关键词： 低噪声放大器   下变频混频器   宽带   低电压   低功耗  

摘要： 近年来,在同一消费电子产品中集成多种无线通信规范已成为一种趋势,能够支持各种标准的接收机引起了极大的关注,因此对宽带射频接收机的研究非常重要。低噪声放大器（LNA）和混频器（Mixer）是射频接收机前端的关键模块。为了支持多标准的通信系统,宽带低噪声放大器和宽带混频器代替为了实现宽带系统而集成的多个窄带低噪声放大器和窄带混频器成为必然趋势。另外,为了保持便携式设备的电池供电寿命,低功耗和低电源电压也是关键研究方向。本文首先对射频接收机的基本结构进行介绍,接着介绍了低噪声放大器和混频器的主要性能参数及宽带设计结构。基于这些理论基础,本文采用UMC 180 nm工艺,在软件Cadence Virtuoso IC615进行电路的设计、仿真、版图设计、后仿真及工艺角仿真,为了能够满足多标准、低功耗、低电源电压的需求,分别设计了一款0.4～2.5 GHz低噪声放大器和一款0.4～3.4 GHz下变频混频器:（1）0.4～2.5 GHz低噪声放大器,电路基于负反馈技术,使用了电感峰化技术和两级放大结构对带宽和增益进一步优化;采用电流复用技术进行低功耗设计,并对电流复用结构的偏置方式进行改进,使得电路可以工作在1 V的电源电压下,并且使用电流镜技术代替尾电流技术设计偏置电路,使得电路更加容易调节,对电路的噪声、增益都有着改善的作用。仿真结果表明,LNA工作在1 V的电源电压下,在0.4～2.5GHz频率下,电路的噪声系数小于2.48 d B,增益高于15 d B,S小于-15 d B,功耗为5 m W,输入三阶截点（IIP3）为-8.95 d Bm。（2）0.4～3.4 GHz下变频混频器,电路基于从传统的吉尔伯特混频器演变而来的源驱动混频器结构,更适用于低电压设计,为了获得足够的增益,采用电流复用技术,另外,为了提升线性度,电路加入不消耗过多功耗的导数叠加技术和不消耗额外功耗的电流注入技术。仿真结果表明,电路同样工作在1 V的电源电压下,在射频输入为0.4～3.4 GHz频率下,中频输出为10MHz时,电路有两档增益,较高的增益为7.5 d B,噪声系数为14 d B,IIP3为-2.8 d Bm,功耗为4.3 m W;较低的增益为3.2 d B,噪声系数为16 d B,IIP3为4.1 d Bm,功耗为2.95 m W。

关键词： 窄带物联网(NB-IoT)   远程抄表系统   群组认证协议   中国剩余定理   Schnorr聚合签名  

摘要： 窄带物联网(NB-IoT)技术的出现为抄表应用中一直存在的抄表难、管理难等难题提出了一种行之有效的解决方案。然而,现有的NB-IoT远程抄表系统还存在着高功耗、应用范围单一、改装安装成本高昂和安全性能有限的问题,这大大限制了其应用的推广。而且,身份访问认证控制作为数据安全保障的重要环节,在NB-IoT大规模节点的应用场景下,现有的身份安全认证协议在认证的过程中会对网络造成巨大的通信压力,可能会导致通信堵塞的问题。因此,本文以NB-IoT远程抄表应用作为研究对象,从低功耗和安全两个角度出发进行研究。本文的主要工作内容为:(1)本文提出了一种基于NB-IoT和图像处理的普适远程抄表系统Meter Eye,并基于ARM9嵌入式开发进行了硬件实现。Meter Eye通过读取表盘图片避免了对原有仪表的改装,只传输包含读数信息的负差值抄表图像,并利用压缩感知技术对抄表图像进行大幅度的压缩来降低传输功耗。本文对指针式和字轮式仪表的抄表图像都进行了图像重建质量分析,并采用基于卷积神经网络(CNN)的数字识别系统的准确率作为衡量图像重建质量的标准。实验表明,当抄表图像的压缩率大于7%时,图像数字利用CNN数字识别的准确率高于94.09%,系统功耗的降低可达到15.99%。(2)本文提出了一种基于Schnorr聚合签名和中国剩余定理的群组身份安全认证协议。该协议使得服务器能够对节点群组进行一次性认证,同时将群组的认证请求固定为确定的大小,有效减少了认证请求的带宽消耗。该协议又采用了基于中国剩余定理的会话密钥信息分发机制,允许服务器使用固定大小的数据完成对群组中多个节点密钥的派发。除了对协议进行了非正式的安全分析,还使用形式化协议安全分析工具Scyther对协议进行了形式化的安全分析,仿真结果表明协议能够抵御重放攻击、中间人攻击等常见攻击手段。性能分析结果表明,随着节点数量的增加,该协议的传输开销和带宽消耗的增长大大小于其他现有的群组认证协议,说明该协议能够有效缓解NB-IoT网络中大规模认证时的通信堵塞问题。

