A methodology to analyze, design and implement very fast and robust controls of Buck-type converters

La electrónica digital moderna presenta un desafío a los diseñadores de sistemas de potencia. El creciente alto rendimiento de microprocesadores, FPGAs y ASICs necesitan sistemas de alimentación que cumplan con requirimientos dinámicos y estáticos muy estrictos. Específicamente, estas alimentaciones son convertidores DC-DC de baja tensión y alta corriente que necesitan ser diseñados para tener un pequeño rizado de tensión y una pequeña desviación de tensión de salida bajo transitorios de carga de una alta pendiente. Además, dependiendo de la aplicación, se necesita cumplir con otros requerimientos tal y como proveer a la carga con ”Escalado dinámico de tensión”, donde el convertidor necesitar cambiar su tensión de salida tan rápidamente posible sin sobreoscilaciones, o ”Posicionado Adaptativo de la Tensión” donde la tensión de salida se reduce ligeramente cuanto más grande sea la potencia de salida. Por supuesto, desde el punto de vista de la industria, las figuras de mérito de estos convertidores son el coste, la eficiencia y el tamaño/peso. Idealmente, la industria necesita un convertidor que es más barato, más eficiente, más pequeño y que aún así cumpla con los requerimienos dinámicos de la aplicación. En este contexto, varios enfoques para mejorar la figuras de mérito de estos convertidores se han seguido por la industria y la academia tales como mejorar la topología del convertidor, mejorar la tecnología de semiconducores y mejorar el control. En efecto, el control es una parte fundamental en estas aplicaciones ya que un control muy rápido hace que sea más fácil que una determinada topología cumpla con los estrictos requerimientos dinámicos y, consecuentemente, le da al diseñador un margen de libertar más amplio para mejorar el coste, la eficiencia y/o el tamaño del sistema de potencia. En esta tesis, se investiga cómo diseñar e implementar controles muy rápidos para el convertidor tipo Buck. En esta tesis se demuestra que medir la tensión de salida es todo lo que se necesita para lograr una respuesta casi óptima y se propone una guía de diseño unificada para controles que sólo miden la tensión de salida Luego, para asegurar robustez en controles muy rápidos, se proponen un modelado y un análisis de estabilidad muy precisos de convertidores DC-DC que tienen en cuenta circuitería para sensado y elementos parásitos críticos. También, usando este modelado, se propone una algoritmo de optimización que tiene en cuenta las tolerancias de los componentes y sensados distorsionados. Us ando este algoritmo, se comparan controles muy rápidos del estado del arte y su capacidad para lograr una rápida respuesta dinámica se posiciona según el condensador de salida utilizado. Además, se propone una técnica para mejorar la respuesta dinámica de los controladores. Todas las propuestas se han corroborado por extensas simulaciones y prototipos experimentales. Con todo, esta tesis sirve como una metodología para ingenieros para diseñar e implementar controles rápidos y robustos de convertidores tipo Buck. ABSTRACT Modern digital electronics present a challenge to designers of power systems. The increasingly high-performance of microprocessors, FPGAs (Field Programmable Gate Array) and ASICs (Application-Specific Integrated Circuit) require power supplies to comply with very demanding static and dynamic requirements. Specifically, these power supplies are low-voltage/high-current DC-DC converters that need to be designed to exhibit low voltage ripple and low voltage deviation under high slew-rate load transients. Additionally, depending on the application, other requirements need to be met such as to provide to the load ”Dynamic Voltage Scaling” (DVS), where the converter needs to change the output voltage as fast as possible without underdamping, or ”Adaptive Voltage Positioning” (AVP) where the output voltage is slightly reduced the greater the output power. Of course, from the point of view of the industry, the figures of merit of these converters are the cost, efficiency and size/weight. Ideally, the industry needs a converter that is cheaper, more efficient, smaller and that can still meet the dynamic requirements of the application. In this context, several approaches to improve the figures of merit of these power supplies are followed in the industry and academia such as improving the topology of the converter, improving the semiconductor technology and improving the control. Indeed, the control is a fundamental part in these applications as a very fast control makes it easier for the topology to comply with the strict dynamic requirements and, consequently, gives the designer a larger margin of freedom to improve the cost, efficiency and/or size of the power supply. In this thesis, how to design and implement very fast controls for the Buck converter is investigated. This thesis proves that sensing the output voltage is all that is needed to achieve an almost time-optimal response and a unified design guideline for controls that only sense the output voltage is proposed. Then, in order to assure robustness in very fast controls, a very accurate modeling and stability analysis of DC-DC converters is proposed that takes into account sensing networks and critical parasitic elements. Also, using this modeling approach, an optimization algorithm that takes into account tolerances of components and distorted measurements is proposed. With the use of the algorithm, very fast analog controls of the state-of-the-art are compared and their capabilities to achieve a fast dynamic response are positioned de pending on the output capacitor. Additionally, a technique to improve the dynamic response of controllers is also proposed. All the proposals are corroborated by extensive simulations and experimental prototypes. Overall, this thesis serves as a methodology for engineers to design and implement fast and robust controls for Buck-type converters.

