清華大學電機工程學系所學位論文
國立清華大學,正常發行
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摘要 唐氏症識別，除了用染色體做精確檢查外，主要還是由醫師、專家做外觀上的判斷。這篇論文，主要是從單張正面的人臉影像，做出人臉立體模型，並從此模型上擷取特徵，以自動化的方式訓練並識別唐氏症。 新生兒出生時，約有1/800的機會因為第二十一號染色體分裂不完全，而罹患唐氏症 (trisomy 21)。唐氏症外觀上的特徵有: 形狀異常的五官，較為扁平的側臉特徵，傾斜的眼睛，較小的鼻子、耳朵、下顎，突出的舌頭，以及因為自制問題引起的異常肥胖。此系統的主要目的，便是協助工作人員從影像列中快速判定唐氏症的存在。使用者並不需要有醫學上的專業知識，而自動化的判別作業交由電腦來處理，可有效節省人力資源。 實驗中先對正面的人臉影像，做主動外觀模型 (AAM) 特徵點擷取。然後藉由這些特徵點，推算出一個初步的，形狀參數強化(enhanced shape parameters)的立體模型。鑒於唐氏症患者側面通常較正常人更為扁平，我們先從有側面影像資料的範例，建立正面區域影像強度差與高度的模型，再用此模型，調整初步模型的深度。最後，從此模型上擷取特徵點間的距離，角度，比例等，跟原來3DMM 的形狀參數 (shape parameter)，一起做特徵選擇後，由SVM做最後的判別工作。結果顯示，此法在唐氏症患者的辨識上，有九成以上的成功率。
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在現行的小型風力發電系統中，大多採用由二極體整流器與直流轉換器所組成的二級式交直流轉換器。其主要缺點為在發電機側將會產生嚴重的電流諧波失真，其不僅會降低效率亦會對風力機造成額外的機械應力進而產生擾人的機械噪音。此外，在現有的最大功率控制法中，最佳轉矩控制法廣泛應用於小型風力發電系統中。但其只考量到系統於穩態下之情況，並未考慮於風速變化下之系統動態特性。因此，在風速快速變化時，由於機械轉動慣量所造成的緩慢動態響應便會減少風力機的發電量。為了克服上述的缺點且在兼顧發電效能與成本考量下，本論文提出一新型無感測式最大功率追蹤控制器及一高效率單級式交直流轉換器。主要的貢獻可摘要如下： 首先提出一新型無感測式動態最佳轉矩最大功率追蹤控制器，其中利用所提的虛擬慣量調整法來改善風力機的動態響應進而增加其發電量。接著為改善電力品質及轉換效率，本論文提出一高效率單級式交直流轉換器來取代習用的二級式交直流轉換器。如此不僅可將發電機電流的總諧波失真大大的降低至約5%以下，同時也減小了風力機的機械應力與擾人的噪音。隨後本論文更提出一半同步整流技術來進一步降低由背接二極體所造成的導通損。另外，為了更進一步降低於不連續導通控制法下開關的切換損失，本論文遂將連續導通控制、不連續導通控制及半同步整流技術整合為一整合式控制法。本論文並實際建構一測試平台用以驗證所提理論之可行性與效能。最後，由實測結果可知本論文所提之系統整體效率能有效提升12%至15%，回收年限則能縮短11%至13%。
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近年來隨著能源問題逐漸受到重視，應用在電源管理的電路研究也越來越重要，例如：手機、PDA…等。因應不同模式的需要切換電壓，藉以達到節省能源的目的。而隨著電子產品縮小化的趨勢，產品中的電源供應系統也朝著縮小設計面積與移除被動元件的方向前進，有兩種主要的方式達到這兩個方向：提高轉換頻率與數位化實現電路。 目前控制器的架構大都是以類比電路的方式去完成，主要是控制變數都是類比訊號，將信號直接處理。但是隨著系統效能管理需求日大，對於多種功能性的需求，類比訊號處理明顯不足，隨著增加的會是晶片面積提升以及電路設計的複雜度，可以預料地，在高速切換式電源轉換器應用，數位控制電路將會取代目前主流的類比控制器。數位實現電路具備的潛在優勢主要包含設計電路的靈活性，受控程序可控的特性，減少外在所需的調節元件，增進系統的可靠度，簡單化系統整合，並且能夠有效提升多種功能的效能。 在此論文中我們實現了一個可以運作在5MHz的高效能數位控制直流電壓產生器，使用一個低功耗低面積的動態類比數位轉換區間以及高解析度的數位脈衝寬度調變器，減少在數位控制電路中資料處理所需要的功耗來達成提高效能的目的。另外為了改善使用動態類比數位轉換區間不利於暫態鎖定速度的問題，我們提出了一個具有暫態加速功能的數位控制器，在最後量測的結果對於鎖定速度最多能夠有三倍的改善，而最高效能也能夠到達93.2%。
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This thesis presents the design and implementation of a spectrum sensing processor for the cognitive radio system. In the cognitive radio system, one cognitive user (secondary user) has a limited capability of detecting the licensed primary user because of the hidden terminal problem; therefore, cooperation of