הצמיחה הנפץ של האינטרנט של הדברים (IoT) יצרה צורך דחוף בטכנולוגיות תקשורת אלחוטיות המשלבות שידור נתונים אמין עם יעילות אנרגיה קיצונית. מיליארדים של חיישנים מופעלים סוללות, פועלים, ומכשירים לבישים חייבים לפעול במשך שנים או אפילו עשורים ללא התערבות אנושית.בין תוכניות ה-IoT השונות הזמינות, Frequency Shift Keying (FSK) התפתחה כמועמד מוביל ליישומים אולטרה-נמוכים של טכנולוגיות, אשר יכולות לפתח את ה-IoT, ולעצב באופן משמעותי, באמצעות פרוטוקולים חדשים של עיבוד של מערכות עיבוד של מערכות עיבוד נתונים, וטכנולוגיות מהירות, וטכנולוגיות עיבוד של מערכות עיבוד של מערכות טכנולוגיות מהירות, וטכנולוגיות עיבוד של מערכות טכנולוגיות מהירות של מערכות טכנולוגיות מהירות של מערכות עיבוד של מערכות טכנולוגיות מהירות, וטכנולוגיות חדשות של מערכות טכנולוגיות מהירות, החלמותרפיות של מערכות עיבוד של מערכות עיבוד נתונים, החלמותרפיות של מערכות טכנולוגיות מהירות, החלמות, החלמותרפיות של מערכות עיבוד נתונים, החלמותרפיות של מערכות עיבוד נתונים, החלמות באמצעות פרוטוקולים של מערכות עיבוד נתונים, וטכנולוגיות טכנולוגיות מהירות של מערכות עיבוד נתונים, וטכנולוגיות עיבוד נתונים מתקדמות של מערכות טכנולוגיות מהירות של מערכות עיבוד נתונים, החלמותרפיות של מערכות טכנולוגיות מהירות של מערכות טכנולוגיות מהירות של מערכות עיבוד נתונים, החלמותרפיות של מערכות עיבוד נתונים,

המונחים: FSK Signal Processing

(ב) שינוי קלף (FSK) מקודמת נתונים דיגיטליים על ידי שינוי תדירות מיידית של גל נושאות (A binary "K1" מיוצג בדרך כלל על ידי תדירות גבוהה יותר (ראה:0freaFLT:11Felo:1FLT:2FLT) ו- "0" על ידי תדירות נמוכה יותר (FLT:5reas) {\displaystyle Flasticerance) של 2, לעומת 2F {n).

ב-IoT מקלט, הדגמה FSK יכולה להתבצע באמצעות טכניקות קוהרנטיות או שאינן קבועות. מהירויות של הדגמה קוהרנטית דורשות סינכרון שלב נושאות, אשר מוסיף מורכבות וכוח מעל הראש. עבור מכשירים אולטרה-נמוכים, לא-קורנטיים הדגמה - כגון גילוי בסיס discriminator או אפס-crossing ספירה - העדיפו כי זה מבטל את הצורך עבור שלב-דלקת-דלקת-הת עוצמה דיגיטלית (לעתים קרובות) עיבוד אותות מופעלת (Dects Active Definated).

יתרון מפתח נוסף של FSK הוא יעילות ספקטרלית שלה בשילוב עם סינון Gaussian (GFSK), אשר מעצב את הספקטרום המועבר לעמוד בדרישות המסכות הרגולטוריות תוך צמצום פליטות מחוץ לפס. GFSK משמש ב- Bluetooth Low Energy (BLE), Zigbee, ופרוטוקולים קנייניים רבים.העבודה האחרונה התמקדה בקידוד הפילטרים הדיגיטליים והאדריכלות הנית כדי להפחית את רשתות ה-IoT ל-במיוחד לחבילות של רשתות ה-IoT.

תוצאות חיפוש ב FSK for IoT

השנים האחרונות היו עדים לשטף של חידושים שנועדו ללקות בצריכת החשמל של טרנסצ'יברס FSK. אלה התקדמות משתרעת על מספר רב של שכבות של ערימה המערכת, מאלגוריתמי DSP לחומרת החזית של RF ואפילו פרוטוקולי בקרת הגישה הבינונית (MAC).

שיטות עיבוד אותות דיגיטליות בעלות עוצמה נמוכה

אחת ההתפתחויות המשפיעות ביותר הייתה הגירה מ אנלוגיה לצורות דיגיטליות.מודרניות IoT Transceivers משלבות את ה-FSK Demodulator לחלוטין בתחום הדיגיטלי, תוך מינוף היתרונות המשתנים של טכנולוגיית CMOS.

