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A High-Throughput-Rate FFT Processor for OFDM based WPAN/WLAN Applications

In nowadays, Fast Fourier Transform (FFT) is widely used in wireless communications applications such as wireless personal area network (WPAN) and wireless local area network (WLAN). WPAN which provides the ultra-high data transmission for short distance is defined by IEEE 802.15.3c Task Group. WLAN based on IEEE 802.11 standard and the standard of IEEE 802.11n improves previous 802.11 standards by adding multiple-input multiple-output (MIMO) technique. In this thesis, we propose a high-throughput-rate FFT processor that supports WPAN and WLAN applications. The COordinate rotation digital computer (CORDIC) with unrolling simplification and compensation scheme is proposed to lower the hardware cost and power consumption. A multi-data scaling method is adopted to efficiently maintain the same word-length. Moreover, a double-edged triggered constant based multiplier unit is proposed to avoid conflict when supporting WLAN application. The proposed FFT processor is implemented in UMC 90-nm 1P9M process, whose core area is 0.829 mm2 and power consumption is 93.9 mW, 85.95 mW, 67.98 mW and 7.2 mW when performing 512-point FFT, 256-point FFT, 128-point FFT and 4-path 128-point FFT in WPAN and WLAN application, respectively.

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可攜式電子鼻SAW感測器陣列介面電路

電子鼻系統是目前世界上熱門的研究領域，它可以廣泛應用於各個產業及日常生活。藉由電子鼻系統可便於增加辨識氣體的種類、地點，並大幅改善辨識可靠度，傳統以人類嗅覺辨識氣體容易受到辨識者身體狀態及主觀意識等因素影響辨識可靠度。本論文希望能增加電子鼻系統的便利性，使用電路取代傳統電子鼻實驗需要使用的精密儀器，使電子鼻系統的應用可以不受到地點的限制，且降低成本。 表面聲波(Surface Acoustic Wave)感測器具有高靈敏度、響應速度快等優點，非常適合用於做為氣體感測器，透過陣列化可以圖形辨識的方式判斷目前感測到的氣體種類及濃度。使用非連續式表面聲波感測器陣列量測氣體所耗費功率較低，可延長可攜式裝置運作時間。本論文使用0.18μm CMOS製程設計數位式、類比式、混合訊號式(Mixed-Mode)電路實現表面聲波感測器陣列介面電路。數位式介面電路具有較高解析度特性，類比式介面電路具有低功耗特性，混合訊號式介面電路結合數位式電路及類比式電路的優點，其功率消耗僅1.48mW，解析度為10Hz，適用於輸出頻率約100MHz的SAW感測器陣列，並可結合無線傳輸模組傳送資料給接收端儲存與分析。

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Adaptive Visual Camouflage System

偽裝技術在近代軍事發展中佔了相當重要的一部分，除了視覺上的偽裝外另外還包涵了聽覺、電磁波、熱能以及物體形態上的偽裝。目前大部分的研究都致力於開發出各種反偵測的材料，靠著調整或抑制物體所發出的輻射，覆蓋這些材料的物體可以有效的降低被偵測到的機率。而關於視覺方面卻通常僅有提供一些固定的偽裝圖案，或者是對照周遭環境的平均顏色而改變物體的顏色。 為了加強視覺上的偽裝，我們之前開發了一個智能化的動態偽裝系統，它可以因應背景的變化隨時更新偽裝圖案，但是必須事先得到觀察者和背景深度的資訊。在此篇論文中我們設計了兩個方法，其中第一個方法沿用了舊系統架構(穿透式偽裝) ，為了解決估計觀察者深度的問題我們定義了有效偽裝的距離，並且在此段距離中尋找一個最合適的偽裝圖案。之前必須根據觀察者不同的位置找出對應的偽裝圖案，現在在不同深度下只需要同一個偽裝圖案所以也不再需要偵查觀察者的深度。第二個方法主要適用於戶外大型偽裝物，在缺乏觀察者資訊的情況下，因為無法取得相對背景所以只能找出背景中最主要的紋理來當作偽裝圖案。此方法中使用了背景圖中彩度跟亮度的資訊建立了兩個濾波器，可以用來保存背景中包涵主要紋理的區域以及過濾不需要的其它物體。

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利用雙眼視覺影像於室內場景之機器人同步定位與環境地圖建立

近幾年，機器人的及時自我定位及建立環境地圖研究成為了一個重要的課題。行動自主機器人能夠及時自我定位及航行在未知環境中為是不可或缺的能力。傳統的定位方法為使用里程器傳回的資料去預測機器人所在的位置及方向，但是這種方法會隨著時間增加而誤差跟著累積。許多方法被提出用來修正誤差例如:粒子濾波器(Particle Filter)、卡爾曼濾波器(Kalman Filter)等等。在我們的時間中，使用的擴展型卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter)來修正定位誤差。 在這篇論文中，我們提出一個由雙眼視覺攝影機提取出影像的特徵，並利用雙眼視覺的特性求出這些線段的在三維空間中的垂直線的標的做為系統使用。為了處理測量上的不確定性，我們使用了兩種不同的觀察模型。其中一種是為了處理較近的標的點，另一種為處理較遠的標的點。這個系統包含了輪型機器人、里程器的資訊、影像線段萃取、標的點的座標轉換以及 Extended Kalman Filter 修正里程器誤差。 我們的方法可以利用單一感測器實現機器人即時定位，並且可以在材質較少的環境可以運作。機器人可以以 0.1m/s 的移動速度完成即時定位，系統誤差及運算時間也在可接受的合理範圍內。

