2021年, 第49卷, 第4期 刊出日期:2021-04-25
  

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    学术论文
  • 侯秀聪, 赖晓平, 曹九稳
    电子学报. 2021, 49(4): 625-630. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200310
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    借助交替方向乘子法(Alternating Direction Method of Multipliers,ADMM),将多变量正则化最小二乘拟合问题,分解为多个可并行执行的标量优化问题,并引入可调步长因子加速算法,得到一个高度并行的最大分划广义ADMM算法,并应用于正则化超限学习机.建立了算法的收敛条件,分析了算法的计算复杂度,通过基准现实数据集实验与新近文献方法——最大分划松弛ADMM进行了收敛率比较.在GPU并行加速实验中,基于最大分划广义ADMM的正则化超限学习机获得的大GPU加速比,表明了该算法的高度并行性.
  • 赵璐, 刘春红, 杜蛟, 曹天庆
    电子学报. 2021, 49(4): 631-636. https://doi.org/10.12263/DZXB.20190961
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    线性复杂度是序列密码中重要的安全性指标.针对Z4上两类具有最优自相关的四元序列,对其线性复杂度进行研究.利用Galois理论,分别得到了由Legendre序列、双素数序列及广义GMW序列构造的四元序列线性复杂度的精确值.
  • 苏兆品, 吴张倩, 岳峰, 武钦芳, 张国富
    电子学报. 2021, 49(4): 637-646. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200658
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    基于语音的手机来源识别是近年来多媒体取证领域中的一个研究热点,但已有研究大都局限于纯净语音或人工背景噪声语音.本文以自然环境背景噪声下的手机语音为研究对象,提出一种基于低维深度特征的手机来源识别方法.首先提取对数域的Mel滤波器组系数作为基本的声学特征,然后输入到时间卷积网络中进行训练,进一步提取能够表征语音设备的深度特征,并利用线性判别分析进行降维,去除高维深度特征中的冗余.最后,将得到的低维深度特征输入到支持向量机中进行分类和识别.在47种不同型号手机录制的37600条自然环境背景噪声语音样本库上的测试结果表明,本文所提方法在自然环境背景噪声下具有更优的识别性能,且对不同品牌、相同品牌不同型号、不同样本长度、不同数据集规模和不同采样率都具有很好的适应性.
  • 张仁崇, 潘春燕, 武星, 杨坤
    电子学报. 2021, 49(4): 647-660. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200171
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    针对噪声环境下非线性多目标概率优化问题,提出问题求解的自适应采样免疫优化算法.在算法设计中,基于克隆选择原理,设计小种群的算法进化框架;提出目标值估计法自适应确定个体的样本大小并估算其目标值;借助传统快速非支配排序法,种群被分割成多级非支配子群协同进化;设计动态交叉分布指数的模拟二进制交叉加强各子群之间的信息交流;设计动态变异分布指数的多项式变异、均匀变异,以及自适应变异概率平衡全局、局部探索.最后,借助3个理论测试问题、海铁联运能耗优化问题以及9个代表性的比较算法,数值实验结果表明,此算法寻优效率优势显著、搜索效果优越、稳定性好.
  • 李斌, 陈定山, 孙小兵, 薄莉莉
    电子学报. 2021, 49(4): 661-664. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200327
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    缺陷数据分析正成为软件工程领域的热点,现有缺陷分析技术无法有效处理复杂和冗余的缺陷数据,以高效地辅助缺陷修复工作.本文提出一种多特征匹配搜索算法——MMSBK (Multi-feature Matching Search Algorithm for Bug Knowledge).首先对缺陷问题进行分析,抽取其包含的缺陷实体及关系;然后,基于实体和关系匹配将缺陷问题与缺陷知识图谱关联,通过知识图谱的关联性和可视化帮助软件开发搜索缺陷知识;最后,基于匹配算法生成的缺陷关系三元组生成搜索结果子图.实验验证了MMSBK算法的有效性.
