Αρχιτεκτονικές και υλοποίηση κωδίκων διόρθωσης λαθών

Abstract

Due to the amazing performance of Turbo codes close to the fundamental Shannon limit, modern telecommunication standards have adopted this efficient scheme of channel coding for the reliability improvement during the data transmission and the appropriate use of the provided bandwidth. Therefore, their incorporation into a wide range of applications demands efficient architectures and implementations of high-throughput and low energy consumption in the case of the extremely complex and time consuming procedure of iterative decoding. Recent analog implementations of small iterative decoders exploit the nonlinear nature of transistors used in CMOS or BiCMOS technologies and outperform their digital counterparts in terms of power consumption and decoding speed. However, the use of these silicon technologies for the analog decoder’s implementation is incapable to cope with the particular specifications and demands of high-speed and high-performance telecom applications like optical communications and systems of magnetic storage. The present dissertation studies the use of SiGe BiCMOS technology in analog architectures for the implementation of high-throughput and moderate power consumption Turbo decoders. The design is based on Heterojunction Bipolar Transistors and leads to a significant increment of the analog system’s speed in contrast to the designs based on conventional bipolar transistors or MOS transistor, which operate in the subthreshold region in order to conform to the translinear principle. A generic methodology, using factor-graphs for the specification procedure of error control systems, is also presented. Furthermore, we map the derived specification onto the appropriate a circuit topology taking into account the characteristics of the SiGe BiCMOS technology. Finally, the methodology leads to an efficient design and consistent integration of high-speed analog decoders. We report useful conclusions for the adoption of the proposed methodology, and the use of Silicon-Germanium technology by presenting the first successful implementation of an analog Trellis decoder, and the simulation results of the relevant Turbo decoder in a 0.35μm AMS SiGe BiCMOS technology. The analog Trellis decoder (including I/O interfaces) exhibits the highest decoding speed reported till now and proves that Silicon-Germanium technology, in contrast to CMOS technology, is one of the most suitable and low-cost technologies for the implementation of high-speed analog decoder that can be embedded in telecom systems of particular high-throughput.

Απόρροια της εκπληκτικής αποδόσεως των κωδίκων Turbo, η οποία προσεγγίζει το θεμελιώδες όριο του Shannon, είναι η υιοθέτησή τους από τα σύγχρονα τηλεπικοινωνιακά πρότυπα ως το αποτελεσματικότερο σχήμα κωδικοποίησης διαύλου για τη βελτίωση της αξιοπιστίας στη μετάδοση δεδομένων και την καλύτερη εκμετάλλευση του παρερχομένου εύρους ζώνης. Επομένως, η ενσωμάτωσή τους σε ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών απαιτεί αποδοτικές αρχιτεκτονικές και υλοποιήσεις υψηλού ρυθμού διεκπεραίωσης και χαμηλής κατανάλωσης ενέργειας όσον αφορά την εξαιρετικά πολύπλοκη και χρονοβόρα επαναληπτική αποκωδικοποίησή τους. Οι πρόσφατες αναλογικές υλοποιήσεις μικρού μεγέθους επαναληπτικών αποκωδικοποιητών εκμεταλλεύονται την μη γραμμικότητα της φύσης του τρανζίστορ στις τεχνολογίες υλικού CMOS ή συμβατικής BiCMOS και πλεονεκτούν έναντι των αντίστοιχων υλοποιήσεων ψηφιακού υλικού, τόσο ως προς την κατανάλωση ισχύος, όσο και ως προς την ταχύτητα της αποκωδικοποίησης. Εντούτοις, η χρήση των τεχνολογιών αυτών Πυριτίου για την υλοποίηση αναλογικών αποκωδικοποιητών, με στόχο την εφαρμογή τους σε τηλεπικοινωνιακά συστήματα, όπως τα συστήματα οπτικών τηλεπικοινωνιών και αποθήκευσης μαγνητικού μέσου, τα οποία διακρίνονται για τον υψηλό ρυθμό διεκπεραίωσης και απόδοσης, αδυνατεί να ανταποκριθεί πλήρως στις ιδιαίτερες αυτές προδιαγραφές και απαιτήσεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά την χρήση της τεχνολογίας Πυριτίου-Γερμανίου (SiGe) BiCMOS σε αναλογικές αρχιτεκτονικές για την υλοποίηση αποκωδικοποιητών Turbo υψηλού ρυθμού διεκπεραίωσης και όσο το δυνατόν χαμηλής κατανάλωσης ισχύος. Η σχεδίαση βάσει των διπολικών τρανζίστορ ετεροεπαφής προσδίδει ιδιαίτερα υψηλή ταχύτητα στην απόκριση του αναλογικού συστήματος σε αντίθεση με τα συμβατικά διπολικά τρανζίστορ ή με τα τρανζίστορ πεδίου MOS, τα οποία λειτουργούν στην περιοχή υποκατωφλίου για τη διατήρηση της διαγραμμικής αρχής. Στα πλαίσια της διατριβής αυτής παρουσιάζεται μια γενική μεθοδολογία χρησιμοποιώντας τους γράφους παραγόντων για την προδιαγραφή συστημάτων ελέγχου λαθών. Έπειτα, πραγματοποιείται η σύζευξη της επιτευχθείσας προδιαγραφής με την κυκλωματική συμπεριφορά των τοπολογιών λαμβάνοντας υπ’ όψιν φυσικά τα χαρακτηριστικά της τεχνολογίας SiGe BiCMOS και καταλήγουμε στην αποδοτική σχεδίαση και ολοκλήρωση αποκωδικοποιητών διόρθωσης λαθών υψηλής ταχύτητας. Χρήσιμα συμπεράσματα, για την υιοθέτηση της προτεινόμενης μεθοδολογίας και τη χρήση της τεχνολογίας Πυριτίου-Γερμανίου, αναφέρονται με την παρουσίαση της πρώτης επιτυχούς υλοποίησης σε τεχνολογία 0.35μm AMS SiGe BiCMOS ενός αναλογικού Trellis αποκωδικοποιητή και των εξομοιωτικών αποτελεσμάτων του αντίστοιχου αποκωδικοποιητή Turbo, ο οποίος ενσωματώνει τον παραπάνω Trellis αποκωδικοποιητή. O αποκωδικοποιητής Trellis (συμπεριλαμβανομένου και τις διεπαφές εισόδου και εξόδου) παρουσιάζει την υψηλότερη ταχύτητα αποκωδικοποίησης μέχρι σήμερα και αποδεικνύει πως η τεχνολογία Πυριτίου-Γερμανίου είναι μια από τις πιο κατάλληλες και εξίσου χαμηλού κόστους τεχνολογίες σε σχέση με τις CMOS για την υλοποίηση αναλογικών αποκωδικοποιητών όσον αφορά τη δυνατότητα ενσωμάτωσής τους σε επικοινωνιακά συστήματα υψηλής ταχύτητας μετάδοσης δεδομένων.