Filtro de media móvil y método para la detección y corrección de errores utilizando paridad bidimensional.

Método de detección y corrección de errores producidos por la radiación en filtros de media móvil de aplicación dentro del campo de la microelectrónica, basado en la determinación, en una primera instancia, del grado de tolerancia a los errores a la salida del filtro (2) y del tipo de señal de entrada con la que va a trabajar dicho filtro (2), lo que da lugar, en función de si dichos errores son tolerables o no y de si dicha señal de entrada cuenta con periodos de inactividad, a una implementación física con estructura recursiva no redundante

Filtro de media móvil y método para la detección y corrección de errores utilizando paridad bidimensional.

Objeto de la invención

La presente invención se enmarca dentro del campo de la microelectrónica, de aplicación en el campo de la comunicación instrumentación, medida, etc. y se refiere a un nuevo método de protección de los filtros de media móvil ante los efectos que produce la radiación y el filtro utilizado para tal fin.

Más concretamente, el objeto de la invención es conseguir un método de detección y corrección de errores producidos por la radiación en filtros de media móvil que de lugar a un nuevo filtro de media móvil capaz de garantizar un nivel de protección óptimo en términos de complejidad y costo ante las perturbaciones o efectos provocados por la radiación.

Antecedentes de la invención

Actualmente, los efectos de la radiación se han convertido en una preocupación dentro del campo de la microelectrónica, y más aún cuando ésta está destinada a operar dentro de complejos y costosos sistemas de comunicación expuestos a altas dosis de radiación, como por ejemplo los utilizados dentro de la industria espacial.

Dichos efectos no sólo tienen consecuencias desde el punto de vista del funcionamiento de los circuitos micro-electrónicos o de su respuesta, sino también desde el punto de vista del diseño de los dispositivos qué operan en entornos donde la radiación está presente, el cual se ve condicionado por la existencia de dichos efectos.

Uno de esos efectos producidos por la radiación son los denominados Eventos o Sucesos de Efecto Único o SEEs (del inglés Single Event Effects), los cuales provocan cambios no deseados en los valores de los biestables o de alguno de los elementos de la lógica combinacional de los circuitos.

Los SEEs además se clasifican en dos tipos en función de si el cambio de valor debido al efecto de la radiación se produce en un elemento de almacenamiento, como por ejemplo un biestable o una célula de memoria, o bien en un elemento combinacional como por ejemplo una puerta AND o una puerta OR.

Más concretamente, cuando los SEEs se producen en un elemento de almacenamiento se denominan Sucesos de Perturbación Únicos o SEUs (del inglés Single Event Upsets). Cuando los SEBs se producen en un elemento combinacional se denominan Eventos Transitorios Únicos o SETs, (del inglés Single Event Transients).

Para mitigar los efectos de los SEEs, que como se ha dicho engloban tanto los SEUs como los SETs, se han utilizado técnicas variadas, como por ejemplo aquellas implementadas a nivel físico, es decir, aquellas consistentes en modificar el tamaño y la estructura de los dispositivos de cara a hacerlos más resistentes a dichos efectos, como por ejemplo el uso de blindajes, la utilización de transistores de mayor tamaño o con diferente polarización, etc.

Sin embargo, estas soluciones se han revelado poco útiles tanto desde el punto de vista económico como desde el punto de vista del área que ocupan los dispositivos, y más especialmente en sectores como el aeroespacial, en donde este último factor es determinante.

Por ello, han surgido otras técnicas que tratan de reducir los efectos de la radiación, como es la de introducir redundancia en el diseño de los circuitos de modo que los SEEs se puedan detectar y corregir. La técnica redundante más utilizada es la denominada Redundancia Modular Triple o TMR (del inglés Triple Modular Redundancy), que de cara a evitar los efectos de los SEUs triplica los elementos de almacenamiento y añade lógica de voto para corregir los errores.

Por otro lado, cuando lo que se pretende es hacer frente a los SETs lo que se utiliza es la Redundancia Modular Funcional Triple o FTMR (del inglés Functional Triple Modular Redundancy) que además triplica la lógica combinacional.

Sin embargo, siendo estas técnicas generalmente válidas para reducir o incluso eliminar los efectos de la radiación, aún siguen suponiendo un alto coste en términos de área utilizada por los circuitos y de potencia consumida por los mismos.

Para evitar estos problemas, otra opción es diseñar técnicas de protección especificas para cada circuito, como por ejemplo para el caso de filtros de media móvil, que utilizando la propia estructura de los mismos tratan de mitigar los efectos de los SEEs antes mencionados.

