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关键词： 量子计算   时空序列预测   参数化量子电路   自注意力机制  

摘要： 时空序列预测与人们的日常生活休戚相关,精确的时空序列预测能够及时地反应时空环境的变化趋势,为气象、城市规划、通信等领域提供决策支持,从而提高决策效率和社会福祉。时空序列数据具有特征复杂、数据量庞大等特点,传统的物理模型和时空统计方法难以满足现有预测任务的精度需求,深度学习模型在时空序列预测任务上取得了极大的进展,但是仍然面临一些困境,例如对空间特征的提取能力有待提升、难以有效地捕获长距离依赖关系等。量子计算是一种全新的计算模式和信息处理方式,具有强大的学习能力,能够利用量子特性来提高计算性能和效率,是新型的数据分析和处理工具。受此启发,为了进一步提升时空序列预测的准确性,本文基于量子计算和参数化量子电路,对经典的深度学习模型进行改进,本文的主要研究内容概括如下: (1)为了提高模型对空间特征的提取和学习能力,本文将量子计算引入时空序列预测任务中,采用经典计算和量子计算相结合的混合计算模式,基于参数化量子电路,设计了一种层次化的量子卷积电路,将其应用于ConvLSTM模型,提出了量子卷积长短期记忆网络(Quantum Convolutional Long Short-Term Memory,QConvLSTM),以此来增强模型对空间特征的提取和学习能力,进而提升预测任务的准确性。 (2)为了有效地捕获时空序列数据中的长距离依赖关系,本文将自注意力机制引入时空序列预测任务中,对经典自注意力机制中的映射操作进行量子化处理,提出了量子自注意力机制,结合量子卷积电路,提出了基于量子卷积电路和量子自注意力机制的QSA-QConvLSTM模型,进一步提高时空序列预测的准确性。

关键词： 多通道   超导接口电路   约瑟夫森锁存驱动器   超导计算机  

摘要： 半导体技术发展到今天已经逐渐达到瓶颈,为了促进集成电路领域的持续发展,需要寻找能够替代传统半导体技术的新型技术,而超导电子技术凭借高速低功耗的独特优势成为了当前的最佳方案。 超导计算机是由超导硬件组成的计算机,其内部是以单磁通量子(Single Flux Quantum)作为载体来进行信号传输的,由于单磁通量子电路具备高速、低功耗的优点,使其与传统计算机相比具有更高的性能,工作频率能够达到数十GHz。当前超导计算机的实现方式主要有两种,一种是使用超导处理器与超导存储器来实现,但由于约瑟夫森电路无法大规模集成,因此难以实现大容量的超导存储器;另一种方式是通过超导CPU与半导体存储器构建混合系统,这样就兼具超导电路高速低功耗的特优点和半导体电路高集成度的优点,因此在当前工艺水平下,成为了主流的超导计算机实现方式。 在实际应用中,超导CPU的微小输出信号无法直接驱动半导体存储器,需要通过超导接口电路放大后才能实现与半导体电路的互联。当前可作为接口放大电路的结构主要有直流供电的超导量子干涉仪(Superconducting Quantum Interference Device,简称SQUID)和交流供电的约瑟夫森结锁存驱动器(Josephson Latch Driver,简称JLD)。本文采用了JLD电路作为主体结构,并以4JL电路作为JLD的前置放大电路进行了两级接口电路设计,解决了单级的JLD接口电路对输入信号不敏感的问题,最后对两级接口电路进行阵列化设计实现了一种三十通道的超导接口芯片。 芯片的测试结果表明,每个通道可检测到60μA的电流信号,并产生40m V的电压输出,此时JLD的偏置裕度为±27.27%,4JL的偏置裕度为±45%;并且可以实现单芯片23个通道同时工作时无串扰,双芯片40个通道同时工作时无串扰;高频测试中可在2GHz频率下正常工作。在与超导CPU和半导体放大器的联调实验中,充分验证了两级电路作为超导-半导体接口的信号传输能力。最后,针对联调测试中地线波动导致的输出误码,设计了一种差分输出的接口电路。

