2020年第10期-《电子技术应用》杂志

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2020年第10期

刊出日期：2020-10-06

邮发代号： ISSN 0258-7998

CN11-2305/TN

邮发代号：2-889

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技术专栏-5G R16演进技术

5G基站节能技术性能评估研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200795

作者：张化1，李鹏2，鲁娜2，蔡博文1，李皛1

作者单位：1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.中国电信集团有限公司，北京100033

摘要：相比于已商用的4G技术，5G需要支持更大的带宽、更多的通道数以满足ITU提出的性能需求，但这也导致了5G能耗的显著增加。基站节能技术是通过在时和频域上关闭相应的发射资源来实现基站能耗的有效降低，为了避免节能技术对网络覆盖和用户体验的影响，在网络运营过程中需要寻找节能效果和网络性能间的相互平衡。首先分析了5G基站能耗模型，并结合影响能耗的关键因素对5G节能技术进行了节能效果评估，同时分析了相关节能技术对于网络性能的影响，最后从网络运营的角度介绍了5G节能技术的发展趋势和面临的挑战。

关键词：
5G

基站节能

AAU

BBU

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5G URLLC标准及关键技术研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200785

作者：李皛1，张志荣1，陈建刚2，李鹏2，张化1，周阅天1

作者单位：1.中国电信股份有限公司研究院，北京102209；2.中国电信集团有限公司，北京100033

摘要： 5G标准定义了eMBB增强移动宽带、mMTC海量大连接、URLLC低时延高可靠三大应用场景。随着5G逐步成熟商用，URLLC业务作为垂直行业的重要切入点也在逐渐完善优化。首先介绍了URLLC技术标准演进情况，随后从低时延、高可靠和URLLC与eMBB复用三方面分别分析了实现URLLC的关键技术，最后将URLLC与TSN网络融合做了阐述。

关键词：
超可靠低时延通信

短时隙

复用

免授权

时间敏感网络

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面向5G TSN的网络架构演进及增强技术研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200791

作者：吴欣泽1，信金灿2，张化2

作者单位：1.北京邮电大学信息与通信工程学院，北京100876；2.中国电信股份有限公司研究院，北京102209

摘要：近年来，时间敏感网络技术（TSN）的发展逐步引起工业界的广泛关注，其凭借低抖动、低延时、确定性传输等优势，为对传输时延有较高要求的应用场景提供了有力支撑，成为下一代工业网络承载技术的重要演进方向之一。为了在端到端的层面上满足某些垂直行业业务对低时延、高可靠的需求，5G网络在R15 URLLC的基础上对QOS、空口同步、头压缩等方面进行了增强，以满足TSN网络对于5G设备的严苛要求。首先从垂直行业需求入手，分析了5G网络与TSN融合的必要性，最后结合3GPP R16标准进展研究了TSN对于5G商用网络改造需求以及面临的挑战。

关键词：
时间敏感网络

5G网络架构

高可靠低时延通信

QoS

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3GPP R16的5G演进技术研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.209101

作者：朱雪田

作者单位：中国联通研究院，北京100048

摘要： 3GPP R16标准对R15进行增强和扩展，使得5G技术方案体系更加完整，技术能力体系更加完善，行业赋能体系更加完美，成为5G商用进程中的重要里程碑。以当前5G商用发展中面临的挑战作为出发点，围绕着“技术方案的趋于完整”、“基础能力的持续提升”和“行业赋能的不断扩展”三方面，对R16 5G演进技术的需求、特性和应用场景重点展开分析，并对R17后续技术演进方向进行展望。

关键词：
增强型宽带通信

超高可靠低时延通信

大规模机器通信

时间敏感网络

蜂窝车联网

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新冠疫情下的5G床旁会诊应用探索与实践

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200385

作者：刘金鑫，李娜，孙小康，李钰

作者单位：中国移动通信集团有限公司，北京100083

摘要： 2020年初，新型冠状病毒疫情迅速蔓延，5G智慧医疗在缓解医疗资源紧缺方面发挥重要作用。首先针对疫情对智慧医疗的全新需求进行分析，然后提出了具有创新性的5G床旁会诊方案，并通过实践案例验证了方案的可行性和有效性。