Brain-Computer Interfaces: Desarrollo de un sistema de identificación de estados mentales alfa

En el mundo actual las aplicaciones basadas en sistemas biométricos, es decir, aquellas que miden las señales eléctricas de nuestro organismo, están creciendo a un gran ritmo. Todos estos sistemas incorporan sensores biomédicos, que ayudan a los usuarios a controlar mejor diferentes aspectos de la rutina diaria, como podría ser llevar un seguimiento detallado de una rutina deportiva, o de la calidad de los alimentos que ingerimos. Entre estos sistemas biométricos, los que se basan en la interpretación de las señales cerebrales, mediante ensayos de electroencefalografía o EEG están cogiendo cada vez más fuerza para el futuro, aunque están todavía en una situación bastante incipiente, debido a la elevada complejidad del cerebro humano, muy desconocido para los científicos hasta el siglo XXI. Por estas razones, los dispositivos que utilizan la interfaz cerebro-máquina, también conocida como BCI (Brain Computer Interface), están cogiendo cada vez más popularidad. El funcionamiento de un sistema BCI consiste en la captación de las ondas cerebrales de un sujeto para después procesarlas e intentar obtener una representación de una acción o de un pensamiento del individuo. Estos pensamientos, correctamente interpretados, son posteriormente usados para llevar a cabo una acción. Ejemplos de aplicación de sistemas BCI podrían ser mover el motor de una silla de ruedas eléctrica cuando el sujeto realice, por ejemplo, la acción de cerrar un puño, o abrir la cerradura de tu propia casa usando un patrón cerebral propio. Los sistemas de procesamiento de datos están evolucionando muy rápido con el paso del tiempo. Los principales motivos son la alta velocidad de procesamiento y el bajo consumo energético de las FPGAs (Field Programmable Gate Array). Además, las FPGAs cuentan con una arquitectura reconfigurable, lo que las hace más versátiles y potentes que otras unidades de procesamiento como las CPUs o las GPUs.En el CEI (Centro de Electrónica Industrial), donde se lleva a cabo este TFG, se dispone de experiencia en el diseño de sistemas reconfigurables en FPGAs. Este TFG es el segundo de una línea de proyectos en la cual se busca obtener un sistema capaz de procesar correctamente señales cerebrales, para llegar a un patrón común que nos permita actuar en consecuencia. Más concretamente, se busca detectar cuando una persona está quedándose dormida a través de la captación de unas ondas cerebrales, conocidas como ondas alfa, cuya frecuencia está acotada entre los 8 y los 13 Hz. Estas ondas, que aparecen cuando cerramos los ojos y dejamos la mente en blanco, representan un estado de relajación mental. Por tanto, este proyecto comienza como inicio de un sistema global de BCI, el cual servirá como primera toma de contacto con el procesamiento de las ondas cerebrales, para el posterior uso de hardware reconfigurable sobre el cual se implementarán los algoritmos evolutivos. Por ello se vuelve necesario desarrollar un sistema de procesamiento de datos en una FPGA. Estos datos se procesan siguiendo la metodología de procesamiento digital de señales, y en este caso se realiza un análisis de la frecuencia utilizando la transformada rápida de Fourier, o FFT. Una vez desarrollado el sistema de procesamiento de los datos, se integra con otro sistema que se encarga de captar los datos recogidos por un ADC (Analog to Digital Converter), conocido como ADS1299. Este ADC está especialmente diseñado para captar potenciales del cerebro humano. De esta forma, el sistema final capta los datos mediante el ADS1299, y los envía a la FPGA que se encarga de procesarlos. La interpretación es realizada por los usuarios que analizan posteriormente los datos procesados. Para el desarrollo del sistema de procesamiento de los datos, se dispone primariamente de dos plataformas de estudio, a partir de las cuales se captarán los datos para después realizar el procesamiento: 1. La primera consiste en una herramienta comercial desarrollada y distribuida por OpenBCI, proyecto que se dedica a la venta de hardware para la realización de EEG, así como otros ensayos. Esta herramienta está formada por un microprocesador, un módulo de memoria SD para el almacenamiento de datos, y un módulo de comunicación inalámbrica que transmite los datos por Bluetooth. Además cuenta con el mencionado ADC ADS1299. Esta plataforma ofrece una interfaz gráfica que sirve para realizar la investigación previa al diseño del sistema de procesamiento, al permitir tener una primera toma de contacto con el sistema. 2. La segunda plataforma consiste en un kit de evaluación para el ADS1299, desde la cual se pueden acceder a los diferentes puertos de control a través de los pines de comunicación del ADC. Esta plataforma se conectará con la FPGA en el sistema integrado. Para entender cómo funcionan las ondas más simples del cerebro, así como saber cuáles son los requisitos mínimos en el análisis de ondas EEG se realizaron diferentes consultas con el Dr Ceferino Maestu, neurofisiólogo del Centro de Tecnología Biomédica (CTB) de la UPM. Él se encargó de introducirnos en los distintos procedimientos en el análisis de ondas en electroencefalogramas, así como la forma en que se deben de colocar los electrodos en el cráneo. Para terminar con la investigación previa, se realiza en MATLAB un primer modelo de procesamiento de los datos. Una característica muy importante de las ondas cerebrales es la aleatoriedad de las mismas, de forma que el análisis en el dominio del tiempo se vuelve muy complejo. Por ello, el paso más importante en el procesamiento de los datos es el paso del dominio temporal al dominio de la frecuencia, mediante la aplicación de la transformada rápida de Fourier o FFT (Fast Fourier Transform), donde se pueden analizar con mayor precisión los datos recogidos. El modelo desarrollado en MATLAB se utiliza para obtener los primeros resultados del sistema de procesamiento, el cual sigue los siguientes pasos. 