关键词： 毫米波   LNA   负载调制平衡放大器   可重构放大器  

摘要： 随着相控阵芯片的商业化,毫米波收发机的功能越来越多样化。作为接收机前端重要的有源模块,低噪声放大器(LNA)对噪声系数、带宽、增益等指标的要求越来越高。 多通道接收机中需要LNA具有较高的线性度,本文面向K波段高线性度四通道接收机设计了一款高线性度宽带LNA。LNA采用等效源极退化电感技术和并联谐振腔技术进行设计,在单级放大器中实现了37%的相对带宽以及高于-2.8d Bm的输入功率1d B压缩点。 在收发一体的毫米波芯片中,接收模块往往需要考虑发射信号的干扰作用。本文设计了一款具有干扰信号抑制作用的超低噪声LNA。放大器基于三级电流复用结构,采用跨导增强改进结构改善电路稳定性和噪声系数。在输出匹配电路中基于电容电感串联枝节实现对发射干扰信号的抑制作用。最终在工作频带内LNA实现了低于0.95d B的噪声系数性能。 毫米波集成电路的集成度要求越来越高,如何减小收发系统的面积成为设计师需要研究的一个重要课题。本文设计了一款基于负载调制平衡放大器(LMBA)架构的可重构放大器。电路在单模块芯片中实现了PA和LNA双工作模式,创新性地提出了一种三耦合变压器技术改变电路匹配状态。电路由两平衡路和一控制路构成,在PA模式下,三路均正常工作实现LMBA的负载调制效应,实现高输出功率及改善的回退区效率;在LNA模式下,平衡路关闭,只有控制路工作,电路实现LNA的功能。电路采用自适应偏置电路和线性化偏置电路实现PA模式下AM-AM失真的改善。最终电路改善了传统双向放大器低输出功率高噪声系数的缺点,实现了较低的噪声系数及优异的输出功率。

关键词： 轻敲模式原子力显微镜   多重稳定性   动力学参数匹配   多时间尺度   机电类比  

摘要： 原子力显微镜是一种用于测量物体表面纳米级尺度形态特征的测量仪器,轻敲模式原子力显微镜作为目前应用最为广泛的原子力显微镜,在高分子材料、陶瓷、生物细胞及其他微纳米材料表面形态测量和研究中发挥着巨大的作用。然而,随着人们对微观领域的不断探索,对微纳米测量技术提出了更高的要求。由此,轻敲模式原子力显微镜核心机械结构-微悬臂梁系统的复杂动力学特性对测量结果的影响受到了广大科研工作者的重视和关注。研究轻敲模式原子力显微镜微悬臂梁系统复杂动力学特性的产生机理,对于提高轻敲模式原子力显微镜的测量精度,助力探索微观领域具有重要意义。 本文主要研究了轻敲模式原子力显微镜微悬臂梁系统动力学参数变化对系统动力学特性的影响机理。论文主要研究内容、研究方法和研究结果如下: (1)对AFM-TM微悬臂梁系统的受力情况进行了分析。对实际工况下的AFM-TM微悬臂梁系统进行了拆分:拆分为微悬臂梁总系统和光梁子系统,并分别对两系统进行了受力分析。在综合考虑阻尼(等效阻尼和挤压气膜阻尼)、刚度(线性刚度、非线性刚度)、van der Waals(排斥和吸引)力和Casimir力对系统的影响后,得到了AFM-TM微悬臂梁系统的运动方程,进而对运动方程进行无量纲和降阶处理,得到了系统的状态空间方程。 (2)研究了AFM-TM微悬臂梁系统动力学参数改变时,单一时间尺度下光梁模式微悬臂梁弯曲振动子系统和微悬臂梁总系统运动特性的演化规律。针对子系统,综合运用分岔图、相轨迹、时域图、Lyapunov指数图、Poincaré截面图和状态参数空间吸引域等分析方法,研究了激励幅值和阻尼系数变化对系统运动特性的影响,揭示了其动力学特性的演化机理,并最终确定了为保证子系统平稳运行,各参数的最佳取值区间和参数组合;在子系统研究结果的基础上对微悬臂梁主系统进行了研究,确定了外部激励幅值、阻尼系数等动力学参数的最佳取值区间,并运用双参数分岔图等方法讨论了双参数耦合条件下,多参数共同作用对系统运动特性的影响。 (3)研究了两时间尺度下AFM-TM微悬臂梁系统的混合模式振荡。根据多时间尺度研究方法,将系统划分为快子系统和慢子系统,并将慢子系统定义为控制参数,分析了两时间尺度下,控制参数和平衡距离参数改变对系统运动特性的影响;对单稳态和双稳态状态下系统出现的多种混合模式振荡进行了定义和归纳分类;揭示了两时间尺度下,系统各模态之间发生转换的机理。 (4)基于机电类比法,构建了AFM-TM微悬臂梁系统的等效电路,并验证了该方法的可行性。通过AFM-TM微悬臂梁系统的状态空间方程,利用线性单元电路和非线性单元电路构建了等效电路系统的电路原理图,利用电路仿真软件Multisim和SIMetrixSIMPLIS进行了电路软件仿真实验,并应用误差理论对仿真结果进行了评定,进而判断了所构建的等效电路系统的正确性及机电类比法的可行性,在确定了正确性和可行性的基础上,搭建了AFM-TM微悬臂梁等效PCB实验电路板,并进行了相关仿真实验,根据最终实验结果分析了数值仿真结果与实际电路仿真实验结果之间的异同。 本文的创新之处在于应用多重稳定性和多时间尺度理论,结合机电类比法,在充分考虑AFM-TM实际工况的前提下,全面细致地研究了AFM-TM微悬臂梁系统各动力学参数对系统运动特性的影响机理。研究结果为优化设计AFM-TM微悬臂、动力学参数匹配、AFM-TM检测与诊断故障等方面提供了理论指导;同时,在微纳米机械系统及其他非线性机械系统受到现有技术条件和经济条件的限制,无法通过实际实验进行动力学特性分析的情况下,本文提出的基于机电类比法的研究思路和研究方法可作为一种可靠的选择。

