Numerical precision requirements on the Multiband Ultra-Wideband system for practical consumer electronic devices

This paper discusses the requirements on the numerical precision for a practical Multiband Ultra-Wideband (UWB) consumer electronic solution. To this end we first present the possibilities that UWB has to offer to the consumer electronics market and the possible range of devices. We then show the performance of a model of the UWB baseband system implemented using floating point precision. Then, by simulation we find the minimal numerical precision required to maintain floating-point performance for each of the specific data types and signals present in the UWB baseband. Finally, we present a full description of the numerical requirements for both the transmit and receive components of the UWB baseband. The numerical precision results obtained in this paper can then be used by baseband designers to implement cost effective UWB systems using System-on-Chip (SoC), FPGA and ASIC technology solutions biased toward the competitive consumer electronics market(1).

A block coprocessor for user data rate improvements to GPRS coding scheme 4

The general packet radio service (GPRS) has been developed to allow packet data to be transported efficiently over an existing circuit-switched radio network, such as GSM. The main application of GPRS are in transporting Internet protocol (IP) datagrams from web servers (for telemetry or for mobile Internet browsers). Four GPRS baseband coding schemes are defined to offer a trade-off in requested data rates versus propagation channel conditions. However, data rates in the order of > 100 kbits/s are only achievable if the simplest coding scheme is used (CS-4) which offers little error detection and correction (EDC) (requiring excellent SNR) and the receiver hardware is capable of full duplex which is not currently available in the consumer market. A simple EDC scheme to improve the GPRS block error rate (BLER) performance is presented, particularly for CS-4, however gains in other coding schemes are seen. For every GPRS radio block that is corrected by the EDC scheme, the block does not need to be retransmitted releasing bandwidth in the channel and improving the user's application data rate. As GPRS requires intensive processing in the baseband, a viable field programmable gate array (FPGA) solution is presented in this paper.

Improving CS-4 user data rate in GPRS enabled devices by using a BLER co-processor

The General Packet Radio Service (GPRS) was developed to allow packet data to be transported efficiently over an existing circuit switched radio network. The main applications for GPRS are in transporting IP datagram’s from the user’s mobile Internet browser to and from the Internet, or in telemetry equipment. A simple Error Detection and Correction (EDC) scheme to improve the GPRS Block Error Rate (BLER) performance is presented, particularly for coding scheme 4 (CS-4), however gains in other coding schemes are seen. For every GPRS radio block that is corrected by the EDC scheme, the block does not need to be retransmitted releasing bandwidth in the channel, improving throughput and the user’s application data rate. As GPRS requires intensive processing in the baseband, a viable hardware solution for a GPRS BLER co-processor is discussed that has been currently implemented in a Field Programmable Gate Array (FPGA) and presented in this paper.

Exploring carrier agents in swarm-array computing

How can a bridge be built between autonomic computing approaches and parallel computing systems? The work reported in this paper is motivated towards bridging this gap by proposing a swarm-array computing approach based on ‘Intelligent Agents’ to achieve autonomy for distributed parallel computing systems. In the proposed approach, a task to be executed on parallel computing cores is carried onto a computing core by carrier agents that can seamlessly transfer between processing cores in the event of a predicted failure. The cognitive capabilities of the carrier agents on a parallel processing core serves in achieving the self-ware objectives of autonomic computing, hence applying autonomic computing concepts for the benefit of parallel computing systems. The feasibility of the proposed approach is validated by simulation studies using a multi-agent simulator on an FPGA (Field-Programmable Gate Array) and experimental studies using MPI (Message Passing Interface) on a computer cluster. Preliminary results confirm that applying autonomic computing principles to parallel computing systems is beneficial.

Intelligent agents for fault tolerance: from multi-agent simulation to cluster-based implementation

Recent research in multi-agent systems incorporate fault tolerance concepts, but does not explore the extension and implementation of such ideas for large scale parallel computing systems. The work reported in this paper investigates a swarm array computing approach, namely 'Intelligent Agents'. A task to be executed on a parallel computing system is decomposed to sub-tasks and mapped onto agents that traverse an abstracted hardware layer. The agents intercommunicate across processors to share information during the event of a predicted core/processor failure and for successfully completing the task. The feasibility of the approach is validated by simulations on an FPGA using a multi-agent simulator, and implementation of a parallel reduction algorithm on a computer cluster using the Message Passing Interface.

