Dispositivi FPGA di ultima generazione: analisi e confronto

Questa tesi si prefissa l’obiettivo di analizzare l'evoluzione dei sistemi FPGA nel corso degli ultimi anni, evidenziando le novità e gli aspetti tecnici più significativi che ogni famiglia ha introdotto. Il primo capitolo avrà il compito di mostrare l’architettura ed il funzionamento generale di un FPGA, cercando di illustrarne le principali caratteristiche. Il secondo capitolo introdurrà i dispositivi FPGA Xilinx e mostrerà le caratteristiche tecniche dei principali dispositivi prodotto dall'azienda. Il terzo capitolo mostrerà invece le caratteristiche tecniche degli FPGA più recenti prodotti da Altera. Il quarto ed ultimo capitolo, invece, metterà a confronto alcuni parametri fondamentali dei dispositivi descritti nell'elaborato.

Implementazione di un modulatore sigma-delta digitale per la sintesi di segnali pwm ad alta fedelta.

La modulazione a durata d'impulso (PWM) è utilizzata soprattutto perchè permette di ottenere alta efficenza energetica. In ambito accademico è stato proposto un modulatore PWM che sfrutta la tecnica di noise shaping, Sigma Delta, per avere elevata fedeltà. Il lavoro di questa tesi è stato l'implementazione su FPGA del modulatore Sigma DeltaDigitale utilizzato: quarto ordine, con quantizzatore a 4 bit e SNR in banda di 60 dB. Il dimensionamento è stato fatto determinando l'effetto che la lunghezza delle parole dei segnali ha sul rumore prodotto dal sistema. Questo studio è stato svolto con analisi euristiche ed algoritmi di ricerca implementati in ambiente MATLAB. Lo studio fatto è di carattere generale ed estendibile a generiche architetture Sigma Delta.

Triggers per attività di test su fascio di particelle. Realizzazione di un progetto in VHDL e sintetizzazione su FPGA

Progettazione e realizzazione di un dispositivo elettronico con lo scopo di coordinare e sincronizzare la presa dati del beam test del LUCID (CERN, luglio 2009) e tener traccia di tali eventi. Il circuito è stato progettato in linguaggio VHDL, simulato con il programma ModelSim, sintetizzato con il programma Quartus e implementato su un FPGA Cyclone residente su scheda di tipo VME 6U della CAEN. Infine la scheda è stata testata in laboratorio (verificandone il corretto funzionamento) assieme all'intero sistema di presa dati, e confermata per il beam test del LUCID.

Sintesi e caratterizzazione di oligo e politiofeni per applicazioni in elettronica e biodiagnostica

Negli ultimi anni sono stati sintetizzati numerosi oligomeri e polimeri del tiofene che, grazie alle loro proprietà di semiconduttori, hanno trovano largo impiego in molti campi di interesse tecnologico come, ad esempio, transistor ad effetto di campo, diodi elettroluminescenti, dispositivi ottici non lineari e celle fotovoltaiche. Più recentemente, oligomeri tiofenici ossidati allo zolfo hanno trovato applicazione sia in campo elettronico, come materiali accettori in blenda con il poli(3-esiltiofene) (P3HT) usato come materiale donatore, in celle solari di tipo Bulk Hetero Junction (BHJ), ma anche in campo biologico come marcatori fluorescenti di proteine e oligonucleotidi. Tuttavia la sintesi di queste specie richiede condizioni di reazione spinte e al contempo rischiose dovute all’utilizzo in largo eccesso di agenti ossidanti molto forti. Uno degli obiettivi di questa tesi è stato lo sviluppo di metodi più versatili per la mono e di-ossidazione selettiva allo zolfo del tiofene di building-blocks dibromurati di diversa natura. Successivamente i building-blocks S-monossido e S,S-diossido derivati sono stati impiegati per la sintesi di oligomeri e polimeri tramite reazioni di cross-coupling Palladio catalizzate. I composti finali sono stati caratterizzati sia dal punto di vista spettroscopico UV-Vis che elettrochimico, mettendo in evidenza le relazioni che esistono fra gli andamenti dei dati sperimentali ottenuti con il diverso stato di ossidazione dei composti tiofenici diversamente sostituiti. Infine i composti finali sono stati testati sia in campo fotovoltaico che biologico.

