Improving Energy Efficiency of OFDM Using Adaptive Precision Reconfigurable FFT

International audienceBeing an essential issue in digital systems, especially battery-powered devices, energy efficiency has been the subject of intensive research. In this research, a multi-precision FFT module with dynamic run-time reconfigurability is proposed to trade off accuracy with the energy efficiency of OFDM in an SDR-based architecture. To support variable-size FFT, a reconfigurable memory-based architecture is investigated. It is revealed that the radix-4 FFT has the minimum computational complexity in this architecture. Regarding implementation constraints such as fixed-width memory, a noise model is exploited to statistically analyze the proposed architecture. The required FFT word-lengths for different criteria—namely BER, modulation scheme, FFT size, and SNR—are computed analytically and confirmed by simulations in AWGN and Rayleigh fading channels. At run-time, the most energy-efficient word-length is chosen and the FFT is reconfigured until the required application-specific BER is met. Evaluations show that the implementation area and the number of memory accesses are reduced. The results obtained from synthesizing basic operators of the proposed design on an FPGA show energy consumption experienced a saving of over 80 %

Approximate hardening techniques for digital signal processing circuits against radiation-induced faults

RESUMEN NO TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID por sus siglas en inglés), o por distorsiones en el silicio sobre el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o fallos destructivos en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE por sus siglas en inglés). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA comerciales, dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos de prueba endurecidos mediante TMR y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA): • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. De este modo se pueden disminuir los recursos necesitados por el circuito, aunque las correcciones en caso de fallo son menos precisas que en el TMR. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está pensada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí. Las réplicas redundantes calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales, lo que reduce su tamaño y permite correcciones aproximadas en caso de fallo. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Las réplicas redundantes se forman como bloques que calculan resultados intermedios y el resultado de su composición se puede comparar con el resultado original. Este método permite reducir recursos y proporciona resultados de corrección exactos en la mayor parte de los casos, lo que supone una mejora importante con respecto a las correcciones de los métodos anteriores. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. En concreto, se han realizado ensayos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y ensayos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido).RESUMEN TÉCNICO. Se llama radiación al proceso por el cual una partícula o una onda es capaz de transmitir energía a través del espacio o un medio material. Si la energía transmitida es suficientemente alta, la radiación puede provocar que algunos electrones se desplacen de su posición, en un proceso llamado ionización. La radiación ionizante puede provocar problemas a los seres vivos, pero también a los diversos materiales que componen los sistemas eléctricos y electrónicos utilizados en entornos sujetos a radiación. Existen en La Tierra varios procesos que emiten radiación ionizante, como la obtención de energía en centrales nucleares o ciertos procedimientos médicos. Sin embargo, las fuentes de radiación más importantes se sitúan más allá de nuestra atmósfera y afectan fundamentalmente a sistemas aeroespaciales y vuelos de gran altitud. Debido a la radiación, los sistemas electrónicos que se exponen a cualquiera de estas fuentes sufren degradación en sus propiedades a lo largo del tiempo y pueden sufrir fallos catastróficos que acorten su vida útil. El envejecimiento de los componentes se produce por acumulación de carga eléctrica en el material, lo que se conoce como Dosis Ionizante Total (TID, Total Ionizing Dose), o por distorsiones acumuladas en la matriz cristalina del silicio en el que se fabrican los circuitos, lo que se conoce