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2017年  第34卷  第11期

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非易失性突触存储阵列及神经元电路的设计
叶勇, 亢勇, 景蔚亮, 杜源, 宋志棠, 陈邦明
2017, 34(11): 1-5.
摘要:
传统的神经形态芯片一般采用SRAM阵列来存储突触权重,掉电后数据会丢失,且只能通过单一地址译码进行存取,不利于突触权重的更新.为此,本文基于40 nm先进工艺并结合嵌入式相变存储器设计了一种非易失性突触存储阵列及神经元电路,为神经元的突触权重存储和更新提供了一种有效、高速和低功耗的解决方案.
基于45 nm SOI CMOS工艺的10 bit、125 MS/s过零检测Pipeline-SAR ADC设计
张凯娜, 严鹏程, 宋焱, 谢毅, 郭卓奇, 耿莉
2017, 34(11): 6-10.
摘要:
基于45 nm SOI CMOS工艺,设计了一款两级流水线级联型逐次逼近ADC(Pipeline-SAR ADC).摒弃了传统流水线结构中大功耗级间运算放大器,采用过零比较器和受控电流源完成级间余量放大功能,极大地减小了ADC的功耗.分析了子ADC中比较器失调对ADC精度的影响,提出了一种具有失调校准的动态比较器,满足了高精度、高速度的要求.此外,在设计逐次逼近结构时,采用共模切换、上极板采样和全定制控制逻辑等技术进一步降低了系统功耗.仿真结果显示,ADC在125 MS/s、奈圭斯特输入频率下,实现了60.46 dB的信噪失真比和77.33 dB的无杂散动态范围,有效位数为9.75 bit,系统总功耗只有1 mW.ADC的FoM值仅为9.29 fJ/step,较其他工作有很大的提升.
基于余数系统RSA密码算法快速实现
莫一奉, 李树国
2017, 34(11): 11-15.
摘要:
本文基于余数系统实现了RSA密码算法.为每一个计算单元选择形式相近的四个模,基于这四个模的约减单元比常规方法选模对应的约减单元所需要面积更小,延时而更短.按照本文提出的方法选模,选了7组共28个位宽为74的模,应用这些模基于Cox-Rower结构设计了余数系统蒙哥马利模乘器,实现RSA密码算法.在SMIC 0.13 μm标准单元库下进行综合,设计的RSA电路最高频率278 MHz.在该频率下,中国剩余定理模式下的1 024、2 048位RSA以及常规模式下1 024位RSA解密分别需要710 μs、99 μs、350 μs,快于已发表的同类设计.
一种符合OSEK标准的操作系统微内核设计
郭景, 陈贤富
2017, 34(11): 16-20.
摘要:
本文提出了一种符合osek标准的嵌入式操作系统微内核,该内核对实时进程和一般进程采取了两种不同的调度策略,既能满足实时性要求,又能兼顾系统吞吐量.此外,还提出了一种通用的上下文切换模型,使得该内核可以方便地移植到不同的平台.相比直接使用商用操作系统或者前后台系统,它具有通用性强、执行效率高、占用空间小等优点.基于STM32处理器平台的实验表明,该内核仅占用924 Bytes ROM,在72 MHz系统时钟驱动下,完成一次任务切换仅需3.4 μs.
基于一维卷积神经网络的车载语音识别研究
朱锡祥, 刘凤山, 张超, 吕钊, 吴小培
2017, 34(11): 21-25.
摘要:
针对卷积神经网络(convolution neural networks,CNNs)是二维结构,不能很好地反映出语音信号的一维特性,因此,提出使用一维模型进行语音识别研究.其通过卷积核在时间轴上的移动,在保留频带相关性的同时可以更好的满足语音信号的时变性,进而提高识别性能.最后进行了车载语音识别对比实验,结果表明一维卷积神经网络的识别率较二维卷积神经网络提高了约10%~20%,在噪声环境下的泛化性能也明显优于后者.
基于柯西变异的果蝇优化算法
韩旭明, 邱兵, 刘翘铭, 周丽媛, 王丽敏
2017, 34(11): 26-30.
摘要:
针对果蝇优化算法在寻优过程中易陷入局部极值点的不足,提出一种基于柯西变异的果蝇优化算法.当算法陷入局部最优时采用柯西变异策略,更新果蝇群体位置,使算法继续迭代寻找全局极值.通过六个基准函数对算法性能进行测试,实验结果表明基于柯西变异的果蝇优化算法在收敛速度和收敛精度都有较大提高.
基于属性特征提取与萤火虫优化的图像检索算法
赵凯, 韩毅, 罗圣勇
2017, 34(11): 31-36.
