关键词： 全数字发射机   信号分离模块   相位调制器   谐波抑制  

摘要： 随着CMOS工艺的进一步发展，全数字发射机凭借其复杂度低、移植性强以及功耗面积小的优势，成为发射机研究领域的热点。LINC发射机作为一种高效率发射机结构，极具发展潜力。然而受限于射频电路的固有特性，数字LINC发射机的实现过程面临着种种问题。本文以低功耗和高性能为设计目标，对全数字LINC发射机的关键技术进行研究与设计。成果如下:　　(1)提出一种应用于信号分离模块的非均匀分段线性拟合算法。该算法通过对不同非线性函数统计特性分析，选择更为合理的分段区间，最终实现1.01e-4的SSE与-65dBc的ACLR特性，基于提出方式的系统吞吐率为1.45GSample/s，与CORDIC相比，提升3倍。　　(2)提出一种旋转相移的高线性度、低功耗相位调制器。采用时钟门控模式避免数控延迟链的无效翻转;采用复用粗调减小两路信号不匹配并降低功耗;采用自定时电路实现无毛刺旋转相位调制。基于SMIC130nm工艺，提出的相位调制器功耗为0.45mW，RMSjitter为1.3ps，与传统无限延迟调制相比，实现10dB ACLR性能提升及9.76dB EVM性能提升。　　(3)提出一种抗混叠谐波消除模块。通过基于CPE的相位调制，克服数字采样处理的镜像问题;同时采用谐波消除算法，抑制方波的各谐波分量。提出的算法可实现-65dBc的ACLR，-100dBc的二次谐波抑制以及-65dBc的三次谐波抑制。高质量的发射信号性能，既可以减小PA中匹配网络的设计难度，又能够提升系统能效。　　(4)基于提出算法与结构，在130nm CMOS工艺下完成LINC发射机系统设计验证。系统最小分辨率0.96ps，延迟范围0～40ns，可满足25MH～5.5GHz的通信标准应用;发射机归一化功耗18.2uW/MHz/V2，与同类型实现相比具有一定优势;PA前信号的ACLR为-60.96dBc，EVM为-36.93dB，具有较高的性能。

关键词： CMOS图像传感器   高动态范围   低功耗   Ramp ADC   双沿  

摘要： 本论文的主要内容是基于新提出的高填充因子的双增益像素及低功耗斜坡模数转换器（Ramp ADC）,研究设计了一块高动态范围（HDR）、低功耗的CMOS图像传感器芯片。并在此基础上,通过对Ramp ADC的计数逻辑部分的简单修改,提出了一种简单有效的双时钟沿计数方法,提高了ADC的转换速度。通过高速大分辨率全局快门传感器的设计与测试进行了验证。本论文首先提出了一种高填充因子的高动态范围像素结构,这种像素的实现不需要生产工艺的调整,可以采用标准的CMOS图像传感器工艺。该像素基于外溢漏极（overflow）双增益高动态范围像素,通过减少像素中元器件的数量实现高填充因子以及灵敏度,能够更广泛的应用于低光照、高动态范围的图像传感器中。本论文也提出了一种低功耗的Ramp ADC结构。传统的Ramp ADC采用一路计数时钟对转换后的时间进行计数,其计数次数随着输入信号改变,功耗较大。本论文提出的双时钟计数方式,采用高低频率不同的两路时钟对时间进行计数,大大降低了一次模数转换的总计数次数,从而降低了计数器及传感器的功耗。基于提出的高动态像素及低功耗模数转换器,设计了一块高动态范围、低功耗图像传感器。除了本论文提出的像素和ADC模块,该图像传感器片上集成时序生成,高速数据传输等多个模块,降低了使用的复杂度。通过对图像传感器的测试,验证了所提出的像素和ADC结构的有效性和优越性。为克服Ramp ADC转换速度相对较慢的问题,本论文提出一种双沿计数方法,通过对ADC计数逻辑单元的简单修改,对高速计数时钟的上升沿和下降沿同时计数,降低模数转换的时间至原计数方式的一半。这种方式不需要像其他的双沿计数方式一样成倍的增加模数转换器的面积及功耗,适用于低功耗、低成本的应用。通过一块基于电荷域全局快门像素的高速图像传感器的设计与测试,验证了双沿Ramp ADC结构的功能。

