Low-complexity fazı Değiştirilmesi Algorithms Gömülü Sistemler için

Faz modulation, dijital iletişim sistemlerinde temel bir tekniktir, özellikle de işleme gücü, hafıza ve enerji sıkı bir şekilde sınırlıdır. Düşük karmaşıklık faz modülasyon algoritmaları, güç tüketimini azaltırken, donanım ve minimz kod boyutunun uygulanması için pratik stratejiler geliştirir.Bu makale, kaynak-konstut ortamlarda etkili modülasyon uygulama stratejileri, algoritma tasarımı, sayısal yöntemler ve gerçek dünya ticaret-offlarını kapsar.

Katmanlı Contexts'te faz Modulation in Emersoned Contexts

Faz modulation, bir taşıyıcı sinyalinin anlık aşamasına göre bir referansla göre değişmektedir. Bir gömülü sistemde, modulation algoritması sınırlı CPU döngüleri ve gerçek zamanlı bellek olmadan mikrokontrollü veya DSP üzerinde çalışmalıdır.Instructions-pointsing radios on strong systems, gömülü vericiler genellikle sabit nokta arithmetic, küçük göz işaretli masalarda çalışır ve kesintiye yol açma süresiz.

Kablosuz sensör düğümleri, IoT etiketleri, uzaktan anahtarsız giriş ve düşük güç telemetrisi, İkili Aşama Anahtarlama (BPSK) veya Quadrature fazı Anahtarlama (QPSK) gibi basit bir aşama modülasyon şemalarına güvenmektedir.

Konsüller Düşük Komplexite Tasarımı

gömülü sistemler için faz modülasyon algoritmalarının tasarımı, masaüstü veya FPGA tabanlı uygulamalardan farklı birkaç temel kısıtlamayı ele almak gerektirir.

Sınırlı İşleme

Gömülü işlemciler genellikle on ila yüzlerce megahertz'da çalışır ve donanım multipliers veya yüzen birimleri yetersiz kalabilirler. Bu nedenle, algoritmaların mümkün olan birkaç düzine saat döngüsünde üretilmelidir. Kompleks arithmetic (e.g., sine/cosine değerlendirme Taylor serisi aracılığıyla) kolayca kullanılabilir döngüler.

Memory and Storage Constraints

Örneğin, 16-bit çözünürlükte 1024 adet tam bir sine tablonun 2 KB'ye girişleri ile minimuma kadar masaya oturmaları gerekir. Örneğin, 16-bit çözünürlükte 1024 adet giriş ile tam bir sine tablo 2 KB - toplam hafıza mühendislerinin faz çözünürlüğüne ve harmonik bozulmaya karşı tablo boyutunun önemli bir kısmı.

Güç Verimliliği

Battery-güçlü cihazlar CPU'yu aktif zaman en aza indirmek ve aktarmalar arasındaki derin uykuyu sağlar. Low-complexity modulation, sembolün başına talimatları azaltır, daha düşük dinamik gücü kullanarak. Ek olarak, daha basit faz eyaletlerini kullanarak analog cephedeki kayıpları azaltabilirsiniz.

Gerçek Zaman Timing Determinism

Faz modulation genellikle sıkı bir sembolün üzerinde çalışır. zamanlama süresi boyunca tüm paketi bozdurmalıdır. Algoritmalar en kötü durumda yürütme süresi (WCET) sınırlanmış ve bilinen göz ardı edilir.Sesme masaları ve sabit nokta arithmetici yardımı her sembolü için aynı.

Algoritma için Zorunlu Stratejiler Simplification

Birkaç kanıtlanmış teknik, sinyal kalitesi felaket kaybı olmadan faz modülasyonunun hesaplama yükünü azaltır.

Sabit-Point Arithmetic Over Floating-Point

FPU'lar olmadan gömülü mikro kontroller yazılımda yüz yüzen noktaya gelmelidir, bu yavaş ve sarışın bir şekilde temsil edilebilir. sabit nokta temsili (örneğin, Q15 format) haritalar tamsayılara göre değerler ve karşılaştırmalar basit tamsayılı işlemlere izin vermek gerekir.Bu tür bir boyutsal hızlar için geçerli olacaktır.

Sine ve Cosine için Tablolar

Sabit nokta arithmetic, CORDIC veya polinomi ile kosinasyonla ilgili olarak, ROM veya flash'te depolanan tablolar O'nun (% 0,5) tek bir depolama değerine erişmesini sağlar.