摘要:
为了解决图像检索算法中存在的语义鸿沟问题,并提高图像检索性能,本文提出了基于属性特征提取耦合萤火虫优化的图像检索技术.首先,基于像素聚类特性,利用归一化分割模型将每个图像分割成不同的区域,并提取每个区域的颜色和纹理特征;然后,引入Earth Mover's distance(EMD)相似度量,计算搜索目标与图像库中目标的距离,从而获得查询目标的反馈结果;再通过支持向量机(Support Vector Machine,SVM)对获得的图像反馈结果进行学习,并引入萤火虫算法进行迭代优化,对相关图像和不相关图像进行持续筛选,从而获得用户期望结果.通过在Corel图像库中实验证明:与当前常用的图像检索算法相比,本文算法具有更高查准率和查全率,以及更低的平均归一化检索率与复杂度,能准确快速地查找搜索目标.
多场景分区间前端均衡比较WSN接收器唤醒策略
胡平芳, 黄苏雨
2017, 34(11): 37-42.
摘要:
为降低无线传感器网络空闲信道监听能耗,并满足特定延迟需求,提出一种多场景分区间前端均衡比较WSN接收器唤醒策略.首先,构建单位能源消费量和模拟前端灵敏度关系图,获得四个特征区间,并进行特性分析,然后将所有场景参数简化为单一场景常数,进行网络唤醒接收器的平衡线计算;其次,沿着获取的平衡线,从不同场景区间能源消费量和模拟前端灵敏度关系图左下角向右上角搜索,并选取最佳模拟前端操作点,即为最佳待唤醒接收器;最后,通过在仿真实例对比实验,验证了所提方法在能耗节约和延迟保证上的优势.
一种使用时间斜移整形技术的ΔΣ时间数字转换器
韩威力, 林福江
2017, 34(11): 43-47.
摘要:
本文提出了一种使用门控环形振荡器及时间斜移整形技术的2-0级联结构的ΔΣ型TDC.该TDC使用了一个环形DTC和基于时间寄存器的时域加法器,DTC通过与GRO-TDC共享量化器从而无需校准并且降低了功耗.通过将GRO量化器的输出分割为MSB和LSB部分,环形DTC的精度要求被进一步降低.利用该时间斜移整形技术,GRO的时间斜移误差被一阶整形,同时死区效应被解决.与此同时,实现了量化噪声的二阶整形.该项技术易于在宽带和低功耗方面得到应用.
基于AHP-熵权决策的本体映射优化算法
徐德智, 易晓媛, 汤哲
2017, 34(11): 48-52.
摘要:
针对现阶段语义网本体映射结果缺乏针对性,映射效率低下等问题,现提出一种基于AHP(Analytic hierarchy process)层次分析法及熵权决策的本体映射优化算法.该方法首先解析目标本体,列出本体的各个特征向量,依据相应的公式计算出特征向量的置信度.其次,给出各映射策略,依据所提出的层次分析-熵权决策组合优化算法,进行映射多策略权值计算.最终,计算出映射结果.该方法有效的减少了映射冗余,更合理的分配了多策略权值,实验结果证明了其择优性.
对极几何约束下的粒子滤波目标协同跟踪算法
陈滨, 赵建军, 姚刚, 杨利斌
2017, 34(11): 53-57,62.
摘要:
为了提高双视角条件下的粒子滤波目标跟踪算法的性能,提出了对极约束下的粒子滤波目标协同跟踪算法.利用对极几何约束,一方面对协同跟踪过程中的目标检测区域进行限制,减少检索空间;另一方面对粒子滤波目标跟踪算法的状态转移模型进行改进,减少目标在监控重叠区域时,每个摄像头跟踪所需的粒子总数.最后,从帧率、中心误差及覆盖率上,对算法的性能进行分析比较.实验结果表明,算法在时间性能上能满足实时性要求,准确度上较之经典粒子滤波目标跟踪算法,有了明显的提高.
基于选择性聚类集成的图像目标分类方法
储岳中, 刘恒, 张学锋, 潘祥
2017, 34(11): 58-62.
摘要:
传统集成学习算法是对所有个体分类器进行组合决策,由于无法反映个体分类器的差异性,不能有效提高集成分类器的识别率.为此,提出基于互信息(Normalized Mutual Information,NMI)的个体分类器差异性度量方法,利用匈牙利算法对个体分类器的标记向量进行匹配,在此基础上提出基于成分数据的AP (Affinity Propagation)聚类集成算法作为选择性集成策略.在遥感图像上分别与经典算法做比较实验,结果表明此算法在分类性能上具有一定的优越性.
