合肥工业大学 微电子设计研究所 教育部IC设计网上合作研发中心, 合肥 230601
在无人机3D地形测绘中, 作为核心模块的时间数字转换器(TDC)需要具有远距离测量能力和高测量分辨率。基于对测距系统的长续航、公里级测距能力和厘米级测量精度的综合考量, 文章设计了一种用于TDC的低功耗多相位时钟生成电路。采用了伪差分环形压控振荡器, 通过优化交叉耦合结构, 在保证低功耗的前提下, 提升了信号边缘的斜率, 增强了时钟的抖动性能和对电源噪声的抑制能力。在电荷泵设计中, 通过对环路带宽的考量选取了极低的偏置电流, 在进一步降低功耗的同时缩小了环路滤波器的面积。基于SMIC 180 nm CMOS工艺完成了对多相时钟生成电路的设计。仿真结果表明, 在400 MHz的输出频率下, 环路带宽稳定在1 MHz。该电路在不同工艺角下均能达到较快的锁定速度, 相位噪声为-88 dBc@1 MHz, 功耗为1 mW, 均方根抖动为27 ps, 满足厘米级测距的精度需求。
时间数字转换器 多相时钟 低功耗 压控振荡器 电荷泵 TDC multi-phase clock low power consumption voltage controlled oscillator charge pump
针对现有极化码软输出译码器存在的高资源消耗与低资源效率,设计了一种快速低复杂度软取消(Fast Reduced Complexity Soft-Cancelation,Fast-RCSC)译码算法及其译码器硬件架构。Fast-RCSC算法对内部特殊结点进行完整计算,在减少译码周期的同时仍有较好译码性能。基于不同特殊结点公式之间存在相似性,进而通过对引入的特殊结点模块进行计算结果复用以及计算模块分时复用,减少特殊结点模块资源消耗。通过共用存储单元以及对不足存储单元数据宽度的数据进行合并,降低存储资源消耗。在华润上华(Central Semiconductor Manufacturing Corporation,CSMC)180 nm工艺下综合结果表明,设计的译码器在码长为1 024的情况下,面积为2.92 mm2,资源效率为245.2 Mbps/mm2,相比现有软输出译码器有不同程度的提升。
极化码译码器 软输出 资源效率 资源复用 专用集成电路 polar code decoder soft output resource efficiency resource reuse ASIC
1 运城学院 物理与电子工程系，山西 运城 044000
2 河北工程大学 数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
3 联想（北京）信息技术有限公司，北京 100095
4 南开大学现代光学研究所，天津 300350
5 河北工业大学 先进激光技术研究中心，天津 300401
提出了一种基于轨道角动量全息(Orbital Angular Momentum, OAM)和频移的大容量光学信息加密方法。该方法实现了对多个图像信息的并行加密。首先，对多幅原始图像进行采样，采样阵列的采样间隔取决于具有不同拓扑荷数的螺旋相位的空间频率。然后，多个采样图像信息经过随机相位调制、傅里叶变换和频移相位调制后相干叠加构成轨道角动量保留全息图。最后，将不同拓扑荷的螺旋相位分别编码到轨道角动量保留全息图中，得到轨道角动量选择全息图，进行相干叠加后构成最终的单个加密全息图。解密时，轨道角动量复合选择全息图被加载到空间光调制器上，用包含特定拓扑荷数的涡旋光束照射，并经过傅里叶变换获得多个解密信息。该加密系统具有极高的加密灵活性和极大的加密容量，不仅可以在同一拓扑荷下，设计不同的频移因子来并行加密一组多个图像信息，还可以利用不同拓扑荷对多组图像信息进行加密。该方法将涡旋光束的模式设定为一个新的光学密钥，极大地提高了光学加密系统的安全性。此外，该光学加密方法中，待加密图像信息的尺寸不受空间光调制器的像元数量限制，极大地提高了光学实现信息加密的可行性和有效性。仿真实验结果表明该方法具有较高的安全性、抗噪性和抗剪切能力。
光学信息加密 轨道角动量 全息 频移 optical information encryption OAM holography frequency shift 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230313
