臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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測試時域最佳化可以有效降低在掃描鍊移位時，所產生電源供應的電壓降峰值。但是，如何找到產生電壓降峰值的正反器依舊是困難的問題，因為要計算數以百萬的線性方程式。本篇論文提出了一個新的測試時域最佳化演算法，此技術可以直接調整產生電壓降峰值的正反器時域。在最佳化過程中，為了加速計算電壓降，本技術利用圖形處理器單元來實做平行化演算法。針對大型測試電路的實驗數據顯示，跟最佳化之前的電路相比，本技術將掃描鍊位移時的電壓降峰值平均降低百分之四十九。此外，本技術最佳化一個五十萬閘的測試電路只需要兩個小時以內。
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第四代行動電話系統是未來的趨勢，本論文根據3GPP LTE標準提出用戶端實體層收發機之架構。接收機中針對符元邊界偵測、載波頻率飄移及取樣時脈飄移之偵測及補償、cell search、通道估測、追蹤迴路、MIMO detection、碼簿選擇、渦輪解碼等演算法進行開發與研究。 論文中提出了利用PSS訊號聯合偵測整數載波頻率飄移與Sector Identity的方法。而提出的SSS訊號偵測Group Identity方法與文獻相比，可以在複雜度最低的情況下達到很高的效能。最後我們在不同的通道環境、傳輸參數下進行模擬比較，觀察提出的接收機架構之整體表現。
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由於返馳式電源轉換器具有架構簡單、價格低廉等優點，因此廣泛地使用在低功率電子產品上。具谷底切換功能之準諧振返馳式轉換器相較於操作在連續導通模式或不連續導通模式具有更低的導通損失，故能提升效率及降低元件溫度。在本論文中，將詳細說明返馳式轉換器及準諧振返馳式轉換器的工作原理並提出一應用於一次側控制準諧振返馳式轉換器之定電流輸出技術。接著提出該技術中關鍵之輸出電流估計電路，透過模擬結果得知其電路之可行性。
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在一般光學相機系統中，相機之感光器為一個二維平面，在捕捉現實世界之四維光場資料時，所擷取到之二維資訊為整個四維空間場域投影至二維感光器平面之結果。亦即，一般相機之感光器所能記錄之資訊僅為空間光場之一部分，其餘維度之資訊則無法被記錄下來。 在這篇論文中，我們設計了由Kodak LVT技術印製而成的光學遮罩，並將其放置在數位單眼相機之感光器前。在此情況下由於二維感光器接收到之光線強度為原始光場與遮罩函式之乘積，根據旋積理論(convolution theorem)，空間域中兩函式之乘積在頻率域為兩者之旋積，因此放置光罩後，感光器所擷取到之資訊在頻率域為光場資料與遮罩函式之旋積。若遮罩之圖形函式在頻率域為一系列之脈衝，則與光場資料旋積之結果將得到一系列複製之光場資料。利用這些複製之資料，我們可以得到投影於感光器平面以外之資訊，藉以還原空間中之四維光場。利用上述系統所得到之資料，根據傅立葉切片理(Fourier slice theorem)之空間域投影(projection)與頻率域切片(slice)之等價關係，我們可以將光場投影至不同感光器平面之效果以頻率域之切片來模擬，藉以合成不同之對焦距離之影像，其結果等同於傳統相機中之鏡片組變焦功能，並可依頻率域中之切面的不同來模擬不同的焦距效果。 最後，我們亦提出了數位變焦演算法之硬體架構，以提升演算法之處理速度。以TSMC13製程估計，晶片尺寸為17.58 mm2，核心尺寸為12.53 mm2，運作頻率設計為40 MHz，功率消耗為862.6 mW。
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本篇論文將以現有的光場(light field)資料為基礎，提出景深估測(depth estimation)的演算法。在計算攝影學中(computational photography)，光場是一種描述空間中光的行進所使用的表示式，除了儲存光強度的二維座標之外，光場另外採用了兩個維度來儲存光的行進方向，即是以四維的子影像(sub-image)陣列來描述與儲存光線在空間中的行進。基於光場理論，我們可以透過分析所擷取的四維光場資料，將光線射出的位置重新計算定位，以達到如數位重新對焦(digital re-focusing)或是景深估測(depth estimation)等的不同應用，而於本論文中將針對景深估測提出演算法的實現與討論。 為了估測光場資料中物體的景深，我們提出三個基於光場理論所使用的景深估測演算法，分別為使用重新對焦後影像的快速傅立葉法(fast Fourier transform method)與直接使用四維光場影像的像差法(disparity method)和改良像差法(enhanced disparity method)。