关键词： 宽带   射频前端   CMOS工艺   低功耗   线性度   交叉耦合  

摘要： 随着物联网的发展,对于无线接收机提出了更高的要求。射频前端电路位于接收机链路前端,对于整个接收机的性能有重要影响。高性能宽带射频前端电路不仅可以改善接收机整体性能,而且会大大提高无线通信系统的灵活性。因此,基于CMOS工艺设计宽带射频前端电路具有重要的理论意义和应用价值。论文基于40nm CMOS工艺,研究并设计了一种适用于0.2-2.5GHz频率范围的宽带射频前端电路。它主要由低噪声放大器、缓冲器、无源混频器和跨阻放大器组成。低噪声放大器在传统的共栅极基础上采用了电容交叉耦合技术,实现宽带输入匹配;为了让整个接收链路有更好的线性度,混频器采用电流型无源混频器;在低噪声放大器和电流型无源混频器之间插入缓冲器,降低射频前端电路设计复杂度,使得射频前端电路具有更低的噪声系数,缓冲器电路采用电流复用技术,降低了功耗;为了能将电流型无源混频器的电流转变为电压,同时使得射频前端电路有更大的动态范围,采用了可变增益的全差分跨阻放大器,为了获得较大的输出电压摆幅,采用了电阻负反馈的运放的结构来设计跨阻放大器。论文完成了电路设计、前仿真、版图设计和后仿真。后仿真结果表明,电源电压为0.9V,接收机增益为40d B,在最高增益模式下电路双边带噪声系数小于6d B,链路的输出1d B压缩点为-1d Bm,射频前端电路工作电流小于5m A。本文设计的宽带射频前端电路满足设计指标要求,经流片验证后可应用于物联网收发芯片中。

关键词： 高分辨距离像   目标识别   多线程   并行计算   统一计算架构  

摘要： 现代战争对雷达的自动化和智能化水平提出了较高的要求,以雷达目标识别为代表的智能信息处理技术受到了广泛的关注。随着雷达信号带宽的持续提高以及识别数据库中目标种类的不断增加,给实时地完成目标识别任务带来了极大的挑战。由于雷达目标识别任务具有良好的并行结构,高效的并行处理算法成为了目标识别技术领域的研究热点。与此同时,以中央处理器(CPU)和图形处理器(GPU)为代表的硬件处理器的并行处理能力也越来越强大,这为雷达目标识别算法的并行加速提供了可能。基于上述背景,本文开展了雷达高分辨距离像(HRRP)识别相关算法的并行设计研究,并在多核心CPU处理器硬件平台和CPU+GPU的异构平台下进行了算法实现。主要工作内容概括如下:1.结合线性调频脉冲体制雷达HRRP识别流程,对每个环节常用算法的原理进行阐述。首先介绍了针对大时宽带宽信号脉冲压缩处理的分段脉冲压缩算法;然后介绍了针对相参积累期间目标越距离单元走动问题的Keystone变换及其两种常用实现方式,即DFT+IFFT算法和Chirp-Z算法;接着介绍了针对HRRP数据敏感性问题的常用预处理方法;最后介绍了四种经典的统计识别模型和卷积神经网络识别模型。2.阐述了CPU和GPU处理器硬件结构的区别,然后给出了针对多核心CPU处理器并行编程的C++11多线程编程方法,以及针对NVIDIA GPU处理器并行编程的统一计算架构(CUDA)的编程、执行模型。最后给出了CUDA并行编程的调试分析方法及内核优化技巧。3.详细分析了HRRP识别流程中各算法的并行结构,针对性地设计了相应的并行实现方案,完成了各个算法在CPU平台下的单线程实现和多线程并行实现以及在CPU+GPU平台下的多线程并行实现。通过仿真实验检验了各算法在两种并行实现方式下的运行结果,并以CPU单线程运行时间为基准,对比分析了两种并行实现方式下的加速效果。其中,分段脉冲压缩算法、DFT+IFFT算法、Chirp-Z算法、迭代对齐算法、最大相关系数(MCC)分类器和自适应高斯分类器(AGC)的建模、MCC识别、AGC识别、因子分析(FA)建模和复因子分析(CFA)建模过程的CPU多线程实现可以达到3～5倍的加速效果,相应的GPU并行实现也都可以达到5倍以上的加速效果;此外,基于卷积神经网络的识别方法也取得了一定的加速效果。这说明基于CPU的多线程并行实现方式和基于CPU+GPU异构平台的并行实现方式能够显著提升雷达目标识别任务的实时性。