A cluster-based implementation of a fault-tolerant parallel reduction algorithm using swarm-array computing

Recent research in multi-agent systems incorporate fault tolerance concepts. However, the research does not explore the extension and implementation of such ideas for large scale parallel computing systems. The work reported in this paper investigates a swarm array computing approach, namely ‘Intelligent Agents’. In the approach considered a task to be executed on a parallel computing system is decomposed to sub-tasks and mapped onto agents that traverse an abstracted hardware layer. The agents intercommunicate across processors to share information during the event of a predicted core/processor failure and for successfully completing the task. The agents hence contribute towards fault tolerance and towards building reliable systems. The feasibility of the approach is validated by simulations on an FPGA using a multi-agent simulator and implementation of a parallel reduction algorithm on a computer cluster using the Message Passing Interface.

A n-Bit Reconfigurable Scalar Quantiser

A reconfigurable scalar quantiser capable of accepting n-bit input data is presented. The data length n can be varied in the range 1... N-1 under partial-run time reconfiguration, p-RTR. Issues as improvement in throughput using this reconfigurable quantiser of p-RTR against RTR for data of variable length are considered. The quantiser design referred to as the priority quantiser PQ is then compared against a direct design of the quantiser DIQ. It is then evaluated that for practical quantiser sizes, PQ shows better area usage when both are targeted onto the same FPGA. Other benefits are also identified.

Improving mW/MHz ratio in FPGAs pipelined designs

This paper presents a simple clocking technique to migrate classical synchronous pipelined designs to a synchronous functional-equivalent alternative system in the context of FPGAs. When the new pipelined design runs at the same throughput of the original design, around 30% better mW/MHz ratio was observed in Virtex-based FPGA circuits. The evaluation is done using a simple but representative and practical systolic design as an example. The technique in essence is a simple replacement of the clocking mechanism for the pipe-storage elements; however no extra design effort is needed. The results show that the proposed technique allows immediate power and area-time savings of existing designs rather than exploring potential benefits by a new logic design to the problem using the classic pipeline clocking mechanism.

Parallel pipelined array architectures for real-time histogram computation in consumer devices

The real-time parallel computation of histograms using an array of pipelined cells is proposed and prototyped in this paper with application to consumer imaging products. The array operates in two modes: histogram computation and histogram reading. The proposed parallel computation method does not use any memory blocks. The resulting histogram bins can be stored into an external memory block in a pipelined fashion for subsequent reading or streaming of the results. The array of cells can be tuned to accommodate the required data path width in a VLSI image processing engine as present in many imaging consumer devices. Synthesis of the architectures presented in this paper in FPGA are shown to compute the real-time histogram of images streamed at over 36 megapixels at 30 frames/s by processing in parallel 1, 2 or 4 pixels per clock cycle.

Pipelined median architecture

The core processing step of the noise reduction median filter technique is to find the median within a window of integers. A four-step procedure method to compute the running median of the last N W-bit stream of integers showing area and time benefits is proposed. The method slices integers into groups of B-bit using a pipeline of W/B blocks. From the method, an architecture is developed giving a designer the flexibility to exchange area gains for faster frequency of operation, or vice versa, by adjusting N, W and B parameter values. Gains in area of around 40%, or in frequency of operation of around 20%, are clearly observed by FPGA circuit implementations compared to latest methods in the literature.

A Floating-point Extended Kalman Filter Implementation for Autonomous Mobile Robots

Localization and Mapping are two of the most important capabilities for autonomous mobile robots and have been receiving considerable attention from the scientific computing community over the last 10 years. One of the most efficient methods to address these problems is based on the use of the Extended Kalman Filter (EKF). The EKF simultaneously estimates a model of the environment (map) and the position of the robot based on odometric and exteroceptive sensor information. As this algorithm demands a considerable amount of computation, it is usually executed on high end PCs coupled to the robot. In this work we present an FPGA-based architecture for the EKF algorithm that is capable of processing two-dimensional maps containing up to 1.8 k features at real time (14 Hz), a three-fold improvement over a Pentium M 1.6 GHz, and a 13-fold improvement over an ARM920T 200 MHz. The proposed architecture also consumes only 1.3% of the Pentium and 12.3% of the ARM energy per feature.

