Abstract not available

Thesis (M.Eng.(Microelectronic Engineering))--University of Pretoria, 2009. / Includes summaries in Afrikaans and English. Includes bibliographical references (leaves [74]-78). Mode of access: World Wide Web.

The parallelization and vectorization of Monte Carlo algorithms for modelling charge transport in semiconductor devices are considered. The standard ensemble Monte Carlo simulation of a three parabolic band model for GaAs is first presented as partial verification of the simulation. The model includes scattering due to acoustic, polar-optical and intervalley phonons. This ensemble simulation is extended to a full device simulation by the addition of real-space positions, and solution for the electrostatic potential from the charge density distribution using Poisson's equation. Poisson's equation was solved using the cloud-in-cell scheme for charge assignment, finite differences for spatial discretization, and simultaneous over-relaxation for solution. The particle movement (acceleration and scattering) and the solution of Poisson's are both separately parallelized. The parallelization techniques used in both parts are based on the use of semaphores for the protection of shared resources and processor synchronization. The speed increase results for parallelization with and without vectorization on the Ardent Titan II are presented. The results show saturation due to memory access limitations at a speed increase of approximately 3.3 times the serial case when four processors are used. Vectorization alone provides a speed increase of approximately 1.6 times when compared with the nonvectorized serial case. It is concluded that the speed increase achieved with the Titan II is limited by memory access considerations and that this limitation is likely to plague shared memory machines for the forseeable future. For the program presented here, vectorization is concluded to provide a better speed increase per day of development time than parallelization. However, when vectorization is used in conjunction with parallelization, the speed increase due to vectorization is negligible. / Graduation date: 1993

The VLSI implementation complexity of a low density parity check (LDPC) decoder is largely influenced by the interconnect and the storage requirements. This dissertation presents the decoder architectures for regular and irregular LDPC codes that provide substantial gains over existing academic and commercial implementations. Several structured properties of LDPC codes and decoding algorithms are observed and are used to construct hardware implementation with reduced processing complexity. The proposed architectures utilize an on-the-fly computation paradigm which permits scheduling of the computations in a way that the memory requirements and re-computations are reduced. Using this paradigm, the run-time configurable and multi-rate VLSI architectures for the rate compatible array LDPC codes and irregular block LDPC codes are designed. Rate compatible array codes are considered for DSL applications. Irregular block LDPC codes are proposed for IEEE 802.16e, IEEE 802.11n, and IEEE 802.20. When compared with a recent implementation of an 802.11n LDPC decoder, the proposed decoder reduces the logic complexity by 6.45x and memory complexity by 2x for a given data throughput. When compared to the latest reported multi-rate decoders, this decoder design has an area efficiency of around 5.5x and energy efficiency of 2.6x for a given data throughput. The numbers are normalized for a 180nm CMOS process. Properly designed array codes have low error floors and meet the requirements of magnetic channel and other applications which need several Gbps of data throughput. A high throughput and fixed code architecture for array LDPC codes has been designed. No modification to the code is performed as this can result in high error floors. This parallel decoder architecture has no routing congestion and is scalable for longer block lengths. When compared to the latest fixed code parallel decoders in the literature, this design has an area efficiency of around 36x and an energy efficiency of 3x for a given data throughput. Again, the numbers are normalized for a 180nm CMOS process. In summary, the design and analysis details of the proposed architectures are described in this dissertation. The results from the extensive simulation and VHDL verification on FPGA and ASIC design platforms are also presented.

Orientador: Maria Cristina Dias Tavares / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e Computação / Made available in DSpace on 2018-08-07T13:37:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Paz_MarcosdeAraujo_D.pdf: 6127820 bytes, checksum: 21f6dc485bcf097846769f086c2362ad (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: O objetivo deste trabalho é contribuir para o estudo de linhas de transmissão e o desenvolvimento de modelos de linhas voltados a programas do tipo EMTP. O trabalho desenvolvido consiste em aproveitar as propriedades e semelhanças dos modos não homopolares de propagação das linhas de transmissão, sejam elas idealmente transpostas ou que apresentem plano de simetria vertical. Por meio de manipulações da matriz de transformação fase-modo-fase através do uso de vetores ortogonais e elementos complexos no domínio modal, pode-se reduzir a dimensão dos vetores de estado. O procedimento proposto é direcionado às modelagens que utilizam transformação fase-modo-fase na determinação das variáveis de estado (corrente e tensão) nas linhas de transmissão. Os recursos usados levam a uma redução tanto em número de operações por iteração quanto em alocação de estados, otimizando o procedimento de cá1culo e aumentando a velocidade de simulação no processamento. A economia computacional que o procedimento proposto proporciona pode ser usada em ferramentas de simulação em tempo real / Abstract: The research objective is to contribute with the study of the transmission line and the development of line models in EMTP-type programs. The proposed model takes advantage of some similarities between non homopolar modes, applying orthogonal vectors and complex number theory to manipulate the state vectors in modal domain reducing the state vectors dimension. The proposed procedure is aimed to the modelling that use phase-mode-phase transformation in the determination of state variables (current and voltage) in transmission lines. The resources used lead to a reduction both in the number of operations per iteration and state allocation, optimizing the procedure and increasing the processing simulation speed. The computational economy, which the proposed procedure provide, can be applied to real-time simulation tools / Doutorado / Energia Eletrica / Doutor em Engenharia Elétrica

