"Igazi" jelfeldolgozás vezetéknélküli szenzorhálózatban Orosz György 1. éves PhD hallgató Konzulensek: Dr. Péceli Gábor Dr. Sujbert László

„Igazi” jelfeldolgozás  Valós idejű jelfeldolgozás  Folyamatos adatáramlás  Gyors adatgyűjtés és feldolgozás  Nagy sávszélesség kihasználás  Hard real-time követelmények  Alkalmazás: aktív zajcsökkentés  Visszacsatolt szabályzási rendszer

Aktív zajcsökkentő rendszer mote 1 mote N mote 2 DSP mote N+1 kodek DSP kártya referenciajel C(z)C(z) A(z)A(z) n e y y’y’ e : maradó zaj y n : zaj – + C(z)  Zajérzékelés szenzorhálózattal  Működés  Lineáris modell  Jelölések: C (z): zajcsökkentő algoritmus n: zaj y: beavatkozójel y’: beavatkozójel a mikrofonoknál e: maradó zaj: e = d – y’ A (z): másodlagos út átviteli függvénye – kritikus pont – Lineáris modell:

Hardver komponensek  ADSP ET-KIT Lite fejlesztői kártya 32-bites lebegőpontos 40 MHz Sztereo kodek assembly nyelv  ADSP ET-KIT Lite fejlesztői kártya 32-bites lebegőpontos 330 MHz; dual core 8 kimeneti DA csatorna 2 bemeneti AD csatorna C / assembly nyelv JelfeldolgozásSzenzorhálózat  Berkelely mote-ok ATmega128-as 8 bites mikrokontroller rádiós IC tápforrás  Csatlakoztatható szenzorkártya  TinyOS Moduláris felépítés Ütemezési egységek:  HW megszakítás  Esemény (event)  Taszk  prioritás

Mintavétel időzítés 1.  Ütemezési problémák (prioritások) Eredeti időzítőJavított időzítő

Mintavétel időzítés 2. Véletlen ingadozások (jitter) Max. backoff time nő

Mintavétel időzítés 3.  Állandó időzítési hibák Felharmonikusok + keveredési termékek

Szinkronizáció 1. Mintavétel csúszás  késleltetés változás Késleltetés változás  A(z) változás

Szinkronizáció 2. t fi(t)fi(t) mintavétel N div  i. mote számlálójának időfüggvénye: f i (t)  Szinkronizáció más megfogalmazásban: f i (t)-k fázismerev kapcsolata; állandó φ ij  Megoldás: szoftver PLL  Szinkronizáció szükségessége: eltérő órajel frekvenciák  Időzítő működése (programozható órajelosztó) t fj(t)fj(t) mintavétel N div φ ij

Szinkronizáció 3. Építőelemek megvalósítása:  Fázisdetektor: mintavételezés szinkronüzenet érkezésekor  VCO  Szabályzó referencia időzítő S/H szabályzó hangolható időzítő – TaTa T loc IT f kvarc_2 f kvarc_ref N div üzenetérkezés időpontjai

Szinkronizáció 4.  Elcsúszás métréke  frekvencia hiba ~ 5 ppm  Ütemezés miatt nem egyenletes elcsúszás detektálható

Szinkronizáció 5.  Szinkronizált állapot paraméterei: Beállás: 40 msec Hiba: ±5 μsec 1800 Hz mintavételi frekvencián  Szabályzási algoritmus: P szabályzó; 25·T s időközönként

Szinkronizáció 6. Szinkronizálatlan állapot Szinkronizált állapot Számított eltérés ~3 ppm (50% hiba)

Hálózati felépítés 1.  Jellemző adatok: kbps soros adatátvitel 250 kbps rádiós adatátvitel TinyOS csomag: 40 byte  11 header/footer  29 hasznos adat  Determinisztikus működés  determinisztikus protokoll adattovábbítás adott sorrendben (25 mintánként)  Referencia kijelölése mote 0 mote 1 mote 2 mote 3 Átjáró DSP : adat : token : szinkronüzenet Hálózati szerkezet: mote-ok – átjáró adatgyűjtés interfész

Hálózati felépítés 2.  Probléma: a DSP mintavételi frekvenciája fix, nem szinkronizálható a fenti algoritmussal  Átjáró DSP: szinkronizáció interpolációval

Hálózat kiterjesztése  Kis sávszélesség  Adatmennyiség redukálása  Zajcsökkentés periodikus jelre  Fourier felbontás a mote-okon  Probléma: számításigény

Fourier analizátor  Megfigyelő alapú struktúra  Megvalósítási nehézségek: 8 bites ALU Kis órajel frekvencia Assembly kódszegmensek  Bázisfüggvény szinkronizáció: DSP  átjáró átjáró  hálózat 1 N 1 z-1 1 c* 1,n c* 2,n c 1,n c 2,n x’ n cN,ncN,n 1 z-1 c* N,n – xnxn + enen X1X1 X2X2 XNXN c k,n = e j2πf 1 ·k·n egy rezonátor csatorna

Hálózati működés mote 0 mote 1 mote 2 mote 3 Átjáró DSP t t t t t TpTp átjáró mote 0 mote 1 mote 2 T win_0 T win_1 T win_2 T win_0 T win_i : i. mote időkerete T p : egy hálózati periódus : adatot tartalmazó üzenet : szinkronizációs üzenet

Szinkronizációs problémák 1. Prioritások kezelése Eltérő rezonátorszámhoz tartozó felvételek

Szinkronizációs problémák 2. Javított üzenetdetektálás

Fourier analizátor teszteredménye

Bázisfüggvény szinkronizálás  Egyező névleges frekvencia  Egyező eltérés adott referenciajeltől : komplex Fourier-együttható pillanatértéke : komplex Fourier-együttható végpontjának trajektóriája

Spektrumanalízis mote-okkal Ventillátorzaj spektrumfelvétele: spektrum-letapogatással

Összefoglalás  Tesztkörnyezetként való alkalmazás vezetéknélküli visszacsatolt jelfeldolgozó rendszerek vizsgálatához  Rendszer megvalósítása nagyobb teljesítményű jelfeldolgozó kártyával  lehetőség nagyobb rendszer vizsgálatára (akár több 10 érzékelő)

Köszönöm a figyelmet!