  • 陈帆, 屈凌峰, 原长琦, 和红杰
    电子学报. 2021, 49(4): 665-671. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200126
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    现有的冗余空间转移(RST)图像加密算法有效提高了加密图像可逆数据隐藏的隐藏容量和抵抗现有已知明文攻击的能力.在分析RST图像加密三个密钥特性和定义有序等价集的基础上,提出一种基于有序等价划分的已知明文攻击方法.对得到的明-密图像对(原始图像及其加密图像),首先基于直方图距离比较重建原始图像的位平面置乱图像(BPSI),然后对BPSI的每个图像块,在加密图像划分得到的有序等价集中查找并推断该图像块的块置乱密钥(BSK).推导给出了BSK估计准确率与分块大小、图像块个数和有序等价集个数的关系.实验结果表明,对512×512的测试图像,当分块大小不小于4×4时,BSK估计准确率超过0.95;不同BSK估计准确率得到解密图像的视觉效果表明,即使BSK估计准确率低至0.50,也可能导致原始图像的内容信息泄露.
  • 薛丹, 苑玮琦
    电子学报. 2021, 49(4): 672-678. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200319
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    针对公路隧道采集的衬砌裂缝图像存在重叠和间隙两种现象,不能保证裂缝首尾相连而直接拼接的问题,本文提出一种基于空间拓扑和形态相似关系的长裂缝拼接算法.首先将空间拓扑关系与图像点特征相结合,提出一种基于RCC的长裂缝连接性特征点识别算法,自动识别相邻图像中的裂缝是否同属于一条长裂缝以及存在重叠还是间隙现象;然后,采用基于余弦相似性度量的裂缝配准算法完成重叠区域的配准拼接,采用几何标定法补足间隙裂缝后首尾相连完成拼接.该算法在工程应用中得以验证,能够在图库中自动完成长裂缝的拼接.实验结果表明,在拼接精度和速度方面的综合性价比优于特征拼接算法和几何拼接算法.另外,该算法给多幅图像中存在连续性线条时,如何进行拼接提供了一种新思路.
  • 周勇, 陈思霖, 赵佳琦, 张迪, 王瀚正
    电子学报. 2021, 49(4): 679-689. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200554
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    近些年来随着遥感技术的快速发展,遥感图像目标检测成为了当前的研究热点.针对遥感图像背景复杂以及现有目标检测模型缺乏可解释性等问题,本文提出了一种基于弱语义注意力的遥感图像可解释目标检测方法.具体地,首先通过多层级特征金字塔来解决遥感图像中目标尺度变化范围大的问题.其次,利用检测框的角度回归来解决遥感图像目标定向的问题.然后,基于弱语义分割网络产生强化目标特征的注意力权重值,抑制背景噪声.最终用网络剖析的分析方法,获取模型中卷积核对应的可解释性语义概念.实验结果表明,本文提出的算法在遥感图像目标检测的准确性以及对背景噪声抑制上有较好的表现,并且通过可解释性算法在一定程度上使本文提出的模型易于理解.
  • 吴俊劼, 陈震, 张聪炫, 江少锋, 尚璇
    电子学报. 2021, 49(4): 690-695. https://doi.org/10.12263/DZXB.20190135
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    针对图像序列病态区域匹配歧义性以及稠密视差图连通性的问题,本文提出一种基于特征级联卷积神经网络的双目立体匹配计算方法.构造特征重用的全卷积密集块,利用"跳连接"机制将浅层提取的特征图级联到后续子层,对深层卷积丢失的局部特征信息进行补偿.引入指示函数划分一定大小的训练集,将其批量输入特征级联卷积网络模型进行前向传播,同时通过小批量梯度下降(Mini-Batch Gradient Descent,MBGD)策略更新初始权重和偏置参数.根据负连接神经元对网络模型的输出进行初始匹配代价计算,并利用十字交叉域代价聚合(Cross Based Cost Aggregation,CBCA)和半全局立体匹配(Semi-Global Matching,SGM)等算法对代价函数进行优化,求得精准稠密的视差图.分别采用Middlebury数据库提供的训练和测试立体图像集对本文方法和深度学习方法MC-CNN、CBMV、MC-CNN-WS等具有代表性方法进行对比测试.实验结果表明,本文方法具有较高的视差计算精度和鲁棒性,尤其对复杂场景、光照变化以及弱纹理等困难场景图像序列能有效提高匹配率和保持图像细节.
