关键词： 混合式模数转换器   流水线-逐次逼近架构   过零检测   数字误差校正   电流源   输入偏移   自动校准  

摘要： 本文提出了一种新型流水线-逐次逼近模数转换器(Pipelined-SAR ADC)架构，结合了Pipeline、Flash和SAR架构的特点，优化了ADC的采样、比较和放大时间预算，并首次将基于过零检测(zero-crossing detection，ZCD)的残余信号放大方法应用于Pipelined-SAR ADC中以实现低功耗。本文还提出一种简单实用的降位处理方法，使经典数字误差校正(digital error correction，DEC)方法能够适用于多级Pipelined-SAR ADC，显著地降低了Pipelined-SAR ADC数字误差校正的复杂度。另外，本文还提出了一种ZCD电流源和输入偏移的自动校准方法，用以补偿ZCD响应时间和自身输入偏移对采样精度的影响，确保ADC性能在不同工艺角、电压和温度下基本保持一致。基于本文提出的架构，设计了精度为12位，采样率为80MSps的三级混合式ADC电路，完成了版图设计和后仿真。输入信号为38.98MHz，采样率为80MSps时，ADC的信号噪声失真比、有效位数和无杂散信号动态范围分别为64.5dB、10.4位和73.5dB，功耗为5.12mW，性能系数(figure of merit，FoM)为47.4。本设计与现有文献报道中的主流低功耗ADC性能相当，实现了验证新型低功耗ADC架构和电路设计的目标。

关键词： 数字发射机   映射调制   映射表   灵活可重构   多制式、多频段   低实现复杂度   低资源消耗   低功耗  

摘要： 随着军用电子系统以及移动无线通信的发展,对射频发射机提出了高集成度和低功耗等需求。传统的模拟射频发射机面临着较大的挑战,数字射频发射机被视为射频发射机重要发展方向之一。然而,目前已有的数字发射机的研究中存在变频灵活性受限、发射机电路架构实现复杂度较高、发射信号质量(由邻道泄漏比(Adjacent Channel Leakage Ratio,ACLR),误差向量幅度(Error Vector Magnitude,EVM),编码效率(Coding Efficiency,CE)等性能指标评估)较差等问题。因此亟需提出新的数字发射机理论与低实现复杂度的电路架构。为此,本文提出了映射调制理论并系统研究了基于映射调制的单频、多频、异相数字发射机及关键技术。本文主要的创新工作如下:(1)提出了映射调制理论和对应的低复杂度发射机架构。针对目前数字发射机电路变频灵活性受限、实现复杂度高、发射信号质量较差等问题,首先提出了映射调制理论,通过映射表实现数字上变频和量化调制功能。其次,提出了映射调制的数学分析模型及其关键参数的优化选取方法以提升发射信号的信噪比(Signal-to-Noise Ratio,SNR)性能与CE性能。最后,基于所提出的发射机电路架构,实现了低复杂度、低功耗的数字发射机。与基于全并行Delta-sigma modulation(DSM)的发射机相比,总功耗降低了75%,动态功耗降低了90%。(2)提出了优化的映射调制方法以提升干净带宽(clean bandwidth,CBW)性能。针对数字发射机发射信号近端量化噪声大所导致的CBW性能受限问题,首先提出了优化的映射调制方法。其次,引入了噪声系数的概念分析映射调制的噪声性能,通过选取在CBW内噪声系数小的数字序列实现中频复数信号到数字序列的映射,从而抑制近端量化噪声,将发射信号的CBW提升了3倍以上。另外,还将优化的映射调制方法应用到优化的灵活变频场景和带内载波聚合场景,实现了更灵活,更简单的发射机电路架构,进一步减少了系统的资源消耗,其中存储资源最高减少了90%。(3)提出了基于映射调制的多频段数字发射机方法和实现架构,并给出了三项优化技术。为了适配当前对射频发射机多制式、多频段的需求,首先提出了基于映射调制的多频数字发射机技术。接着,讨论了基于噪声系数选取的双频幅度因子选取方法以提升双频发射信号的ACLR性能;提出了基于两级映射调制技术的双频电路架构以减小双频映射调制的映射表大小;研究了双频映射调制中的谐波噪声产生机理,并提出了优化的双频数字序列选取方法以抑制谐波噪声。最后,实现了低复杂度的多频(双、三、四频)数字发射机,其中乘法运算资源最高减少了95%。(4)提出了基于映射调制的异相数字发射机方法和实现架构。为了进一步改善数字发射机的发射信号质量,结合异相调制技术,首先提出了基于映射调制的异相数字发射机技术,并提出了不需要实时进行异相分解计算的低复杂度电路架构。其次,提出了适用于分析异相映射调制的数学理论模型;讨论了异相映射调制的幅度因子选取;提出了异相数字序列组合的优化选取方法以减少异相信号合路后的射频噪声。与已见报道相比,降低了设计复杂度,提升了变频灵活性,改善了发射信号质量,其中对于ACLR性能改善大于5 d B。本文的研究内容验证了基于映射调制的数字发射机具备高灵活变频性、低实现复杂度以及较优的发射信号质量,对于促进数字发射机在军用一体化综合射频系统以及下一代移动无线通信系统的应用具有重要意义。