关键词： 设施环境   信息采集   无线传感器网络   动态休眠   低功耗  

摘要： 环境信息监控对设施农业生产工作具有重要意义,无线传感器网络技术在设施农业环境信息采集系统中得到了广泛应用,对于不便于架设电源线而采用电池供电的设施环境信息采集系统,如何降低系统能耗、提高电能利用效率已成为研究热点。本文针对这一问题设计了一套低功耗无线环境信息采集系统。本文对系统软硬件结构、组网模式、节能算法等部分进行了研究,开发了一种基于Wi-Fi的无线设施环境信息采集系统,并设计了动态休眠节能算法,实现了系统的低功耗稳定运行。系统由数据采集节点和数据汇聚节点组成,各节点由STM32F103VET6单片机、无线通信模块、环境参数传感器等部分组成。数据采集节点采集环境数据,采集完成后通过无线网络将数据发送至汇聚节点,汇聚节点接收数据后通过无线网络将其发送至服务器。为降低采集系统功耗,设计了三种动态休眠算法,即参数增量计算法、参数增量速度计算法、参数增量加速度计算法。首先在算法中确定环境参数采集周期和参数变化量预设值,参数增量计算法每一周期采集一次数据,将最新采集的参数值与初始时刻参数值做差后确定该段时间内的参数增量,如果参数增量不小于预设值,则开启网络发送该时刻数据,否则不开启网络;参数增量速度计算法和参数增量加速度计算法分别根据单位周期内参数变化量计算参数增量速度和参数增量加速度,根据计算结果确定参数变化量达到预设值所需时间,到达该时间后开启传感器和无线传输通道采集并发送数据。对系统进行组网测试后表明:本系统网络运行稳定、收发数据准确。为了研究不同功耗节点的降能效果,将采集节点按耗能量分为低功耗节点、中等功耗节点和高功耗节点,并设计了节能效果验证试验和数据准确性验证试验。节能效果验证试验表明:对带有高功耗传感器的节点加入三种算法后系统运行时间分别为不加算法时系统运行时间的1.8倍、2.27倍、2.1倍。参数增量速度计算法最节能、参数增量加速度计算法次之、参数增量计算法节能性最低。对三种算法数据准确性试验表明:节点加入三种算法后所采集的数据与理想值偏离率分别为6%、13.5%、6.5%,能够满足一般设施农业环境信息采集系统需求。系统已应用于河北省饶阳县水果温室大棚和河北省武邑县志豪畜牧科技有限公司羊舍。根据用户实际需求,温室大棚选用参数增量加速度计算法、羊舍选用参数增量计算法。系统运行稳定可靠,能耗低,可远程监测设施农业环境参数信息。

