Nesnelerin İnterneti (IoT) patlayıcı büyümesi, aşırı enerji verimliliği ile güvenilir veri iletimini birleştiren kablosuz iletişim teknolojileri için acil bir ihtiyaç yarattı.Sürücü sensörleri, hareketleyiciler ve giyilebilir cihazlar, insan müdahalesi olmadan yıllarca veya hatta on yıllar boyunca faaliyet göstermelidir. Çeşitli modulation programları arasında, Frekans Anahtarlama (FSK) bu tür gelişmeler için ultra güç IoT uygulamaları için lider bir aday olarak ortaya çıktı.
FSK Signal Processing
Frekans Değiştirici (FSK) dijital verileri, taşıyıcı dalganın anlık frekansı ile karşılaştırır. Bir ikili “1” genellikle daha yüksek bir frekans tarafından temsil edilir ()) ve daha düşük bir frekansta ([D) “0) daha yüksek çözünürlükte () )))) ile ilgili farklar, bu iki frekans arasındaki fark, frekans arasındaki fark, frekanslar, yüksek çözünürlükte sabit olmayan bir şekilde kullanılır.
Bir IoT alıcısında, FSK demodülasyon, ya eşsiz veya non-coherent teknikleri kullanılarak yapılabilir. Coherent demodulation taşıyıcı aşaması senkronizasyon gerektirir, bu da karmaşık ve güç yükü sağlar. ultra-düşük güç cihazları için, bir mikro-yaplı yapı veya dijital frekans ayrımı-tama sayma işlemine dayanan bir kontrol işlemine göre - bu alttaki hızlarda (DSP) uygulamaları genellikle gecikmeli bir devrede fark eder.
FSK'nın diğer önemli avantajı, Gaussian filtreleme (GFSK) ile birlikte, bu tür verileri sensör ağlarında yaygın olarak azaltırken düzenleyici maske gerekliliklerini yerine getirmek için iletilen spektrumu şekillendiren spektral verimliliğidir. GFSK, Bluetooth Low Energy (sol), Zigbee ve birçok özel IoT protokolünde kullanılır.
IoT için son gelişmeler
Son birkaç yıl, FSK transceivers'in güç tüketimine karşı yapılan yeniliklerin bir flurry'ye tanık oldu. Bu gelişmeler, DSP algoritmalarının RF ön uç donanıma ve hatta orta erişim kontrolüne (MAC) protokollerine işaret ediyor.
Low-Power Digital Signal Processing Teknikleri
En etkili gelişmelerden biri, dijital modemlere analog göç olmuştur. Modern IoT transceivers, FSK demodulator'u tamamen dijital alanda birleştirir, CMOS teknolojisinin ölçeklendirme faydalarını yararlanın. Key DSP teknikleri şunları içerir:
- [[DÜSÜ:0)Polyfa filtre bankaları [DÜT:1): Tek bir üniforma filtresi yerine, alınan sinyali birden fazla alt banta indirmeye olanak sağlar. Bu, bataryayı tedavi ederek sürekli dinleme izin verir.
- [[FONTDIC tabanlı frekans tahminleri[DIC-based frekans tahminleri[DIC) algoritmaları, yalnızca geçişleri kullanarak trigonometrik işlevleri hesaplar ve ekler, donanım tabanlı bir demodülatör temel bant kompleksinin akışını alabilir ve minimum arithmetic donanımıyla frekansı elde edebilir.
- [FONT:0] Adaptif eşleme ve karar geri bildirim[Dönetici: Dinamik olarak alınan sinyal-noise oranına dayanan frekans-decision eşlerini ayarlayarak (SNR), demodulator otomatik kazanç kontrolü (AGC) için bile güvenilir bir şekilde kesintiye uğrayabilir.
- [FONT:0)Zero-overhead preamble algılama[Dönetici]: Birçok IoT protokolü alıcıyı uyandırmak için bir önsöz kullanır. Yeni algoritmalar, FSK preamble'nin sürekli olarak algılanmasını sağlar, sembolün bir kısmını kullanarak, RF cephesinin aktif süresini büyüklük siparişleri ile azaltır.
Bu DSP yenilikleri genellikle 10 μs'den daha az bir şekilde uyanabilir ve düşük seviyeli uygulamalar için ortalama güç tüketimi elde edebilir. Modern çipler, on nanoamps'in derin bir uyku durumuna girebilir ve 10 μs'den daha az uyanmak için 10 μW'den daha az enerji tüketimi elde edebilir.
