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1   -% fusionner max rejection a surface donnee v.s minimiser surface a rejection donnee
2   -% demontrer comment la quantification rejette du bruit vers les hautes frequences => 6 dB de
3   -% rejection par bit et perte si moins de bits que rejection/6
4   -% developper programme lineaire en incluant le decalage de bits
5   -% insister que avant on etait synthetisable mais pas implementable, alors que maintenant on
6   -% implemente et on demontre que ca tourne
7   -% gwen : pourquoi le FIR est desormais implementable et ne l'etait pas meme sur zedboard->new FIR ?
8   -% Gwen : peut-on faire un vrai banc de bruit de phase avec ce FIR, ie ajouter ADC, NCO et mixer
9   -% (zedboard ou redpit)
10   -
11   -\documentclass[a4paper,transaction]{IEEEtran/IEEEtran}
12   -\usepackage{graphicx,color,hyperref}
13   -\usepackage{amsfonts}
14   -\usepackage{amsthm}
15   -\usepackage{amssymb}
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20   -% correct bad hyphenation here
21   -\hyphenation{op-tical net-works semi-conduc-tor}
22   -\textheight=26cm
23   -\setlength{\footskip}{30pt}
24   -\pagenumbering{gobble}
25   -\begin{document}
26   -\title{Filter optimization for real time digital processing of radiofrequency signals: application
27   -to oscillator metrology}
28   -
29   -\author{\IEEEauthorblockN{A. Hugeat\IEEEauthorrefmark{1}\IEEEauthorrefmark{2}, J. Bernard\IEEEauthorrefmark{2},
30   -G. Goavec-M\'erou\IEEEauthorrefmark{1},
31   -P.-Y. Bourgeois\IEEEauthorrefmark{1}, J.-M. Friedt\IEEEauthorrefmark{1}}
32   -\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{1}FEMTO-ST, Time \& Frequency department, Besan\c con, France }
33   -\IEEEauthorblockA{\IEEEauthorrefmark{2}FEMTO-ST, Computer Science department DISC, Besan\c con, France \\
34   -Email: \{pyb2,jmfriedt\}@femto-st.fr}
35   -}
36   -\maketitle
37   -\thispagestyle{plain}
38   -\pagestyle{plain}
39   -\newtheorem{definition}{Definition}
40   -
41   -\begin{abstract}
42   -Software Defined Radio (SDR) provides stability, flexibility and reconfigurability to
43   -radiofrequency signal processing. Applied to oscillator characterization in the context
44   -of ultrastable clocks, stringent filtering requirements are defined by spurious signal or
45   -noise rejection needs. Since real time radiofrequency processing must be performed in a
46   -Field Programmable Array to meet timing constraints, we investigate optimization strategies
47   -to design filters meeting rejection characteristics while limiting the hardware resources
48   -required and keeping timing constraints within the targeted measurement bandwidths.
49   -\end{abstract}
50   -
51   -\begin{IEEEkeywords}
52   -Software Defined Radio, Mixed-Integer Linear Programming, Finite Impulse Response filter
53   -\end{IEEEkeywords}
54   -
55   -\section{Digital signal processing of ultrastable clock signals}
56   -
57   -Analog oscillator phase noise characteristics are classically performed by downconverting
58   -the radiofrequency signal using a saturated mixer to bring the radiofrequency signal to baseband,
59   -followed by a Fourier analysis of the beat signal to analyze phase fluctuations close to carrier. In
60   -a fully digital approach, the radiofrequency signal is digitized and numerically downconverted by
61   -multiplying the samples with a local numerically controlled oscillator (Fig. \ref{schema}) \cite{rsi}.
62   -
63   -\begin{figure}[h!tb]
64   -\begin{center}
65   -\includegraphics[width=.8\linewidth]{schema}
66   -\end{center}
67   -\caption{Fully digital oscillator phase noise characterization: the Device Under Test
68   -(DUT) signal is sampled by the radiofrequency grade Analog to Digital Converter (ADC) and
69   -downconverted by mixing with a Numerically Controlled Oscillator (NCO). Unwanted signals
70   -and noise aliases are rejected by a Low Pass Filter (LPF) implemented as a cascade of Finite
71   -Impulse Response (FIR) filters. The signal is then decimated before a Fourier analysis displays
72   -the spectral characteristics of the phase fluctuations.}
73   -% JMF : argumenter de la cascade de FIR
74   -\label{schema}
75   -\end{figure}
76   -
77   -As with the analog mixer,
78   -the non-linear behavior of the downconverter introduces noise or spurious signal aliasing as
79   -well as the generation of the frequency sum signal in addition to the frequency difference.
80   -These unwanted spectral characteristics must be rejected before decimating the data stream
81   -for the phase noise spectral characterization \cite{andrich2018high}. The characteristics introduced between the
82   -downconverter
83   -and the decimation processing blocks are core characteristics of an oscillator characterization
84   -system, and must reject out-of-band signals below the targeted phase noise -- typically in the
85   -sub -170~dBc/Hz for ultrastable oscillator we aim at characterizing. The filter blocks will
86   -use most resources of the Field Programmable Gate Array (FPGA) used to process the radiofrequency
87   -datastream: optimizing the performance of the filter while reducing the needed resources is
88   -hence tackled in a systematic approach using optimization techniques. Most significantly, we
89   -tackle the issue by attempting to cascade multiple Finite Impulse Response (FIR) filters with
90   -tunable number of coefficients and tunable number of bits representing the coefficients and the
91   -data being processed.
92   -
93   -\section{Finite impulse response filter}
94   -
95   -We select FIR filter for their unconditional stability and ease of design. A FIR filter is defined
96   -by a set of weights $b_k$ applied to the inputs $x_k$ through a convolution to generate the
97   -outputs $y_k$
98   -$$y_n=\sum_{k=0}^N b_k x_{n-k}$$
99   -
100   -As opposed to an implementation on a general purpose processor in which word size is defined by the
101   -processor architecture, implementing such a filter on an FPGA offer more degrees of freedom since
102   -not only the coefficient values and number of taps must be defined, but also the number of bits
103   -defining the coefficients and the sample size. For this reason, and because we consider pipeline
104   -processing (as opposed to First-In, First-Out FIFO memory batch processing) of radiofrequency
105   -signals, High Level Synthesis (HLS) languages \cite{kasbah2008multigrid} are not considered but
106   -the problem is tackled at the Very-high-speed-integrated-circuit Hardware Description Language (VHDL) level.
