Polyphase Implementation of Non-recursive Comb Decimators for Sigma-Delta A/D Converters

In a sigma-delta analog to digital (A/D) As most of the sigma-delta ADC applications require converter, the most computationally intensive block is decimation filters with linear phase characteristics, the decimation filter and its hardware implementation symmetric Finite Impulse Response (FIR) filters are may require millions of transistors. Since these widely used for implementation. But the number of FIR converters are now targeted for a portable application, filter coefficients will be quite large for implementing a a hardware efficient design is an implicit requirement. narrow band decimation filter. Implementing decimation In this effect, this paper presents a computationally filter in several stages reduces the total number of filter efficient polyphase implementation of non-recursive coefficients, and hence reduces the hardware complexity cascaded integrator comb (CIC) decimators for and power consumption [2]. Sigma-Delta Converters (SDCs). The SDCs are The first stage of decimation filter can be operating at high oversampling frequencies and hence implemented very efficiently using a cascade of integrators require large sampling rate conversions. The filtering and comb filters which do not require multiplication or and rate reduction are performed in several stages to coefficient storage. The remaining filtering is performed reduce hardware complexity and power dissipation. either in single stage or in two stages with more complex The CIC filters are widely adopted as the first stage of FIR or infinite impulse response (IIR) filters according to decimation due to its multiplier free structure. In this the requirements. The amount of passband aliasing or research, the performance of polyphase structure is imaging error can be brought within prescribed bounds by compared with the CICs using recursive and increasing the number of stages in the CIC filter. The non-recursive algorithms in terms of power, speed and width of the passband and the frequency characteristics area. This polyphase implementation offers high speed outside the passband are severely limited. So, CIC filters operation and low power consumption. The polyphase are used to make the transition between high and low implementation of 4th order CIC filter with a sampling rates. Conventional filters operating at low decimation factor of '64' and input word length of sampling rate are used to attain the required transition '4-bits' offers about 70% and 37% of power saving bandwidth and stopband attenuation. compared to the corresponding recursive and Several papers are available in literature that deals non-recursive implementations respectively. The same with different implementations of decimation filter polyphase CIC filter can operate about 7 times faster architecture for sigma-delta ADCs. Hogenauer has than the recursive and about 3.7 times faster than the described the design procedures for decimation and non-recursive CIC filters.

Performance analysis of FIR digital filter design: RNS versus traditional

Residue Number System (RNS) based Finite Impulse Response (FIR) digital filters and traditional FIR filters. This research is motivated by the importance of an efficient filter implementation for digital signal processing. The comparison is done in terms of speed and area requirement for various filter specifications. RNS based FIR filters operate more than three times faster and consumes only about 60% of the area than traditional filter when number of filter taps is more than 32. The area for RNS filter is increasing at a lesser rate than that for traditional resulting in lower power consumption. RNS is a nonweighted number system without carry propogation between different residue digits.This enables simultaneous parallel processing on all the digits resulting in high speed addition and multiplication in the RNS domain

RNS based programmable multi-mode decimation filter for WCDMA and WiMAX

The recent trends envisage multi-standard architectures as a promising solution for the future wireless transceivers to attain higher system capacities and data rates. The computationally intensive decimation filter plays an important role in channel selection for multi-mode systems. An efficient reconfigurable implementation is a key to achieve low power consumption. To this end, this paper presents a dual-mode Residue Number System (RNS) based decimation filter which can be programmed for WCDMA and 802.16e standards. Decimation is done using multistage, multirate finite impulse response (FIR) filters. These FIR filters implemented in RNS domain offers high speed because of its carry free operation on smaller residues in parallel channels. Also, the FIR filters exhibit programmability to a selected standard by reconfiguring the hardware architecture. The total area is increased only by 24% to include WiMAX compared to a single mode WCDMA transceiver. In each mode, the unused parts of the overall architecture is powered down and bypassed to attain power saving. The performance of the proposed decimation filter in terms of critical path delay and area are tabulated.