关键词：
新冠病毒

5G

远程医疗

远程移动会诊

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综述与评论

从基础研究浅析人工智能技术发展趋势

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200346

作者：李美桃

作者单位：国家工业信息安全发展研究中心人工智能所，北京100040

摘要：近六十多年来，人工智能在算法、算力和数据的共同驱动下，获得了飞速发展，但仍处于弱人工智能阶段。重点分析了人工智能算法和算力方面的基础研究现状和发展趋势，弱人工智能迈向强人工智能亟待基础研究上的革命性突破。算法层面，深度学习算法模型缺乏可释性和可泛化性，在基础理论上遇到瓶颈，亟待基础理论上的突破；算力层面，因集成电路工艺制程逼近微观物理极限导致摩尔定律失效和电子芯片算力增长趋缓，通用计算芯片架构受制于冯诺依曼瓶颈，以神经形态芯片为代表的人工智能芯片方兴未艾；数据层面，细分领域的高质量数据集匮乏制约人工智能技术应用发展，未来高质量数据集将不断构建。总之，人工智能底层技术将在未来相当长时间内缓慢前进，但产业化应用正在蓬勃发展。

关键词：
人工智能

基础研究

发展趋势

算法

算力

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《瓦森纳协定》调整下中国半导体产业发展的思考

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200482

作者：张倩

作者单位：北京市电子科技情报研究所，北京100009

摘要：半导体产业是高资本、高投入、高风险且进入门槛高的产业，从产业现状分析，中国半导体产业除封测外，设备及材料、设计、制造等环节仍处于低端水平，高端产品严重依赖进口。提高中国半导体国产化率水平面临技术难度高、资金投入巨大且国内缺乏芯片设备、设计与制造领域的高新人才等问题。《瓦森纳协定》于2019年12月被重新修订，随之增加了对计算机光刻软件和大硅片切磨抛技术的出口管制，面对如此变化我国半导体产业势必受到影响。从中国半导体产业发展现状入手，分析目前产业发展态势及问题，并研究《瓦森纳协定》重新修订后对我国半导体产业的影响，最后提出相应的解决措施和建议。

关键词：
瓦森纳协定

技术管控

半导体产业

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人工智能

基于权值交互思想的卷积神经网络量化算法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200263

作者：肖国麟，杨春玲，陈宇

作者单位：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001

摘要：传统的卷积神经网络量化算法广泛使用对称均匀量化操作对模型权值进行量化，没有考虑到相邻权值量化之间的相互关系，即上一个权值的量化操作产生的量化噪声可以通过调整之后权值的量化方向加以弥补。针对上述问题，提出了一种基于权值交互思想的三值卷积神经网络量化算法，达到了16倍的模型压缩比，以ImageNet作为数据集，量化后的AlexNet和ResNet-18网络上模型预测准确率只下降了不到3%。该方法达到了较高的模型压缩比，具有较高的精度，可以用于将卷积神经网络移植到计算资源有限的移动端平台上。

关键词：
三值量化

卷积神经网络

权值交互

模型压缩

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基于边窗滤波和扩张卷积的矿井行人检测

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200363

作者：刘欣，李卫龙，张灿明

作者单位：安徽省煤炭科学研究院，安徽合肥230001

摘要：在数字化矿山中，行人检测系统能够大幅减少事故伤亡，是保护工人安全的重要手段。为了构建高性能的行人检测系统，提出了一种基于边窗滤波和扩张卷积的矿井行人检测模型。具体来说，针对复杂恶劣的矿井环境，采用边窗滤波抑制视频图像中的干扰信号，提升图像质量。此外，考虑到行人目标的多尺度特性，在模型中引入扩张卷积增加特征的感受野，进而提升检测性能。大量的对比实验证明了边窗滤波和扩张卷积的有效性，模型在矿井数据集上获得94.3 mAP和99.1%检测率的优异性能。

