Využití systému zbytkových tříd pro zpracování digitálních signálů
Loading...
Date
Authors
ORCID
Advisor
Referee
Mark
P
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií
Abstract
Předkládaná disertační práce se zabývá návrhem základních bloků v systému zbytkových tříd pro zvýšení výkonu aplikací určených pro digitální zpracování signálů (DSP). Systém zbytkových tříd (RNS) je neváhová číselná soustava, jež umožňuje provádět paralelizovatelné, vysokorychlostní, bezpečné a proti chybám odolné aritmetické operace, které jsou zpracovávány bez přenosu mezi řády. Tyto vlastnosti jej činí značně perspektivním pro použití v DSP aplikacích náročných na výpočetní výkon a odolných proti chybám. Typický RNS systém se skládá ze tří hlavních částí: převodníku z binárního kódu do RNS, který počítá ekvivalent vstupních binárních hodnot v systému zbytkových tříd, dále jsou to paralelně řazené RNS aritmetické jednotky, které provádějí aritmetické operace s operandy již převedenými do RNS. Poslední část pak tvoří převodník z RNS do binárního kódu, který převádí výsledek zpět do výchozího binárního kódu. Hlavním cílem této disertační práce bylo navrhnout nové struktury základních bloků výše zmiňovaného systému zbytkových tříd, které mohou být využity v aplikacích DSP. Tato disertační práce předkládá zlepšení a návrhy nových struktur komponent RNS, simulaci a také ověření jejich funkčnosti prostřednictvím implementace v obvodech FPGA. Kromě návrhů nové struktury základních komponentů RNS je prezentován také podrobný výzkum různých sad modulů, který je srovnává a determinuje nejefektivnější sadu pro různé dynamické rozsahy. Dalším z klíčových přínosů disertační práce je objevení a ověření podmínky určující výběr optimální sady modulů, která umožňuje zvýšit výkonnost aplikací DSP. Dále byla navržena aplikace pro zpracování obrazu využívající RNS, která má vůči klasické binární implementanci nižší spotřebu a vyšší maximální pracovní frekvenci. V závěru práce byla vyhodnocena hlavní kritéria při rozhodování, zda je vhodnější pro danou aplikaci využít binární číselnou soustavu nebo RNS.
This doctoral thesis deals with designing residue number system based building blocks to enhance the performance of digital signal processing applications. The residue number system (RNS) is a non-weighted number system that provides carry-free, parallel, high speed, secure and fault tolerant arithmetic operations. These features make it very attractive to be used in high-performance and fault tolerant digital signal processing (DSP) applications. A typical RNS system consists of three main components; the first one is the binary to residue converter that computes the RNS equivalent of the inputs represented in the binary number system. The second component in this system is parallel residue arithmetic units that perform arithmetic operations on the operands already represented in RNS. The last component is the residue to binary converter, which converts the outputs back into their binary representation. The main aim of this thesis was to propose novel structures of the basic components of this system in order to be later used as fundamental units in DSP applications. This thesis encloses improving and designing novel structures of these components, simulating and verifying their efficiency via FPGA implementation. In addition to suggesting novel structures of basic RNS components, a detailed study on different moduli sets that compares and determines the most efficient one for different dynamic range requirements is also presented. One of the main outcomes of this thesis is concluding and verifying the main condition that should be met when choosing a moduli set, in order to improve the timing performance of a DSP application. An RNS-based image processing application is also proposed. Its efficiency, in terms of timing performance and power consumption, is proved via comparing it with a binary-based one. Finally, the main considerations that should be taken into account when choosing to use the binary number system or RNS are also discussed in details.
This doctoral thesis deals with designing residue number system based building blocks to enhance the performance of digital signal processing applications. The residue number system (RNS) is a non-weighted number system that provides carry-free, parallel, high speed, secure and fault tolerant arithmetic operations. These features make it very attractive to be used in high-performance and fault tolerant digital signal processing (DSP) applications. A typical RNS system consists of three main components; the first one is the binary to residue converter that computes the RNS equivalent of the inputs represented in the binary number system. The second component in this system is parallel residue arithmetic units that perform arithmetic operations on the operands already represented in RNS. The last component is the residue to binary converter, which converts the outputs back into their binary representation. The main aim of this thesis was to propose novel structures of the basic components of this system in order to be later used as fundamental units in DSP applications. This thesis encloses improving and designing novel structures of these components, simulating and verifying their efficiency via FPGA implementation. In addition to suggesting novel structures of basic RNS components, a detailed study on different moduli sets that compares and determines the most efficient one for different dynamic range requirements is also presented. One of the main outcomes of this thesis is concluding and verifying the main condition that should be met when choosing a moduli set, in order to improve the timing performance of a DSP application. An RNS-based image processing application is also proposed. Its efficiency, in terms of timing performance and power consumption, is proved via comparing it with a binary-based one. Finally, the main considerations that should be taken into account when choosing to use the binary number system or RNS are also discussed in details.
Description
Keywords
Systém zbytkových tříd, digitální zpracování signálu, modulární aritmetika, sada modulů, dynamický rozsah, převodník z binární soustavy do RNS, převodník z RNS do binární soustavy, aplikace RNS, paralelní výpočty, aplikace DSP s nízkou spotřebou, implementace do FPGA., Residue number system, digital signal processing, modular arithmetic, moduli set, dynamic range, binary to RNS converter, RNS to binary converter, RNS-based application, parallel processing, power reduced DSP application, FPGA implementation.
Citation
YOUNES, D. Využití systému zbytkových tříd pro zpracování digitálních signálů [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií. 2013.
Document type
Document version
Date of access to the full text
Language of document
en
Study field
Mikroelektronika a technologie
Comittee
prof. Ing. Vladislav Musil, CSc. (předseda)
prof. Ing. Jaroslav Boušek, CSc. (člen)
prof. Ing. Jaromír Brzobohatý, CSc. - oponent (člen)
prof. Dr. Ing. Zdeněk Kolka (člen)
prof. Ing. Dalibor Biolek, CSc. (člen)
doc. Ing. Jan Maschke, CSc. (člen)
prof. RNDr. Vladislav Navrátil, CSc. (člen)
prof. Ing. Čestmír Vlček, CSc. - oponent (člen)
prof. Ing. Karel Zaplatílek, Ph.D. (člen)
Date of acceptance
2013-11-28
Defence
Result of defence
práce byla úspěšně obhájena
Document licence
Standardní licenční smlouva - přístup k plnému textu bez omezení