IIR Filtre Tasarımları, Giyilebilir Cihazlarda Azaltılmalı C ⁇ Kompleksi için Optimizing IIR Filter Designs for Reduced C ⁇ Kompleksiity in Wearable devices

Akıllı gözlemler, fitness pistleri ve tıbbi izleme yamaları gibi giyilebilir cihazlar sürekli sensör veri alımına ve gerçek zamanlı işlemeye güveniyor.Hazırlıklı birkaç katla keskin frekans yanıtlarını kaldırma yeteneğinden dolayı, dijital filtrelemeler merkezi bir rol oynar. Birçok filtre türü arasında, Impulse Response (IIR) filtreler, bu tablonun sabitleyici tasarımlarını azaltma yeteneğinden dolayı, oldukça az katlanarak keskin frekans yanıtlarını azaltma yeteneğinden dolayı bu uygulamaları kapsamlı bir şekilde ayarlar.

IIR Filtrelerini Giyimlenebilirler

IIR filtreler hem besleme hem de geri bildirim katlarını içeren bir transfer fonksiyonu tarafından tanımlanan dijital filtrelerdir. Mathematically, an IIR filtresi temsil edilebilir:

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Çünkü çıktı önceki çıktılara (geriye) bağlıdır, IIR filtreler, eşdeğer bir Finite Impulse Response (FIR) filtresinden daha düşük bir frekans yanıt elde edebilir ve farklı ticari işlemler için farklı sürümler sunar.

Verimliliğine rağmen, IIR filtreler mevcut zorluklar giyilebilir: Her bir katlama nedeniyle dengesiz hale gelebilir, düşük güç mikro kontrolleri veya özel ASIC'ler ile birlikte, sabit nokta arithmetici işlemi doğrudan yüklenebilir.

IIR C ⁇ Kompleksi'ni Yeniden Üretmek için Anahtar Stratejiler

1. Filtre siparişi

Hesaplama maliyetinin en doğrudan yolu, filtre siparişini azaltmaktır. Daha az katsayılar, örneğin daha az MAC işlemleri anlamına gelir. Ancak, genellikle sıra dışı performansı göz önünde bulundurmadan siparişi azaltır. Neyse ki, birkaç teknik gerekli yanıtı minimum bir şekilde elde etmenize yardımcı olabilir:

  • [FONT=0)Pole-zero yerleştirme optimizasyonu: Z-düzeltme kutupları ve sıfırlar, tasarımcılar belirli bir geçiş genişliği için en düşük siparişi verebilir ve bant kısıtlamaları ile daha düşük sipariş filtrelerini standart Butterworth veya Chebyshev tasarımıyla karşılayabilirsiniz. Örneğin, küçük bir izin verilen bir engelleyici stopband ripple 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 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
  • [FONT:0)Matched-z dönüşümü:[Dönetici prototipleri dönüştürdüğünde, bilinen dönüş standarttır, ancak maçlı-z dönüşümü bazen analog filtre basit ise daha düşük bir dijital düzenle frekans yanıtını koruyabilir.
  • [FONT:0]Burlayıcı sipariş indirimi:[Dönerge: 1) Yüksek siparişli bir tasarımla başlayın, sonra, dengeli transkript veya Hankel normu gibi modellemeyi, istikrarlı bir filtre üretmek için, azalt-order IIR filtreyi, özellikle orijinal frekans yanıtını karşılaştırdığınızda kullanışlıdır.

Uygulamada, üçüncü sipariş IIR filtre genellikle EMG veya ECG taban hattı gibi biyosignal filtreleme görevleri için uygun olmayan performans kaybı ile beşinci sipariş tasarımını değiştirebilir.

2. Coive Quantization ve Word-Length Rez

Tümleşik mikrokontroller genellikle 16-bit veya 24bit sabit nokta arithmetici kullanarak çalışır (özellikle de işlemcinin iki güç ayarlı talimatları vardır). 32-bit yüzen-pointten uzun süre azaltmayı azaltın, 16-bit sabit noktanın yarı ve hızlar ile hafıza kullanımını azaltır (özellikle de işlemcinin tam iki güçten ayrılmış sabit devre dışı bırakırsa).