107   -Since latency is not an issue in a openloop phase noise characterization instrument, the large
108   -numbre of taps in the FIR, as opposed to the shorter Infinite Impulse Response (IIR) filter,
109   -is not considered as an issue as would be in a closed loop system.
110   -
111   -The coefficients are classically expressed as floating point values. However, this binary
112   -number representation is not efficient for fast arithmetic computation by an FPGA. Instead,
113   -we select to quantify these floating point values into integer values. This quantization
114   -will result in some precision loss.
115   -
116   -%As illustrated in Fig. \ref{float_vs_int}, we see that we aren't
117   -%need too coefficients or too sample size. If we have lot of coefficients but a small sample size,
118   -%the first and last are equal to zero. But if we have too sample size for few coefficients that not improve the quality.
119   -
120   -% JMF je ne comprends pas la derniere phrase ci-dessus ni la figure ci dessous
121   -% AH en gros je voulais dire que prendre trop peu de bit avec trop de coeff, ça induit ta figure (bien mieux faite que moi)
122   -% et que l'inverse trop de bit sur pas assez de coeff on ne gagne rien, je vais essayer de la reformuler
123   -
124   -%\begin{figure}[h!tb]
125   -%\includegraphics[width=\linewidth]{images/float-vs-integer.pdf}
126   -%\caption{Impact of the quantization resolution of the coefficients}
127   -%\label{float_vs_int}
128   -%\end{figure}
129   -
130   -\begin{figure}[h!tb]
131   -\includegraphics[width=\linewidth]{images/demo_filtre}
132   -\caption{Impact of the quantization resolution of the coefficients: the quantization is
133   -set to 6~bits -- with the horizontal black lines indicating $\pm$1 least significant bit -- setting
134   -the 30~first and 30~last coefficients out of the initial 128~band-pass
135   -filter coefficients to 0 (red dots).}
136   -\label{float_vs_int}
137   -\end{figure}
138   -
139   -The tradeoff between quantization resolution and number of coefficients when considering
140   -integer operations is not trivial. As an illustration of the issue related to the
141   -relation between number of fiter taps and quantization, Fig. \ref{float_vs_int} exhibits
142   -a 128-coefficient FIR bandpass filter designed using floating point numbers (blue). Upon
143   -quantization on 6~bit integers, 60 of the 128~coefficients in the beginning and end of the
144   -taps become null, making the large number of coefficients irrelevant and allowing to save
145   -processing resource by shrinking the filter length. This tradeoff aimed at minimizing resources
146   -to reach a given rejection level, or maximizing out of band rejection for a given computational
147   -resource, will drive the investigation on cascading filters designed with varying tap resolution
148   -and tap length, as will be shown in the next section. Indeed, our development strategy closely
149   -follows the skeleton approach \cite{crookes1998environment, crookes2000design, benkrid2002towards}
150   -in which basic blocks are defined and characterized before being assembled \cite{hide}
151   -in a complete processing chain. In our case, assembling the filter blocks is a simpler block
152   -combination process since we assume a single value to be processed and a single value to be
153   -generated at each clock cycle. The FIR filters will not be considered to decimate in the
154   -current implementation: the decimation is assumed to be located after the FIR cascade at the
155   -moment.
156   -
157   -\section{Filter optimization}
158   -
159   -A basic approach for implementing the FIR filter is to compute the transfer function of
160   -a monolithic filter: this single filter defines all coefficients with the same resolution
161   -(number of bits) and processes data represented with their own resolution. Meeting the
162   -filter shape requires a large number of coefficients, limited by resources of the FPGA since
163   -this filter must process data stream at the radiofrequency sampling rate after the mixer.
164   -
165   -An optimization problem \cite{leung2004handbook} aims at improving one or many
166   -performance criteria within a constrained resource environment. Amongst the tools
167   -developed to meet this aim, Mixed-Integer Linear Programming (MILP) provides the framework to
168   -formally define the stated problem and search for an optimal use of available
169   -resources \cite{yu2007design, kodek1980design}.
170   -
171   -First we need to ensure that our problem is a real optimization problem. When
172   -designing a processing function in the FPGA, we aim at meeting some requirement such as
173   -the throughput, the computation time or the noise rejection noise. However, due to limited
174   -resources to design the process like BRAM (high performance RAM), DSP (Digital Signal Processor)
175   -or LUT (Look Up Table), a tradeoff must be generally searched between performance and available
176   -computational resources: optimizing some criteria within finite, limited
177   -resources indeed matches the definition of a classical optimization problem.
178   -
179   -Specifically the degrees of freedom when addressing the problem of replacing the single monolithic
180   -FIR with a cascade of optimized filters are the number of coefficients $N_i$ of each filter $i$,
181   -the number of bits $C_i$ representing the coefficients and the number of bits $D_i$ needed to represent
182   -the data $x_k$ fed to each filter as provided by the acquisition or previous processing stage.
183   -Because each FIR in the chain is fed the output of the previous stage,
184   -the optimization of the complete processing chain within a constrained resource environment is not
185   -trivial. The resource occupation of a FIR filter is considered as $C_i \times N_i$ which aims
186   -at approximating the number of bits needed in a worst case condition to represent the output of the
187   -FIR. Indeed, the number of bits generated by the $i$th FIR is $(C_i+D_i)\times\log_2(N_i)$, but the
188   -$\log$ function is avoided for its incompatibility with a linear programming description, and
189   -the simple product is approximated as the number of gates needed to perform the calculation. Such an
190   -occupied area estimate assumes that the number of gates scales as the number of bits and the number
191   -of coefficients, but does not account for the detailed implementation of the hardware. Indeed,
192   -various FPGA implementations will provide different hardware functionalities, and we shall consider
193   -at the end of the design a synthesis step using vendor software to assess the validity of the solution
194   -found. As an example of the limitation linked to the lack of detailed hardware consideration, Block Random
195   -Access Memory (BRAM) used to store filter coefficients are not shared amongst filters, and multiplications
196   -are most efficiently implemented by using DSP blocks whose input word
197   -size is finite. DSPs are a scarce resource to be saved in a practical implementation. Keeping a high
198   -abstraction on the resource occupation is nevertheless selected in the following discussion in order
199   -to leave enough degrees of freedom in the problem to try and find original solutions: too many
200   -constraints in the initial statement of the problem leave little room for finding an optimal solution.
