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集成电路产业经过几十年的发展已经进入了一个新的时期，物联网作为新型应用场景给现代芯片行业的发展提供了广泛的空间，同时其对于芯片的各种性能指标也提出了新的要求。锁相环（PLL）是其中的一个极为重要的子系统，能够给整个系统提供本振和时钟信号。 首先，本文设计了一款注入锁定结构的全数字锁相环，（ADPLL），完成了全部的建模、仿真和版图的工作。本结构将模拟电路领域的注入锁定概念应用在全数字领域，实现了近0.4倍参考频率的带宽，能够更好的抑制系统的相位噪声。此外，采用三级调节的方式设计数控振荡器，在数字域获得了较好的精度。仿真结果表明该结构在工作时能够满足低功耗与低噪声的要求。 其次，本文提出一种混合型结构，采用亚采样技术对注入锁定结构的锁相环进行优化。通过对传统模拟亚采样锁相环和基于TDC结构的数字锁相环电路进行研究分析，设计了全数字Bang-Bang亚采样型锁相环路，并对其进行建模。仿真结果表明，全数字Bang-Bang亚采样型锁相环路能够对输出信号实现16分频，由于不含分频器的原因，进一步降低了功耗与面积。由于对相位的反馈调节机制的存在，Bang-Bang亚采样型锁相环能在注入锁定之前极大的拉近输出信号与反馈信号之间的相位，降低注入过程引入参考杂散。 本文所设计的锁相环采用TSMC65nm CMOS工艺，所有电路均采用标准单元库的单元实现，并且所有模块均可用Verilog HDL描述，进而利用标准的数字工具综合出电路，最后自动布局布线生成版图，因此具有可综合的特性。最终芯片面积为0.0035 ，功耗为3.4mW，输出频率范围为408.5~1110.4MHz。当输出频率为800MHz时，100kHz和1MHz频偏处的相位噪声分别为-110.1dBc/Hz 和-120.5dBc/Hz 。

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全数字锁相环 亚采样 注入锁定

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动脉粥样硬化斑块动物模型是深入研究动脉粥样硬化发生、发展规律的重要手段。现有斑块动物模型建立方法存在斑块大小、位置不可控的问题，对此本课题组提出了一种超声空蚀内皮损伤诱导的局部可控兔腹主动脉粥样硬化斑块模型，有效地解决了这一问题，但该模型的建立过程尚缺乏有效的评价手段。该建模方法主要包括血管内皮空蚀损伤和斑块培养两个过程，本文主要对利用被动空化检测（Passive Cavitation Detection, PCD）方法评价损伤过程以及血管超声弹性成像方法评价斑块培养过程的可行性进行了探究。 对于血管内皮损伤过程，搭建了兔腹主动脉超声空化内皮损伤实验系统，通过PCD方法采集损伤过程中的空化信号并计算其惯性空化剂量（Inertial Cavitation Dosage, ICD），探究不同聚焦超声（Focused Ultrasound, FUS）条件下ICD与损伤程度的关系。结果表明：ICD和腹主动脉损伤程度均随着FUS声压的增大而增大；FUS有效作用时间不变的情况下，脉冲重复频率过高或者过低都不利于惯性空化的产生和腹主动脉内皮的损伤；在其它条件相同的情况下，ICD越大时血管内皮损伤程度也越严重，从而验证了PCD 方法评价血管内皮损伤过程的可行性。 对于斑块培养过程，基于仿体实验，通过中心频率校正和滤波、互相关位移估计、亚采样时延、粗位移引导的奇异值去除和低通数字微分器应变计算等过程对二维互相关血管超声弹性成像算法进行了实现和优化。讨论了纵向窗长、横向窗长和纵向重叠率三个成像参数对应变成像质量的影响，结果表明：在一定范围内，纵向窗长越大，位移估计越准确，应变图像质量越好，但是纵向分辨率越低；由于血管仿体搏动时基本不存在横向位移，横向窗长对于血管仿体应变成像影响不大；虽然过高的纵向重叠率会在一定程度上降低应变图像质量，但为了获得较好的细节分辨能力，一般仍选择较高的纵向重叠率。 最后，利用超声空蚀损伤结合高脂喂养的方法建立兔腹主动脉粥样硬化斑块模型，并在斑块培养过程中定期采集兔腹主动脉超声射频数据。通过自相关矩阵去除位移场中血流位移信息，实现了兔腹主动脉应变成像。提取血管壁的渐进位移曲线和累积位移曲线，滤波消除呼吸运动以及高频噪声的影响后，得到血管壁自主搏动过程的累积位移曲线及归一化最大累积位移。使用应变成像和归一化最大累积位移对斑块模型的培养过程进行评价，得出结论为：应变图像较为直观，能够对斑块的大小、形态及应变进行评价，但是特异性较低，且存在边缘效应；归一化最大累积位移的评价方法特异性较高，但是只能对斑块进行间接的检测，不能对斑块的结构以及力学特性进行分析。 综上所述，本文证实了所提出的基于PCD方法的惯性空化剂量分析用于评价血管内皮损伤过程的可行性，同时可使用血管壁的应变图像和归一化最大累积位移对斑块培养过程中斑块的生长状况进行跟踪评价，两者相结合可实现对超声空蚀损伤诱导的兔腹主动脉粥样硬化斑块模型的整个建模过程的监测。