关键词：
行人检测

边窗滤波

扩张卷积

深度学习

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基于FP-growth算法的用电异常数据挖掘方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200073

作者：段晓萌1，王爽1，赵婷1，丁徐楠2

作者单位：1.中国电力科学研究院有限公司，北京100192；2.国网浙江省电力有限公司，浙江杭州310007

摘要：随着科学技术的不断进步，不法分子窃电手段日趋专业化多样化，而传统的防窃电技术实时性及可行性较低。研究对运行中智能电能表用电信息的数据采集及特征提取，分析异常用电数据，应用机器学习的方法对特征值进行学习，并推导出用电异常的判断阈值，采用关联规则数据挖掘方法对独立检测的结果进行融合，从而实现窃电数据的挖掘。最后验证了模型建立的准确性，并推导出用电异常案例的甄别方法。

关键词：
电能表

用电异常

FP-growth算法

数据挖掘

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微电子技术

一种应用于AMOLED显示驱动的电荷泵系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200081

作者：宇跃峰1，尹勇生1，谢熙明1，权磊2，贾晨2

作者单位：1.合肥工业大学微电子设计研究所教育部IC设计网上合作研究中心，安徽合肥230601； 2.深圳清华大学研究院，广东深圳518057

摘要： UMC 80 nm工艺，设计了一种应用于AMOLED显示驱动的电荷泵系统。为了满足AMOLED显示驱动在不同输出电压情况下保持电源效率高于70%的要求，本设计中泵电路采用多输入电源结构，并在不同路径上使用不同类型的MOS管。为了保障电路在8 mA负载下输出电压纹波小于10 mV，采用双边对称的泵电路结构。为了保持输出电压的稳定性，整个系统采用PSM调制方式。对电路进行Spectre仿真，在1 μF泵电容以及2.2 μF输出电容，负载电流为8 mA情况下，各种输出电压情况下的电压纹波最大为1.2 mV，电源效率最低为70%，峰值效率为83.6%。

关键词：
电荷泵

电源管理

多输入电源

对称结构泵电路

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基于FPGA的高精度鉴相器实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200377

作者：董淑豪1，吴东岷2

作者单位：1.中国科学技术大学微电子学院，安徽合肥230026； 2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏苏州215000

摘要：基于模拟电路的鉴相器虽然响应速度快，但是很难达到较高的精度，并且开发周期长不易优化。为了可以实时检测MEMS器件谐振时微小的相位变化，提出一种基于FPGA的高精度鉴相器。该鉴相器主要是由数字混频器、FIR数字滤波器、DDS信号发生器以及模数转换电路组成。鉴相方法是通过将被测信号与一同频、相位可调、且初始相位为90°的参考信号混频，并通过高阶FIR滤波器提取与相位有关的差频信号，调节参考信号相位使得此差频信号趋近于0，则此参考信号的相位调节量即为被测信号的相位。鉴相器的时钟频率为100 MHz，鉴相精度可以达到0.000 1°。工作频率灵活可调，并且应用于锁相环中时，可以很方便地与MEMS器件的驱动电路兼容。

关键词：
FPGA

FIR

鉴相器

DDS

MEMS

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射频等离子工艺设备中的自动阻抗匹配技术

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200439

作者：赵英伟，张文雅，郝晓亮

作者单位：中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄050051

摘要：介绍了射频阻抗匹配的基本原理和常见的匹配网络类型，以串并联电容组成的Г型匹配网络为例，利用史密斯圆图，阐述了阻抗匹配的工作原理。介绍射频等离子技术在微电子工艺设备中的应用。给出了自动匹配网络的检测电路、电机驱动电路和控制电路，提出了优化自动阻抗匹配能力的方法。