  • [FONT:0) Doğru ölçüm programına uygun olarak bakınız: Q-format (e.g., Q15 for 16-bit imzalanmış katal) katsayı temsil etmek için.En yakın temsil edilebilir değere yuvarlanmak, kutup duyarlılığının daha fazla miktara duyarlı katlamasına yardımcı olabilir.
  • [FONT:0) İstatistiksel yöntemler kullanarak ölçümlemeyi optimize edin:) Uygulama, filtre tanımlamasını sağlayan bir dizi sayısal veya genetik algoritmayı simüle etmeye yönelik olarak simülasyona tabi tutulur.Bu, 2-4 bitlerin indirgenmesine izin verebilir.
  • [FONT:0) Güçleri kullanan iki kattan oluşur: Eğer katsayılar iki güçle ilgili olarak yaklaşık olarak toplanabilir, çoklu uygulama birkaç değişim tarafından değiştirilebilir ve hesaplama karmaşıklığının büyük ölçüde azaltılmasıdır.

Örneğin, katsayılarla ikinci sipariş IIR notch filtresi, güçlere ölçümlenen iki değişkenin sadece dört değişim operasyonu ve üç eki örnek olarak uygulanabilir - düşük güç için mükemmel bir ARM Cortex-M0 çekirdeği için.

3. Cascade vs. Direkt Form Yapıları

IIR filtrenin büyük ölçüde hesaplama yükü, stabilite ve ölçümleme hassasiyetini etkileyen yapı.En yaygın formlar Direct Form I ve II ve II ve transayak edilen varyantları. yüksek sipariş tasarımları için, bir cascade ikinci sipariş bölümleri (SOS) genellikle tercih edilir:

  • [FONT:0)İkinci sipariş bölümler (biquads): [Dönetici: 1 ) Her bölüm ikinci sipariş IIR filtresini uygular. Kaliscade yapısı, kat duyarlılığı azaltır, kısa kelime uzunluğu ile stabiliteyi korumak için daha kolay hale getirir.
  • [FONT:0]Parallel formu:[Dönetici:[Dönetici:0))) Decompose transfer fonksiyonunu ilk ve ikinci sıra alt bölümlere bir miktar olarak azaltabilir. Bu bazen orijinal filtre tekrarlanan MAC sayısını azaltabilir.
  • [FONT:0)Lattice/ladder yapısı:) Genel olarak daha fazla hesaplama-heavy, lattice yapıları mükemmel stabilite özellikleri sunar ve siparişin düşük olduğunda cazip olabilirler.

Giyim edilebilirler için, cascade biquad uygulaması genellikle hesaplama maliyetinin en uygun dengesi, istikrar ve hafıza kullanımıdır. Analog cihazlar ve STMikroelektronik gibi üreticiler düşük güç MCUları için optimize edilmiş referans uygulamaları sağlar.

4. Frekans-Domain Uygulaması FFT

Filtre görevi uzun süre sinyalleri veya birden fazla kanalı içeriyorsa, zaman alanı IIR filtreleme aynı anda bir çakışma-add veya çakışma yöntemi ile değiştirildi (FFT).Bu görünüşte karşılaştırılabilirken (IIR, çok yüksek sipariş IIR filtreler için) veya birden fazla kanal işlemenin aynı anda daha verimli hale geldiğinde, FFT tabanlı konvolution daha verimli hale gelebilir.

  • [FONT:0]Partitioned convolution:[Dönetici:[Dönetici:0) Gerçek zamanlı uygulamalar için, IIR filtrenin (bu sonsuza kadar) dürtüsel bir ses iptali olmalıdır. Pratik bir yaklaşım, uzun FIR filtre ile yaklaşık olarak IIR filtreye bağlıdır (eğer yanıt dürtüleri hızla azalırsa) ve sonra FFT tabanlı konvolution.
  • [FONT:0)Subband filtreleme:[Dönetici:[Dönetici:0) Bazı giyilebilirler filtre bankaları (örneğin, bu tür durumlarda, tüm bankayı frekans alanında uygulamanız faydalı olabilir, FFT ve ters FFT ile çerçevede FFT'yi bir araya getirir.