关键词： 有机薄膜晶体管   掺杂   迁移率   肖特基势垒   电荷注入  

摘要： 有机薄膜晶体管由于其柔性可穿戴、成本低、可低温制备和大面积生产等特点,被应用于有源矩阵平板显示、电致发光二极管和“电子纸”显示等。然而,由于有机半导体无法实现稳定的重掺杂,导致其有机半导体与电极之间无法形成欧姆接触,存在较高的肖特基势垒,极大地影响了有机薄膜晶体管的性能,阻碍了低功耗和高增益有机薄膜晶体管的实现与发展。因此,我们需要深入研究有机薄膜晶体管的肖特基势垒,并做到其势垒高度可调控,实现欧姆接触,以促成其更广的应用。首先需要挖掘的问题就是有机薄膜晶体管中实际肖特基势垒高度的提取。因为电极表面存在偶极子,金属-半导体界面存在缺陷和镜像力,以及有机半导体发生费米能级钉扎等原因,有机薄膜晶体管的实际肖特基势垒高度与通过莫特-肖特基规则计算的理论值存在较大的偏差,这对于制备欧姆接触的高性能有机薄膜晶体管来说,是极大的挑战。其次,如何降低有机薄膜晶体管的肖特基势垒高度以提升晶体管性能也一直是一个重大难题。对于有机薄膜晶体管而言,如何有效地调控不同晶体管的肖特基高度从而优化器件的电学参数,成了至关重要的问题。综上所述,为提升有机晶体管的器件性能实现大规模应用,非常有必要对肖特基势垒高度的提取方法、肖特基势垒高度的调控方式以及其对晶体管电学参数调控作用进行深入细致的研究。本硕士论文的主要研究工作及创新性成果简述如下:(1)研究不同源漏电极(Pt、Au、Cu和Cr)的IDT-BT薄膜晶体管,通过金属功函数的变化调控晶体管的肖特基势垒高度,并提取出其实际肖特基势垒高度,分析其对有机薄膜晶体管各项电学参数的影响。随着Cr、Cu、Au和Pt的功函数依次增大,其制备的IDT-BT薄膜晶体管的开关比从10增大到10,器件的迁移率也随着接触电阻的减小而变大,其中,以Pt为源/漏电极的IDT-BT有机薄膜晶体管有着最高的迁移率2.79 cmVs和最低的接触电阻1.06×10Ωcm。通过测试不同温度下的输出特性曲线,提取出消除了镜像力作用的本征肖特基势垒高度,发现其数值与通过莫特-肖特基规则计算的理论值存在很大差异。同时,以Pt为源/漏电极的IDT-BT有机薄膜晶体管的本征肖特基势垒高度为0.123 eV,说明其金半接触接近于欧姆接触,从肖特基势垒角度解释了以Pt作为接触电极的有机晶体管的开关比、阈值电压和亚阈值摆幅等性能最好的原因。(2)通过在金属-半导体接触界面加入铟中间层,研究铟中间层对N2200薄膜晶体管肖特基势垒的调控作用,并分析不同铟层厚度(0-20 nm)对N2200薄膜晶体管性能的影响。研究发现,当铟层厚度为10 nm时,N2200有机薄膜晶体管展现出最好的电学性能。随着铟层厚度从0 nm增加到10 nm,其器件的接触电阻显著减小,从10Ωcm迅速降低到10Ωcm,,但是当铟层厚度继续增大到20 nm时,接触电阻急剧增大。铟中间层可以有效地降低肖特基势垒高度,从而导致电荷注入的效率提高。当铟层厚度为10 nm时,N2200有机薄膜晶体管的迁移率最高,达到了0.324 cmVs,且器件展现出最低的亚阈值摆幅为0.87 Vdec。当铟层厚度大于10 nm时,铟层厚度增加的速度大于耗尽层宽度减小的速度,使得电荷从电极注入沟道层的距离增大,电荷注入的效率受到了限制,器件性能也因此发生了退化。同时,实验证明,铟中间层有效降低了晶体管的功耗,对实现低功耗N型有机薄膜晶体管有着重要意义。(3)研究了N2200-InO复合结构对薄膜晶体管的影响,通过InO的电子掺杂,研究了其对薄膜晶体管的迁移率、阈值电压和亚阈值摆幅等电学参数的调控作用。对比分析了N2200有机薄膜晶体管、InO氧化物薄膜晶体管以及N2200-InO复合型薄膜晶体管的电学参数,发现InO薄膜可以有效地对N2200有机半导体沟道进行电子掺杂,N2200-InO复合型薄膜晶体管的迁移率高达2.326 cmVs。N2200-InO双层结构还可以优化薄膜晶体管的阈值电压,N2200-InO复合型有机薄膜晶体管的阈值电压值为1.68 V,且亚阈值摆幅低至1.27 Vdec,满足了低电压器件的产品需求。同时,N2200-InO复合型有机薄膜晶体管的偏压稳定性较高,在施加了1h的50V偏压后阈值电压总偏移量仅为7.68 V,实现了低电压、高稳定性薄膜晶体管的制备。同时,实验证明,有机半导体与氧化物半导体的复合,对实现低功耗高增益薄膜晶体管有着重要意义。

