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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2014年, 第54卷, 第4期 上一期    下一期
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    基于能量收割的认知无线电预编码优化  收藏
    朱锐,李云洲,王京
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 407-412.  
    摘要 ( 41 )   HTML   HTML    PDF (1187KB)

    认知无线电(cognitive radio, CR)和能量收割(energy harvesting, EH)技术是提高频谱效率,实现绿色通信的重要手段。但是目前一般将CR和EH作为两个不同的对象分别进行研究。少部分将CR和EH联合研究的工作又均基于输入信号服从Gauss分布的假设。这些不足严重地限制了CR-EH技术在实际情况中的应用。该文基于目前大多数数字通信信号服从的等概率有限字符集分布,分析了EH-CR系统的信道容量,给出了一种基于随机动态规划的预编码算法,提高了EH-CR系统的实用性。仿真结果表明: 该算法可以有效地逼近EH-CR系统所能达到的信道容量上界。

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    基于Walsh序列的云传输广播网的扩频编码  收藏
    郝博,王军,王昭诚
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 413-418.  
    摘要 ( 28 )   HTML   HTML    PDF (1273KB)

    在宽带地面数字广播领域,单频网(single frequency network, SFN)由于具有更高的频谱效率而逐渐替代多频网(multi-frequency network, MFN)成为实际系统布网的首选。但随着移动业务的增长、城市楼宇环境的日趋复杂,传统SFN内容单一、交叠区域信号衰减剧烈的弊端也限制着它的进一步应用。新近提出的云传输SFN由于简单的组网规范、灵活的传输体制以及更高的频率复用率而引起广泛的重视。云传输网络负的信号接收门限保证了两基站重叠区域强回波信道下系统的性能。该文针对云传输体制部署时面临的多基站重叠的挑战,提出一种基于Walsh序列扩频的编码方案,并分析了交叠区域以及叠加多业务后的系统性能,仿真表明: 该方案在抗多径和多业务传输方面符合云传输广播网的组网要求,并有实现简单、兼容性好的特点,可同时满足下一代数字广播网高清传输与支持移动的需求,具有良好的应用前景。

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    分布式相参雷达相参性能的两种监控算法  收藏
    孙培林,汤俊,张宁
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 419-424.  
    摘要 ( 30 )   HTML   HTML    PDF (1247KB)

    分布式相参雷达(DCR)全相参模式相参性能的监控是一个重要问题。该文提出的两个监控算法均通过监控信噪比(SNR)增益来监控相参性能。SNR增益需要统计单路波形的SNR, 难点也在于此。第一个监控算法针对单发射多接收天线(单发多收)体系,单路波形可以从单个接收天线直接获得,进而统计SNR增益。第二个监控算法针对多发单/多收体系,由于全相参模式下各发射天线的基带波形相同,因此多个发射天线的波形在单个接收天线处是叠加在一起的,无法用匹配滤波方法分离出单路波形,该文提出了辅助天线技术从而可以监控SNR增益。数值仿真表明了两种监控算法的有效性。

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    基于伪距误差重建的多星故障检测方法  收藏
    张鑫,崔晓伟,冯振明
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 425-431.  
    摘要 ( 19 )   HTML   HTML    PDF (1100KB)

    传统的接收机自主完好性监测(RAIM)方法使用定位解算方程的残差来进行故障识别,在单卫星故障下具有较好的性能。随着全球卫星导航系统的建设,用户观测到的卫星数目显著增加,使用多颗卫星定位可以提高定位精度。但多颗卫星同时发生故障的概率将会增大, RAIM方法需要进行改进以应对多星故障。该文首先对RAIM方法的原理进行了深入分析,推导出了误差向量和残差向量之间的投影关系。然后,通过实例论证了误差向量和残差向量在投影变换时会带来信息损失,从而使故障难以检测。最终,给出了一种新的RAIM方法。通过引入约束条件,利用残差向量重构出误差向量。根据误差向量大小,实现多星故障检测。仿真表明该方法在多星故障模式下,具有较好的检测性能。