Dichos filtros de media móvil, como es conocido responden a la ecuación:

donde x[n] es la señal de entrada, y[n] la salida y N el orden del filtro.

Estos filtros, como también es conocido, pueden implementarse de forma directa en lo que se denomina estructura FIR (del inglés Finite Impulse Response), en donde una de las estructuras más utilizadas es la que puede verse en la figura 1.

Otra forma de implementarse es la denominada como recursiva, la cual se denomina también estructura IIR (del inglés Infinite Impulse Response), que responde a una estructura del tipo mostrado en la figura 2. Para este caso, además, se rescribe la ecuación general de los filtros citada anteriormente, por otra más intuitiva, de la forma:

A la vista de la representación de las figuras 1 y 2 mencionadas de ambas estructuras, FIR e IIR, puede deducirse fácilmente cómo la primera es más resistente al efecto de los SEUs ya que éstos son temporales y durarán como mucho N-1 ciclos de reloj, mientras que en la estructura IIR los SEUs pueden provocar errores en la salida que persistirán hasta que el filtro sea reseteado.

Por otro lado, la estructura IIR, a pesar de ser más vulnerable frente a los efectos de los SEUs, tiene la ventaja de ser mucho más simple, y por lo tanto más eficiente en términos de área, todo lo cual redunda en un menor costo.

Así, un ejemplo de filtros de media móvil con estructura FIR, es decir no recursiva, que no recurren a la redundancia modular triple o TMR puede encontrarse en el documento US 6304133, que básicamente consiste en implementar filtros de media móvil conectados en cascada como el filtro FIR equivalente resultante de convolucionar la respuesta de todos los filtros de media móvil.

De forma esquemática, el filtro de media móvil implementado en US 6304133 propone que, por ejemplo, para dos filtros de orden cuatro conectados en cascada se tiene:

Por lo que la salida del filtro al final de z[n] será el resultado de sustituir los valores y[k] por los valores que les corresponden según la primera ecuación en función de x[n], obteniendo así:

De donde se deduce que para calcular z[n] de modo secuencial se toma x[0] y se acumula en un registro. En el siguiente ciclo se toma x[1] se multiplica por 2 y se suma al acumulador. En el ciclo 3 se toma x[2] se multiplica por 3 y se suma al acumulador, y así sucesivamente.

Esta implementación, que huye de la estructura IIR por los motivos de vulnerabilidad antes señalados, presenta sin embargo inconvenientes inherentes a su estructura, como son una pobre respuesta en términos de velocidad, lo cual se deduce fácilmente a la vista del ejemplo anterior, en donde son necesarios 7 ciclos de reloj. Así, a mayor orden de filtro mayor número de ciclos de reloj se necesitan para obtener la respuesta.

Además, otro inconveniente es el de presentar una complejidad elevada al necesitar elementos adicionales tales como, evidentemente, los multiplicadores, y además una memoria ROM necesaria ya que, dado que el factor por el que se multiplica es diferente en cada ciclo, se deben guardar dichos factores en memoria- Este aumento de complejidad introduce, además, un incremento de la vulnerabilidad de manera colateral ya que al ser el área del circuito mayor, las probabilidades de ser alcanzado por partículas radiactivas también aumentan.

Descripción de la invención

La invención que a continuación se describe resuelve los inconvenientes antes señalados, pues consigue proteger los filtros de media móvil...

1. Método para la detección y corrección de errores utilizando paridad bidimensional en filtros de media móvil con estructura recursiva que comprenden un número determinado de registros (3) que almacenan los arrays de bits de la señal de entrada y un acumulador (4) encargado de almacenar el resultado anterior para la implementación recursiva y que como primer paso consiste en:

- determinar el grado de tolerancia a los errores a la salida del filtro, y

- determinar el tipo de señal de entrada con la que va a trabajar el filtro;

caracterizado porque, cuando los errores a la salida del filtro son intolerables, comprende, en cada ciclo de reloj, los pasos de:

a) Calcular el bit de paridad vertical "Pv" para el valor de la entrada x[n] de cada registro (3) en ese instante;

b) calcular el bit de paridad horizontal "Ph" para cada posición de los bits en cada uno de los biestables que forman los registros (3);

c) comparar el valor de los bits de paridad "Pv" y "Ph" en ese instante con los almacenados y comprobar si ambos son diferentes; y