the cognitive users is required to improve the spectrum sensing performance. Nevertheless, the cognitive users do not transmit data or voice all the time, and the idle cognitive users may consume massive spectrum sensing energy instead of communication energy. Therefore, we propose a partial FFT spectrum sensing method to reduce the cooperative spectrum sensing energy. Moreover, we present two techniques, called detection result prediction (DRP) and decision result modification (DRM), to increase the detection accuracy based on the frequency-domain correlation and detection diversity. The simulation results of partial spectrum sensing with AND-rule DRP and MAJ-rule DRM show that the detection performance is improved. In addition, the AND-rule DRP and MAJ-rule DRM have low complexity compared to the arithmetic operations in FFT. We design an energy-saving spectrum sensing processor with AND-rule DRP and MAJ-rule DRM. The partial cached-FFT algorithm is proposed for the control of cached-memory FFT architecture. Based on partial cached-FFT algorithm, the cached-FFT processor is proposed to reduce the computation complexity. The timing schedule for the cached-FFT processor is proposed to reduce the idle time and computation time of partial FFT calculation. The experimental results show that the proposed techniques and architecture can not only reduce spectrum sensing energy consumption to 64% of conventional method but also improve the detection performance.
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本篇論文的主要目的在於設計一個應用在2.4-GHz ISM 頻段之可變增益的射頻前端電路。為了節省晶片面積，我們採用一個共閘極架構並使用電阻當做負載的低雜訊放大器的設計，藉此避免在晶片內使用螺旋形的電感。在低雜訊放大器及混波器內，我們把負載利用數位訊號來控制調整以達到總共8個增益級。而藉由設定增益與輸入訊號功率成反比，射頻前端電路的輸出範圍將會被減小。因此可減輕該電路對線性度的需求。 此外，一個包含峰值探測器、比較器和數位控制電路的自動增益控制迴路被應用與整合進此射頻前端電路，用來適當的設定射頻前端電路的增益大小。峰值探測器可以測得經由射頻電路後所放大訊號的振幅大小，並將其轉換成一直流電壓值。接下來將此直流電壓值與參考電壓來做比較後，再利用數位控制電路來決定增益該如何變化並落在所欲的範圍內。當輸出訊號位於所欲的大小範圍或在最大、最小增益情況時，此時自動增益控制迴路將會被關閉。因此，自動增益回授控制迴路並不會影響射頻前端電路的雜訊表現。 本論文內所有電路皆使用臺灣積體電路制造股份有限公司 0.18-μm mixed-mode 互補式金屬氧化物半導體製程實現，此具有自動增益控制的射頻前端電路其晶片面積為1.0 × 1.0 mm2。 根據量測的結果，增益控制範圍可從-4.1 dB至14.62 dB共8個增益級，而其步進增益約為2.7 dB。在最大增益設定下射頻前端電路的NF在 10 MHz為8.79 dB，而在最小增益設定下射頻前端電路的P1dB 可達到-17 dBm。在1.8伏特的電壓下，整個晶片包含輸出緩衝電路的功率消耗為21 mW。