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    地面高度起伏对SAR图像匹配性能影响的定量分析  收藏
    马文婷,杨健,崔一,高伟
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 432-436.  
    摘要 ( 36 )   HTML   HTML    PDF (12831KB)

    合成孔径雷达(SAR)图像匹配可以修正惯性导航系统(INS)的累积误差,提高飞行器的定位导航精度。但地面高度起伏会引起SAR图像中存在几何失真,大大降低了图像匹配的精度。该文从SAR图像的成像原理出发,详细分析了SAR图像几何失真的原因,提出了一种根据实时SAR图像的地形高度计算地形匹配误差的方法,并在此基础上推导得到了一种快速预测地形匹配误差上界和下界的方法。该误差预测方法与匹配过程无关,能够在匹配前完成,对于修正匹配结果、提高匹配精度具有重要的意义。实验统计了90组参考和实时SAR图像的匹配结果,结果表明地形匹配误差均分布在预测的上界和下界之间。

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    TCAM存储高效的OpenFlow多级流表映射机制  收藏
    刘中金,李勇,苏厉,金德鹏,曾烈光
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 437-442.  
    摘要 ( 68 )   HTML   HTML    PDF (1288KB)

    基于流表的转发机制为OpenFlow提供了灵活的可编程能力,但是随着网络功能的不断膨胀, OpenFlow交换机中的流表规模呈现出不断增长的趋势,这些流表难以在交换机有限的三态内容寻址存储器(TCAM)中进行存储,成为网络发展的一个瓶颈。为了高效地利用有限的TCAM资源进行流表存储,该文提出一种OpenFlow多级流表结构及其映射算法,将单一流表映射到多级流表中进行高效存储和查找。仿真结果表明: 该文所提方法比单一流表的存储方法节省17%~95%的TCAM资源。这对OpenFlow数据平面查找结构及其扩展性设计具有重要意义。

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    基于虚拟化的软件定义无线接入网结构  收藏
    杨懋,杨旭,李勇,金德鹏,苏厉,曾烈光
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 443-448.  
    摘要 ( 28 )   HTML   HTML    PDF (1292KB)

    伴随着移动需求的快速增长,移动无线网络在高速发展的同时,也日益严重地受到无线网络的封闭与僵化特性的制约,这将导致诸如异构无线网络难以融合互通、网络难以提供定制化的服务等问题。为了解决上述问题,该文提出了一种基于虚拟化的软件定义无线接入网结构。首先详细介绍了该结构的整体框架。其次,对其中的关键技术如SDN控制策略、虚拟化策略以及可编程策略等进行了详细设计。该结构实现了无线接入网的灵活可控制、融合可演进、开放可编程以及弹性可定制的特性。

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    针对DTMB-A系统的自适应峰均比降低算法  收藏
    梁林峰,王军,宋健
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 449-452.  
    摘要 ( 36 )   HTML   HTML    PDF (1081KB)

    针对地面数字多媒体广播演进方案(DTMB-A)中由于采用了较大FFT长度而带来的高峰均比问题,提出一种基于动态星座图扩展的自适应峰均比降低算法。首先介绍了针对APSK调制方式的动态星座图扩展算法,明确了星座点可扩展区域的选择方式; 随后基于峰值抵消信号推导了动态星座图扩展算法的最优时域系数; 最后针对现有动态星座图扩展算法对初始限幅门限值敏感的问题,提出一种在迭代中自适应调整限幅门限值的方法。仿真结果表明: 所提算法的降峰均比性能优于现有动态星座图扩展算法,同时在初始限幅门限值设置不理想的情况下具有较好的鲁棒性。

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    改进的功率极化交叉熵舰船检测方法  收藏
    游彪,杨健,叶春茂,宋建设
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 453-457.  
    摘要 ( 30 )   HTML   HTML    PDF (1316KB)