关键词： 蓝牙室内定位   基于RSSI的测距模型   区域加权-卡尔曼滤波算法   动态系数加权质心定位算法   数据采集系统  

摘要： 随着移动互联网与物联网浪潮的推进,利用卫星定位核心技术开发的众多位置服务应用正不断融入人们的生活,日益不可或缺。然而,人们日常生活的大部分时间都在室内,微弱的卫星信号在室内会带来很大的定位偏差,甚至不可用。因此,室内定位技术研究受到广泛重视,进而出现了以蓝牙、WiFi和蜂窝移动等无线通信技术为基础的室内定位技术。近年来蓝牙技术的快速发展,其功耗低、可网状组网和普及广泛的特点,成为室内定位技术研究和开发的焦点。利用蓝牙无线信号定位,面临着不同室内复杂环境对蓝牙信号的随机扰动带来的传播模型优化,蓝牙信号的预处理和特征选择,以及基于几何模型定位算法的改进等问题的挑战。本文中以可视距的室内环境为实验场景,从基于RSSI的测距模型研究、区域加权-卡尔曼滤波算法的设计和动态系数加权质心定位算法的设计三个部分来实现本文的算法研究。在基于RSSI的测距模型的研究中,通过采集到的实验环境中蓝牙信号在不同传播距离时的RSSI值,采用线性回归模型以最小二乘原理来对测距模型参数进行优化。通过设计的区域加权-卡尔曼滤波算法对实验环境中采集到的RSSI数据进行预处理来提高整体实验结果精度。动态系数加权质心算法是以传统加权质心定位算法为基础,通过对其权重值设定方法进行改进,提出动态系数权重的设定策略来提高定位结果的精度。在本文最后,以CC2640r2f低功耗蓝牙开发板为硬件平台设计出参考节点和目标节点来完成实验环境的搭建,并通过蓝牙协议栈的API接口开发了数据采集系统进行实验数据采集,从而实现了对文中算法的验证。实验验证结果表明,本文中提出的动态系数加权质心定位算法相对于传统的加权质心定位算法在整体的定位精度上有约34%的提升,定位性能有明显的改善。

关键词： 传感器网络   低功耗   分层技术   簇间传输  

摘要： 无线传感器网络是人们日常生活中信息采集获取与分析处理的重要工具,提升网络的生存期和能量效率是传感器网络需要解决的关键问题,利用传感器网络分层技术可有效降低网络整体能耗和提升生存周期,其中分簇方法和簇间传输是目前分层技术重要的研究方向。目前分簇方法和簇间传输的研究仍面临着严峻的挑战,如能量制约、拓扑变化、硬件资源受限以及复杂环境等问题,必须充分考虑这些因素,才能保证分簇方法和簇间传输的高效率。本文调研了当前主要的分簇方法和簇间传输策略,分析了它们的设计原理和架构,并基于目前的研究现状对分簇方法和簇间传输技术展开了研究与设计。本文的主要工作与创新在于:深入研究了目前基于能量的异构无线传感器网络应用场景下分簇方法所面临的问题,通过对传感器网络分簇方法网络拓扑模型、能耗模型以及最优簇首数目的分析,结合目前的研究现状设计了一种低功耗的分簇方法。该方法基于降低节点能耗和延长网络生命周期以及负载均衡的角度,在选择簇首时考虑节点的剩余能量、能量消耗的快慢、能量热区问题以及公平性等因素,使网络能够更合理的选择簇首,并设计了相应的方案流程图,经验证该方法较好的满足传感器网络降低能耗的需求。在簇间传输的研究中,本文首先对簇间传输的方式以及能耗大小进行理论分析,针对传感器网络距离Sink较远的场景设计了基于遗传算法改进的簇间传输策略,目的是降低网络在传输路径上的能量消耗,延长网络的稳定周期。并在节点簇首数量较多的情况下,提出与区域相结合的方式进行簇间传输,增加了提出策略的可扩展性和鲁棒性。本文在模拟传感器网络场景下,从不同的角度分析了改进方法的可行性,同时对改进方法V-SEP与目前的方法P-SEP、SEP方法进行仿真和实验,仿真结果证明改进方法在网络的稳定周期上相比P-SEP方法提升5%,在节点存活率上相比P-SEP方法提升13%,验证了所提方案的合理性和可靠性。