como Daño por Desplazamiento (DD, Displacement Damage). Una única partícula ionizante puede, sin embargo, provocar también diversos tipos de fallos transitorios o permanentes en los componentes de un circuito, generalmente por un cambio de estado en un elemento de memoria o la activación de circuitos parasitarios en un transistor. Los diferentes tipos de fallos producidos en circuitos por la acción de una única partícula ionizante se engloban en la categoría de Efectos de Evento Único (SEE, Single Event Effects). Para proteger los sistemas electrónicos frente a los efectos de la radiación se suele recurrir a un conjunto de técnicas que llamamos endurecimiento frente a radiación. Los procedimientos tradicionales de endurecimiento han consistido en la fabricación de componentes electrónicos mediante procesos especiales que les confieran una resistencia inherente frente a la TID, el DD y los SEE. A este conjunto de técnicas de endurecimiento se lo conoce como Endurecimiento frente a la Radiación Por Proceso (RHBP, por sus siglas en inglés). Estos procedimientos suelen aumentar el coste de los componentes y empeorar su rendimiento con respecto a los componentes que usamos en nuestros sistemas electrónicos cotidianos. En oposición a las técnicas RHBP encontramos las técnicas de Endurecimiento frente a la Radiación Por Diseño (RHBD, por sus siglas en inglés). Estas técnicas permiten detectar y tratar de corregir fallos producidos por la radiación introduciendo modificaciones en los circuitos. Estas modificaciones suelen aumentar la complejidad de los circuitos que se quiere endurecer, haciendo que consuman más energía, ocupen más espacio o funcionen a menor frecuencia, pero estas desventajas se pueden compensar con la disminución de los costes de fabricación y la mejora en las prestaciones que aportan los sistemas modernos. En un intento por reducir el coste de las misiones espaciales y mejorar sus capacidades, en los últimos años se trata de introducir un mayor número de Componentes Comerciales (COTS, por sus siglas en inglés), endurecidos mediante técnicas RHBD. Las técnicas RHBD habituales se basan en la adición de elementos redundantes idénticos al original, cuyos resultados se pueden comparar entre sí para obtener información acerca de la existencia de un error (si sólo se usa un circuito redundante, Duplicación Con Comparación [DWC, Duplication With Comparison]) o llegar incluso a corregir un error detectado de manera automática, si se emplean dos o más réplicas redundantes, siendo el caso más habitual la Redundancia Modular Triple (TMR, Triple Modular Redundancy) en todas sus variantes. El trabajo desarrollado en esta Tesis gira en torno a las técnicas de endurecimiento RHBD de sistemas electrónicos comerciales. En concreto, se trata de proponer y caracterizar nuevas técnicas de endurecimiento que permitan reducir el alto consumo de recursos de las técnicas utilizadas habitualmente. Para ello, se han desarrollado técnicas de endurecimiento que aprovechan cálculos aproximados para detectar y corregir fallos en circuitos electrónicos digitales para procesamiento de señal implementados en FPGA (Field Programmable Gate Array) comerciales. Las FPGA son dispositivos que permiten implementar circuitos electrónicos digitales diseñados a medida y reconfigurarlos tantas veces como se quiera. Su capacidad de reconfiguración y sus altas prestaciones las convierten en dispositivos muy interesantes para aplicaciones espaciales, donde realizar cambios en los diseños no suele ser posible una vez comenzada la misión. La reconfigurabilidad de las FPGA permite corregir en remoto posibles problemas en el diseño, pero también añadir o modificar funcionalidades a los circuitos implementados en el sistema. La eficacia de las técnicas de endurecimiento desarrolladas e implementadas en FPGAs se ha probado mediante experimentos de inyección de fallos y mediante ensayos en instalaciones de aceleradores de partículas preparadas para la irradiación de dispositivos electrónicos. Los ensayos de radiación son el estándar industrial para probar el comportamiento de todos los sistemas electrónicos que se envían a una misión espacial. Con estos ensayos se trata de emular de manera acelerada las condiciones de radiación a las que se verán sometidos los sistemas una vez hayan sido lanzados y determinar su resistencia a TID, DD y/o SEEs. Dependiendo del efecto que se quiera observar, las partículas