Dual-mode RNS based programmable decimation filter for WCDMA and WLANa

The recent trends envisage multi-standard architectures as a promising solution for the future wireless transceivers. The computationally intensive decimation filter plays an important role in channel selection for multi-mode systems. An efficient reconfigurable implementation is a key to achieve low power consumption. To this end, this paper presents a dual-mode Residue Number System (RNS) based decimation filter which can be programmed for WCDMA and 802.11a standards. Decimation is done using multistage, multirate finite impulse response (FIR) filters. These FIR filters implemented in RNS domain offers high speed because of its carry free operation on smaller residues in parallel channels. Also, the FIR filters exhibit programmability to a selected standard by reconfiguring the hardware architecture. The total area is increased only by 33% to include WLANa compared to a single mode WCDMA transceiver. In each mode, the unused parts of the overall architecture is powered down and bypassed to attain power saving. The performance of the proposed decimation filter in terms of critical path delay and area are tabulated

Ultrasound Image Despeckling using Local Binary Pattern Weighted Linear Filtering

Speckle noise formed as a result of the coherent nature of ultrasound imaging affects the lesion detectability. We have proposed a new weighted linear filtering approach using Local Binary Patterns (LBP) for reducing the speckle noise in ultrasound images. The new filter achieves good results in reducing the noise without affecting the image content. The performance of the proposed filter has been compared with some of the commonly used denoising filters. The proposed filter outperforms the existing filters in terms of quantitative analysis and in edge preservation. The experimental analysis is done using various ultrasound images

Morphological filtering on hypergraphs

The focus of this article is to develop computationally efficient mathematical morphology operators on hypergraphs. To this aim we consider lattice structures on hypergraphs on which we build morphological operators. We develop a pair of dual adjunctions between the vertex set and the hyper edge set of a hypergraph H, by defining a vertex-hyperedge correspondence. This allows us to recover the classical notion of a dilation/erosion of a subset of vertices and to extend it to subhypergraphs of H. Afterward, we propose several new openings, closings, granulometries and alternate sequential filters acting (i) on the subsets of the vertex and hyperedge set of H and (ii) on the subhypergraphs of a hypergraph

Frequency Coded Chipless RFID Tag using Spurline Resonators

A novel compact chipless RFID tag using spurline resonators is discussed in this paper. The detection of the tag's ID is using the spectral signature of a spurline resonator circuit. The tag has a data capacity of 8-bits in the range 2.38 to 4.04 GHz. The tag consists of a spurline multiresonating circuit and two cross polarized antennas. The prototype of the tag is fabricated on a substrate CMET/ LK4.3 of dielectric constant 4.3 and loss tangent 0.0018. The measured results show that group delay response can also be used to decode the tag’s identity

Unsharpmaskingusingquadratic filterfortheenhancement of fingerprintsinnoisybackground

The papersummarizesthedesignandimplementationofaquadraticedgedetection filter basedon Volterraseries.The filter isemployedinanunsharpmaskingschemeforenhancing fingerprints inadark and noisybackground.Theproposed filter canaccountformuchofthepolynomialnonlinearities inherent intheinputimageandcanreplacetheconventionaledgedetectorslikeLaplacian,LoG,etc.The application ofthenew filter isinforensicinvestigationwhereenhancementandidentification oflatent fingerprints arekeyissues.Theenhancementofimagesbytheproposedmethodissuperiortothatwith unsharp maskingschemeemployingconventional filters intermsofthevisualquality,thenoise performance and the computational complexity,making it an ideal candidate for latent fingerprint enhancement.

Quadratic Predictor based Differential Encoding and Decoding of Speech Signals

Modeling nonlinear systems using Volterra series is a century old method but practical realizations were hampered by inadequate hardware to handle the increased computational complexity stemming from its use. But interest is renewed recently, in designing and implementing filters which can model much of the polynomial nonlinearities inherent in practical systems. The key advantage in resorting to Volterra power series for this purpose is that nonlinear filters so designed can be made to work in parallel with the existing LTI systems, yielding improved performance. This paper describes the inclusion of a quadratic predictor (with nonlinearity order 2) with a linear predictor in an analog source coding system. Analog coding schemes generally ignore the source generation mechanisms but focuses on high fidelity reconstruction at the receiver. The widely used method of differential pnlse code modulation (DPCM) for speech transmission uses a linear predictor to estimate the next possible value of the input speech signal. But this linear system do not account for the inherent nonlinearities in speech signals arising out of multiple reflections in the vocal tract. So a quadratic predictor is designed and implemented in parallel with the linear predictor to yield improved mean square error performance. The augmented speech coder is tested on speech signals transmitted over an additive white gaussian noise (AWGN) channel.