Ottimizzazione di protocolli di trasmissione dati tramite interfaccia usb implementati su fpga

La maggior parte dei moderni dispositivi e macchinari, sia ad uso civile che industriale, utilizzano sistemi elettronici che ne supervisionano e ne controllano il funzionamento. All’ interno di questi apparati è quasi certamente impiegato un sistema di controllo digitale che svolge, anche grazie alle potenzialità oggi raggiunte, compiti che fino a non troppi anni or sono erano dominio dell’ elettronica analogica, si pensi ad esempio ai DSP (Digital Signal Processor) oggi impiegati nei sistemi di telecomunicazione. Nonostante l'elevata potenza di calcolo raggiunta dagli odierni microprocessori/microcontrollori/DSP dedicati alle applicazioni embedded, quando è necessario eseguire elaborazioni complesse, time-critical, dovendo razionalizzare e ottimizzare le risorse a disposizione, come ad esempio spazio consumo e costi, la scelta ricade inevitabilmente sui dispositivi FPGA. I dispositivi FPGA, acronimo di Field Programmable Gate Array, sono circuiti integrati a larga scala d’integrazione (VLSI, Very Large Scale of Integration) che possono essere configurati via software dopo la produzione. Si differenziano dai microprocessori poiché essi non eseguono un software, scritto ad esempio in linguaggio assembly oppure in linguaggio C. Sono invece dotati di risorse hardware generiche e configurabili (denominate Configurable Logic Block oppure Logic Array Block, a seconda del produttore del dispositivo) che per mezzo di un opportuno linguaggio, detto di descrizione hardware (HDL, Hardware Description Language) vengono interconnesse in modo da costituire circuiti logici digitali. In questo modo, è possibile far assumere a questi dispositivi funzionalità logiche qualsiasi, non previste in origine dal progettista del circuito integrato ma realizzabili grazie alle strutture programmabili in esso presenti.

Implementazione su fpga di un pre-distorsore digitale a banda larga per sistemi a microonde di backhaul

The development of next generation microwave technology for backhauling systems is driven by an increasing capacity demand. In order to provide higher data rates and throughputs over a point-to-point link, a cost-effective performance improvement is enabled by an enhanced energy-efficiency of the transmit power amplification stage, whereas a combination of spectrally efficient modulation formats and wider bandwidths is supported by amplifiers that fulfil strict constraints in terms of linearity. An optimal trade-off between these conflicting requirements can be achieved by resorting to flexible digital signal processing techniques at baseband. In such a scenario, the adaptive digital pre-distortion is a well-known linearization method, that comes up to be a potentially widely-used solution since it can be easily integrated into base stations. Its operation can effectively compensate for the inter-modulation distortion introduced by the power amplifier, keeping up with the frequency-dependent time-varying behaviour of the relative nonlinear characteristic. In particular, the impact of the memory effects become more relevant and their equalisation become more challenging as the input discrete signal feature a wider bandwidth and a faster envelope to pre-distort. This thesis project involves the research, design and simulation a pre-distorter implementation at RTL based on a novel polyphase architecture, which makes it capable of operating over very wideband signals at a sampling rate that complies with the actual available clock speed of current digital devices. The motivation behind this structure is to carry out a feasible pre-distortion for the multi-band spectrally efficient complex signals carrying multiple channels that are going to be transmitted in near future high capacity and reliability microwave backhaul links.

Cooperative and reconfigurable telecommunication systems based on FPGA

This work has been realized by the author in his PhD course in Electronics, Computer Science and Telecommunication at the University of Bologna, Faculty of Engineering, Italy. The subject of this thesis regards important channel estimation aspects in wideband wireless communication systems, such as echo cancellation in digital video broadcasting systems and pilot aided channel estimation through an innovative pilot design in Multi-Cell Multi-User MIMO-OFDM network. All the documentation here reported is a summary of years of work, under the supervision of Prof. Oreste Andrisano, coordinator of Wireless Communication Laboratory - WiLab, in Bologna. All the instrumentation that has been used for the characterization of the telecommunication systems belongs to CNR (National Research Council), CNIT (Italian Inter-University Center), and DEIS (Dept. of Electronics, Computer Science, and Systems). From November 2009 to May 2010, the author spent his time abroad, working in collaboration with DOCOMO - Communications Laboratories Europe GmbH (DOCOMO Euro-Labs) in Munich, Germany, in the Wireless Technologies Research Group. Some important scientific papers, submitted and/or published on IEEE journals and conferences have been produced by the author.