    针对极化交叉熵定义的缺陷,提出了一个新的替代参数。首先逐点计算各个像素与三种基本散射体之间的相似性参数,分析了目标与海杂波极化性质的差异,在此基础上对极化交叉熵重新定义。然后与功率相乘得到功率极化交叉熵。该参数既能反映目标与杂波像素功率的差异,也能反映极化性质的不同。最后,采用Parzen窗杂波拟合方法获得判决阈值。利用Radarsat-2数据进行实验比较,验证了所提参数用于CFAR舰船检测的有效性。

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    OFDM星座旋转调制自适应交织器设计  收藏
    周世东,俞抒鹏,肖立民,钟晓峰
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 458-463.  
    摘要 ( 38 )   HTML   HTML    PDF (1303KB)

    为了改善正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)在稀疏多径信道环境中的抗衰落能力,提出一种基于星座旋转调制OFDM系统的自适应交织方法。利用OFDM系统的多载波特点将旋转调制中的分量交织引入到子载波间交织,根据统计信道状态信息或实时信道状态信息,采用该文设计的交织器搜索准则来选取最佳分量交织图案,接收端将最佳的分量交织图案的索引反馈给发送端,实现了自适应交织。仿真结果表明该方法在稀疏多径衰落信道下有优异的抗衰落性能和较高的频谱利用率。

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    基于迭代Radon-Wigner变换的FMCW-ISAR目标速度估计及速度补偿  收藏
    常雯,李增辉,杨健
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 464-468.  
    摘要 ( 33 )   HTML   HTML    PDF (1154KB)

    在调频连续波逆合成孔径雷达(FMCW -ISAR)成像系统中,目标在扫描周期内的高速运动导致目标一维距离像的畸变及二维成像的模糊。为了获得高质量的ISAR目标成像结果,需对高速目标进行速度估计及补偿。该文针对FMCW-ISAR系统信号模型,提出了一种基于迭代Radon -Wigner变换对高速非合作目标进行速度估计和速度补偿的方法。仿真结果表明: 该方法能够对高速非合作目标的速度进行高精度估计,距离向和方位向速度补偿后可获得理想的ISAR成像结果。

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    基于信道质量信息的机会频谱接入策略  收藏
    彭晓东,肖立民,钟晓峰,周世东
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 469-473.  
    摘要 ( 16 )   HTML   HTML    PDF (1058KB)

    机会频谱接入被认为是一种实现异构无线网络间频谱资源共享的有效途径之一。之前的相关研究很少考虑信道质量信息对于机会频谱接入性能的影响。针对这一问题,该文综合考虑主用户信道占用信息和次用户的信道质量信息来设计机会频谱接入策略,并通过求解凸优化问题获得了一种基于信道质量门限的策略。该策略能够最大化次用户获得的有效吞吐率,同时满足主用户对传输质量的要求,且在单信道场景下具有最优性。仿真结果表明: 该策略能够显著提高次用户的有效吞吐率。

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    利用网站服务器测量链路性能  收藏
    余坤,包丛笑,李星
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 474-479.  
    摘要 ( 24 )   HTML   HTML    PDF (1069KB)

    为了大规模测量互联网链路性能,该文利用广泛部署的网站服务器提出一种测量方法Pathperf。Pathperf工作在待测链路的一端,在链路另一端查找网站服务器,通过从网站上下载页面来测量链路性能。该方法可分为两部分: 1) 采集互联网上已有的网站服务器信息,并通过边界网关协议(boarder gateway protocol, BGP)路由表和IP地址位置信息将任意单播IP地址和它附近的网站服务器配对; 2) 利用域名服务(domain name service, DNS)来传送网站服务器信息。在中国教育网部署后, Pathperf采集了3 536 912个不同的网站服务器,分布在22 656个自制域内,保证了本方法的高可用性。该文通过Planetlab平台测试了Pathperf映射算法的准确度,在92.5%的情况下Planetlab节点与映射到的网站服务器之间的延时小于16 ms。通过与带宽测量工具Iperf和延时测量工具King方法的比较,证明了Pathperf可以准确预测链路的延时、带宽等性能指标。