elegidas para la radiación varían, pudiendo elegirse entre electrones, neutrones, protones, iones pesados, fotones... Particularmente, los ensayos de radiación realizados en este trabajo, tratándose de un estudio de técnicas de endurecimiento para sistemas electrónicos digitales, están destinados a establecer la sensibilidad de los circuitos estudiados frente a un tipo de SEE conocido como Single Event Upset (SEU), en el que la radiación modifica el valor lógico de un elemento de memoria. Para ello, hemos recurrido a experimentos de radiación con protones en el Centro Nacional de Aceleradores (CNA, España), el Paul Scherrer Institut (PSI, Suiza) y experimentos de radiación con neutrones en el laboratorio ISIS Neutron and Muon Source (ChipIR, Reino Unido). La sensibilidad de un circuito suele medirse en términos de su sección eficaz (cross section) con respecto a una partícula determinada, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y el número de partículas ionizantes por unidad de área utilizadas en la campaña de radiación. Esta métrica sirve para estimar el número de fallos que provocará la radiación a lo largo de la vida útil del sistema, pero también para establecer comparaciones que permitan conocer la eficacia de los sistemas de endurecimiento implementados y ayudar a mejorarlos. El método de inyección de fallos utilizado en esta Tesis como complemento a la radiación se basa en modificar el valor lógico de los datos almacenados en la memoria de configuración de la FPGA. En esta memoria se guarda la descripción del funcionamiento del circuito implementado en la FPGA, por lo que modificar sus valores equivale a modificar el circuito. En FPGAs que utilizan la tecnología SRAM en sus memorias de configuración, como las utilizadas en esta Tesis, este es el componente más sensible a la radiación, por lo que es posible comparar los resultados de la inyección de fallos y de las campañas de radiación. Análogamente a la sección eficaz, en experimentos de inyección de fallos podemos hablar de la tasa de error, calculada como el cociente entre el número de fallos encontrados y la cantidad de bits de memoria inyectados. A lo largo de esta Tesis se han desarrollado diferentes circuitos endurecidos mediante Redundancia Modular Triple y se ha comparado su rendimiento con los de otras técnicas de Redundancia Aproximada, en concreto la Redundancia de Precisión Reducida (RPR), la Redundancia de Resolución Reducida (RRR) y la Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos (ORCA). Estas dos últimas son contribuciones originales presentadas en esta Tesis. • La Redundancia de Precisión Reducida se basa en la utilización de dos réplicas redundantes que calculan resultados con un menor número de bits que el circuito original. Para cada dato de salida se comparan el resultado del circuito original y los dos resultados de precisión reducida. Si los dos resultados de precisión reducida son idénticos y su diferencia con el resultado de precisión completa es mayor que un determinado valor umbral, se considera que existe un fallo en el circuito original y se utiliza el resultado de precisión reducida para corregirlo. En cualquier otro caso, el resultado original se considera correcto, aunque pueda contener errores tolerables por debajo del umbral de comparación. En comparación con un circuito endurecido con TMR, los diseños RPR utilizan menos recursos, debido a la reducción en la precisión de los cálculos de los circuitos redundantes. No obstante, esto también afecta a la calidad de los resultados obtenidos cuando se corrige un error. En este trabajo exploramos también la RPR Escalada como un método de obtener un balance óptimo entre la precisión y el consumo de recursos. En esta variante de la técnica RPR, los resultados de cada etapa de cálculo en los circuitos redundantes tienen una precisión diferente, incrementándose hacia las últimas etapas, en las que el resultado tiene la misma precisión que el circuito original. Con este método se logra incrementar la calidad de los datos corregidos a la vez que se reducen los recursos utilizados por el endurecimiento. Los resultados de las campañas de radiación y de inyección de fallos realizadas sobre los diseños endurecidos con RPR sugieren que la reducción de recursos no sólo es beneficiosa por sí misma en términos de recursos y energía utilizados por el sistema, sino que también conlleva una reducción de la sensibilidad de los