A Parallel Hardware Architecture for Scale and Rotation Invariant Feature Detection

This paper proposes a parallel hardware architecture for image feature detection based on the Scale Invariant Feature Transform algorithm and applied to the Simultaneous Localization And Mapping problem. The work also proposes specific hardware optimizations considered fundamental to embed such a robotic control system on-a-chip. The proposed architecture is completely stand-alone; it reads the input data directly from a CMOS image sensor and provides the results via a field-programmable gate array coupled to an embedded processor. The results may either be used directly in an on-chip application or accessed through an Ethernet connection. The system is able to detect features up to 30 frames per second (320 x 240 pixels) and has accuracy similar to a PC-based implementation. The achieved system performance is at least one order of magnitude better than a PC-based solution, a result achieved by investigating the impact of several hardware-orientated optimizations oil performance, area and accuracy.

Desenvolvimento de arquitetura para sistemas de reconhecimento automático de voz baseados em modelos ocultos de Markov

Este trabalho foi realizado dentro da área de reconhecimento automático de voz (RAV). Atualmente, a maioria dos sistemas de RAV é baseada nos modelos ocultos de Markov (HMMs) [GOM 99] [GOM 99b], quer utilizando-os exclusivamente, quer utilizando-os em conjunto com outras técnicas e constituindo sistemas híbridos. A abordagem estatística dos HMMs tem mostrado ser uma das mais poderosas ferramentas disponíveis para a modelagem acústica e temporal do sinal de voz. A melhora da taxa de reconhecimento exige algoritmos mais complexos [RAV 96]. O aumento do tamanho do vocabulário ou do número de locutores exige um processamento computacional adicional. Certas aplicações, como a verificação de locutor ou o reconhecimento de diálogo podem exigir processamento em tempo real [DOD 85] [MAM 96]. Outras aplicações tais como brinquedos ou máquinas portáveis ainda podem agregar o requisito de portabilidade, e de baixo consumo, além de um sistema fisicamente compacto. Tais necessidades exigem uma solução em hardware. O presente trabalho propõe a implementação de um sistema de RAV utilizando hardware baseado em FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) e otimizando os algoritmos que se utilizam no RAV. Foi feito um estudo dos sistemas de RAV e das técnicas que a maioria dos sistemas utiliza em cada etapa que os conforma. Deu-se especial ênfase aos Modelos Ocultos de Markov, seus algoritmos de cálculo de probabilidades, de treinamento e de decodificação de estados, e sua aplicação nos sistemas de RAV. Foi realizado um estudo comparativo dos sistemas em hardware, produzidos por outros centros de pesquisa, identificando algumas das suas características mais relevantes. Foi implementado um modelo de software, descrito neste trabalho, utilizado para validar os algoritmos de RAV e auxiliar na especificação em hardware. Um conjunto de funções digitais implementadas em FPGA, necessárias para o desenvolvimento de sistemas de RAV é descrito. Foram realizadas algumas modificações nos algoritmos de RAV para facilitar a implementação digital dos mesmos. A conexão, entre as funções digitais projetadas, para a implementação de um sistema de reconhecimento de palavras isoladas é aqui apresentado. A implementação em FPGA da etapa de pré-processamento, que inclui a pré-ênfase, janelamento e extração de características, e a implementação da etapa de reconhecimento são apresentadas finalmente neste trabalho.

