基于记忆多项式的Volterra混合均衡器设计与研究

【目的】发光二极管(LED)的非线性特性导致可见光通信(VLC)系统的误码率(BER)性能恶化,特别是在具有较高峰均功率比(PAPR)的光正交频分复用(O⁃OFDM)系统中。基于Volterra级数的单级均衡器可以处理LED非线性高阶失真,且延时较小。但是求解传统Volterra级数需要多重积分运算,基于Volterra级数的均衡器实现复杂度高,且单级均衡器存在误差累积,因此均衡抑制效果有限。【方法】首先,针对传统Volterra级数计算复杂度高的问题,只保留Volterra级数中各阶非线性项和内核系数的高阶幂级数项,提出了基于记忆多项式的Volterra级数(MPVS)。相比于传统Volterra级数降低了计算复杂度,同时考虑了当前时刻的所有输入信号,提高了非线性系统建模的精度。然后,设计基于记忆多项式的Volterra(MPV)均衡器和基于记忆多项式的Volterra判决反馈均衡器(MPV⁃DFE),对于单级MPV⁃DFE,若判决部分一个码元判断错误,那么这种错误会连续成串出现,导致整个码元序列受到影响。文章提出将MPV和MPV⁃DFE两个非线性均衡器级联构成混合后均衡器(MPV+MPV⁃DFE)。MPV均衡器对LED非线性失真信号一级均衡,可以抑制一部分非线性失真,从而减少MPV⁃DFE码元判断错误。再经过MPV⁃DFE二次均衡,可以更好地抑制残留的非线性失真。【结果】最后,采用蒙特卡洛BER仿真方法验证系统设计的有效性。结果表明:与单级MPV均衡器、线性级联非线性混合均衡器(LMS+MPV-DFE)相比,在4阶正交幅度调制(QAM)非对称限幅光OFDM(ACO⁃OFDM)系统BER为10^(-4)时,所提混合均衡器分别可以获得大约7和2 dB的信噪比增益。【结论】MPV均衡器实现简单,且将两级非线性均衡器级联设计混合均衡器可以更好地抑制LED非线性失真。

一种多层多对象并行的新型集中式蓄电池能量均衡器

针对传统集中式均衡器并行目标数量少而导致的均衡速度慢、均衡器难以扩展等问题,提出一种多层多对象并行的新型集中式均衡器。该均衡器采用1个均衡主电路,将主控开关和选通开关矩阵分开,实现单周期内4个电池单体的并行均衡。在对均衡器的控制策略、工作原理详细分析的基础上,搭建均衡器仿真模型,并与传统集中式均衡器进行仿真对比实验。搭建实物均衡实验平台,对包含8节大容量锂离子电池的电池系统进行实验,实验结果验证了该集中式均衡器的有效性。所提均衡器不仅保持了集中式均衡器体积小、重量轻等优势,而且均衡速度快,电路简单易实现、易扩展。

一款400μm^(2)用于极短距离接收机具有中频补偿的56 Gb/s PAM4反相器型连续时间线性均衡器

高速极短距离有线数据接口是芯粒间互连的重要技术方案。传统的基于电流模逻辑的连续时间线性均衡器由于高电源电压和无源器件的使用已经无法满足芯粒间数据接口高密度、小型化、低功耗的需求。针对该问题,本文提出了一种带中频补偿的反相器型连续时间线性均衡器,可在极短距离应用中传输28 Gb/s非归零信号以及56 Gb/s四电平脉冲幅度调制信号。本设计采用28 nm CMOS工艺实现,核心面积仅为400μm^(2)。经过-9.4 dB@14 GHz的极短距离信道后,基于版图的仿真结果表明,所提出的连续时间线性均衡器使28 Gbaud的非归零信号与四电平脉冲幅度调制信号眼宽分别提升0.14 UI与0.41 UI,眼高提升328 mV与119 mV,56 Gb/s四电平脉冲幅度调制信号工况下功耗为6.12 mW。

3.125 Gb/s自适应模拟均衡器设计

采用标准0.18μm CMOS工艺,设计了一种3.125 Gb/s自适应模拟均衡器。其中,均衡滤波器模块采用了一种新颖的有源负反馈结构,可以有效提高均衡滤波器的带宽和增益补偿范围。自适应控制环路采用包含截割电路的单回路结构,通过检测信号的斜率以产生不同的调节电压来调整均衡滤波器的高频增益值,从而能够对不同长度的信道进行自适应补偿。由仿真结果可知,在3.125 Gb/s和4 Gb/s两种数据速率下,输出信号的抖动值为0.24 UI和0.31 UI。在1.562 5 GHz和2 GHz处可均衡的信道损耗分别为13.04~22.04 dB和16.94~28.50 dB,均衡后信号的输出摆幅为270 mV。在1.8 V电源电压下,测得电路的总功耗为59.4 mW。