关键词： FPGA   卷积神经网络加速器   并行计算   多线程计算架构  

摘要： 卷积神经网络作为深度学习的重要算法之一,具有复杂的网络结构,强大的特征学习能力以及特征表达能力,并且已广泛应用到计算机视觉处理,自然语言识别和大数据分析等多个领域。基于卷积神经网络的深度学习应用分为训练和推理两个任务阶段,两个阶段都属于计算密集型,目前主要部署于高性能处理器集群上运行,如CPU、GPU和服务器等。如今,卷积神经网络已广泛应用到智能手机、无人驾驶和物联网等领域,但庞大的网络模型和过高的功耗与硬件设备能力不匹配的问题日益突出。因此,具有高能效比的卷积神经网络加速器设计成为目前的主要研究。针对上述存在的问题,本文对卷积神经网络压缩与硬件加速问题进行了研究,提出了基于FPGA(现场可编程门阵列)平台的多线程加速器设计方法。本文主要研究内容如下:首先,面向卷积神经网络计算,针对常见的网络模型计算存在冗余的问题,本文深入分析和研究了网络优化方法和参数优化问题。对于网络模型优化,在现有的网络基础上加入批量归一化作为网络模型结构的一部分,重新设计了网络结构层,有效地解决了网络梯度爆炸问题,加快网络收敛,从而减少训练次数。在网络执行推理任务时,针对网络模型参数冗余导致计算时间太长情况,文中提出了LASSO回归的通道选择算法,通过最小化输出特征映射的重建误差方法来剔除冗余通道。并且为了更快速的在硬件平台上计算,本文采用了Q格式浮点数动态定点量化的参数优化方式,进一步压缩了网络参数占用空间,提高网络计算效率。其次,对卷积神经网络计算过程中的并行性进行多线程优化分析,在卷积层的计算任务中,通过对常规空间卷积计算的加速器研究,深入分析了执行推理阶段任务的计算特点及数据传输问题,提出了多线程并行计算架构,分别在各参数级、通道级和层级上分析计算的并行性。基于流水线计算策略,对同一卷积运算过程采用缓冲器的方式,进一步减少了与外部设备数据交互的时延问题,高效地利用了FPGA(现场可编程门阵列)的计算资源;在数据存储方面对不同分块方式的片外访问数据量进行分析,对卷积的输出高度和通道进行分块,分析了不同数据复用情况下的数据量访问,对硬件加速结构在数据访存设计上提供了理论支持。最后,对卷积神经网络计算以及各模块之间的硬件资源分配提出设计方案。本文采用Xilinx XC7Z020嵌入式平台,针对卷积运算的并行性提出了网络多线程计算架构,实现卷积滑动窗口与输出通道的二维并行计算。该计算架构将计算阵列抽象为流水线计算,每个线程处理一个滑动窗口。线程内部实现多个输出维度的并行计算,线程之间实现滑动窗口并行计算。并且该方案根据不同的分块方式实现内部特征图复用,线程之间权重复用,减少了片上内存及访问带宽的需求。实验以Alex Net和VGG16为目标网络,在使用卷积神经网络进行图片识别的应用场景中,分析了FPGA在不同网络结构中计算资源的占比情况,对比了以CPU、GPU为硬件基础的卷积神经网络运算数据。相较于CPU方案,本方案能够大幅度提高计算效率;对于GPU方案,本设计能够实现在计算效率不会大幅度下降的前提下降低了系统的功耗,有效的降低了能效比。

