关键词： 移动累加符号滤波器   数字降采样滤波器   低功耗设计   时钟数据恢复电路   多数投票器  

摘要： 随着移动应用的兴起,芯片应用终端正在向边缘端发展,芯片的低功耗设计越来越重要,数字降采样滤波电路作为实现高频信号向低频信号转换的关键模块,如何突破速度瓶颈、降低功耗,具有重要的研究意义。为解决该关键问题,本文从滤波算法、架构实现、电路设计和版图优化等多个方面展开研究,实现了超高速低功耗的数字降采样滤波电路,取得的主要研究成果如下:(1)针对现有的降采样滤波电路处理速度不足的问题,本文创新了降采样滤波器理论,提出了移动累加符号滤波算法。该算法针对只需要判断信号的极性而不需要输出具体数值的情况,使用取符号运算代替了乘除法运算,降低了计算复杂度,同时移动步长与抽取率相同,使得数据量按抽取率降低。计算复杂度和数据量的同时降低使得该降采样滤波算法可以快速的提取关键信息。本文推导了移动累加符号滤波器的传递函数,分析了其幅频响应,证明了其具有与级联积分梳状滤波器相同的电平抑制比,其滤波效果随输入数据变化,介于级联积分梳状滤波器和移动平均滤波器之间。(2)针对现有的降采样滤波电路结构复杂、功耗大的问题,本文提出了基于流水线投票架构的移动累加符号滤波器,设计了流水线级数可选的二值及三值信号降采样电路,实现了电路的时分复用以及数据的分级处理,与传统的降采样滤波电路使用加法器及乘法器相比,仅使用D触发器以及基本的逻辑门实现了数据累加及取符号的计算效果。在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上实现了移动累加符号滤波器电路,在同等条件下相比于积分梳状滤波器使用的逻辑单元减少了86%、功耗降低了88%,相比于半带滤波器使用的逻辑单元减少了90%、功耗降低了28%。(3)针对轻量级卷积神经网络中二值特征图及三值特征图的高速低功耗处理需求,本文基于移动累加符号滤波器提出了极性池化算法,该算法只求取二值或三值数据累加和的符号,故命名为极性池化。相比于最大池化的条件运算以及平均池化的除法运算,极性池化的逻辑运算具有较低的时间复杂度和空间复杂度。通过二值图像的处理实验证明,在处理效果相同的情况下,极性池化相比于最大池化和平均池化处理速度提升了52%和54%。(4)针对时钟数据恢复电路对高速低功耗投票器的需求,本文基于移动累加符号滤波器设计了二阶串行投票器,并且从低功耗设计的角度对电路进行了优化。该投票器采用两级投票的方式实现,不使用多路选择器以及计数器,只使用基本的逻辑门和D触发器,将加法运算和符号运算简化为了逻辑运算,消除了投票器的冗余输出状态,减少了电平的翻转,同时设计了高精度单相时钟D触发器,进一步降低了电路的功耗。本文对设计的多数投票器电路的功能和功耗进行了仿真,通过对关键路径的分析,合理的增加缓冲器调整时序,使得最高工作频率达到了16 GHz。优化后的定制电路在数据处理速率翻倍的情况下相比于FPGA方式实现,逻辑单元减少了64%、功耗降低了99%。(5)本文设计的基于二阶移动累加符号滤波器的多数投票器可以实现对四个连续判决信号的串行投票功能,使用40 nm互补金属氧化物半导体工艺设计,投票器的总面积仅为218.44μm,在10 GHz时钟频率下功耗只有0.55 m W。对比了现有论文中的投票器,面积降低了77%,功耗降低了86%,具有较大的优势。从芯片测试结果来看,整个设计过程很好地实现了低功耗的设计意图,所提出的电路应用于超高速串行互联芯片的接收端,在保持高速数据处理能力的基础上,降低了芯片的面积和功耗。本文提出的基于移动累加符号滤波器的降采样滤波电路特别适用于有高速低功耗需求的边缘端、移动端芯片使用,具有广泛的应用价值。此外,移动累加符号滤波器模型也可以在其他数字信号处理场景中使用,并且其设计方法可以为电路的高速低功耗优化提供参考。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   分段式电容型数模转换器   低功耗   自举采样开关  