基于开关电感电池均衡器的CCM软开关实现算法

针对开关电感的锂离子电池均衡器在小功率便携式用电设备中仍有很强的实用价值,但传统控制策略控制的均衡器中开关管为硬开关的问题,提出1种基于开关电感锂电池均衡器电流连续运行模式下的软开关实现算法。分析均衡器电感电流电池单体充、放电电流大小的决定因素,由此提出均衡器中开关管的软开关实现算法并分析了该算法的控制精度。通过检测电池单体的电压与充电电流的变化率可实时得到电池单体的等效阻抗与开路电压,进一步保证了算法的精度。实验结果表明,所提软开关控制算法性能良好。

电动汽车锂电池组双层环形均衡器研究

传统Buck-Boost均衡电路传输路径长且均衡效率低,现有的环形均衡器无法从根本上解决该问题。针对该问题,文中提出了一种基于Buck-Boost及开关电容的锂电池双层环形均衡器。该均衡电路采用模块化均衡的方法在底层模块和顶层模块采用Buck-Boost和开关电容的混合电路实现均衡,并采用图论分析的方法,从均衡速度、均衡效率两方面分析电路结构。结果表明,该均衡电路具有能量传输路径少、能量传输效率高的优点。文中在MATLAB/Simulink电力仿真平台上搭建了均衡电路的仿真模型,仿真结果表明基于Buck-Boost及开关电容的双层环形均衡器比单层环形均衡器均衡速度提高了46%。文中搭建了4节电池的实验样机对环形均衡电路工作原理及系统均衡效率进行实验验证,结果表明双层环形均衡器比单层环形均衡器均衡效率可提高26.78%。仿真与实验结果与理论分析一致,说明电路结构合理有效。

基于PAM4信号的发送端分数间隔前馈均衡器设计

为了抑制18英寸FR4背板的高频损耗、提高传输速率,采用TSMC 0.18μm CMOS工艺设计了一种基于PAM4信号的发送端分数间隔前馈均衡器。该均衡器采用源极电容衰减延时单元来提高延时器的带宽,通过电容校准技术调节低频时的群延时,并同时采用电阻和电容校准技术来提高不同工艺角下群延时的平坦度。均衡器芯片的核心面积为0.427 mm×0.475 mm,功耗为258.6 mW。后仿真表明,两路5 Gbps的NRZ信号通过3抽头3T/4间隔的FFE均衡器和18英寸FR4背板传输后,可得到眼图水平张开达95 ps,垂直张开达30 mV的10 Gbps PAM4信号。

面向112 Gbps PAM4串行接收机的低误码协同自适应均衡器

高速串行接口是高性能计算机和数据中心芯片之间互连的核心关键IP。随着业界单通道速率由56 Gbps向112 Gbps发展,高速串行接口的误码率急剧增加,严重影响互连性能和系统稳定性。针对112 Gbps PAM4接收机误码率高的难题,首次采取一种协同自适应均衡器构架,提出了面向3种均衡器的自适应协同均衡算法,能在高插入损耗条件下取得较低误码率;提出了基于判决反馈均衡器的盲自适应均衡算法,能缩短链路训练时间,减少硬件开销。采用12 nm CMOS工艺完成了基于协同自适应均衡器的接收机设计。仿真结果表明,针对经过36.5 dB信道的去加重112 Gbps PAM4信号,采取协同自适应均衡器的接收机误码率小于1e^(-12),收敛周期约400 ns,功耗增幅仅约2.3%。

基于FPGA的宽带数字均衡器的设计与实现

针对大瞬时宽带系统下ADC采样率大于FPGA工作时钟的幅相均衡需求,提出一种基于多相滤波的宽带数字均衡器设计方法,实测结果表明该滤波器能够同时改善通道瞬时带宽内的幅/相-频特性和通道间幅相一致性,有效提升系统脉冲压缩性能和宽带波束形成性能。

