关键词： 环形数控振荡器   频率分辨率   相位噪声   Sigma-Delta   注入锁定   低功耗  

摘要： 在过去的数十年里,锁相环(PLL)作为本振振荡器在无线通迅系统中占据了无可替代的地位。环形数控振荡器(DCRO)是全数字锁相环的基石,其决定了整个锁相环的输出频率范围和带外的相位噪声。随着通信产业的迅速发展,人们对高质量、高速度的通信需求持续增长,因此关于高精度环形数控振荡器的研究也得到了广泛的关注。本文针对应用于ZigBee系统的DCRO电路进行了深入研究,并基于TSMC 130nm CMOS工艺完成了DCRO电路的具体设计工作。本文设计的Sigma-Delta DCRO主要包括延迟单元电路、电容调谐阵列电路、Sigma-Delta调制电路和输出缓冲器。其中,延迟单元电路采用差分结构缩短了信号传输的延时;电容调谐阵列电路采用粗调和精调电容阵列并联的谐振网络,精调级单元创新性地采用两对反向并联连接的PMOS电容对的设计,实现了DCRO的频率微调;Sigma-Delta调制电路能够保证振荡频率符合要求的同时进一步提高振荡器的精度;输出缓冲器起振荡器输出信号电压缓冲的作用。仿真结果表明:Sigma-Delta DCRO可以正常工作,输出信号的中心频率在2.4GHz附近,并且频率分辨率精度达到33kHz,相位噪声为-107.9dBc/Hz@1MHz。为了进一步达成DCRO电路高性能低功耗的设计指标,本文又提出了一款工作在近阈值电源电压下的注入锁定型DCRO。本次设计采用互连电容来改变每一级延迟单元输出信号的相位,从而改善了振荡器相位噪声性能,同时对电路中的传统MOS管开关加以改进,克服了传统MOS开关在低电压下不能完全正常工作的缺点。仿真结果表明:注入锁定型DCRO可以正常工作,并且可以实现十二相输出,相位噪声为-114.85dBc/Hz@1MHz,功耗仅有0.68mW,真正意义上达到高性能低功耗的设计指标。

关键词： 低功耗   非对称   过采样   Wi-Fi   抗干扰  

摘要： 物联网产业及技术的蓬勃发展使得物联网设备产生的通信流量爆炸性增长,Wi-Fi协议因其高传输速率及高频谱利用率适用于物联网场景中,然而过高功耗极大降低了物联网设备的使用寿命。目前一种重要低功耗技术为非对称性的收发机结构设计,其利用收发端非对称的特性提高其中一端能耗以补偿降低另一端的能耗。然而,现有非对称收发机需对收发端均进行修改,导致设计复杂、与现有设备兼容性差,此外其无法妥善解决较低的发射功率导致的设备间干扰问题。因而提出一种设计简洁的低功耗、抗干扰非对称收发机设计具有十分重要的研究意义。本文针对物联网终端和接入点设备能量及硬件资源不对称的特点,提出了基于Wi-Fi协议的非对称过采样架构,该设计降低终端发射功率,而提高接入点采样率获得多份冗余信号,利用信号间相位相关性通过相位补偿算法保证解码正确率。本文基于过采样机制设计了改进的定时同步算法以提高同步准确率。针对过采样信号间码间串扰,提出去循环前缀算法以解决过采样下信号失真问题。此外,本文针对低信噪比下的信号干扰问题,提出基于核密度估计构建干扰模型,从而降低干扰信号影响的抗干扰解调算法。本文基于所提出算法利用USRP软件无线电平台对非对称架构解码系统进行了实现,根据系统实际解码性能评估,非对称架构解码系统相对于现有Wi-Fi协议降低超过30%的发送端功耗,并在同道及旁道干扰环境中依然能够有效降低误比特率。同时由于无需对发送端做修改,该算法适用于市场上大部分兼容Wi-Fi协议的物联网终端设备。