1 河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
2 河北工业大学先进激光技术研究中心，天津 300401
3 南开大学现代光学研究所，天津 300350
提出一种基于全矢量光场调控和傅里叶变换频移的多图像非对称偏振光学加密新方法。首先，多幅待加密图像经过随机相位调制、傅里叶变换和频移相位调制后相干叠加构成一幅复振幅光学图像；然后将其干涉分解成两块纯相位掩模，并编码加载到基于4F系统的全矢量光场调控系统中；最后全光调控矢量光场经过偏振片后输出振幅型加密图像和密钥，它们被CCD接收，实现多幅图像的并行加密。解密时，在正确密钥条件下，根据调控光场的全矢量分布与加密图像的关系获取多幅解密图像。偏振片旋转的任意角度和干涉分解得到的纯相位图像作为密钥，极大地提高了光学图像加密系统的安全性。此外，多幅图像加密为单幅振幅型加密图像，便于保存和传输，加密系统的加密效率得到极大提高。仿真实验验证了所提多图像加密方案的有效性和可行性，实验结果表明所提方法具有很高的安全性、抗噪性、抗剪切能力和抗选择明文攻击性，具有一定的应用前景。
光学图像加密 光场调控 频移 干涉分解 多图像加密 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1010016
合肥工业大学 微电子设计研究所, 合肥 230601
随着量子计算机的发展,传统加密算法受到严重的威胁。为了对抗量子攻击,同态加密技术引起了关注,其中环错误学习(RLWE)的加密方案具有加密效率高、硬件实现简单等优点,在硬件加密上具有巨大的潜力。本文提出并实现了一种RLWE加解密电路,采用了费马数变换、访存优化和分时复用等方法。实验结果表明,在同等安全参数集下,所提出的RLWE加解密电路的硬件资源效率分别可达到6.01和12.03。
环错误学习 费马数变换 访存优化 分时复用 现场可编程门阵列实现 ring-learning with error (RLWE) Fermat number transformation (FNT) memory access optimization time division multiplexing field programmable gate array (FPGA) implementatio
合肥工业大学 微电子设计研究所 教育部IC设计网上合作研发中心, 合肥 230601
提出了一种低抖动、高频率分辨率、快速锁定的小数级联型锁相环。采用倍乘型延迟锁定环和基于和差调制器(DSM)的相位选择器实现小数倍频,并通过级联一个高带宽的整数型锁相环抬升频率且实现对DSM量化噪声的进一步滤除。基于TSMC 65 nm CMOS工艺,面积为0.27 mm2,输出频率为1.064~1.936 GHz。通过电路仿真输入100 MHz参考频率,PLL的1.872 GHz输出频率在300 ns以内完成锁定,1.2 V电源电压下整体功耗为8.6 mW。此时频率分辨率约1 kHz,1 kHz~100 MHz的积分范围内均方根抖动为1.32 ps。
级联型锁相环 低抖动 高频率分辨率 快速锁定 cascaded PLL low jitter fine frequency resolution fast-locking
合肥工业大学 微电子设计研究所, 合肥 230601
大整数乘法是密态数据计算中最为耗时的基本运算操作, 提高大数乘法单元的计算速度在全同态加密机器学习等应用中尤为重要。提出了一种输入数据位宽为768 kbit的高速大整数乘法器设计方案, 将核心组件64 k点有限域快速数论变换(NTT)分解成16点NTT实现, 并通过算法分治处理, 细化16点NTT的流水线处理过程。采用加法和移位来实现模减计算单元, 并利用高效的无冲突地址生成算法完成数据交互, 实现大整数乘法的高速化。该乘法器最后被部署在Altera Stratix-V FPGA开发板上, 实验结果表明, 电路工作频率为169.23 MHz, 大整数乘法计算总体耗时0.317 ms。对比现有的硬件设计, 在速度性能上有1.2倍至7.3倍的提升。