1. Se captan los datos desde los electrodos y se escriben en una tabla de datos. 2. Se leen los datos de la tabla. 3. Se elige el tamaño temporal de la muestra a procesar. 4. Se aplica una ventana para evitar las discontinuidades al principio y al final del bloque analizado. 5. Se completa la muestra a convertir con con zero-padding en el dominio del tiempo. 6. Se aplica la FFT al bloque analizado con ventana y zero-padding. 7. Los resultados se llevan a una gráfica para ser analizados. Llegados a este punto, se observa que la captación de ondas alfas resulta muy viable. Aunque es cierto que se presentan ciertos problemas a la hora de interpretar los datos debido a la baja resolución temporal de la plataforma de OpenBCI, este es un problema que se soluciona en el modelo desarrollado, al permitir el kit de evaluación (sistema de captación de datos) actuar sobre la velocidad de captación de los datos, es decir la frecuencia de muestreo, lo que afectará directamente a esta precisión. Una vez llevado a cabo el primer procesamiento y su posterior análisis de los resultados obtenidos, se procede a realizar un modelo en Hardware que siga los mismos pasos que el desarrollado en MATLAB, en la medida que esto sea útil y viable. Para ello se utiliza el programa XPS (Xilinx Platform Studio) contenido en la herramienta EDK (Embedded Development Kit), que nos permite diseñar un sistema embebido. Este sistema cuenta con: Un microprocesador de tipo soft-core llamado MicroBlaze, que se encarga de gestionar y controlar todo el sistema; Un bloque FFT que se encarga de realizar la transformada rápida Fourier; Cuatro bloques de memoria BRAM, donde se almacenan los datos de entrada y salida del bloque FFT y un multiplicador para aplicar la ventana a los datos de entrada al bloque FFT; Un bus PLB, que consiste en un bus de control que se encarga de comunicar el MicroBlaze con los diferentes elementos del sistema. Tras el diseño Hardware se procede al diseño Software utilizando la herramienta SDK(Software Development Kit).También en esta etapa se integra el sistema de captación de datos, el cual se controla mayoritariamente desde el MicroBlaze. Por tanto, desde este entorno se programa el MicroBlaze para gestionar el Hardware que se ha generado. A través del Software se gestiona la comunicación entre ambos sistemas, el de captación y el de procesamiento de los datos. También se realiza la carga de los datos de la ventana a aplicar en la memoria correspondiente. En las primeras etapas de desarrollo del sistema, se comienza con el testeo del bloque FFT, para poder comprobar el funcionamiento del mismo en Hardware. Para este primer ensayo, se carga en la BRAM los datos de entrada al bloque FFT y en otra BRAM los datos de la ventana aplicada. Los datos procesados saldrán a dos BRAM, una para almacenar los valores reales de la transformada y otra para los imaginarios. Tras comprobar el correcto funcionamiento del bloque FFT, se integra junto al sistema de adquisición de datos. Posteriormente se procede a realizar un ensayo de EEG real, para captar ondas alfa. Por otro lado, y para validar el uso de las FPGAs como unidades ideales de procesamiento, se realiza una medición del tiempo que tarda el bloque FFT en realizar la transformada. Este tiempo se compara con el tiempo que tarda MATLAB en realizar la misma transformada a los mismos datos. Esto significa que el sistema desarrollado en Hardware realiza la transformada rápida de Fourier 27 veces más rápido que lo que tarda MATLAB, por lo que se puede ver aquí la gran ventaja competitiva del Hardware en lo que a tiempos de ejecución se refiere. En lo que al aspecto didáctico se refiere, este TFG engloba diferentes campos. En el campo de la electrónica:  Se han mejorado los conocimientos en MATLAB, así como diferentes herramientas que ofrece como FDATool (Filter Design Analysis Tool).  Se han adquirido conocimientos de técnicas de procesado de señal, y en particular, de análisis espectral.  Se han mejorado los conocimientos en VHDL, así como su uso en el entorno ISE de Xilinx.  Se han reforzado los conocimientos en C mediante la programación del MicroBlaze para el control del sistema.  Se ha aprendido a crear sistemas embebidos usando el entorno de desarrollo de Xilinx usando la herramienta EDK (Embedded Development Kit). En el campo de la neurología, se ha aprendido a realizar ensayos EEG, así como a analizar e interpretar los resultados mostrados en el mismo. En cuanto al impacto social, los sistemas BCI afectan a muchos sectores, donde destaca el volumen de personas con discapacidades físicas, para los cuales, este sistema implica una oportunidad de aumentar su autonomía en el día a día. También otro sector importante es el sector de la investigación médica, donde los sistemas BCIs son aplicables en muchas aplicaciones como, por ejemplo, la detección y estudio de enfermedades cognitivas.