201   -
202   -\begin{figure}[h!tb]
203   -\begin{center}
204   -\includegraphics[width=.5\linewidth]{schema2}
205   -\caption{Shape of the filter transmitted power $P$ as a function of frequency:
206   -the bandpass BP is considered to occupy the initial
207   -40\% of the Nyquist frequency range, the stopband the last 40\%, allowing 20\% transition
208   -width.}
209   -\label{rejection-shape}
210   -\end{center}
211   -\end{figure}
212   -
213   -Following these considerations, the model is expressed as:
214   -\begin{align}
215   - \begin{cases}
216   - \mathcal{R}_i &= \mathcal{F}(N_i, C_i)\\
217   - \mathcal{A}_i &= N_i \times C_i\\
218   - \Delta_i &= \Delta _{i-1} + \mathcal{P}_i
219   - \end{cases}
220   - \label{model-FIR}
221   -\end{align}
222   -To explain the system \ref{model-FIR}, $\mathcal{R}_i$ represents the stopband rejection dependence with $N_i$ and $C_i$, $\mathcal{A}_i$
223   -is a theoretical area occupation of the processing block on the FPGA as discussed earlier, and $\Delta_i$ is the total rejection for the current stage $i$.
224   -Since the function $\mathcal{F}$ cannot be explictly expressed, we run simulations to determine the rejection depending
225   -on $N_i$ and $C_i$. However, selecting the right filter requires a clear definition of the rejection criterion. Selecting an
226   -incorrect criterion will lead the linear program solver to produce a solution which might not meet the user requirements.
227   -Hence, amongst various criteria including the mean or median value of the FIR response in the stopband as will
228   -be illustrated lated (section \ref{median}), we have designed
229   -a criterion aimed at avoiding ripples in the passband and considering the maximum of the FIR spectral response in the stopband
230   -(Fig. \ref{rejection-shape}). The bandpass criterion is defined as the sum of the absolute values of the spectral response
231   -in the bandpass, reminiscent of a standard deviation of the spectral response: this criterion must be minimized to avoid
232   -ripples in the passband. The stopband transfer function maximum must also be minimized in order to improve the filter
233   -rejection capability. Weighing these two criteria allows designing the linear program to be solved.
234   -
235   -\begin{figure}[h!tb]
236   -\includegraphics[width=\linewidth]{images/noise-rejection.pdf}
237   -\caption{Rejection as a function of number of coefficients and number of bits.}
238   -\label{noise-rejection}
239   -\end{figure}
240   -
241   -{\bf ARTHUR : reg\'en\'erer une pyramide juste}
242   -
243   -The objective function maximizes the noise rejection ($\max(\Delta_{i_{\max}})$) while keeping resource
244   -occupation below a user-defined threshold, or as will be discussed here, aims at minimizing the area
245   -needed to reach a given rejection ($\min(S_q)$ in the forthcoming discussion, Eqs. \ref{cstr_size}
246   -and \ref{cstr_rejection}). The MILP solver is allowed to choose the number of successive
247   -filters, within an upper bound. The last problem is to model the noise rejection. Since filter
248   -noise rejection capability is not modeled with linear equations, a look-up-table is generated
249   -for multiple filter configurations in which the $C_i$, $D_i$ and $N_i$ parameters are varied: for each
250   -one of these conditions, the low-pass filter rejection is stored as computed by the frequency response
251   -of the digital filter (Fig. \ref{noise-rejection}). Various rejection criteria have been investigated,
252   -including mean value of the stopband response, median value of the stopband response, or as finally
253   -selected, maximum value in the stopband. An intuitive analysis of the chart of Fig. \ref{noise-rejection}
254   -hints at an optimum
255   -set of tap length and number of bit for representing the coefficients along the line of the pyramidal
256   -shaped rejection capability function.
257   -
258   -Linear program formalism for solving the problem is well documented: an objective function is
259   -defined which is linearly dependent on the parameters to be optimized. Constraints are expressed
260   -as linear equations and solved using one of the available solvers, in our case GLPK\cite{glpk}.
261   -With the notations used in the description of system \ref{model-FIR}, we have defined the linear problem as:
262   -\paragraph{Variables}
263   -\begin{align*}
264   -x_{i,j} \in \lbrace 0,1 \rbrace & \text{ $i$ is a given filter} \\
265   -& \text{ $j$ is the stage} \\
266   -& \text{ If $x_{i,j}$ is equal to 1, the filter is selected} \\
267   -\end{align*}
268   -\paragraph{Constants}
269   -\begin{align*}
270   -\mathcal{F} = \lbrace F_1 ... F_p \rbrace & \text{ All possible filters}\\
271   -& \text{ $p$ is the number of different filters} \\
272   -% N(i) & \text{ % Constant to let the
273   -% number of coefficients %} \\ & \text{
274   -% for filter $i$}\\
275   -% C(i) & \text{ % Constant to let the
276   -% number of bits of %}\\ & \text{
277   -% each coefficient for filter $i$}\\
278   -\mathcal{S}_{\max} & \text{ Total space available inside the FPGA}
279   -\end{align*}
280   -\paragraph{Constraints}
281   -\begin{align}
282   -1 \leq i \leq p & \nonumber\\
283   -1 \leq j \leq q & \text{ $q$ is the max of filter stage} \nonumber \\
284   -\forall j, \mathlarger{\sum_{i}} x_{i,j} = 1 & \text{ At most one filter by stage} \nonumber\\
285   -\mathcal{S}_0 = 0 & \text{ initial occupation} \nonumber\\
286   -\forall j, \mathcal{S}_j = \mathcal{S}_{j-1} + \mathlarger{\sum_i (x_{i,j} \times \mathcal{A}_i)} \label{cstr_size} \\
287   -\mathcal{S}_j \leq \mathcal{S}_{\max}\nonumber \\
288   -\mathcal{N}_0 = 0 & \text{ initial rejection}\nonumber\\
289   -\forall j, \mathcal{N}_j = \mathcal{N}_{j-1} + \mathlarger{\sum_i (x_{i,j} \times \mathcal{R}_i)} \label{cstr_rejection} \\
290   -\mathcal{N}_q \geqslant 160 & \text{ an user defined bound}\nonumber\\
291   -& \text{ (e.g. 160~dB here)}\nonumber\\\nonumber
292   -\end{align}
293   -\paragraph{Goal}
294   -\begin{align*}
295   -\min \mathcal{S}_q
296   -\end{align*}
297   -
298   -The constraint \ref{cstr_size} means the occupation for the current stage $j$ depends on
299   -the previous occupation and the occupation of current selected filter (it is possible
300   -that no filter is selected for this stage). And the second one \ref{cstr_rejection}
301   -means the same thing but for the rejection, the rejection depends the previous rejection
302   -plus the rejection of selected filter.