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Monocular Vision Based Simultaneous Localization and Mapping for a Wheeled Robot

在機器人研究領域，機器人同步定位與建立地圖(Simultaneous localization and mapping, SLAM)是個越來越受到重視的主題，SLAM要求當機器人被丟在未知位置且不知道週遭環境時，藉由觀察環境來建立前後一致的地圖，並自我定位於地圖中的位置。直覺想到的機器人里程器的資訊會有幫助，但里程器的量測誤差會一直累積；藉由別的量測儀器的幫助，像是超音波測距儀、攝影機，再由濾波器回授，SLAM可以做到更精確的地圖。SLAM最常用的是擴展的卡爾曼濾波器(Extended Kalman Filter)。 在這篇論文中，提出一個使用單眼視覺於輪型機器人同步定位與環境地圖建立的方法，只用一台網路攝影機的影像來修正里程器的數據。影像用 D. Lowe 提出的 SIFT 來取出特徵點並比對，當特徵點出現在和預測的地方不同，EKF利用其間的差距來修正建出的地圖。但修正時需要特徵點的深度資訊，無法提供深度是使用單眼視覺的最大問題，這篇使用 J. Civera 提出的深度倒數座標來表示特徵點的三維位置，這個座標表示法的好處是更符合EKF的線性個質，使EKF對特徵點的位置能更快地收斂。但 J. Civera 只有使用一個攝影機來進行即時定位與建立地圖，缺乏里程器回傳的資料，沒有速度的資訊是很可惜的，畢竟現在許多交通工具都具備里程器功能，這個系統結合了里程器，經過室內影像的測試，能提供了精確的地圖。

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CMOS離子感測電晶體用於即時偵測去氧核糖核酸的放大過程

DNA(去氧核糖核酸)分析被廣泛地應用在生物醫學測試以及許多日常生活中相關應用的生物鑑定。因為DNA本身具有專一性的特點，所以我們可以藉由DNA分析來檢驗樣本內是否含有目標DNA以及它在樣本中的含量。 滾環擴增法(Rolling Circle Amplification)是用於DNA定性和定量分析的新穎技術。不同於傳統的聚合酶鏈鎖反應(Polymers Chain Reaction)，這種滾環式擴增法可以在室溫下針對從檢體中取出的微量目標DNA進行大量複製。此外，固定式滾環擴增法可以藉由3-氨基丙基三甲氧基甲矽烷(APTES)修飾矽化物表面進而讓該反應能在其上進行。在本論文中，我們將使用CMOS元件即時檢測目標DNA在進行固定式滾環擴增法時的濃度變化。不同於以往使用螢光標定法或是進行電泳實驗，我們使用一個具有氮化矽絕緣層的CMOS延伸閘極場效電晶體(CMOS-compatible Extended-Gate Field-Effect-Transistor)即時感測目標DNA在固定式滾環擴增法中的濃度變化。此外我們也使用另一種CMOS開閘極離子感測電晶體 (CMOS-compitable open-gate Ion-Sensitive Field-Effect-Transistor)來測試DNA的電性量測。 最後我們提出並量測三種用來直接讀取表面電位變化的嵌入式延伸閘極電晶體讀值電路。

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Fast-Lock Tri-State Phase-Locked Loop Using Dual-Edge Triggered PFD and Bandwidth Controller

A fast-lock tri-state phase-locked loop (PLL) using the dual-edge triggered phase frequency detector (PFD) and the bandwidth controller is presented. The proposed PLL uses the tri-state bandwidth design to achieve fast locking and attain better output jitter performance. If the PLL is out of lock, it will operate in a wide-bandwidth (fractional-N state) to achieve fast tracking during transient. Next, the PLL will be in a middle-bandwidth (integer-N state) to eliminate the fractional spur, if the phase error between reference clock and feedback signal is limited to π/10. Finally, the PLL is in a narrow-bandwidth (small charge pump current state) to attain the lower jitter on the output frequency during stable state. Moreover, this thesis generalizes a variable-bandwidth scheme, introducing a PLL that changes the bandwidth not only by switching the divider ratio but also by switching the charge pump current. Compared with traditional PFDs, the proposed dual-edge triggered PFD rapidly reduces the phase error between reference clock and feedback signal during transient time to achieve fast tracking. In addition, the bandwidth controller automatically detects the PLL’s locking status to switch its bandwidth state without costing a large area. The PLL is implemented under TSMC 0.18μm 1P6M CMOS process and the supply voltage is 1.8V. The post-simulation shows that the locking time of the proposed PLL can be reduced over 73% in comparison to the conventional PLL.

