Gömülü sinyal işleme cihazları sayısız modern sistemlerin arka kemiği oluşturur, giyilebilir sağlık monitörlerinden bağımsız araçlara kadar. Bu kaynak-konstr edilmiş ortamlarda, dijital filtrelerin verimliliği doğrudan gerçek zamanlı performansı, güç tüketimi ve genel sistem kullanılabilirliği ile ilgilidir. Birçok tasarım parametreleri arasında denge, filtre düzeni dengeye sahip olur - bu etkileşimli yükler derin şekillerdedir.
Filtre siparişi anlamak
Filtre siparişi, önceki giriş örneklerini belirleyen temel bir dijital filtredir (ve örneğin, 31. In IIR filtreler, önceki çıktı örnekleri) her çıktı örneklerini hesaplamak için kullanılır.Sonsuz bir dürtü cevabı (FIR) filtresi için, sipariş eksi bir numaralı musluk fonksiyonunu eşit tutar.
Yüksek sipariş filtreleri genellikle diker roll-off, dar geçiş bantları ve daha iyi stopband intenuation. Bu, ses eşitleme veya iletişim kanalı seçimi gibi hassas frekans ayrımı gerektiren uygulamalar için arzu edilir. Ancak, siparişte her artış bir maliyetle gelir - örnek olarak ek matematiksel operasyonlar, hafıza gereksinimleri ve artan sistem gecikme süresine.
Ne Konsüller C ⁇ Yük in Gömülü Sistemler
gömülü bir sinyal işleme ortamındaki C ⁇ yükü, cihazın zamanlama kısıtlamaları içinde filtre algoritmayı yürütmek için gerekli toplam işlem kaynaklarına atıfta bulunur: Bu yük genellikle ifade edilir:
- [FONT:0)İkinci (MIPS) TalimatlarınMillions of Talimatlar) - CPU gerekli olan.
- [FONT:0)Memory bant genişliği[[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönderlik[Dönderlik|Dönderlik|Dönderlik|Dönderlik|Döneticileri)[Dönderlik|Dönderlik|Döndergiler)
- [FONT:0)Power tüketimi[DÜT:1) - doğrudan yapılan operasyonların sayısına göre orantılıdır.
- [FONT:0)Latency[[DÜDÜT:1) - giriş örneğinden elde edilen süre kullanılabilirlik için.
Pil-güçlü gömülü cihazlarda, her ekstra işlem sınırlı enerji rezervlerini boşaltır. Bu nedenle, gereksiz derecede yüksek olan bir filtre siparişi seçmek batarya ömrünü bozabilir ve potansiyel olarak sistem gerçek zamanlı sonları kaçırmak için izin verir. Conversely, gürültü veya müdahaleyi bastırmak için başarısız olabilir, sinyal ve sistem işlevselliğini azaltır.
Filtre Order Doğrudan Etkiler C ⁇ Yükü
Çoğu lineer zaman değişkenli filtreler için, hesaplama yükü yaklaşık olarak filtre siparişiyle ölçeklenir, ancak kesin ilişki filtre mimarisine ve uygulanmasına bağlıdır.
FIR Filtreler: Doğrudan Linear Scaling
Standart doğrudan filtre, bir tane çoğaltma (MAC) cihazını musluk başına indirme gerektirir.Seks için filtre:0)N[Dönetici:2)N +[Dönetici:2) 3,0[Dönetici:0)))) Cihazın başına gelen yüksek çözünürlükte %29 oranındaki yüksek çözünürlükte bir şekilde ayarlandığında, %29 oranındaki yüksek çözünürlükte bir şekilde sabitlenebilir.
IIR Filtre: Daha Kompleksi ama Benzer Performans için Daha Düşük Sipariş
IIR filtreler FIR filtrelerle kıyaslanmış daha düşük siparişlerle benzer frekans seçimi elde eder. İkinci sipariş IIR biquad, örneğin 10. veya 20. sipariş FIR. Bu düşük aparatlı uygulamalar, doğrusal fazın kritik olmadığı durumlarda, yeniden ayarlanmanın önemli olduğunu gösterir.
IIR filtreleri için hesaplama yükü tam olarak sıra dışı değildir, çünkü geri bildirim katları genellikle SOS'a (sanırım bölümleri) göre gruplandırılmalıdır.Her bölüm, yaklaşık beş MAC'u (önemli olarak II yapısı için), bu yüzden 10. sipariş IIR (beş biquads) örnek olarak 25 MAC'leri gerektirir - karşılaştırılabilir bir şekilde 32. sipariş FIR'nin kıyaslanması gerekir.