摘要： 模数转换器(Analog-to-digital Converter,ADC)在声音处理、医疗监护、工业控制和宽带通信等领域都有了较为广泛应用,是现代电子设备必不可少的电路模块。逐次逼近型(Successive-Approximation-Register,SAR)模数转换器(ADC)因为其结构、面积、功耗等方面的优势,广泛应用于信号处理的领域。目前,用户对于现代电子设备电池续航能力的要求越来越高,降低模数转换器的功耗也就成了集成电路设计行业的巨大挑战。本文设计了一款10位分辨率,125KS/s采样率的低功耗SAR ADC,其主要构成部分包括采样开关、DAC模数转换网络、比较器和SAR逻辑电路。本文中的SAR ADC采用的是电容上极板采样的差分结构。首先,电容上极板采样能减少采样开关的个数,意味着减小了采样阶段的功耗;其次,差分结构可以抑制输入的共模噪声、提升电路性能。采样保持电路对传统的开关管进行了改进,采用了栅压自举(bootstrap)技术,使开关管栅源两端的电压保持在电源电压,即开关管的导通电阻保持为定值,从而提高了采样保持电路的线性度。在DAC模数转换网络的设计上,本文选择了基于共模电平(Vcm-based)电容开关时序,相比于传统电容开关时序,这种开关时序能有效降低电容型DAC电平切换时的能耗。此外,为了减小DAC转换网络的电路面积,本设计采用了分段式的电容型DAC。比较器采用了两级动态比较器,两级动态比较器通过时钟信号驱动,在比较过程中不消耗静态电流,避免了额外的静态功耗。最后,设计SAR逻辑电路以及电容开关驱动电路,SAR逻辑电路能够控制比较器和DAC模数转换网络正确地完成每一位数字码的转换。本文中设计的SAR ADC整体电路采用的是Magna Chip 13.0μm BCD工艺,利用Cadence仿真工具对设计的电路进行仿真,通过Matlab对仿真结果的数据进行了分析和处理。经过快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT),得到SAR ADC性能的仿真结果:当采样率为125KS/s时,SAR ADC动态特性为ENOB=9.22bit,SNDR=57.26dB,SFDR=69.84dB。

关键词： 快速傅里叶变换   串行计算   位串行架构   低功耗设计  

摘要： 随着现代信息量的爆炸式增加,吞吐率的要求的不断提升,尽管快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的相关技术已经相当成熟,但其硬件实现在需要兼顾高吞吐率和低功耗设计的目标下,仍有不小可以探索的空间,尤其在芯片产业的技术封锁的大背景下,FFT的高吞吐率和低功耗实现在无线通信和光网络上的应用场景之中有着亟待提升的要求。在计算结构上具有高度对称性的FFT实现上,在满足性能需求的同时,既需要高并行度、高硬件效、高系统时钟,又迫切需要更小的面积开销、更低的功耗。由此更低复杂度的FFT实现结构设计,有利于同等或者更低资源开销下达到更高的吞吐率,将对推动未来高速数字信号处理有着较为重要的意义。位串行计算是将数据的运算细化到单个比特级的流水线上,规避掉传统并行计算的进位逻辑长链,因此具有低复杂度的特性。利用位串行的计算架构,FFT中的乘加运算可以得到大大简化,可以提高并行度,增加面积效率。在面积要求较为苛刻的情况下,可以利用基于存储的思路构建出部分并行的结构来压缩面积。如果在面积约束不苛刻且需要更高的吞吐率的需求下,则可以找到一种折衷的办法既利用串行流水来缩短进位链,又部分利用组合逻辑,通过部分短链的流水线,得到更高的面积效率。同时针对5G NR标准,设计出能满足点数为N=2a·3b·5c的混合基DFT的低复杂度结构也具有较大研究意义。本文重点研究串行计算对于高并行度FFT的低复杂实现问题,按照部分并行的位串行计算2a点FFT设计,多比特串行计算的2a点FFT设计,以及串行计算的混合基FFT三个方面展开论文:(1)首先对于2a点FFT,本文此部分在算法上利用Cooley-Tukey分解算法,利用分解后全并行结构的高度重复性及对称性,将位串行的比特级流水线和基于存储的数据处理方案相结合,复用主要模块进行折叠处理设计出部分并行的2048点FFT,仅使用一块前级128点FFT和8块后级16点FFT,计算的中间数据通过存储调度连接,得到部分并行的FFT设计。同时,针对位串行计算架构的复数乘法器进行资源简化,以及折叠处理后可变系数乘法的针对性优化,尽可能多的利用串行计算的特点,并对比SDF架构的传统并行计算FFT,分析其面积功耗的优势。(2)第二部分在位串行计算和传统并行计算之间寻找一个折衷方案,同时兼顾两者的优点,构建出多个比特为一个整体的串行计算方案,本文称多比特串行计算。多比特串行的FFT实现结构用于实现在更高吞吐率的工程要求时,相对多个位串行FFT模块并行工作,有着复杂度更低、面积更小的优势,为串行FFT解决高吞吐率和更低面积功耗提供了另一解决思路。(3)第三部分则将串行计算应用在混合基FFT上,利用小点数WFTA(Wino-grad Fourier Transform Algorithm)在乘法复杂度上仅为O(N)的优势,结合串行计算的特点进行研究,得到更优的混合基FFT结构设计。通过与混合基DFT如基3基5的融合,可以让串行计算可以更加灵活多样地应用于实际的数字信号处理的工程需求。