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被动空化检测 动脉粥样硬化 动物模型 血管超声弹性成像

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随着科技的飞速发展，对于设备间传输接口的速度和效率的要求也越来越高，高速SERDES串行接口的巨大潜力因此被不断挖掘，而JESD204B串行接口因为数据传输速率高达12.5Gbps得到了广泛关注。锁相环（PLL）作为SERDES发送器电路中的重要模块，为SERDES发送器的并串转换模块提供时钟，保证了数据发送和接收的周期性和有序性。为了满足高速、宽频带以及高质量的数据传输，宽调谐范围、低时钟抖动的高速锁相环设计至关重要。 本文为14位、250MSPS双通道ADC设计单通道最大传输速率为5Gbps的SERDES发送器接口电路，提供符合JESD204B标准的低抖动时钟，其核心电路是输出时钟范围为400M-2.5GHz的锁相环电路。为了降低锁相环输出时钟的抖动，本文采用双环结构，分别采用频率锁定环进行频率锁定、相位锁定环进行相位锁定。由于亚采样锁相环具有优良的噪声性能，采用亚采样锁相环（SSPLL）作为相位锁定环；由于自偏置锁相环具有很宽的频率调谐范围，采用自偏置锁相环作为频率锁定环。最终完成了电路设计、噪声分析、仿真验证、行为建模和版图设计，并且提交流片。 本文采用SMIC180nm工艺完成了亚采样锁相环的设计，在40-250MHz的参考时钟输入下，输出400M-2.5GHz的时钟。仿真结果表明，在锁相环输出时钟为2.5GHz时，时钟均方抖动为4.007ps，VCO在2.5GHz中心频率1MHz频偏处的相位噪声为-93dBc，VCO控制电压上存在幅值为0.4mV的周期性纹波，总的发送器版图面积为1689μm×1909μm。

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低抖动 仿真 高速 设计 亚采样锁相环

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在动脉粥样硬化、斑块等血管病理条件下，血管壁组织弹性及力学参数会发生明显改变，通过计算分析这些力学参数可以对多种心脑血管疾病进行检测和诊断。无创血管超声弹性成像由于其方便、快捷及成本低等优势，得到越来越广泛的关注和研究。针对血管弹性成像的国内外发展状况，本文实现了一种基于射频数据的无创血管超声弹性成像方法，对血管壁组织弹性及力学参数进行了获取。并在此基础上对健康人体颈动脉不同截面弹性成像结果进行了分析，对M超刺激家兔腹主动脉的应激性和力学特性变化进行了监控。实现了基于射频数据的二维超声弹性成像算法，通过快速互相关技术、二维亚采样位移估计、位移场降噪处理及二维补偿校正等手段，最终有效提高了超声弹性成像的质量。通过仿真分析，分别讨论研究了成像参数和形变条件对于应变精度的影响，获得了窗长和重叠率的选取参考值，并给出了算法适用的形变范围。通过对比证实了二维补偿校正算法对提高图像信噪比和对比度噪声比有重要作用。针对血管壁的生理和力学特点，提出了射频数据幅度变换、奇异值去除及基于自相关的血液信息去除等方法，实现了无创血管超声弹性成像。分别对健康人体颈动脉血管纵向截面及横向截面两种情况下的位移与应变场进行获取分析，证实该方法可获取分辨率较高的血管壁应变图像。获取了若干周期的累积位移与应变变化趋势，其与血管壁压力及脉搏波的变化相似，可以通过其曲线获取相应参数作为心脑血管疾病诊断的佐证。使用无创血管超声弹性成像对家兔腹主动脉在M超刺激过程中应激性和力学特征变化进行监控。在体家兔腹主动脉超声刺激中，通过比较若干周期累积位移与应变波形的变化，发现M超刺激过程中血管应激性表现为累积位移及应变波峰峰值的减小。通过比较离体血管在M超作用前后的累积位移与应变的波形，发现血管力学特性在超声刺激前后发生改变，并与切片损伤相印证。

