A study of control-bounded estimation filter architectures

Abstract

Analog-til-digital omformere (ADC) er viktige i mange applikasjoner. Nylig har en ny type omformer vokst frem, kalt kontrollbegrenset (control-bounded) omforming. Den tilbyr et annerledes perspektiv av ADC prosessen. Dette rammeverket er mindre begrensende, noe som gjør nye og interessante implementasjoner mulige. Det mangler informasjon om det tilhørende digitale filteret ettersom denne metoden for omforming er så ny. Denne oppgaven vil prøve å lindre denne mangelen ved å utforske digitale filter implementasjoner for et enkeltinngangs system.

Tre implementasjoner vil bli presentert i denne oppgaven. En batch implementasjon som bruker rekursive kalkulasjoner både for framoverblikk og bakoverblikk. En avgrenset impuls respons (FIR) implementasjon som beregner resultatet direkte, basert på oppslagstabeller. Og en hybrid mellom disse, hvor rekursive kalkulasjoner bruker i bakoverblikket og oppslagstabeller brukes til foroverblikket. I tillegg vil en variasjon av hver implementasjon bli presentert. Én implementasjon hvor nedsampling skjer i to steg som vil prøve å redusere arealet til implementasjonene med rekursjoner. Og en fremgangsmåte som bruker kopier av kretsen i et forsøk på å senke kraftbruken til FIR implementasjonen ytterligere.

Arealet og kraftbruken til disse implementasjonene vil bli utforsket. Oppgaven vil prøve å etablere trender over forskjellige parametre i det kontrollbegrensede systemet. Parametre som: filter dypde, nedsamplingsrate, systemorden, og klokkefrekvens.

Generelt vil denne oppgaven vise at FIR implementasjonen har den mest gunstige veksten. Den vil oppnå en dynamisk kraftbruk på 313µW med 60dB signal-støy rate og 40MS/s. Oppgaven vil vise at FIR implementasjonen passer best til denne applikasjonen i de fleste tilfeller. Det vil også bli vist et par tilfeller hvor hybrid implementasjonen kan være bedre.

Analog-to-digital converters (ADCs) are important in many applications. Recently, a new type of converter has been emerging called control-bounded converters. It offers a different perspective to the ADC process. This framework is less restrictive, making new and interesting implementations possible. There is a lack of data on the associated digital filter as this conversion concept is very recent. This thesis will try to rectify that by exploring digital filter implementations for a single-input system.

Three implementations will be presented in this thesis. A batch implementation using recursive calculations for both the lookahead and lookback. A finite impulse response (FIR) implementation which directly calculates the result from lookup tables. And a hybrid between these, using recursive calculations for the lookback and lookup tables for the lookahead. Additionally, a variation of each implementation will be presented. An implementation that downsamples in two stages will try to reduce the area of the implementations with recursions. And an approach using duplicate circuits will attempt to further lower the power consumption of the FIR implementation.

The area and power consumption of these implementations will be explored. The thesis will attempt to establish trends over different parameters of the control-bounded system. Parameters such as filter depth, downsampling rate, system order, and clock frequency.

In general, this thesis will show the FIR implementation having the most favorable scaling. It will achieve 313µW dynamic power consumption with 60dB signal-noise ratio and 40MS/s. The thesis will show that the FIR implementation is best suited for this application in most cases. There will also be shown a few cases where the hybrid implementation may be better.