关键词：
等离子

自动阻抗匹配

射频

相位

幅度

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测控技术与仪器仪表

一种基于8255A的自整角机信号控制技术研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200007

作者：吕文发

作者单位：中国船舶重工集团公司江苏自动化研究所，江苏连云港222006

摘要：自整角机信号是一种高频高电压交流模拟信号，在火控系统中用来传递角度信息，电压的高低代表不同的角度大小，便于计算机系统处理，需将这些模拟信号进行数字化转换。提出了一种以8255A为控制芯片，利用模/数、数/模转换控制器对交流自整角机信号进行实时数字采集和模拟转换处理的控制方法，模/数转换器完成对外部输入的交流自整角机模拟信号进行数字化采集发计算机系统，数/模转换器完成对计算机系统的控制数据进行自整角机模拟化转换后发外部设备，8255A完成对转换数据进行输入输出控制。该控制方法具有控制灵活、电路简单、实时性强、可靠性高等特点，在火控系统中得到广泛应用。

关键词：
自整角机

8255A

控制

转换

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一种低成本VPX背板总线测试设备

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200063

作者：马力科

作者单位：中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036

摘要：分析了常见高速串行总线测试方案的优缺点，针对VPX高速背板结构和信号定义特征，提出了一种低成本的VPX背板高速串行总线的测试方法。该方法以FPGA为运算核心，通过巧妙的结构设计和高速串行电路设计，实现了单次同时测试最多16对高速收发通道，且可进行高速串行总线从物理层、链路层到协议层的信号误码率测试和眼图测试，每通道测试速率可大于10 Gb/s。

关键词：
VPX背板

高速串行总线

信号完整性

误码率

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通信与网络

用于可穿戴AR设备的高速低延时无线MAC协议

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200156

作者：汪健，丁福建，刘海波，刘文文，林庆毫，林敏

作者单位：上海大学通信与信息工程学院，上海200444

摘要：针对消费级AR眼镜与智能手机的无线通信场景需求，提出一种超高速、低功耗、低时延、短距离的定制化无线MAC协议。首先从应用场景的需求出发，对有效吞吐率、时延等指标进行定量分析，再通过指标进行协议的设计。与现有的ECMA-398协议相比，有效吞吐率标准从71%提高到86%，通过引入数据优先级机制来减少延时，使得关键数据的最大帧传输延时相比同类的ECMA-398协议降低了一个量级(小于1 ms)；然后根据指标完成系统级模型的搭建与仿真、RTL级的编码与验证；最后通过FPGA平台进行测试。仿真和测试结果表明，所设计的定制化MAC协议可以较好地满足场景需求。

关键词：
AR

MAC协议

短距离无线

有效吞吐率

时延

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基于云计算的混合混沌加密算法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200298

作者：田佳鹭

作者单位：沈阳师范大学数学与系统科学学院，辽宁沈阳110034

摘要：针对云平台环境下数据安全及保密问题，基于MapＲeduce分布式框架下，综合4种混沌映射系统的优点，提出一种面向云计算的混合混沌加密方法。利用4种混沌映射产生的混沌序列作为密钥，多次使用从混沌系统迭代产生的多重密钥对明文进行加密操作。实验结果证明，该算法的执行效率高，密钥空间足够大，能够有效抵抗暴力破解密钥的攻击。

关键词：
混沌加密

云计算

MapReduce

信息安全

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计算机技术与应用

无人机台风探测实况监控系统设计研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191279

作者：张东明1，张雪芬2，郭然2，王志诚1

作者单位：1.浙江省大气探测技术保障中心，浙江杭州310018；2.中国气象局气象探测中心，北京100081

摘要：无人机探测台风(含热带气旋)是我国国家气象发展战略的重要组成部分之一。在海洋一期的任务目标中，明确指出要完成下投探空的机载飞行、海洋高空下投、数据接收和处理等全数据链的验证试验，为今后业务化观测台风奠定技术基础。无人机实况监控系统结合移动式地面站、气象、卫星网络等资源，为无人机、无人飞艇等设备的实况飞行提供基于WebGIS的三维监控展示，为地面控制中心调度提供决策支持服务。系统主要包括处理展示当前无人机状态、当前的飞行天气现象、飞机覆盖范围、典型示范区数据，并对所有的飞机探测计划、飞机探测计划完成情况等资料进行管理。

