Defensa de Tesis de Ingeniería Electrónica Autor: Ing. Mariano L. Acosta

1. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales
con Sensado Compresivo
Tesis de Grado - Ingenier´ıa Electr´onica
Autor: Mariano L. Acosta
Director: Dr. Ing. Luciana De Micco
Universidad Nacional de Mar del Plata
Facultad de Ingenier´ıa
13/08/2018
Mariano L. Acosta

2. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

3. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

4. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Presentaci´on
Se llevo a cabo el dise˜no y puesta en marcha de un sistema
reconstructor de se˜nales adquiridas 16 veces por debajo de la Tasa
de Nyquist.
Mariano L. Acosta

5. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Estudio de la t´ecnica de Sensado Compresivo (CS), en
especial en el dominio anal´ogico.
Modulador Aleatorio Pre-Integrativo
Consideraciones (se˜nales compresibles, aleatorizaci´on)
Algoritmos de reconstrucci´on
Mariano L. Acosta

6. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Estudio de Generadores Ca´oticos y su aplicaci´on en CS.
Reemplazar el uso de generadores Pseudo-Aleatorios.
Mapa Log´ıstico mostr´o los mejores resultados
(implementaci´on en hardware).
Mariano L. Acosta

7. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Modelo de simulaci´on del sistema completo en Matlab
parametrizable.
Pruebas y experimentaci´on antes de la implementaci´on final.
Selecci´on del algoritmo de reconstrucci´on.
Mariano L. Acosta

8. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Software embebido para multiplicaci´on matricial y vectorial
Intensiva (ARM Cortex A9).
Programaci´on en C embebido.
FreeRTOS
Unidad FPU Neon
Mariano L. Acosta

9. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Desarrollo de IPs en hardware digital (FPGA) para acelerar el
procesamiento del software.
Multiplicador de Matrices en Paralelo (S´ıntesis de Alto Nivel).
Red de Ordenamiento en Paralelo (S´ıntesis de Alto Nivel).
L´ogica de Control (VHDL).
DSP: Filtros Fir, Interpolador, etc. (VHDL)
Mariano L. Acosta

10. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Placa de desarrollo Zedboard
Mariano L. Acosta

11. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Sistema en Chip
Mariano L. Acosta

12. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Dise˜no y Programaci´on de Interfaz Gr´afica de Usuario.
Python 3.5
QT Designer 5
Mariano L. Acosta

13. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Comunicaci´on en Red TCP/IP y un protocolo de mensajes a
nivel de aplicaci´on.
LWiP: Pila TCP/IP para sistemas embebidos.
Control de la placa: Envi´o de se˜nal sub-muestreada,
diccionario, comandos, recepci´on de resultados.
Mariano L. Acosta

14. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Labor Desarrollada
Dise˜no y Fabricaci´on de un DAC Delta/Sigma.
10 bits de resoluci´on equivalente
Modulador ∆Σ en VHDL (sobremuestreo 32)
Perif´erico externo (Filtro de Bessel anal´ogico)
Mariano L. Acosta

15. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Introducci´on
Banco de Pruebas
Mariano L. Acosta

16. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

17. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Muestreo Convencional
Teorema de Muestreo de Nyquist-Shannon
La reconstrucci´on exacta de una se˜nal continua partir de sus
muestras, es matem´aticamente posible si la se˜nal est´a limitada en
banda y la tasa de muestreo es superior al doble de su ancho de
banda.
Mariano L. Acosta

18. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Muestreo Convencional - Ejemplo
CD de Audio
Ancho de Banda (Tema Musical): 20 kHz.
Frecuencia de Muestreo CD: 44,1 kHz.
Una muestra cada 22,675 micro-segundos.
Mariano L. Acosta

19. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Muestreo Convencional - Potenciales Problemas
Frecuencia de muestreo elevada (Costos de fabricaci´on)
Mariano L. Acosta

20. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Muestreo Convencional - Potenciales Problemas
Generaci´on de gran cantidad de datos (limitaci´on en
memoria)
Mariano L. Acosta

21. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Muestreo Convencional - Potenciales Problemas
Procesamiento On-Board (Consumo de Potencia,
Bater´ıas)
Mariano L. Acosta

22. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Posible Soluci´on
Utilizar Sensado Compresivo (2006, Emmanuel Cand`es,
Terence Tao).
No reemplaza al teorema de muestreo de Nyquist Shannon
(sigue siendo v´alido).
Es otro enfoque al problema de adquisici´on que involucra
sistemas de ecuaciones indeterminados y optimizaci´on
matem´atica.
Mariano L. Acosta

23. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Para utilizar Sensado Compresivo se requiere que la se˜nal a
adquirir sea compresible en alguna base conocida.
Mariano L. Acosta

24. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Ejemplo: De 128 muestras en una sinusoidal, s´olo 2 son no nulas
luego de aplicar la DFT.
Mariano L. Acosta

25. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Ejemplos
Se˜nales de Electrocardiograma (Base Wavelet: Daubechies,
Haar).
Se˜nales de Voz (Base DCT-II).
Pulsos angostos en el tiempo (Base temporal).
Mariano L. Acosta

26. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Mariano L. Acosta

27. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensado Compresivo - Ejemplo
Conseguir N = 64 muestras una se˜nal sinusoidal de frecuencia
1 kHz en una ventana de observaci´on igual a 8 milisegundos
(fmuestreo = 8 kHz) utilizando Sensado Compresivo.
Reducci´on tasa de muestreo: 16 veces (fmuestreo= 500 hz)
Muestras adquiridas (ADC) M = 4
Mariano L. Acosta

28. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Mariano L. Acosta

29. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Mariano L. Acosta

30. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Mariano L. Acosta

31. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Mariano L. Acosta

32. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Mariano L. Acosta

33. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Env´ıo al sistema reconstructor:
La secuencia de Mezclado P (64 bits).
El vector de M = 4 muestras adquiridas y[n].
Diccionario (Matriz Cuadrada 64 × 64) Ej: DFT.
Mariano L. Acosta

34. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
El reconstructor recupera la se˜nal discreta x[n] de 64 muestras
resolviendo el problema de optimizaci´on:
min x 1 sujeto a y − Ax 2 ≤ (1)
A es la matriz de sensado (se construye con las secuencias P y
el diccionario).
es el error tolerado (ruido).
Mariano L. Acosta

35. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Mariano L. Acosta

36. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Sensor Anal´ogico: Demodulador Aleatorio
Para el caso del trabajo se adopt´o como modelo cuatro
Demoduladores Aleatorios en paralelo (mejores propiedades para
CS).
N = 1024 muestras (x[n])
M = 64 muestras (y[n])
Relaci´on de Compresi´on = 16 veces
Cada canal muestrea 64 veces por debajo de la Tasa de
Nyquist ( 64
4 canales = 16 veces)
Mariano L. Acosta

37. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sensado Compresivo
Modulador Aleatorio Pre-Integrativo (RMPI)
Mariano L. Acosta

38. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

39. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on
Mariano L. Acosta

40. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on
Programado en Matlab 2013b.
Frecuencia de muestreo elevada para simular el dominio
anal´ogico.
Mariano L. Acosta

41. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on
Par´ametros ajustables:
Se˜nal de prueba x a reconstruir.
Ancho de banda de la se˜nal (en Hz).
Longitud de x (N).
Relaci´on de compresi´on (N/M).
N´umero de canales del RMPI.
Generador (ca´otico o pseudoaleatorio) para las secuencias de
mezclado.
Matriz del Diccionario (DFT,DCT,etc...).
Algoritmo de optimizaci´on.
Mariano L. Acosta

42. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on
Secuencias Ca´oticas (Mapas)
LOG: Mapa ca´otico Log´ıstico.
TWBM: Mapa ca´otico Three-Way Bernoulli.
FWTSM: Mapa ca´otico Four-Way Tailed Shift.
TWBMd: d-´esima iteracion del mapa ca´otico TWBM.
FWTSMd: d-´esima iteraci´on del mapa ca´otico FWTSM.
Mariano L. Acosta

43. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on
Algoritmos de Reconstrucci´on:
Homotopy (Umbralamiento Suave)
Orthogonal Matching Pursuit (OMP)
Iterative Hard Thresholding (Umbralamiento Duro)
Accelerated Iterative Hard Thresholding
Gradient Pursuit
Conjugated Gradient Pursuit
CoSaMP
Mariano L. Acosta

44. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on - Resultados
Se evaluaron todas las alternativas en t´erminos de:
Error de reconstrucci´on
Robustez frente al ruido
Tiempo medio de reconstrucci´on
Mariano L. Acosta

45. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on - Resultados
Similitud temporal:
< St >=
x − ˆx 2
x 2
Similitud espectral:
< Se >=
|fft(x)| − |fft(ˆx)| 2
|fft(x)| 2
(2)
Mariano L. Acosta

46. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Simulaci´on
Modelo de Simulaci´on - Resultados
Los mejores algoritmos de reconstrucci´on en esos t´erminos
resultaron:
CoSaMP
Accelerated Iterative Hard Thresholding (AIHT)
Se eligi´o finalmente implementar AIHT. En t´erminos del error de
reconstrucci´on, el generador con Mapa Log´ıstico mostr´o los
mejores resultados; incluso superior al caso pseudoaleatorio.
Mariano L. Acosta

47. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

48. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
SoC - Interconexi´on
Mariano L. Acosta

49. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
SoC - Interfaz AXI
Full AXI4 es para interfaces de memoria mapeadas y
permiten r´afagas de hasta 256 datos.
AXI4-Lite es un dise˜no que utiliza menos recursos que AXI4
Full por lo que simplifica su uso. Ej: L´ogica de Control
AXI4-Stream No utiliza direcciones para la transmisi´on de
datos. Permite la transferencia continua de informaci´on. Ej:
Trasmisi´on de Video.
Mariano L. Acosta

50. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Herramientas - Vivado HLS
Descripci´on de Hardware digital en C/C++ (Alto Nivel)
Disminuci´on tiempo de desarrollo (Mercado).
Uso de Pragmas: Pipeline, Unroll, Dataflow, etc.
Mariano L. Acosta

51. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Herramientas - Vivado HLS
Mariano L. Acosta

52. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Herramientas - Vivado Design Suite
Integraci´on de Bloques IP
Dise˜no en VHDL: Simulaci´on L´ogica, RTL, Constraints.
Floorplanning, Niveles L´ogicos, Configuraci´on del SoC .
Mariano L. Acosta

53. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Herramientas - Vivado Design Suite
Mariano L. Acosta

54. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Herramientas - Xilinx SDK
Creaci´on de aplicaciones embebidas para microcontroladores.
Integrado con las herramientas anteriores.
Basado en el IDE Eclipse.
Mariano L. Acosta

55. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Sistema en Chip (SoC)
Herramientas - Xilinx SDK
Mariano L. Acosta

56. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

57. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Banco de Pruebas
Mariano L. Acosta

58. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Dise˜no en Bloques
Mariano L. Acosta

59. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Sistema Programable: Procesadores, UART,etc...
Mariano L. Acosta

60. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
IP Dise˜nados: Aceleradores en Hardware
Mariano L. Acosta

61. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
IP Dise˜nados: Aceleradores en Hardware
Mariano L. Acosta

62. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
IP Dise˜nados: Aceleradores en Hardware
Mariano L. Acosta

63. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Bloques de Acceso Directo a Memoria (DMA)
Mariano L. Acosta

64. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Conversor Digital/Anal´ogico Dise˜nado
Mariano L. Acosta

65. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
AXI Interconnect (comunicaci´on de datos)
Mariano L. Acosta

66. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
GPIO, para resetear los IP por Software
Mariano L. Acosta

67. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Valores constantes (activan los IPs)
Mariano L. Acosta

68. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Reset del sistema y sincronismo
Mariano L. Acosta

69. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Floorplanning
Mariano L. Acosta

70. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Implementaci´on (Resultados)
Red de Ordenamiento
Multiplicador
Matricial
Conversor D/A
DMAs
Mariano L. Acosta

71. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Recursos utilizados
Mariano L. Acosta

72. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Estimaci´on del Consumo de Potencia
Mariano L. Acosta

73. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Recibe en paralelo datos de 32 bits en punto flotante (IEEE 754):
Matriz A (4x64)
Matriz B (64x64)
Devuelve en el mismo formato:
Matriz C (4x64) (C = AxB)
Se env´ıa los elementos de la matrices uno tras otro.
Mariano L. Acosta

74. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

75. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

76. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

77. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial - Pragmas
Mariano L. Acosta

78. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial - Pragmas
Mariano L. Acosta

79. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

80. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

81. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

82. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Multiplicador Matricial
Mariano L. Acosta

83. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Recibe en 32 bits sin signo:
Vector de 1024 elementos.
Devuelve en 10 bits sin signo:
Las posiciones (´ındices) de los 32 elementos mayores del
vector.
En el peor caso, se tarda N
2 ciclos de reloj en ordenar el vector
(segmentos N=128).
Mariano L. Acosta

84. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Mariano L. Acosta

85. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Mariano L. Acosta

86. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Mariano L. Acosta

87. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo - Pragmas
Mariano L. Acosta

88. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Mariano L. Acosta

89. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Mariano L. Acosta

90. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Red de Ordenamiento Paralelo
Mariano L. Acosta

91. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Interfaz Gr´afica de Usuario
Mariano L. Acosta

92. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Interfaz Gr´afica de Usuario
Mariano L. Acosta

93. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Interfaz Gr´afica de Usuario
Desarrollada con Python 3.5 y QT Designer 5.
Librer´ıas: Numpy, Matplotlib, Scypy, PyQT5, QTNetwork.
Mariano L. Acosta

94. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Conexion en Red
Mariano L. Acosta

95. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Env´ıo de Datos
Mariano L. Acosta

96. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Env´ıo de Datos - Ventana Emergente
Mariano L. Acosta

97. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Par´ametros para el Optimizador
Mariano L. Acosta

98. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Tiempos Requeridos por el SoC
Mariano L. Acosta

99. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Activar Aceleraci´on por Hardware
Mariano L. Acosta

100. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Cuantificadores (error)
Mariano L. Acosta

101. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Se˜nal Original (se desea adquirir)
Mariano L. Acosta

102. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Se˜nal Reconstruida por el Sistema
Mariano L. Acosta

103. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Realizar Zoom
Mariano L. Acosta

104. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Realizar Zoom
Mariano L. Acosta

105. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Realizar Zoom
Mariano L. Acosta

106. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Visualizar Espectro (FFT)
Mariano L. Acosta

107. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Visualizar Espectro (FFT)
Mariano L. Acosta

108. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Interpolaci´on SINC (x10)
Mariano L. Acosta

109. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Superponer Se˜nales
Mariano L. Acosta

110. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Adquirir Se˜nal (Simulaci´on)
Mariano L. Acosta

111. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Se˜nal Adquirida con CS (sub-muestreada)
Mariano L. Acosta

112. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
ARM Cortex A9
Dual-core ARM Cortex-A9
MPCore.
Hasta 866 MHz de reloj.
USB 2.0, Gigabit Ethernet,
SD/SDIO.
Mariano L. Acosta

113. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Niveles de Abstracci´on
Mariano L. Acosta

114. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
FreeRTOS
Escalabilidad (expandir funcionalidades).
Arquitectura multitarea (balancea tiempo de duraci´on y
prioridades).
Utilizado en sistemas embebidos con requerimientos de
tiempo real (deadline).
Mariano L. Acosta

115. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
FreeRTOS
Tarea 1 (Inicializar el Hardware)
Tarea 2 (Iniciar Conexi´on de red)
Tarea 3 (Escuchar por conexiones entrantes)
Tarea 4 (Ejecutar aplicaci´on de Sensado Compresivo)
Mariano L. Acosta

116. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
FreeRTOS
Mariano L. Acosta

117. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
FreeRTOS
Mariano L. Acosta

118. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - LWiP
Lightweight IP:
Pila de red TCP/IP sencilla, de c´odigo abierto, dise˜nada
espec´ıficamente para sistemas embebidos.
Soporta IP, ICMP, UDP, TCP, IGMP, ARP, DHCP, etc.
Abstracci´on en el manejo de datos:
TCP WRITE(),TCP READ().
Mariano L. Acosta

119. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Par´ametros
Direcci´on IP (SoC): 192.168.1.10 (Est´atica)
Puerto de Conexi´on: 1491 (No Asignado - IANA)
Puerta de Enlace (Router): 192.168.1.1
M´ascara de Red: 255.255.255.0
Direcci´on IP (GUI): 192.168.1.30 (Din´amica)
Mariano L. Acosta

120. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Mensajes
MTXB: Recepci´on y carga de memoria del diccionario Ψ.
MTXA: Recepci´on y carga de memoria de las secuencias Pi .
SEQY: Recepci´on y carga de memoria de la se˜nal de
submuestras y[n].
OPCT: Recepci´on de los par´ametros del reconstructor AIHT.
MLTM: Recepci´on de la orden para reconstruir a ˆx y env´ıo de
los resultados al GUI y al DAC.
Mariano L. Acosta

121. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Env´ıo de Secuencias
Mariano L. Acosta

122. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Env´ıo de Diccionario
Mariano L. Acosta

123. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Orden de Reconstrucci´on
Mariano L. Acosta

124. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Orden de Reconstrucci´on
Mariano L. Acosta

125. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Envi´o de sub-muestras
Mariano L. Acosta

126. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Comunicaci´on en Red - Par´ametros del Optimizador
Mariano L. Acosta

127. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Reconstructor y Programaci´on en C
AIHT (Accelerated Iterative Hard Thresholding).
Funciones programadas: Norma Vectorial, transpuesta,
multiplicaci´on de vectores y matrices.
Librer´ıa math.h.
Procesamiento en punto flotante 32 bits (IEEE 754).
Mariano L. Acosta

128. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Reconstructor y Programaci´on en C
El reconstructor recibe:
La se˜nal submuestreada y[n].
La matriz de sensado A obtenida en la FPGA.
La cantidad de muestras no nulas k (ej: coseno k = 2 si
Ψ = DCT).
Error admitido (tolerancia).
Cantidad M´axima de iteraciones.
Mariano L. Acosta

129. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Reconstructor y Programaci´on en C
Principalmente, realiza Umbralamiento Duro en cada Iteraci´on.
Necesita de conocer los k elementos mayores de la soluci´on actual.
Algoritmo Merge Sort (software).
Red de Ordenamiento (hardware).
Mariano L. Acosta

130. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Reconstructor y Programaci´on en C
Cuando termina de iterar:
Obtiene los coeficientes α en la base Ψ.
Encuentra ˆx = Ψα.
Consideraci´on
Encontrar x requiere multiplicar una matriz (1024x1024) y un
vector (1024x1). Sin embargo, se realiza de manera eficiente en
SW omitiendo multiplicar los elementos nulos del vector.
Mariano L. Acosta

131. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Desarrollo en el Sistema Embebido
Reconstructor y Programaci´on en C
Mariano L. Acosta

132. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

133. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Banco de Pruebas
Mariano L. Acosta

134. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
¿Por qu´e se realiz´o un DAC?
La placa de desarrollo no cuenta con esta funci´on.
Necesidad de generar se˜nales de voltaje a partir de las
muestras recuperadas.
L´ogica Programable y bloques DSP disponibles.
Mariano L. Acosta

135. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Especificaciones de Dise˜no
1 Relaci´on se˜nal a ruido: 60 dB (cuantizaci´on + espurias)
2 Ancho de banda: 20 kHz.
3 Aritm´etica de punto fijo en la l´ogica programable.
4 No exceder los 5 Mhz de frecuencia de salida en los
conectores PMOD, para prevenir la utilizaci´on de los puertos
de alta velocidad.
Mariano L. Acosta

136. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Par´ametros Cuantitativos
Relaci´on Se˜nal-Ruido de Cuantizaci´on:
SQNR = 6,02N + 1,76 [dB] (3)
Cantidad Equivalentes de Bits
ENOB =
60 [dB] − 1,76 [dB]
6,02 [dB]
= 10 bits (4)
Mariano L. Acosta

137. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Modulador Delta/Sigma
El sistema en su mayor´ıa es digital (FPGA).
Permite lograr excelentes SNRQ (modelado de ruido).
Como desventaja, requiere interpolaci´on.
Mariano L. Acosta

138. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Modulador Delta/Sigma - Se˜nal PDM
Modulaci´on por Densidad de Pulso
Mariano L. Acosta

139. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Modulador Delta/Sigma - Se˜nal PDM
Comparaci´on con PWM
Mariano L. Acosta

140. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Diagrama en Bloques
Mariano L. Acosta

141. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Lazo Realimentado
Mariano L. Acosta

142. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Lazo Realimentado
Mariano L. Acosta

143. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Modelo Lineal
Mariano L. Acosta

144. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Modelo Lineal
Mariano L. Acosta

145. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Modelo Lineal
La transferencia respecto a la se˜nal a convertir es:
TR(z) =
Gc(z)
1 + Gc(z)
(5)
Mientras que respecto al error E(z) resulta:
TE (z) =
1
1 + Gc(z)
(6)
Mariano L. Acosta

146. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Modelo Lineal
Usualmente, se utiliza como controlador un bloque integrador. Esto
permite generar la se˜nal U(z) en funci´on de los valores previos y
actuales de Er (z). La integraci´on discreta se implementa como:
Gc(z) =
1
1 − z−1
=
z
z − 1
(7)
Mariano L. Acosta

147. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Modelo Lineal
Transferencia Respecto a la se˜nal a convertir:
Mariano L. Acosta

148. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma - Modelo Lineal
Transferencia Respecto al ruido de cuantificaci´on:
Mariano L. Acosta

149. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma de Segundo Orden
Mariano L. Acosta

150. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma de Segundo Orden
Se define el factor de sobremuestreo:
M =
fs
2AB
(8)
Se deber´a generar una muestra de salida por cada ciclo de reloj:
fclk = fs (9)
Entonces
Con un factor M = 32 y fclk = 1,5625, el ancho de banda m´aximo
a la salida del conversor es AB = 24,41 kHz.
Mariano L. Acosta

151. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Delta/Sigma de Segundo Orden
Mariano L. Acosta

152. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Implementaci´on en FPGA
Mariano L. Acosta

153. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Simulaci´on (Simulink)
Mariano L. Acosta

154. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Simulaci´on (Simulink)
Salida (Pre-Filtrado y Noise Shaping)
Mariano L. Acosta

155. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Simulaci´on (Simulink)
Salida (Post-Filtrado)
Mariano L. Acosta

156. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Diagrama en Bloques - Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

157. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico - Especificaciones
Filtro Pasabajos con frecuencia de corte (3 dB) = 20 kHz.
Rechazo de 60 dB por encima de 100 kHz (aprox. 150 kHz).
(Ruido de cuantizaci´on)
Retardo de grupo constante: Filtro de Bessel.
(Conservar las formas de onda en la banda de paso)
Mariano L. Acosta

158. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico - Topolog´ıa Sallen Key
Mariano L. Acosta

159. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

160. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

161. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

162. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

163. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

164. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Filtro Anal´ogico
Mariano L. Acosta

165. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Diagrama en Bloques - Interpolador
Mariano L. Acosta

166. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador
Mariano L. Acosta

167. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Problema
Mariano L. Acosta

168. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Problema
Requerimientos normales:
Interpolaci´on M = 32, fcorte = 0,03125 (normalizada).
Atenuaci´on 0,001 dB en la banda de paso.
80 dB en la banda de rechazo.
Orden del Filtro: 5482 (5482 × 32 = 175456)
multiplicaciones/muestra.
Mariano L. Acosta

169. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Soluci´on
Realizaci´on en cascada con bloques x2.
Respuesta al impulso sim´etrica de los filtros.
Utilizando FIRs de media banda.
Estructura polif´asica de conmutaci´on.
Mariano L. Acosta

170. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Realizaci´on en Cascada
Mariano L. Acosta

171. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Recordando Noise-Shaping (∆Σ)
Transferencia Respecto al ruido de cuantificaci´on
Mariano L. Acosta

172. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador
Mariano L. Acosta

173. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Filtro Fir de Media Banda
El ripple en la banda de paso y atenuaci´on es el mismo.
La respuesta del filtro es sim´etrica respecto a la frecuencia de
media banda.
Se reduce la cantidad de coeficiente a la mitad (muestras
impares se vuelven cero).
Mariano L. Acosta

174. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador
Mariano L. Acosta

175. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Estructura para Filtros Sim´etricos
Mariano L. Acosta

176. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Realizaci´on Polif´asica
Evita el agregado de ceros
Mariano L. Acosta

177. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Tabla de Coeficientes
Mariano L. Acosta

178. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Interpolador - Estructura Final
Mariano L. Acosta

179. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Implementaci´on en VHDL (Vivado)
Mariano L. Acosta

180. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Implementaci´on en VHDL (Vivado)
Mariano L. Acosta

181. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Implementaci´on en VHDL (Vivado)
Los coeficientes fueron representados en formato Q1,17
mientras que las muestras de la se˜nal en Q7,17.
Cuando se produce la multiplicaci´on, el resultado de 42 bits se
almacena en acumuladores/sumadores.
Los bloques DSP en el FPGA contienen internamente
multiplicadores de 18 × 25 bits y acumuladores de 48 bits.
Se necesita s´olo 26 de estos elementos para realizar el
sobremuestreo.
Mariano L. Acosta

182. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

183. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

184. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

185. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

186. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

187. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

188. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

189. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

190. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
Resultados (DAC)
Mariano L. Acosta

191. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

192. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso
Sistema de Radar
Consiste en un transmisor y un receptor de ondas
electromagn´eticas. Se basa en la emisi´on de un pulso de portadora
y en la recepci´on de su versi´on reflejada por un obst´aculo.
Sirve para la detecci´on y localizaci´on de objetos, como para la
determinaci´on de superficies.
Bandas de operaci´on: 3 MHz hasta los 110 GHz.
Mariano L. Acosta

193. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - Par´ametros
Relaci´on de Compresi´on: 16 veces
Base de Representaci´on: DCT-II
Sparcity = 10 (coeficientes DCT-II)
Tolerancia = 1e-12
Tolerancia (sub) = 1e-12
Iteraciones (m´ax) = 1000
Mariano L. Acosta

194. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso
Mariano L. Acosta

195. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - Resultados
Mariano L. Acosta

196. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - Resultados
Tiempo para obtener la Matriz A: 23,5 mseg.
Tiempo para la Optimizaci´on: 65,01 mseg.
Tiempo para la Reconstrucci´on: 1,543 mseg.
Similitud Temporal: 0,336.
Similitud Espectral: 0,2721.
Mariano L. Acosta

197. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - DAC
Mariano L. Acosta

198. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - DAC
Mariano L. Acosta

199. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - Resultados
Mariano L. Acosta

200. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - Resultados
Mariano L. Acosta

201. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Radar de Pulso - Fase
Mariano L. Acosta

202. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - Par´ametros
Relaci´on de Compresi´on: 16 veces
Base de Representaci´on: DCT-II
Sparcity = 15 (coeficientes DCT-II)
Tolerancia = 1e-4
Tolerancia (sub) = 1e-1
Iteraciones (m´ax) = 1000
Mariano L. Acosta

203. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz
Mariano L. Acosta

204. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - Resultados
Mariano L. Acosta

205. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - Resultados
Tiempo para obtener la Matriz A: 23,86 mseg.
Tiempo para la Optimizaci´on: 10,432 mseg.
Tiempo para la Reconstrucci´on: 2,233 mseg.
Similitud Temporal: 0,564.
Similitud Espectral: 0,469.
Mariano L. Acosta

206. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - DAC
Mariano L. Acosta

207. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - Resultados
Mariano L. Acosta

208. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - Resultados
Mariano L. Acosta

209. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nal de Voz - Resultados
Mariano L. Acosta

210. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM
Amplitud Modulada (AM)
M´etodo de modulaci´on anal´ogica que utiliza variaciones de
amplitud en una portadora de frecuencia fija. Habitualmente, se
utiliza en comunicaciones de radio. La envolvente contiene la
informaci´on ´util.
x(t) = sin(2πfa.t) + sin(2πfb.t) (1 + 0,7cos(2πfc.t)) (10)
Mariano L. Acosta

211. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - Par´ametros
Relaci´on de Compresi´on: 16 veces
Base de Representaci´on: DCT-II
Sparcity = 8 (coeficientes DCT-II)
Tolerancia = 1e-4
Tolerancia (sub) = 1e-1
Iteraciones (m´ax) = 1000
Mariano L. Acosta

212. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM
Mariano L. Acosta

213. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - Resultados
Mariano L. Acosta

214. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - Resultados
Tiempo para obtener la Matriz A: 23,503 mseg.
Tiempo para la Optimizaci´on: 5,281 mseg.
Tiempo para la Reconstrucci´on: 1,798 mseg.
Similitud Temporal: 0,583.
Similitud Espectral: 0,523.
Mariano L. Acosta

215. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - DAC
Mariano L. Acosta

216. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - DAC
Mariano L. Acosta

217. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - DAC
Mariano L. Acosta

218. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - Resultados
Mariano L. Acosta

219. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - Resultados
Mariano L. Acosta

220. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Se˜nales AM - Resultados
Mariano L. Acosta

221. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
Comparaci´on entre Hardware y Software
Mariano L. Acosta

222. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
¿Cu´anto mejora el tiempo con ARM+FPGA?
Obtener A: 11,5x
Optimizaci´on (Radar): 37,68x
Optimizaci´on (Voz): 4,21x
Optimizaci´on (AM): 357,7x
Reconstrucci´on: 1,96x
Mariano L. Acosta

223. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Resultados Experimentales
¿En relaci´on a una PC (Matlab 2013b)?
Obtener A: 0,11x
Optimizaci´on (Radar): 0,30x
Optimizaci´on (Voz): 1,32x
Optimizaci´on (AM): 2,19x
Reconstrucci´on: 0,05x
Mariano L. Acosta

224. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Contenidos
1 Introducci´on
2 Sensado Compresivo
3 Simulaci´on
4 Sistema en Chip (SoC)
5 Desarrollo en el Sistema Embebido
6 Dise˜no e Implementaci´on del Conversor D/A
7 Resultados Experimentales
8 Conclusiones
Mariano L. Acosta

225. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Conclusiones
Fue posible recuperar se˜nales que fueron submuestreadas
hasta 16 veces por debajo de su frecuencia de muestreo
convencional.
Co-dise˜no entre hardware y software logr´o la reducci´on del
tiempo total de procesamiento.
Mariano L. Acosta

226. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Conclusiones
Se refut´o la posibilidad de realizar reconstrucciones en tiempo
real (deadline) en radiofrecuencia con el sistema realizado,
aunque s´ı es factible en aplicaciones de voz.
Es factible reemplazar los generadores pseudo-aleatorios por
mapas ca´oticos iterativos (Log´ıstico) y en consecuencia lograr
una reducci´on en la utilizaci´on de recursos en HW (RMPI).
Mariano L. Acosta

227. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Conclusiones
La S´ıntesis de Alto Nivel (HLS) de Xilinx facilit´o la creaci´on
de IP complejos de manera sencilla gracias al uso de
programaci´on en C.
Resulta sustancial conocer el hardware para aprovechar
eficazmente las prestaciones que otorga HLS mediante el uso
de pragmas como Pipeline, Dataflow, Unroll.
Cuando se precis´o un uso m´as eficiente del timing y/o probar
una arquitectura en hardware de manera detallada, se hizo uso
de la programaci´on en VHDL.
Mariano L. Acosta

228. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Futuras Lineas
Evaluar otros algoritmos de reconstrucci´on.
Fabricaci´on del Sensor RMPI.
Desarrollo para una aplicaci´on espec´ıfica.
Utilizar un mejor modelo del reconstructor.
Mariano L. Acosta

229. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Futuras Lineas
Automatizar los par´ametros de reconstrucci´on
(Aprendizaje Autom´atico).
Utilizar una relaci´on de compresi´on menor.
Implementar operaciones con n´umeros complejos.
Considerar otras formas de onda para las secuencias de
mezclado.
Construcci´on del Generador Log´ıstico en Hardware.
Mariano L. Acosta

230. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Fin
Muchas Gracias por la
Atenci´on
Mariano L. Acosta

231. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Conclusiones
Fin
¿Preguntas?
Mariano L. Acosta

232. Sistema en Chip para la Reconstrucci´on de Se˜nales con Sensado Compresivo
Ap´endice
For Further Reading
For Further Reading I
A. Author.
Handbook of Everything.
Some Press, 1990.
S. Someone.
On this and that.
Journal of This and That, 2(1):50–100, 2000.
Mariano L. Acosta