2024年第02期-《电子技术应用》杂志

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2024年第02期

刊出日期：2024-02-06

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

量子信息技术与区块链的融合模式研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234253

作者：吴嘉杰1，于春霖1，李琴2，周朋1，陈岳1，曹希1，吕启闻1，赵童格1，张鲁峰1，李璇1

作者单位：1.中国长城科技集团股份有限公司中国长城研究院，广东深圳 518057； 2.湘潭大学计算机学院•网络空间安全学院，湖南湘潭 411105

摘要：区块链与量子信息技术是近年来兴起的前沿科学技术，受到了业界广泛的关注与研究。其中区块链具有去中心化性质，以区块链为核心技术的应用在金融科技、物联网、民生与政治等诸多领域相继涌现。量子信息技术主要分为量子计算、量子通信、量子测量。其中量子计算的研究主要体现在相较于经典计算的计算优越性，量子计算的运行速度已被证明在解决某些复杂问题上远超经典计算。而在两者迅猛发展的同时，相互之间也存在亟需解决的问题。由于区块链采用的部分经典密码学技术已被证明会被量子计算破解，例如基于非对称密码体制的数字签名，导致区块链的安全受到威胁。针对此问题，已有研究表明，将量子信息技术应用于区块链，可以保护其不受量子攻击。以区块链与量子信息技术相结合为出发点，通过介绍区块链和量子计算的基本结构，以及分析区块链遭受的量子挑战并总结现有的量子解决方案，指出区块链和量子信息技术的融合可以促进区块链在量子时代良好地发展，而这也是不可阻挡的趋势。

关键词：
量子信息技术

量子计算

区块链

量子区块链

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确定性网络技术研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234299

作者：高方方1，陈焱1，刘美慧2，沈彬3，徐启宸3

作者单位：1.深圳中广核工程设计有限公司，广东深圳 518100；2.北京邮电大学，北京 100876；3.中国信息通信研究院，北京 100191

摘要：随着新兴应用的不断涌现，越来越多的业务需要低时延、低抖动地进行可靠传输，尤其在工业场景中，接入网络设备数量激增，网络朝着大规模、复杂化的方向发展，如何保障其中关键数据流的确定性交付成为研究的重点。确定性网络技术由于其低时延、低抖动、低丢包率、确定性带宽、高可靠传输等特性受到了广泛关注，在车载、能源及工业自动化等领域有着良好的应用前景。对当前的确定性网络关键技术进行了阐述，介绍了两种不同场景下的确定性网络融合部署解决方案，最后对确定性网络技术走向实际应用所面临的挑战进行了分析。

关键词：
确定性网络

时间敏感网络

5G确定性网络

融合部署

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人工智能

基于贝塞尔曲线的智能汽车避障轨迹规划方法研究

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234472

作者：曹昌盛1，曹昊天2

作者单位：1.国电南瑞南京控制系统有限公司，江苏南京 210000；2.湖南大学机械与运载工程学院，湖南长沙 410082

摘要：开展了一种基于贝塞尔曲线的智能汽车避障局部轨迹规划，即路径规划和速度规划方法研究。路径规划时，为了适应各种形状道路，将道路笛卡尔坐标转换为Frénet坐标，以路径的长度、曲率和连续性，以及车辆碰撞风险为代价函数，其中引入危险势场理论，描述车辆碰撞风险，并采用序列二次规划方法来求解路径规划这一非线性优化问题；速度规划时，以行车效率和舒适性为目标，实现速度规划，该方法可以通过调整各子目标函数的权重来满足不同驾驶需求。为了验证基于贝塞尔曲线轨迹规划算法的有效性，设计了直道和弯道上静态和动态避障场景的仿真实验，结果表明，提出的轨迹规划方法能够在各种形状道路上完成避障任务，且避障过程中车辆状态变化平稳，能够保证乘坐舒适性。

关键词：
智能汽车

贝塞尔曲线

危险势场

避障

局部轨迹规划

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基于词汇增强和表格填充的中文命名实体识别

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.233939

作者：褚天舒1，唐球1，梁军学2，徐睿1，王明阳2，刘涛2

作者单位：1.华北计算机系统工程研究所，北京 100083；2.中国人民解放军93216部队，北京 100085

摘要：中文命名实体识别主要包括中文平面命名实体识别和中文嵌套命名实体识别两个任务，其中中文嵌套命名实体识别任务难度更大。提出了一个基于词汇增强和表格填充的统一模型TLEXNER，该模型能够同时处理上述任务。该模型首先针对中文语料分词困难的问题，使用词典适配器将词汇信息融合到BERT预训练模型，并且将字符与词汇组的相对位置信息集成到BERT的嵌入层中；然后通过条件层归一化和双仿射模型构造并预测字符对表格，使用表格建模字符与字符之间的关系，得到平面实体与嵌套实体的统一表示；最后根据字符对表格上三角区域的数值判断实体类别。提出的模型在平面实体的公开数据集Resume和自行标注的军事领域嵌套实体数据集上F1分别是97.35%和91.96%，证明了TLEXNER模型的有效性。