关键词： 金属谐振陀螺   金属谐振子   静电激励   电容检测  

摘要： 一直以来,在高冲击、高过载的恶劣环境下实现导航制导、载体姿态的测量至关重要。金属谐振陀螺是在高动态环境下实现上述测量的有效工具之一,具备陀螺的所有惯性品质,并且与传统机械转子以及光学陀螺相比,具有结构强度高、抗过载能力强的优点,因此受到广泛关注。陀螺中激励和检测电路是工作的前提,因此金属谐振陀螺中激励和检测电路尤为重要,随着国内外谐振陀螺电路技术的发展,静电激励和电容检测逐渐成为发展趋势,但目前存在针对谐振子大质量块运动特性描述复杂,振子密度大不易起振以及电容间距微小电容变化提取困难等问题,因此,本文针对以上问题,对金属谐振陀螺激励和检测电路开展研究具有重要意义,为未来金属谐振陀螺的进一步发展的奠定基础。 本文具体研究内容如下: (1)针对谐振子大质量块运动特性描述复杂的问题,首先分析了金属谐振子各部分结构特征,研究了谐振子在2阶振型下的工作原理,推导出旋转进动量与旋转角度的关系,依据Rayleigh函数建立谐振子质点的等效二维运动模型,得出谐振子的运动特性方程,用于描述谐振子运动特性并为后续激励和检测电路设计提供理论基础和思路。 (2)针对金属谐振子密度高,静电激励不易起振的问题,提出了谐振子的RLC电学模型,建立仿真得出激励频率为8.95kHz;研究了谐振子静电特性中静电力和信号特性,利用谐振子振动模型得出激励电压与振幅关系,得出激励电压幅值为80V,通过分析信号对激励的影响,得出激励信号采用正弦波。基于上述研究,提出一种高压激励电路结构,依据电路结构和需求设计电路,最终将高压激励电路和RLC模型联合仿真,验证电路满足设计要求。 (3)针对金属谐振子唇沿与平面电极之间电容间距微小,电容变化提取困难的问题,分析了谐振子电容特性,提出了一种电容检测电路结构,通过LCR测试仪测量静态电容值为5.522pF,基于上述研究设计电路结构中各部分电路,最后将电容检测电路与等效振子联合仿真,验证电路满足设计要求。

关键词： 矩量法   分层媒质格林函数   Delta-Gap激励   同轴线激励   波端口激励   GMRES算法  

摘要： 电子设计自动化(Electronic Design Automation,EDA)作为电磁仿真计算的关键工具,其国产化研究对于推动我国电子产业的蓬勃发展至关重要。随着集成电路行业的不断进步,无线通信的工作频率不断升高,电路的结构设计也越来越复杂,具有能够分析电磁特性的EDA工具的重要性日益凸显。矩量法(Method of Moments,Mo M)以其高精度和强大的积分方程求解能力,成为适用于分析分层结构电路的电磁仿真算法。因此,本文对面向集成电路及印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)等分层结构的电磁仿真算法Mo M展开研究,概括如下: 第一,本文首先对Mo M的基本原理进行推导介绍,详细给出进行求解时的四个步骤,然后基于等效原理建立导体的电磁场问题,引出采用Rao-Wilton-Glisson(RWG)基函数对电场积分方程进行检验的方法,最后给出经Mo M离散后形成的矩阵表达式。 第二,面向分层集成电路和PCB结构的电磁仿真问题时,可以使用平面分层格林函数来表征叠层介质效应,这样介质就不需要进行网格剖分,从而大大减少未知数的数量,进而缩小阻抗矩阵的大小。本文着重介绍了分层媒质问题的阻抗矩阵填充中最难实现的分层媒质格林函数的计算,并提出兼顾效率与稳定性的计算方法。针对格林函数计算时,采用直接积分计算效率低,而常用的离散复镜像算法(Discrete Complex Image Method,DCIM)存在稳定性较差的问题,本文采用快速汉克尔变换方法,并通过积分路径变换来绕开奇异点,最后通过数值算例验证其准确性和效率。 第三,基于Mo M的电磁仿真计算中,矩阵方程右侧激励项的合理添加是不可缺失的一环,但目前在集成电路仿真中常用的虚拟馈电激励在电压波动性较强时会导致结果不准确,对此本文提出采用优化Delta-Gap激励源来解决此问题。另外,考虑Delta-Gap激励存在电压跳变的问题,本文进一步给出基于Magnetic Frill的同轴线激励源方法,通过数值算例证明能够有效解决现有芯片电磁仿真软件正负极相距较远时结果不准确的问题。此外,实际工程中的部分电路会存在特定模式的激励。因此,本文推导了波端口激励在Mo M下的积分表达式和矩阵方程形式,接着将实现的矩形波导仿真结果与商用软件的电流分布图像进行比较,验证了此方法的正确性,拓宽了EDA软件的使用场景,有效提高了计算准确度。 第四,在完成阻抗矩阵和右侧激励项填充后,可以对未知电流项进行求解。广义最小残差法作为经典迭代算法,在求解大型分层媒质结构电路时,其迭代过程会消耗大量时间。本文基于电流在相邻频率点间变化较小的思想,提出了一种先验初始值的改进算法,通过插值出待求解频率点的电流数值作为迭代的初始值以减少整体迭代步数。最后将该代码实现后的改进方法应用于大型多层媒质结构的电路仿真中的线性频率点扫频设置和自适应扫频设置中,两种仿真设置上改进算法的效率均明显好于传统方法,在保证准确度的同时提高了Mo M的求解效率。