circuitos, medida tanto en cross section como en tasa de error. • La Redundancia de Resolución Reducida es una técnica propuesta originalmente en esta tesis. Está indicada para algoritmos que trabajan con información en forma de paquetes cuyos datos individuales guardan alguna relación entre sí, como puede ser un algoritmo de procesamiento de imágenes. En la técnica RRR, se añaden dos circuitos redundantes que calculan los resultados con una fracción de los datos de entrada originales. Tras el cálculo, los resultados diezmados pueden interpolarse para obtener un resultado aproximado del mismo tamaño que el resultado del circuito original. Una vez interpolados, los resultados de los tres circuitos pueden ser comparados para detectar y corregir fallos de una manera similar a la que se utiliza en la técnica RPR. Aprovechando las características del diseño hardware, la disminución de la cantidad de datos que procesan los circuitos de Resolución Reducida puede traducirse en una disminución de recursos, en lugar de una disminución de tiempo de cálculo. De esta manera, la técnica RRR es capaz de reducir el consumo de recursos en comparación a los que se necesitarían si se utilizase un endurecimiento TMR. Los resultados de los experimentos realizados en diseños endurecidos mediante Redundancia de Resolución Reducida sugieren que la técnica es eficaz en reducir los recursos utilizados y, al igual que pasaba en el caso de la Redundancia de Precisión Reducida, también su sensibilidad se ve reducida, comparada con la sensibilidad del mismo circuito endurecido con Redundancia Modular Triple. Además, se observa una reducción notable de la sensibilidad de los circuitos frente a errores no corregibles, comparado con el mismo resultado en TMR y RPR. Este tipo de error engloba aquellos producidos por fallos en la lógica de comparación y votación o aquellos en los que un único SEU produce fallos en los resultados de dos o más de los circuitos redundantes al mismo tiempo, lo que se conoce como Fallo en Modo Común (CMF). No obstante, también se observa que la calidad de las correcciones realizadas utilizando este método empeora ligeramente. • La Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos es también una aportación original de esta tesis. Está indicada para algoritmos cuyo resultado final puede expresarse como la composición de resultados intermedios calculados en etapas anteriores. Para endurecer un circuito usando esta técnica, se añaden dos circuitos redundantes diferentes entre sí y que procesan cada uno una parte diferente del conjunto de datos de entrada. Cada uno de estos circuitos aproximados calcula un resultado intermedio. La composición de los dos resultados intermedios da un resultado idéntico al del circuito original en ausencia de fallos. La detección de fallos se realiza comparando el resultado del circuito original con el de la composición de los circuitos aproximados. En caso de ser diferentes, se puede determinar el origen del fallo comparando los resultados aproximados intermedios frente a un umbral. Si la diferencia entre los resultados intermedios supera el umbral, significa que el fallo se ha producido en uno de los circuitos aproximados y que el resultado de la composición no debe ser utilizado en la salida. Al igual que ocurre en la Redundancia de Precisión Reducida y la Redundancia de Resolución Reducida, utilizar un umbral de comparación implica la existencia de errores tolerables. No obstante, esta técnica de endurecimiento permite realizar correcciones exactas, en lugar de aproximadas, en la mayor parte de los casos, lo que mejora la calidad de los resultados con respecto a otras técnicas de endurecimiento aproximadas, al tiempo que reduce los recursos utilizados por el sistema endurecido en comparación con las técnicas tradicionales. Los resultados de los experimentos realizados con diseños endurecidos mediante Redundancia Optimizada para Algoritmos Compuestos confirman que esta técnica de endurecimiento es capaz de producir correcciones exactas en un alto porcentaje de los eventos. Su sensibilidad frente a todo tipo de errores y frente a errores no corregibles también se ve disminuida, comparada con la obtenida con Redundancia Modular Triple. Los resultados presentados en esta Tesis respaldan la idea de que las técnicas de Redundancia Aproximada son alternativas viables a las técnicas de endurecimiento frente a la radiación habituales, siempre que