  • (FLT:0) בנקי סינון מסנן פליטה 1: במקום מסנן אחיד יחיד, יישום פוליפזה מסמן את האות המתקבל לפסים מרובים.זה מאפשר לדמולטור לזהות את התדירות המיידית על ידי השוואת האנרגיה בשני ערוצים סמוכים, השגת רגישות גבוהה עם שיעור דגימה נמוך.
  • (FLT:0CORDIC מבוסס תדר estimationFLT:1): האלגוריתם רוטציה של רוטציה דיגיטלית (CORDIC) קובע פונקציות trigonometric באמצעות רק שינויים מוסיף, מה שהופך אותו אידיאלי עבור עיצובים מאומנים חומרה. a CORDIC מבוסס דמודטור יכול לחלץ את זווית של דגימת הבסיס מורכבים של דגימות להפיק את התדר עם חומרה מינימלית.
  • (FLT:0) חסימה ותגובה להחלטות משוב (SNR), ההדגמה יכולה לשמור על פענוח אמין אפילו בערוצים מתפתלים ללא הפעלת כוח על שליטה אוטומטית (SNR), הדמופולטור יכול לשמור על ניתוק אמין אפילו בערוצים מתפתלים מבלי לבזבז כוח על שליטה אוטומטית (AGC).
  • (FLT:0)Zero-overhead preambleזיהויFIRLT:1; פרוטוקולים רבים של IoT משתמשים לפנים כדי להעיר את המקלט. אלגוריתמים חדשים מבצעים גילוי עדין של ה- FSK לפני הספירה באמצעות מתאם מתפתל אשר פועל בשבריר של שיעור הסמל, צמצום הזמן הפעיל של קו החזית RF באמצעות פקודות של גודל.

חידושים DSP אלה הם לעתים קרובות יחד עם תוכניות מחזור חובה כי לכבות את ההדגמה בין הגעת החבילה. צ 'יפס מודרני יכול להיכנס מצב שינה עמוק ציור עשרות ננומפs להתעורר בפחות מ -10 מיקרו, השגת צריכת חשמל ממוצעת מתחת 10 μW עבור יישומים נמוכים-נתונים.

חידושים קשים ב- RF Front-Ends

השלמת ההתקדמות הדיגיטלית הם שיפורים משמעותיים בלוקים של מעגל אנלוגי ורדיו.המגמה לעבר transceivers משולבים לחלוטין על CMOS יחיד מת הפחית ספירת רכיב והפסדים parasitic.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ,WuRxrea)FLT:1: מקלט ייעודי, נמוך מאוד כוח לפקח ברציפות על הערוץ עבור טון ערה FSK. כאשר זוהה, הוא מתעורר את ה transceive הראשי.דווח ווהRx יישום לצרוך פחות מ 1 μW תוך השגת רגישות של -70Bm, ומאפשר רדיו הראשי להישאר 99.9% מהזמן.
  • (ב) [ה]: [ה] [ה]] [ה]] [ה]] [ה]]] [ה[[המאה ה-20]]], [ה[[המאה ה-1],]]]]]], עלה על ידי חוקרים ב-[[1924]], ו[[1924]], [[המאה ה-20]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]
  • (FLT:0) מגברי כוח יעילים (PAs)FLT:1: Class-D ו- Class-E מגבר עם רשתות התאמה על שבב להשיג עד 45% יעילות בכוחות התפוקה של +10 dBm. הרש"פ אלה משולבים לעתים קרובות עם מסונתזת FSK ישירות מסלקת את הצורך בתערובת נפרדת, צמצום כוח נוסף.

פרוטוקול-Level Optimizations

מעבר לשכבה הפיזית, פרוטוקולים מודרניים חכמים יותר של תזמון וחבילות פותחו כדי ללסחוט את האלגוריתמים האחרונים מתוך קישורי FSK. לדוגמה, פרוטוקולים מודרניים רבים משתמשים ב-FLT:0adaptive Data Rate (ADR)FLT:1 אשר משנים את מדד ה-FSK וקצב הנתונים מבוסס על תנאי הערוץ.

טכניקה נוספת היא (FLT:0) קיצור של ההרחבה של ההרחבה: (FSK המקלטים המסורתיים דורשים הכנה ארוכה כדי לסנכרן את השליטה על הרווח האוטומטי (AGC) ושיקום התזמון.אדריכלות דיגיטלית חדשה מבטלת את הצורך ב- AGC על ידי שימוש ב-ABC-Disto-Distinator Front End, ומאפשרת ל-Preamble להיות מופחתת רק כמה סמלים.

בנוסף, תוכניות FSKirph:1 פותחו המאפשר מקלט אחד לפקח על ערוצי תדר מרובים בו זמנית על ידי חלוקת DFT bins.זה מאפשר ספקטרום התפשטות תדירות (FHSS) ללא מעל פני סריקת ערוצים, אשר מועיל במיוחד עבור סביבות הסתברות התערבות כמו 2.4GHz I.