关键词： 低功耗   网表优化   超深亚微米   物理设计   数字集成电路  

摘要： 进入二十一世纪，随着新兴信息产业的快速发展，物联网技术（InternetofThings，IOT）被认为是信息科技产业的第三次革命，正不断改变和丰富人们的生活方式。物联网技术的基础是传感、数据处理和无线连接，而芯片是物联网进行数据处理的核心，其多元的应用场景和特性使得物联网芯片更偏向于低功耗和高整合度。过高的功耗不仅会降低芯片的性能和可靠性,还会额外增加芯片的封装成本,所以采用新的低功耗物理设计方法变得越来越重要。　　本文基于TSMC55nm工艺，采用低功耗物理设计，设计了一款物联网控制芯片，芯片面积为2.13mm*2.22mm，芯片规模约为300万门，此外还包含89个宏单元，最高时钟频率为120MHz。　　本文通过在芯片的物理设计阶段进行低功耗的设计，提出了在改善时序结果的前提下进行功耗优化的物理设计方法，主要包括以下四点：（1）为了解决布局后时序和功耗问题，本文提出了结合布图信息和电路开关节点的开关活动信息，进行门级到门级的网表优化，实现对门级网表进行功耗和时序优化。结果表明，相比网表优化前，建立时间（setuptime）的最差违例值（WorstNegativeSlack，WNS）减小了92.0%，总功耗减小了7.7%。（2）在布局阶段，为了解决布局后功耗和时序恶化问题，本文提出了在布局前通过功耗驱动设定和翻转率反标，进行翻转率负载协同优化，并将高翻转率的单元通过设定单元组的方式进行固定配置，来实现优化功耗和时序。结果表明，相比传统布局，建立时间的WNS减小了91.2%，总违例条数减小了64.6%，功耗减小了8.8%。（3）在时钟树综合阶段，为了降低时钟网络功耗，提出了对时钟单元和时钟模块进行固定配置的设计方法。结果表明，相比传统时钟树综合，建立时间的WNS减小了79.5%，保持时间（holdtime）的WNS减小了79.9%，功耗降低了14.3%。（4）在布线阶段，为了解决布线拥塞和迂回绕线，提出了分层次优先布线和迭代布线，分别对时序严格路径、存储器、I/O单元进行优先布线。结果表明，相比传统布线，建立时间的WNS减小了52.3%，功耗减小了3.8%。上述低功耗设计方法将芯片总功耗降为72.39mW，相比传统设计方法减小了14.4%，实现了优化功耗的目的，并在优化功耗的同时加速时序的收敛，缩短了设计周期。

