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應用部分變異質數碼波長及空間二維編碼技術之光分碼多工系統

分碼多工在現在的通訊技術中佔有一個很重要的地位。分碼多工技術的好處在於其在同一個頻寬內可以有更多的使用者數、抗干擾能力、保密安全能力、非同步傳輸、以及抗多路徑衰降和多位元服務等等。在光通訊與其他通訊技術最大的不同點在於，光訊號有無負值的特性，而其他通訊領域訊號則是可有正或負值。因此，這個特性就會增加了在光領域做分碼多工的難度。這是因為光訊號無負值的關係，光分碼多工使用者之間的互相關函數就會相對地變大，這樣會增加使用者之間互相的干擾，也就是增加了多使用者干擾對系統的不良影響。但是若是要為了在一定的系統效能下增加使用者數，我們必須讓使用者之間的多工碼的互相關函數盡量降低。所以，光的二維編碼技術應運而生。近年來研發出了同時在波長上與時間上，以及在波長上與空間上展頻的光二維編碼，為的都是要增加使用者數。而本篇論文研究光在波長與空間二維編碼的系統架構。由於現在的光纖價格低廉，使用多條光纖的光分碼多工系統很有其研究價值。而頻率振幅調變之光分碼多工系統其相位引發強度雜訊為限制系統效能最主要的因素。此外，在傳輸能量增加到某一個程度以後，相位引發強度雜訊並不會隨著傳輸能量的增加而對系統的影響減小。所以如何抑制相位引發強度雜訊對系統的影響是研究光頻率振幅調變系統最主要的課題。若每一個使用者之間所使用的多工碼互相撞擊越多，則相位引發強度雜訊就越嚴重。本論文提出了一個新發法及網路結構，充分運用了多條光纖以及在波長上編碼的優點，以及應用了部份變異質數碼的特性，大大地降低了多工碼之間的撞擊機率抑制了相位引發強度雜訊。由於網路結構的不同與相位引發強度雜訊較弱的關係，也使得這個系統的功率需求較其他系統小很多。在光源功率在-15dBm的情況下，唯有我們的系統能夠正常運作；而其他的光發分碼多工系統則需要在0dBm的功率時才能正常運作。除此之外，我們使用的低成本的LED以及FBG的元件，並且傳送機以及接收機結構也較簡單；也就是說我們所提出的新架構有著低成本、高效能的優點。

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應用於K頻段與超寬頻之矽基低雜訊放大器的研製

隨著無線通訊技術的蓬勃，射頻積體電路正朝向更高頻率、更廣頻寬及與基頻電路更高的整合度之趨勢發展。在無線通訊接收前端電路中，低雜訊放大器將天線接收到的微弱訊號以最低的雜訊貢獻加以放大。矽基製程(包括金氧半互補式(CMOS)製程與矽鍺雙極-金氧半互補式(SiGe BiCMOS)製程)，都可將基頻數位電路、中頻類比電路及射頻前端電路整合於同一矽晶片上，進而降低生產成本。然而，相較於砷化鎵(GaAs)製程，矽基板的半導體特性導致更多的雜散電容，以及隨著頻率增加損耗更為嚴重，同時也較難預測被動元件在高頻的特性。即使有這些困難，為了達到低成本高整合性的無線通訊系統，使得近年來矽基射頻積體電路成為一個熱門的研究課題。 在本論文中，我們設計並量測了兩個操作於K頻帶的CMOS低雜訊放大器。第一個低雜訊放大器使用標準0.18-μm CMOS 製程，此設計的最大挑戰是其操作頻率僅為最大振盪頻率之半。我們使用適當的匹配電路設計達到良好的雜訊指數及小訊號增益。此低雜訊放大器經由量測可得在24GHz，雜訊指數為3.9 dB，小訊號增益為13.1 dB，直流功率為14 mW，晶片面積僅0.34平方毫米。另一個電路使用先進的90奈米CMOS製程。然而，此新製程的變異與不確定性也較大。為了克服此問題，我們使用共面波導(Coplanar Waveguide, CPW)傳輸線作為匹配元件，以減低損耗性基板對被動元件的影響，減少被動元件模擬的不確定性，同時，寬頻的電路設計可容忍較大的製程變異。量測結果顯示，此電路在20.5 GHz具有最高增益16.2 dB，3-dB頻寬可涵蓋整個K頻帶(18-26 GHz)，雜訊指數最低為2.5 dB。這兩個電路的雜訊指數皆優於目前已發表之CMOS K頻帶低雜訊放大器，並顯示出CMOS製程於高頻低雜訊應用的潛力。 最後一個電路是應用於超寬頻系統的低雜訊放大器。此電路使用0.35-μm SiGe BiCMOS製程，其所提供之異質接面雙極電晶體，具有良好的轉導對電流比(transconductance to current ratio, gm/IC)。使用分散式放大器的架構，可達到寬頻特性與良好的回返損耗。使用一個額外的電感並聯於集極端終端電阻，可將分散式放大器的頻率響應由低通轉為適合超寬頻系統的帶通，同時提供了另一條直流迴路使集極電流繞過終端電阻，可降低供應電壓。另外，使用可調式的終端電阻，可以補償不同偏壓下發生於終端電阻的負載不匹配效應，達到良好的增益平坦度。根據量測結果，此電路在0.8 V的供應電壓下，可達到12 dB的小訊號增益，3-dB頻寬為1.6-12.1 GHz，雜訊指數低於6.5 dB。藉由調整適當的終端電阻，在最高增益20 dB到最大衰減18 dB的範圍內，在3.1-10.6 GHz頻帶內增益的變異都小於 1 dB。

