关键词： 水声通信系统   正交频分复用   信道特性   信号调制   数字转换   FFT算法  

摘要： 中国是一个幅员辽阔的海洋国家，拥有大约1.4万公里的岛屿海岸线和1.8万公里的大陆海岸线，因此海洋能源与资源的开发对中国海洋工程项目的可持续性发展具有重要的战略意义。基于一带一路地震监测台网项目的开展，本论文主要研究一种低功耗的OFDM水声通信系统。因为水声通信设备在水下工作时需要外部电池长期供电，在观测作业中对于电池的更换难度较大。可通过降低系统功耗来减小耗电量，提高电池的使用寿命，延长设备工作时间。由于水声信道环境复杂，信号衰落比较严重，而OFDM可有效对抗选择性衰落，抗干扰能力较强，频谱利用率较高，适合应用于水声通信领域。本文基于此课题目标做出了以下研究：　　（1）通过引入通信声纳方程，得出声波在水声信道的传播规律，从传播损耗、多径效应、噪声干扰和多普勒效应4个方面分析水声信道的特性。由于水声信道的复杂性使信号在传输过程中容易受到多重干扰，导致信号的解调出现失真，通过OFDM的加入，能够有效对抗频率选择性衰落，克服符号间干扰，提高频谱利用率。　　（2）将120bps传输带宽作为基本设计要求，扩展循环前/后缀后的符号长度为640个采样点，时长为0.5秒。对于长度N为512、采样率1280Hz的OFDM信号传输，当最大子载波序号n＜180时OFDM信号的频带上限为450Hz，此时需要采用调幅或调频等方式将OFDM信号调制到适合水声通信的载频即8kHz～16kHz上。最后通过输入不同的信噪比，得出接收端的信噪比范围最适合在16~20dB，此时系统误码率较低，功耗也不是很高。而且发现FFT长度越短，相同SNR的误码率越低。通过设计差错控制编码模块、交织器编码模块、QPSK映射编码模块和插入循环前缀及构造IFFT输入数据模块，完成了IFFT与FFT的算法实现。发现基于FPGA实现的OFDM编解码结果与MATLAB仿真结果一致，验证了OFDM符号长编码传输的可靠性。　　（3）由于缩减电路规模、降低数字电路的运行频率有利于实现低功耗的水声通信系统，本章节最终实现的电路就只包含了水声换能器、输入和输出放大滤波电路和MCU外围电路，电路更简单，功耗更小。选取低功耗的STM32L476芯片，设计了基于STM32单片机的低功耗OFDM水声通信系统。通过IFFT算法、加窗、FM调制和数模转换完成了OFDM信号的编码;通过FM解调、模拟数字转换和FFT算法完成了OFDM信号的解码。通过多次功耗测试结果，得出功耗的平均值为340.9mW，实现了OFDM水声通信系统低功耗的研究目标。最后在实验室进行了水池试验，测得通信速率为120bps时，OFDM信号解码的误码率为9.8584%。

关键词： C类压控振荡器   低功耗   相位噪声   动态偏置   正交二分频  

摘要： 无线通讯的发展推动了高性能、低功耗射频收发机的研究,同时也促进了锁相环的发展。压控振荡器作为锁相环的重要组成部分,其性能影响了锁相环乃至整个通讯系统的性能。压控振荡器作为提供本振信号的信号源,它的功耗是锁相环电路的主要功耗来源,而其输出信号决定了锁相环电路的调谐范围、噪声性能。因此对高精度极低功耗压控振荡器的研究具有重要的意义与价值。本文面向低功耗锁相环应用,设计了一款高精度极低功耗压控振荡器,实现了低功耗条件下输出正交信号,且具有较好的调谐精度。本文主要做了如下工作: 1.本文介绍了几种常见的振荡器结构与工作原理,分析了不同结构的优缺点。介绍了相位噪声理论,并对线性时不变与线性时变模型进行详细的分析探讨,在理论上为降低相位噪声提供了思路。 2.基于传统C类LC压控振荡器结构进行改进,采用CMOS互补交叉耦合提升电流利用率,降低功耗;设计了一种栅极动态偏置电路使交叉耦合对管的栅极电压随着电路工作状态发生改变,解决C类振荡器的启动问题;采用电阻阵列与电流镜电路构成动态栅极偏置的启动电路,相比采用运放环路的启动电路更加适合低功耗应用,同时也省去运放环路引入的噪声。此外在可变电容阵列的设计上,通过两组可变电容并联使振荡器的调谐增益降低,提高了压控振荡器的调谐精度。 3.本文在传统电流模逻辑分频器结构上改进了正交二分频电路,该电路使用有源电阻减小版图面积,并省去了尾电流MOS管以降低工作电压从而减少功耗。 本文基于TSMC 40nm CMOS工艺完成了电路与版图的设计,并完成了后仿真验证。在0.8V电源电压下,压控振荡器可以在各个工艺角下稳定起振,且tt工艺角下振荡器输出经过正交二分频后的振荡频率范围为2.337～2.634GHz,调谐增益为61MHz～79MHz/V,能完全覆盖2.4GHz的目标频点,并且在该工作频率的相位噪声为-122.28d Bc/Hz@1MHz,整体功耗为0.871m W。