Crexens™: an expandable general-purpose electrochemical analyzer

2019 Fall.Includes bibliographical references.Electrochemical analysis has gained a great deal of attention of late due to its low-cost, easy-to-perform, and easy-to-miniaturize, especially in personal health care where accuracy and mobility are key factors to bring diagnostics to patients. According to data from Centers for Medicare & Medicaid Services (CMS) in the US, the share of health expenditure in the US has been kept growing in the past 3 decades and reached 17.9% of its overall Gross Domestic Product till 2016, which is equivalent to $10,348 for every person in the US per year. On the other hand, health care resources are often limited not only in rural area but also appeared in well-developed countries. The urgent need and the lack of health resource brings to front the research interest of Point-of-Care (PoC) diagnosis devices. Electrochemical methods have been largely adopted by chemist and biologist for their research purposes. However, several issues exist within current commercial benchtop instruments for electrochemical measurement. First of all, the current commercial instruments are usually bulky and do not have handheld feature for point-of-care applications and the cost are easily near$5,000 each or above. Secondly, most of the instruments do not have good integration level that can perform different types of electrochemical measurements for different applications. The last but not the least, the existing generic benchtops instruments for electrochemical measurements have complex operational procedures that require users to have a sufficient biochemistry and electrochemistry background to operate them correctly. The proposed Crexens™ analyzer platform is aimed to present an affordable electrochemical analyzerwhile achieving comparable performance to the existing commercial instruments, thus, making general electrochemical measurement applications accessible to general public. In this dissertation, the overall Crexens™ electrochemical analyzer architecture and its evolution are presented. The foundation of the Crexens™ architecture was derived from two separate but related research in electrochemical sensing. One of them is a microelectrode sensor array using CMOS for neurotransmitter sensing; the other one is a DNA affinity-based capacitive sensor for infectious disease, such as ZIKA. The CMOS microelectrode sensor array achieved a 320uM sensitivity for norepinephrine, whereas the capacitive sensor achieved a dynamic range of detection from 1 /uL to 105 /uL target molecules (20 to 2 million targets), which makes it be within the detection range in a typical clinical application environment. This dissertation also covers the design details of the CMOS microelectrode array sensor and the capacitive sensor design as a prelude to the development of the Crexens™ analyzer architecture. Finally, an expandable integrated electrochemical analyzer architecture (Crexens™) has been designed for mobile point-of-care (POC) applications. Electrochemical methods have been explored in detecting various bio-molecules such as glucose, lactate, protein, DNA, neurotransmitter, steroid hormone, which resulted in good sensitivity and selectivity. The proposed system is capable of running electrochemical experiments including cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), electrochemical capacitive spectroscopy (ECS), amperometry, potentiometry, and other derived electrochemical based tests. This system consist of a front-end interface to sensor electrodes, a back-end user interface on smart phone and PC, a base unit as master module, a low-noise add-on module, a high-speed add-on module, and a multi-channel add-on module. The architecture allows LEGO™-like capability to stack add-on modules on to the base-unit for performance enhancements in noise, speed or parallelism. The analyzer is capable of performing up to 1900 V/s CV with 10 mV step, up to 12 kHz EIS scan range and a limit of detection at 637 pA for amperometric applications with the base module. With high performance module, the EIS scan range can be extended upto 5 MHz. The limit of detection can be further improved to be at 333 fA using the low-noise module. The form factor of the electrochemical analyzer is designed for its mobile/point-of-care applications, integrating its entire functionality on to a 70 cm² area of surface space. A glutamine enzymatic sensor was used to valid the capability of the proposed electrochemical analyzer and turned out to give good linearity and reached a limit of detection at 50 uM

Realizing Software Defined Radio - A Study in Designing Mobile Supercomputers.

