Orientador: Alexandre César Rodrigues da Silva / Banca: Dalva Maria de Oliveira Villarreal / Banca: Mauro Conti Pereira / Resumo: Neste trabalho, apresenta-se o desenvolvimento e a avaliação de duas ferramentas que auxiliam projetos de circuitos eletrônicos, sejam eles projetos de sistemas digitais ou de sistemas mistos (sinais digitais e sinais analógicos). A partir de um diagrama de transição de estados, modelado em ambiente Stateflow®, a primeira ferramenta, denominada SF2HDL, realiza a extração de linguagens de descrição de hardware, podendo ser VHDL ou Verilog HDL. Sendo ainda capaz de extrair uma tabela de transição de estados padronizada, que, posteriormente, foi utilizada como entrada pelo programa TABELA, o qual realiza a minimização do sistema digital. A máquina de estados finitos, alvo da tradução, pode ser descrita tanto pelo modelo de Mealy como pelo modelo de Moore. Como estudos de caso, foram utilizados quatro códigos de linhas empregados em sistemas de telecomunicações. A segunda ferramenta é um aperfeiçoamento de uma ferramenta já existente, denominada MS2SV, empregada na síntese de sistemas mistos. O MS2SV é capaz de gerar uma descrição em VHDL-AMS estrutural, a partir de um modelo descrito em alto nível de abstração no ambiente Simulink®. Toda a estrutura de projeto necessária para a simulação e análise do sistema no ambiente SystemVision™, também é gerado pelo MS2SV. Foram utilizados quatro modelos de conversor de dados do tipo DAC (Digital to Analog Conversor), para avaliar o desempenho da ferramenta. Nesse contexto, as duas ferramentas permitem maior flexibilidade ao projetista, traduzindo descrições em níveis de abstração diferentes, o que permite uma análise mais detalhada do funcionamento do sistema e facilitando a sua implementação física / Abstract: In this work, it's shown the development and evaluation of two tools to aid in electronic circuits projects, be them digital systems projects or for mixed systems (digital and analogical signs). From a states transition diagram modeled in Stateflow® environment, the first tool, named SF2HDL, performs the extraction of hardware description languages, which could be VHDL or Verilog HDL. It is also capable of extracting states transition table standardized, which later was used as a TABELA program, which accomplishes the minimization of the digital system. The target finite state machine of the translated can be described by the Mealy model as much as the Moore model. As case studies were used four code lines employed in telecommunications systems. The second tool is an improvement of an already existent tool, known as MS2SV, used in the synthesis of mixed systems. The MS2SV is able to generate a description in structural VHDL-AMS, from a model described in high level of abstraction in the Simulink® environment. The whole project structure necessary for the simulation and analysis of the system by the SystemVision™ environment is also generated by MS2SV. Four DAC (Digital to Analog Converter) were used to evaluate the tool is performance. In that context, both tools allow a greater flexibility to the planner, translating descriptions in different abstraction levels, which allows a more detailed analysis of the systems behavior and making its physical implementation easier / Mestre

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente. / This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device.

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Esse trabalho está baseado na investigação dos detectores de falhas aplicando classificadores de classe única. As falhas a serem detectadas são relativas ao estado de funcionamento de cada componente do circuito, especificamente de suas tolerâncias (falha paramétrica). Usando a função de transferência de cada um dos circuitos são gerados e analisados os sinais de saída com os componentes dentro e fora da tolerância. Uma função degrau é aplicada à entrada do circuito, o sinal de saída desse circuito passa por uma função diferenciadora e um filtro. O sinal de saída do filtro passa por um processo de redução de atributos e finalmente, o sinal segue simultaneamente para os classificadores multiclasse e classe única. Na análise são empregados ferramentas de reconhecimento de padrões e de classificação de classe única. Os classficadores multiclasse são capazes de classificar o sinal de saída do circuito em uma das classes de falha para o qual foram treinados. Eles apresentam um bom desempenho quando as classes de falha não possuem superposição e quando eles não são apresentados a classes de falhas para os quais não foram treinados. Comitê de classificadores de classe única podem classificar o sinal de saída em uma ou mais classes de falha e também podem classificá-lo em nenhuma classe. Eles apresentam desempenho comparável ao classificador multiclasse, mas também são capazes detectar casos de sobreposição de classes de falhas e indicar situações de falhas para os quais não foram treinados (falhas desconhecidas). Os resultados obtidos nesse trabalho mostraram que os classificadores de classe única, além de ser compatível com o desempenho do classificador multiclasse quando não há sobreposição, também detectou todas as sobreposições existentes sugerindo as possíveis falhas. / This work deals with the application of one class classifiers in fault detection. The faults to be detected are related parametric faults. The transfer function of each circuit was generated and the outputs signals with the components in and out of tolerance were analyzed. Pattern recognition and one class classifications tools are employed to perform the analysis. The multiclass classifiers are able to classify the circuit output signal in one of the trained classes. They present a good performance when the fault classes do not overlap or when they are not presented to fault classes that were not presented in the training. The one class classifier committee may classify the output signal in one or more fault classes and may also classify them in none of the trained class faults. They present comparable performance to multiclass classifiers, but also are able to detect overlapping fault classes and show fault situations that were no present in the training (unknown faults).