关键词： 室内定位   蓝牙定位   AOA   RSSI   融合定位  

摘要： 随着物联网的不断发展,基于位置的服务不断丰富着人们的生活,其在交通出行、物流管理等方面催生了大量的应用。近年来,室内定位技术已经得到了快速的发展。然而由于室内环境的复杂性,室内定位技术仍然面临巨大的挑战。随着蓝牙5.1标准中引入了测向功能,因此基于到达角(Angle Of Arrival,AOA)的定位技术可以应用到现有的蓝牙定位系统中。目前,基于低功耗蓝牙的测向技术受到系统噪声与天线切换带来的影响,导致无法得到高精度的到达角信息。由于在真实到达角较大区域中到达角测量误差较大,因此在该区域中利用基于到达角的定位算法性能较差。为了提高AOA测量的精度,提升定位系统全局范围内的定位性能,本文提出了基于低功耗蓝牙的室内高精度定位算法。首先,针对到达角估计的误差主要由环境噪声以及天线切换造成的问题,本文提出了基于蓝牙切换天线阵列的到达角估计算法。首先通过改进的小波降噪算法对环境噪声进行处理。然后针对天线切换期间相位差误差的影响,本文提出了基于无迹卡尔曼滤波器的相位差处理算法,利用I/Q信号对天线阵列相位差信息进行修正,提高相位差的稳定性和精确性。本文通过仿真结果验证本文所提算法的有效性。本文通过搭建实际的到达角测量系统,在真实环境下采集原始数据计算到达角。实验结果证明,本文所提出算法的到达角的精度相对于原始数据计算的到达角的估计精度更高,从而为实现室内高精度定位提供了基础。其次,上述提出的到达角估计算法在一些区域的到达角估计精度仍然有限,这就造成定位系统在全局范围内的定位精度稳定性差的问题。针对此问题,本文首先对基于信号强度(Received Signal Strength Indicator,RSSI)的指纹定位算法的在线定位阶段进行优化,提出了一种融合欧氏距离与推导物理距离的权重值算法。同传统的指纹定位算法相比,改进算法极大的提升了定位系统的性能。然后,通过综合考虑基于到达角的定位算法与基于RSSI的指纹定位算法的特点,利用松耦合的方式融合AOA定位与改进指纹定位算法,对全局范围的定位效果进行优化,提高了定位系统全局范围内的定位精度和定位稳定性。针对运动场景,本文提出基于扩展卡尔曼滤波的动态定位算法,将融合定位结果再通过扩展卡尔曼滤波器得到运动场景下的定位轨迹结果,使得动态场景下的定位精度得到进一步提升,并且具有良好的实时性。本文实现了一个兼备AOA定位与RSSI定位的室内定位系统,在实际场景测试分析了室内定位系统的功能及本文提出算法的性能。实验结果证明,本文所提出的算法基本满足室内高精度定位的服务需求。

摘要： 中国香港的微电子公司达腾工业推出连接网络的全新可穿戴解决方案,通过开放式平台实现远程医疗/远程护理应用支持。“Link2Care智能手表DA13700”的尺寸为38×12 mm2,具有三维运动传感器,用于活动记录、不活动提醒、睡眠监测和跌倒检测。用户按下“SOS”键便能够传送带有其健康信息(包括姓名、性别、年龄、血型和任何药物过敏)和位置的SOS警报信息,可将信息发送到预定义的手机号码上,并且上传到云服务器和服务中心,以便紧急呼救。

