגימה - מושלם עבור הליבה של כוח נמוך ARM Cortex-M0.

Cascade vs. Direct Form Structures

המבנה שבו מסנן IIR מיושם מאוד משפיע על עומס חישובי, יציבות, רגישות לכמת.הצורות הנפוצות ביותר הן טופס ישיר I ו-II, ואת הגרסאות ה transposed שלהם. עבור עיצובים מסדר גבוה, קזק של סעיפים מסדר שני (SOS) הוא בדרך כלל מועדף:

  • (FLT:0 Secondorderסעיפים (biquads): ibph1 מיישמים מסנן IIR מסדר שני.מבנה ה- cascade מקטין את הרגישות האפקטיביות, מה שהופך את זה קל יותר לשמור על יציבות עם אורך מילים קצר. Computation למאזני מדגם עם סדר 6 דורש שלושה מ"מ, כל אחד מ- MAC, כולל 15 מעלות צלזיוס לדגימות.
  • (FLT:0)Parallel Form: FLT:1, נניח את הפונקציה ההעברה לסכום של סעיפים ראשונים ושניים בהזמנה, זה יכול לפעמים להפחית את המספר הכולל של MACs אם המסנן המקורי חזר על הקוטבים.
  • מבנה ה-FLT:0 (Lattice/ladder Structure:FreaLT:1) בעוד שמבנה חישובי יותר באופן כללי, מבנים של ליטיצ'ה מציעים תכונות יציבות מצוינות והם פחות רגישים לכמת.הם יכולים להיות אטרקטיביים כאשר ההזמנה נמוכה (למשל, מסננים מתאימים).

עבור לבישים, יישום ה-Cscade דו-קולי הוא לעתים קרובות האיזון האופטימלי של עלות חישובית, יציבות ושימוש זיכרון. יצרנים כמו Analog מכשירים ו- STMicroelectronics לספק יישום התייחסות אופטימיזציה עבור כוח נמוך שלהם MCUs.

4. תדירות-Domain Implementation Using FFT

כאשר המשימה המסנן כוללת אותות ארוכים או ערוצים מרובים, מסנן זמן ניתן להחליף על ידי שיטת חפיפה או חפיפה-save באמצעות Fast Fourier Transform (FFT) בעוד זה נראה נוגד (IIR הוא כבר יעיל בתחום הזמן), עבור מסננים מסדר גבוה מאוד IIR (order 50) או בעת עיבוד ערוצי בו-זמנית, FFT-based convolution יכול להיות יעיל יותר.

  • (FLT:0Partitioned convolution:FLT:1 for Real-time Applications, התגובה האימפולסית של מסנן IIR (שאין סופי) חייבת להימחק.יש גישה מעשית היא להשוואה עם מסנן IIR ארוך (אם התגובה האימפולס מתקלקל במהירות) ולאחר מכן להשתמש ב-FFT-based convolution.
  • (FLT:0)Subband מסונן: 1FLT) חלק מהישולים משתמשים בפילטרים (למשל, לניתוח ספקטרלי). במקרים כאלה, ייתכן שיהיה מועיל ליישם את כל הבנק בתחום התדר, שילוב FFT ו-FFT הפוך למסגרת.

שיטות Frequency-domain מתאימות ביותר לבישים עם זיכרון RAM בשפע וחומרה FFT (מקור ב- Bluetooth Audio SoCs מודרני רבים).

5. Approximate filtering and מופחת-Precision Arithmetic

לא כל היישומים לבישים דורשים דיוק מלא של מסנן ספרי לימוד IIR. טכניקות מחשוב Approximate יכולות לסחור כמות קטנה של דיוק עבור חיסכון חישובי משמעותי:

  • (FLT:0) כפליים מצופים: FLT:1 השתמש מעגלים inexact ⁇ אשר compulate את התוצאה הרב-כפלית עם פחות סיביות. A 10bit מכפיל במקום 16 סיביות יכול לחתוך את הכוח על ידי 30-40% בחומרה אישית.
  • (FLT:0) מחשוב אקסטוצ'י: 1FLT 1המחשה עבור עיצובים בעלי עוצמה נמוכה מאוד, ייצוגים סטוצ'יסטיים (ביטים של 1s ו 0s) יכולים ליישם ריבוי עם שער אחד, אך לעתים קרובות זה דורש תיקון תגמול וטעייה.
  • (FLT:0) , מעלה ולמעלה: ⁇ FLT ( 1:1 אם רוחב הפס האות רחב יותר מהנדרש, לחדד את האות לפני סינון.IIR מסנן בקצב נמוך יותר חוסך ל-sample MACs, ואת מסנן decimation יכול להיות עוד עיצוב זול.
  • (FLT:0) שינוי סדר זמני: FLT:1hil השתמש מסנן הזמנה משתנה שמתחיל עם סדר גבוה במהלך calibration ולהפחית את ההזמנה (על ידי הפעלת חלקים דו-ממדיים) כאשר האות הוא נייח.

דוגמה: מערכת זיהוי של Fallelerometer המבוססת על Fall עשויה להשתמש מסנן דו-סדר שני של IIR גבוה במקום סדר רביעי כאשר המשתמש הוא מופעל, צמצום צריכת החשמל ב-20%.

