Оценка предельного быстродействия и энергопотребления при проектировании LVDS передатчиков

при определении в реальном времени параметров сигналов РЛС спутника RADARSAT-1.

В каждой строке протокола, который может быть передан на другой компьютер по линиям Ethernet, содержится: время в формате чч:мм:сс (ч, мин, с); дата в формате месяц, день; центральная частота F ЛЧМ-сигнала в МГц; мощность принимаемого сигнала P в дБ; признак поляризации pol; ширина спектра принимаемого ЛЧМ-сигнала df в МГц; длительность одного ЛЧМ-сигнала во времени dt в мкс.

Измеренные по записи параметры сигнала совпадают с фактическими, приведенными в [9]. На рис. 6 показан фрагмент трехмерной реконструкции потока спектра сигналов РЛС спутника исследования ресурсов Земли ERS-1, восстановленный по сжатым данным.

Определенные параметры сигналов РЛС

спутника ERS-1 также соответствуют приведенным в [6].

Результаты, полученные при обработке реальных сигналов спутников RADARSAT-1 и ERS-1, позволяют сделать вывод о том, что задача определения в реальном времени параметров сигналов РЛС спутников ERS-1, 2, Enivisat и RADARSAT может быть успешно решена на базе аппаратного комплекса, содержащего компьютер IBM PC с установленным в нем модулем ЦОС ADP64ZAZ2PCI производства ЗАО «Инструментальные системы» при использовании описанных в настоящей статье алгоритмов цифровой обработки, предусматривающих автоматическое определение порога шума, определение карты помех и определение параметров спутниковых ЛЧМ-сигналов.

список литературы

1. Куприянов, А.И. Теоретические основы радиоэлектронной разведки [Текст] / А.И. Куприянов, П.Б. Петренко, М.С. Сычев. -М.:Изд-во МГТУ им.Н.Э.Баумана, 2010. -381с.

2. Высоцкий, М.Г. Многоканальный акустооп-тоэлектронный спектроанализатор с временным интегрированием [Текст] / М.Г. Высоцкий, В.П. Каасик, С.А. Рогов //Автометрия. -2005. -№3.

3. Shuhua, Wei. Research of CMLD-CFAR Detecting Algorithm in Radar Reconnaissance Receiver [Текст] / Wei Shuhua, Wang Xiaojun // Proc. of the International Conf. on Measuring Technology and Mechatronics Automation. -IEEE Computer Society Washington, DC, USA, 2009. -Vol. 01. -P. 105-108.

4. Key Technologies of Radar Signal Reconnaiassance Digital Receiver, Based on FPGA [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.china-papers.com

5. Тутыгин, В.С. Программа обнаружения и идентификации параметров дискретизированного ЛЧМ-сигнала [Текст] / В.С. Тутыгин, С.В. Шедов // Свид.

Роспатента, гос. рег. № 2009615691 от 13.10.2009.

6. Тутыгин, В.С. Новые алгоритмы обнаружения и определения параметров зашумленных сигналов [Текст] / В.С. Тутыгин, С.В. Шедов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Сер. Информатика. Телекоммуникации. Управление. -2009. -№ 5 (86). -С. 64-72.

7. Тутыгин, В.С. Программа оптимального обнаружения ЛЧМ-сигнала [Текст] / В.С. Тутыгин, С.В. Шедов // Свид. Роспатента, гос. рег № 2010611782 от 28.05.2010.

8. Тутыгин, В.С. Новые адаптивные алгоритмы обнаружения и определения параметров ЛЧМ-сигналов [Текст] / В.С. Тутыгин, С.В. Шедов, А.В. Южаков // Цифровая обработка сигналов. -2011. -№ 1.