关键词： GNSS   载波剥离   多普勒频率   正交分离   数字下变频   复相位旋转  

摘要： 载波剥离电路可作为独立IP（Intellectual Property）集成在芯片内部,用于硬件接收机的定位功能,以提高工作效率。针对全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）硬件接收机中单通道载波剥离电路处理耗时较长的问题,本文设计了四通道载波剥离电路,四条通道并行工作,可同时进行多频点载波剥离,进一步提升硬件接收机的工作效率,大幅度减少时间维度上的消耗。四通道载波剥离电路主要包括中频信号预处理电路、数字下变频电路以及自相关峰值计算电路,具体工作主要包括以下几点: （1）中频信号预处理电路主要完成将输入频率为3.996 MHz±fd（多普勒频率）,采样率为16.369 MHz的一路中频数字卫星信号下变频至96250 Hz±fd,采样率降为2.046 MHz。首先,对数字中频卫星信号采用直接将输入符号位做“正正负负”和“正负负正”的变换方法,使其在硬件电路的实现上省去了sin和cos函数的查找表资源消耗;其次,通过简单的8点求和方式将高频载波滤除,避免了低通滤波器的复杂计算;最后,根据卫星信号具有小信号占比大的特性,采用2位非均匀量化方式进行量化,在降低硬件计算复杂度的基础上,保留了卫星信号的主要信息。 （2）复相位旋转电路主要完成对中频信号预处理电路中剩余频率为96250 Hz±fd的载波的剥离,利用两个复信号混频后在频谱上只存在和频的特点,在数字下变频电路的设计中省去了低通滤波器。同时,利用复信号在复平面中的对称性,通过对第一象限结果进行旋转来产生剩余三个象限的复相位旋转结果,由此将复相位旋转结果的查找表面积减少至原始的1/4。 （3）载波数控振荡器电路具有输出载波相位和输出载波频率可控的特点,用于产生整个多普勒频率搜索范围的本地载波相位,载波相位分辨率为π/32。与传统载波数控振荡器的不同之处在于本文所设计的载波数控振荡器在工作时只输出用于复相位旋转的载波相位,而不通过查找表产生正余弦载波,从而在硬件电路的设计上省去了正余弦查找表资源的消耗。 （4）自相关峰值计算电路是基于载波对C/A码（Coarse/Acquisition Code）自相关结果的影响,利用C/A码强自相关性的特点来进行设计。通过将数字下变频结果与本地产生的C/A码序列进行自相关后的值送入快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）电路,以完成对应频点的幅值计算,从而判断该频点对应的载波信号是否剥离完成。 （5）电路综合时通过电子设计自动化（Electronic Design Automation,EDA）软件中的逻辑综合（Design Compiler,DC）工具,基于SMIC 0.18μm分别在tt、ss以及ff工艺下对四通道载波剥离电路的面积、功耗以及静态时序进行分析,结果显示电路在tt工艺下的总设计单元面积为343390.743506μm2,总设计功耗为9.0017 m W。接着对不同工艺下的四通道载波剥离电路时序进行分析检查,结果表明,当电路工作在49.107 MHz频率下时,建立时间和保持时间裕度均大于0,不存在时序路径违例,除此之外,对所设计电路使用形式化验证（Formality,FM）工具验证电路逻辑的正确性;最后对四通道载波剥离电路在现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）上进行测试,通过与软件接收机FFT计算结果对比,验证本次设计电路的正确性。