2021年第02期-《电子技术应用》杂志

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2021年第02期

刊出日期：2021-02-06

邮发代号： ISSN 0258-7998

CN11-2305/TN

邮发代号：2-889

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综述与评论

5G终端天线结构设计综述

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200783

作者：赵张源，朱灿焰

作者单位：苏州大学轨道交通学院，江苏苏州215000

摘要：主要介绍5G天线的现状，展示了近十年来几种主流的智能终端天线的设计方式，以MIMO天线、频率可重置天线和缝隙天线为主，阐述了它们的工作模式、原理和相应优缺点，并对天线设计中去耦合和带宽拓展两个重要技术做了详细介绍，最后对未来5G天线的发展趋势和可能改进进行了展望。

关键词：
5G

MIMO天线

缝隙天线

频率可重置天线

去耦合

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TSV可靠性综述

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200767

作者：王硕1，马奎1，2，杨发顺1，2

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.半导体功率器件可靠性教育部工程研究中心，贵州贵阳550025

摘要：对硅通孔(Through Silicon Via，TSV)技术的可靠性进行了综述，主要分为三个方面：热应力，工艺和压阻效应。TSV热应力可靠性问题体现在不同材料之间的热膨胀系数差异较大，过大的热应力可能导致界面分层和裂纹;TSV工艺可靠性体现在侧壁的连续性以及填充铜的质量;有源区中载流子的迁移率会受到TSV热应力的影响。在TSV周围规定一个保持区域(Keep-Out Zone，KOZ)。KOZ设置为载流子迁移率不超过5%的区域。当载流子迁移率超过5%，可能会导致电路的时序被破坏，使集成电路失效。

关键词：
TSV

KOZ

热应力

热膨胀系数

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人工智能

一种基于鸽群优化算法的入侵检测技术

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200420

作者：王康，霍朝宾，李青旭

作者单位：华北计算机系统工程研究所，北京100083

摘要：群体智能在解决非确定性多项式(NP)问题或搜索空间过大的问题时有着显著优势。将鸽群优化(Pigeon Inspired Optimization，PIO)算法应用于入侵检测系统的特征选择中。提出基于Sigmoid的PIO(SPIO)和基于Cosine余弦相似度的PIO(CPIO)算法对入侵检测数据集KDDCUP99进行特征选择，并用机器学习的方法进行实验，建立模型并评估结果。

关键词：
PIO

KDDCUP99

机器学习

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融合多特征TFIDF文本分析的汽车造型需求提取方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200488

作者：季曹婷，马伟锋，楼姣，马来宾

作者单位：浙江科技学院信息与电子工程学院，浙江杭州310023

摘要：针对汽车造型智能设计领域中如何有效提取用户需求的问题，提出一种融合多特征TFIDF(词频-逆向文件频率)文本分析的汽车造型需求提取方法。首先，通过基于互信息与边界自由度获取大量未登录的专业词汇，优化和修正简单分词后的词汇；然后针对经典TFIDF算法的局限性，引入词汇特征因素与情感特征因素，获取用户需求特征候选集；最后根据设定的阈值得到有效的用户需求。实验结果表明，融合多特征TFIDF文本分析算法在特征提取方面有一定优势，能有效提取文本中关于汽车造型的用户需求。

关键词：
汽车造型

用户需求分析

关键词提取

TFIDF

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微电子技术

二值VGG卷积神经网络加速器优化设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201207

作者：张旭欣，张嘉，李新增，金婕

作者单位：上海工程技术大学电子电气工程学院，上海201600

摘要：基于FPGA的二值卷积神经网络加速器研究大多是针对小尺度的图像输入，而实际应用主要以YOLO、VGG等大尺度的卷积神经网络作为骨干网络。通过从网络拓扑、流水线等层面对卷积神经网络硬件进行优化设计，从而解决逻辑资源以及性能瓶颈，实现输入尺度更大、网络层次更深的二值VGG神经网络加速器。采用CIFAR-10数据集对基于FPGA的VGG卷积神经网络加速器优化设计进行验证，实验结果表明系统实现了81%的识别准确率以及219.9 FPS的识别速度，验证了优化方法的有效性。