Uma Metodologia para o desenvolvimento de aplicações de visão computacional utilizando um projeto conjunto de hardware e software

As tarefas de visão computacional incentivam uma significativa parte da pesquisa em todas as áreas científicas e industriais, entre as quais, cita-se a área voltada para o desenvolvimento de arquiteturas de computadores. A visão computacional é considerada um dos problemas mais desafiadores para a computação de alto desempenho, pois esta requer um grande desempenho, bem como um alto grau de flexibilidade. A flexibilidade é necessária pois a visão computacional abrange aplicações em que há diferentes tarefas a serem realizadas com diferentes necessidades de desempenho. Esta flexibilidade é particularmente importante em sistemas destinados a atuar como ambientes experimentais para novas técnicas de processamento visual ou para a prototipação de novas aplicações. Computação configurável tem demonstrado, por meio de exemplos implementados pela comunidade científica, fornecer uma boa relação entre alto desempenho e flexibilidade necessária para a implementação de diferentes técnicas utilizadas na área de visão computacional. Contudo, poucos esforços de pesquisa têm sido realizados na concepção de sistemas completos visando a solução de um problema de visão computacional, incluindo ambos os requisitos de software e de hardware. O principal objetivo deste trabalho é mostrar que as técnicas e tecnologias disponíveis na área de computação configurável podem ser empregadas para a concepção de um sistema capaz de implementar um grande número de aplicações da área de visão computacional na pesquisa e no ambiente industrial. Entretanto, não é escopo deste trabalho implementar um sistema de computação que seja suficiente para abordar os requerimentos necessários para todas as aplicações em visão computacional, mas os métodos aqui introduzidos podem ser utilizados como uma base geral de implementação de várias tarefas de visão computacional. Este trabalho utiliza ambientes que permitem implementações conjuntas de hardware e software, pois os mesmos facilitam a validação das técnicas aqui apresentadas, por meio da implementação de um estudo de caso, sendo parte deste estudo de caso implementado em software e outra parte em hardware.

Implementação do protocolo TCP/IP para sistemas de intrumentação

Baseado na tecnologia de interligação de redes, este trabalho apresenta uma proposta de conexão de dois sistemas com processamento próprio com o intuito de troca de informações, utilizando a pilha de protocolos TCP/IP. Este sistema será empregado em ambientes de controle industrial, permitindo o envio de informações do servidor de dados para o cliente. Os dados são constituídos de leituras feitas em equipamentos de campo, apresentando ao cliente remoto, medições dos mais diversos tipos. Por outro lado, o cliente poderá enviar comandos aos equipamentos de campo visando o telecontrole. Como ponto de partida para a elaboração do trabalho prático, foi utilizado o ambiente de controle do sistema de potência da companhia energética do estado do Rio Grande do Sul (CEEE). Um microcomputador com um browser acessa, através de uma rede local, os equipamentos controlados, que poderão ser qualquer tipo de equipamento de campo empregado em subestações de energia elétrica, como disjuntores, transformadores ou chaves. Para permitir o acesso remoto de tais equipamentos, foi elaborado um servidor de dados constituído de um controlador de rede do tipo Ethernet e um microcontrolador de aplicação específica que se encarrega do processamento da pilha de protocolos. O controlador Ethernet utilizado é um circuito integrado dedicado comercial, que executa o tratamento dos sinais de nível físico e de enlace de dados conforme o padrão IEEE 802.2. O processador TCP/IP, enfoque principal deste trabalho, foi elaborado através da linguagem de programação C, e a seguir traduzido para o Java, que é o ponto de partida para a ferramenta SASHIMI, de geração da descrição em VHDL do microcontrolador de aplicação específica utilizado. O processador TCP/IP encarrega-se da aquisição de dados do equipamento de campo, do processamento da pilha de protocolos TCP/IP, e do gerenciamento do controlador Ethernet. A partir desta descrição VHDL, foi sintetizado o hardware do microcontrolador em um FPGA, que juntamente com o software aplicativo, também fornecido pela ferramenta utilizada, desempenha o papel de processador TCP/IP para o sistema proposto. Neste ambiente, então, o cliente localizado no centro de operação, acessa através de um browser o equipamento de campo, visando obter suas medições, bem como enviar comandos, destacando o aspecto bidirecional para a troca de dados e a facilidade de conexão de dois sistemas heterogêneos. Este sistema pretende apresentar baixo custo de aquisição e de instalação, facilidade de interconexão local ou remota e transparência ao usuário final.