The physical layer of most wireless protocols is traditionally implemented in custom hardware to satisfy the heavy computational requirements while keeping power consumption to a minimum. These implementations are time consuming to design and difficult to verify. A programmable hardware platform capable of supporting software implementations of the physical layer, or Software Defined Radio (SDR), has a number of advantages. These include support for multiple protocols, faster time-to-market, higher chip volumes, and support for late implementation changes. The challenge is to achieve this under the power budget of a mobile device. Wireless communications belong to an emerging class of applications with the processing requirements of a supercomputer but the power constraints of a mobile device -- mobile supercomputing. This thesis presents a set of design proposals for building a programmable wireless communication solution. In order to design a solution that can meet the lofty requirements of SDR, this thesis takes an application-centric design approach -- evaluate and optimize all aspects of the design based on the characteristics of wireless communication protocols. This includes a DSP processor architecture optimized for wireless baseband processing, wireless algorithm optimizations, and language and compilation tool support for the algorithm software and the processor hardware. This thesis first analyzes the software characteristics of SDR. Based on the analysis, this thesis proposes the Signal-Processing On-Demand Architecture (SODA), a fully programmable multi-core architecture that can support the computation requirements of third generation wireless protocols, while operating within the power budget of a mobile device. This thesis then presents wireless algorithm implementations and optimizations for the SODA processor architecture. A signal processing language extension (SPEX) is proposed to help the software development efforts of wireless communication protocols on SODA-like multi-core architecture. And finally, the SPIR compiler is proposed to automatically map SPEX code onto the multi-core processor hardware.Ph.D.Computer Science & EngineeringUniversity of Michigan, Horace H. Rackham School of Graduate Studieshttp://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/2027.42/61760/1/linyz_1.pd

Fast Fourier transforms on energy-efficient application-specific processors

Many of the current applications used in battery powered devices are from digital signal processing, telecommunication, and multimedia domains. Traditionally application-specific fixed-function circuits have been used in these designs in form of application-specific integrated circuits (ASIC) to reach the required performance and energy-efficiency. The complexity of these applications has increased over the years, thus the design complexity has increased even faster, which implies increased design time. At the same time, there are more and more standards to be supported, thus using optimised fixed-function implementations for all the functions in all the standards is impractical. The non-recurring engineering costs for integrated circuits have also increased significantly, so manufacturers can only afford fewer chip iterations. Although tailoring the circuit for a specific application provides the best performance and/or energy-efficiency, such approach lacks flexibility. E.g., if an error is found after the manufacturing, an expensive chip iteration is required. In addition, new functionalities cannot be added afterwards to support evolution of standards. Flexibility can be obtained with software based implementation technologies. Unfortunately, general-purpose processors do not provide the energy-efficiency of the fixed-function circuit designs. A useful trade-off between flexibility and performance is implementation based on application-specific processors (ASP) where programmability provides the flexibility and computational resources customised for the given application provide the performance. In this Thesis, application-specific processors are considered by using fast Fourier transform as the representative algorithm. The architectural template used here is transport triggered architecture (TTA) which resembles very long instruction word machines but the operand execution resembles data flow machines rather than traditional operand triggering. The developed TTA processors exploit inherent parallelism of the application. In addition, several characteristics of the application have been identified and those are exploited by developing customised functional units for speeding up the execution. Several customisations are proposed for the data path of the processor but it is also important to match the memory bandwidth to the computation speed. This calls for a memory organisation supporting parallel memory accesses. The proposed optimisations have been used to improve the energy-efficiency of the processor and experiments show that a programmable solution can have energy-efficiency comparable to fixed-function ASIC designs

Signal processing architectures for automotive high-resolution MIMO radar systems