303   -
304   -\subsection{Low bandpass ripple and maximum rejection criteria}
305   -
306   -The MILP solver provides a solution to the problem by selecting a series of small FIR with
307   -increasing number of bits representing data and coefficients as well as an increasing number
308   -of coefficients, instead of a single monolithic filter.
309   -
310   -\begin{figure}[h!tb]
311   -% \includegraphics[width=\linewidth]{images/compare-fir.pdf}
312   -\includegraphics[width=\linewidth]{images/fir-mono-vs-fir-series-noise-fixe-jmf-light.pdf}
313   -\caption{Comparison of the rejection capability between a series of FIR and a monolithic FIR
314   -with a cutoff frequency set at half the Nyquist frequency.}
315   -\label{compare-fir}
316   -\end{figure}
317   -
318   -Fig. \ref{compare-fir} exhibits the
319   -performance comparison between one solution and a monolithic FIR when selecting a cutoff
320   -frequency of half the Nyquist frequency: a series of 5 FIR and a series of 10 FIR with the
321   -same space usage are provided as selected by the MILP solver. The FIR cascade provides improved
322   -rejection than the monolithic FIR at the expense of a lower cutoff frequency which remains to
323   -be tuned or compensated for.
324   -
325   -
326   -The resource occupation when synthesizing such FIR on a Xilinx FPGA is summarized as Tab. \ref{t1}.
327   -We have considered a set of resources representative of the hardware platform we work on,
328   -Avnet's Zedboard featuring a Xilinx XC7Z020-CLG484-1 Zynq System on Chip (SoC). The results reported in
329   -Tab. \ref{t1} emphasize that implementing the monolithic single FIR is impossible due to
330   -the insufficient hardware resources (exhausted LUT resources), while the FIR cascading 5 or 10
331   -filters fit in the available resources. However, in all cases the DSP resources are fully
332   -used: while the design can be synthesized using Xilinx proprietary Vivado 2016.2 software,
333   -implementing the design fails due to the excessive resource usage preventing routing the signals
334   -on the FPGA. Such results emphasize on the one hand the improvement prospect of the optimization
335   -procedure by finding non-trivial solutions matching resource constraints, but on the other
336   -hand also illustrates the limitation of a model with an abstraction layer that does not account
337   -for the detailed architecture of the hardware.
338   -
339   -\begin{table}[h!tb]
340   -\caption{Resource occupation on a Xilinx Zynq-7000 series FPGA when synthesizing the FIR cascade
341   -identified as optimal by the MILP solver within a finite resource criterion. The last line refers
342   -to available resources on a Zynq-7020 as found on the Zedboard.}
343   -\begin{center}
344   -\begin{tabular}{|c|cccc|}\hline
345   -FIR & BlockRAM & LookUpTables & DSP & rejection (dB)\\\hline\hline
346   -1 (monolithic) & 1 & 76183 & 220 & -162 \\
347   -5 & 5 & 18597 & 220 & -160 \\
348   -10 & 8 & 24729 & 220 & -161 \\\hline\hline
349   -\textbf{Zynq 7020} & \textbf{420} & \textbf{53200} & \textbf{220} & \\\hline
350   -%\begin{tabular}{|c|ccccc|}\hline
351   -%FIR & BRAM36 & BRAM18 & LUT & DSP & rejection (dB)\\\hline\hline
352   -%1 (monolithic) & 1 & 0 & {\color{Red}76183} & 220 & -162 \\
353   -%5 & 0 & 5 & {\color{Green}18597} & 220 & -160 \\
354   -%10 & 0 & 8 & {\color{Green}24729} & 220 & -161 \\\hline\hline
355   -%\textbf{Zynq 7020} & \textbf{140} & \textbf{280} & \textbf{53200} & \textbf{220} & \\\hline
356   -\end{tabular}
357   -\end{center}
358   -%\vspace{-0.7cm}
359   -\label{t1}
360   -\end{table}
361   -
362   -\subsection{Alternate criteria}\label{median}
363   -
364   -Fig. \ref{compare-fir} provides FIR solutions matching well the targeted transfer
365   -function, namely low ripple in the bandpass defined as the first 40\% of the frequency
366   -range and maximum rejection of 160~dB in the last 40\% stopband. We illustrate now, for
367   -demonstrating the need to properly select the optimization criterion, two cases of poor
368   -filter shapes obtained by selecting the mean value and median value of the rejection,
369   -with no consideration for the ripples in the bandpass. The results of the optimizations,
370   -in these cases, are shown in Figs. \ref{compare-mean} and \ref{compare-median}.