  • 侯志强, 刘晓义, 余旺盛, 蒲磊, 马素刚, 范九伦
    电子学报. 2021, 49(4): 696-705. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200132
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    针对单阈值-非极大值抑制算法中出现的目标漏检和重复检测问题,本文提出了一种使用全局交并比指标GIoU(Generalized Intersection over Union)衡量目标相似度的双阈值非极大值抑制算法GDT-NMS(Generalized Dual Threshold NMS,GDT-NMS).使用双阈值改进NMS算法和soft-NMS算法,抑制多余的检测框;在此基础上,使用GIoU替换传统的IoU计算目标间的相似度,使目标的定位更加准确;进一步,使用非线性函数赋予检测框不同比例的权值惩罚,使检测框的得分随距离呈非线性变化,目标区分度更高.改进算法在PASCAL VOC和MSCOCO上的检测精度分别为74.8%和25.9%,与使用NMS算法作为后处理的Faster R-CNN算法相比,性能分别提升了1.6%和1.5%.同时本文算法具有较快的检测速度.
  • 王瑞豪, 刘哲, 宋余庆
    电子学报. 2021, 49(4): 706-715. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200101
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    当前基于深度学习的胰腺分割主要存在以下问题:(1)胰腺的解剖特异性导致深度网络模型容易受到复杂多变背景的干扰;(2)传统两阶段分割方法在粗分割阶段将整张CT图像作为输入,导致依赖粗分割结果得到的定位不够准确;(3)传统两阶段分割方法忽略了切片间的上下文信息,限制了定位和后续分割结果的提升.针对上述问题,本文提出了结合切片上下文信息的多阶段胰腺定位与分割方法.第一阶段利用解剖先验定位粗略缩小输入区域;第二阶段先使用所设计的DASU-Net进行粗略分割,接着利用切片上下文信息优化分割结果;第三阶段使用单张切片定位进一步减少不相关背景,并使用DASU-Net完成精细分割.实验结果表明,本文所提方法能够有效提高胰腺分割的准确率.
  • 邓翔宇, 杨雅涵
    电子学报. 2021, 49(4): 716-728. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200209
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    乐谱图像的自动分割、倾斜校正是乐谱识别过程中的关键技术,各种计算机光学乐谱识别技术在乐谱图像的数字化中有着广泛的应用,但对于乐谱中简谱的识别一直鲜有研究.本文针对人工拍摄条件下光照不理想的简谱图像,提出一种基于PCNN(脉冲耦合神经网络)和DNN(深度神经网络)相结合的分块简谱图像自动分割算法,该方法根据简谱图像灰度分布特征对图像进行自适应分块处理,依据每个分块的灰度特征与PCNN最佳迭代次数之间的关系构造合适的DNN神经网络,从而实现了最优分割图的自适应选取;进一步利用最优分割图像中音符小节线的水平投影,提出一种双尺度下降法实现了简谱图像的倾斜校正;提出去边垂直投影法和连通域距离判断法实现了简谱图像中音符及歌词的提取.实验仿真结果表明:本文算法对复杂光照条件下的简谱图像处理都具有较好的鲁棒性,同时表现出更高的效率.