融合模型求解与深度学习的可见光通信非线性均衡器

沃尔特拉非线性后均衡器(Volterra Series Nonlinear Post-Equalizer,VS-NPE)可以补偿可见光通信(Visible Light Communication,VLC)的非线性失真和多径效应,但其结构复杂且均衡精度有限。在VS-NPE内核求解基础上,提出一种基于阈值自学习近似消息传递(Learned Threshold Approximate Message Passing,LTAMP)网络的非线性均衡器。修正样本观测矩阵以克服其列高度相关的缺陷;在改进近似消息传递(Approximate Message Passing,AMP)算法迭代的基础上,将算法每一次迭代的计算过程映射为一层特殊的神经网络,经逐层展开后构建出完整的LTAMP均衡器。所提方法融合了模型求解和深度学习的优势,可从样本中学习最佳的AMP参数,以克服其对噪声敏感且输出不稳定的缺陷,进而提升内核求解稳定性与计算精度。仿真结果表明,与稳固阈值AMP算法相比,所提方法在误码率为1×10^(-3)时能取得2 dB的信噪比增益,且对样本噪声具有较强的自适应性,展现出优异的非线性失真补偿能力。

基于神经网络的Bark域图形均衡器的设计

描述了一种基于BP神经网络的图形均衡器设计方法,在不牺牲参数均衡滤波器的Bark频带图形均衡器精度的情况下简化图形均衡器的设计。其核心思想是训练一个神经网络来预测从目标增益到指定中心频率处的优化通带增益的映射关系。在24通道的Bark频带图形均衡器的情况下,利用具有48个神经元隐藏层的BP神经网络的非线性映射功能来实现预测。然后,使用封闭式公式快速、简便地计算频带滤波器的系数。这项工作将引入使用最小二乘法获得滤波器最佳增益的精确控制方法,并不断加以改进。采用BP神经网络与目标增益直接预测获得参数均衡器的优化增益,使得计算量大大减少,使得基于参数均衡滤波器的Bark频带图形均衡器的逼近误差小于0.1 dB。由此产生的BP神经网络控制的24通道Bark域图形均衡器非常有用。

基于音频均衡器的语言清晰度测试声源设计

语言清晰度主要用于评价厅堂或者扩声系统的声音质量,为了实现对厅堂语言清晰度的自动测量,提高测量的效率,设计了一种用于语言清晰度测量的测试声源。该声源由控制器单元和扬声器单元两部分组成,控制器以MCU作为主控,内置经过调制的STIPA信号。声源经过测量放大器对声压级的校准之后,由MCU读取STIPA信号并通过音频均衡器算法做均衡处理,由功率放大电路驱动扬声器进行播放。经过均衡处理的扬声器,在100 Hz~10 kHz范围内,其播放声信号的频响平坦度可以达到±1 dB,满足厅堂或者扩声系统对声源语言清晰度测量的要求。利用该声源发出STIPA信号,STI分析仪测量STI指数,可以实现对厅堂或者扩声系统语言清晰度的测试。

基于RLS 算法的均衡器在水下光通信中的应用研究

随着海洋电子信息的快速发展,水下通信技术受到广泛关注。本文针对水下光通信中信道干扰大、传输效率低等问题,研究了基于RLS算法的均衡器在改善水下光通信信号畸变中的作用,并通过前馈均衡器(FFE)和判决反馈均衡器(DFE)对均衡器结构进行改进。最终通过MATLAB仿真实验发现,基于RLS算法的FFE-DFE均衡器相较于单一均衡器能改善水下光通信中的信号畸变,这对于水下光通信的进一步研究提供帮助。

一种高速SerDes接收端自适应判决反馈均衡器设计

针对高速通信中背板信道非理想特性引入的码间串扰问题,提出了一种增益自适应判决反馈均衡器(DFE)设计方法。该方法采用半速率结构,可在提高码间抗串扰的同时适应高速传输要求。通过引入自适应反馈环路实现最小均方算法(S-SLMS),并根据码间串扰大小自动调整抽头系数以达到最佳均衡效果;采用动态比较器对数据进行采样,在完成正确采样的同时引入尽可能小的延迟。采用5.4 Gbps输入信号进行仿真,结果表明,该均衡器可对加扰的输入信号正确恢复数据,恢复出的眼图宽度为0.91UI,成功消除了2个后标分量,有效消除了码间串扰,DFE整体电路功耗仅17.8 mW。

