New algorithms and VLSI architectures for SRT division and square root

In real time digital signal processing, high performance modules for division and square root are essential if many powerful algorithms are to be implemented. In this paper, a new radix 2 algorithms for SRT division and square root are developed. For these new schemes, the result digits and the residuals are computed concurrently and the computations in adjacent rows are overlapped. Consequently, their performance should exceed that of the radix 2 SRT methods. VLSI array architectures to implement the new division and square root schemes are also presented.

Architectural synthesis of an image processing algorithm using IRIS

Details are presented of the IRIS synthesis system for high-performance digital signal processing. This tool allows non-specialists to automatically derive VLSI circuit architectures from high-level, algorithmic representations, and provides a quick route to silicon implementation. The applicability of the system is demonstrated using the design example of a one-dimensional Discrete Cosine Transform circuit.

Constant scale factor, on-line CORDIC algorithm in the circular coordinate system

Real time digital signal processing requires the development of high performance arithmetic algorithms suitable for VLSI design. In this paper, a new online, circular coordinate system CORDIC algorithm is described, which has a constant scale factor. This algorithm was developed using a new Angular Representation (AR) model A radix 2 version of the CORDIC algorithm is presented, along with an architecture suitable for VLSI implementation.

Data Mapping for Unreliable Memories

Future digital signal processing (DSP) systems must provide robustness on algorithm and application level to the presence of reliability issues that come along with corresponding implementations in modern semiconductor process technologies. In this paper, we address this issue by investigating the impact of unreliable memories on general DSP systems. In particular, we propose a novel framework to characterize the effects of unreliable memories, which enables us to devise novel methods to mitigate the associated performance loss. We propose to deploy specifically designed data representations, which have the capability of substantially improving the system reliability compared to that realized by conventional data representations used in digital integrated circuits, such as 2's-complement or sign-magnitude number formats. To demonstrate the efficacy of the proposed framework, we analyze the impact of unreliable memories on coded communication systems, and we show that the deployment of optimized data representations substantially improves the error-rate performance of such systems.

BER evaluation of a low complexity transmit diversity scheme and its application to MIMO-BICM

In this paper, we first provide a theoretical validation for a low-complexity transmit diversity algorithm which employs only one RF chain and a low-complexity switch for transmission. Our theoretical analysis is compared to the simulation results and proved to be accurate. We then apply the transmit diversity scheme to multiple-input and multiple-output (MIMO) systems with bit-interleaved coded modulation (BICM). © 2012 IEEE.

Synthesizable high performance adaptive equaliser and viterbi decoder for the class-IV PRML channel

The design and VLSI implementation of two key components of the class-IV partial response maximum likelihood channel (PR-IV) the adaptive filter and the Viterbi decoder are described. These blocks are implemented using parameterised VHDL modules, from a library of common digital signal processing (DSP) and arithmetic functions. Design studies, based on 0.6 micron 3.3V standard cell processes, indicate that worst case sampling rates of 49 mega-samples per second are achievable for this system, with proportionally high sampling rates for full custom designs and smaller dimension processes. Significant increases in the sampling rate, from 49 MHz to approximately 180 MHz, can be achieved by operating four filter modules in parallel, and this implementation has 50% lower power consumption than a pipelined filter operating at the same speed.

Novel Application of Genetic Sequencing algorithms to optimisation of hardware resource sharing for DSP

Field programmable gate array (FPGA) technology is a powerful platform for implementing computationally complex, digital signal processing (DSP) systems. Applications that are multi-modal, however, are designed for worse case conditions. In this paper, genetic sequencing techniques are applied to give a more sophisticated decomposition of the algorithmic variations, thus allowing an unified hardware architecture which gives a 10-25% area saving and 15% power saving for a digital radar receiver.