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    4R-TPUT: 结构化对等网络中的高效top-k查询算法  收藏
    方启明,杨广文
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 480-484.  
    摘要 ( 26 )   HTML   HTML    PDF (1140KB)

    top-k查询要求查找出最符合需求的前k个结果,是对等网络中的重要数据处理技术。该文研究了结构化对等网络中数据在各节点上垂直划分的精确top-k查询处理,在3通信回合的三阶段阈值(TPUT)算法基础上提出了4回合阈值算法4R-TPUT。它由下界估计、剪枝和结果查找3个阶段组成,通过在TPUT的下界估计阶段增加一个通信回合来获取更多的数据信息以得到更准确的top-k下界估计和剪枝阈值,从而减少查询处理过程中的数据访问和传输量。实验表明: 4R-TPUT相比于TPUT较大幅度降低了数据传输量,减小了查询响应时间,是一种更高效的top-k查询算法。

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    基于分组处理能力共享的低功耗路由器体系结构  收藏
    开毅,卢建元,刘斌
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 485-489.  
    摘要 ( 27 )   HTML   HTML    PDF (1269KB)

    为了解决目前互联网中核心路由器功耗大并且功耗效率低的问题,提出了一种基于处理能力共享的路由器体系结构GreenRouter。该结构将路由器线卡拆分为分组处理部分(母板)和接口部分(子板), 通过两级交换网络的互连使所有子板共享各母板的分组处理能力。调度算法将路由器各接口到达的流量分配到最小数目的处于工作状态的母板上,关闭其他母板实现节能。研究了GreenRouter的体系结构和运行机制中的关键问题,利用实际网络流量进行的模拟实验表明: GreenRouter在保证网络服务质量的前提下,能够节省超过40%的功耗。

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    基于完全有限前缀的过程实例表示图的分解  收藏
    宋亮,闻立杰,王建民,刘国平,刘廷龙,杨剑勇
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 490-494.  
    摘要 ( 33 )   HTML   HTML    PDF (955KB)

    由于语义交织现象的广泛存在,导致过程模型的行为状态空间面临状态爆炸问题。完全有限前缀能够有效压缩过程模型的状态空间,但是会丢失部分任务间时序关系特征。该文提出时序保存的完全有限前缀(temporal-order protecting complete finite prefix, TPCFP)技术,既能在不丢失任何可达状态信息的前提下高效压缩状态空间,又能确保不丢失任何任务间的时序关系。通过从TPCFP叶子结点中不同的并发集合出发,逆向遍历直到初始状态,可以分解出代表过程模型所有过程实例的结构,称为过程实例表示图(execution instance representation graph, EIRG)。在实际过程模型集合上所做的实验表明该技术是高效和准确的。

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    面向多核虚拟机的高效瞬态协同调度算法  收藏
    张磊,张知皦,陈渝
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 495-501.  
    摘要 ( 17 )   HTML   HTML    PDF (1600KB)

    随着多核硬件技术的迅速发展和应用对计算能力需求的不断增强,多核虚拟机应用也越来越广泛。但多核虚拟机会引发锁占用的可扩展性问题,锁占用严重影响系统的整体性能。本文基于Linux的完全公平调度器(CFS)设计并实现了一个高效的瞬态协同调度算法,能够高效地解决锁占用问题并获得更好的系统性能。实验结果表明,相比Linux 2.6.38内核,该算法可以显著地提高系统性能,在SysBench.OLTP的测试用例中系统整体性能最多提高到3.41倍,并且对调度公平性几乎没有影响。

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    基于社会化标注的用户兴趣挖掘  收藏
    扈维,张尧学,周悦芝
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 502-507.  
    摘要 ( 30 )   HTML   HTML    PDF (2127KB)