关键词：
词汇增强

中文命名实体识别

表格填充

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微电子技术

金属封装微系统内部高压击穿和爬电问题的点云分析方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234255

作者：王辂，柏晗，曾燕萍，丁涛杰

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214000

摘要：面对金属封装高压隔离微系统内部潜在的击穿和爬电风险，结合高精度建模和图论思想建立一种新的可靠性分析方法，为产品的设计和测试提供有力保障。首先，将微系统三维模型转化为点云模型，经滤波和曲面重构形成可计算的数值模型；之后，根据几何特征和物理关系，将表面爬电问题和击穿问题分别等效为测地路径和欧氏路径的计算；并根据微系统布局方式优化Dijkstra算法，计算封装后的击穿和爬电路径；最终，参考实验标准判断产品风险等级。对照实验结果与计算匹配，精度理想，表明该方法对微系统相关问题的有效性。

关键词：
微系统

点云分析

Dijkstra算法

击穿现象

爬电现象

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一种适用于SHE规范的安全加密电路设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234221

作者：史兴强1，刘梦影2，王芬芬2

作者单位：1.中国电子科技集团第五十八研究所，江苏无锡 214035；2.中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072

摘要：为加强汽车系统信息安全的防御能力，设计了一种适用于安全硬件扩展（Secure Hardware Extensions， SHE）规范的安全加密电路。该电路设计了高级加密标准（Advanced Encryption Standard， AES）算法模块、SHE指令执行有限状态机以及指令和密钥的存储控制接口。仿真结果表明，该安全加密电路具有严格的访问权限，支持硬件密钥管理，保护密钥免受软件攻击，具有运算隔离保护措施，提高了系统的安全性和机密性。

关键词：
信息安全

安全硬件扩展

AES

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测控技术与仪器仪表

基于JTAG接口的多通道测试系统设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234124

作者：杨井胜

作者单位：中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230031

摘要：为了实现雷达数字接收机的自动采集与分析，通过电路的JTAG接口和Quartus软件的SignalTap功能，将数字IQ数据进行采集和存储，经过嵌入式MATLAB的组合封装和LabVIEW测试算法的通用化分析，实现了多通道数字化接收机性能指标的便捷化测试，提升了系统的自动测试效率。

关键词：
数字接收机

JTAG

自动采集

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风力发电机组高强度螺栓的疲劳预测

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234355

作者：郑启山1，朱少红1，陈长红1，常海青2，晏锡忠1，魏晨曦1

作者单位：1.福建国电风力发电有限公司，福建福州 350014；2.厦门理工学院，福建厦门 361024

摘要：风力发电机组法兰盘和叶根轮毂处通过高强度螺栓进行连接，大多数风力发电机塔筒发生倒塌就是连接螺栓疲劳所导致的。为了减少此类塔筒倒塌事故的发生，提出了一种新的螺栓疲劳损伤分析和预测方法。针对2.0 MW风力发电机组的高强度连接螺栓，采用超声探头和温度传感器采集螺栓数据，获得螺栓随机应力谱；然后基于雨流计数法和Goodman公式修正应力谱，提取应力循环数据；最后基于螺栓材料S-N曲线和Miner线性累计损伤理论，构建螺栓疲劳预测模型。实验结果表明，所估算的螺栓疲劳损伤远小于螺栓疲劳极限，满足风力发电机组的设计寿命要求。

关键词：
风力发电机组

高强度螺栓

S-N曲线

Miner理论

疲劳预测

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基于主轴电机电流信号的表面粗糙度检测

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234208

作者：刘雪杰，李国富，任潞

作者单位：宁波大学机械工程与力学学院，浙江宁波 315211

摘要：针对表面粗糙度不能及时检测造成的工件浪费问题，首次提出根据主轴电机电流信号进行表面粗糙度检测分类。通过实验采集不同表面粗糙度加工时的主轴电机电流信号，采用小波包分解将电流信号分解成不同频段，借助能量特征和裕度因子对不同频段电流信号进行评估，过滤低相关性频段，再通过随机森林筛选特征，降低特征的冗余性。总谐波失真特征实现了积屑瘤检测，仅依赖构建的电流信号特征工程表面粗糙度检测准确率高达95%以上，并且检测时间在2 s以内，基本实现了工件表面粗糙度的快速准确检测。