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弹性成像动脉血管互相关位移应变

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随着遥感技术的发展，一般的光学成像方法已经不能满足日益增长的各种需要，因此具有高分辨率的遥感成像技术得以快速发展。20世纪80年代兴起的超光谱遥感技术可以在400～2500nm波长范围内对同一地物用数百个连续的窄光谱波段同时成像，由此能获得被测目标丰富的空间和光谱信息，从而达到识别和分析地物的目的。超光谱遥感技术目前已经从实验阶段转向实用阶段，在地质分析、环境监测、灾难评估、地形勘测以及军事侦察等军事和民用领域发挥着举足轻重的作用。 由于超光谱图像的空间分辨率和光谱分辨率越来越高，这使得它已成为一种数据容量非常庞大的三维图像。如此海量的数据给存储、传输和处理带来极大的困难，这严重制约了超光谱图像的应用，因此有效地图像压缩编码成为必不可少和急需解决的关键技术。针对超光谱图像的特点，本文通过深入研究三维变换结构以及嵌入式比特平面压缩算法，从而提出了两种基于三维变换的超光谱图像零块编码压缩算法。同时根据不同应用需求，分别就超光谱图像的无失真压缩算法、失真压缩算法，以及失真-无失真压缩算法进行了分析研究。另外，文中还提出了一种改进的整型KLT变换分解方法，并对多种低复杂度三维KLT-WT混合变换的超光谱图像压缩编码算法进行深入研究。具体工作包括如下几个方面： (1) 基于三维嵌入式零块编码（Three-dimensional Embedded ZeroBlock Coding，3D EZBC）算法的超光谱图像压缩。通过深入研究超光谱图像特点和运动补偿三维嵌入式零块编码视频压缩算法，本文提出了一种基于三维小波变换的无运动补偿3D EZBC超光谱图像压缩编码方案。该算法首先采用三维小波变换有效地去除超光谱图像的空间和谱间相关性，然后对于所生成的每个二维子带利用基于四叉树表示结构的零块分裂算法进行比特平面编码，最后再采用基于上下文的自适应算术编码来进一步提高编码性能。此外，考虑到各种三维小波变换后复杂的子带结构，因此对3D EZBC编码算法不同子带初始化链表顺序的方式进行了分析和比较，并给出了最佳初始化顺序。与其他先进的嵌入式小波变换编码算法相比，实验结果表明在各比特率下超光谱图像3D EZBC压缩算法具有更优秀的编码性能和分类性能。 (2) 基于三维集合分裂嵌入式零块编码（Three-dimensional Set Partitioned Embedded ZeroBlock Coding，3D SPEZBC）算法的超光谱图像压缩。由于3D EZBC算法需要为变换后所生成的每个子带建立四叉树表示结构，这种结构需要占用较多的内存空间，因此本文提出了一种改进的三维集合分裂嵌入式零块编码超光谱图像压缩算法。该算法去除了3D EZBC的四叉表示结构，对于所生成的每个子带采用基于集合表示结构的零块分裂编码。通过理论分析和实验证明，与3D EZBC算法相比3D SPEZBC算法不但可以提供相同的高效编码性能，而且可以节省大量的存储空间。对于512 x 512 x 224 大小的超光谱图像，3D SPEZBC算法相对于3D EZBC算法可以减少75.52 兆字节内存空间。另外，我们分别研究了基于三维小波变换和基于三维KLT-WT混合变换的3D SPEZBC算法超光谱图像无失真压缩、失真压缩、失真-无失真压缩。对于不同的压缩情况，实验结果显示3D SPEZBC超光谱图像编码算法比其他嵌入式变换编码算法具有更高的编码性能和较好的分类性能。 （3）基于不同应用需求的超光谱图像压缩编码研究。无失真压缩可以不损失任何信息，从而完全解码恢复出原始图像；失真压缩算法允许在损失一定信息量的情况下获得较高的压缩编码性能；失真－无失真压缩可实现从有损到无损的渐进式编码。由于超光谱图像获取代价昂贵，具有重要的后期数据分析价值，同时为了获得较高的编码性能，我们针对不同的应用需求分别研究了基于3D SPEZBC算法的无失真超光谱图像压缩、浮点失真超光谱图像压缩编码、以及失真-无失真超光谱图像压缩编码。