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隨著生物醫療系統與CMOS製程的進步，兩者的結合將可以對醫療系統與生醫電子系統有大幅度的幫助，例如:隨身的生理監測系統、神經元訊號擷取與分析與仿生電子鼻系統。在生理訊號監測中，EEG(腦波)、ECG(心跳)以及EMG(肌電訊號)是常運用的訊號，搭配電極的縮小，這些都可能整合到手持裝置；在神經元訊號擷取與分析方面，常運用侵入式或非侵入式電極，讀取extracellular signal或intracellular signal的神經訊號紀錄系統；在當今的電子鼻系統，幾乎都是大型裝置沒有小型的電子鼻系統。而為了使這些裝置隨身化，一個低電壓、低功耗的類比數位轉換器是必須的。 本論文針對生物醫療系統設計連續漸進式類比數位轉換器，基於0.18μm CMOS製程並工作於1V。設計上對於取樣與保持電路使用了 Boosted switch增加控制訊號的電壓以降低取樣保持電路中開關MOS在低電壓狀況下的等效電阻，同時減低因低電壓操作時對取樣保持電路線性度的影響；對於DAC使用了省電式Split capacitor array，此種類型的電容陣列，將陣列中最大的MSB電容，分裂成與剩餘電容一樣，可以降低DAC部分功率消耗達37%；在比較器方面利用軌對軌動態比較器，如此以來同時達到低電壓低功率設計與軌對軌輸入電壓範圍。此類比數位轉換器在操作電壓為1V取樣頻率每秒十萬次時有47.81dB的訊號與雜訊比，微分型非線性誤差(DNL)和積分型非線性誤差(INL)分別介於0.53~-0.75LSB與1.53~-1.84LSB間，功率消耗只有4.6μW，並詳細分析了每個步驟的功率消耗數學式。所製作的晶片其面積為480μm x 390μm = 0.187mm2(不包含PAD)。
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In the thesis, a direct-conversion quadrature sub-harmonic mixer with sideband and carrier leakage calibration is proposed for 2.4 GHz ISM (Industrial, Scientific and Medical) band applications. By adopting quadrature double-balanced structure, low carrier leakage is obtained. To perform up-conversion operation, an octet-phase LO signal is required for this I/Q sub-harmonic mixer, which is generated by 2-stage poly-phase filter. The bias currents of the I/Q paths in the input transconductance stage and switching stage are all digitally controllable so that they can be used for I/Q imbalance and carrier leakage calibration. To minimize sideband level and carrier leakage, the bias currents of each path are decided by a calibration feedback loop. In this loop, there are an RF power detector, a comparator, and a SAR digital controller. The amplitude levels of the sideband and carrier leakage are extracted by the power detector and compared with a reference signal. According to the comparison result, the SAR controller performs the binary searching algorithm to find the best bias current setting. To verify the designed circuits, an experimental chip is fabricated in 0.18-um mixed-mode CMOS technology. The chip area occupies 1.2 mm x 1.3 mm. According to the measurement results, the conversion gain and P1dB of the mixer are -17.5 dB and 11 dBm, respectively. After the mixer is calibrated, the sideband level is reduced to -48.1 dBc. Also the 2xLO leakage drops to -52.1 dBc below the fundamental tone. From an 1.8-V power supply, the quadrature up-conversion mixer totally consumes 40.2 mA current.