Faz Devleti Azalt

Yüksek sipariş moduülasyon (8-PSK, 16-QAM) daha kesin aşama açılarını ve daha sıkı hata toleranslarını gerektirir, birçok gömülü bağlantı için BPSK veya QPSK yeterli veri oranları sağlar.Daha az faz eyaletlerini kullanarak haritaları faz geçişlerini basitleştirir ve üretmek için farklı çıktı değerlerini azaltır. Ayrıca yerel oscillator özelliklerini rahatlatır.

Doğrudan Dijital Synthesis (DDS) faz Accumulator ile

Bir aşama cumulator yaklaşımı, per-symbol sine hesaplamaları için ihtiyaç ortadan kaldırır.Dönderlik her örnek dönemde sabit bir adım atarak gelir.Bu yapı son derece verimlidir - tek per-sample işlemleri tam olarak bir ek olarak, bir tablo okuması ve muhtemelen çok fazla bir modlama ekler.

In-Depth Örnek: İkili Aşama Değiştirilmesi (BPSK)

BPSK, 180° tarafından ayrılmış iki faz devleti kullanarak en basit aşama modulation şemasıdır. Düşük karmaşıklığı onu gömülü vericiler için bir temel haline getirir.

Mapping ve Uygulama

Veri miktarları faz geçişleri için haritalanır: 0 → 0° dengeleme, 1 → 180° dengeleme. DDS kullanarak, verici mevcut aşamaya uygun bir değer tutar.Yeni bir miktar geldiğinde (en sembolün oranı), faz dengesi 1 veya }} (tam ölçekli £ saatine kadar) bir DAC veya PW pin'ye eklenir.

Demolama

While this article focuses on modulation, it is worth noting that low-complexity modulation often pairs with simple non-coherent or differentially coherent demodulation (e.g., differential BPSK). This avoids the need for carrier recovery loops, further reducing receiver complexity. For more on BPSK, see the BPSK description on Wikipedia.

Trade-offs

BPSK'nın basitliği, spektral verimliliğinin maliyetine gelir: sadece 1 bit sembolü iletilebilir. Daha yüksek veri oranları için mühendisler QPSK (2 bit / asibol) ile dört faz devleti (180, 90°, 180°, 20.5) QPSK, uygulama koşulları ve kanal koşulları üzerinde değerlendirilmelidir.

Gelişmiş Low-Complexity Teknikleri

BPSK'dan biraz daha fazla bağlantıya ihtiyaç duyan gömülü sistemler için, ancak hala tam QPSK'yi karşılayamaz, orta yaklaşımlar vardır.

Offset QPSK (OQPSK)

OQPSK 180°'nin faz geçişlerini azaltır, çünkü tek bir kanalı geciktirmek için ek bir zamanlama kontrolü gerektirir, ancak güç yükselticiliği genellikle telafi edilir.

Asgari Geçiş Anahtarlama (MSK)

MSK, fazın lineer olarak geliştiğinin sürekli olarak, bir engeli bırakmadan, OQPSK olarak yarı-sinusoidal pulu şekillendirmenin düşünülmesidir. aşama cumulator yaklaşımı doğal olarak çalışır: aşama sabit değildir, ancak verilerden elde edilir. MSK sürekli olarak (gönüllüsel modasyon) ve mükemmel bir şekilde değiştirilebilir. Uygulama karmaşıklığı, biraz daha büyük bir görünüme sahiptir; bu da boş bir fazda görünür.

KORDIC Algoritma için

Hesaplama Dijital Bilgisayar (CORDIC) algoritması, hafıza son derece sıkı (örneğin,Wikipedia'nın KORDIC makalesi kullanılarak) gözlüğü yerine getirebilir.For stage modulation, KURUMSALDIC, son derece sıkıysa görünüm tablosunu değiştirebilir (örneğinWikipedia'nın KORDIC makalesi).

Pratik Uygulamayı Değerlendirme

Algoritmanın ötesinde, birkaç sistem düzeyinde faktör düşük karmaşıklık faz modülasyonunun gerçek dünya performansını etkiler.

Faz Gürültü ve Jitter

Mükemmel faz kontrolü altındaki düşük çözünürlük algoritmalarının faz gürültü ve jitter. Low-complexite modulation algoritmalarının yüksek derecede yüksek güvenilirlikleri kullanarak.Forffer encoding (e.g, DPSK) bağlantılarını yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaş yavaşlamak için sağlam bir şekilde engelleyebilir.

