可重构电路系统设计与应用研究

论文摘要

可重构技术能够使系统在运行过程中动态地重构软件和硬件系统,具有资源利用率高、功耗低、灵活性强和功能自适应等优点,在多种领域具有广泛的应用前景。目前,基于数字系统的可重构计算是可重构技术中研究的热点之一,而针对特定应用领域的可重构电路与系统设计和实现研究较少、可行性较差。本文针对数字、模拟、生物芯片和射频通信系统等不同领域电路系统中的技术难点问题,将可重构技术应用于相关领域,提出了可重构电路与系统的设计实现方法。主要工作和创新点如下:1.在PipeRench架构基础上,提出了一种新的流水线可重构体系结构,及基于该架构的流水线可重构系统设计方法,提高了流水线硬件的执行速度和效率;将可重构技术应用于进化硬件,提出了一种基于流水线可重构体系结构的硬件进化路由策略。该路由策略可提高硬件进化的适应和选择速度。2.将可重构技术应用于数模混合电路设计领域,提出一种用于流水线型ADC中和输入信号相关的动态可重构Dither电路结构。该结构使得Dither的设计和加入更加灵活,不仅显著提高了ADC的动态性能,而且降低了Dither硬件资源和功耗。3.将可重构技术应用于生物医学芯片电路设计,提出了一种低电压、超低功耗、带宽和增益可重构的生物电信号采集模拟前端电路,与适合生物电信号采集的量程可重构逐次逼近ADC。该生物电信号采集接口芯片采用1V低电压供电,功耗仅为36μW,可实现对不同生物和神经信号的自适应采集需要。4.针对脉冲无线电超宽带通信领域,提出了一种在实际复杂的传输环境下不同天线系统传输性能的分析方法,以及在不同传输环境下天线系统的选择策略,为超宽带通信系统射频前端重构提供了一种天线系统传输性能的实时评估方法。提出了一种用于射频前端可重构的CMOS开关电路,该开关电路在超宽带工作频率高达35GHz情况下插入损耗低于1dB,隔离度高达40dB,与同类开关电路相比,具有高的性能指标。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 数学符号和缩写词
• 第一章 绪论
• 1.1 可重构技术研究背景
• 1.1.1 几个常用的概念
• 1.1.2 可重构计算系统的研究现状
• 1.1.3 可重构技术在模拟、射频与通信系统中的研究现状
• 1.2 本文主要研究内容
• 1.3 论文结构与安排
• 第二章 流水线型电路动态可重构技术研究
• 2.1 PipeRench流水线型可重构电路体系结构
• 2.1.1 基于PipeRench 结构的流水线电路工作方式
• 2.1.2 基于PipeRench 架构的新的流水线电路结构和工作方式
• 2.2 流水线可重构电路配置算法
• 2.2.1 流水级电路工作状态建模
• 2.2.2 流水线可重构电路配置算法
• 2.3 流水线可重构电路实验验证
• 2.3.1 AES 加/解密流水线可重构性分析
• 2.3.2 AES 算法流水可重构结构实现
• 2.3.2.1 流水级工作方式实现
• 2.3.2.2 流水级配置方式实现
• 2.3.2.3 加/解密重构部分算法优化
• 2.3.3 仿真及分析
• 2.4 流水线可重构硬件进化路由策略
• 2.4.1 流水线可重构系统中的流水线路径重构问题
• 2.4.2 流水线路径时延评估函数
• 2.4.3 工作状态矩阵函数
• 2.4.4 最短路径重构搜索算法
• 2.4.5 实验与结果分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 模数转换器中可重构Dither电路技术研究
• 3.1 引言
• 3.2 流水线型ADC 电路误差分析与行为建模
• 3.2.1 ADC 主要性能指标
• 3.2.2 流水线型ADC 系统工作原理
• 3.2.3 流水线型ADC 误差分析与行为建模
• 3.2.3.1 S/H 电路误差分析与行为建模
• 3.2.3.2 子ADC 电路误差分析与行为建模
• 3.2.3.3 MDAC 电路误差分析与行为建模
• 3.3 Dither技术在ADC中的应用
• 3.4 一种自适应的宽带大幅度Dither电路结构
• 3.4.1 系统结构
• 3.4.2 算法分析
• 3.4.3 Dither 电路行为建模
• 3.4.4 仿真结果与分析
• 3.5 基于输入信号特性的可重构Dither结构
• 3.5.1 流水线ADC 中动态可重构Dither 结构
• 3.5.1.1 流水线型ADC 系统结构
• 3.5.1.2 动态可重构Dither 结构
• 3.5.2 输入信号相关的Dither 算法
• 3.5.3 可重构Dither 电路行为建模
• 3.5.3.1 Simulink 下14 位流水型ADC 的建模
• 3.5.3.2 子级ADC 中可重构Dither 建模
• 3.5.4 仿真结果与分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 低压超低功耗可重构生物电采集接口芯片研究
• 4.1 引言
• 4.2 低压超低功耗的生物电采集接口芯片电路可重构性分析
• 4.3 低压超低功耗可重构生物电采集芯片电路设计
• 4.3.1 系统架构
• 4.3.2 前置仪表放大器电路
• 4.3.3 可重构带通滤波器与增益放大器
• 4.3.4 量程可重构逐次逼近型ADC
• 4.3.4.1 电荷重分配型DAC 电路设计
• 4.3.4.2 具有失调电压消除的比较器电路设计
• 4.3.4.3 逐次逼近寄存器与转换控制电路设计
• 4.3.4.4 逐次逼近ADC 仿真结果
• 4.3.5 可重构电路算法分析
• 4.4 性能测试与分析
• 4.4.1 测试平台
• 4.4.2 测试结果与分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 脉冲超宽带通信中用于射频前端重构的天线选择策略与开关电路研究
• 5.1 引言
• 5.2 脉冲无线电超宽带通信系统中几种天线的传输性能分析
• 5.2.1 脉冲无线电超宽带通信系统模型
• 5.2.2 天线与信道分析
• 5.2.3 多种信道下采用不同天线通信的性能分析和选择策略
• 5.3 用于射频前端重构的CMOS开关电路研究
• 5.3.1 CMOS 收/发开关系统结构
• 5.3.2 串-并联对称结构的 CMOS收/发开关电路设计
• 5.3.2.1 CMOS 收/发开关的电路结构与性能指标关系分析
• 5.3.2.2 单开关电路结构
• 5.3.2.3 串并对称结构的开关电路设计与分析
• 5.4 电路仿真与性能分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 本论文所做的工作和取得的研究成果
• 6.2 进一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者攻读博士学位期间完成的论文
• 作者攻读博士学位期间参加的科研项目
• 作者简历