  • 刘杰, 葛一凡, 田明, 马力强
    电子学报. 2021, 49(4): 729-735. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200409
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    针对卷积神经网络中卷积运算复杂度高、计算量大及算法在CPU和GPU上计算时存在延时及功耗限制问题,从提高现有硬件平台计算速率、降低功耗角度出发,设计了一种基于ZYNQ的具有高吞吐率和低功耗的可重构神经网络加速系统.为充分利用运算资源,探索了一种卷积运算循环优化电路;为降低带宽访问量,设计了一种数据在内存中的特殊排列方式.以VGG16网络为例,利用ZYNQ对系统进行加速,在计算性能上达到62.00GPOS的有效算力,分别是GPU和CPU的2.58倍和6.88倍,其MAC利用率高达98.20%,逼近Roofline模型理论值.加速器的计算功耗为2.0W,能效比为31.00GOPS/W,是GPU的112.77倍和CPU的334.41倍.
  • 孟乃宣, 孙君
    电子学报. 2021, 49(4): 736-743. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200165
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    在5G的海量机器类通信(mMTC)场景下,为解决频谱资源不足和网络拥塞问题,本文提出一种基于最佳虚拟网关的认知SCMA系统模型.该模型根据QoS要求和地理位置把机器类通信设备(MTCD)分成独立的集群,在每个集群中通过认知无线电技术感知可能提供空闲频谱资源的LTE用户,定义为虚拟网关,再根据满意度最大规则选出最佳虚拟网关,将最佳虚拟网关提供的频谱资源分为多个子载波组,并设计MTCD与子载波组的最优匹配算法,MTCD以SCMA (稀疏码多址接入Sparse Code Multiple Access)方式接入网络.仿真结果表明所提方案可有效提高系统的吞吐量.
  • 刘焕淋, 胡会霞, 马敬, 陈勇, 王展鹏
    电子学报. 2021, 49(4): 744-749. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200242
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    针对多链路故障,本文提出一种基于光路可靠性和频谱整合因子感知的空分复用弹性光网络中虚拟光网络生存性映射算法.在虚拟节点映射时,综合考虑物理节点属性的权重评估准则.在虚拟链路映射时,本文设计联合考虑频谱资源和可靠性的工作光路选择策略和基于频谱整合因子感知的工作光路频谱分区分配方法,并设计提高保护带宽共享度的保护光路选择策略.仿真结果显示,本文算法提高了虚拟光网络请求接受率,降低了带宽阻塞率.
  • 徐元博, 江祥奎, 李龙
    电子学报. 2021, 49(4): 750-759. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200201
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    针对对称差分解析能量算子在高幅值振动干扰频率影响下性能较差的不足,在对称差分解析能量算子的基础上提出了一种改进的解析能量算子.该能量算子改用高阶对称差分序列替代对称差分序列以达到提高信号干扰比的目的,从而提高在高幅值振动干扰频率存在下提取故障特征的能力.此外,为了防止能量出现负值,该改进的能量算子采用了绝对值对其能量表达式进行加权处理.通过模拟实验证明了该方法在抗噪和抗振动干扰方面的优越性,及其它的非负特性.最后将其应用于真实轴承故障数据,发现该方法可以在恶劣工况下提取出故障特征频率.
  • 李大鹏, 陈剑, 王晨, 闻英友, 赵大哲
    电子学报. 2021, 49(4): 760-767. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200098
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    案件罪名认定是司法业务的重要环节,尚缺乏有效的智能辅助工具和手段.针对案件定罪的难点问题,提出一种结合张量分解和双向LSTM (Long Short-Term Memory)神经网络的案件定罪方法.该方法将案件数据表示为张量,并在张量分解过程中引入模板张量.模板张量可以在双向LSTM神经网络分类模型的训练过程不断的被优化,使得分解后的核心张量包含更加有效的张量结构和特征信息,有助于提高后续分类模型的准确性,实现案件罪名的精准认定.实验结果表明:所提出的基于张量分解和双向LSTM的司法案件定罪方法比现有方法具有更好的准确性.