Hardware-Software Co-design for Ultra-Low Power

מכשירים רבים לבישים הטמיעו מעבד אותות דיגיטלי ייעודי (DSP) או מיקרובקר עם יחידת MAC חומרה.אופטימיזציה מסננים IIR עבור מערכת ההוראה והאדריכלות הזיכרון היא קריטית:

  • (FLT:0)Circular buffer פונה: FIRLT:1) השתמש במגרש מעגלי חומרה לאחסון משתנה המדינה במבנים דו-ממדיים.רוב DSPs תומכים בכך ללא חישוב נוסף על פני ראש.
  • (FLT:0)SIMD (הוראת Single, מספר נתונים): מספר 1 ARM Cortex-M4/7 ליבות תמיכה בהוראות SIMD אשר מעבדות שני 16 סיביות בו זמנית.אם הפילטרים הם הקוונטים ל-16 ביטים, שני חלקים דו-ממדיים ניתן לסווג במחזור יחיד של MAC.
  • (FLT:0Clock gating and Sleep Modes: ההרחבה 1 (הכוללת את המסנן במשימה שפועלת רק כאשר נתוני חיישן זמינים. השתמש במצבי שינה נמוכים של MCU בין דגימות.מיקרו-בקרים רבים יש מסנן חומרה (למשל, CORDIC, מסנן דיגיטלי) שיכולים לרוץ באופן עצמאי.
  • (FLT:0)Zero-overhead לולאות: 1FIRLT:1 ; פילטרים ללא תשלום עבור מסננים מסודרים כדי לחסל עונשי סניף. מסנן IIR השלישי שיושם כקוד קוליין פועל עד 30% מהר יותר מאשר יישום מבוסס לולאה.

מחקר מקרה מעשי: ECG Signal Filtering in a Smartwatch

כדי להמחיש אסטרטגיות אלה, לשקול כיבש שנרכש ECG יחיד-lead ב 250 הרץ.הסימן הגולמי מכיל נדודים בסיס (0.5 הרץ ומתחת), התערבות קו חשמל (50/60 הרץ), ורעש שרירים גבוה ⁇ גבוה.המטרות העיצוב הן לדחות את החפצים האלה עם פס מ- 0.5 עד 40 הרץ ועצימה של 20B ב -50.

גישה קונבנציונלית משתמשת מסנן IIR מסדר רביעי (אקדמי של שני דו-ממדים) בנקודת צף על בסיס נמוך כוח Cortex-M4, זה דורש בערך 10 פעולות MAC לדגימה. צריכת חשמל הכוללת עבור סינון לבד הוא בערך 0.5 mW על ידי מעבר לדגם תלת-סדר שלישי (הפחתה) שעדיין עומד על 20B פסטה, ספירת ה-MAC מאפשר כעת להפחית את ה-D ל-D4KQ.

בנוסף, באמצעות שימוש ב- Power-of-Two coefficient for the 50 הרץ Notch filter (התפקד כ- biquad נפרד), מסנן ה- Notch דורש רק 3 פעולות מזוזות במקום 3 MACs.שרשרת המסנן הכוללת צורכת רק 0.2 mW - ירידה של 60% מהעיצוב המקורי - תוך שמירה על מדדי אות (SNR בתוך 1DB של המקור).

אופטימיזציה זו אפשרה לבישת לנהל את רכישת ECG ולסינון ברציפות למשך 24 שעות על סוללה של 150 mAh, בהשוואה ל-16 שעות עם יישום המקורי.

אתגרים ומסחר

כל אופטימיזציה מביאה למכשולים פוטנציאליים.הפחתה של הזמנה עשויה להגדיל את ripple או עיכוב קבוצתי מקבוצתי, אשר יכול להיות בעייתי עבור יישומים הדורשים היערכות שלב (למשל, Multi-channels EEG) Coefficientization יכול לדחוף את הקטבים ליד מעגל היחידה, גרימת חוסר יציבות.כדי להפחית את זה, לבצע ניתוח אפס קוטב עם coefficients קוונטיים.

מפתחים צריכים גם לשקול כוח מעל פני גישה לזיכרון.הרכיבה של קידוד בפלאש לעומת SRAM משפיעה על כוח דינמי; באמצעות העברות DMA עבור coefficients יכול להפחית את מחזורי CPU. בעת יישום שיטות תדירות-דומיין, FFT עצמו לצרוך כוח - רק שימוש אם סדר המסנן הוא גבוה מספיק כדי להפוך את נקודת המעבר (ply order) 50.

לבסוף, בדיקות עם אותות חיישן בעולם האמיתי הוא חיוני.הממצאים של Quantization עשויים להיות בלתי ניתנים למניעה בבדיקות הגלים של חטא, אך להיות בולט בפועל ECG או PPG גלפורמות.

משאבים חיצוניים וקריאה נוספת

  • (FLT:0) מכשירים: Digital Signal Processing Education Library, ReverseFLT:1) - מכסה IIR מסנן עיצוב וביצוע קבוע של נקודות.
  • (ב) ,0) ,IEEE Paper: Power Optimized Digital Filters for Wearsible DevicesFLT:1 - דיון על חלוקת חומרה-תוכנות חומרה.
  • (ב) ⁇ :0) ממשתמשי חשמל: פילטר נמוך בכוח בלבושות: 1:1 - מדריך מעשי לבחירה של רכיב.
  • (ב) [15] ,הופנה מהדף Free IIR Filter Design Bookeur BookeurFLT 1:1 - טיפול מתמטי מעמיק של קוונטיזציה יעילה.

מסקנה

מסננים IIR נשארים אבן הפינה של עיבוד אותות במכשירים לבישים.מבנה הפיגור שלהם מציע יישום הזמנה נמוך מטבעו, אבל מעצבים חייבים לנווט מגבלות של אורך מילים מוגבל, זיכרון ואנרגיה.על ידי יישום שילוב של צמצום סדר, קוונטיזציה חכמה, קרינת ברקזדור מוטבעת כאן מבנים, מחשוב משוער, ניצול חומרה נמוך כוח, מפתחים יכולים להפחית מורכבות על ידי 50–80% ללא ביצועים חיוניים עבור מעבדים יעיל, כדי הפעלתם יעיל של עיבוד יעיל של סוללות.