关键词：
无人机台风探测

实况监控系统

WebGIS

三维监控

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煤机组汽前泵效率在线分析系统研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200010

作者：张喜平，吴春，李芮

作者单位：中国大唐集团新能源科学技术研究院有限公司，北京100043

摘要：汽前泵是大型燃煤机组重要辅助设备，汽前泵泵效率不但是泵运行经济性的重要技术指标，对泵效率劣化趋势的连续分析也是实现汽前泵故障早期诊断的重要技术手段。设计了一种利用火电厂厂级监控信息系统实时数据，实现汽前泵效率在线计算和劣化分析的燃煤机组汽前泵效率在线分析系统。该系统能够快速准确地分析汽前泵的效率劣化趋势，为汽前泵的状态检修提供准确的前期预警和决策依据。系统设计过程中充分考虑了泵效率的计算所要求的机组稳定工况，同时也充分考虑了传感器安装位置不同对泵效率计算的影响，并对其进行补偿。系统设计采用B/S架构，服务端编程使用Java语言，前端使用Bootstrap开源项目。

关键词：
燃煤机组

汽前泵

泵效率

在线分析

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基于Android系统的矿用钻孔成像仪软件开发

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191395

作者：李旭

作者单位：中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710054

摘要：为进一步加强钻孔精细探测能力，开发了一款基于Android系统的矿用本安型钻孔成像仪软件。通过对现有设备硬件采集到的视频、深度和角度信息做深入的数据挖掘与融合，实现钻孔图像采集、图像展开、探头姿态、二维轨迹和三维轨迹等多源钻孔观测功能；设计了一套“映射变换”算法对图像展开功能进行优化，提升图像展开速度137%，实现了钻孔图像展开实时化；引入基于JNI与边缘计算思想的通信接口技术，将电子罗盘与深度计数器的数据预处理放在硬件接口内完成，降低主机负载4.6%。实验表明，成像仪软件可充分发挥钻孔成像仪主机的硬件性能，提高井下钻孔观测施工效率。

关键词：
钻孔成像仪

安卓APP

图像展开

Java本地接口

轨迹成图

查看(11242)

一种SOE信息收集算法的设计与实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200386

作者：荆宇辰1，张元岩2

作者单位：1.哈尔滨工业大学(威海) 计算机科学与技术学院，山东威海264209； 2.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所，北京100083

摘要：事件顺序记录(Sequence Of Event，SOE)在DCS分布式控制系统中用于分析生产过程中的停机故障，从而获取事故原因。设计了一种SOE信息的采集方法，分别介绍了系统总体结构设计、软件部署、控制器通信软件与上位机软件的通信、模板采集软件设计、时统系统设计，着重介绍了时间标签的算法实现以及跳变测点的定位。该系统实时性高、算法合理，已经广泛应用于电力工业领域。

关键词：
SoE

分布式控制系统

时间标签

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基于视觉的连接器特征辨识

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191427

作者：乔景慧，赵校伟，何鑫达

作者单位：沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳110870

摘要：单目视觉识别系统中，工件的高度不同会导致测量直径尺寸的误差。通过单目相机识别图像的高度特征信息与直径特征信息，完成工件的准确测量识别。提出了一种工件多特征组合辨识的方法识别连接器。通过识别工件中心以及对工件所形成的阴影在指定的测量方向进行阴影长度测量，通过工件的高度和直径两个特征元素，识别工件的尺寸及类型。采用形态学闭运算对图像处理，而后获取工件的中心。在测量的方向上采用Halcon封装的边缘检测算法检测到亚像素边缘，而后处理获得阴影的长度尺寸。再根据组合特征确定工件类型。实验表明，所提出的工件多特征组合辨识的方法能够准确识别工件的特征，此方法能够准确区分不同工件，完成自动化生产的辨识工作。

