وبلاگ

صنعت ساخت قطعات الكترونیك پیشرفتهای قابل توجهی از نظر سرعت و قابلیت عملكرد و هزینه داشته است این نتایج ناشی از كوچك نمودن ابعاد ترانزیستور بوده است. ولی در عین حال مشكلات زیادی در كاهش مستمر ابعاد ترانزیستور بوجود می آید. برخی از این آثار عبارتند از اثرات كانال كوتاه DIBL، پیچش ولتاژ آستانه. این آثار موجب اختلال در عملكرد ترانزیستور می شوند. بنابراین فهم محدودیتهای تغییر مقیاس و راههای كاهش اثرات كانال كوتاه برای ما اهمیت دارد.
فصل اول
بررسی تاثیر تغییر مقیاس بر عملكرد ترانزیستور و نحوه آلایش در بخش های مختلف ترانزیستورهای تغییر مقیاس یافته
1-1- تغییر مقیاس ترانزیستور و قانون مور
طی سه دهه گذشته، صنعت الكترونیك پیشرفتهای جالب توجهی داشته است. حداكثر سرعت پالس ساعت پردازش مركزی (cpu) از 100 كیلوهرتز در سال 1971 به بیش از 1/4 گیگاهرتز در سال 2000 افزایش یافته است. یعنی مقدار آن 10 برابر شده است. طی همین مدت، هزینه كامپیوترها با افزایش تعداد كامپیوترهای شخصی كاهش یافته است. بهبودهای قابل ملاحظه ای در نسبت قیمت/ عملكرد داشته ایم كه در تاریخ تولید بشر بی سابقه بوده است. این نتایج ناشی از موفقیت در صنعت نیمه هادیها در كوچك كردن ابعاد ترانزیستور بوده است.
طول گیت ترانزیستور از 10 میكرومتر در سال 1971 به 0/8 میكرومتر در سال 2000 كاهش یافته است. این امر موجب افزایش سرعت پالس ساعت (با كاهش مسیر سیگنال) و همخوانی با قانون مور (كه میگوید تعداد ترانزیستورها در یك مدار یكپارچه هر 18 ماه دوبرابر میشود) شده است. این امر نه تنها موجب بهبود عملكرد تراشه میشود بلكه موجب كاهش میزان ساخت سیلیكون مصرفی و كاهش هزینه تولید میگردد كه آنهم به نوبه خود از تغییر مقیاس MOS ناشی می شود.

در عین حال، چالش های زیادی برای كاهش مستمر ابعاد ترانزیستور وجود دارد. مثلا افزایش میدان الكتریكی و شكست سوراخی و اثر DIBL و غیره از جمله مشكلاتی است كه با تغییر مقیاس ایجاد میشود. این بدان معنا است كه فقط تغییر مقیاس ترانزیستور برای بهبود عملكرد ترانزیستور كافی نیست. فهم محدودیت های تغییر مقیاس و نحوة ارتباط آنها به پارامترهای مختلف ترانزیستور در طراحی

 ترانزیستورهای نسلهای بعدی اهمیت دارد.