Análisis de las herramientas ORCC y Vivado HLS para la Síntesis de Modelos de Flujo de Datos RVC-CAL

En este Proyecto Fin de Grado se ha realizado un estudio de cómo generar, a partir de modelos de flujo de datos en RVC-CAL (Reconfigurable Video Coding – CAL Actor Language), modelos VHDL (Versatile Hardware Description Language) mediante Vivado HLS (Vivado High Level Synthesis), incluida en las herramientas disponibles en Vivado de Xilinx. Una vez conseguido el modelo VHDL resultante, la intención es que mediante las herramientas de Xilinx se programe en una FPGA (Field Programmable Gate Array) o el dispositivo Zynq también desarrollado por Xilinx. RVC-CAL es un lenguaje de flujo de datos que describe la funcionalidad de bloques funcionales, denominados actores. Las funcionalidades que desarrolla un actor se definen como acciones, las cuales pueden ser diferentes en un mismo actor. Los actores pueden comunicarse entre sí y formar una red de actores o network. Con Vivado HLS podemos obtener un diseño VHDL a partir de un modelo en lenguaje C. Por lo que la generación de modelos en VHDL a partir de otros en RVC-CAL, requiere una fase previa en la que los modelos en RVC-CAL serán compilados para conseguir su equivalente en lenguaje C. El compilador ORCC (Open RVC-CAL Compiler) es la herramienta que nos permite lograr diseños en lenguaje C partiendo de modelos en RVC-CAL. ORCC no crea directamente el código ejecutable, sino que genera un código fuente disponible para ser compilado por otra herramienta, en el caso de este proyecto, el compilador GCC (Gnu C Compiler) de Linux. En resumen en este proyecto nos encontramos con tres puntos de estudio bien diferenciados, los cuales son: 1. Partimos de modelos de flujo de datos en RVC-CAL, los cuales son compilados por ORCC para alcanzar su traducción en lenguaje C. 2. Una vez conseguidos los diseños equivalentes en lenguaje C, son sintetizados en Vivado HLS para conseguir los modelos en VHDL. 3. Los modelos VHDL resultantes serian manipulados por las herramientas de Xilinx para producir el bitstream que sea programado en una FPGA o en el dispositivo Zynq. En el estudio del segundo punto, nos encontramos con una serie de elementos conflictivos que afectan a la síntesis en Vivado HLS de los diseños en lenguaje C generados por ORCC. Estos elementos están relacionados con la manera que se encuentra estructurada la especificación en C generada por ORCC y que Vivado HLS no puede soportar en determinados momentos de la síntesis. De esta manera se ha propuesto una transformación “manual” de los diseños generados por ORCC que afecto lo menos posible a los modelos originales para poder realizar la síntesis con Vivado HLS y crear el fichero VHDL correcto. De esta forma este documento se estructura siguiendo el modelo de un trabajo de investigación. En primer lugar, se exponen las motivaciones y objetivos que apoyan y se esperan lograr en este trabajo. Seguidamente, se pone de manifiesto un análisis del estado del arte de los elementos necesarios para el desarrollo del mismo, proporcionando los conceptos básicos para la correcta comprensión y estudio del documento. Se realiza una descripción de los lenguajes RVC-CAL y VHDL, además de una introducción de las herramientas ORCC y Vivado, analizando las bondades y características principales de ambas. Una vez conocido el comportamiento de ambas herramientas, se describen las soluciones desarrolladas en nuestro estudio de la síntesis de modelos en RVC-CAL, poniéndose de manifiesto los puntos conflictivos anteriormente señalados que Vivado HLS no puede soportar en la síntesis de los diseños en lenguaje C generados por el compilador ORCC. A continuación se presentan las soluciones propuestas a estos errores acontecidos durante la síntesis, con las cuales se pretende alcanzar una especificación en C más óptima para una correcta