Investigations on Metamaterial Based Spiral Inductors for Compact Microwave Devices

Division of Electronics Engineering

Low-Cost Micromechanically Tunable Optical Devices: Strained Resonator Engineering, Technological Implementation and Characterization

The rapid growth of the optical communication branches and the enormous demand for more bandwidth require novel networks such as dense wavelength division multiplexing (DWDM). These networks enable higher bitrate transmission using the existing optical fibers. Micromechanically tunable optical microcavity devices like VCSELs, Fabry-Pérot filters and photodetectors are core components of these novel DWDM systems. Several air-gap based tunable devices were successfully implemented in the last years. Even though these concepts are very promising, two main disadvantages are still remaining. On the one hand, the high fabrication and integration cost and on the other hand the undesired adverse buckling of the suspended membranes. This thesis addresses these two problems and consists of two main parts: • PECVD dielectric material investigation and stress control resulting in membranes shape engineering. • Implementation and characterization of novel tunable optical devices with tailored shapes of the suspended membranes. For this purposes, low-cost PECVD technology is investigated and developed in detail. The macro- and microstress of silicon nitride and silicon dioxide are controlled over a wide range. Furthermore, the effect of stress on the optical and mechanical properties of the suspended membranes and on the microcavities is evaluated. Various membrane shapes (concave, convex and planar) with several radii of curvature are fabricated. Using this resonator shape engineering, microcavity devices such as non tunable and tunable Fabry-Pérot filters, VCSELs and PIN photodetectors are succesfully implemented. The fabricated Fabry-Pérot filters cover a spectral range of over 200nm and show resonance linewidths down to 1.5nm. By varying the stress distribution across the vertical direction within a DBR, the shape and the radius of curvature of the top membrane are explicitely tailored. By adjusting the incoming light beam waist to the curvature, the fundamental resonant mode is supported and the higher order ones are suppressed. For instance, a tunable VCSEL with 26 nm tuning range, 400µW maximal output power, 47nm free spectral range and over 57dB side mode suppresion ratio (SMSR) is demonstrated. Other technologies, such as introducing light emitting organic materials in microcavities are also investigated.

Micro-electromechanical structural design and optimization of vertical cavity photonic devices with wide continuous tuning