2-1- روش تحقیق
انجام آزمایشهای فیزیكی در مورد آلایش مستلزم بررسی آلایش چندبعدی و لذا كار دشواری است، همچنین اندازه گیری دقیق پارامترهای ترانزیستورهای ساخته شده، و تعیین میزان دقیق تاثیر آلایش بستر بر عملكرد كاری دشوار و مستلزم ساخت ترانزیستور به صورت آزمایشگاهی است. شكل 1-1 شمائی از روش بكار رفته در تحقیقات را نشان می دهد.
به جای آزمایش فیزیكی، شبیه سازیهای TCAD مورد استفاده قرار می گیرد. برای تعداد زیادی از طراحی ترانزیستورهای شبیه سازی شده، مولفه های مقاومتی، فیزیكی، ولتاژ آستانه و خصوصیات Ion-Ioff برای هر ترانزیستور استخراج شده و مقایسه می شود و از آنجا حدود تغییر مقیاس با توجه به آلایش بستر تعیین می شود.
چند نكته در اینجا قابل ذكر است. نخست آنكه استفاده از شبیه سازی های TCAD مزایای بسیاری دارد. به گونه ای كه پیش بینی نسبتا دقیقی از آلایش بستر و پروفیل آلایش ترانزیستورهای شبیه سازی شده را قبل از آنكه ساخته شود ممكن می سازد. بعلاوه امكان آنرا بوجود می آورد كه عملكرد بسیاری از ترانزیستورها را با هم مقایسه كنیم. تطبیق نتایج حاصله با نتایج تجربی باعث صرفه جویی زیادی در هزینه و زمان طراحی می شود. بعلاوه این روش شبیه سازی امكان بررسی كمیت های داخلی ترانزیستور را كه امكان آزمایش آنها عملا وجود ندارد فراهم می آورد.
همچنین میدانیم یكی از جنبه مهم در طراحی هر ترانزیستور معیارهای مورد استفاده برای مقایسه ترانزیستورهای مختلف است. چند معیار متداول مثل ولتاژ آستانه و منحنی های Ion-Ioff باهم مقایسه می شوند.
همچنین تاثیر مدلهای قابلیت حركت مورد بررسی قرار می گیرند. در این فصل با فرض آنكه آلایش كانال ترانزیستورها یكنواخت است و نیز اینكه آلایش سورس / درین را میتوان به صورت ساده با تابع نمائی در جهات افقی و عمودی تعریف كرد، كار را شروع می كنیم. این مفروضات را مجدداً در بخشهای بعدی مورد مطالعه قرار می دهیم. این روش به ما كمك می كند كه تاثیر جنبه های مختلف طراحی ترانزیستور بر رفتار آنرا حذف كنیم و به فهم درستی ازمطالعه تاثیر آلایش بستر برسیم.

طیف فرکانسی رادیویی همواره به عنوان یک منبع حیاتی باارزش برای مخابرات رادیویی مورد توجه بوده داشته و استفاده بهینه از آن به یکی از موضوعات اساسی در مخابرات رادیویی بدل گشته است. در هر سطح از تکنولوژی تنها بخش محدودی از این طیف فرکانس قابل استفاده است. اگرچه پیشرفت های تکنولوژی بازه قابل استفاده از این طیف را هر روز گسترش می دهد اما خواص انتشاری امواج رادیویی موجب شده است تا برای هر کاربرد برخی از باندهای فرکانس مناسب تر و بنابراین ارزشمندتر از سایر باندها باشند. با رشد روزافزون سیستم های مخابراتی و فراگیر شدن سرویس های جدید نظیر مخابرات انفرادی و مخابرات سیار سلولی، تقاضا برای طیف فرکانس رادیویی به شدت افزایش یافته است. با این وجود مدیریت استفاده بهینه از طیف فرکانس به علت حضور تکنولوژی های مختلف و سرویس های متفاوت، بسیار دشوار است. در گذشته این عمل با اختصاص دادن طیف فرکانس به هر سرویس انجام می گرفت، مثلا باندهای مختلف فرکانسی برای کاربردهای سخن پراکنی، رادیو آماتوری، مخابرات ماهواره ای، مخابرات سیار و غیره اختصاص داده می شد که هنوز این روش ادامه دارد. اما روش دیگری برای حل این مشکل مطرح شده است که متکی به ویژگی های دسترسی چندگانه تقسیم کد می باشد که باند فرکانسی را بدون تداخل قابل ملاحظه ای به اشتراک می گذارد. این روش تکنیک طیف گسترده نامیده می شود.
1-1- تاریخچه