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente. / This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device.

CNPq;CAPES / Neste trabalho é investigado o uso de codificação analógica conjunta fonte-canal em uma rede de sensores sem fio onde a fonte de informação é alimentada pelo destino por meio de transmissões de rádio frequência. É assumido que o destino não possui restrições energéticas. Logo após coletar energia do destino, a fonte transmite sua informação utilizando a energia recebida. As fases de transferência de energia e de transmissão de informação são multiplexadas no tempo. Como uma fração do intervalo de transmissão é utilizado para transferência de energia, as amostras da fonte são armazenadas e comprimidas utilizando tanto códigos analógicos paramétricos quanto não paramétricos com compressão de dimensão (ou largura de banda) N:K para transmiti-las utilizando a fração do intervalo restante. São analisados tanto esquemas com largura de banda casadas e não casadas entre fonte e canal. Além disso, é investigado também o parâmetro de compartilhamento de tempo ótimo o qual otimiza o desempenho da transmissão analógica. Por fim, é demonstrado que os esquemas analógicos propostos podem superar um sistema digital em termos de relação sinal-distorção. / We investigate the use of discrete-time analog joint source channel coding (JSCC) in a wireless sensor network (WSN) where the source of information is wirelessly powered by the destination, which does not have energy constraints. Right after harvesting energy from the destination, the source transmits its information using the energy harvested. Wireless energy transfer and information transmission are multiplexed via a time-switching protocol. As a fraction of the time slot is spent for energy transfer, the source samples are saved and compressed using either parametric or non-parametric N:K dimension compression analog JSCC to transmit the information in the remaining fraction of the time slot. We analyze both matched and unmatched source and channel bandwidths. Moreover, we investigate the time-sharing parameter that optimizes the analog system performance and show that the proposed analog scheme can outperform a fully digital system.

CNPq;CAPES / Neste trabalho é investigado o uso de codificação analógica conjunta fonte-canal em uma rede de sensores sem fio onde a fonte de informação é alimentada pelo destino por meio de transmissões de rádio frequência. É assumido que o destino não possui restrições energéticas. Logo após coletar energia do destino, a fonte transmite sua informação utilizando a energia recebida. As fases de transferência de energia e de transmissão de informação são multiplexadas no tempo. Como uma fração do intervalo de transmissão é utilizado para transferência de energia, as amostras da fonte são armazenadas e comprimidas utilizando tanto códigos analógicos paramétricos quanto não paramétricos com compressão de dimensão (ou largura de banda) N:K para transmiti-las utilizando a fração do intervalo restante. São analisados tanto esquemas com largura de banda casadas e não casadas entre fonte e canal. Além disso, é investigado também o parâmetro de compartilhamento de tempo ótimo o qual otimiza o desempenho da transmissão analógica. Por fim, é demonstrado que os esquemas analógicos propostos podem superar um sistema digital em termos de relação sinal-distorção. / We investigate the use of discrete-time analog joint source channel coding (JSCC) in a wireless sensor network (WSN) where the source of information is wirelessly powered by the destination, which does not have energy constraints. Right after harvesting energy from the destination, the source transmits its information using the energy harvested. Wireless energy transfer and information transmission are multiplexed via a time-switching protocol. As a fraction of the time slot is spent for energy transfer, the source samples are saved and compressed using either parametric or non-parametric N:K dimension compression analog JSCC to transmit the information in the remaining fraction of the time slot. We analyze both matched and unmatched source and channel bandwidths. Moreover, we investigate the time-sharing parameter that optimizes the analog system performance and show that the proposed analog scheme can outperform a fully digital system.

