FPGA Implementation of Gaussian Mixture Model Algorithm for 47 fps Segmentation of 1080p Video

Circuits and systems able to process high quality video in real time are fundamental in nowadays imaging systems. The circuit proposed in the paper, aimed at the robust identification of the background in video streams, implements the improved formulation of the Gaussian Mixture Model (GMM) algorithm that is included in the OpenCV library. An innovative, hardware oriented, formulation of the GMM equations, the use of truncated binary multipliers, and ROM compression techniques allow reduced hardware complexity and increased processing capability. The proposed circuit has been designed having commercial FPGA devices as target and provides speed and logic resources occupation that overcome previously proposed implementations. The circuit, when implemented on Virtex6 or StratixIV, processes more than 45 frame per second in 1080p format and uses few percent of FPGA logic resources

Transmitter architectures with digital modulators, D/A converters and switching-mode power amplifiers

This thesis is composed of nine publications and an overview of the research topic, which also summarises the work. The research described in this thesis focuses on research into the digitalisation of wireless communication base station transmitters. In particular it has three foci: digital modulation, D/A conversion and switching-mode power amplification. The main interest in the implementation of these circuits is in CMOS. The work summarizes the designs of several circuit blocks of a wireless transmitter base station. In the baseband stage, a multicarrier digital modulator that combines multiple modulated signals at different carrier frequencies digitally at baseband, and a multimode digital modulator that can be operated for three different communications standards, are implemented as integrated circuits. The digital modulators include digital power ramping and power level control units for transmission bursts. The upconversion of the baseband signal is implemented using an integrated digital quadrature modulator. The work presented provides insight into the digital-to-analogue interface in the transmitters. This interface is studied both by implementing an intermediate frequency D/A converter in BiCMOS technology and bandpass Delta-Sigma modulator-based D/A conversion in CMOS technology. Finally, the last part of the work discusses switching-mode power amplifiers which are experimented with both as discrete and integrated implementations in conjunction with 1-bit Delta-Sigma modulation and pulse-width modulation as input signal generation methods.Tämä väitöskirja koostuu yhdeksästä julkaisusta ja tutkimusaiheen yhteenvedosta. Väitöskirjassa esitetty tutkimus keskittyy langattaman viestinnän tukiasemien lähettimien digitalisoinnin tutkimukseen. Yksityiskohtaisemmin tutkimusalueet ovat: digitaalinen modulaatio, D/A muunnos ja kytkinmuotoiset tehovahvistimet. Näiden elektronisten piirien toteutuksessa keskitytään CMOS teknologiaan. Työ vetää yhteen useiden langattoman viestinnän tukiasemien lähettimien piirilohkojen suunnittelun. Kantataajuusasteella toteutetaan integroituna piirinä monikantoaaltoinen digitaalinen modulaattori, joka yhdistää useita moduloituja signaaleja eri kantoaalloilla digitaalisesti ja monistandardi digitaalinen modulaatori, joka tukee kolmea eri viestintästandardia. Digitaaliset modulaattoripiirit sisältävät digitaalisen tehoramping ja tehotason säätöyksikön lähetyspurskeita varten. Kantataajuussignaalin ylössekoitus toteutetaan integroitua digitaalista kvadratuurimodulaattoria käyttäen. Esitetty työ antaa näkemystä lähettimien digitalia-analogia rajapintaan, jota tutkitaan toteuttamalla välitaajuinen D/A muunnin BiCMOS teknologialla ja päästökaistainen Delta-Sigma-modulaattoripohjainen D/A muunnin CMOS teknologialla. Lopuksi työn viimeinen osa käsittelee kytkinmuotoisia tehovahvistimia, joita tutkitaan kokeellisesti sekä erilliskompontein toteutettuina piirein että integroiduin piirein toteutettuina käyttäen sisääntulosignaalin muodostamismenetemänä yksibittistä Delta-Sigma-modulaatiota ja pulssin leveys modulaatiota.reviewe

Digital signal processing and digital-to-analog converters for wide-band transmitters