ایده های اولیه تکنیک طیف گسترده به سال 1935 میلادی باز می گردد که دو مهندس آلمانی از شرکت Telefunken به نام های پل کوتووسکی و کورت دانل برای ثبت روشی اقدام کردند که سیگنال صحبت را از طریق ادغام با یک سیگنال نویز مانند که توسط یک مولد چرخشی ایجاد می شد، پنهان می ساخت. گیرنده نیز مولد چرخشی دیگری بود که با فرستنده هماهنگ بوده و از آن برای بازسازی سیگنال صحبت استفاده می شد. در خلال جنگ جهانی دوم، استفاده از امواج رادیویی برای هدایت موشک ها و اژدرها فزونی یافت ولی مشکل اصلی از آنجا ناشی می شد که این امواج به سادگی توسط دشمن قابل شناسایی بود و با ایجاد تداخل عمدی کارایی خود را از دست می داد. این مسئله موجب شد که در ماه اوت 1942 هدی لامار و جرج آنتیل روشی را به ثبت رساندند که آن را «سیستم مخابرات سری» نامیدند. در

 این سیستم، فرکانس حامل بین فرستنده و گیرنده بر طبق یک الگوی تصادفی ولی از پیش تعیین شده تغییر می کرد و بنابراین امکان شناسایی و ایجاد تداخل را از دشمن می گرفت. در هرحال همزمانی بین فرستنده و گیرنده مشکلات بسیاری ایجاد می کرد که موجب شد تا از این روش در طول جنگ استفاده نگردد.

پس از آن، در دهه پنجاه همراه با پیشرفت های الکترونیک، گروه سیستم های الکترونیکی سیلوانیا براساس ایده سیستم مخابرات سری آزمایش هایی را به انجام رساند که از نتایج آن در بحران موشکی کوبا در سال 1962 استفاده گردید. تنها در اوایل دهه 60 بود که نام «طیف گسترده» وارد ادبیات سیستم های مخابراتی گردید ولی همچنان آزمایش ها و فعالیت های تحقیقاتی در این زمینه محرمانه و برای کاربردهای نظامی بود و تنها چند مرکز تحقیقاتی و دانشگاهی در آن زمینه فعالیت داشتند که مهمترین تحقیقات در دانشگاه MIT و آزمایشگاه لینکلن وابسته به آن تحت عنوان پروژه (Nomac) به انجام رسید.
در اواسط دهه 80، ارتش آمریکا تکنولوژی طیف گسترده را غیرنظامی اعلام کرد و این موجب شد تا استفاده از طیف گسترده در کاربردهای تجاری و مدنی نیز جای خود را باز کند. در مدتی کمتر از 20 سال رشد این تکنولوژی چنان گسترده شد که هم اکنون استفاده از طیف گسترده برای نسل سوم مخابرات سیار سلولی مورد توافق همگان قرار گرفته است.

:
در دنیای امروز با گسترش روزافزون دنیای دیجیتال باید به دنبال پلی برای ایجاد ارتباط بین دنیای آنالوگ و دیجیتال باشیم. این پل از طریق مبدل های آنالوگ به دیجیتال ساخته می شود. تکنیک های بسیاری برای طراحی مبدل های آنالوگ به دیجیتال وجود دارند که هرکدام از این تکنیک ها دارای امتیازات و محدودیت هایی هستند. در اینجا به معرفی برخی از این تکنیک ها در طراحی مدارات مبدل آنالوگ به دیجیتال پرداخته شده است.

هرکدام از این تکنیک ها ملزومات مداری مربوط به خود را دارد. در بعضی از این تکنیک ها دقت بیشتر مورد نظر بوده و در بعضی دیگر سرعت و در بعضی مواقع هزینه و قیمت بیشترین نقش را دارد. ذکر این نکته ضروری است که قبل از طراحی یک مبدل آنالوگ به دیجیتال باید دانشی کلی در باب انواع تکنیک های موجود داشت، تا با توجه به مزایا و محدودیت های این تکنیک ها و همین طور خصوصیات مبدل آنالوگ به دیجیتال، روشی برگزیده شود که بالاترین بازدهی را داشته باشد. همچنین برای رسیدن به بالاترین کارایی می توان از ترکیب این روش ها نیز استفاده کرد.