Frekans-bölge yöntemleri, geniş RAM ve bir donanım FFT hızlandırıcı (çok modern Bluetooth Audio SoCs) ile aşınmak için en uygun olanıdır.

5. Approximate Filtreleme ve Azaltılma-Recision Arithmetic

Tüm giyilebilir uygulamalar bir ders kitabı IIR filtrenin tam hassasiyetini gerektirmez. Approximate bilgisayar teknikleri önemli hesaplama tasarrufları için küçük bir doğruluk sağlayabilir:

  • [FONT:0]Truncated multipliers:[Dönetici:0)[Döneticileri hesaplayan, daha az sayıdaki işlem sonucu hesaplayan bir sayısal devreler. 16-bit yerine 10bit çokluplier, özel donanımda% 30-40 oranında azaltılabilir.
  • [FONT=0]Stochastic hesaplama: [Dönetici: [Dönetici:0]Stochastic Computing:[Dönetici: 0s ve 0s) tek bir kapı ile çok fazla uygulama yapabilir, ancak bu genellikle yeniden algılayıcı ve hata düzeltme gerektirir.
  • [FONT:0]Downsampling ve upsampling:[DFLT:1), sinyal bant genişliği gerekli olduğundan daha genişse, filtreden önce sinyal filtrelemeden önce sinyali sil. IIR filtreleme daha düşük bir hızda tasarruf eder ve decimasyon başka bir düşük maliyetli tasarım olabilir.
  • [FONT:0) Adaptif sipariş modifikasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0))Sistem edilebilirlik:[Dönetici:0)) Bu dinamik karmaşık ölçeklendirme, basit bir aktivite dektör tarafından kontrol edilebilir.

Örnek: Bir bileğin en kötü şekilde tespit sistemi, kullanıcı sabit olduğunda dördüncü sıra yerine ikinci sıralı IIR yüksekpass filtre kullanabilir, güç tüketimini %20 azaltın.

6. Donanım-Software Co-Design for Ultra-Low Power

Birçok giyilebilir cihaz, belirli bir eğitim seti ve hafıza mimarisi için özel bir dijital sinyal işlemcisi (DSP) veya bir mikro kontrol cihazı içeren bir donanım MAC ünitesi ile bir mikro kontrol cihazı içermektedir.

  • [FONT:0)Circular tampon adresi:) Biquad yapıları içinde devlet değişken depolama için donanım dairesel tampon kullanın. çoğu DSPs bunu ek adres hesaplama olmadan destekler.
  • [Tek Eğitim, Birden Fazla Veri:) Bazı ARM Cortex-M4/7 çekirdekleri aynı anda iki 16 bit MAC işlemine uygun olarak, filtre katsayıları 16 bit oranında hesaplanırsa, iki tane biyokud bölüm tek bir MAC döngüsünde hesaplanabilir.
  • [FONT:0)Clock gating and sleep modları:), sadece sensör verilerinin mevcut olduğunda çalışan bir görevde filtreyi uygulama. örnekleri arasında MCU'nun düşük güç uyku modlarını kullanın. Birçok mikrokontrolörleri donanım filtresi periferilere sahiptir (örneğin, KURUMSAL, KORDIC, dijital filtre koprocessor) bağımsız olarak çalıştırılabilir.
  • [FONT=0)Zero-overhead loops: Unroll loops for correct-order filter cezalarını ortadan kaldırmak için.Inline code olarak uygulanan üçüncü sipariş, döngü tabanlı bir uygulamadan% 30 daha hızlı çalışır.