关键词： 多核技术   任务调度   多线程   粗粒度  

摘要： 随着半导体工艺技术的快速发展,集成电路的规模越来越大,传统的单核系统设计不再满足设计要求,多核技术成为当今处理器发展的主要方向。多核系统拥有众多的计算核心,通过将计算任务分配给不同的处理核心可以大幅提高计算性能,因此如何合理高效进行任务调度,确保全部处理核心处于有效工作状态是当今多核系统研究的一个重要方向。多核任务调度的关键难点在于发掘任务并行性,超标量技术和多线程技术是当今高性能处理器开发指令并行性的主流技术,本文借鉴指令并行思想,结合多核系统中任务的粗粒度特性,给出了一种新型的粗粒度多线程多核体系结构,在传统多核架构中增加控制处理器,控制处理器利用多线程和乱序多发射思想提取任务的并行性,将可并行的任务发射到不同处理核心执行,提高处理核心的利用率。论文的主要工作如下:首先介绍了粗粒度多线程多核体系结构系统模型,将系统的任务执行指令化,给出了一种“线程指令+任务指令+底层指令”的层次化编程方法,使得控制和计算分离,降低用户编程难度。其次研究了任务并行化方法,分析指令级并行和任务级并行的区别,分析任务级应用多线程技术和乱序执行技术所面临的问题,并针对任务的粗粒度特性提出了任务级多线程取指策略、资源分配策略和线程切换机制。再次对论文所提出的多线程控制处理器进行设计实现,介绍和分析了各关键模块的设计原理和实现方案,同时在控制处理器中加入资源管理机制实现资源的动态分配,提高资源利用率。最后,论文将设计的控制处理器集成到目标多核系统中,进行测试和性能评估,通过加载不同的任务指令验证了控制处理器的正确性,并提出了进一步优化的方向。

关键词： 唤醒接收器   注入锁定振荡器   校正  

摘要： 近年来物连网的兴起，无线通讯能力在物连网中是一重要因素，藉由无线感测网路的侦测，感测器才能与资料中心沟通；然而在无线感测网路系统中，无线接收器与发射器耗能高达总能量的90%， 因此超低功耗收发器是延长寿命一大关键。 目前的感测器皆为电池所提供，为了延长感测器的生命，几乎都是以减少工作周期来增加寿命，但是接收器却无法以此方法来达到节能的效果，因为当发射器发送讯息而接收器却在休眠，会造成传送失败，所以用这种方式的收发器需要克服同步的问题，最近的技术是使用一辅助接收器，称为唤醒接收器，唤醒接收器能够克服上述困境。 近年来 注入锁定(Injection-locked)的技术大量的使用於OOK或FSK的超低功耗接收器上，相较於FSK，OOK一般适用於短距离无线运用，以及在发送 '0' 时节省发送功率。Injection-locked的灵敏度保持在最高值，才能确保唤醒接收器在最高的灵敏度，以OOK为调变的接收器上，当接收器接收到 '1' 的讯号时，注入锁定震荡器会输出最大的电压摆幅；反之，当接收讯号为 '0' 时，注入锁定震荡器没有输出摆幅。此外，接收器所接收的讯号强弱会随着与发射器的距离不同而改变，为了达到省电的目的，此论文提出了一利用数位方式完成的校正机制，藉由控制注入锁定震荡器电流，来确保注入锁定震荡器在制程、温度、电压改变下能够正常运作，以及优化接收不同强度讯号时之功耗。 在校正电路方面，是利用SAR(Successive approximation)逻辑来控制注入锁定震荡器的功耗。首先发射器会先传送一连串足够的 '1' 讯号来校正电路，若接收端接收到OOK讯号为 '1' 使得注入锁定震荡器振荡，振荡讯号藉由波峰侦测器转为直流电压，再与比较器之参考电压做比较会得到 '1' 的输出结果，逻辑控制会继续SAR搜寻，直到接收讯号'1'时振荡器不再震荡结束搜寻，相反的，若接收'1'讯号振荡器无法使震荡器振荡，则逻辑控制执行SAR搜寻，直到震荡器振荡。结束SAR搜寻後，数位控制会找到一个数位控制码Dlow，Dlow是在接收讯号为'1'时能够维持振荡的最低的数位控制码。在传送一连串的'1'讯号後是一连串的'0'讯号，逻辑控制执行SAR搜寻，搜寻到数位控制码Dhigh，Dhigh是在接收讯号为'0'时能无法振荡的最高的数位控制码。在Dlow与Dhigh区间是能够确保振荡器在制程、电压、温度及接收讯号强度下能够良好的运作，Dlow与Dhigh中间值则是我们所需之最安全的操作点。 本论文使用UMC18制程实现出具数位辅助注入锁定校正之超低功耗唤醒接收器，本论文接收器消耗23.9μW时灵敏度为-63.7 dBm，此时传输速度为为33 kb/s，此时电路接收每单位资料所需之能源消耗为0.72 nJ/bit。