371   -
372   -\begin{figure}[h!tb]
373   -\includegraphics[width=\linewidth]{images/fir-mono-vs-fir-series-noise-fixe-mean-light.pdf}
374   -\caption{Comparison of the rejection capability between a series of FIR and a monolithic FIR
375   -with a cutoff frequency set at half the Nyquist frequency.}
376   -\label{compare-mean}
377   -\end{figure}
378   -
379   -In the case of the mean value criterion (Fig. \ref{compare-mean}), the solution is not
380   -acceptable since the notch at the end of the transition band compensates for some unacceptable
381   -rise in the rejection close to the Nyquist frequency. Applying such a filter might yield excessive
382   -high frequency spurious components to be aliased at low frequency when decimating the signal.
383   -Similarly, the lack of criterion on the bandpass shape induces a shape with poor flatness and
384   -and slowly decaying transfer function starting to attenuate spectral components well before the
385   -transition band starts. Such issues are partly aleviated by replacing a mean rejection value with
386   -a median rejection value (Fig. \ref{compare-median}) but solutions remain unacceptable for
387   -the reasons stated previously and much poorer than those found with the maximum rejection criterion
388   -selected earlier (Fig. \ref{compare-fir}).
389   -
390   -\begin{figure}[h!tb]
391   -\includegraphics[width=\linewidth]{images/fir-mono-vs-fir-series-noise-fixe-median-light.pdf}
392   -\caption{Comparison of the rejection capability between a series of FIR and a monolithic FIR
393   -with a cutoff frequency set at half the Nyquist frequency.}
394   -\label{compare-median}
395   -\end{figure}
396   -
397   -\section{Filter coefficient selection}
398   -
399   -The coefficients of a single monolithic filter are computed as the impulse response
400   -of the filter transfer function, and practically approximated by a multitude of methods
401   -including least square optimization (Matlab's {\tt firls} function), Hamming or Kaiser windowing
402   -(Matlab's {\tt fir1} function).
403   -
404   -\begin{figure}[h!tb]
405   -\includegraphics[width=\linewidth]{images/fir1-vs-firls}
406   -\caption{Evolution of the rejection capability of least-square optimized filters and Hamming
407   -FIR filters as a function of the number of coefficients, for floating point numbers and 8-bit
408   -encoded integers.}
409   -\label{2}
410   -\end{figure}
411   -
412   -Cascading filters opens a new optimization opportunity by
413   -selecting various coefficient sets depending on the number of coefficients. Fig. \ref{2}
414   -illustrates that for a number of coefficients ranging from 8 to 47, {\tt fir1} provides a better
415   -rejection than {\tt firls}: since the linear solver increases the number of coefficients along
416   -the processing chain, the type of selected filter also changes depending on the number of coefficients
417   -and evolves along the processing chain.
418   -
419   -\section{Conclusion}
420   -
421   -We address the optimization problem of designing a low-pass filter chain in a Field Programmable Gate
422   -Array for improved noise rejection within constrained resource occupation, as needed for
423   -real time processing of radiofrequency signal when characterizing spectral phase noise
424   -characteristics of stable oscillators. The flexibility of the digital approach makes the result
425   -best suited for closing the loop and using the measurement output in a feedback loop for
426   -controlling clocks, e.g. in a quartz-stabilized high performance clock whose long term behavior
427   -is controlled by non-piezoelectric resonator (sapphire resonator, microwave or optical
428   -atomic transition).
429   -
430   -\section*{Acknowledgement}
431   -
432   -This work is supported by the ANR Programme d'Investissement d'Avenir in
433   -progress at the Time and Frequency Departments of the FEMTO-ST Institute
434   -(Oscillator IMP, First-TF and Refimeve+), and by R\'egion de Franche-Comt\'e.
435   -The authors would like to thank E. Rubiola, F. Vernotte, and G. Cabodevila
436   -for support and fruitful discussions.
437   -
438   -\bibliographystyle{IEEEtran}
439   -\balance
440   -\bibliography{references,biblio}
441   -\end{document}
442   -
443   - \section{Contexte d'ordonnancement}
444   - Dans cette partie, nous donnerons des d\'efinitions de termes rattach\'es au domaine de l'ordonnancement
445   - et nous verrons que le sujet trait\'e se rapproche beaucoup d'un problème d'ordonnancement. De ce fait
446   - nous pourrons aller plus loin que les travaux vus pr\'ec\'edemment et nous tenterons des approches d'ordonnancement
447   - et d'optimisation.
448   -
449   - \subsection{D\'efinition du vocabulaire}
450   - Avant tout, il faut d\'efinir ce qu'est un problème d'optimisation. Il y a deux d\'efinitions
451   - importantes à donner. La première est propos\'ee par Legrand et Robert dans leur livre \cite{def1-ordo} :
452   - \begin{definition}
453   - \label{def-ordo1}
454   - Un ordonnancement d'un système de t\^aches $G\ =\ (V,\ E,\ w)$ est une fonction $\sigma$ :
455   - $V \rightarrow \mathbb{N}$ telle que $\sigma(u) + w(u) \leq \sigma(v)$ pour toute arête $(u,\ v) \in E$.
456   - \end{definition}
457   -
458   - Dit plus simplement, l'ensemble $V$ repr\'esente les t\^aches à ex\'ecuter, l'ensemble $E$ repr\'esente les d\'ependances
459   - des t\^aches et $w$ les temps d'ex\'ecution de la t\^ache. La fonction $\sigma$ donne donc l'heure de d\'ebut de
460   - chacune des t\^aches. La d\'efinition dit que si une t\^ache $v$ d\'epend d'une t\^ache $u$ alors
461   - la date de d\'ebut de $v$ sera plus grande ou \'egale au d\'ebut de l'ex\'ecution de la t\^ache $u$ plus son
462   - temps d'ex\'ecution.
463   -
464   - Une autre d\'efinition importante qui est propos\'ee par Leung et al. \cite{def2-ordo} est :
465   - \begin{definition}
466   - \label{def-ordo2}
467   - L'ordonnancement traite de l'allocation de ressources rares à des activit\'es avec
468   - l'objectif d'optimiser un ou plusieurs critères de performance.
469   - \end{definition}
470   -
471   - Cette d\'efinition est plus g\'en\'erique mais elle nous int\'eresse d'avantage que la d\'efinition \ref{def-ordo1}.