Este trabalho estuda os efeitos da radiação em dispositivos analógicos programáveis (FPAAs, do inglês, Field Programmable Analog Arrays) e técnicas de proteção que podem ser aplicadas para mitigar tais efeitos. Circuitos operando no espaço ou em altitudes elevadas, como, por exemplo, em satélites e aeronaves, recebem doses de radiação e impacto de íons e outras partículas que, dependendo da altitude e de características do próprio circuito, podem afetar o seu correto funcionamento. Os FPAAs proporcionam características interessantes aos sistemas analógicos e de sinal misto, como a prototipação rápida e a possibilidade de reconfiguração dinâmica (permitindo a implementação de sistemas de instrumentação e controle adaptativos). Assim, os FPAAs podem ser atrativos aos projetistas de sistemas de aplicação espacial, uma vez que a utilização de componentes comerciais, (COTS - do inglês, Commercial Off-The-Shelf), é uma alternativa para redução de custos do sistema final. Por isso, é necessário classificar estes dispositivos segundo o nível de tolerância à radiação e desenvolver técnicas de proteção contra seus efeitos. Essencialmente, é possível dividir os efeitos da radiação em dois principais grupos: efeitos de dose total ionizante ou TID (do inglês, Total Ionizing Dose) e os eventos singulares (Single Event Effects ou SEEs). Os dois principais eventos singulares que podem perturbar os FPAAs são investigados: os SETs (Single Event Transients) e os SEUs (Single Event Upsets). Os SETs podem gerar pulsos transientes em determinados nós do circuito, e, quando atingem o inversor de controle das portas de transmissão dos bancos de capacitores do dispositivo, podem ocasionar uma redistribuição de carga entre os capacitores do banco, afetando temporariamente o sinal que trafega pelo FPAA. Tais efeitos foram investigados através de simulações spice. Já os SEUs podem afetar os FPAAs que são baseados em memória do tipo SRAM. Para investigar tais efeitos foram realizados experimentos de injeção de falhas do tipo bit-flip (inversão de bit) no bitstream de programação de um FPAA baseado neste tipo de memória. Os experimentos mostraram que a inversão de um único bit pode ser catastrófica para o funcionamento do sistema. Posteriormente, um esquema self-checking (autoverificável) baseado em redundância foi proposto. Tal esquema foi construído com os recursos programáveis do FPAA e é capaz de recuperar os dados originais de programação do dispositivo se um erro for detectado. A capacidade do esquema proposto de detectar desvios funcionais no bloco sob teste e sua confiabilidade quando os seus próprios blocos são afetados por inversão de bits de memória, foram investigadas. Finalmente, os efeitos de dose total sobre dispositivos programáveis foram investigados através de um experimento prático, no qual um FPAA comercial foi bombardeado por radiação gama proveniente de uma fonte de Cobalto-60. Os resultados experimentais mostraramm que as chaves analógicas, que proporcionam a programabilidade do dispositivo, e seus circuitos de controle são os principais responsáveis por degradar o sinal processado pelo FPAA quando determinados níveis de dose total acumulada são atingidos. / In this work the radiation effects on Field Programmable Analog Arrays (FPAAs) are studied and mitigation techniques are proposed. The main effects induced by radiation sources in electronic circuits operating in space and at high altitudes are SEU (Single Event Upset), SET (Single Event Transient) and TID (Total Ionizing Dose). FPAAs are programmable analog circuits that provide design flexibility and some interesting features for applications such as adaptive control and instrumentation and evolvable analog hardware. These features can be very useful in avionics and space applications, where the system environmental variables can vary significantly in few minutes, being necessary to re-calibrate the sensor conditioning circuits to correct errors or improve system performance, for example. Since the use of commercial off-the-shelf (COTS) components may reduce systems costs in such critical applications, it is very important to develop system-level mitigation techniques (to radiation effects), aiming the increasing of the reliability of commercial available devices (including FPAAs). Some FPAA models are based on SRAM memory cells, which make this kind of device vulnerable to SEU when employed in applications susceptible to radiation incidence. An SEU can affect the programming memory of the FPAA and change the device configuration, modifying the analog circuit behavior. In this work, fault injection experiments were performed in order to investigate the effects of SEU in a commercial FPAA by injecting bit-flips in the FPAA programming bitstream. Then, a self-checking scheme was proposed. This scheme, which is built with the FPAA available programming resources, is able to restore the original programming data if an error is detected. Fault injection was also performed to investigate the reliability of the checker when the bitstream section which controls its own blocks is corrupted due to an SEU. Results indicated a very low aliasing probability due to single faults in the checker (0.24%). Effects of SET were also studied, considering the disturbance of the switches (transmission gates) of the FPAA programmable capacitor banks. Spice simulations showed that transient pulses in the control circuit of the switches may lead to charge redistribution between the capacitors of the bank, affecting the voltage and current of the involved nodes. Finally, total ionizing dose (TID) effects were investigated by means of an irradiation experiment. In such experiment the FPAA was exposed to Cobalt-60 gamma radiation. The experimental results showed that the analog switches of the device as well as their control circuits are the main responsible for degradating the processed signal when certain radiation levels were achieved.