Diese Arbeit umfaßt das elektromechanische Design und die Designoptimierung von weit durchstimmbaren optischen multimembranbasierten Bauelementen, mit vertikal orientierten Kavitäten, basierend auf der Finiten Element Methode (FEM). Ein multimembran InP/Luft Fabry-Pérot optischer Filter wird dargestellt und umfassend analysiert. In dieser Arbeit wird ein systematisches strukturelles Designverfahren dargestellt. Genaue analytische elektromechanischer Modelle für die Bauelemente sind abgeleitet worden. Diese können unschätzbare Werkzeuge sein, um am Anfang der Designphase schnell einen klaren Einblick zur Verfügung zu stellen. Mittels des FEM Programms ist der durch die nicht-lineare Verspannung hervorgerufene versteifende Effekt nachgeforscht und sein Effekt auf die Verlängerung der mechanischen Durchstimmungsstrecke der Bauelemente demonstriert worden. Interessant war auch die Beobachtung, dass die normierte Relation zwischen Ablenkung und Spannung ein unveränderliches Profil hat. Die Deformation der Membranflächen der in dieser Arbeit dargestellten Bauelementformen erwies sich als ein unerwünschter, jedoch manchmal unvermeidbarer Effekt. Es zeigt sich aber, dass die Wahl der Größe der strukturellen Dimensionen den Grad der Membrandeformation im Falle der Aktuation beeinflusst. Diese Arbeit stellt ein elektromechanisches in FEMLAB implementierte quasi-3D Modell, das allgemein für die Modellierung dünner Strukturen angewendet werden kann, dar; und zwar indem man diese als 2D-Objekte betrachtet und die dritte Dimension als eine konstante Größe (z.B. die Schichtdicke) oder eine Größe, welche eine mathematische Funktion ist, annimmt. Diese Annahme verringert drastisch die Berechnungszeit sowie den erforderlichen Arbeitsspeicherbedarf. Weiter ist es für die Nachforschung des Effekts der Skalierung der durchstimmbaren Bauelemente verwendet worden. Eine neuartige Skalierungstechnik wurde abgeleitet und verwendet. Die Ergebnisse belegen, dass das daraus resultierende, skalierte Bauelement fast genau die gleiche mechanische Durchstimmung wie das unskalierte zeigt. Die Einbeziehung des Einflusses von axialen Verspannungen und Gradientenverspannungen in die Berechnungen erforderte die Änderung der Standardimplementierung des 3D Mechanikberechnungsmodus, der mit der benutzten FEM Software geliefert wurde. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen einen großen Einfluss der Verspannung auf die Durchstimmungseigenschaften der untersuchten Bauelemente. Ferner stimmten die Ergebnisse der theoretischen Modellrechnung mit den experimentellen Resultaten sehr gut überein.

Characterization of Novel Fabry Pérot Filter Arrays for Nanospectrometers in Medical Applications

Optische Spektroskopie ist eine sehr wichtige Messtechnik mit einem hohen Potential für zahlreiche Anwendungen in der Industrie und Wissenschaft. Kostengünstige und miniaturisierte Spektrometer z.B. werden besonders für moderne Sensorsysteme “smart personal environments” benötigt, die vor allem in der Energietechnik, Messtechnik, Sicherheitstechnik (safety and security), IT und Medizintechnik verwendet werden. Unter allen miniaturisierten Spektrometern ist eines der attraktivsten Miniaturisierungsverfahren das Fabry Pérot Filter. Bei diesem Verfahren kann die Kombination von einem Fabry Pérot (FP) Filterarray und einem Detektorarray als Mikrospektrometer funktionieren. Jeder Detektor entspricht einem einzelnen Filter, um ein sehr schmales Band von Wellenlängen, die durch das Filter durchgelassen werden, zu detektieren. Ein Array von FP-Filter wird eingesetzt, bei dem jeder Filter eine unterschiedliche spektrale Filterlinie auswählt. Die spektrale Position jedes Bandes der Wellenlänge wird durch die einzelnen Kavitätshöhe des Filters definiert. Die Arrays wurden mit Filtergrößen, die nur durch die Array-Dimension der einzelnen Detektoren begrenzt werden, entwickelt. Allerdings erfordern die bestehenden Fabry Pérot Filter-Mikrospektrometer komplizierte Fertigungsschritte für die Strukturierung der 3D-Filter-Kavitäten mit unterschiedlichen Höhen, die nicht kosteneffizient für eine industrielle Fertigung sind. Um die Kosten bei Aufrechterhaltung der herausragenden Vorteile der FP-Filter-Struktur zu reduzieren, wird eine neue Methode zur Herstellung der miniaturisierten FP-Filtern mittels NanoImprint Technologie entwickelt und präsentiert. In diesem Fall werden die mehreren Kavitäten-Herstellungsschritte durch einen einzigen Schritt ersetzt, die hohe vertikale Auflösung der 3D NanoImprint Technologie verwendet. Seit dem die NanoImprint Technologie verwendet wird, wird das auf FP Filters basierende miniaturisierte Spectrometer nanospectrometer genannt. Ein statischer Nano-Spektrometer besteht aus einem statischen FP-Filterarray auf einem Detektorarray (siehe Abb. 1). Jeder FP-Filter im Array besteht aus dem unteren Distributed Bragg Reflector (DBR), einer Resonanz-Kavität und einen oberen DBR. Der obere und untere DBR sind identisch und bestehen aus periodisch abwechselnden dünnen dielektrischen Schichten von Materialien mit hohem und niedrigem Brechungsindex. Die optischen Schichten jeder dielektrischen Dünnfilmschicht, die in dem DBR enthalten sind, entsprechen einen Viertel der Design-Wellenlänge. Jeder FP-Filter wird einer definierten Fläche des Detektorarrays zugeordnet. Dieser Bereich kann aus einzelnen Detektorelementen oder deren Gruppen enthalten. Daher werden die Seitenkanal-Geometrien der Kavität aufgebaut, die dem Detektor entsprechen. Die seitlichen und vertikalen Dimensionen der Kavität werden genau durch 3D NanoImprint Technologie aufgebaut. Die Kavitäten haben Unterschiede von wenigem Nanometer in der vertikalen Richtung. Die Präzision der Kavität in der vertikalen Richtung ist ein wichtiger Faktor, der die Genauigkeit der spektralen Position und Durchlässigkeit des Filters Transmissionslinie beeinflusst.