[EN] The processing of radiofrequency signals using photonics means is a discipline that appeared almost at the same time as the laser and the optical fibre. Photonics offers the capability of managing broadband radiofrequency (RF) signals thanks to its low transmission attenuation, a variety of linear and non-linear phenomena and, recently, the potential to implement integrated photonic subsystems. These features open the door for the implementation of multiple functionalities including optical transportation, up and down frequency conversion, optical RF filtering, signal multiplexing, de-multiplexing, routing and switching, optical sampling, tone generation, delay control, beamforming and photonic generation of digital modulations, and even a combination of several of these functionalities. This thesis is focused on the application of vector processing in the optical domain to radiofrequency signals in two fields of application: optical beamforming, and photonic vector modulation and demodulation of digital quadrature amplitude modulations. The photonic vector control enables to adjust the amplitude and phase of the radiofrequency signals in the optical domain, which is the fundamental processing that is required in different applications such as beamforming networks for direct radiating array (DRA) antennas and multilevel quadrature modulation. The work described in this thesis include different techniques for implementing a photonic version of beamforming networks for direct radiating arrays (DRA) known as optical beamforming networks (OBFN), with the objectives of providing a precise control in terrestrial applications of broadband signals at very high frequencies above 40 GHz in communication antennas, optimizing the size and mass when compared with the electrical counterparts in space application, and presenting new photonic-based OBFN functionalities. Thus, two families of OBFNs are studied: fibre-based true time delay architectures and integrated networks. The first allow the control of broadband signals using dispersive optical fibres with wavelength division multiplexing techniques and advanced functionalities such as direction of arrival estimation in receiving architectures. In the second, passive OBFNs based on monolithically-integrated Optical Butler Matrices are studied, including an ultra-compact solution using optical heterodyne techniques in silicon-on-insulator (SOI) material, and an alternative implementing a homodyne counterpart in germanium doped silica material. In this thesis, the application of photonic vector processing to the generation of quadrature digital modulations has also been investigated. Multilevel modulations are based on encoding digital information in discrete states of phase and amplitude of an electrical signal to enhance spectral efficiency, as for instance, in quadrature modulation. The signal process required for generating and demodulating this kind of signals involves vector processing (phase and amplitude control) and frequency conversion. Unlike the common electronic or digital implementation, in this thesis, different photonic based signal processing techniques are studied to produce digital modulation (photonic vector modulation, PVM) and demodulation (PVdM). These techniques are of particular interest in the case of broadband signals where the data rate required to be managed is in the order of gigabit per second, for applications like wireless backhauling of metro optical networks (known as fibre-to-the-air). The techniques described use optical dispersion in optical fibres, wavelength division multiplexing and photonic up/down conversion. Additionally, an optical heterodyne solution implemented monolithically in a photonic integrated circuit (PIC) is also described. / [ES] El procesamiento de señales de radiofrecuencia (RF) utilizando medios fotónicos es una disciplina que apareció casi al mismo tiempo que el láser y la fibra óptica. La fotónica ofrece la capacidad de manipular señales de radiofrecuencia de banda ancha, una baja atenuación, procesados basados en una amplia variedad de fenómenos lineales y no lineales y, recientemente, el potencial para implementar subsistemas fotónicos integrados. Estas características ofrecen un gran potencial para la implementación de múltiples funcionalidades incluyendo transporte óptico, conversión de frecuencia, filtrado óptico de RF, multiplexación y demultiplexación de señales, encaminamiento y conmutación, muestreo óptico, generación de tonos, líneas de retardo, conformación de haz en agrupaciones de antenas o generación fotónica de modulaciones digitales, e incluso una combinación de varias de estas funcionalidades. Esta tesis se centra en la aplicación del procesamiento vectorial en el dominio óptico de señales de radiofrecuencia en dos campos de aplicación: la conformación óptica de haces y la modulación y demodulación vectorial fotónica de señales digitales en cuadratura. El control fotónico vectorial permite manipular la amplitud y fase de las señales de radiofrecuencia en el dominio óptico, que es el procesamiento fundamental que se requiere en diferentes aplicaciones tales como las redes de conformación de haces para agrupaciones de antenas y en la modulación en cuadratura. El trabajo descrito en esta tesis incluye diferentes técnicas para implementar una versión fotónica de las redes de conformación de haces de en agrupaciones de antenas, conocidas como redes ópticas de conformación de haces (OBFN). Se estudian dos familias de redes: arquitecturas de retardo en fibra óptica y arquitecturas integradas. Las primeras permiten el control de señales de banda ancha utilizando fibras ópticas dispersivas con técnicas de multiplexado por división de longitud