关键词： 4H-SiC   IGBT   击穿电压   关断损耗   通态压降  

摘要： 碳化硅材料是一种具有高热导率、宽禁带、耐高温以及抗辐射能力强的半导体材料,近几年由于它优良的特性而受到国际社会的广泛关注,其在现代军事电子通讯系统、航天系统、电磁武器系统、高性能的雷达系统以及高铁牵引设备等国防和民用领域都有着巨大的应用前景。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）同时拥有金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）电压控制和双极性晶体管（BJT）饱和电流密度大的特点而发展成为当前最有竞争力的电子器件,它可以实现较低的导通压降;同时对于SiC IGBT器件来说,其关断损耗占据了功率损耗的绝大部分,通态特性和关断特性的折中问题一直都是器件设计时需要考虑的一个关键问题。针对这一问题,本文在传统沟槽型SiC IGBT结构的基础上,主要进行了以下工作:1、提出了阶梯型集电极异质结IGBT结构（SCH-IGBT）,其特征是将P+集电区深入到N-漂移区,同时引入了p-poly/p-SiC异质结,这样器件正常导通时,深入到N-漂移区中的P+区可以维持器件的导通特性,同时异质结的存在又为电子的泄放提供了额外的低阻通路。仿真结果表明,在击穿电压一致的前提下,改进结构的关断损耗提升了60.6%,同时导通压降提升了11.1%。2、提出了沟槽型异质结IGBT结构（TH-IGBT）,其特征是在器件集电极一侧引入了沟槽型的p-poly/p-SiC异质结,通过控制异质结两侧的掺杂浓度,使得器件在正向导通时,普通PN结部分和异质结部分都可以注入空穴到漂移区,同时器件关断时异质结部分为电子的泄放提供了一条低阻通路,从而可以降低器件的关断损耗。仿真结果表明,在击穿电压一致的前提下,改进结构的关断损耗提升了91.24%,同时通态压降提升了10.7%。

关键词： 物联网   低功耗广域网  

摘要： 对于如何在这个行业求发展,纵行科技经过几年的摸爬滚打形成了自己的一套打法。"所谓的物联网不是把东西连起来这么简单,连接只是一个手段而已。最终物联网应该是在各个行业的数字化转型这个大框架里面的。没有AI的物联网基本没有什么价值,或者说可能价值较低。"纵行科技CEO李卓群博士对AI与物联网之间的关系诠释道。