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專用短距通訊收發機之設計

本論文中設計製作一短距通訊系統操作在2.43 GHz ISM 頻段。 此系統包含低雜訊放大器、 混波器、本地放大器，並利用注入鎖相 震盪器來穩定本地震盪訊號. 除此之外，設計IF 放大器和濾波器來 改善IF 訊號. 此混成電路實現在FR4 電路板上。

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適用於IEEE 802.11a之印刷式偶極天線陣列之研製

在本論文中，我們設計了操作在5GHz無線區域網路的印刷式偶極天線，並加上雙面直角反射器。阻抗的匹配是採用四分之ㄧ波長轉換器。為了驗證模擬結果，採用Duroid RO4003的板材實作，量測5GHz~6GHz的增益和反射損耗，都能夠達到所需要的。此外，天線的HPBW也滿足了設計目標。

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平面式寬頻天線

本論文對UWB系統之關鍵元件－天線，作論述及研製。文中已完成適用於UWB系統之各種規格，該天線為平面化的架構之設計，且為兩種不同極化方式的天線，分別為線性極化波及圓極化波。 此外也利用混合方式來設計且實作出適用於802.11a頻段之混合式天線。

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微帶線到波導管之Q和V頻段轉接設計

本論文詳盡探討兩種在不同頻帶中的微帶線轉平面波導之轉接結構: 第一種: 利用漸變開槽天線做媒介來傳播的Q 頻段轉接器。第二種: 利用LTCC 製程來設計的V 頻段轉接器。 第一種轉接器是以漸變開槽天線做為媒介來傳播的Q 頻段轉接 器，整個轉接電路結構可以分成三個部份來看。利用其轉接結構單純化，微小化的考量，於平面電路至波導管的轉接採用了漸變開槽天線，在波導管的短邊E plane處最大電場處插入使達成良好的場型轉換；再加上平行式的天線尾端可以增加天線的方向性，減少天線向後輻射。其單一轉接以整個Q頻段來說，有超過50 % 的頻寬。後來實際以背對背轉接製作的方式來驗證模擬結果，可以看到模擬和量測趨勢接近。 第二種轉接是利用LTCC 製程來設計的V 頻段轉接器，轉接電 路結構也可以分成三個部份來看。其信號走向為:微帶線饋入後往下 經過一個連通柱饋入帶狀線中，再經由耦合至基板合成波導。此轉接設計是利用LTCC 製程製作，所以可以立體化垂直設計，即可達成寬頻的轉接設計。最後觀察模擬結果在59-62GHz中，反射損耗皆有在15dB 以上，由於介質的損耗正切稍大，所以導致約2dB 的介質損耗。未來可以採用介質損耗更小的製程上來作為改進之處。

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設計及實作一劃碼多工上傳之百億位元乙太被動式光纖網路

在此篇論文之中我們提出了一個乙太被動式光纖網路系統。在下傳部分應用了IEEE 803.ae的規格，並且結合FPGA及MSA 300pin Transponder的架構，負責傳送及接收，使得傳輸速率得以到達每秒百億位元；而在上傳部分，我們選擇使用劃碼多工的方式，以避免封包在光耦合器發生碰撞而造成錯誤，並且達到1.25十億位元的總上傳資料速率。 在上傳多工部分，我們使用了完美相差碼(Perfect Difference Code)做為我們的編碼方式，並且提出了傳送器及接收器的硬體架構。在傳送器部分，我們使用可程式化邏輯閘陣列(Field Programmable Gate Array)來執行編碼的動作，再以雷射二極體轉換成光訊號傳輸；而在接收器部分，則是以一光電轉換器將光訊號轉換成電訊號，再使用類比/數位轉換器將所收到的訊號進行取樣的動作，將其數位化，最後藉由可程式化邏輯閘陣列來進行數位解碼的動作，來擷取出各個使用者所傳輸的封包。 為了增加取樣點的正確性，我們提高了硬體的操作頻寬到2.5十億赫茲，藉由降低訊號的上升/下降時間，來換取更為寬廣的平坦區域，使得取樣錯誤機率降低，且較不易受到訊號抖動(Jitter)的影響，以增加解碼的正確性。 由於在上傳使用劃碼分工的方式，所以此系統必須要達到同步，才能進行正確解碼，在此篇論文中說明了所需要達到的同步狀態及其原因，而同步動作的執行則在另一篇論文之中詳述。最後我們藉由硬體實作的方式，完整建立了一個系統的雛形架構，並且成功驗證了我們所提出的系統設計之可行性。