Filtrelemenin doğrusal olmayan Etkileri Yükle
Çiğ arithmetic ölçekler lineer olarak, diğer faktörler gerçek hesaplama yüklerinde doğrusal olmayan artışları tanıtabilir. Örneğin, yüksek sipariş filtreleri hafızadan almalı daha fazla kata sahip olmalıdır.Eğer filtre siparişi, CPU'nun veri önbellek erişim süreleri hakim olabilir, katsayı genel olarak uygulama zamanında yükseltebilir. benzer şekilde, MAC donanım birimleri olmadan filtreleyici filtreler için çok yüksek sipariş filtreleri için, döngü kontrol ve bellek adresinin yükü önemli olabilir.Adaptive filter filtreleri, zaman içinde değişebilir, katlama süresine ek olarak, hangi katlama işlemleri için ek yük oluşturabilir.
Filtre Order Selection'da Ticaret-offs
Mühendisler, uygun bir filtre siparişini seçmek için sistem gereksinimlerinin bütünsel olarak değerlendirilmeli. birincil ticaret-off filtre performansı (örneğin, geçiş, dağılma, durdurma, durdurma, durdurma, dayanıklılık) ve kaynak tüketimi (CPU döngüleri, bellek, güç).
Performans Gereksinimler vs. Resource Budget
Tıbbi-grad ECG izleme gibi uygulamalar, yüksek çözünürlükte (örneğin, >80 dB) güç-line müdahaleyi ortadan kaldırmak için (60 Hz) Bu, tek aşamalı bir filtre ile genellikle yüksek bir sipariş gerektirir.Bir ortak çözüm, düşük siparişlerde bir filtreye veya daha düşük seviyeli bir filtre kullanmak, böylece ana filtre için gerekli genel siparişi azaltmak için gerekli olan genel siparişi azaltmak. Benzer şekilde, radyo-fret (RF) alıcılar için sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan sinyal işleme gereksinimini gerektirir.
Latency Constraints
Faz gecikmesi ve grup filtre düzeni ile artış gösterir. Gerçek zamanlı kontrol döngüleri - motor sürücüleri veya aktif gürültü iptalleri gibi - aşırı geç filtre gecikmeleri sistemi daha düşük gecikmeli filtre gecikmeler için sadece 20 mm gecikme süresine eşit olabilir (örneğin, IIR filtreler), sabit olmayan bir faz yanıtını ortaya koyarken, sabit bir örnekleme oranı için, daha düşük sipariş FIR filtre gecikmeleri daha düşük gecikmeli bir şekilde kullanabilir.If an application can to to to to to to to to to tolere sadece 20 ml gecikme süresine eşit olarak FIR sipariş verebilir.
Memory Footprint
Yüksek sipariş filtreleri daha büyük kat kat katsayı tabloları ve devlet tamponları gerektirir.Bir FIR RAM filtre için:0)N), katsayı depolama ölçekleri lineer olarak, ancak gecikme hattı da geçerlidir.[Dönder:2).[Dörtüncü|Dörtücükler için 8 inç RAM’lik bir mikro kontrol cihazı, 1024. sıralı RAM'ın 4,096'sı sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan modüller (üçüncü basamaklı) artılar için başka 4,096'dır.
Yuvarlak Ekran Gürültü ve Co effective Quantization
Sabit nokta uygulamaları düşük maliyetli gömülü cihazlarda yaygındır. Yüksek filtre siparişleri, katlama hassasiyetini artırmak için, potansiyel olarak yüksek hassasiyet kullanılmadığı sürece filtre performansı artırmak gerekir.Fort FIR filtreler, katlama, ölçümleme ile performansla daha fazla musluktan elde edilen bir miktar daha fazla kelime tanıtmak için gösterir.For polem filtreleri, nicelleştirme genellikle bir yük dengelemeye bağlı olarak.
Filtre siparişi için optimizasyon stratejileri
Filtre siparişi ve hesaplama yük arasındaki ilişkiyi anlamak, mühendislerin sinyal kalitesini korurken yükü azaltmak için teknikler kullanmasına olanak sağlar.
Çok yaygın Filtreleme ve Decimation
Yüksek seviyeli sinyalleri işlemeye çalışırken, orijinal oranın filtrelenmesi büyük bir hesaplama yükü oluşturabilir.Sistem öncesi sinyali iptal edebilir - ve daha sonra interpolating - daha düşük siparişli bir filtreye daha az sipariş filtre sağlar. Örneğin, bir antialiasing filtresi, 1 kHz'nin orijinal bir örneği üzerinde çalışan 1 kHz'nin kesintisi yüksek bir düzen gerektirebilir. 10 ila 100 Hz ilk (daha düşük sipariş ön filtrelemede çalışma için basit bir filtreye sahip olmak) Bu, yüksek sesle tanımlanır.