Mikromechanisch durchstimmbare, dielektrische Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich: Konzept, Herstellung und Charakterisierung

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die Herstellung und Charakterisierung mikromechanisch durchstimmbarer, dielektrischer Fabry-Pérot-Filter im nahen Infrarot-Bereich bei einer Zentralwellenlänge von λc = 950 nm. Diese Bauelemente wurden auf Basis kostengünstiger Technologien realisiert, dank deren Entwicklung extreme Miniaturisierung und gleichzeitig hohe spektrale Anforderungen möglich sind. Der Vorteil solcher Filter liegt darin, dass sie direkt in einen Photodetektor integriert werden können und mit ganz wenigen Komponenten zu einem kompakten Spektrometermodul zusammengesetzt werden können. Die Baugröße ist nur durch die Größe des Photodetektors limitiert und die gesamte Intensität des einfallenden Lichts kann vorteilhaft auf eine einzelne Filtermembran des Fabry-Pérot-Filters fokussiert werden. Für den Filteraufbau werden zwei hochreflektierende, dielektrische DBR-Spiegel, ein organisches Opferschichtmaterial, welches zur Erzeugung einer Luftkavität im Filter dient, und zwei unterschiedliche Elektroden aus ITO und Aluminium verwendet. Die mikromechanische Auslenkung der freigelegten Filtermembran geschieht mittels elektrostatischer Aktuation, wobei auf diese Weise die Kavitätshöhe des Fabry-Pérot-Filters geändert wird und somit dieser im erforderlichen Spektralbereich optisch durchgestimmt wird. Das in dieser Arbeit gewählte Filterkonzept stellt eine Weiterentwicklung eines bereits bestehenden Filterkonzepts für den sichtbaren Spektralbereich dar. Zum Einen wurden in dieser Arbeit das vertikale und das laterale Design der Filterstrukturen geändert. Eine entscheidende Änderung lag im mikromechanisch beweglichen Teil des Fabry-Pérot-Filters. Dieser schließt den oberen DBR-Spiegel und ein aus dielektrischen Schichten und der oberen Aluminium-Elektrode bestehendes Membranhaltesystem ein, welches später durch Entfernung der Opferschicht freigelegt wird. Die Fläche des DBR-Spiegels wurde auf die Fläche der Filtermembran reduziert und auf dem Membranhaltesystem positioniert. Zum Anderen wurde im Rahmen dieser Arbeit der vertikale Schichtaufbau des Membranhaltesystems variiert und der Einfluss der gewählten Materialien auf die Krümmung der freistehenden Filterstrukturen, auf das Aktuationsverhalten und auf die spektralen Eigenschaften des gesamten Filters untersucht. Der Einfluss der mechanischen Eigenschaften dieser Materialien spielt nämlich eine bedeutende Rolle bei der Erhaltung der erforderlichen optischen Eigenschaften des gesamten Filters. Bevor Fabry-Pérot-Filter ausgeführt wurden, wurde die mechanische Spannung in den einzelnen Materialien des Membranhaltesystems bestimmt. Für die Messung wurde Substratkrümmungsmethode angewendet. Es wurde gezeigt, dass die Plasmaanregungsfrequenzen der plasmaunterstützten chemischen Gasphasenabscheidung bei einer Prozesstemperatur von 120 °C die mechanische Spannung von Si3N4 enorm beeinflussen. Diese Ergebnisse wurden im Membranhaltesystem umgesetzt, wobei verschiedene Filter mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften des Membranhaltesystems gezeigt wurden. Darüber hinaus wurden optische Eigenschaften der Filter unter dem Einfluss des lateralen Designs der Filterstrukturen untersucht. Bei den realisierten Filtern wurden ein optischer Durchstimmbereich von ca. 70 nm und eine spektrale Auflösung von 5 nm erreicht. Die erreichte Intensität der Transmissionslinie liegt bei 45-60%. Diese Parameter haben für den späteren spektroskopischen Einsatz der realisierten Fabry-Pérot-Filter eine hohe Bedeutung. Die Anwendung soll erstmalig in einem „Proof of Concept“ stattfinden, wobei damit die Oberflächentemperatur eines GaAs-Wafers über die Messung der spektralen Lage seiner Bandlücke bestimmt werden kann.