一种基于改进蚁群算法的多目标优化云计算任务调度策略
葛君伟, 郭强, 方义秋
2017, 34(11): 63-67.
摘要:
提出了一种兼顾任务最短完成时间、成本和负载均衡的改进的集多目标优化的蚁群任务调度算法(time,cost and load balance ant colony optimization, TCL-ACO).首先,针对云计算下任务调度的特点定义任务完成时间成本的约束函数和负载均衡度函数.对于蚁群算法进行初始信息素、启发函数、信息素更新方式进行改进.然后,用改进的蚁群算法求解目标约束函数得到全局最优解.最后在cloudsim下进行仿真,并与Min-Min算法和ACO算法进行仿真对比,实验结果表明本文算法在成本、任务的执行时间和负载均衡方面优于这两种算法.
异构车联网中基于Markov决策的最优网络选择
董彪, 唐亮, 杨洪生, 卜智勇
2017, 34(11): 68-74.
摘要:
在基于V2V和V2X的异构车联网系统中,车辆需要在各网络之间选择最优网络,针对网络选择技术普遍不能满足网络和车辆状态的随机无记忆性以及网络选择后状态的转移性,提出了基于VMDP的最优决策算法.该算法建立了VMDP状态空间以及状态转移概率矩阵,并且利用VIA求得最优网络选择策略.与其他算法进行性能对比,仿真结果表明该算法不仅能有效地实现车辆的最优网络选择,而且在通信链路质量和切换次数等性能上优于对比算法10%~30%,有效地提高了车辆通信性能.
可重构视频阵列处理器中全局控制器的设计与实现
张雪婷, 蒋林, 邓军勇, 吕青, 武鑫
2017, 34(11): 75-79.
摘要:
提出了一种基于可重构阵列处理器的视频编解码方案,重点描述面向算法切换与资源调整的全局控制器设计方法,通过层次化编程网络将阵列处理器与主机接口相连,从而实现对视频阵列处理器计算资源的控制与管理.实验结果表明,该全局控制器支持多种模式的指令加载以及计算数据的反馈,在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)上最高工作频率可达539.96 MHz,相较于同类型阵列结构,全局控制器的执行周期降低了50%.
基于角色的透明计算应用权限控制模型
赵晓参, 王国军
2017, 34(11): 80-84.
摘要:
提出一种基于角色的透明计算应用权限控制模型TCACM(Transparent computing access control model).该模型能够较好地解决透明计算中的系统安全性问题.该模型由客户端和服务器端两部分组成.客户端启动应用程序,计算出应用程序的数据指纹,将其与服务器端"安全应用程序"数据库匹配,进行完整性验证;根据授权角色权限集进行授权验证,由验证结果动态地管理用户可运行应用程序集.实验结果验证了该模型的可行性.
基于MCAPI的嵌入式多核通信机制的研究
王欣, 邱昕, 慕福奇, 冷永清
2017, 34(11): 85-88.
摘要:
随着嵌入式系统的复杂性增加,多核处理器越来越多地被使用,多核间的通信机制的研究也成为热点之一.针对嵌入式非对称多核处理器(asymmetric multiprocessing,AMP)的特点,并且为了方便上层应用移植,提出了基于多核通信接口框架(Multicore Communications API, MCAPI)的多核通信机制.最后将该机制移植到ZYNQ7000进行实验测试,测试结果表明该通信机制可以满足实时嵌入式系统的需求.
一款增益可调的 28 nm三通道10位DAC
熊利伟, 杜占坤, 刘珂, 马骁, 庞晓敏
2017, 34(11): 89-93.
摘要:
基于SMIC 28 nm CMOS工艺,实现了一款增益可调的三通道的300 MS/s 10 bit的数模转换器.此数模转化器可以通过5位的控制字实现0~-5.75 dB的增益调节,适应更多的应用环境.数模转换器采用分段式结构,其中高六位采用温度计码,低四位采用二进制码.在电流源单元开关部分采用限幅电路,提高无杂散动态范围.带隙基准单元采用低电压输出结构,满足电压电流转换单元中的栅压要求.在1.8 V模拟电源电压,1.05 V数字电压下,采样时钟在300 MHz的时候,无杂散动态范围(SFDR)为64 dB,微分非线性小于(DNL)±0.3 LSB;积分非线性小于(INL)±0.4 LSB.
高性能X波段增强型凹栅Al2O3/AlGaN/GaN MIS-HEMT
张蓉, 马晓华, 罗卫军, 刘辉, 孙朋朋, 耿苗
2017, 34(11): 94-98.