Polyfa Decomposition
FIR filtreleri için, polifaze dekompozisyon, filtreyi daha düşük fiyatlarda çalışan birçok paralel aşamaya ayırır. Bu yaklaşım, arithmetic oranını aşama başına azaltırken etkili filtre siparişine izin verir. Polyfaz filtreleri özellikle de filtrenin tek bir aşamasının test edilmesi gerekir.
Sabit-Point ve Donanım Acceleration
Modern gömülü uygulama-özel entegre devreler (ASICs) ve dijital sinyal işlemcileri (DSPs) tek bir döngüde çarpık MAC birimlerini içerir. Bu hızlandırıcıları kullanarak, DSP arithmetic) ile ilgili olarak, mühendisler temel kılavuzlara görebilmektedirler.
Coaktif Utilizasyon ve Symmetri
Linear-fak FIR filtrelerinin sayısı, tüm giriş lattiren filtreler gibi, 2+1 eki:2)) + 1,2|Bu etkili şekilde filtre özelliklerini değiştirmeden yarıda hesaplama yükü azaltmaktadır.
Pratik örnekler Across Application Domains
Biyomedikal Cihazlar
Küçük bir lityum-iyon bataryası üzerinde çalışırken, düşük seviyeli bir filtre ile takip edilen 50 Hz filtre (örneğin, düşük güçlü bir ARMA) ile yapılan bir filtrenin, ortalama 200 algılama cihazının toplamı için uygun olması gerekir.
Ses İşleme
İşitme yardımlarında, birden çok filtre, sesin 16 kHz altında şarj edildiği zaman örnekleyici 200 MAC'u şekillendirmek için kalibre edilir.DSP çipleri ile ilgili olarak, her kanal, paralel olarak birçok biquad filtreyi kullanabilir. Toplam hesaplama yükü, kanal başına maksimum sayıda aşamaya sahip 200 MAC'u örneklemeli - 24 ila 32'ye kadar güç tüketimine sahip olmak için.
Yazılım-Defined Radio
Filtreler SDR alıcıları, kanal seçici filtreler genellikle çok yüksek stopband reddedilmesi (~100 dB) ve keskin geçiş grupları gerektirir.Bir tek FIR filtresini bazbandı elde etmek için birkaç yüz ila binlerce sipariş alabilir, örnek oranına bağlı olarak, tasarımcılar kalibre edilen bir bütünleme (CIC) filtrelerini decimasyon için kullanır, nispeten yüksek çözünürlükte bir şekilde yapılır.
Industrial Motor Control
Motor sürücü kontrolörleri mevcut ve hız geri bildirim sinyallerinde pul-altı modülasyonu ortadan kaldırmak için düşük filtre kullanır (PWM) ripple. Filtre siparişi, gecikme marjları içinde fazı tutmanın yeterli olması gerekir - genellikle 1 veya 2nd sipariş filtrelerini kontrol döngüsünde kabul edilebilir bir gecikmeyi sağlayacaktır.
Future: Adaptif Filtreler ve Makine Öğrenmesi
gömülü cihazlar daha akıllı hale gelirken, RLS'nin katlarını gerçek zamanlı olarak ayarlayan uyarlayıcı filtreler, LMS veya recursive least squares (RLS) aileleri, RLS'nin durumdaki filtre siparişleriyle sabitleyici bir filtrelemeye izin verebilir. Birçok uygulama için, yükleme işlemi için uygun olmayan filtreleme siparişi süresine devam eder (0)
Başka bir eğilim, belirli sinyal koşulları, dengeleme performansı ve yük için otomatik olarak en uygun filtre siparişlerini seçmek için makine öğreniminin kullanımıdır. Bu yaklaşım mühendislik çabasını azaltabilir ve mevcut batarya kapasitesine göre işleme gücünü adapte etmesine izin verebilir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
Filtreleme cihazının gömülü sinyal işleme cihazlarındaki hesaplama yükü üzerindeki etkisi çok yönlü bir mühendislik meydan okumasıdır.Daha yüksek siparişler frekans seçiciliği geliştirirken, bu ticari devrelerin ve güç tüketiminin ayrıntılı bir şekilde anlaşılmasını gerektirir.FIR ve IIR topolojileri arasındaki seçim daha da karmaşıktır, çünkü bellek yönlendirmeleri, ölçümlemeleri ve donanım hızlandırıcıları için son derece etkili bir şekilde yapılandırılabilirlik sistemi sağlar.