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UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES ÉCOLE D'INGÉNIERIE MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'U

UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES ÉCOLE D'INGÉNIERIE MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE À LA MAÎTRISE EN GÉNIE ÉLECTRIQUE (M.Sc.A) PAR FRÉDÉRIC MORIN PIPELINE PAR VAGUES D'UNITÉS ARITHMÉTIQUES POUR LA COMMUNICATION À TRÈs HAUT DÉBIT AVRIL 2004 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. ({ À Jennifer et à mes enfants Tristan et Xavier ... ... à la mémoire de ma mère, Raymonde Élisabeth Béland .. .l) Remerciements J'aimerais, en premier lieu rendre hommage à ma douce moitié, Jennifer Anne Russett, qui m'a soutenu tout au long de mes études et durant cette quasi-interminable péliode de rédaction. Sa persévérance, sa patience, son amour et ces nombreux conseils inestimables m'ont permis enfin de terminer ce mémoire. Elle m'a dOilllé les deux plus beaux cadeaux qu'un homme aurait pu espérer, mes enfants Tristan et Xavier. Je leurs dois à tous une grande partie des nombreuses heures investies dans ce travail. Je tiens à remercier chaleureusement mon directeur de mémoire, le professeur Daniel Massicotte, pour son dévouement à la recherche scientifique et à ces connaissances qui m'ont permis de développer en moi un sens critique de la recherche scientifique, et surtout mon perfectionnement à la recherche en rnicroélectronique. Je tiens aussi à le remercier pour l'intérêt qu'il a accordé à ce travail et pour son aide précieuse à la rédaction/correction de ce mémoire. Qu'il trouve ici l'expression de mon entière gratitude et le témoignage de mon amitié. Je tiens à remercier de tout cœur les membres du jury, Professeur Tanguy Risset et Professeur Mansour Dahmane pour avoir évalué cette thèse et pour leurs commentaires qui REMERCIEMENTS ••• ont contribués à la qualité de ce mémoire. Je remercie le corps professoral, le personnel du département et toutes les personnes, qui de près ou de loin ont su m'aider dans mon cheminement et à la réalisation de ce travail, qu'ils trouvent ici l'expression de ma gratitude et de ma sympathie. Je remercie aussi les professeurs Daniel Massicotte, Kodjo Agbossou et Yves Dubé pour leurs supports financiers durant mes études de maîtrise. Sachez qu'ils m'ont été d'un grand soutient sans quoi j'aurais été forcé de mettre un terme à mes études. Je voudrais aussi remercier tous mes coéquipiers du Laboratoire de signaux et systèmes intégrés de l'Université du Québec à Trois-Rivières pour leur soutients, leurs conseils et pour avoir entretenu une atmosphère chaleureuse au sein du groupe. Je voudrais également remercier mon collègue Martin Demontigny pour son aide et support moral, pour qui la robotique et l'asservissement non plus de secrets. Son amitié et ses précieux conseils m'ont permis de ne pas lâcher lors de moment difficile. Finalement, je ne saurais passer sous silence mon entière gratitude à mon fidèle compagnon Martin Vida] pour les moments mémorables en sa compagnie. Ses conseils et ses connaissances inestimables furent très enrichissants et me serviront tout au long de ma vie professionnelle. Son dynamisme et son enthousiasme communicatif ont apporté d'heureux débats philosophiques et de fameux travaux d'équipes. IV Résumé Ce mémoire propose une architecture et des unités arithmétiques utilisant la technique du pipeline par vagues comme méthodes d'intégration à très grande échelle (ITGE) sur silicium. Améliorer la qualité, augmenter la distance entre les stations de régénération du signal et si possible obtenir un gain en vitesse de transmission auquel l'information à travers un canal de communication numérique sera transmis sont tous possible si un algorithme adaptatif de reconstitution des données transmises est utilisé. L'égalisation de canaux considérés comme algorithme adaptatif consiste à annuler les effets du canal afin de réduire les ISI et CCI. Il s'agit d'un traitement numérique qui consiste à filtrer le signal reçu avec la réponse impulsionnelle inverse du canal. Dans la plupart des cas comme la réponse impulsionnelle du canal est souvent inconnue, l'égaliseur sera adaptatif utilisant ainsi des données d'apprentissages. Dans le cadre de cette recherche l'implantation d'une architecture systolique à base d'un réseau de neurone artificiel sera effectuée. Elle aura comme avantage d'être régulière au niveau structural et de simplifier les communications locales entre les processeurs élémentaires. L'architecture sera basée sur une topologie multicouche utilisant une fonction de v RÉSUMÉ ••• décision de type canonique linéaire par morceaux nommée PL-MNN (Piecewise Linear Multilayer Neural Network). Chaque processeur aura une quantité de calcules assez élevés qui nécessite donc une étude sur les différentes techniques d'augmentation du débit et ainsi améliorer la vitesse auquelle notre architecture peut procédée les symboles à corriger La validation de l'architecture a été effectuée grâce à un modèle VHDL et un modèle analogique utilisant Pspice incluant les capacitées parasite fût utilisée pour la validation et l'évaluation des performances Analog Artist® et Virtuoso® de Cadence®. La technologie CMOS de 0.5 !lm (CMOSIS5, SPTM) offert par la société canadienne de microélectronique (CMC) et Hewlett Packard fût utilisée. Finalement, l'objectif principal du travail de recherche est l'étude du pipeline par vagues pour le développement d'une architecture ITGE à très haut débit dédié à l'égalisation de canaux. Le pipeline par vagues que nous allons étudier a comme particularité d'être implantée à partir d'une cellule nommée NPCPL, réalisant les fonctions logiques de base et possédant des délais de propagation équilibrés. Le développement et la réalisation de cette cellule sont la base de ce travail de recherche. Cette méthode de pipeline a été proposée à un algorithme de reconstitution de signaux basé sur le filtre de Kalman [EL098b], [MAS98]. Notre projet est une suite allant vers la réalisation des cellules de base en vue d'une fabrication. VI Table des matières Remerciements .................................................................................................................. 111 Résumé ............................................................................................................................... V Liste des abréviations .................................................................................................... XVII 1 Introduction ................................................................................................................... 1 1.1 Problématique ..................................................................................................... 3 1.2 Objectifs .............................................................................................................. 9 1 .3 Méthodologie .................................................................................................... 10 1 .4 Organisation de ce mémoire ............................................................................ 