美白フィルターの効果は低い

Oct 07, 2023

今日のペースが速く相互接続された世界では、低電力無線通信システムがますます重要な役割を果たしています。 これにより、ウェアラブル、IoT センサー、スマート ホーム ガジェットなどのデバイスが、エネルギーを節約しながら効率的にデータを送受信できるようになります。 ただし、これらのシステムでは、データ ストリーム内で同一ビットの長いシーケンスを送信するという特定の課題が発生する可能性があります。

無線機が通信チャネルを通じてコヒーレント ビットの連続ストリームを送信すると、同期の問題やシンボル間干渉 (ISI) の影響の強化など、さまざまな問題が発生する可能性があります。 これらの問題により、送信データの正確な受信が損なわれ、システム全体のパフォーマンスに影響が出る可能性があります。

この課題に取り組むために、エンジニアは「ホワイトニング」と呼ばれる信号処理技術をよく使用します。 次のセクションでは、ホワイトニング フィルターの基礎、その利点、さまざまな無線通信プロトコルでのアプリケーションについて詳しく説明します。

私たちが「ホワイトニング」について話すとき、私たちは基本的に信号をよりランダムに見せるプロセスについて話しています。 あなたが曲を聴いていると想像してください。 曲の音波を見ることができれば、時間の経過とともに繰り返されるパターンのように見えるでしょう。 この繰り返しパターンは、信号の相関と呼ばれるものです。

対照的に、チューニングされていないラジオからの静的ノイズを聞くと、パターンがなく、完全にランダムに聞こえます。これは、いわゆる白色信号または白色信号と呼ばれるものです。

データを送信する前に、よりランダムな形式にデータをスクランブルする必要があるのはなぜでしょうか? 問題は、現実世界の通信システムは完璧ではないということです。 送信信号は、送信機から受信機までの移動中にさまざまな要因の影響を受ける可能性があります。 たとえば、建物で反射したり (マルチパス伝播と呼ばれる現象)、伝送媒体の特性 (ノイズの存在など) によって歪んだりする可能性があります。

同一のシンボルの長い文字列 (たとえば、1 または 0 の長い文字列) がそのようなシステムを通じて送信されると、歪みはこれらすべてのシンボルに同様に影響を与えます。 その結果、歪みの影響はさらに大きくなります。

一方、データがよりランダムである場合 (ホワイトニング後の場合のように)、特定の歪みの影響が複数の連続するシンボルに同じように影響を与える可能性は低くなります。 これにより、ISI の影響が軽減され、受信機が各シンボルを正しく解釈しやすくなります。

ホワイトニングは、信号のパワーを周波数帯域全体に均等に分散するのにも役立ち、特定の周波数が過剰なパワーを伝送しないようにします。 多くの場合、規制機関には特定の周波数で送信できる電力量に関する規則があるため、これは重要です。

ホワイトニングされたデータを生成するには、連続的に変化する擬似ランダム シーケンスとペイロード データを XOR 演算します (図 1)。 この擬似ランダム シーケンスは通常、線形フィードバック シフト レジスタ (LFSR) を介して生成されます。

まず、LFSR についての背景を少し説明します。

LFSR は、前の状態の線形関数を入力として持つシフト レジスタです。 各ステップ (または「クロック サイクル」) で、レジスタ内のすべてのビットが次の位置にシフトされ、シフトインされる新しいビットは、レジスタの前の状態の一次関数の出力になります。 この関数は多くの場合、レジスタ内のいくつかの「タップされた」位置の単純な XOR (排他的論理和) です。

PN9 シーケンスでデータを XOR 演算することで白色化されたデータを生成する実際の例を見てみましょう。

PN (擬似ランダム ノイズ) シーケンスは、ランダムに見えますが、決定論的に生成されるビットのシーケンスです。 これは指定された長さを持ち、その後繰り返されます。この長さは 2n-1 として定義されます。

PN9 シーケンスの場合、29 - 1 = 511 状態になります。 クロックが供給されると、PN9 シーケンスは繰り返す前に 1 から 511 までのすべての値を擬似ランダムな順序で生成します。

PN9 は、多項式 x9+x5+x0 で表されます。 多項式は、LFSR のフィードバックまたは「タップ」ポイント (9 番目と 5 番目のビット) を決定します。 これは、クロック パルスごとに、9 つのレジスタ内のデータが 1 回右シフトされ、1 つの PN データがレジスタから出力され、ビット 0 (LSB) とビット 5 が XOR されて、シフトされる新しいビットが生成されることを意味します。次のクロックの MSB。