Sampling Rate and Anti-Aliasing

DAC veya PWM çıktı oranı, modlu sinyalin en yüksek frekans bileşeni olmalıdır (Nyquist). QPSK için 100 kHz sembolü ile 1 MHz taşıyıcısı, bantlama hedefleri ile ilgili 100 kHz, bu yüzden 200 kS / DAC yeterli olur. ancak, faz şarj cihazı minimum filtreleme oranı ile artar.

Gerçek Zamanlı Yollama

Modulation rutini genellikle zamanlayıcı bir kesintiye uğratılır. Kesme servisi rutin (ISR) kısa tutulmalıdır: faz dengelemesi, cumulator'u satın almak, teslim öncesi kayıt için yaz. Context tasarrufu ve geri yükleme optimize edilmemiş bir görünüm tablosunu RAM'ta veya doğrudan bellek erişimi ile şarj etmek (DMA) kodlayabilir. Örneğin, bir DMA kanalı önceden onaylayabilir. Context tasarrufu ve geri yükleme işlemine kadar sabit bir oranta hükmedebilir. CPU'da sadece bir kez sürümüne kadar yükleme işlemine hükmedebilir.

Benchmarking Kompleksi

Karmaşık azalmayı ölçmek için, tipik bir 8-bit mikrokontrolü (örneğin, Atmel AVR) BPSK'yı DDS ile uygulamak: per-sample işlemleri şunlardır:

Bu, örneğin yaklaşık 5-10 döngüdür. 200 kHz örnek bir oranda, CPU modulation'da 1-2 MIPS'yi harcıyor, protokol kullanımı veya sensör okuması için çok fazla kafa odası bırakıyor. Karşılaştırmalı bir yüze uygulama, örnek ve bir FPU emulation kütüphanesi için düzinelerce döngü gerektirecektir, artan kod büyüklüğü ve güç çizer.

QPSK için, üst düzey çiftler (iki faz cumulator veya bir tane kosine+ sine) Doğrulanmış ve buffers, doğrusal interpolasyon ile 256-kırıklık masasını kullanarak birkaç daha fazla döngü ekler, ancak hala 16 bit MCU'da örnek olarak 20'nin altında bulunur.

Uygulama Örnekleri

Kablosuz Sensör Ağları

Sensör düğümleri arasında düşük güç RF transceivers (örneğin, ISM grubu 868/915 MHz) genellikle özel bir çip üzerinde basit bir faz modülatörü yer alır. Ancak, BPSK, OOK ve MSK arasında geçiş yapabilecek esnek, yazılım tanımlı modüller için, bir MCU tabanlı uygulama çekicidir.

Alt bant IoT Tags

Aktif RFID etiketleri ve uzaktan kontroller, OOK veya FSK'yı geleneksel olarak kullanır, ancak daha iyi gürültü bağışıklığı için BPSK popülerlik kazanıyor. Düşük komplikeli algoritma, ucuz 4bit MCU'nun taşıyıcı frekansına doğrudan yük oluşturabileceğinden emin olur (frekansiyonel anahtarlama yaklaşımı) veya bir PWM aşamasıyla birlikte 1 KB'nin altında olabilir.

Ses ve Ultrasonik Data Links

Gürültünün kısa menzilli veri iletimi (örneğin, mikrofonlar ve konuşmacılar) ultrasonik grupta faz modülasyonunu kullanabilir. Örnek oranları düşük olduğundan (~48 kHz), modulation algoritması son derece basit olabilir. 16- veya 32-fazlı bir ara tablo için mesaj için yeterli kaliteli sağlar.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Düşük karmaşıklık faz modülasyon algoritmaları, kaynakların minimum güç tüketimi ile ilgili başarılı gömülü sistem dağıtımları için gereklidir. Sabit nokta arithmetic, kompakt göz masaları, faz cumulator mimarisi ve azaltıcı sinyal durumu, mühendisler düşük maliyetli mikro kontroller üzerinde çalışan güvenilir modüller oluşturabilir.En az karmaşıklık, bellek ve veri oranı arasındaki ticaret kesintileri uygulama gereksinimlerine karşı dikkatli bir şekilde uygulama tekniklerine karşı dikkatli olmalıdır.