Circuits de traitement de signal numérique en temps continu ultra-faible consommation en technologie 28nm FDSOI pour applications audio

Ultra-low power continuous time digital signal processing circuits in 28nm FDSOI technology for audio applications

• Auteur / Autrice : Ángel de Dios González Santos
• Direction : Andreas Kaiser, Antoine Frappé, Philippe Cathelin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microélectronique, nanoélectronique et micro-ondes
• Date : Soutenance le 29/09/2020
• Etablissement(s) : Université de Lille (2018-2021)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : STMicroelectronics - Institut d'Electronique, de Microélectronique et de Nanotechnologie

Mots clés

Mots clés contrôlés

Reconnaissance automatique de la parole

Circuits intégrés à faible consommation

Lignes à retard

Détection du signal

Mots clés libres

Traitement de signal en temps continu

Détection vocale

Feature extraction system

Résumé

L’objectif de ce travail c’est l’étude et développement d’un système d’extraction des caractéristiques en utilisant techniques de traitement de signal en temps continu, afin de mitiger les inconvénients des implémentations existants basées en techniques analogiques et numériques conventionnelles, d’un système toujours en veille pour l’Internet des Objets. La cible est l’extraction du contenu spectral d’un signal audio en utilisant une nouvelle architecture basée en une cascade configurable de filtres à réponse impulsionnelle fini en temps continu. Un schéma efficace pour cascader des filtres est obtenu grâce aux techniques proposées pour l’élimination des glitches et du codage delta. Par ailleurs, ce travail introduit une fonction en temps continu pour estimer la puissance instantanée dans des bandes de fréquences sélectionnées et construire un spectrogramme à la sortie. Le système proposé à 12-bandes fréquentielles a été validée par des simulations comportementales. L’élément clé pour l’implémentation de ce système est un élément de délai numérique. Un nouveau élément de retard a été conçu et fabriquée en technologie 28 nm FDSOI et atteints une plage de délai record entre 30 ns et 97 µs avec une consommation de puissance de 15fJ/événement. En extrapolant ce résultat, le système proposé atteints une consommation approximée de 2.85 µW lors du traitement d’un signal vocal produit par une femme, tandis que la consommation statique est autours de 100 nW dans les périodes où il n’y a pas d’activité. Donc, la performance en termes de consommation moyenne d’énergie de ce système surpasse celle des implémentations dans l’état de l’art.

The focus of this work is the study and development of a feature extraction system using Continuous-Time Digital Signal Processing (CT DSP) techniques, to mitigate the drawbacks of existing implementations based on traditional analog and digital solutions of always-on monitoring sensors for the Internet of Things (IoT). The target is to extract the spectral content of an audio signal using a novel architecture based on a cascade of configurable CT DSP Finite Impulse Response (FIR) filters. An efficient cascade scheme is enabled by the proposed glitch elimination and delta encoding techniques. Additionally, this work introduces a CT function to estimate the instantaneous power within selected frequency bands to build an output spectrogram. The proposed 12-band system has been validated using behavioral simulations. The key element for the implementation of this system is the digital delay element. A new delay element has been designed and fabricated in 28nm FDSOI technology and achieves a record tuning range from 30 ns to 97 µs with a power consumption of 15 fJ/event. By extrapolating this result, the system would have an overall peak power consumption of 2.85 µW when processing typical female speech, while consuming approximately 100 nW when no events are generated. Thus, the average system power consumption outperforms state-of-the-art feature extraction circuits.