ניתוח צריכת חשמל: FSK לעומת שינויים אחרים

כדי להעריך את החשיבות של ההתקדמות, זה עוזר להשוות את יעילות האנרגיה של מודרני FSK transceivers עם תוכניות מודולציה מתחרים.השולחן להלן מסכם מספרים טיפוסיים עבור התקנים המדינה- of-the-art הפועלים בלהקות תת-הרץ של תת- 1 GHz בשיעורי נתונים דומים (FLT:0 נתונים מגליונות נתונים שפורסמו ומסמכים אקדמיים FLT:1).

Modulation RX Current (mA) TX Current (mA at 0 dBm) Sleep Current (nA) Sensitivity (dBm at 50 kbps)
FSK (modern integrated) 3.0 – 4.5 12 – 18 50 – 700 -110 to -115
OOK (non-coherent) 2.0 – 3.0 8 – 12 50 – 500 -105 to -110
LoRa (CSS) 9.0 – 12 20 – 30 100 – 2000 -130 to -140
DSSS (e.g., Zigbee) 6.0 – 8.0 17 – 25 200 – 1000 -100 to -105

בעוד שאופוס יכול להשיג מעט נמוך יותר לקבל זרמים כי זה מבטל את הצורך באפליה תדירות, זה סובל מדחייה התערבות ירודה ודורש מגבר ליניארי, אשר פוגע יעילות TX. LoRa (Chirp Spectrum) מציע רגישות טובה יותר, המאפשר טווח ארוך יותר, אבל זרם RX גבוה יותר שלה הופך אותו פחות אטרקטיבי עבור יישומים כי הם בעיקר להקשיב FSK פוגע איזון מצוין, מציע טוב עם רגישות בינונית, וצריכה הנוכחית, יכול להיות מרבי כדי להיות דחף קבוע עבור יעילות עבור פתור קבוע.

בנוסף, רכיבה על אופניים באופן דרמטי מפחיתה את הכוח הממוצע.חשב חיישן המעביר חבילה של 20 דקות בכל 10 דקות ב 50 kbps. בשעה 3.5 mA RX הנוכחי ו 15 mA TX הנוכחי, האנרגיה הכוללת לכל מחזור היא בערך 1.2 מ"ג' (הנחה 2 מ"ס RX מתעורר ו-3.2 מ"ס TX) במהלך שנה עם סוללה של 3 V, זה מתורגם לממוצע של μS בלבד (R2K) ל-190 שניות לאחר מכן הוא רק ל-32K) של זמן CRK) של דגם הקיבולת אופייני של דגם של דגם C2 של דגם של דגם C2 (R2 של דגם C2 (R2, 3 שנים לאחר יותר מ-32 (RX) של דגם CRK) של דגם C3, 3.32 (RX RX RX RX RX) למשך יותר מ"מ-32) ו-3.2 מ"מ-32 (RX) למשך יותר מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-32 X) למשך יותר מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-3.2 מ"מ-

תגיות Ultra-Low Power IoT

היעילות המשופרת של עיבוד אותות FSK מודרני פתחה את הדלת למגוון רחב של יישומים שבהם החלפת סוללות היא לא מעשית או בלתי אפשרית.

פיקוח סביבתי

רשתות חיישן אלחוטיות לאיכות האוויר, הטמפרטורה, הלחות ולחץ ברומטרי מסתמכות על העברת נתונים תקופתית.קשרי GHz FSK יכולים לחדור קירות וערפל יותר מ-2.4 GHz, מה שהופך אותם אידיאליים עבור חיישנים בחוץ.מוצרים כמו FLT:0Sensirion SHT4xFLT:1 סדרה לעתים קרובות מותאמים עם FSKivceers כדי להשיג תחזוקה נמוכה של 10 שנים.

החקלאות החכמה

בחקלאות מדויקת, לחות הקרקע, עלות רטובות ורמות תזונתיות נמדדות על ידי מאות צמתים מבוזרים. רשתות מבוססות FSK כגון FLT:0 (LoRaWANFLT:1 (שמשתמשים בשכבה פיזית FSK/LoRaLoRaRaRaRaRaRaRa) הוצבו בכרמים ובשדות יבול.הטווח הארוך של FSK (עד 1 ק"מ בשדות פתוחים) הפחיתו את מספר השערים הנמוך, בעוד שלא ניתן היה להבטיח את הקרקעות.

מכשירים רפואיים

ביוסנסורים לביים לאלקטרוקרדיוגרפיה (ECG), ניטור גלוקוז בדם, ופעולות מעקב דורשות הזרמת נתונים רציפה תוך שמירה על גורמי צורה קטנים. Bluetooth Low Energy (BLE) משתמש GFSK ב 1 Mbps, ו- השבבים האחרונים כמו FLT:0Nordic NRF52840FLTKKKKR, השיגו את עיקרי ה-4.6A ב- 0Bm, אך ורק ל-FSbred, אשר מותאמים ל-FKNREDSD, אשר מותאמים ל-FSKNREDSDSDSKNRECDC, אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , אשר , לעומתוריד, לעומת 100 , לעומתוריד, לעומת זאת, לעומת 100 מ-FDSDSDSDSDSDR.