Neste trabalho o teste de dispositivos analógicos programáveis é abordado. Diversas metodologias de teste analógico existentes são estudadas e algumas delas são utilizadas nas estratégias desenvolvidas. Dois FPAAs (Field Programmable Analog Arrays) comerciais de fabricantes e modelos distintos são utilizados para validar as estratégias de teste propostas. O primeiro dispositivo estudado é um FPAA de tempo contínuo (capaz de implementar circuitos contínuos no tempo) da Lattice Semiconductors. Tal dispositivo é marcado pela característica estrutural de sua programabilidade. Por esta razão, a estratégia a ele aplicada é baseada em um método de teste também estrutural, conhecido como OBT (Oscillation-Based Test). Neste método o circuito é dividido em blocos simples que são transformados em osciladores. Os parâmetros do sinal obtido, tais como a freqüência de oscilação e a amplitude, têm relação direta com os componentes utilizados na implementação do oscilador. Desta maneira, é possível detectar falhas no FPAA observando os parâmetros do sinal gerado. Esta estratégia é estudada inicialmente considerando uma análise externa dos parâmetros do sinal. Como uma alternativa de redução de custos e melhoria na cobertura de falhas, um analisador de resposta baseado em um duplo integrador é adotado, permitindo que a avaliação do sinal gerado pelo oscilador seja feita internamente, utilizando-se os recursos programáveis do próprio FPAA. Os resultados obtidos para as análises interna e externa são então comparados. O segundo FPAA estudado, da Anadigm Company, é um dispositivo a capacitores chaveados que tem como característica a programabilidade funcional. Por esta razão o desenvolvimento de uma técnica de teste estrutural é dificultado, pois não se conhece detalhes da arquitetura do componente. Por esta razão, uma técnica de teste funcional, conhecida como Transient Response Analysis Method, é aplicada ao teste deste FPAA. Neste método o circuito sob teste é dividido em blocos funcionais de primeira e segunda ordem e a resposta transiente destes blocos para um dado estímulo de entrada é analisada. O bloco sob teste é então duplicado e um esquema de auto-teste integrado baseado em redundância é desenvolvido, com o intuito de se obter um sinal de erro. Este sinal de erro representa a diferença das respostas transientes dos blocos duplicados. Como proposta para se aumentar a observabilidade do sinal de erro o mesmo é integrado ao longo tempo, aumentando a capacidade de detecção de falhas quando utilizado este método. Em ambas estratégias o objetivo principal do trabalho é testar os blocos analógicos programáveis dos FPAAs explorando ao máximo a programabilidade dos dispositivos e utilizando recursos pré-existentes para auxiliar no teste. Os resultados obtidos mostram que as estratégias desenvolvidas configuram boas alternativas para o auto-teste integrado deste tipo de componente. / This work addresses the test of programmable analog devices. Several analog test methodologies are studied and some of them are applied in the developed strategies. In order to validate these strategies, two commercial FPAAs (Field Programmable Analog Arrays), of different vendors and distinct models, are considered as devices under test. The first studied device is a continuous-time FPAA from Lattice Semiconductors. One important characteristic of such device is the structural programmability. For this reason the test strategy applied to this FPAA is based in a structural method known as OBT (Oscillation-Based Test). In this method, blocks of the circuit under test are individually converted into oscillators. The parameters of the generated signal, such as the frequency and amplitude, can be expressed as function of the components used in the oscillator implementation. This way, it is possible to detect faults in the FPAA simply observing such parameters. This method is firstly studied considering an external analysis of the signal parameters. However, in a second moment, an internal response analyzer, based on a double integrator, is built with the available programmable resources of the FPAA. This way, overall test cost is reduced, while the fault coverage is increased with no area overhead. The obtained results considering the external analysis and the built-in response evaluation are compared. The second considered FPAA, from Anadigm Company, is a switched capacitor device whose programming characteristic is strictly functional. Thus, a structural test method cannot be easily developed and applied without the previous knowledge of he device architectural details. For this reason, a functional test method known as TRAM (Transient Response Analysis Method) is adopted. In this method the Circuit Under Test (CUT) is programmed to implement first and second order blocks and the transient response of these blocks for a given input stimuli is analyzed. Taking advantage of the inherent programmability of the FPAAs, a BIST-based scheme is used in order to obtain an error signal representing the difference between the fault-free and faulty Configurable Analog Blocks (CABs). As a proposal to augmenting the observability, the error signal is integrated, enhancing de fault detection capability when using this method. In both developed strategies the main objective is to test the CABs of the FPAAs exploiting the device programmability, using the existing resources in order to aid the test. The obtained results show that the developed strategies represent good alternatives to the built-in self-test of such type of device.