    用户兴趣挖掘是实现个性化推荐与智能化服务的关键问题。Web2.0引入的社会化标注可以反映用户的潜在兴趣。该文提出一种基于用户标注行为的兴趣建模方法,根据用户与标签的交互模式反映用户的兴趣倾向。从用户对不同标签的“认同度”和“依赖度”两方面衡量用户的标签兴趣,并使用“标签基因”对用户的兴趣进行细粒度分解。来自真实用户数据的实验结果表明,该方法可以有效提高用户兴趣的预测准确度和覆盖率,创建的兴趣模型更加符合用户的真实情况。

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    基于状态空间的惯性测量组合剩余寿命在线预测  收藏
    冯磊,王宏力,周志杰,司小胜,邹红星
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 508-514.  
    摘要 ( 36 )   HTML   HTML    PDF (1143KB)

    实时准确的剩余寿命预测能够为惯性测量组合的维护策略安排提供有效的决策支持。由于反映惯性测量组合退化状态的性能指标不能直接监测或直接测量带有噪声,因此需要构建状态空间模型预测惯性测量组合的剩余寿命。考虑到惯性测量组合的性能退化指标随时间呈现非线性特征,首先采用基于非线性漂移的Brown运动(Brownian motion, BM)建模其退化状态,然后基于构建的状态空间模型,利用期望最大化(expectation-maximization, EM)算法和Kalman滤波(Kalman filter)实时估计和更新退化状态和模型未知参数。并且将状态估计的分布函数引入剩余寿命的预测过程,近似得到了剩余寿命分布的解析形式,实现了剩余寿命的实时预测与更新。最后,对惯性测量组合的剩余寿命实时预测问题进行了实验分析,结果表明该方法具有较高的预测精度与较小的预测不确定性。

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    基于递归特性的网络应用流量行为分析  收藏
    袁静,王俊松,李强,陈曦
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 515-521.  
    摘要 ( 29 )   HTML   HTML    PDF (1624KB)

    准确刻画不同网络应用流量的行为特征,是识别和控制应用流量以及保证互联网服务质量的关键。该文提出一种基于流量系统状态递归特性的分析方法,研究应用流量的内在动力学行为。针对实际网络中多类不同应用流量的时间序列,首先重构流量序列的高维相空间,然后分析应用流量系统状态运动轨迹的递归特性,揭示其各自固有的内在行为。实验结果表明,流量的非线性动力学特征能够准确地刻画各类网络应用流量的行为,并且不随网络规模或网络协议版本的改变而发生变化。因此,流量的非线性动力学特征有助于提高互联网应用流量识别与控制的性能。

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    海上风电场运行维护系统  收藏
    黄必清,张毅,易晓春
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 522-529.  
    摘要 ( 27 )   HTML   HTML    PDF (2171KB)

    海上风电产业发展迅猛,海上风电机组运行维护要求不断提升,海上风电场运营管理方式相对落后,使得整体运营费用居高不下,严重制约风电产业的健康发展。该文提出适用于风电产业的大型装备运行维护系统研究方法。在总结国内外风电场特别是海上风电场运行维护的特殊需求和存在问题的基础上,阐述了海上风电场运行维护系统的定位、重点要解决的问题和创新工作内容; 设计了系统的总体框架,分析了各个子系统的业务功能及其相互关系,探讨了风电机组物料清单(BOM)和维护工作流程两项关键技术; 开发了软件系统并在企业应用验证。

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    无侧滑角传感器的飞翼无人机抗侧风控制方法  收藏
    王乾,李清,程农,宋靖雁
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 530-535.  
    摘要 ( 43 )   HTML   HTML    PDF (1866KB)