一种模块化的高性能蓄电池均衡器研究

目前蓄电池均衡器在均衡速度、均衡效率、可扩展性等性能上的表现参差不齐,往往顾此失彼。该文在兼顾高的均衡效率、快的均衡速度的同时实现均衡器的模块化,提出一种模块化的高性能蓄电池均衡器。均衡器采用分层并行均衡模式,由于每层均衡控制中并行均衡目标的数量最大,因此均衡速度快,且不受串联单体电池数量的影响。均衡器采用最短的能量路径,即能量路径中功率开关的数量最少,均衡效率高,另外,第一层采用带死区的互补脉冲宽度调制(PWM)控制,均衡效率进一步提升。均衡器采用模块化设计,包含第一层和第二层均衡模块,所需功率开关器件的额定电压低,且均衡器硬件及参数与蓄电池系统电压等级无关,因此当串联蓄电池数量增加时,只需增加相应的均衡器模块的数量,而均衡器硬件及参数一经确定将保持不变。模块化设计使均衡器易于扩展、应用范围广。理论分析和实验验证表明,该均衡器在均衡速度、均衡效率和模块化方面具有优势。

一种大规模链式电池储能系统分层式并行均衡器

针对大规模链式电池储能系统,提出一种分层式并行均衡器。该均衡器采用两层主动均衡:第1层均衡可实现电池系统中所有单体电池同时进行能量均衡,均衡速度快且不受串联单体电池数目的影响;第2层均衡可实现来自不同电池组的多个电池单元的并行均衡充、放电,均衡速度快、效率高。该文对均衡器工作原理和均衡控制策略进行分析,为验证所提均衡方法的有效性,搭建由12个单体锂离子电池串联组成的电池系统实验平台进行均衡实验。理论和实验结果均表明,该均衡拓扑的均衡速度快、均衡效率高、模块化强、易扩展。

采用自适应连续时间线性均衡器和判决反馈均衡器算法的一种16 Gbit/s并转串/串转并接口

该文在体硅CMOS工艺下设计了一种16 Gbit/s并转串/串转并接口(SerDes)芯片,该SerDes由4个通道(lanes)和2个锁相环(PLLs)组成。在接收器模拟前端(AFE)采用负阻抗结构连续时间线性均衡器(CTLE),得到22.9 dB高频增益,利用5-tap判决反馈均衡器(DFE)进一步对信号码间干扰(ISI)做补偿,其中tap1做展开预计算处理,得到充足的时序约束条件。采用最小均方根(LMS)算法自适应控制CTLE和DFE的补偿系数来对抗工艺、电源和温度波动带来的影响。测试结果表明,芯片工作在16 Gbit/s时,总功耗为615 mW。发射器输出信号眼高为143 mV,眼宽43.8 ps(0.7UI),接收器抖动容忍指标在各频点均满足PCIe4.0协议要求,工作温度覆盖–55℃~125℃,电源电压覆盖0.9 V±10%,误码率小于1E-12。

基于树莓派和Python的数字均衡器实验设计

传统的实时性数字音效处理系统主要基于DSP硬件平台进行开发,对于本科生而言开发难度和成本都较高,针对此问题,提出了基于树莓派和Python的数字均衡器综合实验设计方案。首先,提出了一种基于尖峰滤波器模型的均衡器方法;其次,从理论角度阐述了IIR数字滤波器形式的设计过程,并通过窗函数法转换为FIR数字滤波器;最后,借助树莓派数字音效处理系统,印证了实验方案的可行性和拓展性,提高了学生的理论应用能力和创新实践兴趣。

一种小型化Ka频段增益均衡器的设计

文章提出并设计了一种小型化的Ka频段增益均衡器。基于高增益Ka频段宽带下变频组件产品平坦度指标优化的需求,选用高精度薄膜工艺技术,建立了陷波电路的分布式参数模型,使用电磁场仿真软件建立三阶电路平面结构模型,经过容差分析,确认了小型化均衡器的模型主要参数目标值。加工实现后制成的Ka频段均衡器的插入损耗为<1dB,正斜率均衡量>6 dB,尺寸为<12 mm×4 mm×0.254 mm,满足Ka频段下变频组件的使用需求,且加工精度高,指标一致性优良。

基于BO-BiGRU的后均衡器在水下高速可见光通信系统中的应用

信号在水下可见光通信(UVLC)信道传输的过程中易受到非线性效应的影响,为了提高系统通信性能,对接收的信号进行均衡是至关重要的。提出了一种基于贝叶斯优化算法的双向门控循环单元(BO-BiGRU)模型作为UVLC系统中的后均衡器,其能够自动寻找模型最优超参数,以实现模型的最佳性能。BO-BiGRU模型应用于1.2 m水下实验平台,采用64正交调幅(QAM)-无载波幅相调制(CAPM),在系统的误码率(BER)低于3.8×10^(-3)的7%前向纠错(FEC)阈值的情况下,实现了3.10 Gbit/s的数据传输速率,比传统的后均衡方法提高了128 Mbit/s。