关键词： Genomics   Bioinformatics   DNA   Tools   Sequential analysis   Instruction sets   Pipelines   DNA methylation motifs   motif finding   multi threads   MultiMotifMaker   Pacbio reads  

摘要： The methylation of DNA is an important mechanism to control biological processes. Recently, the Pacbio SMRT technology provides a new way to identify base methylation in the genome. MotifMaker is a tool developed by Pacbio for discovering DNA methylation motifs from methylated DNA sequences. However, MotifMaker is single-threaded and computational expensive for identifying methylation motifs from large genomes. Here, we present an efficient motif finding algorithm (MultiMotifMaker) by implementing multi threads of the MotifMaker. The MultiMotifMaker speeds up the motif search about 8-9 times on a 32 core computer comparing to MotifMaker. MultiMotifMaker makes it possible to identify methylation motifs from Pacbio reads for large genomes.

关键词： OLED   显示设备   MIPI   低功耗驱动   摆率  

摘要： 显示设备作为人与信息重要的传输媒介,从单一走向多元化,向更大尺寸、高分辨率、色彩丰富等方向发展。为匹配新的显示设备,接口性能要求逐渐提高,MIPI接口(Mobile Industry Processor Interface,移动产业处理器接口)以更低功耗、更高数据传输速率、多工作模式等优势成为广泛研究的热点。本论文基于一款高分辨率AMOLED显示面板,研究设计一种应用于显示设备的低功耗MIPI接口电路,整体电路架构包括低功耗发射、低功耗接收、电源与高速接收模块等。其中低功耗发射器在推挽输入端采用数字信号控制的非对称多支路电流源阵列对RC结构充电,以降低输入信号摆率;并在推挽结构输出端连接多阻抗支路,在输出端调整信号摆率。低功耗接收模块采用迟滞比较器结构降低接收信号的噪声敏感度。此外还进一步设计了MIPI低速时钟振荡器模块,用于低功耗模式下时钟参考。最后,基于UMC 80nm CMOS工艺完成整体MIPI芯片设计,芯片面积为4917um*631.4um,后仿结果表明,低功耗发射模拟电源最大功耗为4.33m W,数字电源最大功耗为50.99u W;标准模式下,负载在0-70pf下,最大输出摆率为369.9mv/ns;低功耗接收V=737mv,V=693mv,迟滞范围为48mv,MIPI各电路模块能正常工作,达到设计要求。

关键词： 测控通信模拟器   仿真软件   轨道仿真   多线程   串口  

摘要： 卫星测控通信模拟器是一种专门与地面测控通信系统在卫星发射前进行联试和对接的仿真设备,主要用于验证地面测控通信系统在接口、信息交换、测控程序的正确性和协调性。在历次卫星发射测控中,测控通信模拟器发挥了至关重要的作用。随着我国第三代航天测量船的投入使用并将参加各项测控任务,为确保测量船测控通信系统的功能正确,必须利用卫星测控通信模拟器进行联试检验,为新测量船研制新的卫星测控通信模拟器成为必然。在分析了卫星模拟器硬件系统功能特性的基础上,本文给出了基于MVC设计模式的多任务多型号的卫星测控通信模拟器仿真软件的设计思路,以MFC应用软件为基本框架,采用多线程技术和模块化技术设计了数据库交互、外测仿真、遥测仿真、网络数据收发、串口侦听、显示等功能模块。本文分析了各个组成模块的功能和实现原理,对卫星模拟器全态和简态仿真模式以及系统内部的调试支持做了进一步的分析探讨。卫星测控通信模拟器仿真软件可以为其它卫星等卫星实仿真任务提供基础平台支持。其模块化的设计使得仿真软件具有良好的可移植性、可扩展性。

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： 非刚性配准   心脏图像   互信息   统计形状模型   多线程   并行优化  

摘要： 社会经济的发展和生活方式的变化,尤其是人口老龄化进程加快,心血管疾病流行趋势明显,发病率和死亡率逐年升高,已成为威胁人类健康的主要危险因素,心血管疾病的预防和早期诊断对减少该疾病导致的死亡率具有重要意义。临床上,利用多种影像分析心功能参数、辅助诊断和治疗心脏相关疾病已广泛应用于工程实践,医学图像分析方法在此过程中发挥了重要作用。图像配准作为医学图像分析方法中重要的组成部分,可以将不同时相或不同模态的影像进行后处理,有效融合图像间的空间结构和解剖学信息,在检测疾病变化、指导临床诊断及疾病治疗等方面存在广泛的研究和应用价值。许多临床应用依赖于形变配准,而相似性度量方法的选择是决定能否精确配准的关键因素。根据度量方法的不同,医学图像配准大体上分为基于灰度信息的配准和基于特征的配准,其中,基于灰度信息的配准是利用图像之间灰度信息度量的相似性确定配准质量,但该方法较少考虑图像间的空间关系、目标结构形变等影响,而且,互信息并不是一个凸函数,在配准过程中容易陷入局部最优造成错误对齐的风险。基于特征的配准方法主要采用不同的特征描述符或相似性度量准则确定配准的准确性,其配准精度依赖于特征提取的差异。本文主要以互信息非刚性配准为研究背景,在此基础上融入了目标形状先验特征引导心脏图像的多模态配准过程,并对提出算法的具体效果和性能进行了较为深入的研究。本文的主要研究内容可概括为以下几个方面:1.针对互信息方法仅考虑图像间的灰度统计关系,在多模态图像配准中由于灰度信息差异较大,配准效果不理想等问题,本文提出一种结合统计形状模型约束的多模态心脏图像配准方法。首先,基于图谱标签图像提取目标形状特征点建立统计形状模型,它通过标签图像训练集的建立、模板标签图像形状特征点的提取和模板形状到待标记形状特征点的自动传递来完成。然后,本文在基于统计形状模型的基础上,利用学习得到的形状先验构建约束项,形成新的代价函数引导多模态心脏图像配准过程。最后,通过具体的实验结果表明,本文提出的方法相较于单互信息的配准方法配准精度有明显提升。2.针对统计形状模型算法运算量大,计算时间长的缺点,本文基于并行计算思想对统计形状模型算法进行了优化,提出了基于统计形状模型约束的快速配准算法。首先,本文对统计形状模型算法的具体计算过程做了较为详细的分析,并研究了导致统计形状模型算法耗时的具体原因。然后,在基于多线程并行计算方法的基础上对导致该算法耗时的梯度计算过程做了优化,并对其进行了实现。最后,通过实验证明了该方法的有效性,在保持配准结果精度不变的情况下大幅提升了算法的性能。

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。