To date, the digital signal processing for an automotive radar sensor has been handled in an efficient way by general purpose signal processors and microcontrollers. However, increasing resolution requirements for automated driving on the one hand, as well as rapidly growing numbers of manufactured sensors on the other hand, can provoke a paradigm change in the near future. The design and development of highly specialized hardware accelerators could become a viable option - at least for the most demanding processing steps with data rates of several gigabits per second. In this work, application-specific signal processing architectures for future high-resolution multiple-input and multiple-output (MIMO) radar sensors are designed, implemented, investigated and optimized. A focus is set on real-time performance such that even sophisticated algorithms can be computed sufficiently fast. The full processing chain from the received baseband signals to a list of detections is considered, comprising three major steps: Spectrum analysis, target detection and direction of arrival estimation. The developed architectures are further implemented on a field-programmable gate array (FPGA) and important measurements like resource consumption, power dissipation or data throughput are evaluated and compared with other examples from literature. A substantial dataset, based on more than 3600 different parametrizations and variants, has been established with the help of a model-based design space exploration and is provided as part of this work. Finally, an experimental radar sensor has been built and is used under real-world conditions to verify the effectiveness of the proposed signal processing architectures.Bisher wurde die digitale Signalverarbeitung für automobile Radarsensoren auf eine effiziente Art und Weise von universell verwendbaren Mikroprozessoren bewältigt. Jedoch können steigende Anforderungen an das Auflösungsvermögen für hochautomatisiertes Fahren einerseits, sowie schnell wachsende Stückzahlen produzierter Sensoren andererseits, einen Paradigmenwechsel in naher Zukunft bewirken. Die Entwicklung von hochgradig spezialisierten Hardwarebeschleunigern könnte sich als eine praktikable Alternative etablieren - zumindest für die anspruchsvollsten Rechenschritte mit Datenraten von mehreren Gigabits pro Sekunde. In dieser Arbeit werden anwendungsspezifische Signalverarbeitungsarchitekturen für zukünftige, hochauflösende, MIMO Radarsensoren entworfen, realisiert, untersucht und optimiert. Der Fokus liegt dabei stets auf der Echtzeitfähigkeit, sodass selbst anspruchsvolle Algorithmen in einer ausreichend kurzen Zeit berechnet werden können. Die komplette Signalverarbeitungskette, beginnend von den empfangenen Signalen im Basisband bis hin zu einer Liste von Detektion, wird in dieser Arbeit behandelt. Die Kette gliedert sich im Wesentlichen in drei größere Teilschritte: Spektralanalyse, Zieldetektion und Winkelschätzung. Des Weiteren werden die entwickelten Architekturen auf einem FPGA implementiert und wichtige Kennzahlen wie Ressourcenverbrauch, Stromverbrauch oder Datendurchsatz ausgewertet und mit anderen Beispielen aus der Literatur verglichen. Ein umfangreicher Datensatz, welcher mehr als 3600 verschiedene Parametrisierungen und Varianten beinhaltet, wurde mit Hilfe einer modellbasierten Entwurfsraumexploration erstellt und ist in dieser Arbeit enthalten. Schließlich wurde ein experimenteller Radarsensor aufgebaut und dazu benutzt, die entworfenen Signalverarbeitungsarchitekturen unter realen Umgebungsbedingungen zu verifizieren

RHINO software-defined radio processing blocks

This MSc project focuses on the design and implementation of a library of parameterizable, modular and reusable Digital IP blocks designed around use in Software-Defined Radio (SDR) applications and compatibility with the RHINO platform. The RHINO platform has commonalities with the better known ROACH platform, but it is a significantly cut-down and lowercost alternative which has similarities in the interfacing and FPGA/Processor interconnects of ROACH. The purpose of the library and design framework presented in this work aims to alleviate some of the commercial, high cost and static structure concerns about IP cores provided by FPGA manufactures and third-party IP vendors. It will also work around the lack of parameters and bus compatibility issues often encountered when using the freely available open resources. The RHINO hardware platform will be used for running practical applications and testing of the blocks. The HDL library that is being constructed is targeted towards both novice and experienced low-level HDL developers who can download and use it for free, and it will provide them experience of using IP Cores that support open bus interfaces in order to exploit SoC design without commercial, parameter and bus compatibility limitations. The provided modules will be of particularly benefit to the novice developers in providing ready-made examples of processing blocks, as well as parameterization settings for the interfacing blocks and associated RF receiver side configuration settings; all together these examples will help new developers establish effective ways to build their own SDR prototypes using RHINO