在快速傅立葉法中我們提出了一個銳利度評估方法來評估重新對焦後的影像與景物中物體距離的關係；而像差法與改良像差法皆利用絕對差平均(average absolute difference, AAD)計算每個景物在不同的子影像中的像差(disparity)，但改良像差法進一步透過平移量的可靠度判斷與分組加權平均改良其估測景深的精確度，進而推估景物的正確景深。 我們亦針對光場的景深估測應用做文獻回顧，僅有為數不多的文獻討論處理這些景深資料所需要的計算時間，然而，受限的運算速度將大幅限縮其應用性，因此，景深估測在應用上除了考量精確度之外，運算的時間亦不容忽視，而改良像差法其低複雜度的特性亦使針對此演算法的電路設計利於實現，以TSMC13製程估計，晶片尺寸為7.9185mm2，核心尺寸為4.6677mm2，運作頻率設計為100MHz，功率消耗為187mW。 除此之外，我們亦針對現有的針孔遮罩光場相機討論不同的針孔遮罩對於景深估測所造成的影響，透過本篇論文所提出的演算法與其實作的討論，以期能豐富基於光場影像的景深估測與其應用範圍。
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擁有雙眼視差的影片目前已成為立體影像的主流，若要將之利用在多視角的立體顯示器，仍需要有深度資訊的生成，以提供給後段生成多視角影像使用，相較於傳統平面影像，還原擁有雙眼視差的影像能提供較高品質的深度資訊，立體場景較能完整呈現，可帶給人們更深的立體感受。 本篇論文利用立體場景在兩個不同的相機擺設之下，會投影出不同的視差的原理，我們只要能找出視差大小，即可還原立體場景，找尋深度資訊。 我們並且使用了圖像模型中整體最佳化的方法，提供高品質的深度資訊。我們使用了信賴傳遞(Belief propagation)的方法，利用雙眼視差偵測的方式，完成對一個帶有雙眼視差的影片生成深度資訊。信賴傳遞演算法主要是考量每一節點與鄰近節點的相互關係，配合節點本身可能的機率分布，決定最佳的深度資訊。再利用節點之間的訊息傳遞，達成最後收斂的效果，找出一組最佳的深度資訊，進行深度修補步驟。我們根據之前原始信賴傳遞演算法，提出方格信賴傳遞演算法，相較於原始做法，我們的演算法能大幅節省記憶體的使用量，並能保有訊息交換的資訊。我們並針對複雜度的簡化提出了快速訊息計算方法，能大量降低運算複雜度。另外我們也針對大量的訊息儲存量，提出嶄新的信賴傳遞過程，亦能保有效能，又能在硬體架構上實行。我們亦針對雙眼視差模型上的限制，完成深度資訊內插的演算法，克服基本限制，完成最佳的效能。我們並在硬體架構上，提出多階段平行化計算流程，完成即時針對高畫質雙眼視差影片的深度資訊生成。
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量化布林公式（QBF）評估是理論和實用計算機科學領域的核心問題之一。理論上，QBF求解有極高的複雜度，更精確來說是計算理論中所的PSPACE-Complete的問題。在實務上，各種應用問題(如邏輯合成，硬體模型檢查，軟體合成，機器人規劃，賽局問題等)能被精簡地編碼成QBF再進而求解。雖然最近許多行之有效的QBF求解器已被開發，其中只有少數能為他們的答案提供正確性的認證。 QBF認證的重要性有兩方面：首先，它保證了QBF求解器計算上的正確性。其次，也許是更重要的因素，適當形式的認證（特別是Skolem與Herbrand函數）能使某些合成的任務得以被完成，例如，在邏輯合成應用中從布林關係萃取函數，在賽局理論中求取穩贏的策略等。已知的QBF認證有各種形式：對為真的QBF（true QBF）認證可以是詞語式的歸結證明（cube resolution proof）或Skolem函數；對為偽的QBF（false QBF）認證可以是子句式的歸結證明（clause resolution proof）。現今對QBF認證的了解有兩點極大的缺陷：第一，false QBF無相對應於Skolem函數的認證。第二，歸結證明認證與Skolem函數認證互為獨立無法連結。 本論文解決了這兩個未知問題：一來找出false QBF相對應於Skolem函數的Herbrand函數認證，二來建立起由歸結證明認證轉換至Skolem/Herbrand函數認證的有效演算法。實驗顯示我們的方法結合現有的QBF求解器可以產生更多的Skolem模型和Herbrand反模型，是以往所無法求得的。我們期望本論文所獲致的結果將可能會進一步帶動QBF的研究及於現代合成和驗證方法上的應用。