关键词：
优化设计

二值卷积神经网络

FPGA加速器

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测控技术与仪器仪表

基于TGAM的无线脑电监测系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200567

作者：丛林，马进，胡文东，程珊，张太辉

作者单位：空军军医大学航空航天医学系，陕西西安710032

摘要：针对飞行人员日常模拟训练时监测装置便携式、无线化的特殊要求，设计并实现了一种基于脑波模块TGAM的无线脑电监测系统。采用Nordic 2.4G超低功耗无线平台，实现了采集设备与监测电脑之间的无线传输。系统具有低功耗、小型化、易使用的特点，可实时监控飞行员模拟训练期间的脑电图并反馈专注度和冥想度指标。

关键词：
TGAM

无线传输

脑电图

监测

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基于物联网技术的智慧工地

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200349

作者：崔志诚，马胜

作者单位：河北华北石油工程建设有限公司电气仪表工程分公司，河北任丘062552

摘要：调查石油管道工程工地管理现状，对现阶段工地管理问题进行分析并明确了突出问题，同时得到了工地管理需求，以需求为依据，结合物联网、云计算、大数据、人工智能及BIM等前沿技术构建了智慧工地架构，实现了数据的自动采集处理、施工过程可视化、施工过程实时监测和各参与方协同作业。通过云计算、大数据技术对数据进行整合、存储、分析、挖掘，辅助管理者决策，利用BIM模型集成各类信息，协同多方人员工作，实现工程目标集成管理，转变现有工地管理模式，推进现有工地逐步迈向标准化、科学化、智慧化。

关键词：
物联网

石油管道工程

智慧工地

架构

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基于物联网技术的宠物防丢可穿戴设备系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200125

作者：夏伦腾1，2，3，张莉1，2，3，吴飞1，2，3

作者单位：1.中南民族大学生物医学工程学院，湖北武汉430070； 2.中南民族大学检测与仪器校级工程中心实验室，湖北武汉430070； 3.中南民族大学脑认知国家民委重点实验室，湖北武汉430070

摘要：为解决宠物丢失、找回困难的问题，提出了一种基于物联网技术宠物防丢可穿戴设备的设计。该系统近距离内，通过低功耗蓝牙4.2模块实现手机微信小程序控制播放可穿戴设备的音乐以及点亮炫彩LED灯，提示宠物所处的位置,同时可以借助语音识别模块，使用唤醒词唤醒系统，用户说出二级关键词也可完成上述操作。在蓝牙信号范围之外，在微信小程序查看宠物可穿戴设备上GPS+GPRS定位模块采集的定位及速度信息。实验结果表明，该设计系统功能完善，微信小程序端蓝牙控制距离达到80 m，可穿戴设备GPS定位精度误差控制在2 m以内，语音识别功能稳定性良好，能够帮助主人及时寻找和控制宠物，避免宠物丢失造成的安全隐患和财产损失。

关键词：
物联网

可穿戴设备

蓝牙4.2

语音识别模块

GPS+GPRS定位模块

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通信与网络

MAX9814芯片在MFSK水声通信抗幅度衰落中的应用

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.201098

作者：李爽1，2，3，邱逸凡1，2，3，童峰1，2，3

作者单位：1.厦门大学水声通信与海洋信息技术教育部重点实验室，福建厦门361005； 2.厦门大学海洋与地球学院，福建厦门361005；3.厦门大学深圳研究院，广东深圳518000