关键词：
单目视觉

连接器

工件特征识别

形态学闭运算

Halcon

查看(12576)

嵌入式技术

基于同步Buck电路的小功率电子负载设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200389

作者：梁伟，杨春玲，朱敏，张岩

作者单位：哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨150001

摘要：为满足实验室电源测试的需要，设计了一种基于同步Buck电路的小功率电子负载，分为主电路和控制电路两部分。提出一种基于同步Buck电路的改良的主电路结构，为了实现负载的连续变化，采用数字PID控制，根据主电路小信号数学模型计算出PID参数范围。针对所提出的电子负载设计方案制作了实物电路板，研究表明设计出来的电子负载能够长时间稳定运行，符合设计要求。

关键词：
电子负载

同步Buck电路

控制电路

PID控制

查看(13454)

基于嵌入式的六自由度并联机构控制系统设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200365

作者：许新建，胡自飞，周建瑜，程江涛，谢强

作者单位：武汉摩鸣科技有限公司，湖北武汉430000

摘要：针对采用PLC方案控制六自由度并联机构时现场装配走线复杂、整体体积较大等缺点，设计了一种基于嵌入式的六自由度并联机构控制系统。该系统以STM32F407ZE与PCL6045BL为核心芯片，其运动控制模块可实现电动缸运动指令的生成以及伺服电机编码器和行程开关等传感器的信号采集与处理，并引入PID算法来提高控制精度。结果表明，系统运行稳定，控制精度高，装配体积小。

关键词：
嵌入式

六自由度

并联机构

运动控制

查看(12510)

电路与系统

便携式脉冲涡流热成像电源系统设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200508

作者：张廷尧，王晓娜，侯德鑫，叶树亮

作者单位：中国计量大学工业与商贸计量技术研究所，浙江杭州310018

摘要：为实现脉冲涡流热成像技术应用于现场检测，针对锂电池单独供电存在功率低、电压小等问题，设计了一种基于“锂电池+超级电容”复合电源技术的便携式电源系统方案。通过超级电容的充放电实现功率变换，采用DC/DC变换器实现电压转换，实现锂电池的高效利用。首先分析了脉冲涡流热成像电源需求，介绍了电源拓扑结构并搭建了便携式电源系统，之后详细分析了系统开关控制策略，最后对其性能进行测试并通过裂纹检测实验验证了便携式电源的实用性。结果表明：该便携式电源系统额定功率可达1.5 kW，重量在10 kg以内，满足脉冲涡流热成像对便携式电源的初步需求。

关键词：
脉冲涡流热成像

便携式

锂电池

超级电容

DCDC变换器

查看(13832)

基于混沌系统的伪随机数发生器设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200596

作者：蔚艳文1，李震1，2，李良荣1

作者单位：1.贵州大学大数据与信息工程学院，贵州贵阳550025；2.贵州省公共大数据重点实验室，贵州贵阳550025

摘要：伪随机数发生器广泛应用于信息安全领域，基于超混沌Lorenz系统和斜帐篷映射提出一种伪随机数发生器。首先利用超混沌Lorenz系统迭代产生4路伪随机序列{S1，S2，S3，S4}，并以每8位为一个分组；然后利用斜帐篷映射迭代产生1个伪随机序列Ss用于数据选择；最后通过Ss序列值选择{S1，S2，S3，S4}序列中的一个为该8位的输出，继而产生伪随机序列输出。设计方案的输出结果通过了NIST的SP800-22 rev1a的全部随机性检验，并用图像加密测试证明其具有良好的随机性。