关键词：
主轴电机电流信号

小波包分解

随机森林

总谐波失真

表面粗糙度

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计算机技术与应用

单极性ADC静态参数的测试方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234474

作者：朱清，韦凯，陶青平

作者单位：中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡 214035

摘要：模数转换器（ADC）的静态指标包括微分非线性（DNL）和积分非线性（INL），测量静态参数的主要方法为码密度直方图法。传统的码密度直方图法对输入正弦波的幅值的计算精度有较高的要求，提出了一种基于码密度直方图的归一化处理的平台方案。根据测试要求，选取符合要求的测试激励幅值输入，从而对归一化处理后的方案有效性进行验证。实验结果表明进行归一化处理降低了正弦波幅值的变化对于码密度直方图法的影响，提高了码密度直方图法测试的稳定性。

关键词：
模数转换器

微分非线性DNL

积分非线性INL

码密度直方图

归一化

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基于体硅MEMS工艺的射频微系统冲击特性仿真研究*

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234326

作者：冯政森1，王辂1，曾燕萍1，杨兵1，祁冬2，王志辉2，张睿2

作者单位：1.中国电子科技集团公司第五十八研究所，江苏无锡214035；2.中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都610036

摘要：高过载冲击试验成本高、周期长，同时失效检测手段较少，难以定位结构薄弱点。针对体硅工艺MEMS（Micro-electromechanical System）射频微系统，采用冲击响应谱与瞬态动力学方法，研究板级与试验条件下的高冲击载荷响应。仿真结果表明，该射频微系统能够承受高冲击过载，仿真结果可提前预判结构失效点，提高产品抗冲击可靠性。

关键词：
体硅MEMS

射频微系统

冲击

响应谱

瞬态动力学

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基于弧度特征的火箭时序数据相似性评估

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234350

作者：曾腾1，2，徐海洲3，李林峰1，周淦1，孟令刚1

作者单位：1.华北计算机系统工程研究所，北京 100083；2.西安电子科技大学计算机科学与技术学院，陕西西安 710071； 3.西安邮电大学计算机学院，陕西西安 710061

摘要：评估火箭时序数据的相似性是火箭时序数据分析的主要任务之一。动态时间规整算法是最具代表性的相似性度量算法，但由于其容易发生病态对齐现象，时刻点常被算法错误匹配，导致度量精度难以满足要求。为解决该问题，提出一种基于弧度特征的时序数据相似性评估算法。该算法充分考虑了原始时序特征和弧度特征，并采用时刻邻域信息进行计算，极大地提升了算法对序列局部形状的捕捉能力。将算法用于时间序列分类任务，在9个具有火箭数据类似特征的数据集上与4种相似度度量进行了对比，获得了26.04%以上的分类精度提升，证明了算法的有效性。

关键词：
火箭时序数据

动态时间规整

时间序列相似度

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基于深度自编码器的智能电网窃电网络攻击异常检测

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234395

作者：黄燕1，李金灿1，杨霞琴2，李佩2，李梓3

作者单位：1.广西电网有限责任公司，广西南宁 530023；2.广西电网有限责任公司南宁供电局，广西南宁 530000； 3.广西电网有限责任公司梧州供电局，广西梧州 543002

摘要：现有AMIs中的异常检测器存在浅层架构，难以捕获时间相关性以及电力消耗数据中存在的复杂模式，从而影响检测性能。提出基于长短期记忆（LSTM）的序列对序列（seq2seq）结构的深度（堆栈）自编码器。自动编码器结构的深度有助于捕获数据的复杂模式，seq2seq LSTM模型可以利用数据的时间序列特性。研究了简单自编码器、变分自编码器和注意自编码器（AEA）的性能，得出在这3种自编码器采用seq2seq结构时检测性能优于全连接结构。仿真结果表明，带有注意力机制的检测器（AEA）检出率和虚警率分别比现有性能最好的检测器高4%~21%和4%~13%。

关键词：
自动编码器

深度机器学习

窃电

超参数优化

序列到序列seq2seq

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射频与微波

W频段固态气密功率放大器设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.233968

作者：余小辉，冯思润，马战刚

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 050000

摘要：针对3 mm频段功率合成的需要，基于波导气密结构设计了一种8合1放大器，实现了W波段瓦级的功率输出。利用硅基芯片实现了模块的气密，创新地解决了W频段波导的气密需求。本合路结构基于波导合路原理，并对内部结构进行了电磁分析。而后使用高频仿真软件进行了建模、仿真，对比分析仿真结果与实物测试结果，表明该W频段基于波导气密结构的功率合成放大器的指标可满足设计要求。