关键词： 轧机轴承   LoRa   组网   测温   RSSI室内定位   低功耗  

摘要： 茌冷轧机的关键部件中,轧机轴承扮演着重要角色。不良工况下的异常摩擦增加可能导致轴承过热,热量积累会造成轧机轴承出现热轴(过热)、烧轴(烧伤)等异常情况,最终可能导致轧机发生故障。因此,为了确保机器正常运转和及时维护,必须对轧机轴承温度实时监测。 按照信号传输的模式,将轧机轴承温度监测方式分为有线监测和无线监测两种,尽管无线监测解决了有线监测布线上的复杂性和大规模监测上的局限性,但仍需面对高功耗和传输距离受限的问题。此外,传统的测温节点在大规模部署过程中通常需要采用手动配置的方式实现测温设备与轧机轴承编号之间的匹配,这一做法不仅工作量大,而且效率低下。针对这些问题,本文设计了一种集成远距离无线通信、多节点测温、低功耗和轧机轴承编号自动匹配功能的轧机轴承实时测温系统。 本文的主要研究和设计内容如下: 1)根据系统的实际需求,设计了若干从节点和一个主节点。在无线传输距离受限的问题上,本系统选择了具有长距离、低功耗、抗干扰能力强的LoRa无线通信方式,用以实现主从节点间的信息传输。从节点负责采集轧机轴承的温度信息,利用无线通信将这些信息发送给主节点。当主节点接收到数据后,会将其转发给上位机进行处理。从节点采用电池供电,为延长其使用时间,对从节点的硬件设计和软件设计均进行了低功耗优化,实现了最低7.4μA的电流消耗。使用2300mAh的锂离子电池,在放电深度60%的条件下,可以保证从节点至少顺利工作4年。此外,为提高无线传输的距离和信号质量,本系统还对射频电路的阻抗匹配进行了分析与设计,经过测试,系统可以实现70685.83m2范围内的数据稳定传输。 2)为实现系统组网、多节点测温、低功耗和轧机轴承编号自动匹配的目标,本文提出了一种高可靠性的低功耗LoRa通信方案,并设计了轻量化的通信协议。同时,针对多从节点通信可能导致的数据传输冲突问题,本文设计了基于TDMA的无线通信防冲突机制和消息重传策略,从而提高了数据链路的稳定性,降低了数据丢包的风险。经测试,系统可以确保多个从节点与主节点之间信息传输的稳定性和准确性。此外,为强化系统的用户交互体验,本系统开发了功能丰富的上位机界面。此界面不仅支持用户以直观的方式配置通信参数,还能实时监测各从节点的在线状态、电池电量以及所属轧机轴承的编号,并基于实时数据动态生成轴承温度的曲线图,从而促进效率和精确度的双重提升。 3)鉴于冷连轧机组中轧机间的远距离分布,以及同一轧机上轴承的近距离分布特性,本系统采用了基于RSSI的室内无线定位策略,有效地实现了轧机轴承编号的自动匹配。为了提高匹配的精度,本文从测距和坐标计算两个方面对RSSI室内无线定位算法进行了优化。首先,对采集到的RSSI数据进行了卡尔曼滤波处理,降低了环境中的干扰对采集数据的影响。然后,为了提高定位精度,分析了天线角度对RSSI值的影响,并通过实验选择了最佳角度进行无线信息的传输。接着,利用二分段四阶拟合的方法建立了符合当前环境的测距模型。实验结果表明,该模型可以显著提升测距精度。此外,将本文提出的测距模型与模拟退火算法相结合进行待测节点坐标计算,相对于传统对数拟合测距模型结合质心算法的坐标求解方案,本方案的平均定位误差降低了约43.4%。最后,提出了利用室内定位技术实现轧机轴承编号自动匹配的解决方案,并通过实际测试,表明了该方案的可行性。