In this thesis, the implementation methods of digital signal processing and digital-to-analog converters for wide-band transmitters are researched. With digital signal processing, the problems of analog signal processing, such as sensitivity to interference and nonidealities of the semiconductor processes, can be avoided. Also, the programmability can be implemented digitally more easily than by means of analog signal processing. During the past few years, wireless communications has evolved from analog to digital, and signal bandwidths have increased, enabling faster and faster data transmission. The evolution of semiconductor processes, decreasing linewidth and supply voltages, has decreased the size of the electronics and power dissipation, enabling the integration of larger and larger systems on single silicon chips. There is little overall benefit in decreasing linewidths to meet the needs of analog design, since it makes the design process more difficult as the device sizes cannot be scaled according to minimum linewidth and because of the decreasing supply voltage. On the other hand, the challenges of digital signal processing are related to the efficient realization of signal processing algorithms in such a way that the required area and power dissipation does not increase extensively. In this book, the problems related to digital filters, upconversion algorithms and digital-to-analog converters used in digital transmitters are researched. Research results are applied to the implementation of a transmitter for a third-generation WCDMA base-station. In addition, the theory of factors affecting the linearity and performance of digital-to-analog converters is researched, and a digital calibration algorithm for enhancement of the static linearity has been presented. The algorithm has been implemented together with a 16-bit converter; its functionality has been demonstrated with measurements.Tässä väitöskirjassa on tutkittu digitaalisen signaalinkäsittelyn toteuttamista ja digitaalisesta analogiseksi -muuntimia laajakaistaisiin lähettimiin. Digitaalisella signaalinkäsittelyllä voidaan välttää monia analogiseen signaalinkäsittelyyn liittyviä ongelmia, kuten häiriöherkkyyttä ja puolijohdeprosessien epäideaalisuuksien vaikutuksia. Myös ohjelmoitavuus on helpommin toteutettavissa digitaalisesti kuin analogisen signaalinkäsittelyn keinoin. Viime vuosina on langattomien tietoliikennejärjestelmien kehitys kulkenut analogisesta digitaaliseen, ja käytettävät signaalikaistanleveydet ovat kasvaneet mahdollistaen yhä nopeamman tiedonsiirron. Puolijohdeprosessien kehitys, kapeneva minimiviivanleveys ja pienemmät käyttöjännitteet, on pienentänyt elektroniikan kokoa ja tehonkulutusta mahdollistaen yhä suurempien kokonaisuuksien integroimisen yhdelle piisirulle. Viivanleveyksien pieneneminen ei kuitenkaan suoraan hyödytä analogiasuunnittelua, jossa piirielementtien kokoa ei välttämättä voida pienentää viivanleveyden pienentyessä, ja jossa madaltuva käyttöjännite ennemminkin hankaloittaa kuin helpottaa suunnittelua. Siksi yhä suurempi osa signaalinkäsittelystä pyritään tekemään digitaalisesti. Digitaalisen signaalinkäsittelyn ongelmat puolestaan liittyvät algoritmien tehokkaaseen toteuttamiseen siten, että piirien pinta-ala ja tehonkulutus eivät kasva liian suuriksi. Tässä kirjassa on tutkittu digitaalisessa lähettimessä tarvittavien digitaalisten suodattimien, ylössekoitusalgoritmien ja digitaalisesta analogiseksi -muuntimien toteuttamiseen liittyviä ongelmia. Tutkimustuloksia on sovellettu kolmannen sukupolven WCDMA-tukiasemalähettimen toteutuksessa. Lisäksi on tutkittu digitaalisesta analogiseksi -muuntimien lineaarisuuteen ja suorituskykyyn vaikuttavien seikkojen teoriaa, ja esitetty digitaalinen kalibrointialgoritmi muuntimen staattisen suorituskyvyn parantamiseksi. Algoritmi on toteutettu 16-bittisen muuntimen yhteydessä ja se on osoitettu toimivaksi mittauksin.reviewe

Direct digital frequency synthesizers with polynomial hyperfolding technique

A new approach to design the phase to sine mapper of a direct digital frequency synthesizer (DDFS) is presented. The proposed technique uses an optimized polynomial expansion of sine and cosine functions to achieve either a 60-dBc spurious free dynamic range (SFDR), with a second-order polynomial, or a 80-dBc SFDR, with third-order polynomials. Polynomial computation is done by using new canonical-signed-digit (CSD) hyperfolding technique. This approach exploits all the symmetries of polynomials parallel computation and uses CSD encoding to minimize hardware complexity. CSD hyperfolding technique is also presented in the paper. The performances of new DDFS compares favorably with circuits designed using state-of-the-art Cordic algorithm technique