摘要:
在蓝宝石衬底上制备了栅长Lg为0.25 μm的增强型Al2O3/AlGaN/GaN MIS-HEMTs,采用刻蚀凹栅与ALD(原子层淀积)Al2O3介质层的方法研制器件.研制的增强型MIS-HEMT器件的阈值电压为+2.2 V,饱和电流为512.3 mA/mm.通过变频变温C-V方法测试提取的Al2O3介质层与AlGaN势垒层之间的界面态密度相应于能级范围(EC-0.35)eV~(EC-0.65)eV从8.50×1012 cm-2eV-1减小到9.73×1011 cm-2eV-1.另外,研制器件展示了突出的射频性能,其截止频率(fT))为30.5 GHz,最高振荡频率(fmax)为71.5 GHz.连续波测试模式时,该器件在8 GHz频率下,饱和输出功率密度为1.7 W/mm,相应附加功率效率为32.6%.展现出凹栅增强型MIS-HEMT在X波段射频电路中的应用潜力.
一种Vcm-Based10位16M采样率低功耗逐次逼近型模数转换器
刘滢浩, 刘宏, 徐乐, 田彤
2017, 34(11): 99-103.
摘要:
针对无线传感网络中低功耗无线传感器的应用,设计了一种采样速率为16 MSPS,精度10 bit的全差分超低功耗逐次逼近型模数转换器(SAR ADC).提出一种基于Vcm-Based参考电压的开关切换逻辑,减少DAC模块参考电压开关切换的功耗.同时,DAC电容阵列模块采用分段式结构,单位电容采用优化的MOM电容,有效提高ADC的匹配性和精度;此外采用了双尾电流型动态锁存比较器,实现功耗的最优化.芯片采用CMOS 65 nm工艺设计,后仿结果显示在1.2 V电源电压及16 MSPS采样率下,ADC有效位数达到9.42 bit,功耗为140 μW,品质因数(FOM)为12.8 fJ/Conversion-step.
物联网环境下超高频射频识别系统中多卡识别的实现
刘颖
2017, 34(11): 104-107.
摘要:
多卡识别是超高频射频识别系统中重要内容,其识别效果直接影响系统的识别的能力,随着物联网的发展,目前大多数超高频射频识别系统中的多卡识别都是通过系统与智能编码技术相结合实现的,通过对已有的射频识别的安全技术和进行研究,并对低功耗超高频电子标签进行了硬件和软件设计,完成天线和射频电路及标签制造工艺流程,从而实现超高频射频识别系统中的多卡识别.但这种方法存在计算复杂,难以被广泛使用的问题.为此,提出一种基于多服务器的物联网环境下超高频射频识别系统中多卡识别的实现方法,对高频射频识别系统进行分析,并研究超高频射频识别系统中的能量和数据传递方式,在此基础上通过建立多服务器系统模型,设计物联网环境下超高频射频识别系统的分组加密算法,根据超高频射频识别系统中的冲突,完成防冲突分析,最后通过对识别系统中识别卡片的选择,完成物联网环境下超高频射频识别系统中多卡识别.实验证明,所提方法能够提高系统的存储容量,实现远距离无障碍读取,具有使用范围广,安全保密性好等优点,具有良好的使用价值.
多功能三通道200 Mb/s抗辐照SpaceWire节点控制器设计与实现
刘欢, 陈卫国, 王剑峰, 吴龙胜
2017, 34(11): 108-113,118.
摘要:
针对航天器应用,提出了一种多功能、三通道高可靠速率可达200 Mb/s 的SpaceWire节点控制器设计实现方案.通过DS高速时钟恢复技术、单粒子翻转容错设计、芯片多时钟域划分实现了高可靠、多功能的抗辐照SpaceWire节点控制器.
虚拟云桌面的访问控制算法研究
朱一茹
2017, 34(11): 114-118.
摘要:
针对云桌面访问控制的问题,提出一种基于统计学的虚拟云桌面访问控制算法,对虚拟云桌面数据进行加密处理并对加密的过程进行分析,在此基础上,通过建立描述并发用户负载访问虚拟云桌面的排队论模型,并分析了基于统计学的虚拟云桌面访问控制算法过程,从而完成访问控制,在保证用户访问需求的同时,最大程度地利用虚拟云桌面资源.实验证明,所提访问控制算法能够有效保证虚拟云桌面数据的安全,提高了访问控制的响应时间,且访问控制的精度较高.
基于中心向量法与万有引力模型相结合的文本分类
王宇, 刘斌
2017, 34(11): 119-123.