  • 陈星宇, 叶锋, 黄添强, 翁彬, 陈家祯, 林文忠
    电子学报. 2021, 49(4): 768-774. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200488
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    针对基于深度神经网络模型的显著性检测方法中存在的模型训练困难、模型参数量大以及检测速度慢等问题,本文提出了一种融合小型深度生成模型的显著性检测方法.方法以生成对抗网络为框架,设计了包含11个卷积模块和5个池化层的鉴别器网络以及不包含池化层,仅包含15个卷积模块和5个转置卷积模块的小型生成器网络.其中,小型生成器网络大小仅2.4M,参数量仅67万左右.将训练好的小型生成器用于显著性检测,并与LMB (融合背景块再选取过程的显著性检测)算法通过设计的融合算法进行融合,从而得到最终结果.通过大量的实验对比分析表明,提出的方法在F值和MAE (Mean Absolute Error)值上均取得大幅提升.
  • 毛北行, 王东晓
    电子学报. 2021, 49(4): 775-780. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200316
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    混沌及其同步已经成为研究的热点,随着分数阶混沌系统建模的需要,分数阶低阶混沌系统的同步控制已经取得了很多结果,国内外针对分数阶高维混沌系统的同步控制方面的研究还十分罕见,本文考虑了不确定因素和外部扰动的影响,利用自适应滑模方法研究高维不确定分数阶混沌系统的同步,基于同步控制理论给出了滑模函数的设计和控制器的构造,获得分数阶高维不确定混沌系统的自适应滑模同步的充分条件.研究结论说明:设计恰当的滑模函数、控制器和适应规则条件下不确定分数阶高维混沌系统取得自适应滑模同步,并把分数阶的相关结论平推到了整数阶,用仿真例子对分数阶高维混沌系统取得滑模同步充分条件的正确性进行了验证.
  • 修建娟, 张敬艳, 董凯
    电子学报. 2021, 49(4): 781-787. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200336
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    空间目标监视必须要解决的关键核心问题之一是对目标运动轨迹进行快速、准确地预报,然而空间目标运动轨迹准确预报需要高精度的预报初值点作为前提,对空间目标数据进行滤波处理可以降低随机误差的影响提高数据精度,但还很难达到空间目标高精度轨迹预报的要求.为此,论文从空间目标运动特性出发,利用空间目标动力学方程对状态方程进行实时约束,建立了基于动力学模型约束的空间目标精确跟踪算法,该算法由目标动力学模型实时估计目标加速度,通过将空间目标加速度约束的非线性函数线性化,利用空间目标加速度对状态的实时修正和协方差反馈循环来提高目标跟踪精度,进而获得更高精度的轨迹预报初值点数据.
  • 王强, 王有政, 王天施, 刘晓琴
    电子学报. 2021, 49(4): 788-791. https://doi.org/10.12263/DZXB.20190656
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    为改善单相全桥逆变器的效率,提出了一种新型高效率单相全桥零电流开关谐振极逆变器拓扑结构.在桥臂上的辅助谐振电路参与换流的过程中,逆变器的开关器件可实现零电流软关断.当开关器件为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)时,IGBT实现零电流软关断可使其拖尾电流导致的关断损耗等于零,有利于改善以IGBT作为开关器件的单相全桥逆变器的效率.分析了电路工作流程.实验结果显示出开关器件完成了零电流软切换动作.因此,对于研发以IGBT作为开关器件的高效率单相全桥逆变器,该拓扑结构具有一定的参考价值.
  • 综述评论
  • 朱健, 胡凯, 张伯钧
    电子学报. 2021, 49(4): 792-804. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200723
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    形式化方法是在安全关键软件系统中被广泛采用而有效的基于数学的验证方法,而智能合约属于安全关键代码,采用形式化方法验证智能合约已经成为热点研究领域.本文对自2015年以来的47篇典型相关论文进行了研究分析,对技术进行了详细的分类研究和对比分析;对形式化验证智能合约的过程中使用的形式化方法、语言、工具和框架进行综述.研究表明,其中定理证明技术和符号执行技术适用范围最广,可验证性质最多,很多底层框架均有所涉及,而运行时验证技术属于轻量级的新验证技术,仍处于探索阶段.由此我们列出了一些关键问题如智能合约的自动化验证问题,转换一致性问题,形式化工具的信任问题和形式化验证的评判标准问题.本文还展望了未来形式化方法与智能合约结合的研究方向,对领域研究有一定的推动作用.