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本篇論文主要在探討如何解決影像晃動的問題。如何解決影像晃動的方式便是所謂影像穩定演算法所希望達到的目標。影像穩定系統最主要的目標是希望能將晃動的影像分析出非預期震盪和有意移動，而透過補償非預期震盪，我們可以得到一個只存在有意移動的穩定影像。傳統上，為了減少因為攝影機的晃動造成影像不穩而產生的副作用，我們會將影像擷取裝置放置在一些固定的位置上，比方三腳架或者攝影機的滑軌。然而，隨著科技的發展，影像擷取裝置愈做愈小，這些攝影機變成容易攜帶在各種不同的活動載具上，影像不穩定的現象就變得愈來愈明顯。而未來的趨勢是每個移動攝影機上的功能也會愈來愈多元，而不穩定的影像會造成往後在處理上的困難，這時對於影像穩定的需求變愈來愈迫切。為了解決這個惱人的問題，電腦視覺的各項演算法可以幫助我們直接分析得到的影像，我們便可計算出攝影機的晃動狀況以及該如何補償這些不穩定的畫面。不過還有很多問題有待解決，這些電腦視覺的演算法往往需要相當長的計算時間才能提供一個穩定的答案，這樣便大幅限制影像穩定系統只能當成是後處理的系統，也就是從已經錄製好的影像裡去分析並重新建出一個穩定的影像。然而在高科技的未來，及時運算的重要性將會愈來愈大。 我們在這篇論文中提出一套高效率的影像穩定系統，目的是希望能夠提供一個即時的影像穩定系統當作是一個更大更複雜系統的前處理工具，幫助不同的影像處理演算法都可以因為有高品質穩定影像的輸入，整體的系統效能可以大幅的提升。為了達成這樣的目標，我們提出了以視覺導向為基礎的影像穩定演算法並且符合及時運算的條件，接下來將介紹一些此演算法的特色。核心的概念是不同的東西應該有不同的價值，而我們應該要將重心放在我們真正關注的東西上。本篇論文採用視覺鎖定(Visual Fixation)的概念，不同的特徵點(Feature Point)會根據個別的重要性和信賴程度給予不同的比重。為了更快速的處理影像，特徵點的比對非常重要，因此我們提出使用高效率的空間敏感散列(Locality Sensitive Hashing)，並且再透過硬體加速，達到快速的比對。而硬體加速的方式主要是透過記憶體的減少以及利用暫存記憶體增加特徵點的比對速度也減少不必要的特徵點傳送。 藉由我們提出的影像穩定系統方式，在不同的測試環境下依然可以達到平均90%以上的準確度，而晶片的記憶體大幅減少了90%。除此之外，重複的特徵點搜尋降低了50%以上。透過以上的各種演算法改進以及硬體加速，本篇論文最後實作出一個完整的影像穩定晶片，在UMC 90奈米的製程下，晶片面積為3mm x 3mm，記憶體使用了41.54KB。支援影像解析度達1280x960，並且畫面的頻率平均高達202fps。
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壓電換能器是目前最廣泛應用於力學與電學之間轉換的媒介。藉由壓電原理將電學的振盪轉換為力學的振動並發射超音波為目前產生超音波的主要方法。以壓電式超音波換能器進行發射或是接收等等的技術也廣泛應用在生活的各個領域中，例如：汽車倒車雷達、超音波淨水、超音波物理治療以及超音波影像等等。然而壓電材料的特性會隨著環境或是製程飄移等等因素而有所改變，使得其最佳的操作頻率也會隨之改變。因此在本論文中，將對壓電式超音波換能器的運作原理及其發射的方式作詳細的探討，並將提出一個方法解決操作頻率的尋找和校正的問題。最後，實作該電路並以超音波換能器的阻抗來作對應及驗證。
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本篇論文探討應用於光纖接收系統的轉阻放大器(TIA)設計。隨著通訊產業的蓬勃發展，百億位元乙太網路已成為目前熱門的區域網路多媒體介面。由於III-V族材料以及BJT 製程先天俱備低雜訊以及高頻操作的性質，在過去常被用來實現高速接收機的前端電路。然而，受惠於CMOS製程的快速發展，CMOS元件相較於其他材料，已具有可接受的高頻特性。除此之外，功率消耗小、容易與數位電路整合等性質，使得CMOS製程成為追求最低成本的最佳選擇。對於光纖接收系統而言，轉阻放大器輸入端的寄生電容大大影響了頻寬。因此，像是共閘極（CG）以及串疊調節式（RGC）電路等低輸入阻抗的架構普遍被使用於轉阻放大器的設計中，並且成為了主流的設計方式。 本論文介紹了兩種適用於10 GBASE乙太網路接收機系統的RGC轉阻放大器。兩個晶片都是由 1P6M CMOS標準製程來實現。第一顆晶片使用電感峰突技巧，轉阻增益為56.5 dBΩ，頻寬量測得為4.7 GHz。在1.8伏特的電壓下，本設計消耗了27毫瓦。有效面積為0.54 x 0.52 mm2。第二顆晶片實現了一個具有低電壓、低功耗特性適用於3.125 Gb/s的轉阻放大器。所需的工作電壓僅1.3伏特，實驗結果顯示，該晶片測得之增益為61.4 dBΩ，頻寬為2.9 GHz。由於所需工作電壓是 標準製程額定需求的72 %，在使用單一電位電源的情況下，整體SOC系統可節能28 %。此顆晶片有效面積是0.18 x 0.18 mm2並且消耗了4.9毫瓦。所有的晶片都經過了後佈局驗證了電路特性，並且已有實驗成果。
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