Sviluppo di un modulo VHDL per interfacciamento Ethernet-FPGA in applicazioni di high throughput screening

In molti settori della ricerca in campo biologico e biomedico si fa ricorso a tecniche di High Throughput Screening (HTS), tra cui studio dei canali ionici. In questo campo si studia la conduzione di ioni attraverso una membrana cellulare durante fenomeni che durano solo alcuni millisecondi. Allo scopo sono solitamente usati sensori e convertitori A/D ad elevata velocità insieme ad opportune interfacce di comunicazione, ad elevato bit-rate e latenza ridotta. In questa tesi viene descritta l'implementazione di un modulo VHDL per la trasmissione di dati digitali provenienti da un sistema HTS attraverso un controller di rete integrato dotato di un'interfaccia di tipo Ethernet, individuando le possibili ottimizzazioni specifiche per l'applicazione di interesse.

Studio degli acceleranti dell'idratazione del clinker e sintesi di composti alternativi da fonti rinnovabili

Il cemento è il materiale da edilizia più comune al mondo e le problematiche ambientali associate all’utilizzo ed al ciclo produttivo sono numerose (rilascio di gas serra, scelta delle materie prime, risparmio energetico) e fortemente impattanti. Tuttavia, nonostante la sua diffusione sia globale e le proprietà siano note da millenni vi sono ancora alcuni processi che non sono stati correttamente spiegati. In particolare non esiste una teoria unica e consolidata che descriva efficacemente la microstruttura delle fasi minerali del cemento che si sviluppano successivamente all'idratazione, e come esso di conseguenza interagisca con principi attivi, organici o inorganici, di cui è noto l’effetto accelerante sulla cinetica di indurimento. Questa tesi si pone l'obiettivo di condurre uno studio dell'idratazione del clinker finemente macinato (CFM - principale componente di molti cementi) focalizzato sull’interazione tra elementi chimici presenti nella matrice cementizia (Calcio, Ferro e Alluminio) ed additivi acceleranti (Trietanolammina, Triisopropanolammina). Il fenomeno è stato studiato tramite osservazione dell'andamento del rilascio dei suddetti ioni su cementi in via di idratazione e tramite utilizzo di tecniche di microscopia elettronica e di diffrazione di raggi X. L'analisi del rilascio di ioni, effettuata mediante spettroscopia ad assorbimento atomico, è stata condotta al fine di approfondire l'azione di trietanolammina e triisopropanolammina sulle dinamiche di idratazione dei CFM nelle fasi precoci di idratazione, al fine di confrontare queste dinamiche con processi che avvengono in fasi successive e che coinvolgono la formazione delle principali fasi amorfe e cristalline responsabili delle proprietà del materiale. Da indagini di diffrattometria e microscopia sono inoltre state estrapolate interessanti considerazioni circa le cinetiche che portano alla formazione delle fasi cristalline tipiche dell'idratazione del cemento (portlandite, ettringite) in presenza e assenza di additivi. Nel corso dello studio sono stati sintetizzati alcuni composti alternativi agli additivi commerciali, sviluppati a partire da building blocks provenienti da fonti rinnovabili, portando quindi l'attenzione sulla sostenibilità del processo di progettazione delle molecole, anche alla luce della degradazione in ambiente delle sostanze sintetizzate. Tali molecole sono attualmente in fase di test presso i laboratori di Italcementi (ITC Group).