关键词： 海洋监测浮标   低功耗   数据采集   通信网络  

摘要： 我国作为一个海洋大国,拥有丰富的自然资源和巨大的经济潜力。近年来,我国海洋经济蓬勃发展,沿海经济活动对海洋环境造成了严重影响,海洋生态问题日益凸显,我国面临严峻的海洋灾害影响。因此,持续、实时的海洋环境监测网络对及时发现海洋环境变化,并采取有效措施保护近岸海域水质和相关海洋经济产业至关重要。 海洋监测网络当前面临着采集和通信系统功耗高,网络监测范围小的问题。本文针对海洋监测浮标网络所面临的不足,从低功耗海洋多元环境信息采集系统和低功耗海洋监测浮标网络通信系统两个维度进行研究与实现。 首先对两个系统的功能、原理及涉及的技术进行研究分析。 其次针对低功耗海洋多元环境信息采集系统进行研究和设计,从硬件和软件两个角度的多个方面展开低功耗分析与设计,使系统实现对传感器及浮标状态信息的采集、处理、传输和储存等功能。 然后针对海洋监测浮标网络通信系统中存在的问题,提出了一种链式拓扑结构的通信网络,采用低功耗的Lo Ra技术与北斗短报文通信技术相结合的通信方式进行数据传输。根据浮标网络的数据上传要求,设计逐级上传的远距离数据传输方式;根据上位机对浮标的控制要求,提出了一种基于GPS的远距离数据传输方式。通过构建低功耗、远距离的浮标监测网络,实现海洋环境监测数据的物联网化。 最后对本文研究与设计的两个系统关键技术进行功能、功耗进行实验室及海上实际测试与验证。通过测试表明各项数据均能够周期性的正常采集,实验室条件下16个节点的链式网络通信丢包率小于1%,系统在待机时电流仅为45u A。这使浮标网络在缺乏光照的环境下,也能依靠波浪能纳米发电机正常工作,并实现大范围的海洋环境监测和数据的网络化传输。

关键词： 加法器   Ling   Ripple   低功耗  

摘要： 加法运算是数字电路中的基本运算之一,通常处于算术运算、信号处理和通信系统等应用的关键路径上。加法器计算的速度和功耗对整体电路的性能影响显著,对加法器电路的设计优化也显得至关重要。 现有的高速加法器研究,主要包括在电路级对全加器单元结构的优化,以及在结构级对进位结构的优化,随着操作数位宽的递增,现行的通用结构并未能有效地对计算延迟与硬件面积开销进行平衡。为了解决上述问题,本文提出了一种32位混合进位的加法器电路。在该设计中,低11位使用了串行结构代替了传统的超前进位方式,而高21位则使用基于Ling型进位的并行前缀结构。此外,在对32位操作数进行分组后,在每个求和组的输出和逻辑中,引入了新的中间变量进行香农展开,平衡输出路径中MUX逻辑的控制信号与其输入信号之间的延迟,并对每一位输出和电路进行了优化设计,使用了定制的逻辑运算电路,降低了所实现的加法器电路的硬件消耗和运算延时。 本文在SMIC 180 nm、UMC 28 nm和14 nm Fin FET工艺下分别实现了所设计的加法器,版图面积分别为4557.5μm2、193.2μm2和73.8μm2。同时对加法器进行了测试,测试结果表明,对于使用180 nm、28 nm和14 nm工艺的加法器,加法器的最大延迟分别为0.83 ns、0.312 ns和0.183 ns。与传统的Ling型进位加法器相比,所提出的加法器在面积上大约减少了10%～30%,在延时上大约降低了10%。