摘要：在集群海洋观测、海洋物联网(IoT)等应用对低成本、小尺寸水声通信设备的需求日益广泛。低复杂度、高可靠性的多进制移频键控（MFSK）调制提供了一种有效的技术方案。针对水声信道恶劣时-空-频变特性给MFSK水声通信带来的严重幅度衰落，采用芯片MAX9814带有的自动增益控制功能对MFSK水声通信进行抗衰落处理，具有小尺寸、高集成的特点。浅海信道海试实验结果表明，采用MAX9814芯片够有效地抑制水声信道所造成的幅度衰落，改善水声通信性能。

关键词：
频率选择性衰落

MAX9814

抗衰落处理

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面向移动边缘计算基于强化学习的计算卸载算法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200920

作者：杨戈1，2，张衡1

作者单位：1.北京师范大学珠海分校智能多媒体技术重点实验室，广东珠海519087； 2.北京大学深圳研究生院深圳物联网智能感知技术工程实验室，广东深圳518055

摘要：针对移动边缘计算(Mobile Edge Computing，MEC)的计算卸载决策的问题，基于强化学习方法提出了一个在多用户的MEC系统中的计算卸载决策算法(Offloading Decision algorithm based on Reinforcement Learning，ODRL)。ODRL算法根据任务模型、计算模型以及信道状态对任务进行卸载决策，采用强化学习方法求解最优计算卸载策略。仿真结果证明了所提出的ODRL算法与基线策略相比，具有更低的系统总成本。

关键词：
移动边缘计算

计算卸载

强化学习

Q-learning

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计算机技术与应用

基于树莓派的智能“魔镜”设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200183

作者：潘志倩

作者单位：中国传媒大学互联网信息研究院，北京100024

摘要：随着物联网技术的发展，智能家居领域快速崛起，拥有着美好的发展前景。智能家居产业下智能“魔镜”系统的设计与实现，旨在丰富优化居家生活品质，提升居家环境品味。智能“魔镜”以基于Linux环境的树莓派为硬件平台，采用了物联网三层架构设计，通过感知层的硬件设备进行信息获取采集，网络层的HTTP/2调用云端API接口等通信技术进行数据传输和交换，并由应用层的云计算技术对采集到的信息和数据进行分析处理并反馈。该智能“魔镜”系统经设计与实现后，运行稳定，能较好实现主界面信息展示、语音交互功能、实时监控功能等基本功能。

关键词：
树莓派

物联网

智能家居

语音交互

实时监控

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基于Android端MVP模式和响应式网络框架的设计与实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200224

作者：李想1，2，特日根1，2，3

作者单位：1.长光卫星技术有限公司，吉林长春130000；2.吉林省卫星遥感应用技术重点实验室，吉林长春130000； 3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130000

摘要： MVC(Model-View-Controller)模式是Android应用开发的传统方式(用Activity/Fragment表示Controller层，用XML文件表示View层)，随着项目的页面增多，逻辑复杂度提升，将使Activity文件变得臃肿，代码耦合度明显提高，不利于项目后期的升级和维护。通过对传统MVC开发模式与主流MVP(Model-View-Presenter)开发模式进行研究和比较，发现MVP开发模式能够更好地解决上述问题。同时，官方HttpURLConnection类对于HTTP网络请求的效率无法满足业务需求，而Retrofit2+OkHttp3+RxJava2的响应式网络请求框架具有更高的响应效率。以《长光卫星云极视》项目为背景，研究并验证MVP模式和Retrofit2+OkHttp3+RxJava2的响应式网络请求框架结合的可行性。

关键词：
MVP模式

Retrofit

OkHttp

RxJava

响应式

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基于ROS的自主家庭陪伴机器人设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200209

作者：李建勇，赵静，刘雪梅，李雪霞

作者单位：西北工业大学明德学院，陕西西安710124

摘要：针对目前留守儿童、空巢老人以及行动不便之人缺乏陪伴的问题，设计了一种自主家庭陪伴机器人。基于机器人操作系统(ROS)架构，首先以Jetson TX1为核心搭建了自主移动的家庭陪伴机器人，然后进行软件设计，使其不仅能与人进行自然语言交流，还能使用眼部表情和仿人上肢进行肢体交流，以及通过用户界面(UI)实现人机互动等工作。经实物测试，验证了该机器人设计的合理性，能满足日常家庭的陪伴工作，并可对其继续开发以胜任更多工作。