472   - En effet, la partie qui nous int\'eresse dans cette première d\'efinition est le respect de la pr\'ec\'edance des t\^aches.
473   - Dans les faits les dates de d\'ebut ne nous int\'eressent pas r\'eellement.
474   -
475   - En revanche la d\'efinition \ref{def-ordo2} sera au c\oe{}ur du projet. Pour se convaincre de cela,
476   - il nous faut d'abord d\'efinir quel est le type de problème d'ordonnancement qu'on traite et quelles
477   - sont les m\'ethodes qu'on peut appliquer.
478   -
479   - Les problèmes d'ordonnancement peuvent être class\'es en diff\'erentes cat\'egories :
480   - \begin{itemize}
481   - \item T\^aches ind\'ependantes : dans cette cat\'egorie de problèmes, les t\^aches sont complètement ind\'ependantes
482   - les unes des autres. Dans notre cas, ce n'est pas le plus adapt\'e.
483   - \item Graphe de t\^aches : la d\'efinition \ref{def-ordo1} d\'ecrit cette cat\'egorie. La plupart du temps,
484   - les t\^aches sont repr\'esent\'ees par une DAG. Cette cat\'egorie est très proche de notre cas puisque nous devons \'egalement ex\'ecuter
485   - des t\^aches qui ont un certain nombre de d\'ependances. On pourra même dire que dans certain cas,
486   - on a des anti-arbres, c'est à dire que nous avons une multitude de t\^aches d'entr\'ees qui convergent vers une
487   - t\^ache de fin.
488   - \item Workflow : cette cat\'egorie est une sous cat\'egorie des graphes de t\^aches dans le sens où
489   - il s'agit d'un graphe de t\^aches r\'ep\'et\'e de nombreuses de fois. C'est exactement ce type de problème
490   - que nous traitons ici.
491   - \end{itemize}
492   -
493   - Bien entendu, cette liste n'est pas exhaustive et il existe de nombreuses autres classifications et sous-classifications
494   - de ces problèmes. Nous n'avons parl\'e ici que des cat\'egories les plus communes.
495   -
496   - Un autre point à d\'efinir, est le critère d'optimisation. Il y a là encore un grand nombre de
497   - critères possibles. Nous allons donc parler des principaux :
498   - \begin{itemize}
499   - \item Temps de compl\'etion total (ou Makespan en anglais) : ce critère est l'un des critères d'optimisation
500   - les plus courant. Il s'agit donc de minimiser la date de fin de la dernière t\^ache de l'ensemble des
501   - t\^aches à ex\'ecuter. L'enjeu de cette optimisation est donc de trouver l'ordonnancement optimal permettant
502   - la fin d'ex\'ecution au plus tôt.
503   - \item Somme des temps d'ex\'ecution (Flowtime en anglais) : il s'agit de faire la somme des temps d'ex\'ecution de toutes les t\^aches
504   - et d'optimiser ce r\'esultat.
505   - \item Le d\'ebit : ce critère quant à lui, vise à augmenter au maximum le d\'ebit de traitement des donn\'ees.
506   - \end{itemize}
507   -
508   - En plus de cela, on peut avoir besoin de plusieurs critères d'optimisation. Il s'agit dans ce cas d'une optimisation
509   - multi-critères. Bien entendu, cela complexifie d'autant plus le problème car la solution la plus optimale pour un
510   - des critères peut être très mauvaise pour un autre critère. De ce cas, il s'agira de trouver une solution qui permet
511   - de faire le meilleur compromis entre tous les critères.
512   -
513   - \subsection{Formalisation du problème}
514   - \label{formalisation}
515   - Maintenant que nous avons donn\'e le vocabulaire li\'e à l'ordonnancement, nous allons pouvoir essayer caract\'eriser
516   - formellement notre problème. En effet, nous allons reprendre les contraintes \'enonc\'ees dans la sections \ref{def-contraintes}
517   - et nous essayerons de les formaliser le plus finement possible.
518   -
519   - Comme nous l'avons dit, une t\^ache est un bloc de traitement. Chaque t\^ache $i$ dispose d'un ensemble de paramètres
520   - que nous nommerons $\mathcal{P}_{i}$. Cet ensemble $\mathcal{P}_i$ est propre à chaque t\^ache et il variera d'une
521   - t\^ache à l'autre. Nous reviendrons plus tard sur les paramètres qui peuvent composer cet ensemble.
522   -
523   - Outre cet ensemble $\mathcal{P}_i$, chaque t\^ache dispose de paramètres communs :
524   - \begin{itemize}
525   - \item Dur\'ee de la t\^ache : Comme nous l'avons dit auparavant, dans le cadre d'un FPGA le temps est compt\'e en nombre de coup d'horloge.
526   - En outre, les blocs sont toujours sollicit\'es, certains même sont capables de lire et de renvoyer une r\'esultat à chaque coups d'horloge.
527   - Donc la dur\'ee d'une t\^ache ne peut être le laps de temps entre l'entr\'ee d'une donn\'ee et la sortie d'une autre. Nous d\'efinirons la
528   - dur\'ee comme le temps de traitement d'une donn\'ee, c'est à dire la diff\'erence de temps entre la date de sortie d'une donn\'ee
529   - et de sa date d'entr\'ee. Nous nommerons cette dur\'ee $\delta_i$. % Je devrais la nomm\'ee w comme dans la def2
530   - \item La pr\'ecision : La pr\'ecision d'une donn\'ee est le nombre de bits significatifs qu'elle compte. En effet, au fil des traitements
531   - les pr\'ecisions peuvent varier. On nomme donc la pr\'ecision d'entr\'ee d'une t\^ache $i$ comme $\pi_i^-$ et la pr\'ecision en sortie $\pi_i^+$.
532   - \item La fr\'equence du flux en entr\'ee (ou sortie) : Cette fr\'equence repr\'esente la fr\'equence des donn\'ees qui arrivent (resp. sortent).
533   - Selon les t\^aches, les fr\'equences varieront. En effet, certains blocs ralentissent le flux c'est pourquoi on distingue la fr\'equence du
534   - flux en entr\'ee et la fr\'equence en sortie. Nous nommerons donc la fr\'equence du flux en entr\'ee $f_i^-$ et la fr\'equence en sortie $f_i^+$.
