Modulatory delta z adaptacją interwału próbkowania – rozwiązania predyktorów w technologii CMOS

Porównanie właściwości predyktorów wykonywanych w technologii CMOS

Pierwsze z porównywanych rozwiązań to implementacja bloku predyktora w oparciu o integrator paczkowy w technologii CMOS (AMS 350 nm), będący oryginalnym projektem Autorów artykułu. Został on wykonany praktycznie (rys. 6).

Rys. 6. Schemat blokowy predyktora z wielobitowym przetwornikiem c/a
(bez logiki sterującej)

W celu porównania właściwości dwóch struktur predyktorów dla kodeków ANS-DM, zdecydowano się na realizację predyktora z wielobitowym przetwornikiem c/a, w postaci układu składającego się ze standardowych bloków funkcjonalnych, oferowanych przez dostawców technologii 350 nm do produkcji układów ASIC, jako standardowe podzespoły typu IP core (Intellectual Property core). Dzięki temu można zaprojektować i przeanalizować wiele parametrów takiego predyktora bez jego fizycznej implementacji, jedynie na bazie wyników symulacji przed i po partycjonowaniu technologicznym (symulacje postlayoutowe). Przy założeniu zbliżonej dokładności wykonania i szybkości przetwarzania, możliwe jest porównanie obu rozwiązań pod względem zajmowanej powierzchni, poboru mocy obu struktur koderów czy stopnia komplikacji układów sterowania.

Wymagania dla bloku predyktora

Charakterystyczne cechy przetwarzania nierównomiernego adresowane do przetwarzania sygnału mowy, powodują, że predyktor kodeka ANS-DM, powinien posiadać następujące cechy:

• zdolność przetwarzania sygnałów analogowych o dynamice do 32 dB (poszerzenie zakresu dynamiki przetwarzania kodera z adaptacją odstępu próbkowania wymaga zwiększania ilorazu generatora programowalnego [3]),
• maksymalna amplituda przetwarzanego sygnału powinna wynosić 1 Vpp, co przy założonej dla sygnału mowy 32 dB dynamice oraz jakości wyrażonej współczynnikiem SNR równej 25 dB, skutkuje najmniejszym krokiem kwantyzacji q0, wynoszącym 1 mV. Odpowiada to 10-bitowej rozdzielczości przetwarzania dla klasycznego przetwornika liniowego,
• praca ze zmienną częstotliwością próbkowania w zakresie do 2 MHz (zakres częstotliwości analogowego sygnału wejściowego od 300 Hz do 20 kHz) .

Realizacja predyktora z wielobitowym przetwornikiem c/a

Firma Austria Microsystems (technologia AMS 350 nm [7]), oferuje gotowe podzespoły w postaci makrocel, które pozwalają na realizację predyktora, składającego się z 10-bitowego przetwornika c/a z akumulatorem (rys.6).

Korzystając z tej technologii, projektant ma do dyspozycji gotowe komponenty w postaci makrobloków na poziomie modelu behawioralnego oraz topologii jego realizacji. Podstawowymi elementami jakie można wykorzystać do budowy predyktora są: 10-bitowy przetwornik cyfrowo-analogowy (oznaczany w bibliotece elementów producenta jako DAC10A), układ sterowania składający się z bramek cyfrowych, akumulatora zrealizowanego na bazie 10-bitowego rejestru szeregowo-równoległego (10*JKC1), źródła napięcia referencyjnego (BG05A) oraz wzmacniacza operacyjnego OP05B, służącego jako konwerter prąd/napięcie na wyjściu przetwornika DAC10A [7].

Wybrane parametry podzespołów przedstawiono w tabeli 1.

Tab. 1. Wybrane parametry układów DAC10A, BG05A i OP05B w technologii TECHC35B4C3 produkowanych przez Austria Microsystems:

¹⁾ Wartość prądu określono przy taktowaniu równym 1 MHz

Realizując predyktor ANS-DM z wielobitowym przetwornikiem c/a, przy optymalnym ułożeniu elementów, tak aby znajdowały się  obok siebie i bez zbędnych odstępów, uzyskuje się strukturę półprzewodnikową CMOS 350 nm o wymiarach x = 441,35 μm, y =214 μm czyli łącznej powierzchni równej 0,098 mm². Zakładając, że wszystkie komponenty kodera pracują z maksymalną szybkością pobór mocy, liczony jako suma wszystkich składowych wynosi 1,54 mW. Maksymalną częstotliwość pracy przyjęto jako równą 1 MHz.