摘要： 先进的人机接口设备开发商和制造商致伸科技(Primax Electronics Ltd)已在旗下创新型超低功耗无线平板电脑键盘TKB系列产品线中采用了Atmosic Technologies ATM2系列蓝牙5片上系统(SoC)。TKB系列产品内置无线充电技术，拥有防水/防尘和耐化学腐蚀设计，并支持“全身水洗”——可用肥皂水或消毒剂进行清洁，以减少各种病菌。此外，为支持环保，这些键盘产品未应用任何不必要的涂装或印刷工艺。

关键词： 消防供水监测   NB-IoT   低功耗   水压预测  

摘要： 随着城市化的快速发展,消防安全隐患与日俱增,消防安全管理和灭火救援面临新课题。由于城市建筑建设周期较长,大部分消防管道埋地敷设,导致阀门、管道腐蚀严重,漏水点较多。部分单位消防供水达不到设计要求,严重时会导致无水可用,一旦发生火灾会造成严重后果。因此消防供水监测系统就显得尤为重要。针对上述问题,本文结合物联网及其关联技术,设计了一种消防供水智慧监测系统。系统包括智能终端、管理平台、云服务器和手机客户端。本文主要工作如下:首先,设计了消防供水智慧监测系统的总架构,主要由无线监控网络和管理平台组成,其中无线监控网络由监控节点、无线传输节点组成;管理平台分为Web端和手机客户端。其次,对终端硬件电路进行设计并完成器件选型,包括电源电路设计、无线通信电路设计等。在完成硬件设计后,对单片机和服务器端软件部分进行设计,包括水压、水温、液位和电池电压节点采集。完成EMQ服务器搭建后,在此基础上对Web网页界面和手机客户端进行设计,能够实现对消防供水设备的远程监管、实时数据显示、历史数据查询和维修节点管理等功能。然后,根据消防供水系统的特点采用了一种基于时间序列的预测算法,对消防水压数据进行时域分析,借助现有的历史数据搭建数学模型,并预测未来消防水压数据,解决了时间序列预测过程中易出现非线性特征的问题。预测结果能够及时预警,有效的对消防供水系统维护进行指导。最后,对整个系统软硬件进行测试。测试结果表明,本系统能够满足结构、功耗、功能、性能等方面要求,数据传输稳定,系统运行状态良好,基本达到预期目标。

关键词： 近似计算   误差补偿   Booth乘法器   低功耗  

摘要： 随着数字化时代的到来,巨量的数字化信息在为人类谋取幸福生活的同时也逐渐加重了终端数据处理设备的负担。目前阶段,硬件资源和供电方面的限制成为终端设备性能发展的瓶颈,因此人类对于新型低功耗运算单元的需求日益迫切。近似计算作为一种新兴高效低功耗设计范式被提出,广泛应用于一些容错性较好的应用中(机器学习、数据挖掘等),近似计算通过选择性放松一定的精度,可有效降低功耗,提高电路性能。在各种计算和信号处理应用中,乘法器是基本的运算单元,由于乘法器硬件结构复杂,且通常位于数字系统的关键路径。因此,乘法器的近似可以极大地优化系统性能。本论文重点针对于高效低功耗近似乘法器的近似计算设计与应用进行科学研究,为了解决基本运算单元的高功耗难题,设计了两种近似Booth编码器和两种近似约简树结构,两两结合提出了四种高效低功耗近似Booth乘法器。本论文的主要贡献总结如下:1、提出了两种新型近似Booth编码器,该近似Booth编码器在硬件开销和精确度方面实现了良好的折衷。2、提出了两种高性能近似压缩树结构,有效结合了多种近似压缩方法,明显降低了延时与功耗。其负误差与所提出的第一种近似Booth编码器正误差相互补偿,有效提高了乘法器计算精度。3、设计实现了四种基于误差补偿的低功耗近似Booth乘法器,与已有乘法器相比,所提出的第二种近似Booth乘法器降低了20.62%的功耗与14.45%的延时,节省了19.68%的面积。同时,其归一化平均错误距离比已有的近似乘法器更优秀。4、图像滤波的结果验证了所提出的近似Booth乘法器的实用性。