Design and implementation of a novel multi-constellation FPGA-based dual frequency GNSS receiver for space applications

The PhD activity described in the document is part of the Microsatellite and Microsystem Laboratory of the II Faculty of Engineering, University of Bologna. The main objective is the design and development of a GNSS receiver for the orbit determination of microsatellites in low earth orbit. The development starts from the electronic design and goes up to the implementation of the navigation algorithms, covering all the aspects that are involved in this type of applications. The use of GPS receivers for orbit determination is a consolidated application used in many space missions, but the development of the new GNSS system within few years, such as the European Galileo, the Chinese COMPASS and the Russian modernized GLONASS, proposes new challenges and offers new opportunities to increase the orbit determination performances. The evaluation of improvements coming from the new systems together with the implementation of a receiver that is compatible with at least one of the new systems, are the main activities of the PhD. The activities can be divided in three section: receiver requirements definition and prototype implementation, design and analysis of the GNSS signal tracking algorithms, and design and analysis of the navigation algorithms. The receiver prototype is based on a Virtex FPGA by Xilinx, and includes a PowerPC processor. The architecture follows the software defined radio paradigm, so most of signal processing is performed in software while only what is strictly necessary is done in hardware. The tracking algorithms are implemented as a combination of Phase Locked Loop and Frequency Locked Loop for the carrier, and Delay Locked Loop with variable bandwidth for the code. The navigation algorithm is based on the extended Kalman filter and includes an accurate LEO orbit model.

IN LOCO VRBI DICITVR PORTAVREA: Dal disegno al modello digitale, studio per una ipotesi ricostruttiva della Porta Aurea di Ravenna ai fini della fruizione museale.

In questo studio si esamina la ricostruzione di Porta Aurea a Ravenna, edificio di epoca romana ormai scomparsa ma di cui rimangono molti documenti sia a livello di tradizione storica locale che per quanto riguarda disegni di illustri architetti come Andrea Palladio. Il processo di ricostruzione si articola sull’uso di materiale distintamente catalogato a seconda di diversi gradi di incertezza. Per giungere alla costruzione sono state effettuate anche due campagne di rilievo con la tecnica di acquisizione del Laser Scanner Leica C10 all-in-one. La prima presso il Museo Nazionale di Ravenna, dove sono tutt’oggi conservati alcuni frammenti architettonici di pregio provenienti da Porta Aurea. Una seconda indagine di rilievo è stata invece effettuata presso le mura di Ravenna in Via di Porta Aurea ove rimangono i resti delle porzioni di mura o meglio torrioni verticali che incorniciavano il monumento ravennate. Sintesi finale di questo lavoro è il raggiungimento di un modello “possibile” ma comunque ideale desunto dall’intreccio di diverse fonti iconografiche al fine di una possibile fruizione museale presso lo stesso Museo Nazionale di Ravenna.

Grafene: Proprieta, sintesi e applicazioni

Nel 2004 due Fisici dell’Università di Manchester, nel Regno Unito, hanno isolato per la prima volta un materiale dallo spessore di un singolo atomo: il grafene. Questo materiale, composto da un reticolo di atomi di carbonio disposti a nido d’ape, possiede interessanti proprietà chimiche e fisiche, tra le quali una elevata resistenza chimica e meccanica, un’eccellente trasporto termico ed elettrico ed una elevata trasparenza. Il crescente fermento attorno al grafene ha suscitato un forte interesse a livello europeo, al punto che il 28 gennaio di quest’anno la Comunità Europea ha approvato i due più grandi progetti di ricerca mai finanziati in Europa. Tra questi il Graphene Flagship Project (www.graphene-flagship.eu) che coinvolge oltre 120 gruppi di ricerca da 17 Stati Europei e distribuirà nei prossimi anni 1,000 milioni di euro per lo sviluppo di tecnologie e dispositivi a base grafene. Nel mio elaborato di Tesi ho seguito le ricerche del gruppo grafene dell’Istituto per la Microelettronica e i Microsistemi del Consiglio Nazionale delle Ricerche di Bologna, approfondendo il funzionamento del sistema di sintesi di questo materiale chiamato Chemical Vapour Deposition e le tecniche sperimentali che permettono il trasferimento del grafene su substrati come il silicio, ma anche materiali polimerici flessibili come il PET, per la realizzazione di elettrodi conduttivi, trasparenti per applicazioni nell’elettronica flessibile. Questa esperienza e stata molto importante per la mia formazione e mi ha dato modo di lavorare ad un soggetto di ricerca cosi attuale, importante e promettente come il grafene. Nutro personalmente grande passione e aspettativa per questo materiale e sono convinto che nel prossimo futuro la tecnologia del grafene saprà entrare nella vita quotidiana di tutti noi.