关键词： 低功耗蓝牙   自组织网络   泛洪   能量优化  

摘要： 低功耗蓝牙自组织网络（以下简称蓝牙mesh）是低功耗蓝牙的一种全新拓扑结构的网络。蓝牙mesh网络利用基于传统泛洪算法的路由协议进行数据包的传输,模式简单。但是,采用这种传统泛洪式的广播会造成网络中节点的不必要转发,从而导致节点以及整个网络的能耗较大,这对电池供电、网络数据量较大等mesh网络而言是不适用的。因此,设计并实现合适的路由协议,以优化网络中的能耗,对扩展蓝牙mesh的应用范围有着重要的意义。本论文以蓝牙mesh管理型泛洪（Managed Flooding）路由协议为基础,从减少参与转发的节点数量着手,通过引入转发优先权、转发抑制和延时转发机制,设计了能量优化泛洪（Energy Optimization Flooding,EO-Flooding）路由协议。其中,转发优先权是基于收发节点间距离以及接收节点剩余能量信息设定的。延时转发是结合转发优先权对节点转发进行延时,延时时间由转发优先权确定,且转发优先权越高,延时时间越短。转发抑制是在延时时间到达后,节点根据转发抑制机制判断是否能够转发数据包。以上三种机制相辅相成,共同抑制了部分节点的不必要转发,降低了网络能耗,减少了数据冲突概率。本论文基于Nordic公司的nRF5 for mesh（Nordic mesh）协议栈对EO-Flooding路由协议进行了实现,并采用以nRF52832最小系统为基础的蓝牙硬件平台进行实测分析。选用20个nRF52832蓝牙设备,在设备组网的前提下对所实现的路由协议的网络性能进行了测试。测试结果表明:与Nordic mesh路由协议相比,EO-Flooding路由协议的网络总能量消耗减少了18.87%且平均端到端时延增加低于17%,达到了预期的设计指标。本论文的研究成果对蓝牙mesh的应用扩展具有一定的价值。

关键词： 光触发   光窗   超级电容器   状态设计   低功耗  

摘要： 为了研究火炮膛内压力的分布情况,需要进行膛内压力多点测试。然而,目前测压器采取的内触发方式,难以满足多个测压器同步触发的条件。本文在电容式电子测压器的基础上将其触发方式改进为光触发,来达到同步触发的目的。另外,现有的测压器采用的聚合物锂电池供电,锂电池能量密度低、体积大、退化后反应变慢,使用中存在潜在不安全性,针对这种情况,本文研究了新型供电电源-超级电容器。本文具体研究的内容如下:对光触发技术从原理和电路实现上进行了分析和设计,并对光触发式电子测压器的工作状态进行了分析。根据光触发式电子测压器的工作特点,测压器被触发后直接进入采样环节,跟内触发方式相比,没有了循环采样和负延迟阶段,从而降低了系统的功耗,对测压器系统的功耗进行了计算。对超级电容器Eecs0hd334h的电容电量和充放电特性进行了试验研究,设计了适合测压器系统的超级电容器放电电路。分别对超级电容器的放电电量进行了理论计算和实际测试,超级电容器可以给负载提供稳定的供电电压和电流。对比光触发式测压器系统的功耗,超级电容器的输出电量可以满足测压器系统的功耗。相对比锂离子电池,超级电容器的体积更小,从而缩小了测压器的体积。设计了适合光触发方式超级电容器的测压器壳体结构,并运用ANSYS有限元分析软件,对设计的测压器模型施加600MPa的压力,进行承压仿真试验。依据仿真得到的应力云图,验证壳体结构的合理性,并由此得出合适的光窗厚度和测压器外筒厚度。从而可以算出测压器壳体的体积。

关键词： 智能音箱   语音识别   语音交互   架构优化  

摘要： 2017年亚马逊的智能音箱在美国已成智能家居类商品的爆款，国内的百度、小米、阿里巴巴、京东等知名企业也迅速推出同类产品，但目前市面上的产品都还处于初级阶段，产品功耗太大，无法用锂电池供电也就不方便移动;成本太高，产品售价居高不下，用户购买欲望不够。如何降低系统功耗和产品成本，具有理论研究和实践应用的价值。　　本文以如何提高智能音箱的用户体验为主要研究内容。首先测试分析了现有市场上的智能音箱，认为设备启动时间、待机功耗、硬件成本这几个方面都需要优化，针对设备启动时间长的问题本文提出以RTOS替换Linux/Android/iOS的方法来减少设备的启动时间的方法，本研究选用Nuttx操作系统，这个RTOS支持POSIX接口规范，方便移植各类第三方库以及后续软件开发。针对待机功耗的问题，本文提出了一种新的系统架构来优化这个问题，在系统架构上采用异构多核的方式来实现总体功能，其中以音频专用DSP处理语音信号，主CPU来处理网络通信和音乐播放，让不同的处理器核心处理各自擅长的事情，大幅度提高运算效率，从而降低系统运行功耗。产品在实际应用时，很大部分时间其实时处于待机状态。为了降低待机功耗，我们设计了一个低功耗协处理器负责检测麦克风信号，让系统空闲时进入睡眠，此时让协处理器不停地检测麦克风信号，当检测到较强语音信号时再把CPU和DSP唤醒再进行语音交互。因为RTOS相对Linux显著降低了存储需求，系统硬件成本明显降低。文章最后，我们对搭建的评估平台了进行了系统评测，在实现完整智能音箱的情况下，相比几个对比产品，在开机时间、系统功耗、硬件成本这几个方面有着明显优势。