در تقسیم بندی انواع مبدل های آنالوگ به دیجیتال، آنها را به دو قسم یک مرحله ای و دو مرحله ای تقسیم می کند. این مجموعه بر مبنای این تقسیم بندی نبوده و انواع ساختارهای مختلف به طور مستقل مورد بررسی و تحلیل قرار گرفته است.
فصل اول: انواع ساختارهای با اهمیت مبدل های آنالوگ به دیجیتال
1-1) ساختار موازی Parallel encoder
در این تکنیک سیگنال ولتاژ ورودی به صورت همزمان به ورودی همه مقایسه گرها داده می شود و ورودی دیگر این مقایسه گرها به ولتاژی که از طریق ولتاژ مرجع و با تقسیم مقاومتی ایجاد می شود داده می شود. خروجی مقایسه گرها به یک encoder داده می شود تا کد دیجیتال خروجی که متناسب با سیگنال آنالوگ ورودی است را ایجاد کند. شکل 1-1 زیر شماتیک مداری پایه برای این تکنیک است.
شکل 1-2 دیاگرام شماتیک خروجی و ورودی مدار برحسب زمان است.
البته باید توجه داشت که در مدار شماتیک بالا باید از encoder دارای اولویت استفاده کرد که اگر خروجی مقایسه گری که ارزش بالاتری دارد به اشباع بالا رفت، از بقیه ورودی های خود که در اشباع بالا هستند و دارای ارزش کمتری هستند چشم پوشی کند، از اینرو مدار آن پیچیده تر می شود. برای رفع این مشکل می توان از or انحصاری در خروجی مقایسه گرها استفاده کرد. (شکل 1-3)

امروزه در عصر ارتباطات و گسترش روزافزون استفاده از شبكه های تلفن ،موبایل و اینترنت در جهان ومحدودیت پهنای باند در شبكه های مخابراتی، كدینگ و فشرده سازی صحبت امری اجتناب ناپذیر است. در چند دهه اخیر روشهای كدینگ مختلفی پدید آمده اند ولی بهترین و پركاربردترین آنها كدك های آنالیزباسنتز هستند كه توسط Atal & Remede در سال 1982 معرفی شدند [2]. اخیرا مناسبترین الگوریتم برای كدینگ صحبت با كیفیت خوب در نرخ بیت های پائین و زیر 16 kbps، روش پیشگویی خطی باتحریك كد (CELP) می باشد كه در سال 1985 توسط Schroeder & Atal معرفی شد [8] و تا كنون چندین استاندارد مهم كدینگ صحبت بر اساس CELP تعریف شده اند.
در سال 1988 CCITT برنامه ای برای استانداردسازی یك كدك 16 kbps با تاخیراندك و كیفیت بالا در برابر خطاهای كانال آغاز نمود و برای آن كاربردهای زیادی همچون شبكه PSTN ،ISDN، تلفن تصویری و غیره در نظر گرفت. این كدك در سال 1992 توسط Chen et al. تحت عنوان LD-CELP معرفی شد [6] و بصورت استاندارد G.728 در آمد [9] و در سال 1994 مشخصات ممیز ثابت این كدك توسط ITU ارائه شد[10] . با توجه به كیفیت بالای این كدك كه در آن صحبت سنتز شده از صحبت اولیه تقریبا غیرقابل تشخیص است و كاربردهای آن در شبكه های تلفن و اینترنت و ماهواره ای در این گزارش به پیاده سازی این كدك می پردازیم.
در فصل اول به معرفی وآنالیز سیگنال صحبت پرداخته می شود و در فصل دوم روش ها و استانداردهای كدینگ بیان می شوند. در فصل سوم كدك LD-CELP را بیشتر بررسی می كنیم و در فصل چهارم شبیه سازی ممیز ثابت الگوریتم به زبان C را بیان می نمائیم. و در

 پایان در فصل 5 به نحوه پیاده سازی بلادرنگ كدكG.728 بر روی پردازنده TMS320C5402 می پردازیم.