síntesis en Vivado HLS y alcanzar de esta forma los modelos VHDL adecuados. Por último, como resultado final de este trabajo se extraen un conjunto de conclusiones sobre todos los análisis y desarrollos acontecidos en el mismo. Al mismo tiempo se proponen una serie de líneas futuras de trabajo con las que se podría continuar el estudio y completar la investigación desarrollada en este documento. ABSTRACT. In this Project it has made a study of how to generate, from data flow models in RVC-CAL (Reconfigurable Video Coding - Actor CAL Language), VHDL models (Versatile Hardware Description Language) by Vivado HLS (Vivado High Level Synthesis), included in the tools available in Vivado of Xilinx. Once achieved the resulting VHDL model, the intention is that by the Xilinx tools programmed in FPGA or Zynq device also developed by Xilinx. RVC-CAL is a dataflow language that describes the functionality of functional blocks, called actors. The functionalities developed by an actor are defined as actions, which may be different in the same actor. Actors can communicate with each other and form a network of actors. With Vivado HLS we can get a VHDL design from a model in C. So the generation of models in VHDL from others in RVC-CAL requires a preliminary phase in which the models RVC-CAL will be compiled to get its equivalent in C. The compiler ORCC (Open RVC-CAL Compiler) is the tool that allows us to achieve designs in C language models based on RVC-CAL. ORCC not directly create the executable code but generates an available source code to be compiled by another tool, in the case of this project, the GCC compiler (GNU C Compiler) of Linux. In short, in this project we find three well-defined points of study, which are: 1. We start from data flow models in RVC-CAL, which are compiled by ORCC to achieve its translation in C. 2. Once you realize the equivalent designs in C, they are synthesized in Vivado HLS for VHDL models. 3. The resulting models VHDL would be manipulated by Xilinx tools to produce the bitstream that is programmed into an FPGA or Zynq device. In the study of the second point, we find a number of conflicting elements that affect the synthesis Vivado HLS designs in C generated by ORCC. These elements are related to the way it is structured specification in C generated ORCC and Vivado HLS cannot hold at certain times of the synthesis. Thus it has proposed a "manual" transformation of designs generated by ORCC that affected as little as possible to the original in order to perform the synthesis Vivado HLS and create the correct file VHDL models. Thus this document is structured along the lines of a research. First, the motivations and objectives that support and hope to reach in this work are presented. Then it shows an analysis the state of the art of the elements necessary for its development, providing the basics for a correct understanding and study of the document. A description of the RVC-CAL and VHDL languages is made, in addition an introduction of the ORCC and Vivado tools, analyzing the advantages and main features of both. Once you know the behavior of both tools, the solutions developed in our study of the synthesis of RVC-CAL models, introducing the conflicting points mentioned above are described that Vivado HLS cannot stand in the synthesis of design in C language generated by ORCC compiler. Below the proposed solutions to these errors occurred during synthesis, with which it is intended to achieve optimum C specification for proper synthesis Vivado HLS and thus create the appropriate VHDL models are presented. Finally, as the end result of this work a set of conclusions on all analyzes and developments occurred in the same are removed. At the same time a series of future lines of work which could continue to study and complete the research developed in this document are proposed.