关键词： 物联网   LPWAN   LoRa   NB-IoT   海上助航设备  

摘要： LoRa是低功耗广域物无线网络协议(LPWAN),主要应用于大型无线传感网络.本文首先针对目前LPWAN物联网通信技术的NB-IoT与LoRa的技术特点进行分析.结合海上油田生产中的助航设备状态监控场景,探讨基于LoRa技术的物联网的部署架构、无线传感器设计、通信协议与数据服务软件的及时要点.本文最后总结了LoRa技术在油气田生产和设备管理领域的发展前景.

关键词： 软件开发   智能教室   低功耗平台   HTML5   PHP   C语言  

摘要： 青少年的教育问题是现今中国家长们最为关注的问题之一。在农村地区，由于经济原因，大量孩子的家长都长时间在外打工，有大量的留守儿童在家中由年迈的老人照看，家长只能通过联系老师和家中老人才能知道孩子的情况，信息延迟非常高。具备监控查看以及学生成长记录功能的智慧教室系统，可以在一定程度上解决家长对于学生的教育以及监护问题。而存在留守儿童等问题的农村小学，却普遍存在资金短缺、规划缺失的问题，无力承担现有的智慧教室定制费用。　　本文结合某地农村一所小学实际情况进行了基于低功耗Windows平台的农村小学智慧教室的设计与实现，系统包含了照明控制模块、空调控制模块、多媒体控制模块、监控管理模块、基于人脸识别的考勤模块、学生的成长记录模块、用户权限管理模块、系统管理模块。这些模块分别负责不同的硬件控制以及信息管理等功能。在该所小学进行了实际部署与试运行效果良好。　　本文工作主要在控制系统开发方面：在软件上，控制系统采用了B/S架构，通过HTML5编写了控制端页面，利用PHP以及C语言编写了数据库以及硬件控制程序;在硬件方面，为了降低学校的后期使用成本，采用了低功耗的Windows平台。为了降低对教室内现有设施的影响，对空调等设备的控制采用了红外遥控的方式，对照明等设备控制采用了Wi-Fi开关的形式。　　系统用户有学生、家长、教师以及校内的管理员。学生以及家长通过登录管理网站，可以查看到学生在校监控、学生的成绩以及教师评语，教师以及校内管理员登录后，可以通过管理页面，进行权限内的设备管理。　　经试运行测试后，本文设计的智慧教室，能够满足农村小学对于智慧教室的需求，同时系统运行良好，反应速度较快，基本满足实用需求。为农村小学的智慧教室建设提供了完整可行的样例与方案。

关键词： 保护电路   电流采样   串联双比较器   低功耗   锂电池  

摘要： 近年来,随着新能源汽车行业的兴起,锂电池在日常生活中的应用范围不断扩大。其中,大功率动力锂电池更是获得了迅速的发展。由于动力锂电池的功率越大,危险性越高,因此,人们对锂电池保护电路也提出了更高的要求。锂电池保护电路是电池中不可或缺的一部分,它能够将电池的电压、电流限制在特定的安全合理的范围内,所以,保护电路的优劣会直接影响锂电池的使用寿命和安全性。目前保护电路朝着面积更小,耐压更高,可靠性更强的方向发展。因此,本文设计了一款耐压为25V的锂电池保护电路,它的过压保护电压为25V,欠压保护电压为20V,过流保护电流为3A,静态工作电流为30uA以下。在电路内部,本文提出了串联型供电的双比较器结构。该比较器具有对称分布的结构,它能够实现轨至轨输出。在适当的偏置下,两个比较器中的差分放大电路可以实现串联供电,并且能够互不影响地工作。然后本文对该结构进行了输入输出电压的仿真分析,证实了该结构的可行性。为了匹配串联的双比较器,本文设计了对称分布的电压基准源,偏置电路以及分压电路。使电压检测电路的总功耗降低了近一半。其次,本文还设计了一种高灵敏度的电流采样电路。它利用一对MOS管源极电压的差值与采样电阻的电压进行对比,并判断电流是否过大。这样的电路能够对极低的电压进行检测,从而降低了采样电阻的阻值与功耗。接下来,本文使用另一对MOS管作为对比,抵消了电流采样电路的温度系数,使它的温漂接近于零。然后,本文又通过恒流电路的结构,使它在检测电流时不受电源电压的影响。此外,本文还对过流保护的延时电路做出了设计,解决了过流保护被反复触发的问题。为减少电容等外部元件,延时功能采用数字电路实现。本文为数字部分设计了片内的供电模块和时钟模块。最后,本文将过流检测、过压检测、欠压检测等模块整合到了一起。并通过适当的电路对它们的输出端进行了电压匹配,使整个电路能够正确地控制外接MOS管,实现锂电池保护电路所要求的功能。