فصل اول
بررسی و مدل سازی سیگنال صحبت
1-1- معرفی سیگنال صحبت
صحبت در اثر دمیدن هوا از ریه ها به سمت حنجره و فضای دهان تولید می‏شود. در طول این مسیر در انتهای حنجره، تارهای صوتی قرار دارند. فضای دهان را از بعد از تارهای صوتی، لوله صوتی می‏نا مند كه در یك مرد متوسط حدود cm 17 طول دارد . در تولید برخی اصوات تارهای صوتی كاملاً باز هستند و مانعی بر سر راه عبور هوا ایجاد نمی‏كنند كه این اصوات را اصطلاحاً اصوات بی واك می‏نامند. در دسته دیگر اصوات ، تارهای صوتی مانع خروج طبیعی هوا از حنجره می‏گردند كه این باعث به ارتعاش درآمدن تارها شده و هوا به طور غیر یكنواخت و تقریباً پالس شكل وارد فضای دهان می‏شود. این دسته از اصوات را اصطلاحاً باواك می‏گویند.
فركانس ارتعاش تارهای صوتی در اصوات باواك را فركانس Pitch و دوره تناوب ارتعاش تارهای صوتی را پریود Pitch می‏نامند. هنگام انتشار امواج هوا در لوله صوتی، طیف فركانس این
امواج توسط لوله صوتی شكل می‏گیرد و بسته به شكل لوله ، پدیده تشدید در فركانس های خاصی رخ می‏دهد كه به این فركانس های تشدید فرمنت می‏گویند.
از آنجا كه شكل لوله صوتی برای تولید اصوات مختلف، متفاوت است پس فرمنت ها برای اصوات گوناگون با هم فرق می‏كنند. با توجه به اینكه صحبت یك فرآیند متغییر با زمان است پس پارامترهای تعریف شده فوق اعم از فرمنت ها و پریود Pitch در طول زمان تغییر می‏كنند به علاوه مد صحبت به طور نامنظمی از باواك به بی واك و بالعكس تغییر می‏كند. لوله صوتی ، همبستگی های زمان-كوتاه ، در حدود 1 ms ، درون سیگنال صحبت را در بر می‏گیرد. و بخش مهمی از كار كدكننده های صوتی مدل كردن لوله صوتی به صورت یك فیلتر زمان-كوتاه می‏باشد. همان طور كه شكل لوله صوتی نسبتاً آهسته تغییر می‏كند، تابع انتقال این فیلتر مدل كننده هم نیاز به تجدید، معمولاً در هر 20ms یکبارخواهد داشت.

:
تحولات سریع فن آوری مخابرات و فراهم آمدن امکان انتقال اطلاعات چند رسانه ای دیجیتال از طریق شبکه های مخابراتی، نیازهای امنیتی جدیدی را مطرح ساخته است. در این راستا و به دنبال پیدا کردن روشی برای حفظ امنیت محصولات چند رسانه ای دیجیتال دو روش رمزنگاری و نهان نگاری به صورت مکمل یکدیگر رشد کرده اند. مساله ای که به دلیل خصوصیات ویژه محصولات دیجیتال اهمیت پیدا می کند این است که این محصولات پس از رمزگشایی دقیقا مشابه با محصول اولیه هستند و هیچ گونه حفاظتی در برابر کاربردهایی مثل تهیه کپی غیرمجاز، نقض حق مالکیت، تغییر غیرمجاز محتوای اطلاعاتی و یا پخش غیرمجاز بر روی آنها وجود ندارد. لذا نهان نگاری بسته به هر کاربرد امکانی را برای جلوگیری از سوء استفاده ایجاد می کند و در مورد استگانوگرافی روشی را برای مخابره سری ارائه می نماید.
در بیشتر کاربردها نهان نگاره به صورت نامحسوس در بخش هایی از محصول دیجیتال وارد می شود به طوری که تزویج بین این اطلاعات نامحسوس و محصول دیجیتال اولیه به اندازه ای باشد که اشخاص غیر مجاز قادر به شناسایی و حذف این اطلاعات نامرئی نباشند و حداقل اینکه حذف غیر مجاز آنها کاهش چشمگیر کیفیت در محصول دیجیتال را به دنبال داشته باشد.
1-1- اهمیت نهان نگاری
هرجا صحبت از خلاقیت و تولید به میان آمده همیشه نگرانی از سوء استفاده را نیز با خود به همراه داشته است. مقابله و ایمن سازی محصولات یا اوراق بهادار در مقابل سوء استفاده از دغدغه های دیرین بشر بوده است. معمولا خسارتی که از ناحیه سوء استفاده کنندگان به مالکین وارد می شود با تنبیه خاطیان جبران نمی شود لذا همیشه راه های پیشگیری ترجیح داده می شود. از نظر کلی نهان نگاری به هر اقدامی که در جهت جلوگیری از سوء استفاده یا اخطار به سوء استفاده کنندگان صورت پذیرد اطلاق می شود.
پرکاربردترین نوع نهان نگاری در چاپ اسکناس برای جلوگیری از جعل آن دیده می شود. وجود تصویر محوی که در گوشه اسکناس در مقابل نور دیده می شود جعل آن را مشکل – یا حداقل پرهزینه – می کند.