    飞翼布局无人机(UAV)由于缺少垂直尾翼的安定作用,航向通道不稳定或具有弱稳定性,侧风条件下容易引起侧滑,影响航迹跟踪精度。针对一种没有安装侧滑角传感器的小型飞翼无人机,根据惯性器件测量数据和无人机气动参数,使用扩展Kalman滤波方法估计无人机的侧滑角大小并控制消除侧滑。在抑制侧滑的条件下,推导建立了无人机航迹跟踪侧向运动的非线性模型,利用反馈线性化方法,将运动模型转化为带有扰动的线性模型,进而引入虚拟控制变量,使用保性能H鲁棒控制器设计方法,优化得到航迹跟踪反馈控制参数。仿真结果表明: 该方法能够估计并有效抑制侧风条件下飞翼无人机侧滑等干扰,实现航迹的精确跟踪。

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    基于噪点检测与邻域权值内插的彩色人脸图像去噪  收藏
    谢旭东,袁兆君,郭伟,张毅
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 536-539.  
    摘要 ( 30 )   HTML   HTML    PDF (1172KB)

    该文提出了一种基于彩色人脸图像训练库和Chebyshev不等式的有噪像素点检测算法,并利用像素间的相关性通过邻域权值内插算法,实现了彩色人脸图像的去噪。首先在L*a*b*颜色空间中进行主成分分析(principle component analysis, PCA)重建,然后定义了像素点向量距离差和像素点向量角度差,并给出有噪像素点判决准则,实现了有噪像素点与无噪像素点的区分,最后,利用像素点8邻域信息建立权值内插模型,结合PCA重建图像得到最终的去噪图像。在PIE标准人脸数据库中加入Gauss、 椒盐、块噪声对该算法性能进行测试,并与其他几种去噪算法进行比较。实验结果表明: 采用该算法去噪的彩色人脸图像具有更加清晰的边缘,保留了更多的有用信息,达到更高的峰值信噪比,且对多种噪声具有较好的去噪性能。

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    高压IGBT串联变换器直流母排设计与杂散参数分析  收藏
    于华龙,赵争鸣,袁立强,鲁挺,姬世奇
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 540-545.  
    摘要 ( 36 )   HTML   HTML    PDF (1388KB)

    高压IGBT串联是提高大容量变换器电压等级和容量的有效手段之一,但器件串联带来的复杂机械结构为母排设计与杂散参数建模分析带来巨大的困难,常规的部分单元等效电路(PEEC)方法直接用于该领域难以保证准确性。该文提出了一种应用于提取大尺寸复杂结构母排杂散参数的改进的PEEC方法和结构设计准则,采用分块计算方式建立了母排杂散参数模型。在实际的4.5 kV/600 A高压IGBT串联试验平台上进行了系列高压大电流试验,在剔除换流二极管正向特性影响的条件下,对比实验和仿真结果分析了母排杂散参数对器件暂态的影响,证明了该方法的准确性与实用性。该设计方法降低了杂散参数,提升了变换器运行的可靠性,并为主动控制创造了有利条件。

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    快闪存储器阈值电压分布读取电路设计  收藏
    伍冬,刘辉,谢南,高岑岑
    清华大学学报(自然科学版). 2014, 54 (4): 546-550.  
    摘要 ( 24 )   HTML   HTML    PDF (1309KB)

    提出了一种浮栅型快闪存储器(flash memory)阈值电压分布读取方法。其读出电路结构主要包括电容反馈互导放大器(capacitor feedback trans-impedance amplifier, CTIA)和8 b循环型模数转换器(cyclic analog-to-digital converter), 以上电路将存储单元的阈值电压进行数字量化输出。此外芯片还集成了译码电路、高压电路、偏置电路和控制电路等辅助电路。上述设计采用0.13 μm 2P3M NOR 快闪存储器工艺,芯片面积为2.1 mm×2.8 mm, 其中存储阵列包含1 024×1 024个存储单元。测试结果表明该读取电路能够精确地读取快闪存储器的阈值电压分布,可以用来进行存储阵列器件和工艺的离散性等特性研究,也可以用于编程/擦除算法的优化设计。

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