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數位攝影機之數位式影像穩定系統及視訊編碼器之整合

近幾年來，由於科技的發展，許多的數位商品紛紛問世，並已經融入了我們生活之中。由於電子式的影像擷取裝置被廣泛的應用在各個層面，因此數位影像的處理技術愈趨重要，譬如影像壓縮技術，影像穩定系統等等。其中影像穩定系統，能夠提供給使用者有更清晰、更高品質的畫面享受。 數位式影像穩定系統的架構大致上可以分為兩部分：總體移動估計以及總體移動補償。總體移動估計主要是當攝影機震動時，去量測影像框架之間的總體移動；而總體移動補償則是根據計算出的總體移動，在感光元件上取出穩定而且連續的影像。由於總體移動估計需要耗費大量的計算，然而，在影像編碼器或是解碼器裡面皆含有相關的資訊，例如以區塊作為基礎的移動量估計等，如果可以利用這些資訊跟影像穩定系統去做整合，便可以使得計算更有效率。 本論文研究的重點，將針對數位式影像穩定系統進行研究，希望以影像穩定系統的演算法作為基礎，與視訊編碼技術MPEG-4做一即時運算的結合。在此論文中，我們提出三種整合的架構，皆是利用MPEG-4編碼器或是解碼器所得到的運動資訊，去計算出影像系統中總體移動估計的部分，以避免重複去做移動估計的運算，並對整合所得的結果去做各個層面的分析與比較。

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採用電波模式之動態通道分析

一直以來，在描述傳輸通道特性時，通常使用一系列的統計參數搭配複雜的公式來表達通道的特徵。然而，在推導這些參數和公式的過程中，許多有關現實狀況的資訊被捨去，只留下比較抽象的統計參數。因此如果只從統計參數出發對通道特性做討論，將只能獲得有關通道的片面資訊。本篇論文中，建立出一套有效的電磁全波分析流程來處理有關大型金屬物體的散射場分析。由於目標是分析車輛與路側基地台的無線傳輸通道，在這篇文章中的散射體是以日常的轎車做為分析的例子。在分析的概念上，我們利用不同的方法取得散射體的表面等效電流分布，再藉由這些資訊進一步計算物體的散射場。除了理論分析的部份，也進行了相關的散射體建模與量測。而量測的結果和理論模擬十分吻合，因此我們可以斷定這種分析方式是可行的且具備相當的可信度。

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音訊標準格式轉換與音樂搜尋系統

在這個電腦科技迅速成長的時代，數位多媒體資訊儲存以及搜尋技術成為各大公司兵家必爭的事業版圖，因此各種不同的數位音樂格式也相繼產生。但由於數位音樂資料格式制定的差異，使得音樂資料在檔案類型轉換時必須要做取樣頻率的轉換。此外，隨著網路普及度以及傳輸頻寬不斷成長，數位多媒體資料庫搜尋系統也開始受到重視，為了提供使用者方便且直覺性的搜尋引擎，內涵式搜尋系統一直是學者們致力研究的主要課題。 在本論文中涵蓋了音訊標準格式轉換及內涵式音樂搜尋系統兩個主題。由於音訊取樣頻率轉換過程中最重要的參數就是比例縮放參數(scaling factor)，以傳統的多速率(Multi-rate)信號處理方式，比例縮放參數的設定必須為有理數，亦即先將兩個音樂格式的取樣頻率比例約分到最簡，再進行整數的升頻與降頻，以完成取樣頻率轉換的動作。然而對於無理數的比例縮放參數則沒有定論。所以我們在第一個主題-音訊標準格式轉換中，利用信號頻域與時域的關係，在頻譜上作處理，以實踐無理數比例縮放的目的。 在第二個主題-內涵式音樂搜尋系統中，我們以音樂旋律當做搜尋的特徵依據，利用兩次傅利葉轉換進行音高追蹤，再將所得的音高資訊與資料庫中做比對。在比對的過程中，我們使用的是以第一個音高為基礎的相對音高輪廓讓系統大幅度加速，並配合走音修正，以提昇搜尋準確度。目前系統資料庫中共有96首音樂資料，本系統使用樂句搜尋，讓使用者可以不必被限制從歌曲的一開頭哼唱，因此系統中共計約有745段樂句。在使用音高輪廓特徵使系統加速並配合走音修正後，平均一首八秒鐘的哼唱輸入，所需要的搜尋時間約為1.9秒，而在500首測試歌曲情況下，搜尋出正確歌曲在前十名的比例約為74.60%。