Algorithms and VLSI architectures for parametric additive synthesis

A parametric additive synthesis approach to sound synthesis is advantageous as it can model sounds in a large scale manner, unlike the classical sinusoidal additive based synthesis paradigms. It is known that a large body of naturally occurring sounds are resonant in character and thus fit the concept well. This thesis is concerned with the computational optimisation of a super class of form ant synthesis which extends the sinusoidal parameters with a spread parameter known as band width. Here a modified formant algorithm is introduced which can be traced back to work done at IRCAM, Paris. When impulse driven, a filter based approach to modelling a formant limits the computational work-load. It is assumed that the filter's coefficients are fixed at initialisation, thus avoiding interpolation which can cause the filter to become chaotic. A filter which is more complex than a second order section is required. Temporal resolution of an impulse generator is achieved by using a two stage polyphase decimator which drives many filterbanks. Each filterbank describes one formant and is composed of sub-elements which allow variation of the formant’s parameters. A resource manager is discussed to overcome the possibility of all sub- banks operating in unison. All filterbanks for one voice are connected in series to the impulse generator and their outputs are summed and scaled accordingly. An explorative study of number systems for DSP algorithms and their architectures is investigated. I invented a new theoretical mechanism for multi-level logic based DSP. Its aims are to reduce the number of transistors and to increase their functionality. A review of synthesis algorithms and VLSI architectures are discussed in a case study between a filter based bit-serial and a CORDIC based sinusoidal generator. They are both of similar size, but the latter is always guaranteed to be stable

A computer-aided design for digital filter implementation

Imperial Users onl

A high-performance inner-product processor for real and complex numbers.

A novel, high-performance fixed-point inner-product processor based on a redundant binary number system is investigated in this dissertation. This scheme decreases the number of partial products to 50%, while achieving better speed and area performance, as well as providing pipeline extension opportunities. When modified Booth coding is used, partial products are reduced by almost 75%, thereby significantly reducing the multiplier addition depth. The design is applicable for digital signal and image processing applications that require real and/or complex numbers inner-product arithmetic, such as digital filters, correlation and convolution. This design is well suited for VLSI implementation and can also be embedded as an inner-product core inside a general purpose or DSP FPGA-based processor. Dynamic control of the computing structure permits different computations, such as a variety of inner-product real and complex number computations, parallel multiplication for real and complex numbers, and real and complex number division. The same structure can also be controlled to accept redundant binary number inputs for multiplication and inner-product computations. An improved 2's-complement to redundant binary converter is also presented

Residue Number System Based Building Blocks for Applications in Digital Signal Processing

Předkládaná disertační práce se zabývá návrhem základních bloků v systému zbytkových tříd pro zvýšení výkonu aplikací určených pro digitální zpracování signálů (DSP). Systém zbytkových tříd (RNS) je neváhová číselná soustava, jež umožňuje provádět paralelizovatelné, vysokorychlostní, bezpečné a proti chybám odolné aritmetické operace, které jsou zpracovávány bez přenosu mezi řády. Tyto vlastnosti jej činí značně perspektivním pro použití v DSP aplikacích náročných na výpočetní výkon a odolných proti chybám. Typický RNS systém se skládá ze tří hlavních částí: převodníku z binárního kódu do RNS, který počítá ekvivalent vstupních binárních hodnot v systému zbytkových tříd, dále jsou to paralelně řazené RNS aritmetické jednotky, které provádějí aritmetické operace s operandy již převedenými do RNS. Poslední část pak tvoří převodník z RNS do binárního kódu, který převádí výsledek zpět do výchozího binárního kódu. Hlavním cílem této disertační práce bylo navrhnout nové struktury základních bloků výše zmiňovaného systému zbytkových tříd, které mohou být využity v aplikacích DSP. Tato disertační práce předkládá zlepšení a návrhy nových struktur komponent RNS, simulaci a také ověření jejich funkčnosti prostřednictvím implementace v obvodech FPGA. Kromě návrhů nové struktury základních komponentů RNS je prezentován také podrobný výzkum různých sad modulů, který je srovnává a determinuje nejefektivnější sadu pro různé dynamické rozsahy. Dalším z klíčových přínosů disertační práce je objevení a ověření podmínky určující výběr optimální sady modulů, která umožňuje zvýšit výkonnost aplikací DSP. Dále byla navržena aplikace pro zpracování obrazu využívající RNS, která má vůči klasické binární implementanci nižší spotřebu a vyšší maximální pracovní frekvenci. V závěru práce byla vyhodnocena hlavní kritéria při rozhodování, zda je vhodnější pro danou aplikaci využít binární číselnou soustavu nebo RNS.This doctoral thesis deals with designing residue number system based building blocks to enhance the performance of digital signal processing applications. The residue number system (RNS) is a non-weighted number system that provides carry-free, parallel, high speed, secure and fault tolerant arithmetic operations. These features make it very attractive to be used in high-performance and fault tolerant digital signal processing (DSP) applications. A typical RNS system consists of three main components; the first one is the binary to residue converter that computes the RNS equivalent of the inputs represented in the binary number system. The second component in this system is parallel residue arithmetic units that perform arithmetic operations on the operands already represented in RNS. The last component is the residue to binary converter, which converts the outputs back into their binary representation. The main aim of this thesis was to propose novel structures of the basic components of this system in order to be later used as fundamental units in DSP applications. This thesis encloses improving and designing novel structures of these components, simulating and verifying their efficiency via FPGA implementation. In addition to suggesting novel structures of basic RNS components, a detailed study on different moduli sets that compares and determines the most efficient one for different dynamic range requirements is also presented. One of the main outcomes of this thesis is concluding and verifying the main condition that should be met when choosing a moduli set, in order to improve the timing performance of a DSP application. An RNS-based image processing application is also proposed. Its efficiency, in terms of timing performance and power consumption, is proved via comparing it with a binary-based one. Finally, the main considerations that should be taken into account when choosing to use the binary number system or RNS are also discussed in details.

Digital signal processing application based on residue number system

Tato práce se zabývá systémem zbytkových tříd a jeho aplikacemi v digitálních obvodech. První část se zabývá VHDL návrhem různých typů sčítaček v systému zbytkových tříd a jejich porovnání se standartními sčítačkami. V druhé části je implementován obrázkový processor který pracuje v systému zbytkových tříd a jeho výkonostní analýza. V textu je popsán postup návrhu a jsou prezentovány výsledky analýz.This work deals with residue number system and its applications in digital circuits. The first part is VHDL design of different adder types in residue number system and their comparison with regular adders. The second part is VHDL implementation of image processor that computes in residue number system and its performance analysis. Presented text contains description of design procedures and presentation of analysis results.