对于浮点失真超光谱图像编码，变换采用浮点变换；而对于无失真压缩编码和失真-无失真压缩编码，变换必须是完全可逆的整型变换。此外，不同的三维变换结构对无失真压缩、浮点失真压缩、失真-无失真压缩的编码性能影响差异较大，我们通过大量的理论分析和实验比较，给出了在各种应用环境下它们的最优选择方案。 （4）基于各种三维变换结构和不同小波函数的超光谱图像压缩编码研究。三维变换可以有效地去除超光谱图像的空间相关性和谱间相关性，并获得较高的编码性能。然而，根据对超光谱图像三个方向上不同的变换方式，三维变换也具有多种变换结构类型，例如三维二进小波变换、三维小波包变换、Xiong的三维小波包变换，以及三维KLT-WT混合变换结构。针对不同的应用需求（无失真压缩、失真压缩、失真-无失真压缩），基于各种三维变换结构的超光谱图像压缩其编码性能差异较大。另外，不同的小波变换函数也会带来不同的编码性能。因此，我们通过大量的理论分析和实验比较，给出了在各种应用环境下三维变换结构和小波变换函数的最优选择方案。此外，由于整型小波变换过程中不能保证时频域内量化误差相等，这会导致超光谱图像整型失真压缩编码性能的急剧下降，然而采用子带尺度因子加权的方法可以使该编码性能大幅度提高。我们通过大量的实验比较，给出了最优子带尺度因子加权结构。 （5）改进的整型Karhunen-Loève Transform (KLT) 分解方法。郝鹏威提出了基于KLT变换矩阵分解的三角基本可逆矩阵线性变换法来实现整型KLT变换。通过深入研究该方法，本文提出了一种改进的三角基本可逆矩阵分解法。改进算法可以实现完全循环迭代运算，相对于郝鹏威的方法可以节省一定的计算复杂度和内存空间。对于512 x 512 x 224大小的超光谱图像，改进算法可以节省 49062次置换次数和42.49兆字节内存空间。随后，基于改进的三角基本可逆矩阵分解整型KLT变换算法，我们实现了三维KLT-WT变换的3D SPEZBC超光谱图像失真-无失真压缩编码算法。 （6）基于低复杂度三维KLT-WT混合变换的3D SPEZBC超光谱图像压缩编码算法研究。通过对造成KLT变换高计算复杂度成因的分析，我们进一步研究了几种基于低复杂度KLT变换的3D SPEZBC超光谱图像压缩编码算法。这些方法采用低复杂度一维KLT变换进行谱间去相关，二维小波变换进行空间去相关，3D SPEZBC算法对变换系数进行比特平面编码。通过大量实验，我们深入分析了空间亚采样低复杂度KLT变换、基于部分主成分分量编码的低复杂度KLT变换、非零均值低复杂度KLT变换对于3D SPEZBC超光谱图像压缩算法编码性能的影响，并给出编码参数的最佳选择?

Keyword ：

Karhunen-Loève变换 超光谱图像 失真-无失真压缩 失真压缩 小波变换

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该项研究以Divio公司的NW820为数据处理及主控芯片,开发完成了eBoat 400数码相机.文章介绍了eBoat400数码相机软硬件开发流程及数码相机基本数字图象处理理论与算法,内容涉及RGB彩色阵列插补、白平衡处理、彩色空间转换和亚采样模块、自动曝光控制等.

Keyword ：

IWAIN 数码相机 图象传感器

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应用分形测度的概念,利用小波变换的数学显微镜功能,建立了肝脏超声图像灰度表面分形结构分析及局部分形指数研究的理论模式;提出了一个相应的非亚采样的快速实现算法--局部分形指数小波分析法LFWAM(local fractal scale wavelet analysis method),进行了人体肝脏组织超声图像局部分形指数的研究;验证了方法的有效性,为进行图像识别与分割提供了基础.

Keyword ：

超声图像 分维 局部分形指数 小波变换

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