9. Лаврова, О.Ю. Возможности спутниковой радиолокации для решения задачи обнаружения судов [Электронный ресурс] / О.Ю. Лаврова, М.И. Митяги-на, С.С. Щербак // Режим доступа: http://www.iki.rssi. ru/earth/articles06/vol2-106-112.pdf

УДК 004.942

А.Н. Скворцов

оценка предельного быстродействия и энергопотребления ПРИ проектировании LVDS ПЕРЕДАТЧИКоВ

Возрастающая сложность современных элек- ствия требует организации разнообразных высо-тронных устройств и повышение их быстродей- коскоростных каналов передачи данных между

блоками системы. Кроме того, увеличивается плотность размещения отдельных компонентов системы за счет уменьшения геометрических размеров транзисторов КМОП технологий, что приводит к необходимости минимизации энергопотребления. Уменьшить потребляемую энергию можно за счет использования эффективных интерфейсов передачи данных. Международный стандарт передачи дифференциальных сигналов LVDS (АШ1/Т1Л/Е1А-644) наиболее хорошо приспособлен для организации высокоскоростных каналов передачи данных с минимальными энергетическими затратами. За счет использования дифференциальных сигналов стандарт обладает высокой помехозащищенностью. Существуют различные схемные реализации передатчиков сигналов стандарта LVDS, обеспечивающие передачу данных с разными максимальными скоростями и с разным энергопотреблением. Данная статья посвящена сравнению основных принципов формирования сигналов стандарта LVDS с точки зрения энергетической эффективности.

Анализ публикаций, посвященных вопросам проектирования передатчиков сигналов стандарта LVDS, показывает, что существуют три основных принципа формирования выходных сигналов [1]: без форсирования переходных процессов [2], с

использованием статического форсирования [3] и с использованием динамического форсирования [4-7]. Также возможна комбинация второго и третьего способов форсирования. В настоящей статье рассматриваются возможности повышения частоты передаваемого сигнала в рамках каждого из трех принципов и изучаются связи энергопотребления и частоты работы передатчика.

Сигнал стандарта LVDS [8] характеризуется амплитудой дифференциального сигнала иов = 350 мВ, смещением центральной точки сигнала относительно нуля (уровнем синфазного сигнала) иоз = 1,2 В и номиналом терминирующего резистора Ят = 100 Ом. Время переключения должно измеряться по уровням 20 и 80 % от диапазона изменения и составлять не более 30 % от битового интервала (Т). Типовая схема LVDS передатчика [1] приведена на рис 1. Следствием приведенных выше требований стандарта является то, что в установившемся режиме ток, протекающий через терминирующий резистор I равен ± 3,5 мА.

Реализация принципа формирования выходных сигналов LVDS без форсирования переходных процессов состоит в том, что в передатчике, изображенном на рис. 1, номиналы источников тока II, 12 не меняются во времени и составля-

Рис. 1. Классическая структурная схема ЬУОЗ передатчика

ют величину I шунтирующий резистор Язн не используется. Рассмотрим процессы, происходящие при переключении выходного сигнала из состояния низкого потенциала (и) в состояние высокого потенциала (ЦоН). Пренебрежем переходными процессами, происходящими в ключах К1-К4. В этом случае причиной ограниченной скорости переключения являются суммарная ем-

костная нагрузка выходов передатчика, складывающаяся из паразитных емкостей контактных площадок кристаллов приемника и передатчика, проводников, связывающих кристаллы с внешними выводами микросхемы, и емкости внешних соединительных проводников.

Потенциалы и токи в схеме передатчика связаны системой уравнений (1):

10 + 11 = 12 + 1С1 12 = 10 + 13 + 1С 2

I = С

I = С

С 2 2

Il =-

dU.it)

Ж dU 2(t) dt

I2 =-

Яш

ц - ц

Яг

ь=^

Яш

I„ +

иУСС Ц1

и, - и 2

Я

и, - и 2

Я

= С

Ят

жи 2(о dt

+ С

dt

+10 +

Ц Я

Решим систему (1) с начальными условиями (2), полагая, что С1= С2 = С и что внутреннее сопротивление источников тока Яш много больше номинала Я :

ид0)=-иоД);

Ц2(0) = 1 (ЦуСС + Цоо ),

Ц(0 = -Io • Я • е

С •Я,.