关键词： 磁通门磁强计   小型化设计   立方星   地磁测量  

摘要： 地磁场是地球基本物理场之一，卫星磁测是探测地磁场的一种途径。磁通门磁强计具有高稳定性、高分辨率、矢量测量等特性，是磁测卫星的常规载荷。近年来，立方星(Cube-Sat)发展迅速，并被应用于地磁场测量，因此对小型化、低功耗全数字式的星载磁通门磁强计的需求不断增加。　　本论文的目标是发展适用于Cube-Sat的小型化低功耗全数字式的磁通门磁强计整体设计技术。在磁通门磁强计的探头设计与加工、硬件电路和软件控制设计等方面取得了如下成果:　　(1)在探头设计中，主要是进行结构设计和材料选择来实现仪器小型化、低重量，并进行了试验验证。对比了平行磁通门和正交磁通门探头的区别，确定了使用平行磁通门设计，使用坡莫合金作为磁芯材料，圆环型结构磁芯，感应骨架选用了聚醚醚酮材料。聚醚醚酮骨架代替铝骨架，每个骨架减轻了1.5克，减轻了57.7％的骨架重量。设计中将感应线圈和反馈线圈合并，节约体积约20％，同时也减轻了重量。　　(2)硬件电路中低通滤波器、压控电流源等的改进和PWM反馈控制软件模块的组合，实现了高精度、小型化、低功耗，使得仪器设计满足Cube-Sat的载荷要求。硬件电路板总尺寸为10×10×3cm3，符合Cube-Sat的要求10×10×10cm3。提高AD位数，改用24位的AD转换器来提高精度。将感应信号的谐振放大设计出窄带带通滤波器，更加通用和便捷。设计中使用轨到轨运放，可以达到设计的边界值。配合算法的设计，去掉了DAC设计。硬件电路的改进和设计，保证了仪器的精度，降低了仪器的功耗。　　(3)在可编程逻辑器件FPGA的控制下，使用数字化的脉冲宽度调制技术来实现反馈控制，实现了较为精确的比例控制，进而将测量结果通过串口通讯实时反映到上位机。软件设计部分每一个控制和功能模块实现了信号控制和处理的数字化，特别是PWM反馈控制系统减少了DAC的使用，减少了外面环境对于仪器的干扰，控制位数精确到了12位。　　(4)磁通门磁强计设计完成之后，制定了试验方法进行测试，各个硬件部分和软件部分功能正常，达到Cube-Sat全数字磁通门磁强计的小型化、低功耗的设计预期。

关键词： 无线充电   中继协作   优化   机器学习  

摘要： 随着物联网产业以及无线传感器网络技术的飞速发展,感应节点工作的可持续性问题日益凸显。由于节点寿命有限且置换不便,传统基于电池的供电方式已不再适用于这种能量受限的传感器网络,因此无线射频(radiofrequency,RF)能量收集(energyharvesting,EH)技术应运而生。无线电能量传输具有可控性,能够对网络中的节点进行持续供电,并且能够同时携带能量和信息,因此,无线充电通信网络(wireless powered communication network,WPCN)成为极具吸引力与创新性的研究领域。本文主要考虑在无线充电通信网络场景下进行信息和能量的传输机制设计和资源分配算法研究,并对系统网络布局以及无线资源做出优化配置,从而实现通过无线射频能量采集技术延长网络的使用寿命。具体来说,本文在三个节点组成的多输入单输出(multiple input single output,MISO)无线广播系统中研究了射频能量和信息传输的问题。在所研究的问题中,多天线发送节点作为信息源为两个单天线接收节点传输信息,其中一个接收端作为具有最佳服务质量(quality-of-service,QoS)要求的用户具有稳定电源供给,并为另一个无源接收端提供信息的中继转发服务和射频能量传输。为了进一步提升系统频谱效率,本文采用非正交的传输方式;并且,为了提升理论研究与实际情况的契合度,本文采用非线性能量采集模型。本文的创新点及主要内容包括以下三个方面:(1)在单时隙MISO下行链路系统中,设计了一种基于“三阶段”的传输协议,提出了一种高效的资源分配算法。算法实现了各阶段的时间比例优化、波束赋形设计和转发功率控制,从而保证了无源节点信息传输的可靠性和有效性,并且最大化的提升了系统吞吐量。仿真结果验证了该算法的良好性能。(2)在多时隙MISO下行链路系统中,提出了一种基于指示函数的传输策略,设计了基于遍历搜索、基于能量门限以及基于稀疏优化的三种算法,并成功地解决了多时隙联合优化问题,实现了业务机制选择、波束赋形设计以及转发功率控制。实验仿真与对比验证了基于稀疏优化算法的有效性与可靠性。(3)创新性地采用基于机器学习的方法对本文多时隙联合优化问题进行训练与学习。通过有效调整网络结构、超参数等,训练出一个全连接的前馈神经网络,实现了业务机制的选择。仿真结果证明了该方法具有很好的泛化性能,并且在保证系统性能的前提下显著提升了系统运算效率。