关键词： 水污染监测   低功耗   NB-IoT   云平台   无线通信技术  

摘要： 随着工业化的急速发展,工业污水和居民生活污水的随意排放,水污染相关的事件也频频出现,不但影响了自然环境,同时降低了人们饮用水的品质,人类的健康也受到了极大的挑战。因此,如何合理利用保护水资源以及如何在源头上对水污染进行监测是急需解决的重大问题。我国水污染监测经历了漫长的发展,经历了从人工采集数据分析到尚未普及的水污染监测系统。虽然水污染监测系统监测相比于人工采集数据分析减少了人力,且更加方便快捷,但是观测期很长,而且整套系统设备成本很贵,并不适合大范围的检测和普及。针对水环境监测的以上问题,本文设计了一种基于NB-IoT技术的低功耗低成本的水污染监控系统,NB-IoT技术作为一种远距离的,低功耗、低成本的无线通讯技术。此项技术很好的解决了成本过高,节点能耗的问题。本次研究主要从以下几个方面进行:1.构建了水污染监测的系统架构,主要将系统分为六个模块,分别是电源模块、嵌入式控制模块,传感器监测模块、NB-IoT模块及云平台和上位机模块。通过传感器监测模块对数据进行监测,再通过嵌入式控制模块对数据进行处理,处理过的数据再通过NB-IoT模块上传到云平台,在上位机上显示,这样就构成了一个完整的水污染监测系统。2.系统各模块软硬件的设计,主控模块的设计作为根本,再逐步对主控制器的外围电路模块、电源模块、NB-IoT通信模块、传感器模块等模块进行设计。同时也对系统进行了低功耗和稳定性的程序设计,保证了系统高效稳定的运行,同时搭建了云平台,构建了上位机监控中心,实现了人机交互。使用户更叫便捷的查看水污染情况的信息。3.在对系统各模块进行软硬件设计之后,对通信模块进行了测试,同时也对传感器终端模块的性能做了对比实验检测,实验结果也表明本次系统终端监测模块测量的准确度符合设计的要求,因此本次设计的系统较好的理论意义和实际应用价值。图[50]表[10]参[62]

关键词： 绝缘体上硅波导   热光开关   古斯-汉欣位移   安伯特-费多罗夫位移   波导转角镜  

摘要： 信息时代的今天,光开关作为全光网络(All Optical Network,AON)中实现光信息交换的核心控件,受到人们的广泛关注。其中,基于平面光波电路(Planar Lightwave Circuits,PLC)技术的硅基光波导开关器件因在器件集成度和工艺兼容性等方面具有诸多优势,有着极其广泛的应用前景和巨大的市场潜力。本论文主要研究绝缘体上硅(Silicon-on-Insulator,SOI)波导的反射光导波模式的低损耗低功耗数字式热光开关结构。借助于双波导转角镜(bi-Waveguide Corner Mirror,b-WCM)结构,利用古斯-汉欣(Goos-H(?)nchen Shift,GH)位移、安伯特-费多罗夫(Imbert-Fedorov,IF)位移和热光(TO)效应折射率调制(RIM)的有效组合,提出了波导反射模式数字式热光开关结构。通过理论模型和数据计算,建立了IF位移与GH位移的相关性以及与光开关器件性能的匹配性。运用Optiwave公司的时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)软件对SOI波导b-WCM型数字式热光开关器件的性能进行模拟与优化设计。研究表明,当绝缘层和上包层SiO材料的折射率为1.444,厚度均为2.0μm;芯层Si材料折射率3.46,内脊高0.5μm,外脊高1.5μm,脊宽4.0μm;导波模式E(TE)和E(TM)的有效折射率为2.9～3.2;转角镜SiN材料折射率为2.0,实现了最优化器件结构,其三个输出端口的归一化输出值分别为0.185028、0.892413和0.060510,说明该器件结构可实现低损耗低功耗数字式光开关的器件性能。基于SOI平台的可行制造条件,选择合适器件结构进行加工和实验测试,论证了1×3或1×2数字光开关功能。最后,对理论和实验结果进行归纳与总结,并提出了一个器件性能改进方案。