de onda y funcionalidades avanzadas tales como la estimación del ángulo de llegada de la señal en la antena receptora. En la segunda, se estudian redes de conformación pasivas basadas en Matrices de Butler ópticas integradas, incluyendo una solución ultra-compacta utilizando técnicas ópticas heterodinas en silicio sobre aislante (SOI), y una alternativa homodina en sílice dopado con germanio. En esta tesis, también se han investigado técnicas de procesado vectorial fotónico para la generación de modulaciones digitales en cuadratura. Las modulaciones multinivel codifican la información digital en estados discretos de fase y amplitud de una señal eléctrica para aumentar su eficiencia espectral, como por ejemplo la modulación en cuadratura. El procesado necesario para generar y demodular este tipo de señales implica el procesamiento vectorial (control de amplitud y fase) y la conversión de frecuencia. A diferencia de la implementación electrónica o digital convencional, en esta tesis se estudian diferentes técnicas de procesado fotónico tanto para la generación de modulaciones digitales (modulación vectorial fotónica, PVM) como para su demodulación (PVdM). Esto es de particular interés en el caso de señales de banda ancha, donde la velocidad de datos requerida es del orden de gigabits por segundo, para aplicaciones como backhaul inalámbrico de redes ópticas metropolitanas (conocida como fibra hasta el aire). Las técnicas descritas se basan en explotar la dispersión cromática de la fibra óptica, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión en frecuencia. Además, se presenta una solución heterodina implementada monolíticamente en un circuito integrado fotónico (PIC). / [CA] El processament de senyals de radiofreqüència (RF) utilitzant mitjans fotònics és una disciplina que va aparèixer gairebé al mateix temps que el làser i la fibra òptica. La fotònica ofereix la capacitat de manipular senyals de radiofreqüència de banda ampla, una baixa atenuació, processats basats en una àmplia varietat de fenòmens lineals i no lineals i, recentment, el potencial per implementar subsistemes fotònics integrats. Aquestes característiques ofereixen un gran potencial per a la implementació de múltiples funcionalitats incloent transport òptic, conversió de freqüència, filtrat òptic de RF, multiplexació i demultiplexació de senyals, encaminament i commutació, mostreig òptic, generació de tons, línies de retard, conformació de feix en agrupacions d'antenes i la generació fotònica de modulacions digitals, i fins i tot una combinació de diverses d'aquestes funcionalitats. Aquesta tesi es centra en l'aplicació del processament vectorial en el domini òptic de senyals de radiofreqüència en dos camps d'aplicació: la conformació òptica de feixos i la modulació i demodulació vectorial fotònica de senyals digitals en quadratura. El control fotònic vectorial permet manipular l'amplitud i la fase dels senyals de radiofreqüència en el domini òptic, que és el processament fonamental que es requereix en diferents aplicacions com ara les xarxes de conformació de feixos per agrupacions d'antenes i en modulació multinivell. El treball descrit en aquesta tesi inclou diferents tècniques per implementar una versió fotònica de les xarxes de conformació de feixos en agrupacions d'antenes, conegudes com a xarxes òptiques de conformació de feixos (OBFN), amb els objectius de proporcionar un control precís en aplicacions terrestres de senyals de banda ampla a freqüències molt altes per sobre de 40 GHz en antenes de comunicacions, optimitzant la mida i el pes quan es compara amb els homòlegs elèctrics en aplicacions espacials, i la presentació de noves funcionalitats fotòniques per agrupacions d'antenes. Per tant, s'estudien dues famílies de OBFNs: arquitectures de retard en fibra òptica i arquitectures integrades. Les primeres permeten el control de senyals de banda ampla utilitzant fibres òptiques dispersives amb tècniques de multiplexació per divisió en longitud d'ona i funcionalitats avançades com ara l'estimació de l'angle d'arribada del senyal a l'antena receptora. A la segona, s'estudien xarxes de conformació passives basades en Matrius de Butler òptiques en fotònica integrada, incloent una solució ultra-compacta utilitzant tècniques òptiques heterodinas en silici sobre aïllant (SOI), i una alternativa homodina en sílice dopat amb germani. D'altra banda, també s'ha investigat en aquesta tesi tècniques de processament vectorial fotònic per a la generació de modulacions digitals en quadratura. Les modulacions multinivell codifiquen la informació digital en estats discrets de fase i amplitud d'un senyal elèctric per augmentar la seva eficiència espectral, com ara la modulació en quadratura. El processat necessari per generar i desmodular aquest tipus de senyals implica el processament vectorial (control d'amplitud i fase) i la conversió de freqüència. A diferència de la implementació electrònica o digital convencional, en aquesta tesi s'estudien diferents tècniques de processament fotònic tant per a la generació de modulacions digitals (modulació vectorial fotònica, PVM) com per la seva demodulació (PVdM). Això és de particular interès en el cas de senyals de banda ampla, on la velocitat de dades requerida és de l'ordre de gigabits per segon, per a aplicacions com backhaul sense fils de xarxes òptiques metropolitanes (coneguda com fibra fins l'aire). Les tècniques descrites es basen en explotar la dispersió cromàtica de la fibra òptica, la multiplexació per divisió en longitud d'ona i la conversió en freqüència. A més, es prese / Piqueras Ruipérez, MÁ. (2016). Photonic Vector Processing Techniques for Radiofrequency Signals [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63264