关键词： 相变存储器   界面相变存储器   GeTe   低功耗   高稳定性   备选材料  

摘要： 如今,随着信息技术的飞速发展,数据的传输和存储变得尤为重要,存储器作为信息技术发展的重要组成部分,扮演着十分重要的角色。目前,下一代存储器的发展方向是具有高读写速度的非易失存储器,相变存储器(PCARAM)就是其中有竞争力的存储器之一。相变存储器的优点在于读写速度快且与传统的CMOS工艺相兼容,缺点在于擦写的功耗大且擦写电流产生的焦耳热导致邻近单元发生热串扰。界面相变存储器(i PCM)是一种相变过程仅发生在晶格界面中的存储器,相较于传统相变存储器的相变过程发生在整个整个相变层,这种界面相变存储器把相变区域控制在相变层中的某几层原子层,不再需要把相变层加热到熔化温度以上,从根本上降低了相变的功耗。本文基于这种界面相变存储器的相变机理,本文深入研究了低功耗和高稳定性新型界面相变存储材料。目前界面相变存储材料比较单一,文献仅对SbTe/Ge Te超晶格界面相变材料进行了大量研究。本文设计了四种超晶格界面相变材料,分别为BiTe/Ge Te超晶格界面相变材料、Ti Te/Ge Te超晶格界面相变材料、Si Te/Ge Te超晶格界面相变材料和TeAs/Ge Te超晶格界面相变材料,丰富了相变存储材料的选择。为进一步降低界面相变过程的功耗,本文设计了BiTe/Ge Te超晶格界面相变材料,与SbTe/Ge Te超晶格界面相变材料比较,BiTe/Ge Te超晶格界面相变过程所需的功耗更低。为进一步提高超晶格界面相变材料的稳定性,本文设计了Ti Te/Ge Te超晶格界面相变材料与SbTe/Ge Te超晶格界面相变材料比较,Ti Te/Ge Te超晶格界面相变材料具有更高的界面相变稳定性。

关键词： 探空仪   无线传感器网络   低功耗   LoRa   数据融合  

摘要： 气象观测技术水平的高低是衡量一个国家现代化水平的重要标准之一,气象工作承担着为国防事业发展和国民经济建设服务的任务。高空气象探测是气象观测的重要环节之一,可获取地球表面至大气层中数十公里高度的气象要素,包括位势高度、温度、露点温度、风向、风速、气压等信息的垂直分布状态,从而获取大气的垂直稳定度,为航空、航天的顺利进行提供技术保障,为环保、交通、国防、农业提供必要数据支持。为了增强我国高空气象探测水平,为气象预测提供准确的数据资料,本文着力于高空气象探测中数据的采集、传输、处理、编解码、控制等一系列问题,结合无线传感器网络技术、远距离无线传输技术、多源数据融合技术等手段,设计出一款低成本、高精度、可进行远距离传输的高空低功耗数据采集系统。本文所做工作有以下几点:(1)对国内外高空气象探测领域数据采集技术进行研究。分析和总结高空环境特性,并结合我国高空气象探测设备存在功耗大、通信成本高、数据采集精度低的不足,探讨将无线传感器网络技术应用到高空气象探测业务中来,研究将数据融合算法应用于高空数据采集,探讨在软件层面提高数据精度的可行性。(2)为满足高空数据采集系统低功耗、远距离、低成本和高精度的设计需求,采用STM32超低功耗芯片,选用LoRa作为无线传输方案,选择符合设计需求的传感器模块,对传感器节点的硬件进行了开发设计与实现。(3)在软件层面进行开发设计,实现传感器节点的数据采集、传输的基本功能,并通过程序控制节点实现休眠/唤醒策略,进行低功耗控制。通过设计传输协议实现节点的高质量通信,使用数据融合算法提高数据可靠性,并根据需求开发上位机软件实现数据的收发功能。(4)对设计的探空产品进行实地测试实验,分别对设备基本功能、传输距离、数据精度以及功耗进行了测试。实验结果表明,系统能够准确的采集到温度、压力和位置信息,并通过LoRa模块发送到上位机中,同时满足低功耗、高精度、传输距离远的设计需求。实验验证了系统的连通性和实用性,这将对提高国内空间气象数据采集业务有着积极作用。