关键词： 相变速度   相变性能   稳定性   超晶格结构   晶粒尺寸  

摘要： 相变存储器（PCRAM）作为下一代最具有竞争实力的新型存储器技术之一,在近几年中得到迅猛的发展,有关产品也已经问世并且实现批量生产。在相变存储器技术如此高涨的发展势头下,与其相关的基础研究也成为信息、材料等相关领域的研究热点。PCRAM在众多存储器中的优势是明显的,例如:存储和输入速度快、疲劳性好、操作能耗低并且与CMOS工艺相包容等,但是PCRAM还存在一些需要解决的问题:1、相变材料在相变过程中稳定性与相变速度之间存在的矛盾;2、在RESET过程中功耗较高;3、传统相变材料的可靠性还需提高。相变材料的是现在相变存储器的基础和核心,相变材料的性能决定相变存储器的性能。本文基于课题组以及传统相变材料Ge2Sb2Te5（GST）的研究基础上探索具有性能优良的新型相变材料,以V2O5为基本的研究材料,进而研究V2O5低功耗存储材料制备及器件性能、分析了V2O5以及V2O5与Sb、Ge8Sb92以及GST材料相互复合后的相变性能和其相变机理,进而改善目前PCRAM存在的稳定性差、相变速度慢和操作功耗低等问题,这对PCRAM的开发和研究都具有十分重要的意义。通过目前的研究总结出以下结论:（1）具有高速、多级存储性能的V2O5相变材料的研究。加热过程中,V2O5在320~oC和345~oC下发生相变,并且观察到V2O5两种明显的电阻突变,十年数据保持温度在200~oC,一维生长的结晶机制是快速相变的主要原因。相结构表明随着相变的进行,微晶相和多晶相相继形成。微区元素扫描显示V、O元素分布均匀。划痕试验表明,具有良好的附着力。在基于V2O5的相变存储器中实现了多级存储,低的SET和RESET电压(VSET～1.20V、VRESET～2.80V),存储速度可达100ns,完成SET→RESET过程所需的功率为0.3m W,远远小于GST的1.22m W。结果表明,V2O5相变材料具有高的热稳定性、较快的相变速度和多级存储功能,这使V2O5在相变存储器中具有良好的应用前景。（2）超晶格结构的V2O5/Sb相变薄膜材料的制备和研究。通过制备超晶格结构的薄膜具有较精确的化学计量比和很好的分散性。与Sb薄膜相比,V2O5/Sb超晶格薄膜具有更好的热稳定性(Tc～240~oC,T10年～172.9~oC),V2O5/Sb薄膜中的晶粒受到V2O5的抑制而变小,用拉曼光谱观测到结构中存在着Sb-Sb和V-O键的振动峰,用透射电镜观察了结晶前后的多层结构,这些说明两种晶系间的相互作用提高了V2O5/Sb膜的稳定性,基于V2O5（1nm）/Sb（9nm）的相变存储器件具有较低的SET电压(VSET～2.24V),可以实现了超低功耗(2.25×10-12J)和超高速（8ns）SET→RESET操作,这使得V2O5/Sb超晶格结构在PCRAM中具有很好的应用前景。（3）复合多层V2O5/Ge8Sb92薄膜的稳定性与性能的研究。通过复合制备的V2O5/Ge8Sb92薄膜具有较高的晶化温度（～233~oC）、较大的非晶态电阻（～3.4×10～7Ω）和良好的数据保持温度（～171.2~oC）。当电极与电极接触时,薄膜的晶化率为85.5%。通过添加V2O5中间层,使Ge8Sb92薄膜的热稳定性和可靠性大大提高。V2O5/Ge8Sb92薄膜晶化前后表面粗糙度较小,这确保了电极与相变材料之间的接触。在晶化过程中V2O5/Ge8Sb92的结晶受到抑制,晶粒尺寸仅为5.0nm。基于V2O5（1nm）/Ge8Sb92（9nm）材料制备的相变存储器件（PCM）具有较低的SET电压(VSET～1.85V)。这些研究表明V2O5/Ge8Sb92复合多层薄膜具有较高的稳定性和较小的晶粒尺寸以及较低的操作性能,在高密度PCRAM中具有潜在的应用前景。综上,通过探索新型相变材料V2O5以及以V2O5为基的薄膜结构,寻求并改进其电学相变性能,是本论文的主要撰写思路。