摘要:
提出一种中心向量模型与万有引力模型相结合的文本分类的方法(CGMV).引入了类内信息熵和类间边界置信度,解决了传统模型下类间分布不均匀与类内个别样本分布稀疏从而导致分类准确度下降的问题.经过实验证明CGMV算法提高了文本分类的准确率.
无线传感网络的安全访问控制算法研究
聂利颖, 王婷婷
2017, 34(11): 124-127.
摘要:
安全访问控制算法是保证无线传感网络安全、稳定运行的前提基础.传统的基于有效带宽的无线传感网络安全访问控制算法,通过建立和描述无线传感网络访问数据的排队论模型,然后利用统计学思想实现无线传感网络的安全访问控制.存在网络服务质量较差,容易导致网络拥堵的问题.为了改善安全访问控制的效果,缩短访问响应时间,提出一种基于速率变化调整的无线传感网络安全访问控制算法,首先分析无线传感网络访问数据平均输入速率和输出速率、访问数据效率控制、访问数据公平性控制等参数的要求;采用丢包率平滑器,对无线传感网络丢包数据进行平滑处理;最后通过对无线传感网络访问数据包速率变化的调整,实现安全访问控制.实验结果分析证明,利用该算法能够最大限度地利用无线传感网络中的服务资源,实现了无线传感网络的安全访问控制,具有广泛的应用价值.
基于叠加的图像缩放优化及FPGA实现
武文斌, 高俊雄, 王耘波
2017, 34(11): 128-130.
摘要:
针对数字图像缩放处理消耗较多硬件资源的问题,利用坐标转换和叠加处理的方法,进行图像缩放的硬件设计,采用流水线设计,转换为两种整数倍缩放图像叠加的形式,使其在FPGA上更加易于实现.最后在Xilinx的XC7A200T芯片上对算法进行验证,得到数据后用MATLAB显示缩放后图像,效果良好.
网络防火墙内部数据过滤保护算法
彭兆军
2017, 34(11): 131-134,139.
摘要:
网络防火墙是计算机与网络之间的连接通道,在过滤网络病毒,保护计算机用户安全方面存在重要作用.网络防火墙内部数据过滤保护算法的性能直接影响其过滤病毒的能力,但目前大多数网络防火墙数据都是根据预先设定的安全策略,对进出网络内部的数据包进行检查过滤,在判断数据包是否安全时存在误判可能.为此提出一种基于群体信任的网络防火墙内部数据过滤保护算法,首先把网络防火墙内部数据库模型化为一棵层次树,网络防火墙内部危险数据获取问题就转化为树的遍历问题.通过对树中的属性排序,缩小查询空间.根据计算树中属性值相关度提高网络防火墙内部危险数据提取的准确度和提取效率.然后通过计算数据特征,确定流经网络防火墙的数据信任度,完成对目标数据的信任评价,进而实现网络防火墙内部数据过滤保护.通过仿真实验证明,所提方法能够有效提高网络防火墙过滤保护的准确性,提高网络防火墙内部数据过滤保护效率,具有较强的实用性.
基于植入式眼压检测应用的低功耗SAR ADC设计
马志峰, 李熙泽, 张锋, 陈铖颖
2017, 34(11): 135-139.
摘要:
为了确保植入式眼压传感器在体内长期保持稳定的工作状态,同时能较为精准地反映人体眼压变化,设计了一种应用于青光眼治疗的植入式眼压检测传感器的10 bit,20 kS/s低功耗逐次逼近型数字模拟转换器(SAR ADC).该电路内置的DAC使用全电容阵列设计,利用对称电容阵列结构提高缩放电容的匹配精度;比较器采用三级预放大器加一级动态锁存器结构,并引入了失调校准功能.电路采用 SMIC 0.18 μm 1P6M工艺进行设计,后仿真结果表明,在20 kS/s的采样速率下,有效位数可达9.4 bit,平均功耗仅为44.7 μW.
基于高速数据采集的NoC路由器设计
许川佩, 刘标
2017, 34(11): 140-144.
摘要:
针对NoC数据处理量越来越大,确定性算法在数据量较大时,数据包传输延迟增大,而简单的自适应算法占用过多的片上资源等问题,将改进XY自适应算法应用在片上网络中,节点设计基于2D_Mesh拓扑结构、虚通道技术的虫洞交换模式.采用VerilogHdl语言完成NoC路由节点中各个模块的设计,并在Modelsim软件上进行仿真,最终在FPGA上实现NoC路由器功能.实验结果表明,设计的路由器能够满足高速数据的处理,且不会有延迟、死锁等问题的发生.