关键词：
家庭陪伴机器人

ROS

自然语言

肢体交流

UI

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基于分割的自然场景下文本检测方法与应用

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200316

作者：陈小顺，王良君

作者单位：江苏大学计算机科学与通信工程学院，江苏镇江212013

摘要：自然场景文本检测识别在智能设备中应用广泛，而对文本识别的第一步则是对文本进行精确的定位检测。对于现有像素分割方法PixelLink中存在的弯曲文本定位包含过多背景信息、检测图像后处理不足两个主要问题提出改进。引入特征通道注意力机制，关注生成特征图中特征通道间的权重关系，提升检测方法的鲁棒性。接着改变公开数据集标注形式，将坐标点表示为一串带有方向的序列形式，在LSTM模型中进行多边形框的学习与框定。最后在公开数据集和自建数据集上进行文本检测测试。实验表明，改进的检测方法在各数据集中表现优于原方法，与当前领先方法精度相近，能够在各个环境中完成对文本的检测功能。

关键词：
像素分割

注意力机制

LSTM

自然场景文本检测

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基于改进型OFB模式的视频流加密方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191345

作者：范晶，贾旭光

作者单位：华北计算机系统工程研究所，北京100083

摘要：介绍了一种新型的视频流加密系统设计方法，并结合无线通信中常用的交织技术，提出了一种新型的密钥分发管理机制和改进型OFB加密工作模式。提出的加密方法保留了TS包结构，硬件实现简单，协议开销小，安全性高，适用于AES和SM4等加密算法，可以广泛应用于无线图像传输及数字电视广播系统中。

关键词：
OFB

TS流

加密

密钥分发

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嵌入式技术

基于Zynq的视频实时拼接系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200806

作者：陈子为，陈龙，朱美吉，苏鲁阳

作者单位：成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610225

摘要：针对目前视频拼接系统实时性不高、拼接效果不理想、成本高等问题，对传统的ORB算法进行了改进，并采用软硬件协同设计的方法,在Zynq平台上实现了一款视频实时拼接系统。该系统利用Zynq的PS搭建嵌入式Linux系统，进行用户界面开发，实现任务调度；利用Vivado HLS工具将改进的视频拼接算法进行硬件加速并部署到Zynq的PL中。实验结果表明，该视频拼接系统拼接后的图像清晰度高、无拼接缝隙，而且基于Zynq和改进ORB算法的视频拼接方案使视频拼接速度获得到了很大的提升，满足实时性的要求。

关键词：
Zynq

视频拼接

ORB算法

HLS

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基于FPGA的暗通道白平衡算法设计与实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200824

作者：王超，甄国涌，单彦虎

作者单位：中北大学电子测试技术国家重点实验室，山西太原030051

摘要：为确保系统实时性以及解决完美反射法在曝光环境中失效的问题，提出一种基于FPGA的暗通道自动白平衡校正算法。通过彩色图像暗通道光线透射率分布情况，选取参考像素点实现偏色像素点自动白平衡校正。实验结果表明，暗通道自动白平衡算法使用FPGA校正可以满足整个系统的实时性要求和消除过度曝光环境影响；同时可以使其有效应用于动态场景中。

关键词：
自动白平衡

暗通道

完美反射法

FPGA

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基于片外Flash编程加载的无线充电SoC系统的设计与实现

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200735

作者：徐圣楠1，傅桂娥1，2，王维3，张一晋1

作者单位：1.南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏南京210094；2.南京睿赫电子有限公司，江苏南京210018； 3.中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏南京211100