关键词： 蓝牙技术  

ISBN: (纸本)9787512434578

摘要： 本书首先分析了该系列处理器的基础开发过程，并对其SDK资源包进行了详细介绍；然后结合处理器的内部外设资源，对各个部分外设进行应用，为读者能够全面与灵活地对该系列处理器进行硬件开发打下基础。

关键词： 低压差线性稳压器   自偏置共源共栅   动态偏置   快速瞬态响应  

摘要： 集成电路的飞速发展促使电子产品技术不断革新。在集成电路中,电路模块都需要电源管理系统提供一个稳定的电压,其中LDO、DC/DC转换器、AC/DC转换器、电荷泵等都在电源管理系统中扮演着重要角色。LDO作为电源模块的一种,因具有结构简便、成本低、电路性能优越等优势,使其在电源管理系统中占有重要地位。在实际LDO电路中,很多的问题影响着LDO的性能。通过设计一些性能增强电路,解决LDO电路中存在的功耗高、噪声大、瞬态响应慢等问题,对于LDO电路的发展有着重要的意义。针对LDO功耗高的问题,本文采用对称式误差放大器结构,在减小系统功耗同时,增加系统单位增益带宽,提高系统瞬态响应速度。通过对比分析三极管和MOS管的构成及在电路中的工作状态,采用PMOS管作为功率管,可以减小系统中静态电流,实现低功耗。针对LDO瞬态响应慢的问题,采用动态偏置补偿技术,当LDO系统输出电压发生抖动,动态偏置电路能够为功率管提供电流,减小输出电压稳定时间,从而提高系统瞬态响应。在深入研究LDO电路稳定性基础上,采用ESR零点补偿、前馈补偿、米勒补偿技术,将系统次极点消除,提高系统稳定性。为给系统提供一个零温度系数的参考电压,采用自偏置共源共栅结构设计一个带隙基准电路,该电路在抑制MOS管器件沟道长度调制效应的同时,降低基准电路中噪声,提高系统稳定性。本文基于SMIC 0.13μm CMOS工艺,进行LDO电路仿真。仿真结果显示:LDO在2V-5V内正常工作,电路输出额定电压为1.81V,电路在轻载工作时,系统消耗静态电流为18.2μA,该系统开环增益达到77.2d B,相位裕度为85°,当负载电流在短时间内从10μA变化到30m A时,产生的欠冲电压为294m V,瞬态响应时间为2.7μs,过冲电压为213m V,瞬态响应时间为3.7μs。电路整体噪声为5.448μF/sqrt(Hz),低频时电源抑制比为-70.68d B,1KHz时为-56d B,1MHz时为-23d B。仿真结果表明,本文设计的LDO满足低功耗、快速瞬态要求。