RF Front-Bitkilerde Donanım Yeniliği
Dijital ilerlemeleri uygulamak analog ve RF devre bloklarında önemli gelişmelerdir. Tek bir CMOS'ta tam entegre transceivers'e yönelik eğilim, bileşen sayını ve parasitik kayıpları azaltmıştır.
- [FONT:0)Sub-1 GHz Transceivers with bütünleşik FSK modemler[DÜT:1): Paket işleme için özel bir donanımla birlikte, bu cihazlar 3,5 mA ve mevcut n 700 $ 'lık bir işlemden izin alır.
- [FONT=0)Wake-up alıcıları (WuRx)[Dönetici: A adanmış, son derece düşük güç alıcısı bir FSK uyanma ton kanalını sürekli olarak izler. tespit edildiğinde, ana transceiver. Raporlanmış WuRx uygulamaları 1 μW'den daha az tüketiyor.
- [FONT=0]Crystal-less operation[DÜT:1): Geleneksel FSK transceivers frekans referansı için bir kurtz kristaline güveniyor, bu da RC sağlık kurulu alanına katkı sağlıyor.Son çalışma araştırmacılar tarafından aranırıklık doğrulukla kristali ortadan kaldırırken, %30 oranındaki malzemeleri tamamen entegre eden bir FSK transceiversitesini göstermiştir.
- [FONT:0)Enerji verimli güç yükselteçleri (PA))[F][B][/IFT)[değiştir | kaynağı değiştir], yüksek çözünürlükte %45 oranında verimlilik elde eden güç yükselteçleri, +10 dBm’in çıktılarında genellikle doğrudan bağlantıya entegre edilmiştir.
Protokol-Level Optimizasyonları
Fiziksel katmanın ötesinde, daha akıllı MAC zamanlaması ve paket biçimleri, kanal koşullarına dayanan son mikrojoule'yi sıkıştırmak için geliştirildi. Örneğin, birçok modern protokoller kullanım süresini kullanıyor:0) Adaptif veri oranı (ADR)), LoRaWAN'ı ayarlayan ve verileri fiyat oranına dayanan bir algoritmadır.
Başka bir teknik şu ki:0) Sınırlama (Dönetici) ön cepheyi kullanarak AGC'ye ihtiyaç duyuyor, otomatik olarak yerleşmek için uzun bir preamble gerektirir.Sekleme ve zamanlama kurtarma için. Yeni dijital mimariler, doğrudan enerji tüketimi azaltılabilir.
Ek olarak, DFT binleri bölmek için tek bir alıcının aynı anda birden fazla frekans kanalı izlemesine izin veren bir kanal taraması olmadan frekans aralığı aralığı (FHSS) ile bağlantı kurmasını sağlar.
Güç tüketim analizi: FSK vs. Diğer Modulations
Bu ilerlemelerin önemini takdir etmek için, modern FSK transceivers'in rekabet modulation şemaları ile karşılaştırmak yardımcı olur. Aşağıdaki tablo, alt-1 GHz bandında çalışan devlet-of-art cihazlar için tipik sayılardır ([DFLT:0Data from published datasheets and Academic Paper).
| 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 |
OOK, mevcutları biraz daha düşük elde edebilir, çünkü frekans ayrımcılığı ihtiyacını ortadan kaldırır, kötü müdahale reddedilmesinden acı çeker ve TX verimliliğini incitebilir. LoRa (Chirp spread Spectrum) daha iyi hassasiyet sunar, ancak daha yüksek RX mevcut daha az çekici yapar. FSK, oldukça iyi bir dengeye ulaşır ve mevcut tüketime zarar verir ve sürekli olarak gelişmekte olan TX verimliliğini sağlar.
Ayrıca, bisikletin önemli ölçüde ortalama gücü azaltır. 20.000 $ TX şarj cihazı ile her 10 dakikada bir 20.000 $ 1 - 1 1 x 3 μA - toplam enerji döngüsündeki toplam 1.2 mJ (birkaç mil boyunca 2 ms RX uyanır ve 3.2 ms TX zamanı) Bu yüzden FSK, 3 V batarya ile bir yıl boyunca, bu, ortalama bir mevcut olan 1.4 μA - ve tipik bir CR2032 para kapasitesi içinde (225 mAh) ile ilgilidir.
Ultra-Low Power IoT uygulamaları
Modern FSK sinyal işlemenin gelişmiş verimliliği, batarya yedekinin pratik veya imkansız olduğu geniş bir uygulama alanına açtı.