Design and optimization next generation passive all-optical networks

Este trabalho investiga novas metodologias para as redes óticas de acesso de próxima geração (NG-OAN). O trabalho está dividido em quatro tópicos de investigação: projeto da rede, modelos numéricos para efeitos não lineares da fibra ótica, impacto dos efeitos não lineares da fibra ótica e otimização da rede. A rede ótica de acesso investigada nesse trabalho está projetado para suprir os requisitos de densidade de utilizadores e cobertura, isto é, suportar muitos utilizadores ( 1000) com altas velocidades de conexão dedicada ( 1 Gb/s) ocupando uma faixa estreita do espectro ( 25 nm) e comprimentos de fibra ótica até 100 km. Os cenários são baseados em redes óticas passivas com multiplexagem por divisão no comprimento de onda de alta densidade (UDWDM-PON) utilizando transmissores/receptores coerentes nos terminais da rede. A rede é avaliada para vários ritmos de transmissão usando formatos de modulação avançados, requisitos de largura de banda por utilizador e partilha de banda com tecnologias tradicionais de redes óticas passivas (PON). Modelos numéricos baseados em funções de transferência das séries de Volterra (VSTF) são demonstrados tanto para a análise dos efeitos não lineares da fibra ótica quanto para avaliação do desempenho total da rede. São apresentadas as faixas de potência e distância de transmissão nas quais as séries de Volterra apresentam resultados semelhantes ao modelo referência Split-Step Fourier (SSF) (validado experimentalmente) para o desempenho total da rede. Além disso, um algoritmo, que evita componentes espectrais com intensidade nulo, é proposto para realizar cálculos rápidos das séries. O modelo VSTF é estendido para identificar unicamente os efeitos não lineares da fibra ótica mais relevantes no cenário investigado: Self-Phase Modulation (SPM), Cross-Phase Modulation (XPM) e Four-Wave Mixing (FWM). Simulações numéricas são apresentadas para identificar o impacto isolado de cada efeito não linear da fibra ótica, SPM, XPM e FWM, no desempenho da rede com detecção coerente UDWDM-PON, transportando canais com modulação digital em fase (M-ária PSK) ou modulação digital em amplitude (M-ária QAM). A análise numérica é estendida para diferentes comprimentos de fibra ótica mono modo (SSMF), potência por canal e ritmo de transmissão por canal. Por conseguinte, expressões analíticas são extrapoladas para determinar a evolução do SPM, XPM e FWM em função da potência e distância de transmissão em cenários NG-OAN. O desempenho da rede é otimizada através da minimização parcial da interferência FWM (via espaçamento desigual dos canais), que nesse caso, é o efeito não linear da fibra ótica mais relevante. Direções para melhorias adicionas no desempenho da rede são apresentados para cenários em que o XPM é relevante, isto é, redes transportando formatos de modulação QAM. A solução, nesse caso, é baseada na utilização de técnicas de processamento digital do sinal.

Characterization and modelling of software defined radio front-ends

O presente trabalho tem por objectivo estudar a caracterização e modelação de arquitecturas de rádio frequência para aplicações em rádios definidos por software e rádios cognitivos. O constante aparecimento no mercado de novos padrões e tecnologias para comunicações sem fios têm levantado algumas limitações à implementação de transceptores rádio de banda larga. Para além disso, o uso de sistemas reconfiguráveis e adaptáveis baseados no conceito de rádio definido por software e rádio cognitivo assegurará a evolução para a próxima geração de comunicações sem fios. A ideia base desta tese passa por resolver alguns problemas em aberto e propor avanços relevantes, tirando para isso partido das capacidades providenciadas pelos processadores digitais de sinal de forma a melhorar o desempenho global dos sistemas propostos. Inicialmente, serão abordadas várias estratégias para a implementação e projecto de transceptores rádio, concentrando-se sempre na aplicabilidade específica a sistemas de rádio definido por software e rádio cognitivo. Serão também discutidas soluções actuais de instrumentação capaz de caracterizar um dispositivo que opere simultaneamente nos domínios analógico e digital, bem como, os próximos passos nesta área de caracterização e modelação. Além disso, iremos apresentar novos formatos de modelos comportamentais construídos especificamente para a descrição e caracterização não-linear de receptores de amostragem passa-banda, bem como, para sistemas nãolineares que utilizem sinais multi-portadora. Será apresentada uma nova arquitectura suportada na avaliação estatística dos sinais rádio que permite aumentar a gama dinâmica do receptor em situações de multi-portadora. Da mesma forma, será apresentada uma técnica de maximização da largura de banda de recepção baseada na utilização do receptor de amostragem passa-banda no formato complexo. Finalmente, importa referir que todas as arquitecturas propostas serão acompanhadas por uma introdução teórica e simulações, sempre que possível, sendo após isto validadas experimentalmente por protótipos laboratoriais.

Fuzzy Ensembles for Embedding Adaptive Behaviours in Semi-Autonomous Avatars in 3D Virtual Worlds

Semi-autonomous avatars should be both realistic and believable. The goal is to learn from and reproduce the behaviours of the user-controlled input to enable semi-autonomous avatars to plausibly interact with their human-controlled counterparts. A powerful tool for embedding autonomous behaviour is learning by imitation. Hence, in this paper an ensemble of fuzzy inference systems cluster the user input data to identify natural groupings within the data to describe the users movement and actions in a more abstract way. Multiple clustering algorithms are investigated along with a neuro-fuzzy classifier; and an ensemble of fuzzy systems are evaluated.

A Framework for Human-like Behavior in an Immersive Virtual World

Just as readers feel immersed when the story line adheres to their experiences, users will more easily feel immersed in a virtual environment if the behavior of the characters in that environment adheres to their expectations, based on their lifelong observations in the real world. This paper introduces a framework that allows authors to establish natural, human-like behavior, physical interaction and emotional engagement of characters living in a virtual environment. Represented by realistic virtual characters, this framework allows people to feel immersed in an Internet based virtual world in which they can meet and share experiences in a natural way as they can meet and share experiences in real life. Rather than just being visualized in a 3D space, the virtual characters (autonomous agents as well as avatars representing users) in the immersive environment facilitate social interaction and multi-party collaboration, mixing virtual with real.

Automatic parallelization of matricial algorithms

The introduction of parallel processing architectures allowed the real time impelemtation of more sophisticated control algorithms with tighter specifications in terms of sampling time. However, to take advantage of the processing power of these architectures the control engeneer, due to the lack of appropriate tools, must spend a considerable amount of time in the parallelizaton of the control algorithm.