3.3 Verarbeitungseinheiten
157
SNR (in dB = Dezibel) = 10 ∗ log
Leistung des Nutzsignals
Leistung des Rauschsignals
(3.11)
= 20 ∗ log
Spannung des Nutzsignals
Spannung des Rauschsignals
(3.12)
In diesem Fall haben wir ausgenutzt, dass die Energie eines Signals für jede beliebige
Impedanz R gleich dem Quadrat der Spannung ist. Dezibel ist keine physikalische
Einheit, da der Signal-Rausch-Abstand dimensionslos ist.
Für jedes Signal h(t) beträgt die Energie des Quantisierungsrauschens α · Q,
wobei α ≤ 1 von der Wellenform von h(t) abhängt. Wenn h(t) stets exakt durch
einen digitalen Wert wiedergegeben werden kann, beträgt der Wert α = 0. Wenn
h(t) andererseits immer „ein wenig” unterhalb des nächsten darstellbaren Wertes
liegt, kann α nahe an 1 liegen.
Beispiel 3.4: Der Signal-Rausch-Abstand von 16-Bit CD-Audio (mit α ≈ 1) liegt
in der Größenordnung von: 20 ∗ log(2 16 ) = 96 dB. Für qualitativ hochwertige 24Bit CDs beträgt der Signal-Rausch-Abstand rund 144 dB. Werte von α < 1 und
Fertigungstoleranzen von A/D-Wandlern können diese Werte allerdings noch beeinflussen.
∇
3.3 Verarbeitungseinheiten
In diesem Abschnitt betrachten wir das nächste Element in der Regelschleife nach
Abb. 3.2, nämlich Verarbeitungseinheiten. Für die Datenverarbeitung in eingebetteten Systemen betrachten wir anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (engl.
Application-Specific Integrated Circuit (ASICs)), rekonfigurierbare Logik und verschiedene Typen von programmierbaren Prozessoren. Wir starten mit ASICs.
3.3.1 Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise
Für Hochleistungsanwendungen und große Stückzahlen kann es sich lohnen, dass
eine anwendungsspezifische Schaltung entworfen wird. Allgemein sind ASICs sehr
energieeffizient (siehe Unterabschnitt 3.7.3 auf Seite 211). Allerdings fallen hohe
Kosten für den Entwurf und die Fertigung solcher Chips an. Die Kosten für einen
Satz von Masken, mit denen die geometrischen Muster auf den Chip übertragen
werden, sind mit zunehmender Miniaturisierung stark gestiegen7.
Allerdings kann man diese Kosten durch die Verwendung weniger fortgeschrittener Fabrikationstechnologie und durch die Nutzung von Multi-Projekt-Wafern
(MPW), die mehrere Schaltkreise enthalten, senken. Der Einsatz von ASICs leidet
7 2017 lagen die durchschnittlichen Kosten gemäß http://anysilicon.com/semiconductor-wafermask-costs/ für eine fortgeschrittene 28 nm-Technologie bei etwa 1,5M $.
157
SNR (in dB = Dezibel) = 10 ∗ log
Leistung des Nutzsignals
Leistung des Rauschsignals
(3.11)
= 20 ∗ log
Spannung des Nutzsignals
Spannung des Rauschsignals
(3.12)
In diesem Fall haben wir ausgenutzt, dass die Energie eines Signals für jede beliebige
Impedanz R gleich dem Quadrat der Spannung ist. Dezibel ist keine physikalische
Einheit, da der Signal-Rausch-Abstand dimensionslos ist.
Für jedes Signal h(t) beträgt die Energie des Quantisierungsrauschens α · Q,
wobei α ≤ 1 von der Wellenform von h(t) abhängt. Wenn h(t) stets exakt durch
einen digitalen Wert wiedergegeben werden kann, beträgt der Wert α = 0. Wenn
h(t) andererseits immer „ein wenig” unterhalb des nächsten darstellbaren Wertes
liegt, kann α nahe an 1 liegen.
Beispiel 3.4: Der Signal-Rausch-Abstand von 16-Bit CD-Audio (mit α ≈ 1) liegt
in der Größenordnung von: 20 ∗ log(2 16 ) = 96 dB. Für qualitativ hochwertige 24Bit CDs beträgt der Signal-Rausch-Abstand rund 144 dB. Werte von α < 1 und
Fertigungstoleranzen von A/D-Wandlern können diese Werte allerdings noch beeinflussen.
∇
3.3 Verarbeitungseinheiten
In diesem Abschnitt betrachten wir das nächste Element in der Regelschleife nach
Abb. 3.2, nämlich Verarbeitungseinheiten. Für die Datenverarbeitung in eingebetteten Systemen betrachten wir anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (engl.
Application-Specific Integrated Circuit (ASICs)), rekonfigurierbare Logik und verschiedene Typen von programmierbaren Prozessoren. Wir starten mit ASICs.
3.3.1 Anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise
Für Hochleistungsanwendungen und große Stückzahlen kann es sich lohnen, dass
eine anwendungsspezifische Schaltung entworfen wird. Allgemein sind ASICs sehr
energieeffizient (siehe Unterabschnitt 3.7.3 auf Seite 211). Allerdings fallen hohe
Kosten für den Entwurf und die Fertigung solcher Chips an. Die Kosten für einen
Satz von Masken, mit denen die geometrischen Muster auf den Chip übertragen
werden, sind mit zunehmender Miniaturisierung stark gestiegen7.
Allerdings kann man diese Kosten durch die Verwendung weniger fortgeschrittener Fabrikationstechnologie und durch die Nutzung von Multi-Projekt-Wafern
(MPW), die mehrere Schaltkreise enthalten, senken. Der Einsatz von ASICs leidet
7 2017 lagen die durchschnittlichen Kosten gemäß http://anysilicon.com/semiconductor-wafermask-costs/ für eine fortgeschrittene 28 nm-Technologie bei etwa 1,5M $.