Critical properties of the four-state commutative random permutation glassy Potts model in three and four dimensions

We investigate the critical properties of the four-state commutative random permutation glassy Potts model in three and four dimensions by means of Monte Carlo simulations and a finite-size scaling analysis. By using a field programmable gate array, we have been able to thermalize a large number of samples of systems with large volume. This has allowed us to observe a spin-glass ordered phase in d=4 and to study the critical properties of the transition. In d=3, our results are consistent with the presence of a Kosterlitz-Thouless transition, but also with different scenarios: transient effects due to a value of the lower critical dimension slightly below 3 could be very important.

Célula de medida de viscosidade de líquidos

O objetivo deste trabalho é o projeto, construção e teste de um sistema que permita a medida de viscosidade de líquidos utilizando o método do fio vibrante em regime livre. A principal contribuição original deste trabalho é o modo de controlo do estímulo e aquisição de sinal no contexto da medição de viscosidade, utilizando uma interface gráfica (GUI) onde o utilizador pode controlar o estímulo e a taxa de aquisição do sensor. A Field Programmable Gate Array (FPGA) é utilizada para controlar e sincronizar todo o sistema e fazer a ligação entre a interface gráfica e o hardware desenvolvido para condicionar o sinal de estímulo do fio vibrante e de resposta do fio vibrante. A amplitude eficaz máxima de corrente a estimular o fio vibrante permite utilizar fios vibrantes com um diâmetro maior e efetuar medições em líquidos mais viscosos. Utilizando o protótipo desenvolvido para adquirir a resposta do fio vibrante fez-se o ajuste dos pontos experimentais à equação que descreve o comportamento teórico da resposta do fio vibrante, obtendo-se valores de frequência e amortecimento da resposta do fio vibrante com um desvio padrão de e respetivamente, permitindo assim calcular a viscosidade do líquido em estudo.

Three Generations of FPGA DAQ Development for the ATLAS Pixel Detector

Thesis (Master's)--University of Washington, 2016-06

Assessing an FPGA implemented MIMO testbed with the use of channel emulator

In this paper, a channel emulator for assessing the performance of MIMO testbed implemented in a field programmable gate array technology is described. The FPGA based MIMO system includes a signal generator, modulation/demodulation and space time coding/decoding modules. The emulator uses information about a wireless channel from computer simulations or actual measurements. In simulations, a single bounce scattering model for an indoor environment is applied. The generated data is stored in the FPGA board. The tests are performed for a 2times2 MIMO system that uses Alamouti scheme for space coding/decoding. The performed tests show proper operation of the FPGA implemented MIMO testbed. Good agreement between the results using measured and simulated channel data is obtained.