关键词： 温度传感器电路   PWM调制   误差分析   斩波技术  

摘要： 温度传感器电路,作为人类检测温度的基本工具,广泛应用在在工业自动化、电器制造、绿色环保、安全生产和汽车工业等行业中。不论是作为一个单独的芯片进行温度检测,还是作为SOC系统中的一个单独子模块承担系统局部测温、温度补偿等功能,温度传感器电路在集成电路芯片中所占地位不言而喻。随着社会的发展和科技进步,人们对高性能的温度传感器提出了更多的需求。本文对温度传感器电路展开研究,重点攻克其高精度和低功耗两项指标相关的关键技术,主要工作内容如下:1、经过对传统温度传感器架构的分析,提出了一种基于PWM调制的单总线温度传感器电路系统解决方案。在该方案中,温度信号经过前级感温电路采样后,被后级信号处理电路调制成占空比与温度呈线性正相关的PWM波信号。通过数字逻辑控制,时钟信号在PWM波的负占空比时间内输出,从而在一个PWM信号周期内得到了数量与温度呈线性相关的脉冲输出信号。2、基于上述系统架构,对整体温度传感器电路进行建模和误差分析。误差分析发现,该系统的主要误差贡献来源于PWM比较器失调电压、带隙基准电压的温度系数、带隙基准电路中运放的输入失调电压和DAC的非线性。3、根据误差分析结果,在电路关键子模块设计时引入相应的关键技术以减小主要误差贡献。其中,通过引入失调技术降低比较器和运放的输入失调电压,提高了精度且不引入额外的静态功耗;DAC采用三阶3-bits sigma-delta DAC架构,通过引入零极点优化技术,进一步提高信噪比、降低非线性。采用低功耗设计思路进行子模块设计,其中,比较器采用时钟控制latch结构,无静态功耗;DAC在低过采样比的情况下实现了高精度,降低了系统时钟主频率,减小了功耗。4、基于0.18μm的BCD工艺进行电路设计和版图设计。经过两点温度校准后,所设计的温度传感器电路的测温精度在±0.5℃以内,典型静态功耗小于50μA,具备12 bits的位数,分辨率约为0.0625℃/LSB,一次测温周期小于25 ms,整体仿真结果符合指标需求。

关键词： 抽注水多层同心球中子谱仪   能谱重建   软件系统   实时监控   多线程  

摘要： 中子能谱测量是中子探索的重要环节,当前多球中子谱仪是众多测量中子能谱方法中最简单的一种。传统的多球中子谱仪存在一致性差、造价昂贵等问题,为解决上述问题,课题组依托国家自然科学基金项目“抽注水多层同心球宽量程新型中子能谱探测器研究”（No.41774120）、四川省科技计划项目“抽注水多层同心球中子谱仪剂量校正”（No.2021YJ0329）自主研发了一台用于中子能谱测量的抽注水多层同心球中子谱仪。 目前操作抽注水多层同心球中子谱仪主要存在如下问题:（1）测量人员需要手动发送控制命令进行抽注水操作;（2）无法直观地获取当前谱仪的工作状态和各水层的水量;（3）进行中子能谱重建操作时,需要第三方解谱工具求解中子能谱。因此,本文开展了抽注水多层同心球中子谱仪的软件系统开发与研究,完成了抽注水多层同心球中子谱仪配套的软件系统,实现了自动化控制、抽注水过程动态显示、能谱重建等功能。主要获得成果如下: （1）针对抽注水多层同心球中子谱仪软件系统,在详细需求分析的基础上,构建了界面层、业务逻辑层、接口访问层和数据层等四层构架,采用C#编程语言研发了一套抽注水多层同心球中子谱仪软件系统,实现了实时监控、能谱重建、数据管理、系统设置、水层管理等功能模块。经测试该系统各个功能模块响应时间均小于30ms,CPU使用率最高数值为41%,界面人机交互友好,运行流畅,满足设计要求。 （2）采用GDI+技术研发了系统控制设备控件。通过自定义数据传输协议,完成了抽注水多层同心球中子谱仪软件系统与下位机控制设备的数据采集、传输、控制等功能,采用GDI+技术研发了系统控制设备控件,并根据实时反馈的数据信息,实现了抽注水过程动态显示、流量计、电磁阀、水泵等设备状态的实时监控,使操作者能够直观了解设备的运行状态,在意外情况发生时,可以快速做出抉择,为抽注水多层同心球中子谱仪在中子能谱测量中提供了安全保障。 （3）采用多线程技术研发了水层管理模块,实现了中子能谱测量过程中的水层组合自动切换功能。通过遗传算法和蚁群算法相结合,建立了蚁群-遗传算法模型,首先将蚁群算法获得的水层组合最优方案作为初始种群,其次使用遗传算法进行计算,最后完成水层组合最优方案的求解。经测试该算法得到32种不同水层组合的最短切换总时间为2672s,对比以前课题组仅用遗传算法计算得到的最短时间缩短了540s,进一步缩短了中子能谱测量操作用时,提高了测量效率。 （4）建立了中子能谱重建算法模型,实现了软件系统中子能谱解谱功能及展示功能模块。首先选取252Cf中子源和18种不同的水层组合进行中子能谱模拟测量,得到18个不同水层组合下的模拟实验数据;其次通过252Cf中子源的参考能谱与抽注水多层同心球中子谱仪的响应函数矩阵卷积,得到18个不同水层组合下的模拟实验测量中子计数;最后通过遗传算法模型,完成了能谱重建。经该算法获得的结果与参考能谱数据对比分析,分析结果显示,检验统计量F值为0.012556,临界值F crit为4.130018,检验统计量数值远小于临界值,即两组中子计数之间无显著差异,表明能够较好地通过抽注水多层同心球中子谱仪软件系统进行中子能谱重建。 本论文的主要创新点为: （1）设计开发了一套与抽注水多层同心球中子谱仪配套的软件系统,完成了从数据采集到传输再到数据分析处理、能谱重建等功能的无缝衔接与流畅运行,简化了抽注水多层同心球中子谱仪进行中子能谱测量的操作流程,提高了中子能谱测量效率。 （2）结合蚁群算法和遗传算法建立了蚁群-遗传算法模型,解决了水层组合最优方案求解速度慢,易陷于局部最优解等问题。采用蚁群-遗传算法求解32种不同水层组合的最优方案,得到水层组合切换总时间最短为2672s,缩短了540s。减少了中子能谱测量操作时间,提高了测量效率。