  • 科研通信
  • 左小寒, 梁华国, 倪天明, 杨兆, 束月, 蒋翠云, 鲁迎春
    电子学报. 2021, 49(4): 805-811. https://doi.org/10.12263/DZXB.20190957
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    由于不成熟的工艺技术和老化影响,基于硅通孔(Through Silicon Via,TSV)的三维集成电路(Three-Dimensional Integrated Circuit,3D IC)中易发生聚簇故障,而降低芯片良率.为修复TSV聚簇故障,本文提出基于间隔分组的故障冗余结构.通过间隔分组将聚簇的TSV故障分散到不同冗余组从而利用各组的冗余资源修复,并利用MUX链实现组间共享冗余资源.实验结果表明,相较传统的路由、环形、切换转移冗余结构,本文结构修复率分别提高27.5%、62.7%及11.4%.并且在聚簇严重的情况下,本文结构修复率保持接近100%.
  • 周悦, 李贵洋, 韩鸿宇, 李慧, 胡金平
    电子学报. 2021, 49(4): 812-816. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200056
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    针对最初的减少校验节点修复带宽的Piggybacks捎带设计存在的问题,提出了一种均衡分配的Piggybacks捎带设计(Balanced-Allocation Piggybacks Adding,BAPA).首先,通过分析给出了新的Piggybacks捎带规则,在此基础上得出了能进一步减少校验节点修复带宽的Piggybacking设计BARSR-I和BARSR-Ⅱ.然后,给出了BARSR-I和BARSR-Ⅱ中校验节点的修复过程以及平均修复带宽率的推导值.最后,给出了BARSR-I和BARSR-Ⅱ下的编码复杂度和修复复杂度.通过与现有的Piggybacking设计对比分析表明,BARSR-I和BARSR-Ⅱ能有效的减少校验节点的修复带宽.
  • 李沛杰, 沈剑良, 苑红晓, 王永胜, 夏云飞, 张传波
    电子学报. 2021, 49(4): 817-823. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200149
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    为满足片上系统的柔性互连,提出一种应用于软件定义互连系统的1.0625~10.3125Gbps多协议SerDes电路结构.该电路采用统一架构实现不同协议的规范需求,通过一种1×QPLL+4×Lane PLL的时钟结构实现宽频点和低抖动的时钟输出,通过可编程的发送端前向反馈均衡器和接收端线性均衡器和判决反馈均衡器电路,实现最大32dB的插损补偿.测试结果表明,所设计的SerDes电路在10.3125Gbps速率下发送总抖动为21.2ps,随机抖动均方根值为633.7fs,最大功耗29.33mW/Gbps,发送端眼图和接收端抖动容限及误码率均能够满足FC-PI-4,RapidIO 3.0,10GBase-KR,1000Base-X的协议规范要求.
  • 王晓煜, 张雯厚, 孙丽慧, 周鑫, 曹振新, 全鑫
    电子学报. 2021, 49(4): 824-832. https://doi.org/10.12263/DZXB.20200254
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    机械天线作为超低频通信技术,是当今国际瞩目的一个新兴研究领域,在远距离通信、水下通信等方面具有广泛的应用前景.为实现小型化和低功耗的超低频机械天线,提出旋转偶极子式机械天线结构和通信模型.针对提出的通信拓扑结构及通信信号辐射强度,研制三轴正交线圈作为信号接收单元.提出基于线圈热噪声电压与感应电压比值的灵敏度归一化表征方法.并对研制线圈的灵敏度及工况进行实验.实验结果表明:灵敏度理论模型可用于高灵敏度线圈设计,研制的空芯线圈可用于机械天线信号接收;铁制品的存在对线圈接收性能有影响.该实验研究为超低频机械天线接收线圈的优化设计提供理论参考.
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  • 电子学报. 2021, 49(4): 833-833.
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