10 • Ят

ии

и2(/) = 10 • Я, • е

I« • Яг и„

2 2

Отсюда получим выражение для дифференциального выходного сигнала (4):

^^ = и, - и2 = 10 • Я, - 2 • 10 • Я, • е

и

С •Я,

Из формулы (4) могут быть выведены длительность переходных процессов Т^для уровней 0,2 и 0,8 от диапазона переключения, минимальный битовый интервал ТЩ и соответствующая ему максимальная частота переключения выходного сигнала = У,а) :

/ ¿ттт

= 0,69 • с • Я ; Ц = 2,3 • С • Я, ;

= 1/ МАХ /2,3 • С • Яг .

Из соотношения (5) следует, что предельная скорость передачи данных передатчиком с рассматриваемой структурой определяется величиной суммарной емкости нагрузки и номиналом терминирующего резистора. Например, для линии связи емкостью 10 пФ она составит 435 Мбит/с.

Основной недостаток классической структуры LVDS передатчика состоит в том, что его быстродействие принципиально ограничено суммарной (паразитной) емкостью используемых элементов системы и фиксированным значением терминирующего резистора 100 Ом.

Увеличить максимальную передачу можно введением дополнительного шунтирующего резистора Ян на стороне передатчика, снижающего постоянную времени перезаряда емкостной нагрузки. Введение шунтирующего резистора требует увеличения номинальных токов источников И, II. Увеличенный номинальный ток позволяет быстрее выполнять перезаряд паразитных конденсаторов при переключении. Такой способ повышения быстродействия назовем статическим форсированием, поскольку величина дополнительного (форсирующего тока) не меняется во времени. Номинал шунтирующего резистора связан с коэффициентом увеличения номинального тока К формулой (6):

ип

-. (6) (К -1)-10

Повторив расчеты, описываемые уравнениями (1-4) для рассматриваемой модификации структуры, получим зависимость дифференциального выходного сигнала иов от времени:

-2-г-К

иов (г) -1 о Я - 2-1 о-Вт'^  (7) Минимальный битовый интервал и максимальная частота переключения выходного сигнала составят:

т(2) = 2,3 - ; р(2) =_к_

'и/ К С В ' РмАХ 2,3-С-Я

.

Следует отметить, что приведенные формулы справедливы для К > 1, а случай К = 1 соответствует передатчику без форсирования переходных процессов, рассмотренному выше. Для суммарной емкостной нагрузки 10 пФ при форсировании током, равным номинальному (К = 2), максимальная скорость передачи составит 870 Мбит/с, а при форсировании двойным током (К = 3) - 1,3 Гбит/с. Таким образом, передатчик со статическим форсированием позволяет повысить максимальную частоту передачи, но ценой значительного увеличения энергопотребления.

Обеспечить повышение частоты передачи с меньшими дополнительными затратами мне=гии можно с помощью использования принципа динамического форсирования переходных процессов. Он состоит в том, что ток, протекающий через источники 11 и 12, увеличивается только в моменты переключения выходных сигналов, а в остальное время он остается таким же, как и в классической структуре (¡0). Такой подход к управлению источниками позволяет объединить преимущество статического форсирования - быстроту переключения и классической структуры - низкое энергопотребление.

Дифференциальное уравнение описывает зависимость выходных сигналов передатчика с динамическим форсированием от времени:

и

жг

С - Ят

т

жи2

жг

С - Ят

где ¡Р(г) - ток форсирования, меняющийся во времени произвольным образом.

Решив уравнения (9) с начальными условия-

ми и1(0) = ион; и2(0) = и , получим выражение для выходного дифференциального сигнала

иов - и 2 - и 1:

иов (г) - ¡0- Ят - 2-¡0-Ят-еС

2-е

-2-г С-Ят

2-т

„С-Ят

С

-IР (т) ж т.