Design of MIMO testbed with an FPGA board for fast signal processing

This paper describes the design of a Multiple Input Multiple Output testbed for assessing various MIMO transmission schemes in rich scattering indoor environments. In the undertaken design, a Field Programmable Gate Array (FPGA) board is used for fast processing of Intermediate Frequency signals. At the present stage, the testbed performance is assessed when the channel emulator between transmitter and receiver modules is introduced. Here, the results are presented for the case when a 2x2 Alamouti scheme for space time coding/decoding at transmitter and receiver is used. Various programming details of the FPGA board along with the obtained simulation results are reported

Time resolved bit error rate analysis of a fast switching tunable laser for use in optically switched networks

We investigate the use of different direct detection modulation formats in a wavelength switched optical network. We find the minimum time it takes a tunable sampled grating distributed Bragg reflector laser to recover after switching from one wavelength channel to another for different modulation formats. The recovery time is investigated utilizing a field programmable gate array which operates as a time resolved bit error rate detector. The detector offers 93 ps resolution operating at 10.7 Gb/s and allows for all the data received to contribute to the measurement, allowing low bit error rates to be measured at high speed. The recovery times for 10.7 Gb/s non-return-to-zero on–off keyed modulation, 10.7 Gb/s differentially phase shift keyed signal and 21.4 Gb/s differentially quadrature phase shift keyed formats can be as low as 4 ns, 7 ns and 40 ns, respectively. The time resolved phase noise associated with laser settling is simultaneously measured for 21.4 Gb/s differentially quadrature phase shift keyed data and it shows that the phase noise coupled with frequency error is the primary limitation on transmitting immediately after a laser switching event.

Characterization of time-resolved laser differential phase using 3D complementary cumulative distribution functions

An experimental method for characterizing the time-resolved phase noise of a fast switching tunable laser is discussed. The method experimentally determines a complementary cumulative distribution function of the laser's differential phase as a function of time after a switching event. A time resolved bit error rate of differential quadrature phase shift keying formatted data, calculated using the phase noise measurements, was fitted to an experimental time-resolved bit error rate measurement using a field programmable gate array, finding a good agreement between the time-resolved bit error rates.

Time resolved bit error rate analysis of a fast switching tunable laser for use in optically switched networks

We investigate the use of different direct detection modulation formats in a wavelength switched optical network. We find the minimum time it takes a tunable sampled grating distributed Bragg reflector laser to recover after switching from one wavelength channel to another for different modulation formats. The recovery time is investigated utilizing a field programmable gate array which operates as a time resolved bit error rate detector. The detector offers 93 ps resolution operating at 10.7 Gb/s and allows for all the data received to contribute to the measurement, allowing low bit error rates to be measured at high speed. The recovery times for 10.7 Gb/s non-return-to-zero on–off keyed modulation, 10.7 Gb/s differentially phase shift keyed signal and 21.4 Gb/s differentially quadrature phase shift keyed formats can be as low as 4 ns, 7 ns and 40 ns, respectively. The time resolved phase noise associated with laser settling is simultaneously measured for 21.4 Gb/s differentially quadrature phase shift keyed data and it shows that the phase noise coupled with frequency error is the primary limitation on transmitting immediately after a laser switching event.

Segmental body composition determination through a bioelectrical very large scale integration (VLSI) system

The purpose of this investigation was to develop new techniques to generate segmental assessments of body composition based on Segmental Bioelectrical Impedance Analysis (SBIA). An equally important consideration was the design, simulation, development, and the software and hardware integration of the SBIA system. This integration was carried out with a Very Large Scale Integration (VLSI) Field Programmable Gate Array (FPGA) microcontroller that analyzed the measurements obtained from segments of the body, and provided full body and segmental Fat Free Mass (FFM) and Fat Mass (FM) percentages. Also, the issues related to the estimate of the body's composition in persons with spinal cord injury (SCI) were addressed and investigated. This investigation demonstrated that the SBIA methodology provided accurate segmental body composition measurements. Disabled individuals are expected to benefit from these SBIA evaluations, as they are non-invasive methods, suitable for paralyzed individuals. The SBIA VLSI system may replace bulky, non flexible electronic modules attached to human bodies. ^

VLSI testing and characterization system for micro electro-mechanical (MEM) sensors