关键词： 氧化镓   场效应晶体管   增强型   可靠性   场板  

摘要： 单斜晶相氧化镓（β-Ga2O3）具有4.5～4.9 e V的超宽禁带和8 MV/cm的超高临界击穿电场强度等优异的材料特性,器件的Baliga优值分别是Si、Si C及Ga N器件的3444倍、10倍及4倍。这表明在相同击穿电压（Breakdown voltage,BV）级别时,β-Ga2O3的漂移区长度可以减小以获得更低的比导通电阻(Specific on-resistance,Ron,sp),从而实现更低的损耗以及更小的器件尺寸。同时,β-Ga2O3可以采用低成本的熔融法制造出大尺寸高品质的单晶衬底。因此,β-Ga2O3功率器件具备低Ron,sp、高BV及低成本等优势,特别适合高功率、高节能及高可靠性等应用领域。但要获得更高性能的器件并进一步挖掘β-Ga2O3理论极限,需要解决如下四个关键问题:（1）β-Ga2O3器件的BV远低于理论极限,因缺乏p型掺杂,需要设计新型结终端技术。（2）β-Ga2O3 MOSFET无法同时兼具高阈值电压(Threshold voltage,VTH)、低Ron,sp、高BV及大电流密度。（3）β-Ga2O3器件在电应力、热应力及耦合应力下的退化机制不明、退化模型缺失及无相应的可靠性加固技术。 针对以上关键问题,本文从β-Ga2O3 MOSFET结构设计、仿真研究、制造工艺、测试表征和可靠性研究全链条开展器件创新研究,提出两种新型器件结构和两种退化模型,主要创新点如下: 1.提出高压低功耗增强型栅控异质结纵向氧化镓MOSFET新结构 本文提出了实现高压低功耗纵向氧化镓功率MOSFET的新设计理念。通过在栅槽一侧的栅控NiO/β-Ga2O3异质结（Gate-controlled heterojunction,GCH）和另一侧的金属-绝缘层-半导体（Metal-Insulator-Semiconductor,MIS）构成纵向MOSFET（GCH-VMOS）。此结构兼具高VTH、高饱和电流密度和高BV等优异性能,同时制造可行性高且对工艺精度需求较低。栅极处于零偏置时,GCH和MIS结构共同耗尽导电沟道,从而实现增强型;正向阻断时,栅控异质结处于反偏状态,对沟道的耗尽作用进一步增强,从而实现低泄漏电流和高BV;导通时,MIS结构使沟道中形成电子积累层,NiO/β-Ga2O3异质结正偏有助于导电沟道扩展,从而获得高电流密度。仿真结果显示实现增强型GCH-VMOS VTH=0.6 V,Ron,sp=4.26 mΩ·cm2,最大饱和电流密度为1.5 k A/cm2,BV=2583 V,功率优值为1.54 GW/cm2,这些性能指标领先于目前增强型纵向氧化镓功率MOSFET。 2.提出并研究NiO/β-Ga2O3异质结FET（Heterojunction FET,HJ-FET）界面偶极子电离模型与电热老化技术（Electrothermal Aging,ETA） 本文创新性提出界面偶极子电离模型来同时解释NBS导致的空间电荷区变薄和复合中心浓度降低,这两种现象会分别导致HJ-FET和栅-源等效二极管电学特性负向/正向漂移。基于此模型提出的ETA技术在高温NBS下,器件的可靠性得以大幅提升。在40℃时,ETA处理后VTH的漂移率从处理前的31%降至0.4%。此外,ETA处理后的器件在200℃时也能保持2.4%的极低VTH漂移率。ETA技术的提出对于氧化镓异质结高可靠性应用成为可能,大幅推动氧化镓功率器件商业化进程。 3.研究氧化镓MOSFET在电-热应力下的退化机制并提出电离陷阱模型 本文采用测试-应力-测试方式结合迟滞测试创新性地研究了氧化镓MOSFET在栅应力和热应力下的VTH不稳定机制。在正栅极偏压应力（Positive gate bias stress,PBS）下,栅介质Al2O3中的边界陷阱捕获电子导致VTH正向漂移,随着温度的升高,激活的深受主界面态与边界陷阱将共同捕获更多的电子导致器件发生更加严重的VTH正向漂移。与PBS不同,在负栅极偏置应力（Negative gate bias stress,NBS）下,边界陷阱、界面态和体陷阱三者共同作用导致器件性能退化。本文提出了电离陷阱模型来解释器件在PBS和NBS下非统一的退化机制,通过仿真和实验的一致性验证了模型的准确性。本文创建的退化模型可区分界面态和边界陷阱有助于识别缺陷、优化器件结构和制造工艺,为提高大功率应用中β-Ga2O3 MOSFET的可靠性提供重要理论依据。 4.提出并实验研制出高压二阶栅-漏浮空场板氧化镓MOSFET新结构 本文进行创新的版图设计和高精度工艺控制,制造出多种场板组合方式的氧化镓MOSFET,重点研究了氧化镓MOSFET场板设计对击穿特性的影响。二阶栅-漏浮空场板有效优化了耐压时栅极和漏极的电场分布,其BV