Будем считать, что форсирование переключения осуществляется прямоугольным импульсом амплитудой 1р и длительностью, равной длительности процесса переключения выходных сигналов Тр. Тогда для времени г < Тр дифференциальный выходной сигнал будет равен:

иов(г) - ¡0 -Ят - 2-¡0 -Ят

+¡Р - Ят - ¡Р

-Ят -е

-2-г С - Ят

Время начала и конца переходного процесса найдем, приравняв иов(г) величинам -0,6 - ¡0 • I^ и 0,6 - ¡0 - Ят (диапазон переключения составляет 2 - ¡0 - Ят). Из длительности переходных процессов следуют минимальный битовый интервал и максимальная частота передачи:

тМ£ -1,66-С-Ят х

1п

(¡Р + 1,6-¡0 ^ ¡Р + 2-¡0 у

- 1п

¡Р + 0,4-¡0 0 ¡Р + 2-¡0 ,

(

-1,66-С-К -1п

¡р +1,6-¡0

V ¡р + 0,4-¡0у

Р'

1,66-С-Ят - 1п

1,6- 1п

v¡р + 0,4-¡0 у

Следует отметить, что приведенные формулы при условии ¡р = 0 соответствуют передатчику без форсирования переходных процессов. Для емкостной нагрузки 10 пФ при форсировании током, равным номинальному (3,5 мА), максимальная скорость передачи составит 973 Мбит/с, а для тока, равного 7 мА - 1,49 Гбит/с.

Для сравнения энергетической эффективности принципов формирования сигналов стандарта LVDS рассмотрим энергию, потребляемую каждым из трех передатчиков при передаче одного бита информации Евтт - игСС ! - тт . Интерес представляет зависимость этой величины от скорости передачи данных, представленная в графическом виде на рис. 2:

1

зе

с*

= 25

5

К

3

§ 20 с

15

10

\

Е N. СМ1Ы N.

*

• ч .

1 ГМ1Ы 111111

300

400

500 600 700

Частота передачи, Мбит/с

800

900

1000

Рис. 2. Зависимость энергии, затрачиваемой на передачу бита информации, от частоты передачи

(-) нет форсирования; (— —) статическое форсирование; (----) динамическое форсирование

ев1т (Р) ^ ' иусс р

Из графика (рис. 2) следует, что энергия, затрачиваемая на передачу одного бита информации, для передатчиков без форсирования переходных процессов и с динамическим форсированием, уменьшается с ростом частоты передачи. Поэтому при проектировании систем, использующих интерфейсы стандарта LVDS, целесообразно повышать частоту их работы, насколько это позволяет технология СБИС. Передача информации пакетами на большей частоте с переводом передатчика в режим ожидания эффективнее с точки зрения энергетики, чем постоянная передача информации, но на меньшей частоте. Передатчик без форсирования переходных процессов всегда имеет граничную частоту передачи р^, зависящую от величины суммарной емкостной нагрузки. Минимально достижимая энергия передачи одного бита информации в передатчиках такого класса Елм = 2,3 • 10 • иусс • С • ЕТ . Для линии связи емкостью 10 пФ и напряжения питания 2,5 В минимальная энергия составляет 20 пДж.

Для повышения быстродействия передатчика может применяться статическое или динамическое форсирование переходных процессов. Применение этих методов целесообразно только в том случае, когда необходимо обеспечить частоту передачи выше Р^. Статическое форсирование реализуется более простыми схемотехническими приемами, но не позволяет уменьшить энергию, затрачиваемую на передачу бита информации.

ше

Обеспечить энергопотребление мень-позволяет динамическое форсирование переходных процессов. В этом классе передатчиков минимальная теоретически достижимая энергия ограничена снизу величиной Ещш = 0,6 • 10 • иусс • С • ЯТ. Чтобы получить эту оценку следует решить уравнение (13) относительно переменной I подставить результат в формулу (14) и найти предел полученного выражения при р^да. Из графика (см. рис. 2) видно, что передатчик с динамическим форсированием позволяет обеспечить меньшее, чем передатчик со статическим форсированием, энергопотребление при равной скорости передачи данных.

