迄今為止,為迭代碼糾錯的最有效方法是采用相當耗電的數字A/D轉換器和硬件乘法器來解碼無線信號。但數字解碼器的功耗為毫瓦級,而模擬解碼器只需微瓦級功耗就能實現最低程度的噪音干擾和數據損失。

Alberta大學的研究人員已經找到一種以模擬方式解碼無線信號的方法,其功耗遠低于數字A/D轉換器。“在我們的一款測試芯片中,當執行相同功能時,模擬解碼器的功耗比數字解碼器要低100倍(解碼一比特功耗只有40皮焦)。在另一個字區大小為256位的芯片中,它們的裸片面積最多只有數字器件的十分之一。”Alberta大學電子工程系的David Nguyen介紹道。

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

自1993年以來,Turbo一直號稱是最佳的通信代碼,它能夠在一個信道內包含更多的信息,而不是一位接一位地傳輸比特流。事實上,Turbo代碼依賴于能夠根據消息的內容壓縮信息的算法。迭代碼改進了Turbo代碼,它發送在相同誤碼率下要求較低信噪比的概率矩陣,從而更接近香農極限,即理論上一個通信信道內可實現的最大信息傳輸率。

圖:在這張裸片照片中,
模擬解碼器的占位面積只有數
字器件的十分之一。

“我們的芯片是目前世界上最高效的模擬解碼器芯片,因為我們使晶體管在其閾值以下工作,用漏電流來處理信號,”Nguyen表示,“我們先以模擬方式解碼,然后通過一個簡單的比較器電路對解碼的結果進行數字編碼。”

Nguyen和電子工程系教授Vincent Gaudet、Christian Schlegel及研究生Chris Winstead共同設計了該芯片。全部工作都是在 Alberta大學的高能數字通信實驗室完成的。

為了處理由天線接收的迭代碼,數字解碼器首先要通過一個快速A/D轉換器,然后一排乘法器以硬件方式執行矩陣乘法。某些數字解碼器會變換到對數域以簡化電路,但這仍然需要大量的加法器,而加法器與A/D轉換器一道將消耗毫瓦級的功率。

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

研究人員表示,模擬解碼器的低功耗需求不僅使蜂窩電話可以用一次性AAA電池來供電,而且還有望使此前無法生產的醫療和診斷設備成為現實。例如,采用新型模擬解碼器實現的植入式健康監測器和自動供藥系統幾乎不會產生熱量,并且可以通過皮膚進行無線控制。

作者:羅克鈴