535   - \item La quantit\'e de donn\'ees en entr\'ee (ou en sortie) : Il s'agit de la quantit\'e de donn\'ees que le bloc s'attend à traiter (resp.
536   - est capable de produire). Les t\^aches peuvent avoir à traiter des gros volumes de donn\'ees et n'en ressortir qu'une partie. Cette
537   - fois encore, il nous faut donc diff\'erencier l'entr\'ee et la sortie. Nous nommerons donc la quantit\'e de donn\'ees entrantes $q_i^-$
538   - et la quantit\'e de donn\'ees sortantes $q_i^+$ pour une t\^ache $i$.
539   - \item Le d\'ebit d'entr\'ee (ou de sortie) : Ce paramètre correspond au d\'ebit de donn\'ees que la t\^ache est capable de traiter ou qu'elle
540   - fournit en sortie. Il s'agit simplement de l'expression des deux pr\'ec\'edents paramètres. Nous d\'efinirons donc la d\'ebit entrant de la
541   - t\^ache $i$ comme $d_i^-\ =\ q_i^-\ *\ f_i^-$ et le d\'ebit sortant comme $d_i^+\ =\ q_i^+\ *\ f_i^+$.
542   - \item La taille de la t\^ache : La taille dans les FPGA \'etant limit\'ee, ce paramètre exprime donc la place qu'occupe la t\^ache au sein du bloc.
543   - Nous nommerons $\mathcal{A}_i$ cette taille.
544   - \item Les pr\'ed\'ecesseurs et successeurs d'une t\^ache : cela nous permet de connaître les t\^aches requises pour pouvoir traiter
545   - la t\^ache $i$ ainsi que les t\^aches qui en d\'ependent. Ces ensemble sont not\'es $\Gamma _i ^-$ et $ \Gamma _i ^+$ \\
546   - %TODO Est-ce vraiment un paramètre ?
547   - \end{itemize}
548   -
549   - Ces diff\'erents paramètres communs sont fortement li\'es aux \'el\'ements de $\mathcal{P}_i$. Voici quelques exemples de relations
550   - que nous avons identifi\'ees :
551   - \begin{itemize}
552   - \item $ \delta _i ^+ \ = \ \mathcal{F}_{\delta}(\pi_i^-,\ \pi_i^+,\ d_i^-,\ d_i^+,\ \mathcal{P}_i) $ donne le temps d'ex\'ecution
553   - de la t\^ache en fonction de la pr\'ecision voulue, du d\'ebit et des paramètres internes.
554   - \item $ \pi _i ^+ \ = \ \mathcal{F}_{p}(\pi_i^-,\ \mathcal{P}_i) $, la fonction $F_p$ donne la pr\'ecision en sortie selon la pr\'ecision de d\'epart
555   - et les paramètres internes de la t\^ache.
556   - \item $d_i^+\ =\ \mathcal{F}_d(d_i^-, \mathcal{P}_i)$, la fonction $F_d$ donne le d\'ebit sortant de la t\^ache en fonction du d\'ebit
557   - sortant et des variables internes de la t\^ache.
558   - \item $A_i^+\ =\ \mathcal{F}_A(\pi_i^-,\ \pi_i^+,\ d_i^-,\ d_i^+, \mathcal{P}_i)$
559   - \end{itemize}
560   - Pour le moment, nous ne sommes pas capables de donner une d\'efinition g\'en\'erale de ces fonctions. Mais en revanche,
561   - sur quelques exemples simples (cf. \ref{def-contraintes}), nous parvenons à donner une \'evaluation de ces fonctions.
562   -
563   - Maintenant que nous avons donn\'e toutes les notations utiles, nous allons \'enoncer des contraintes relatives à notre problème. Soit
564   - un DGA $G(V,\ E)$, on a pour toutes arêtes $(i, j)\ \in\ E$ les in\'equations suivantes :
565   -
566   - \paragraph{Contrainte de pr\'ecision :}
567   - Cette in\'equation traduit la contrainte de pr\'ecision d'une t\^ache à l'autre :
568   - \begin{align*}
569   - \pi _i ^+ \geq \pi _j ^-
570   - \end{align*}
571   -
572   - \paragraph{Contrainte de d\'ebit :}
573   - Cette in\'equation traduit la contrainte de d\'ebit d'une t\^ache à l'autre :
574   - \begin{align*}
575   - d _i ^+ = q _j ^- * (f_i + (1 / s_j) ) & \text{ où } s_j \text{ est une valeur positive de temporisation de la t\^ache}
576   - \end{align*}
577   -
578   - \paragraph{Contrainte de synchronisation :}
579   - Il s'agit de la contrainte qui impose que si à un moment du traitement, le DAG se s\'epare en plusieurs branches parallèles
580   - et qu'elles se rejoignent plus tard, la somme des latences sur chacune des branches soit la même.
581   - Plus formellement, s'il existe plusieurs chemins disjoints, partant de la t\^ache $s$ et allant à la t\^ache de $f$ alors :
582   - \begin{align*}
583   - \forall \text{ chemin } \mathcal{C}1(s, .., f),
584   - \forall \text{ chemin } \mathcal{C}2(s, .., f)
585   - \text{ tel que } \mathcal{C}1 \neq \mathcal{C}2
586   - \Rightarrow
587   - \sum _{i} ^{i \in \mathcal{C}1} \delta_i = \sum _{i} ^{i \in \mathcal{C}2} \delta_i
588   - \end{align*}
589   -
590   - \paragraph{Contrainte de place :}
591   - Cette in\'equation traduit la contrainte de place dans le FPGA. La taille max de la puce FPGA est nomm\'e $\mathcal{A}_{FPGA}$ :
592   - \begin{align*}
593   - \sum ^{\text{t\^ache } i} \mathcal{A}_i \leq \mathcal{A}_{FPGA}
594   - \end{align*}
595   -
596   - \subsection{Exemples de mod\'elisation}
597   - \label{exemples-modeles}
598   - Nous allons maintenant prendre quelques blocs de traitement simples afin d'illustrer au mieux notre modèle.