关键词： 逐次逼近型模数转换器   Σ-Δ调制器   混合结构   低电压   低功耗   失调校准  

摘要： 随着无线传感网络（Wireless Sensor Networks,WSN）技术的快速发展,环境变量监测、生物医疗及可穿戴便携设备得到了广泛应用。其中,低功耗、中高精度的模数转换器是必不可少的模块。在多种ADC结构中,逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）凭借其低功耗和结构简单的特点得到了广泛应用。然而,在某些要求高精度的应用中,delta-sigma ADC是一种常用结构。面向低电压低功耗的应用,论文设计了一款12bit精度、500KS/s采样率的ADC。在系统结构上,采用SAR ADC与Incremental sigma-delta modulator（sigma-delta调制器,SDM）的混合结构,该结构同时结合了SAR ADC低功耗和ISDM高精度的特点,SAR ADC完成10bit粗量化之后,由ISDM对其转换余量进行4bit的细量化,其中包含了2bit级间冗余。论文提出了一种基于MSB-Split结构的低电压、低功耗开关算法,在MSB-Split DAC结构基础上结合联合、浮置技术,即通过将差分两端的电容下极板共接以产生等效的第三参考电平和最后一位电容采用单边悬浮的方式,与传统开关算法相比,开关能量降低99.7%、电容数目降低75%;设计了基于时域积分器结构的IncrementalΣ-Δ调制器,在避免产生大量静态功耗的同时实现了ISDM完整的一阶噪声整形效果;考虑到SAR ADC中的比较器失调电压会导致粗转换余量超出ISDM的积分范围,采用了失调电压前台校准技术来消除比较器的失调误差;另外还设计了异步时序产生电路以确保ADC的有序工作。论文基于TSMC 40nm工艺设计了具体的电路和版图,并进行了前仿真和后仿真。核心版图面积为2708)*1908)。后仿真结果表明,在0.6V工作电压、500KS/s采样率下,有效位数（ENOB）为11.4bit,信噪失真比（SNDR）和无杂散动态范围（SFDR）分别达到了70.6d B、74.9d Bc。功耗为5.0μW,品质因子（FOMw）低至3.7f J/conv.-step,满足设计要求。

关键词： LoRa   NB-IoT   地面电视广播系统   RFID   LTE   共存研究  

摘要： 随着万物互联时代的到来,物联网连接设备爆发式增长,各种物联网接入技术不断涌现。应物联网远距离传输需求产生的LPWAN(Low-Power Wide-Area Network,低功率广域网)接入技术,具有高覆盖、低功耗、广域连接等特点,包括LoRa(LongRange)、Sigfox等基于免授权频谱的接入技术以及NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,窄带物联网)、e MTC(enhanced Machine-Type Communication,增强型机器类型通信)等基于授权频谱的蜂窝接入技术两大类。其中,LoRa和NB-IoT系统最先在中国商用。目前,LoRa系统的主要候选频段为470-510 MHz频段和920-925 MHz频段,在上述频段内部署LoRa系统时需要避免对相同和相邻频段内其他业务系统产生干扰。因此,本文将上述频段用于LoRa系统的可行性分析,开展LoRa系统与相关业务系统间的电磁兼容研究。运营商可在其已分配的FDD(Frequency Division Duplexing,频分双工)方式IMT系统频段上直接部署NB-IoT系统,可能会与相邻频段上其他业务系统产生相互干扰。随着NB-IoT系统的大规模商用,亟需开展NB-IoT系统与相关业务系统的干扰共存的研究。本文分别针对LoRa系统和NB-IoT系统的候选频段,开展了LoRa系统和NBIoT系统与相关业务系统间的电磁兼容研究。首先,针对470-510 MHz频段上LoRa系统与地面电视广播系统间的干扰问题提出了等效干扰模型,分析了在不同隔离距离下的受干扰程度,评估了两系统是否可以同频部署,给出了在该频段上部署LoRa系统的可行性分析。然后,针对920-925 MHz频段上LoRa系统与RFID(Radio Frequency Identification,射频识别)系统间电磁兼容问题,采用确定性计算,分析了LoRa系统与RFID系统间相互干扰情况,给出了在该频段上部署LoRa系统的可行性及干扰规避措施。最后,针对1800MHz频段上NB-IoT系统与1900MHz频段上的TD-LTE(Long Term Evolution,长期演进)系统间的干扰共存问题,提出了一种干扰等效模型,分析了干扰系统发射指标对受扰系统的的干扰程度并采用实验的方法评估了两系统可以邻频共存的频率间隔,为NB-IoT系统的部署提供了理论依据。

