[論文レビュー] Unlimited Dynamic Range Analog-to-Digital Conversion

Adithya Krishna, Sunil Rudresh+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2019

Analog and Mixed-Signal Circuit Design参考文献 20被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、高振幅信号を量子化器の動的範囲に折り返すことでクリッピングを防ぐためにモジュロサンプリングを用いる無制限動的範囲アナログ・デジタルコンバーター（UDR-ADC）を提案する。自己リセット機構と新規の再構成アルゴリズムを活用することで、特に高い動的範囲を要する状況下でも、従来のADCと比較して信号対量子化ノイズ比（SQNR）、面積、パワー効率の面で優れた性能を達成する。

ABSTRACT

Analog-to-digital converters (ADCs) provide the link between continuous-time signals and their discrete-time counterparts, and the Shannon-Nyquist sampling theorem provides the mathematical foundation. Real-world signals have a variable amplitude range, whereas ADCs, by design, have a limited input dynamic range, which results in out-of-range signals getting clipped. In this paper, we propose an unlimited dynamic range ADC (UDR-ADC) that is based on the modulo operation (self-reset feature) to alleviate the problem of clipping. The self-reset feature allows for wrapping of the input amplitudes, which preserves the input dynamic range. We present the signal model and a reconstruction technique to recover the original signal samples from the modulo measurements. We validate the operation of the proposed ADC using circuit simulations in 65 nm complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) process technology. The validation is supplemented by a hardware prototype designed using discrete components. A performance assessment in terms of area, power requirement, and the signal-to-quantization-noise ratio (SQNR) shows that the UDR-ADC outperforms the standard ones.

研究の動機と目的

• 従来のADCの根本的限界、すなわち動的範囲を超える信号がクリッピングされ、元に戻らない歪みを生じることを解決する。
• 画像処理やセンシングなどの高動的範囲応用において、信号クリッピングが引き起こす性能ボトルネックを克服する。
• 自己リセット機構を用いて、弱い入力振幅から強い入力振幅まで信号の完全性を保持するADCアーキテクチャを開発する。
• さまざまな信号電力レベルにおいて高いSQNRを維持しながら、エネルギー効率と面積スケーラビリティを向上させる。
• CMOS技術および離散部品プロトタイプを用いた高動的範囲ADCの実用的実装を可能にする。

提案手法

• 入力信号を量子化器の動的範囲に折り返すために、$ y(nT) = \mathcal{M}_{V_{\text{ref}}}\{x(nT)\} = \text{mod}(x(nT) + V_{\text{ref}}, 2V_{\text{ref}}) - V_{\text{ref}} $ で定義されるモジュロサンプリングを実装する。
• 入力が $ \pm V_{\text{ref}} $ を超えると発動する自己リセット機能を用い、飽和を回避して継続的な信号追跡を可能にする。
• 折り返し回数（正または負のリセット）を1サンプルあたり2ビットのみで符号化し、サイド情報のオーバーヘッドを最小限に抑える。
• 折り返し履歴に基づいて真の振幅を推定する専用の信号回復アルゴリズムを用いて、元の信号を再構成する。
• 65 nm CMOSプロセスを用いてUDR-ADCを設計・シミュレーションし、離散部品プロトタイプを用いて性能を検証する。
• さまざまな入力分布下での性能を評価するための主要指標（信号対量子化ノイズ比（SQNR）、消費電力、面積消費）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モジュロサンプリングは、信号振幅の事前知識がなくても、ADCにおける信号クリッピングを効果的に解消できるか？
• RQ2 提案されたUDR-ADCアーキテクチャは、標準ADCと比較して、広範な入力信号電力範囲において高いSQNRをどのように維持するか？
• RQ3 信号分布（ガウス分布、ラプラス分布）がUDR-ADCおよび標準ADCのSQNR性能に与える影響は何か？
• RQ4 提案された折り返しと再構成メカニズムは、無制限動的範囲を実現しながら、低面積および低消費電力で実現可能か？
• RQ5 2ビットによる折り返し状態の符号化は、従来手法と比較してサイド情報のオーバーヘッドとシステムの複雑さの点でどのように優れているか？

主な発見

• UDR-ADCは、モジュロサンプリングにより高振幅信号を量子化器の範囲に折り返すことで、クリッピングを完全に排除し、無制限動的範囲を達成する。
• ガウス分布入力の場合、標準ADCの動的範囲を超える入力電力下で、UDR-ADCのSQNRは著しく高い。
• ラプラス分布入力の場合、UDR-ADCは入力電力が増加するに従い、有利にSQNRが向上し、過負荷歪みは信号ヘッドルームに応じて指数関数的に減少する。
• 65 nm CMOSにおける回路シミュレーションでは、高入力振幅下で標準ADCと比較して、UDR-ADCはSQNRで3.5 dBの向上を達成し、消費電力は20％低減した。
• ハードウェアプロトタイプは、設計の実現可能性を確認し、最小限の面積オーバーヘッドで複数の折り返しサイクルにわたり正確な信号再構成を実現した。
• 提案手法は、事前研究のピクセル単位のリセットカウントと比較して、1サンプルあたり2ビットのサイド情報オーバーヘッドにまで低減した。