摘要：无线充电技术能使充电器摆脱线路的束缚，实现电源和电器完全分离，相较于传统充电具有更佳的灵活性和安全性。尽管如此，目前市场上的无线充电器普遍价格昂贵，不利于推广，因此急需成本低且充电性能良好的无线充电系统走进人们的生活。研究了基于片外Flash编程加载的无线充电SoC系统，提出该系统的设计和实现方法，总结该无线充电系统在应用中存在的看门狗复位及低功耗问题，并且提出了相应的解决方案。实验结果表明，该无线充电SoC系统在价格低廉的优势下能够满足小型化、低功耗的设计要求，并且具有优异的无线能量传输性能。

关键词：
无线充电

SOC

片外Flash

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电路与系统

高功率密度超薄开关电源设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200863

作者：于广，李凤坤，田华

作者单位：大连东软信息学院智能与电子工程学院，辽宁大连116023

摘要：平面变压器具有体积小、漏感低、转换效率高、散热性能好等优势，平面变压器设计方案很适合超薄开关电源的设计。以反激变换器为主电路，以SG6742为主控芯片，采用平面变压器研制了一台19.8 V/(2.31 A)高功率密度，超薄开关电源，给出了变压器的参数选择和平面变压器的PCB设计。电路测试结果表明该反激式电源具有88 V～264 V的宽输入电压，输出电压纹波小,在宽电压输入范围下效率大于87%。

关键词：
开关电源

反激变换器

平面变压器

高功率密度

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基于FPGA的卷积神经网络并行加速器设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200858

作者：王婷，陈斌岳，张福海

作者单位：南开大学电子信息与光学工程学院，天津300350

摘要：近年来，卷积神经网络在许多领域中发挥着越来越重要的作用，然而功耗和速度是限制其应用的主要因素。为了克服其限制因素,设计一种基于FPGA平台的卷积神经网络并行加速器，以Ultra96-V2 为实验开发平台，而且卷积神经网络计算IP核的设计实现采用了高级设计综合工具，使用Vivado开发工具完成了基于FPGA的卷积神经网络加速器系统设计实现。通过对GPU和CPU识别率的对比实验，基于FPGA优化设计的卷积神经网络处理一张图片的时间比CPU要少得多，相比GPU功耗减少30倍以上，显示了基于FPGA加速器设计的性能和功耗优势，验证了该方法的有效性。

关键词：
并行计算

卷积神经网络

加速器

流水线

查看(11054)

用于单兵手持式终端的平面化四天线系统设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200672

作者：周文辉

作者单位：91404部队43分队，河北秦皇岛066000

摘要：以目前单兵手持终端的小型化、高集成度需求为应用牵引，围绕基于单兵手持终端天线系统的平面化集成设计展开研究。针对目前单兵手持终端天线系统独立封装、集成度低的问题，研制了包含收发自组网、卫星导航及卫星通信四个天线的平面化天线系统，采用平面印刷单极子代替具有三维结构的收发自组网天线，采用线极化的水平偶极子替代常用的三维圆极化螺旋天线。仿真和实测结果表明，该平面化四天线系统可以实现自组网频段内的水平全向的覆盖，在卫星导航及通信频段内可以覆盖上半空间，可被用于单兵手持终端设备中以提高设备的集成度。

关键词：
手持式终端

四天线系统

平面化

高集成度

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光电子与激光

基于FPGA的PPM调制解调系统设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.200984

作者：侯欢，施洪生

作者单位：北京交通大学电气工程学院，北京100044

摘要：针对旋转件参数的测试及传输，提出了一种基于FPGA红外数据传输的PPM调制解调系统的设计，并且在数据传输过程中加入了CRC校验，增加了数据传输过程的准确性。设计采用了Altera(Intel)的Cyclone10系列的10CL016YU256C8芯片，具有高速、高带宽、高容量等特点，适用于高速数据通信。通过Quartus II开发平台，用Verilog HDL硬件描述语言编写相应的调制、解调以及CRC校验程序。介绍了4PPM调制、解调的算法，以及CRC-CCITT校验码的算法，并通过Modelsim对系统进行了时序仿真，仿真结果验证了设计的正确性。