Power and performance analysis for compact dual-band radiometers

Abstract

This thesis presents a study about the power consumption and performance analysis for a portable, ultra-low power and small total power L-band radiometer. This study explores two processing system architectures: the ZYNQ 7010 and the ARM A8 embedded microprocessor. The processing algorithm based in C++ was tested for different clock frequencies, ADC sampling speeds and sizes of ADC buffer. To reduce the power consumption and the algorithm execution time, high-level and system-level optimizations, along with a fixed-point Q (16,16) data representation, were applied to the main code running on LINUX Debian V8. In the case with the ZYNQ 7010, the optimizations had no notable impact on reducing power or execution time in comparison with the ARM A8, where significant variations were measured as a function of optimizations type. The analysis showed a tradeoff between power consumption and algorithm performance, limiting the processing capability and the system flight time, the ZYNQ 7010 ran the algorithm faster, but the power consumption was higher in comparison with the ARM A8. The implementation of the fixed-point Q (16,16) representation allowed us to reduce the power consumption and the execution time in both architectures. Based on these results, we developed a heuristic methodology to minimize power consumption and increase the performance in the processing of radiometric data. The savings in energy consumption of the radiometer during 20 minutes of flight was 48% after applying the proposed heuristic methodology. The size of the radiometer has been reduced to 30 cm x 30 cm x 10 cm, weigh 1.36 kg. allowing these systems to become portable, low cost, and be carried by small drones to scan a large area. The results were validated measuring salinity in the Caribbean Sea of Puerto Rico.

Esta tesis presenta un estudio acerca del análisis del consumo de potencia y desempeño de un portable, de ultra bajo consumo de potencia y pequeño radiómetro de potencia total en banda L. Este estudio explora dos arquitecturas de sistema de procesamiento el ZYNQ 7010 y el microprocesador embebido ARM A8. El algoritmo de procesamiento está basado en C++ y fue probado para diferentes frecuencias de reloj, velocidades de muestreo del ADC y tamaños de la memoria de almacenamiento para las muestras del ADC. Con el propósito de reducir potencia y el tiempo de ejecución del algoritmo, optimizaciones a alto nivel y a nivel del sistema junto con representación de datos de punto fijo en el formato Q (16,16) fueron aplicadas al programa principal corriendo en LINUX Debian V8. En el caso del ZYNQ 7010, las optimizaciones no tuvieron un impacto notable en reducir potencia o el tiempo de ejecución en comparación con el ARM A8 donde variaciones significativas fueron medidas. Estos resultados mostraron una variación inversamente proporcional entre el consumo de potencia y el tiempo de ejecución del algoritmo limitando la capacidad de procesamiento y el tiempo de vuelo del sistema. Sin embargo, el ZYNQ 7010 ejecutó el algoritmo más rápido pero el consumo de potencia fue mayor en comparación con el ARM A8. La implementación del formato punto fijo Q (16,16) permitió reducir el consumo de potencia y el tiempo de ejecución en ambas arquitecturas. Basado en estos resultados se desarrolló una metodología heurística para minimizar el consumo de potencia y el tiempo de ejecución en el procesamiento de data radiométrica. El ahorro en energía del radiómetro durante un vuelo de 20 minutos fue de 48% después de aplicar la metodología propuesta. El tamaño del radiómetro ha sido reducido a un tamaño de 30 cm x 30 cm x 10 cm, un peso de 1.36 kilogramos permitiendo a estos sistemas ser portables, de bajo costo y ser cargados por drones para escanear un área extensa. Los resultados fueron validados midiendo salinidad en el mar caribe de la costa de Puerto Rico.