Çevresel İzleme
Hava kalitesi, sıcaklık, nem ve barometrik baskı periyodik veri iletimine güvenebilir. Sub-1 GHz FSK bağlantıları duvarları ve foliage 2,4 GHz sistemleri için daha iyi nüfuz edebilir, onları dışsal sensör için ideal hale getirir: 0,Sensirion SHT4x) serisi genellikle FSK transceivers ile 10+ yıl boyunca bakımsız işlemine olanak sağlar. Düşük güç tüketimi de enerji üretimine olanak sağlar: küçük bir güneş hücresi veya termoelektrik jeneratörü sürekli algılama ve periyodik veri iletimi için yeterli enerji sağlayabilir.
Akıllı Tarım
Hassas tarımda, toprak nez, yaprak ıslaklığı ve besin seviyeleri yüzlerce dağıtılmış düğüm tarafından ölçülmektedir. FSK tabanlı ağlar gibi:0)LoRaWAN) (bu düğümlerin toprakta gömülü olmasını sağlar ve yıllarca sürmez.
Giysilenebilir Sağlık Cihazları
Elektrokardiyografi (ECG) için uygun biyosensors, kan şekeri izleme ve aktivite izleme küçük form faktörlerini korurken sürekli veri akış gerektirir. Bluetooth Low Energy (BLE) 1 Mbps'de GFSK'yi kullanıyor ve son 100 kbps'de çipler ile çalışır, izin verilen diğer nRF52 yatak akımları ve 1 mW'nin üzerindeki otomatik yükleme noktalarına sahip olabilir.
Endüstriyel Varlık İzleme İzleme
Gerçek zamanlı konum hizmetleri (RTLS) depolarda, FSK'nın alıcıları ile ilgili ilerlemeler ile, etiketler bir okuyucu tarafından sorgulanana kadar derin uykuda kalabilir, neredeyse hiçbir güç sunar. [Dönetici:0Deca dalgası DW3000[FLT 1: 1) (ABD) büyük lojistik merkezleri boyunca takip etmek için uygun alternatifler.
Future Yol Tarifi
Mevcut FSK sistemleri zaten birçok IoT uygulamalarının ihtiyaçlarını karşılarken, devam eden araştırma enerji verimliliği ve işlevselliğinde daha fazla gelişme vaat ediyor.
Makine Öğrenme-Enabled Adaptive Demodulation-Enabled
Makine öğrenimi (ML) algoritmaları, özellikle hafif sinir ağları, sabit bir karar eşiği kullanmak yerine, bir ML sınıflandırıcısı kanalın dürtü yanıtını ve çok kanallık veya co-kantasyon için uyum sağlamasını bekleyebilir. FPGA'da uygulanan ilk prototipler aynı güç bütçesi için hassas bir şekilde iyileştirme göstermiştir.
Enerji Hasat Edilmesi ile entegrasyon
Ultra-düşük güç FSK modemler, fotovoltaikler, termoelektrikler ve pastazoelektrik titreşimleri gibi enerji hasat kaynakları için doğal bir maçdır. Zorluk, hasat edilmiş bir güç genellikle kapalı aydınlatmada 1 cm2 güneş hücresi kullanarak bir kez daha ilerlenir.
Esnek FSK için Yazılım Savunmalı Radyo
Yazılım tanımlı radyoların (SDRs) düşük güç için uyarlanması – örneğin, [[0)AD9361) ve onun ardılları - kanal koşulları izin verdiğinde, bir FSK transceiver'nin birden fazla ağa katılmasına izin verir (örneğin, donanım ve modülasyon türleri (örneğin, 2FSK'den 4FSK'den 4FSK'ye kadar iki katına çıkar.
Ultra-Wideband FSK Kısa Süre
Kısa menzil için, yüksek seviyeli uygulamalar (örneğin, kablosuz kulakbuds), 10 milyondan az miktarda Mbps'nin üzerindeki veri oranlarına sahip olmak üzere, özellikle de batarya destekli sanal gerçeklik kafaları ve işitme cihazları için umut vericidir.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
FSK sinyal işleme alanı ultra-düşük güç IoT'nin hem algoritmalı inovasyon hem de yarı iletken ölçeklendirme yoluyla olgunlaşmış olması nedeniyle, Entegre uyandırma alıcıları ve adaptif protokollerin mikrowatt rejime ortalama güç tüketimine yol açtı, bataryaların hem de birçok cihazın çalışmasını sağlayan ağların işletme ömrünü uzatan bir araç haline geldi.