关键词： 软件化雷达   距离走动   多普勒扩展   相参积累   多线程   内存池  

摘要： 传统的雷达系统使用DSP、FPGA等专有硬件架构开发,这种开发模式研发周期长,扩展性低,可重构性差,因此可以通过将射频硬件与可编程软件重构来实现多用途的软件化雷达开发平台。由于软件平台的高度灵活性,研发人员可以通过软件编程来对各种雷达信号处理模块进行验证测试。传统雷达只能用于特定的任务,而软件化雷达的硬件具有可重用的特点,并且它可以加快研制周期以及降低生产成本。本文首先建立了高速机动目标回波模型,并对其回波特性进行分析,同时分别研究了机动目标速度和加速度对匹配滤波的影响。针对高速机动目标的距离走动问题分别采用Key Stone变换补偿、频域相位补偿、RFT变换补偿将目标回波信号校正在同一距离单元上,并比较了三者在工程实现中的优劣及计算复杂度。针对高速机动目标的多普勒扩展问题分别采用Dechirp方法、FRFT方法、延迟补偿法对目标信号进行加速度补偿,以使其相参积累得到的能量最大。其次,本文在通用平台刀片服务器上搭建了强实时性的高速机动目标信号处理平台,设计了多路数据并行、流水线并行、线程池并行的雷达信号处理框架,可以根据实际需求制定处理框架。对于系统数据采集前端,本系统开发了基于FPGA的PCIe信号数据采集板卡和上位机驱动程序模块,通过光纤和PCIe总线将雷达回波数据送入服务器内存中进行处理。对于系统后端,本文将高速机动目标信号处理的算法解耦成多个独立的模块,并分别进行了验证和实时性测试优化。同时本文设计了基于OpenMP的脉冲压缩组件;提出了一种利用多线程并行分段搜索目标速度的方法,以减少系统计算延时;对各补偿算法模块优化计算流程,减少了内存分配资源;提出了一种预排序结合哈希表的点迹凝聚方法。整个系统通过规划合理的数据流,对多线程进行适当的任务划分,构建各个信号处理模块以满足实际项目需求,且能够根据各种雷达应用需求进行信号处理方案的更改和升级,大大提高了系统的可扩展性。最后,本文对基于刀片服务器平台所搭建的软件雷达系统进行了实时性优化,在软件代码层面进行了规范设计,方便后续开发人员的维护升级;检测了程序的性能瓶颈以优化程序性能;通过对多核CPU的性能进行分析,对线程调度进行了优化;设计了内存池以减少内存碎片,同时加快了内存分配速度,进而降低了系统的计算延时;对系统运行环境嵌入了实时补丁以增强系统的实时性能。本文在多核CPU平台搭建了整个软件化信号处理流程,从数据流入到生成点迹信息都进行了合理的设计与优化,充分利用了多个CPU来满足项目的实时性需求。