关键词： 压电振动   能量俘获   非对称   复合支撑   无线开关   自供电   低功耗  

摘要： 随着无线开关技术的不断发展,以无线开关为核心元件的无线开关网络和物联网技术,均在学术领域和工业领域得到了高效发展和广泛应用,而无线开关低功耗技术不断的发展使得利用电池为其供电成为可能,但传统化学电池存在占用体积较大、使用寿命较短和需要定期更换维护等问题,利用压电振动能量俘获技术为无线开关提供稳定电能可以解决以上问题。但典型的能量俘获装置在工作时存在结构固有频率较高、整体输出能量较低的局限性,为了降低压电振动能量俘获装置的固有频率,提高压电振动能量俘获装置的电压输出和功率输出,在低频振动环境中实现为低功耗无线开关供能的需求,提出了一种非对称复合支撑梁式压电振动能量俘获装置,利用复合支撑的特点不仅降低能量俘获装置的固有频率,而且还提高了能量俘获转置的电压输出和功率输出;利用上、下压电陶瓷片不对称的特性去实现能量俘获装置的机械调谐,增强环境的适应性。首先,对压电振动能量俘获装置的理论基础进行了分析,在复合支撑梁的动力学模型和机电耦合模型的基础上,不仅得出了复合支撑梁的振型函数、系统的固有频率,而且还得出了影响复合支撑梁开路电压和总输出功率的相关因数。其次,对不同支撑方式压电振子的压电振动能量俘获装置进行了研究,根据固有频率、输出电压和输出功率这三项技术指标,确定压电振子的支撑方式;采用正交实验法对压电陶瓷片进行了尺寸参数优化,确定了复合支撑梁式压电能量俘获装置的尺寸参数,并在参数优化结果的基础上对选定的能量俘获装置进行了特性分析。然后,分别对压电陶瓷片不同连接方式和不同重合度压电陶瓷片进行了实验研究,在最优连接方式和最优重合度的基础上,对非对称复合梁式压电振动能量收集器进行了实验特性分析,实验结果表明:在外界激振频率为1.0g和外接电阻为50KΩ时,最大输出功率是770uW,其最大输出功率满足无线开关供电需求。最后,通过非对称复合支撑梁式压电振动能量俘获装置为核心搭建无线开关测试系统,验证了能量俘获装置能够实现无线开关信号的发射与接收。表明该压电能量俘获装置能够为无线开关稳定供电。图[77]表[15]参[54]

关键词： 电机振动监测   无线传感器网络   低功耗   振动数据处理   频谱压缩  

摘要： 工业生产过程依赖于电机和相关机械设备的高效可靠工作,电机的状态监测能有效避免电机故障导致的经济损失,提升工业生产效率。无线传感器网络能够监测分布在网络中的被监测对象的各种状态信息,在工业、农业、军事等领域有广泛的应用前景。针对流程工业区域存在电机分布分散,电机运行环境恶劣,传统有线电机振动监测系统布线复杂等问题,本文提出一种基于无线传感器网络的电机振动监测系统,能有效弥补传统有线状态监测系统的局限性。系统包括无线振动传感器和数据集成网关两个部分。本文的主要研究内容和成果如下所示。针对电机振动监测具有采样频率高,采集数据量大,而无线传感器网络中传感器节点采用电池供电,能量供应有限的不足,设计了一种低功耗的无线振动传感器。通过低功耗设计、集成电路设计、传感器标定等工作,完成了无线振动传感器的制作。无线振动传感器采用休眠-定时唤醒-休眠的低功耗工作机制;选用低功耗的三轴MEMS加速计度ADXL357作为传感元件,其工作电流仅为200μA;设计了一种振动数据处理方法,通过FFT计算振动数据频谱,并采用基于谱线重要度的频谱压缩方法,将无线通信开销降低了97%,极大地降低了无线振动传感器的功耗。经过功耗计算,无线振动传感器使用容量为1000 m Ah的聚合物锂电池供电,以10分钟为一次唤醒周期,能够有效工作1.8年。设计并制作了一种低成本、广覆盖的数据集成网关。数据集成网关作为无线振动传感器与外部网络通信的枢纽,采用低功耗、远距离的Lo Ra无线通信技术与传感器节点通信,并采用Lo Ra WAN通信协议进行无线组网。经过通信性能测试,一般城区环境下,本文设计的数据集成网关与无线振动传感器能够在800米的范围内进行有效通信。经过成本分析,本文设计的电机振动监测系统的成本仅为传统压电式加速度计振动监测系统的10%。本文设计的电机振动监测系统具有低成本、低功耗、覆盖面积广、部署方便灵活等优点,具有巨大的应用价值和潜在的应用前景。