The purpose of this investigation was to develop and implement a general purpose VLSI (Very Large Scale Integration) Test Module based on a FPGA (Field Programmable Gate Array) system to verify the mechanical behavior and performance of MEM sensors, with associated corrective capabilities; and to make use of the evolving System-C, a new open-source HDL (Hardware Description Language), for the design of the FPGA functional units. System-C is becoming widely accepted as a platform for modeling, simulating and implementing systems consisting of both hardware and software components. In this investigation, a Dual-Axis Accelerometer (ADXL202E) and a Temperature Sensor (TMP03) were used for the test module verification. Results of the test module measurement were analyzed for repeatability and reliability, and then compared to the sensor datasheet. Further study ideas were identified based on the study and results analysis. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) design concepts were also being pursued.

Visual driver support system for traffic signs

It has been well documented that traffic accidents that can be avoided occur when the motorists miss or ignore traffic signs. With the attention of drivers getting diverted due to distractions like cell phone conversations, missing traffic signs has become more prevalent. Also, poor weather and other unfriendly driving conditions sometimes makes the motorists not to be alert all the time and see every traffic sign on the road. Besides, most cars do not have any form of traffic assistance. Because of heavy traffic and proliferation of traffic signs on the roads, there is a need for a system that assists the driver not to miss a traffic sign to reduce the probability of an accident. Since visual information is critical for driving, processed video signals from cameras have been chosen to assist drivers. These inexpensive cameras can be easily mounted on the automobile. The objective of the present investigation and the traffic system development is to recognize the traffic signs electronically and alert drivers. For the case study and the system development, five important and critical traffic signs have been selected. They are: STOP, NO ENTER, NO RIGHT TURN, NO LEFT TURN, and YIELD. The system was evaluated processing still pictures taken from the public roads, and the recognition results were presented in an analysis table to indicate the correct identifications and the false ones. The system reached the acceptable recognition rate of 80% for all five traffic signs. The processing rate was about three seconds. The capabilities of MATLAB, VLSI design platforms and coding have been used to generate a visual warning to complement the visual driver support system with a Field Programmable Gate Array (FPGA) on a XUP Virtex-II Pro Development System.

System-on-a-Chip (SoC) based hardware acceleration in Register Transfer Level (RTL) design

Today, modern System-on-a-Chip (SoC) systems have grown rapidly due to the increased processing power, while maintaining the size of the hardware circuit. The number of transistors on a chip continues to increase, but current SoC designs may not be able to exploit the potential performance, especially with energy consumption and chip area becoming two major concerns. Traditional SoC designs usually separate software and hardware. Thus, the process of improving the system performance is a complicated task for both software and hardware designers. The aim of this research is to develop hardware acceleration workflow for software applications. Thus, system performance can be improved with constraints of energy consumption and on-chip resource costs. The characteristics of software applications can be identified by using profiling tools. Hardware acceleration can have significant performance improvement for highly mathematical calculations or repeated functions. The performance of SoC systems can then be improved, if the hardware acceleration method is used to accelerate the element that incurs performance overheads. The concepts mentioned in this study can be easily applied to a variety of sophisticated software applications. The contributions of SoC-based hardware acceleration in the hardware-software co-design platform include the following: (1) Software profiling methods are applied to H.264 Coder-Decoder (CODEC) core. The hotspot function of aimed application is identified by using critical attributes such as cycles per loop, loop rounds, etc. (2) Hardware acceleration method based on Field-Programmable Gate Array (FPGA) is used to resolve system bottlenecks and improve system performance. The identified hotspot function is then converted to a hardware accelerator and mapped onto the hardware platform. Two types of hardware acceleration methods – central bus design and co-processor design, are implemented for comparison in the proposed architecture. (3) System specifications, such as performance, energy consumption, and resource costs, are measured and analyzed. The trade-off of these three factors is compared and balanced. Different hardware accelerators are implemented and evaluated based on system requirements. 4) The system verification platform is designed based on Integrated Circuit (IC) workflow. Hardware optimization techniques are used for higher performance and less resource costs. Experimental results show that the proposed hardware acceleration workflow for software applications is an efficient technique. The system can reach 2.8X performance improvements and save 31.84% energy consumption by applying the Bus-IP design. The Co-processor design can have 7.9X performance and save 75.85% energy consumption.