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富彈性與成本效益之檔案可靠度架構

在今日的儲存系統中，檔案(file)的存取，即檔案系統(file system)是最常見的應用；而可靠度(reliability)於儲存系統中一向扮演著重要的角色。過去，人們使用了許多方法來提升儲存系統的可靠度，例如硬碟與光儲存媒體區塊上之檢查碼(checksum)，以及廣為人知的磁碟陣列系統(RAID)。雖然這些做法的確達成錯誤容忍的效果，成功地提升可靠度，但皆忽略其應用於檔案系統之事實，而未從檔案的角度來處理此一問題。其結果是，無論檔案的重要性與否，在同一系統下，皆受相同的處理(例如相同數量之複製備份)。不但欠缺彈性，且在無形中造成許多浪費。 針對這些問題，本論文提出一個新的架構。此架構將從檔案的角度來處理可靠度的問題。目的是使不同的檔案可以擁有不同的可靠度設定，以增加彈性、減少可能的浪費。為了達成此目的，我們將修改Linux作業系統之中的虛擬檔案系統(VFS)層，藉此定義檔案可靠度之相關操作，並提供底層檔案系統模組實作檔案可靠度相關功能所需之介面。 此外，我們亦提出一個修改過的Ext2檔案系統，作為基於新架構之檔案系統範例。該Ext2檔案系統將對不同的可靠度層級進行定義，並對歸屬於各層級之檔案施予不同之的保護措施，如：同位元檢查(parity)與不同編碼率之里德所羅門錯誤檢查碼(Reed-Solomon Error Correcting Code)，以達成上述彈性調整之目的。

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基於廣義零向量之新型單相多階反流器建模與分析

為使人類文明得以永續發展，且不會有能源匱乏的問題發生，有效地利用再生能源成為近來最受矚目的議題。若欲將再生能源應用於大功率負載，如中/高壓市電併聯系統，通常使用三相直交流轉換器。且受限於現有功率開關元件的額定電壓，反流器大多使用多階轉換器。此外，傳統再生能源系統中的轉換器為二級式直交流轉換器，若能將其整合為單級式反流器，則可提升電源轉換效率。有鑒於此，本論文之主要目的在於研發一新型單級式單相多階反流器，以適用於再生能源之應用特性。且新型轉換器模組化後，僅需並聯三組即可衍生為三相多階反流器架構。 本論文之主要貢獻如下：首先，本文提出一具有電氣隔離特性之新型單級式單相五階反流器。新型轉換器係使用廣義零向量之概念，將傳統二級式反流器整合為單級式反流器，繼而提高轉換器之功率密度與電源轉換效率。新型轉換器與傳統五階反流器相比，傳統型具有八只功率開關，而本電路之反流器部分僅需使用六只功率開關，且其中兩只功率開關為低頻切換，有效降低開關之切換損失。第二點貢獻，針對本文提出之新型轉換器分析其操作模式及工作原理，並進一步推導出直流模型與交流小訊號模型，以作為閉迴路控制之依據。第三點貢獻則是根據本文理論分析之結果，實際製作一規格為20V直流輸入、110V有效值交流輸出及輸出功率額定200W的雛型系統，本轉換器之效率自輕載至滿載皆約為90.9%。最後，由實驗與模擬結果相互比較，可驗證此新型轉換器確實可達預期之效果。

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應用於小型風力發電系統之新型交直流轉換器

考量空間限制及噪音之影響，小型風力發電系統為較適用於一般住宅或其他應用場合之再生能源系統。然而，為降低製造成本，一般的小型風力發電系統通常由二極體整流器串接一直/直流電源轉換器做最大功率追蹤，因此，在發電機側將會產生嚴重的電流諧波失真，不僅會降低發電效率亦會對風力發電機造成額外的機械應力及產生多餘的噪音。本論文主要目的即在於研發一新型單級式交直流轉換器，降低整體系統電流諧波及噪音，並提高系統的轉換效率。 基本上，本論文的主要貢獻可摘要如下：首先，提出一新型交直流轉換器作為風力發電系統之介面，此轉換器僅需三個主動開關，在電路操作時為同時導通及同時截止並操作在不連續電流導通模式下以減低電流總諧波失真。此外，儲存在漏電感上之能量可被回收且主動開關上之電壓應力可減低約50%。接著針對本論文提出之新型交直流轉換器，說明其操作狀態與工作原理，以及進一步推導出直流模型與分析此轉換器之穩態特性。最後實體製作一額定200W之新型交直流轉換器之雛形，並實體建構一測試平台用以驗證所提轉換器之可行性與效能。經由實測結果顯示，發電機側之電流總諧波失真可降低至5%以下，其電源轉換效率於20W至200W的負載情況下介於90%至92%。