Pratik Vaka Çalışması: ECG Signal Filtreleme Akıllı Bir İzlemede Filtreleme

Bu stratejileri göstermek için, 250 Hz. Ham sinyalinin temelel yürüyüş (0.5 Hz ve aşağıda), güç-line müdahale (50/60 Hz), ve yüksek frekanslı kas gürültüsünü reddetmek için tasarım hedefleri bu eserlerin 0,5 ila 40 Hz arasında bir geçiş bandı ile reddedilmesi ve 50 Hz.

Geleneksel bir yaklaşım, dörtüncü sipariş Butterworth bandpass IIR filtre (bir iki biquads) ile yüzen bir noktada, MAC sayılarını örnek olarak ölçen 10 MAC işlemi gerektirir.Tek başına filtrelemek için toplam güç tüketimi yaklaşık 0,5 mW.'ye kadar uzanır ve 16-bit SIMD MAC'lere geçiş yaparak: toplam 10 adet şarj edilebilir maksimum talimatların toplam 8 dB stopağı ile toplam talimatlarını yerine getirebilir.

Ek olarak, 50 Hz. filtre için bir güç-iki kat kullanarak (bir ayrı biquad olarak basitleştirilmiş), notch filtre 3 MAC yerine sadece 3 geçiş-add işlemleri gerektirir. Genel filtre zinciri sadece 0.2 mW – orijinal tasarımdan% 60 azaltılabilir - diğer sinyal kalitesi ölçümlerini korur (SNR'de 1 dB'de orijinal).

Bu optimizasyon, ECG satın alma ve filtrelemeyi 150 mAh batarya üzerinde sürekli olarak çalıştırmaya izin verdi, orijinal uygulama ile 16 saat ile karşılaştırıldı.

Meydanlar ve Ticaret-offs

Her optimizasyon potansiyel pitfalls getirir. Order azaltımı, yarı-zero analizinin ölçümleme aşamasının (örneğin, multi-channel EEG) Yeterli ölçüm, pole-zero analizini her zaman ölçümleme katlarını azaltabilir.

Geliştiriciler ayrıca güç akımı hafıza erişiminden de dikkate almalıdır.SRAM'daki katsayılar dinamik gücü etkiler; katlar için DMA transferleri kullanılarak CPU döngülerini azaltabilir. Sık sık sık sık kullanılan FFT'nin kendisi güç tüketiyor - sadece filtre siparişi ekonomik hale getirmek için yeterince yüksekse kullanılır (tipik olarak 50 sipariş).

Son olarak, gerçek dünya sensör sinyalleri ile test etmek önemlidir. Sayılama eserleri sine-yoğu testlerinde imkansız olabilir ancak gerçek ECG veya PPG dalgaformlarında fark edilir. Hedef cihazdan temsilci verileri ile her zaman doğrulanır.

Dış Kaynaklar ve Daha Fazla Okuma

  • [FONT:0)Analog Cihazları: Dijital Sinyal İşleme Eğitim Kütüphanesi) – Covers IIR filtre tasarımı ve sabit nokta uygulamaları.
  • [[Dönetici:0)IEEE Paper: Power Optimized Digital filter for Wearable devices[[Dönetici: 1 ) – Donanım-yuware bölümlerini tartışır.
  • [FONT:0)Mouser Electronics: Low-Power Filtreleme, Giyim edilebilirler[[[Dönetici: 1 ) - bileşen seçimine pratik kılavuz.
  • [FONT:0]DSPRelated: Free IIR Filtresi Tasarım Kitabı[Dönetici: 1) - Kataliz ölçümünün derinlemesine matematiksel tedavisi.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

IIR filtreler, giyilebilir cihazlardaki sinyal işlemenin temel taşı olarak kalır.Recursive yapısı, doğal olarak düşük sipariş uygulamaları sunar, ancak tasarımcılar sınırlı kelime uzunluğu, bellek ve enerji kısıtları ile sınırlı olarak hareket ederler.Bir sipariş azaltma, akıllı katlama, kalibre tasarımı, bir sonraki nesil sağlık monitörleri için anahtar bir donanım kullanımı, geliştiriciler, temel performansları feda etmeden 50-80 oranında hesaplama karmaşıklığı azaltmalıdır.