При проектировании передатчиков с динамическим форсированием важной задачей является расчет оптимальной величины форсирующего тока. При неточном выборе этого параметра не только увеличивается энергопотребление, но и возрастает максимальная амплитуда выходного сигнала. Рассмотренная в статье математическая модель позволяет рассчитать номинал и длительность форсирующего тока для обеспечения заданного быстродействия для заданного значения емкостной нагрузки. Для этого следует зафиксировать требуемую частоту передачи данных Ръ и разрешить уравнение (13) относительно 1р:

1р = 0,4 • 10

4 - ер

0,6_

•с • КТ

0,6

-1

Полученные теоретические оценки для предельной частоты работы и минимально дости-

е

жимой энергии передачи одного бита информации позволяют определить границы применения трех основных принципов построения LVDS передатчиков. Рассмотренная математическая модель может использоваться на системотехническом уровне проектирования систем обработки данных для быстрой оценки необходимых энергетических ресурсов в зависимости от выбранной частоты передачи данных и их разрядности. Модель позволяет на ранних этапах проектирования выполнить ранжирование конкурирующих структур, упростив тем самым поиск эффективного решения задачи структурного

синтеза. Полученное соотношение для расчета оптимального номинала форсирующего тока при заданных требованиях к скорости работы передатчика может применяться в инженерных расчетах при проектировании конкретных реализаций передатчиков.

Результаты работы имеют как научную, так и практическую ценность и будут использованы в качестве теоретического базиса при исследовании схемотехнических особенностей построения LVDS передатчиков, а также в исследовании вопроса выбора оптимальной формы форсирующего импульса.

список литературы

1. Chen, M. Low-voltage low-power LVDS drivers [Text] / M. Chen, J. Silva-Martinez, M. Nix [et al.] // IEEE J. of Solid-State Circuits. -2005. -Vol. 40. -№ 2. -P. 472-479.

2. Michimasa Yamaguchi. LVDS driver circuit and driver circuit [Текст] / Yamaguchi Michimasa // Пат. 7038502 США, H03K 3/00 от 29.09.04.

3. Boni, A. LVDS I/O Interface for Gb/s-per-Pin Operation in 0.35-um CMOS [Text] / A. Boni, A. Pierazzi, D. Vecchi // IEEE J. of solid state circuits. -2001. -Vol. 36. -№ 4. -P. 706-711.

4. Kim, S. A 6-Gbps/pin half-duplex LVDS I/O for high-speed mobile DRAM [Text] / S. Kim, B. Kong, C. Lee // Asian Solid-State Circuits Conf. -Nov. 2005. -P. 53-56.

5. Chien-Chung, Chen. Low voltage differential

signaling transmitter and transmitting method [Text] / Chen Chien-Chung // Пат. 7579874 США, H03K 17/16 от 18.02.05.

6. Kim, Ju-Hyung. Pre emphasis apparatus, low voltage differential signaling transmitter including the same and pre emphasis method [Text] / Ju-Hyung Kim, Yongin-si // Пат. 7586330 США, H03K 19/0175 от 11.08.06.

7. Балтруков, Н.Н. Передатчик дифференциальных сигналов стандарта LVDS [Текст] / Н.Н. Балтруков, Ю.И. Лыпарь, А.Н. Скворцов // Пат. 107430 Россия, H03K 17/04 от 21.02.11.

8. LVDS owner's manual, Low voltage Differential Signalling [Электронный ресурс] / 3 ed. National Semiconductors, 2004 // Режим доступа: http://www.ece. unh.edu/courses/ece711/ refrense_material/ownersmanual. pdf

УДК 004.3, 004.436.2

С.Л. Максименко

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ РЕИНЖИНИРИНГ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

НА ОСНОВЕ HDL-СПЕЦИФИКАЦИЙ

Постановка задачи создания средств реинжиниринга

Современная практика проектирования цифровых устройств основывается на широком применении повторного использования кода. Данный подход позволяет разработчикам сконцентрировать большее внимание на архитектурных вопросах проектирования, а не на реализации отдельных элементов архитектуры.

Как правило, повторно используемый код представляется в виде набора компонентов (1Р-ядер), реализующих отдельные функциональные преобразователи либо целые узлы и устройства вычислительной системы, такие, как процессорные ядра, контроллеры ввода-вывода и т. п.

Средства автоматизации проектирования систем на кристалле явно предполагают использование библиотек компонентов с унифицированными интерфейсами.