מעקב אחר נכסים תעשייתיים

(RTLS) במחסנים משתמשים בתגי RFID פעילים אשר משדרים משואות FSK. עם ההתקדמות ב המקלטים מתעוררים, תגים יכולים להישאר בשינה עמוקה עד נחקרים על ידי קורא, כמעט ללא כוח.ה-FLT:0Decawave DW3000FLT:1 (למרות UWB) הוא דוגמה אחת; חלופות מבוססות FSK כמו מרכזי FSLT2, 000 סטנדרטיים יותר, 000 סטנדרטיים להורדתם, ו-F2C.

כיוונים עתידיים

בעוד שמערכות FSK הנוכחיות כבר עומדות על הצרכים של יישומים רבים של IoT, מחקרים שוטפים מבטיחים שיפורים נוספים ביעילות האנרגיה ובתפקודים.

Machine Learning-Enabled Adaptive Demodulation

אלגוריתמים של Machine Learning (ML) במיוחד רשתות עצביות קלות משקל, נחקרים על דחיסה של שבב.במקום להשתמש בסף החלטה קבוע, מתווך ML יכול ללמוד את תגובת הדחף של הערוץ ולהפצה באופן הסתגלות עבור ריבוי קידודים או התערבות משותפת.טיפוסים מוקדמים המיושמים על FPGA הראו שיפור של 2–3DB ברגישות לתקציב הכוח.

שילוב עם אנרגיה

מודמים כוח אולטרה-נמוך הם התאמה טבעית למקורות קציר אנרגיה כגון photovoltaics, thermoelectrics, ו רטטים אדזואלקטריים.האתגר הוא כי כוח מקצר לעתים קרובות נמוך (עשרות של μW) עיצובים עתידיים FSK ישלבו בשלב חשמל מקסימלי (MPPT) ורכיבי אחסון חובה אנרגיה-aware, חלקם הוכיחו עצמם-עצמים-מסלולים לאחר מכן, רק לאחר מכן, לאחר זמן קצר של 1K2 ליטר אנרגיה, אשר מאפשר מעקב (Fish) ו-FSK) ו-Fish) ו-FSK1 שניות בלבד, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, רק לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, אחסון אחסון אחסון של מחזור אחסון של מחזור אנרגיה, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, אחסון של מחזור אחסון של מחזור אחסון של מחזור של מחזור אחסון של 1-FSK1 שניות, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, לאחר מכן, 000 של אחסון אנרגיה, 000 של אחסון אנרגיה, 000

רדיו מבוסס תוכנה עבור FSK גמיש

עלייתם של רדיוים המוגדרים בתוכנה (SDRs) המותאמים לעוצמה נמוכה - כגון FLT:0 (AD9361FLT:1 ויורשיו - אפשרה גישות רדיו קוגניטיביות עבור IoT. An FSK Transceiver ניתן למקם מחדש על זבוב לשימוש בסטיות תדר שונות, תעריפים נתונים, ואפילו מודולציה (למשל, מתג מ- 2FSK לפרוטוקולים מרובים) כדי לאפשר שינוי מינימלי של שימוש בתוכנות מרובות (כגון שימוש ב-cotative) באמצעות שימוש ב-cotualments (לדוגמה, כלומר, כלומר, כלומר, באמצעות שימוש ב-cookies) באמצעות שימוש ב-cotualments (לדוגמה, ללא שימוש ב-cotualments מרובים).

Ultra-Wideband FSK לטווח קצר

עבור יישומים לטווח קצר, גבוה-נתונים (למשל, אוזן אלחוטית), פס אולטרה-רחב (UWB) FSK באמצעות הדופק תת-שנתי נחקר. UWB FSK משלב את הכוח הפסגות הנמוך של UWB עם זיהוי חזק של FSK, המאפשר עלייה של נתונים מעל 10bps במרחק של 10-20 מטרים, בעוד צריכת פחות מ 10WB הוא מבטיח במיוחד עבור מציאות מדומה.

מסקנה

התחום של עיבוד אותות FSK עבור אולטרה-נמוך כוח IoT התבגר באופן משמעותי, מונע על ידי חדשנות אלגוריתמית ומדפי מוליכים למחצה. מודרני דמודורים דיגיטליים, מקלטי ערה משולבים, ופרוטוקולים אדפטיים דחפו את צריכת החשמל הממוצעת של בלוטות אינטרנט אלחוטיות לתוך משטר המיקרו-וואט, המאפשרת חיי סוללה כי הם מעל החיים התפעוליים של מכשירים רבים.