高速 流水线 大整数乘法器 high speed pipeline large integer multiplier NTT NTT FPGA FPGA
合肥工业大学 微电子设计研究所 教育部IC网上合作研究中心, 合肥 230601
为了克服5G移动通信系统中极化码串行抵消(SC)译码算法延迟高、计算复杂度高、硬件结构复杂度高等问题, 基于冻结比特、冻结比特对和冻结区间等方式, 提出了冻结比特设计模式。该设计模式包含基于冻结比特对的译码延迟和计算复杂度的分析方法。通过优先剪枝冻结比特结点的方式, 进一步化简SC译码树, 提高了搜索译码树的速度。码长为1 024的改进流水线树型SC译码器基于FPGA平台实现。实验结果表明, 译码延迟为2.35 μs, 数据吞吐率为435 Mbit/s。与现有译码器相比, 该译码器的译码延迟、数据吞吐率分别优化了9.6%、10.4%。
极化码 串行抵消 冻结比特 低延迟 polar code successive cancellation frozen bit low latency
1 新疆油田公司采气一厂, 新疆 克拉玛依 834000
2 北京邮电大学 计算机学院, 北京 100876
针对目前石化危险品装车过程中海量监控视频图像人为处理效率低下、模糊图像识别率低等问题, 提出一种基于生成式对抗网络(GAN)和卷积神经网络(CNN)与极限学习机(ELM)相结合的监控模糊图像智能修复及检测方法。首先, 使用深度学习网络作为目标检测框架, 利用GAN网络中生成器与判别器间的零和博弈对模糊图像进行复原, 得到清晰完整的作业图像; 其次, 利用CNN自适应学习图像特征的能力, 对修复后的图像进行自主特征提取; 最后, 将提取的图像特征输入ELM分类器中进行目标识别与分类, 判断作业过程是否存在违规行为。试验结果表明: 所提方法图像修复速度快, 视觉效果自然, 且目标识别准确率高, 具有很好的泛化能力。
模糊图像 图像复原 生成式对抗网络 卷积神经网络 极限学习机 blurred image image restoration generative adversarial network convolutional neural network extreme learning machine
1 南开大学 电子信息与光学工程学院 现代光学研究所，天津300350
2 天津市微尺度光学信息技术科学重点实验室，天津，300350
3 天津市光电传感器及传感网络技术重点实验室，天津，0050
4 上海工程技术大学 数理与统计学院，上海201620
5 南京师范大学 计算机与电子信息学院，南京210023
6 东南大学 先进光子学中心，南京21009
7 山东师范大学 光场调控与应用协同创新中心，济南250358
基于麦克斯韦应力张量理论，对多边形金纳米粒子在聚焦场下的光力特性进行了研究。以三角形金纳米粒子为例，从粒子在聚集场中的受力情况出发，分别研究了具有圆对称能量分布的聚焦场和具有三角形能量分布的聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性。研究结果表明，当使用圆对称聚焦场时，可对边长为50~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获；当使用三角形聚焦场时，在粒子以和聚焦场形状匹配的角度进入聚焦场的情况下，可对边长为100~350 nm的三角形金纳米粒子实现稳定捕获。将圆对称聚焦场和三角形聚焦场对三角形金纳米粒子的捕获特性进行比较，发现三角形聚焦场在x方向的捕获力要强于圆对称聚焦场；而在y方向，三角形聚焦场对粒子的捕获范围要大于圆对称聚焦场。该工作研究了三角形的金属纳米粒子在不同形状聚焦场下的光力捕获特性，为基于非球形金属粒子的光学操纵在拉曼光谱超分辨成像、粒子微加工等领域的应用奠定了理论基础。
光镊 三角形金纳米粒子 径向矢量光场 紧聚焦 光力 Optical tweezers Triangular gold nano-particles Radially polarized beam Tightly focusing Optical force
