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迄今為止,為迭代碼糾錯(cuò)的最有效方法是采用相當(dāng)耗電的數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器和硬件乘法器來解碼無線信號(hào)。但數(shù)字解碼器的功耗為毫瓦級(jí),而模擬解碼器只需微瓦級(jí)功耗就能實(shí)現(xiàn)最低程度的噪音干擾和數(shù)據(jù)損失。

Alberta大學(xué)的研究人員已經(jīng)找到一種以模擬方式解碼無線信號(hào)的方法,其功耗遠(yuǎn)低于數(shù)字A/D轉(zhuǎn)換器。“在我們的一款測(cè)試芯片中,當(dāng)執(zhí)行相同功能時(shí),模擬解碼器的功耗比數(shù)字解碼器要低100倍(解碼一比特功耗只有40皮焦)。在另一個(gè)字區(qū)大小為256位的芯片中,它們的裸片面積最多只有數(shù)字器件的十分之一。”Alberta大學(xué)電子工程系的David Nguyen介紹道。

目前,模長(zhǎng)1,024位的Turbo數(shù)字解碼器的功耗超過120納焦(120,000皮焦)/比特,并占據(jù)81mm²的硅片面積,Nguyen指出。即使下一代數(shù)字解碼器原型的功耗也達(dá)到1,260皮焦,而且占位面積超過50 mm²。與此相反,下一代模擬解碼器的功耗可以下降到86皮焦/比特,256位解碼器芯片的占位面積不到3 mm²。(Nguyen前面提及的40皮焦/比特的器件只是一個(gè)8位的小型概念驗(yàn)證芯片。

自1993年以來,Turbo一直號(hào)稱是最佳的通信代碼,它能夠在一個(gè)信道內(nèi)包含更多的信息,而不是一位接一位地傳輸比特流。事實(shí)上,Turbo代碼依賴于能夠根據(jù)消息的內(nèi)容壓縮信息的算法。迭代碼改進(jìn)了Turbo代碼,它發(fā)送在相同誤碼率下要求較低信噪比的概率矩陣,從而更接近香農(nóng)極限,即理論上一個(gè)通信信道內(nèi)可實(shí)現(xiàn)的最大信息傳輸率。

圖:在這張裸片照片中,
模擬解碼器的占位面積只有數(shù)
字器件的十分之一。

“我們的芯片是目前世界上最高效的模擬解碼器芯片,因?yàn)槲覀兪咕w管在其閾值以下工作,用漏電流來處理信號(hào),”Nguyen表示,“我們先以模擬方式解碼,然后通過一個(gè)簡(jiǎn)單的比較器電路對(duì)解碼的結(jié)果進(jìn)行數(shù)字編碼。”

Nguyen和電子工程系教授Vincent Gaudet、Christian Schlegel及研究生Chris Winstead共同設(shè)計(jì)了該芯片。全部工作都是在 Alberta大學(xué)的高能數(shù)字通信實(shí)驗(yàn)室完成的。

為了處理由天線接收的迭代碼,數(shù)字解碼器首先要通過一個(gè)快速A/D轉(zhuǎn)換器,然后一排乘法器以硬件方式執(zhí)行矩陣乘法。某些數(shù)字解碼器會(huì)變換到對(duì)數(shù)域以簡(jiǎn)化電路,但這仍然需要大量的加法器,而加法器與A/D轉(zhuǎn)換器一道將消耗毫瓦級(jí)的功率。

模擬解碼器解決了這個(gè)問題,它在信號(hào)仍處于模擬域時(shí)就執(zhí)行必要的乘法運(yùn)算,從而使得解碼一比特的功耗只有40皮焦。為了實(shí)現(xiàn)這點(diǎn),它采用了一個(gè)模擬Gilbert乘法器。與正常的CMOS芯片不同,該乘法器工作在晶體管閾值以下。通過采用具有嚴(yán)格容差的大型模擬晶體管,研究人員能夠研制出匹配的晶體管,用以執(zhí)行低于閾值的模擬矩陣乘法。最后的解碼步驟,即數(shù)字化,由一個(gè)簡(jiǎn)單的模擬比較器陣列來完成。

研究人員表示,模擬解碼器的低功耗需求不僅使蜂窩電話可以用一次性AAA電池來供電,而且還有望使此前無法生產(chǎn)的醫(yī)療和診斷設(shè)備成為現(xiàn)實(shí)。例如,采用新型模擬解碼器實(shí)現(xiàn)的植入式健康監(jiān)測(cè)器和自動(dòng)供藥系統(tǒng)幾乎不會(huì)產(chǎn)生熱量,并且可以通過皮膚進(jìn)行無線控制。

作者:羅克鈴