11 2 Algorithmes d'égalisation de canaux de communication ........................................... 13 2.1 Principe de l'égalisation de canaux .................................................................. 20 2.2 Adaptation hors-ligne et en-ligne ...................................................................... 22 2.3 Algorithmes adaptatifs d'égalisation de canaux linéaires ................................. 24 2.4 Algorithmes basés sur la logique floue ............................................................. 30 2.5 Algorithmes basés sur les réseaux de neurones ............................................. 34 2.6 Choix de l'Égaliseur .......................................................................................... 40 2.7 Conclusion ........................................................................................................ 42 3 Unités Arithmétiques entières ..................................................................................... 44 VII TABLE DES MATIÈRES ••• 3.1 Représentation des nombres binaires .............................................................. 45 3.2 Additionneurs binaires ...................................................................................... 51 3.2.1 Additionneur partiel (HA) ...................................................................... 52 3.2.2 Additionneur entier (FA) ....................................................................... 52 3.2.3 Additionneur à retenue propagée (RCA) ............................................. 54 3.2.4 Additionneur à retenue anticipée (CLA) ............................................... 56 3.2.5 Additionneur à conservation de la retenue (CSA) ............................... 57 3.2.6 Additionneur à saut de la retenue ........................................................ 59 3.2.7 Additionneur sériel ............................................................................... 60 3.2.8 Autres additionneurs ............................................................................ 60 3.3 Multiplicateurs ................................................................................................... 62 3.3.1 Multiplieur à accumulation partielle ...................................................... 62 3.3.2 Multiplieur parallèle .............................................................................. 68 3.3.3 Multiplieur-Accumulateur (MAC) .......................................................... 75 3.4 Choix des unités arithmétiques ........................................................................ 75 3.5 Conclusion ........................................................................................................ 75 4 Les principales techniques pipeline ............................................................................ 75 4.1 Pipeline conventionnel ...................................................................................... 75 4.2 Pipeline Asynchrone ......................................................................................... 75 4.3 Pipeline par vagues .......................................................................................... 75 4.3.1 Calcul fondamental .............................................................................. 75 4.3.2 Optimisation des délais de propagation ............................................... 75 4.3.3 Types de cellules disponibles .............................................................. 75 VIII TABLE DES MATIÈRES ••• 4.3.4 Cellule NPCPl ..................................................................................... 75 4.3.5 Structure ITGE proposée pour le pipeline par vagues ......................... 75 4.4 Choix de la technique la plus appropriée à l'égalisation .................................. 75 4.5 Conclusion ........................................................................................................ 75 5 Réalisation d'UA pipeline par vagues ....................................................................... 75 5.1 Intégration de la cellule NPCPL. ....................................................................... 75 5.1.1 Dimension de la cellule ........................................................................ 75 5.1.2 Résultats de simulation ........................................................................ 75 5.2 Pipeline par vagues de l'additionneur et du multipiieur .................................... 75 5.2.1 Description ........................................................................................... 75 5.2.2 Résultats de simulation ........................................................................ 75 5.3 Pipeline par vagues du multiplieur-accumulateur ............................................. 75 5.3.1 Description ........................................................................................... 75 5.3.2 Résultats de simulation ........................................................................ 75 5.4 Évaluation des performances de l'architecture arithmétique proposée ........... 75 5.4.1 Débits et latence de l'architecture arithmétique proposée ................... 75 5.5 Conclusion ........................................................................................................ 75 6 Application à l'égalisation de canaux ......................................................................... 75 6.1 Contraintes et critères architecturaux en technologie ITGE ............................. 75 6.2 Choix et description de l'architecture ................................................................ 75 6.3 Estimation de la surface de "architecture ......................................................... 75 6.4 Conclusion ........................................................................................................ 75 7 Conclusion .................................................................................................................. 75 IX TABLE DES illiATlÈRES ••• Bibliographie ..................................................................................................................... 75 Annexe A (Articles) ........................................................................................................... 75 Annexe B (Modèle d'architecture en VHDL) .................................................................... 75 Annexe C (Fichiers de commande et contrainte) ............................................................ 75 x Liste des Figures Figure 1.1) Concept du pipeline par vagues ....................................................................... 7 Figure 2.1) Communication numérique élémentaire ......................................................... 14 Figure 2.2) Canal avec bruit additif ................................................................................... 15 Figure 2.3) Canal linéaire invariant avec bruit additif ....................................................... 16 Figure 2.4) Canal linéaire variant avec bruit additif .......................................................... 17 Figure 2.5) Exemple uploads/Geographie/ 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