Optimization of the Mechanical and Optical Properties of Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) for a Nanospectrometer in the Visible and Near Infrared Spectral Range

Tunable Optical Sensor Arrays (TOSA) based on Fabry-Pérot (FP) filters, for high quality spectroscopic applications in the visible and near infrared spectral range are investigated within this work. The optical performance of the FP filters is improved by using ion beam sputtered niobium pentoxide (Nb2O5) and silicon dioxide (SiO2) Distributed Bragg Reflectors (DBRs) as mirrors. Due to their high refractive index contrast, only a few alternating pairs of Nb2O5 and SiO2 films can achieve DBRs with high reflectivity in a wide spectral range, while ion beam sputter deposition (IBSD) is utilized due to its ability to produce films with high optical purity. However, IBSD films are highly stressed; resulting in stress induced mirror curvature and suspension bending in the free standing filter suspensions of the MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) FP filters. Stress induced mirror curvature results in filter transmission line degradation, while suspension bending results in high required filter tuning voltages. Moreover, stress induced suspension bending results in higher order mode filter operation which in turn degrades the optical resolution of the filter. Therefore, the deposition process is optimized to achieve both near zero absorption and low residual stress. High energy ion bombardment during film deposition is utilized to reduce the film density, and hence the film compressive stress. Utilizing this technique, the compressive stress of Nb2O5 is reduced by ~43%, while that for SiO2 is reduced by ~40%. Filters fabricated with stress reduced films show curvatures as low as 100 nm for 70 μm mirrors. To reduce the stress induced bending in the free standing filter suspensions, a stress optimized multi-layer suspension design is presented; with a tensile stressed metal sandwiched between two compressively stressed films. The stress in Physical Vapor Deposited (PVD) metals is therefore characterized for use as filter top-electrode and stress compensating layer. Surface micromachining is used to fabricate tunable FP filters in the visible spectral range using the above mentioned design. The upward bending of the suspensions is reduced from several micrometers to less than 100 nm and 250 nm for two different suspension layer combinations. Mechanical tuning of up to 188 nm is obtained by applying 40 V of actuation voltage. Alternatively, a filter line with transmission of 65.5%, Full Width at Half Maximum (FWHM) of 10.5 nm and a stopband of 170 nm (at an output wavelength of 594 nm) is achieved. Numerical model simulations are also performed to study the validity of the stress optimized suspension design for the near infrared spectral range, wherein membrane displacement and suspension deformation due to material residual stress is studied. Two bandpass filter designs based on quarter-wave and non-quarter-wave layers are presented as integral components of the TOSA. With a filter passband of 135 nm and a broad stopband of over 650 nm, high average filter transmission of 88% is achieved inside the passband, while maximum filter transmission of less than 1.6% outside the passband is achieved.