关键词： 溶液剪切法   有机半导体单晶   有机场效应晶体管   高k介电层   低功耗有机单晶场效应晶体管  

摘要： 二维有机半导体单晶具有晶体分子有序排列、无晶界、无杂质和缺陷少以及二维材料优异的柔韧性、高的透明性以及易于制作高度集成器件的优势,它是研究半导体分子的结构与性能之间的关系以及半导体材料的固有属性,探索载流子传输方式以及构成高性能器件和大面积柔性集成电路的最佳选择。吸引了越来越多的人的关注。目前,有机单晶研究较多的开展在基础研究方面,为了实现最终的目标我们还需要克服很多难题,其中最重要的就是实现大面积有机单晶的生长。溶液法生长有机单晶的优势在于可以在室温条件下采用更节能更低成本的方法制造,其中溶液剪切法对于大面积有机单晶器件的制备更具优势。所以,发展简单高效的溶液法制备高度有序的大面积二维有机单晶对有机单晶的本征性能以及探索更多有机单晶的应用领域具有重大意义。本文通过溶液剪切法以推进英寸级乃至晶圆级别的二维有机单晶的生长及有机单晶场效应晶体管的实际应用为目标,开展了一系列工作。本文的第1章讨论了有机场效应晶体管的发展历程,各种有机单晶生长方法和高k介电层生长方法以及有机单晶晶体管的构筑方法和应用。本文第2章讨论了溶液剪切法的改进方案,从流体力学出发,落脚于晶体生长,一共生长了5种有机P型小分子半导体和2种有机P型聚合物半导体的厘米级有机单晶,相比于没有改进的溶液剪切法,我们对有机半导体单晶在衬底上的覆盖率以及单晶的面积都有了很大的提升。我们利用溶液剪切法制备的有机单晶作为半导体层,实现了高达19 cm/Vs的载流子迁移率。本文的第3章论述了使用阳极氧化制备高k介电层(Al O),并在Al O衬底上制备了大面积有机单晶作为半导体层构筑低功耗有机场效应晶体管。最终我们在Al O上制备的低功耗有机场效应晶体管在-3V栅极电压达到饱和,最高载流子迁移率达到8 cm/Vs,器件亚阈值摆幅最低达到61 m V/dec,十分接近于理论极限值。

关键词： 跨阻放大   跨导放大   高优值   宽带   大压摆率   高增益   低功耗  

摘要： 运算放大器是各类线性放大电路中应用最为广泛的一种电路结构,同时也是模拟及数模混合信号电路系统中非常重要的基础功能模块,对系统各项性能指标实现起到关键性的作用。由于各项性能之间的内在制约关系,在低功耗的约束条件下,实现高性能放大器具有更高的理论与实用价值。因此,根据特定放大电路关键性能指标,定义优值因子(Figure of Merit,FoM),用以评估放大器综合性能。基于TSMC 0.35μm CMOS工艺,利用Cadence、HSpice等仿真工具,完成了两款高优值放大电路的参数优化和仿真验证。利用三级开环放大构成的电流并联负反馈闭环跨阻增益级,进行电流-电压转换,再经过电压放大和迟滞比较等处理,实现了77K低温下电流的微弱感应检测功能;在经典跨导放大电路的基础上,采用交叉耦合非线性和动态尾电流控制结构,实现了快速瞬态响应的跨导放大器,通过建模与跨导效率(g/i)相结合的设计方法,最终研制出两款针对不同应用的高优值放大电路。本文完成了两款高优值放大电路的MPW流片验证。测试结果表明:跨阻放大电路在77K低温下工作正常,能够检测到光生电流信号,并提出后续可行性能测试方案;高优值跨导放大电路在25μA静态电流、40pF负载电容和3.3V电源电压下,低频开环增益达到58dB,单位增益带宽GBW为2.7MHz,摆率为14V/?s,大、小信号优值分别为22和4V,可满足跟随快速变化的大小信号并观测其瞬态波形的应用需要。论文分析了高优值跨导放大电路优值退化的主要原因,并提出了针对性的改进设计策略。