关键词： 嵌入式   数控系统   速度规划   加减速离散   多线程  

摘要： 在激光雕刻、表面贴装、3D打印等设备当中,嵌入式数控系统软件被广泛使用,因而改善其性能意义重大。为进一步改善嵌入式数控系统性能与可靠性,本文主要做了如下相关研究:(1)研究了嵌入式数控系统包括显示、译码、圆弧处理、速度规划、插补与加减速离散化及驱动等在内的常用功能及其原理;同时研究了各功能模块之间的调用关系,参数的传递、传递数据的结构与类型以及嵌入式数控系统软件框架等。(2)为了进一步兼顾加工的高效与平稳,给出了动态前瞻后顾规划算法及一套相对完整的加减速规划流程。首先将根据相邻两段直线之间的夹角大小来计算相邻两段直线之间的衔接速度;其次使用前瞻后顾算法,进一步约束相邻两段之间衔接速度以严格保证最后一段出口速度为零,并得到每段直线的入口速度和出口速度;最后根据每段直线的入口速度、出口速度、加速度和位移量等条件来细化速度随时间的变化过程,为计算插补周期准备条件。仿真表明,提出的动态前瞻后顾算法能有效提高加工平稳性与效率。(3)针对加工路径较长,精度要求不高的情形,为了减少计算量,并能够针对不同加工精度对“台阶”高度做出调整,使计算量和精度达到最优,对加减速离散算法做了部分改进,可以每隔多步计算一次插补周期。仿真结果表明,改进的离散算法能够显著减少迭代次数,并能够较为准确地描述和还原速度和位移随时间的变化关系。实物加工结果显示,于合适范围内选择算法参数对工件表面质量影响不大。(4)为进一步降低各功能模块之间耦合程度,提高程序执行效率,建立了一种基于环形队列与生产-消费模型的多线程软件框架,并给出了嵌入式数控系统并行化设计方案。将嵌入式数控系统按照不同功能和执行顺序分为了5个线程,降低了模块之间的耦合程度,可并发执行,提高了CPU等硬件资源的利用率。最后,搭建了实验的软硬件平台,实验表明,新提出的软件架构具备可实现性。

关键词： 压控振荡器   正交压控振荡器   低功耗设计   CMOS   相位噪声  

摘要： 压控振荡器（Voltage Controlled Oscillator,VCO）是收发机的核心器件,功能是为变频过程提供本振信号,本振信号的相位噪声直接影响整个系统的信噪比。同时振荡电路也占据了整机相当大的功耗,VCO的低相噪、低功耗设计近年来始终是研究的热点。本文对VCO的理论模型、结构分析和优化方法展开研究,基于GF 130nm的CMOS工艺设计了一款VCO,两款QVCO,主要研究内容和创新点如下:1、研究C类VCO的工作原理和性能指标,对比分析各种C类VCO的实现方法,采用基于体偏置的幅度控制电路完成了 VCO工作模式的自动转换。经Cadence平台的仿真与优化,最终的版图仿真结果显示VCO中心频率为10.5GHz,相对调频范围9%,直流功耗为1.8mW,相位噪声为-109dBc/Hz@1MHzoffset。FoM 可达 191dBc/Hz,在低功耗设计的基础上达到了良好的相位噪声与调频性能。2、提出一种结合C类VCO核心与衬底耦合技术的低功耗设计方法,推导了衬底耦合网络的等效注入电流的表达式,基于推导表达式的QVCO优化结果显示,本设计提出的QVCO中心频率为10.5GHz,直流功耗为2.5mW,相对调频范围,相位噪声为-115dBc/Hz,FoM达到191.4dBc/Hz,更适合需要低功耗的应用场景。3、对正交压控振荡器的工作原理进行研究,采用了串联耦合网络与跨导线性化技术,设计高精度、低相噪QVCO,在提高电压摆幅的同时降低了串联耦合对相位误差的影响。QVCO的仿真结果表明中心频率9.36GHz,相对调频范围5%,直流功耗8.36mW,相位噪声为-119dBc/Hz@1MHz offset。最高 FoM 为 198.5dBc/Hz。