2-1- تاریخچه نهان نگاری

از آنجا که اسکناس رایج ترین و قدیمی ترین برگ بهادار است انتظار داریم قدمت نهان نگاری حداقل به قدمت چاپ اسکناس باشد. آثار به جا مانده از تمدن چین باستان این موضوع را تأیید می کند. البته شکل دیگری از نهان نگاری که به استگانوگرافی معروف است ریشه در تمدن یونان باستان دارد. استگانو نام برده ای بود که باید پیغامی مبنی بر حمایت از قیام نایب السلطنه یونانی یکی از مستعمرات ایران را حمل می کرد. این پیغام پس از تراشیدن موهای برده بر پوست سر وی نگاشته شده و برده مذکور پس از بلند شدن موی سرش به شهر مورد نظر فرستاده شد.
در گذشته اغلب از تکنیک های نهان نگاری در کاربردهایی چون اسکناس، اسناد ملکی و سایر اوراق بهادار استفاده می شده است. ولی بکارگیری نهان نگاری در حوزه صوت یا تصویر از وقتی مطرح شد که امکان انتقال و ضبط این سیگنال ها به وجود آمد چرا که با چنین امکانی جعل و سوء استفاده از آن نیز مطرح شد.
امروزه با رشد روزافزون کاربرد محصولات چند رسانه ای نیاز به ایجاد یک سپر مطمئن برای جلوگیری از سوء استفاده محصولات ضروری به نظر می رسد، کاری که مطالعه بر روی آن از حدود دو دهه قبل آغاز شده و اینک جنبه کاربردی پیدا کرده است.
از جمله مشتریان خوب نرم افزارهای نهان نگاری شرکت های چند رسانه ای هستند. چرا که مایلند همواره انحصار در تولید یک نرم افزار – که اغلب یک محصول چند رسانه ای است – را به خود اختصاص دهند. استراتژی این شرکت ها هشدارهای بازدارتده و سپس احقاق حق با استفاده از قوانین حق مولف است. لذا شدیدا نیازمند فراگیر و یکدست شدن این قوانین هستند. بخش های نظامی – امنیتی نیز علاقه فراوانی به نهان نگاری به ویژه روش های معطوف به استگانوگرافی – برای انتقال امن اطلاعات – دارند که در ادامه به تفصیل آورده شده است.
هنرمندان، ستاره های سینما، خبرگذاری ها و تهیه کنندگان نیز از جمله کسانی هستند که از پیشرفت نهان نگاری مخصوصا در کاربردهای پایش پخش حمایت می کنند.
استقبال بخش های فوق از بکارگیری نهان نگاری باعث رشد جهش گونه آن علی الخصوص در 5 تا 7 سال گذشته شده است. همین امر باعث شده است کاربردهای جدیدی برای این تکنیک ها پیدا شود و بعید نیست در آینده نیز حوزه بکارگیری آن وسیع تر شود.