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摘要 本論文為設計一個應用於 2.4 GHz 工業／科學／醫療之2.4 GHz 頻段數位控制震盪器。由於我們在電路的設計階段無法預測在實際的操作裡，來自於實體電路的製作、電路的工作電壓和每一次工作環境 (PVT)總共會貢獻多少變化量。，此不確定因素使得操作於開迴路之震盪器不適用於許多應用裝置上。為消除以上的缺點限制，在此論文裡提出一個具有校正不匹配效應能力之數位控制震盪器。 此論文所提出的架構包括一個數位控制震盪器、一個能擷取震盪器頻率資訊的計數器、電容不匹配量化計算器及校正後震盪器控制碼產生器。在此震盪器裡我們使用對電容做開關的方式來當作電路裡的可變電容，使得震盪器訊號較能抵抗來自於類比雜訊干擾的操作環境。計數器負責將我們震盪器的震盪頻率回饋給電容不匹配量化計算器以用於得知多少誤差存在於我們的被控制單元。當得到足夠的誤差資訊後，控制碼產生器則能依照此資訊來產生對應於使用者所需之震盪訊號的校正後控制碼來調控此電路的震盪器。 此論文的電路設計將實現於台灣積體電路製造股份有限公司所提供的互補式金屬氧化層半導體 0.18 微米製程。全部的總電路大小是 1 × 1 平方毫米。從量測結果顯示，此震盪器的震盪範圍約為 2.28 ~ 2.42 GHz。在距離載波500 kHz之相位雜訊能量低於載波能量 101 dB。此數位控制震盪器所能提供的解析度大約是七個控制碼，消耗的功率約為 13 毫瓦。
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本論文主旨為設計一個應用於 2.4-GHz 工業/科學/醫學無線通訊頻段的完全數位式控制二進制頻移鍵控調變射頻發射(Binary Frequency-Shift Keying Transmitter)，相較於類比式控制發射器，此架構對於製程變化以及雜訊干擾較不敏感，發射器是以數位逐次漸近暫存器迴路以及數位式相位控制迴路所實作，前者用作校正初始輸出頻率，而後者則是用以補償其輸出頻率偏移量，運用兩者以達到快速且準確的資料傳輸。 此發射器的核心部分為一個數位式控制震盪器(DCO)，而其中的壓控電容是採用兩級的切換電容陣列，並外加兩個電容來降低電容切換的變化量。數位逐次漸近暫存器迴路以及數位式相位控制迴路則運用閘控鏈波計數器估算輸出頻率。在進行二進制數位資料調變傳輸前，先由數位逐次漸近暫存器迴路產生邏輯零以及壹訊號所對應的數位控制振盪器控制碼(OTW)並記錄至暫存器中。在進行資料傳輸時，數位式相位控制迴路啟動使得輸出頻率維持在期望輸出頻率的範圍內。 此設計利用台灣積體電路製造股份有限公司的互補式金屬-氧化層-半導體0.18微米製程來實現，整個晶片的面積大小為1 × 1平方毫米。根據量測結果，輸出頻率範圍為2.327 ~ 2.405 GHz，相位雜訊在偏離中心的載波頻率1 MHz位移處低於 -79.8 dBc/Hz的雜訊程度。在最高的資料傳輸速率下(250-kbps)，輸出的頻率誤差約在500 kHz以內。整體的功率消耗在1.8 V的電壓供應下約為17.6 mW。
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在本論文中，提出了一個具數位控制回授迴路的短通道可變增益放大器。為了節省面積，整體電路均使用最小通道長度的CMOS元件。此設計將導致電路產生嚴重的製程變異。為了解決這項問題，將需要兩個分別用來控制直流偏移校正以及增益校準的數位回授迴路。 此可變增益放大器採用具有衰減式電阻網路的全差動式增益級架構。藉由數位控制來改變電阻網路的阻值，以提供足夠的增益範圍與解析度。為了正確設定可變增益放大器的增益值，數位式的增益控制迴路必須在可變增益放大器操作之前啟動。直流偏移校正迴路則一直維持啟動狀態，用以防止輸出電壓飽和。藉由這兩個控制迴路，此可變增益放大器將不受製程變異的影響。 此量測晶片採用台積電0.18-μm 1P6M互補式金屬半導體氧化物製程，面積共佔292 μm × 592 μm。此可變增益放大器可提供-3.9 ~ 48.3 dB的增益範圍，在增益間距為6-dB的前提下，實際量測所得增益值和理想值之間的誤差值小於0.5 dB。在最大增益的設定下，頻寬為10.85 MHz。在輸出訊號為10-MHz，輸出擺幅為400-mVppd的情形下，總諧波失真 (THD) 在最大和最小的增益設定下分別為 -33.82 dB 和 -48.08 dB。當輸入的直流偏移電壓在-70 ~ +50 mV的範圍內時，輸出的偏移電壓小於20 mV。在1.8-V電壓供應的前提下，此晶片消耗12.1 mA的電流。
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