关键词： 超低电压   SRAM   稳定性   位交错   低功耗  

摘要： 超低电压电路设计可以有效降低功耗而被广泛用于物联网应用(Internet of Things,IoT),比如无线传感网络和植入式设备。因此在这些设备中需要超低电压静态随机存取存储器(Static Random Access Memory,SRAM)电路系统,以降低电路功耗。虽然缩小电源电压会降低功耗,但是这会降低SRAM单元读稳定性和写能力,甚至发生读写错误。另一方面,随着电源电压的减小,软错误率将会明显增加。为了增强超低电压SRAM设计的软错误免疫性,通常采用位交错结构,从而可以用传统的编码纠错(Error Correction Code,ECC)技术修正这个错误。然而,当位交错结构被使用时,会带来半选问题,这会降低半选单元的稳定性,限制电源电压的进一步降低。另外在超低电压下,读位线漏电流也成为一个主要问题。它会影响位线的摆幅,甚至会导致读取错误。因此,设计一个可以适应于位交错结构的高稳定性SRAM单元具有重要意义。本文针对超低电压SRAM设计中存在的问题和挑战,提出了相应的解决方案。首先,我们概述了超低电压SRAM设计中的挑战,包括单元稳定性、位线漏电流和软错误问题。其次,根据现有的解决方案,我们提出了一个新的适用于位交错结构的超低电压SRAM单元设计,并详细介绍了所提出单元的结构和工作原理。为了评估提出的SRAM单元的性能,我们通过HSPICE仿真,对提出的单元与已有的单元的噪声容限、写裕度、读写时间以及功耗等重要性能参数进行比较。实验结果表明,提出的SRAM单元具有高的噪声容限和写裕度。在0.5V电压下,其读噪声容限和写裕度分别是传统6T单元的19.8倍和11.84倍。考虑最差工艺角和3?失败率,提出的SRAM电路的最小工作电压为0.435V。另外,它消耗较少的动态和静态功耗,其静态功耗比传统6T单元减少了53.3%。最后,本文用40-nm标准CMOS工艺设计了一个容量为4kb的SRAM电路,并画出相应版图。仿真结果表明,在TT工艺角、25℃和最小工作电压0.435V下,其工作频率为9.3MHz,读写功耗分别为4.08μW和3.85μW,静态功耗为0.705μW,写读一次能耗为0.853pJ。

关键词： 物联网   进程模型   低功耗技术   低功耗算法   电池性能  

摘要： 物联网技术经过不断发展和创新,相关技术已经日臻成熟。在广域物联网领域,以NB-IoT,LoRa为代表的技术也逐渐开始投入应用。由于广域网的环境特殊性,一般采用各种电池作为供电模块,因此对物联网硬件系统功耗提出了更高要求。本文主要针对低功耗物联网,以降低系统功耗为目的,从硬件和软件两方面着手进行研究,主要工作如下:首先,研究了计算电路系统功耗的相关技术,推导了CMOS的电路功耗和工作频率之间的关系,为计算系统功耗提供理论基础。分析了NB-IoT模组为代表的硬件低功耗技术的特点及低功耗实现原理,对比了基于状态的低功耗算法(DPM,Dynamic Power Management)和基于性能的低功耗算法(DVS,Dynamic Voltage Scaling),给出了算法的低功耗性能及适用场景。其次,基于抽象的广域物联网进程模型,提出了适用于广域物联网环境的基于状态的低功耗算法,基于进程模型对进程之间存在的依赖关系,提出了面向进程集的RD-LEDF算法。并结合电池的放电特性,优化RD-LEDF算法,达到降低系统功耗,合理使用电能,延长电池工作时间的目的。最后,详细分析了提出的RD-LEDF算法的时间复杂度,空间复杂度和低功耗性能。基于通用的硬件模组,实现了广域物联网进程模型中基于状态的低功耗算法,并验证了其低功耗效果。