599   - Pour tous nos exemple, nous prendrons un d\'ebit en entr\'ee de 200 Mo/s avec une pr\'ecision de 16 bit.
600   -
601   - Prenons tout d'abord l'exemple d'un bloc de d\'ecimation. Le but de ce bloc est de ralentir le flux en ne gardant
602   - que certaines donn\'ees à intervalle r\'egulier. Cet intervalle est appel\'e le facteur de d\'ecimation, on le notera $N$.
603   -
604   - Donc d'après notre mod\'elisation :
605   - \begin{itemize}
606   - \item $N \in \mathcal{P}_i$
607   - %TODO N ou 1 ?
608   - \item $\delta _i = N\ c.h.$ (coup d'horloge)
609   - \item $\pi _i ^+ = \pi _i ^- = 16 bits$
610   - \item $f _i ^+ = f _i ^-$
611   - \item $q _i ^+ = q _i ^- / N$
612   - \item $d _i ^+ = q _i ^- / N / f _i ^-$
613   - \item $\Gamma _i ^+ = \Gamma _i ^- = 1$\\
614   - %TODO Je ne sais pas trouver la taille...
615   - \end{itemize}
616   -
617   - Un autre exemple int\'eressant que l'on peut donner, c'est le cas des spliters. Il s'agit la aussi d'un bloc très
618   - simple qui permet de dupliquer un flux. On peut donc donner un nombre de sorties à cr\'eer, on note ce paramètre
619   - %TODO pas très inspir\'e...
620   - $X$. Voici ce que donne notre mod\'elisation :
621   - \begin{itemize}
622   - \item $X \in \mathcal{P}_i$
623   - \item $\delta _i = 1\ c.h.$
624   - \item $\pi _i ^+ = \pi _i ^- = 16 bits$
625   - \item $f _i ^+ = f _i ^-$
626   - \item $q _i ^+ = q _i ^-$
627   - \item $d _i ^+ = d _i ^-$
628   - \item $\Gamma _i ^- = 1$
629   - \item $\Gamma _i ^+ = X$\\
630   - \end{itemize}
631   -
632   - L'exemple suivant traite du cas du shifter. Il s'agit d'un bloc qui a pour but de diminuer le nombre de bits des
633   - donn\'ees afin d'acc\'el\'erer les traitement sur les blocs suivants. On peut donc donner le nombre de bits à shifter,
634   - on note ce paramètre $S$. Voici ce que donne notre mod\'elisation :
635   - \begin{itemize}
636   - \item $S \in \mathcal{P}_i$
637   - \item $\delta _i = 1\ c.h.$
638   - \item $\pi _i ^+ = \pi _i ^- - S$
639   - \item $f _i ^+ = f _i ^-$
640   - \item $q _i ^+ = q _i ^-$
641   - \item $d _i ^+ = d _i ^-$
642   - \item $\Gamma _i ^+ = \Gamma _i ^- = 1$\\
643   - \end{itemize}
644   -
645   - Nous allons traiter un dernier exemple un peu plus complexe, le cas d'un filtre d\'ecimateur (ou FIR). Ce bloc
646   - est compos\'e de beaucoup de paramètres internes. On peut d\'efinir un nombre d'\'etages $E$, qui repr\'esente le nombre
647   - d'it\'erations à faire avant d'arrêter le traitement. Afin d'effectuer son filtrage, on doit donner au bloc un ensemble
648   - de coefficients $C$ et par cons\'equent ces coefficients ont leur propre pr\'ecision $\pi _C$. Pour finir, le dernier
649   - paramètre à donner est le facteur de d\'ecimation $N$. Si on applique notre mod\'elisation, on peut obtenir cela :
650   - \begin{itemize}
651   - \item $E \in \mathcal{P}_i$
652   - \item $C \in \mathcal{P}_i$
653   - \item $\pi _C \in \mathcal{P}_i$
654   - \item $N \in \mathcal{P}_i$
655   - \item $\delta _i = E * |C| * q_i^-\ c.h.$ %Trop simpliste
656   - \item $\pi _i ^+ = \pi _i ^- * \pi _C$
657   - \item $f _i ^+ = f _i ^-$
658   - \item $q _i ^+ = q _i ^- / N$
659   - \item $d _i ^+ = q _i ^- / N / f _i ^-$
660   - \item $\Gamma _i ^+ = \Gamma _i ^- = 1$\\
661   - \end{itemize}
662   -
663   - Ces exemples ne sont que des modèles provisoires; pour s'assurer de leur performance, il faudra les
664   - confronter à des simulations.
665   -
666   -
667   -Bien que les articles sur les skeletons, \cite{gwen-cogen}, \cite{skeleton} et \cite{hide}, nous aient donn\'e des indices sur une possible
668   - mod\'elisation, ils \'etaient encore trop focalis\'es sur l'optimisation spatiale des blocs. Nous nous sommes donc inspir\'es de ces travaux
669   - pour proposer notre modèle, en faisant abstraction des optimisations bas niveau.
ifcs2018_journal.tex
  1 +% fusionner max rejection a surface donnee v.s minimiser surface a rejection donnee
  2 +% demontrer comment la quantification rejette du bruit vers les hautes frequences => 6 dB de
  3 +% rejection par bit et perte si moins de bits que rejection/6
  4 +% developper programme lineaire en incluant le decalage de bits
  5 +% insister que avant on etait synthetisable mais pas implementable, alors que maintenant on
  6 +% implemente et on demontre que ca tourne
  7 +% gwen : pourquoi le FIR est desormais implementable et ne l'etait pas meme sur zedboard->new FIR ?
  8 +% Gwen : peut-on faire un vrai banc de bruit de phase avec ce FIR, ie ajouter ADC, NCO et mixer
  9 +% (zedboard ou redpit)
  10 +
  11 +% ajouter pyramide "juste"
  12 +% label schema : verifier que "argumenter de la cascade de FIR" est fait
  13 +
1 14 \documentclass[a4paper,conference]{IEEEtran/IEEEtran}
2 15 \usepackage{graphicx,color,hyperref}
3 16 \usepackage{amsfonts}