关键词：
气密波导

功率合成器

电磁场

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小型化低剖面全向滤波天线设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234361

作者：王丽黎1，2，徐亚妮1，高智勇1，张衡1

作者单位：1.西安理工大学自动化与信息工程学院，陕西西安 710048； 2.西安市无线光通信与网络研究重点实验室，陕西西安 710048

摘要：设计了一个小型化全向微带滤波天线。天线由带通滤波器和微带天线组成，二者共用一个地平面以减小尺寸且采用缝隙耦合方式连接，带通滤波器蚀刻在微带贴片天线的馈线位置处，引入选频滤波功能，在输入馈线前端添加一个横向矩形贴片使整个系统达到良好的阻抗匹配。与传统的微带天线相比，所设计的滤波天线在不改变尺寸大小的基础上引入了选频滤波功能，在通带边缘体现出较高的选择性。仿真与测试结果表明，该滤波天线的阻抗带宽为2.31 GHz~2.56 GHz，且通带内增益平缓，平均增益约为2.1 dBi，在工作频段内呈全向辐射特性。

关键词：
滤波天线

微带天线

小型化

全向天线

带通滤波器

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系留多旋翼无人机通信系统天线布局及仿真分析

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234360

作者：程晓洁，戴禹

作者单位：中国电子科技集团公司第七研究所，广东广州 510310

摘要：设计了一种适用于系留多旋翼无人机通信系统的天线布局，采用FEKO仿真软件进行了电磁兼容仿真分析，并进行了实装试飞。仿真及实测表明，该天线布局方式可适用于多旋翼无人机通信系统。

关键词：
系留多旋翼无人机通信系统

天线布局

隔离度

电磁兼容

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嵌入式技术

基于FPGA的高速模数转换器评估系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234033

作者：陈旻琦，邓岚清，杨琳韵

作者单位：中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214000

摘要：设计并验证了一种基于现场可编程逻辑阵列（FPGA）的高速模数转换器（ADC）评估系统。基于FPGA设计了底层逻辑，根据不同的测试指标控制ADC的信号采集和数据转换，将模拟输入信号转换为数据存储到FPGA的分布式存储器（Block RAM）中，通过用户数据报协议（UDP）将数据传输到电脑端的基于MATLAB开发的上位机，由电脑中央处理器（CPU）负责处理计算数据并输出测试结果到用户界面上。以一款16位、采样率100 MS/s的ADC为例，以该评估系统对ADC的各项参数指标进行测试和分析。实验结果表明，该系统可以实现高速、高精度ADC的测试和评估。

关键词：
FPGA

模数转换器

上位机

Matlab

以太网

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低成本惯性多冗余导航控制一体机设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234141

作者：牛志朝，任磊，贺韬，崔孟楠

作者单位：北京航天自动控制研究所，北京 100854

摘要：为了智能体的精确定位和定姿，实现其稳定运动控制，设计了一种低成本多惯性冗余导航控制一体机，给出了设计方法。稳压电路的开关电源MP2482DN和线性电源JW29300U-3.3V为一体机提供稳定5 V和3.3 V的较大功率电源；控制器STM32H7的SPI采用星形拓扑总线与3片六轴惯性芯片BMI088通信，2路TTL串口与差分卫星定位板双向通信，实现智能体定位和定姿；控制器STM32F4的CAN总线接口与智能体底盘双向通信，实现其运动控制，1路TTL串口实现与控制器STM32H7的双向通信；两控制器的网络接口与上位机组成无线局域网，实现数据交换和状态监控。整个系统具有功耗低、体积小、成本低、接口丰富的特点。

关键词：
惯性多冗余

定位和定姿

导航控制一体

低成本

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一种基于FPGA的eMMC寿命验证的方法

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234126

作者：虞亚君1，王小龙1，2，邵春伟1，2，郝国峰1，2，沈小波1，2

作者单位：1.无锡华普微电子有限公司，江苏无锡 214035；2.中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072

摘要：为满足测试eMMC存储颗粒的长时间读写性能要求，研究了一种基于FPGA的eMMC寿命验证方法。结合eMMC工作原理和High Speed DDR（双倍率）总线模式，详细设计出验证系统的核心组成部分。硬件采用FPGA（xc7a50tfgg484-1）芯片作为主控器，4片eMMC（FEMDRW064G-88A19）芯片作为验证对象。解析eMMC初始化配置方法，设计开放式读写模块，配合eMMC监控软件控制指令，完成4片180 000次块区域的循环读写，测试结果全部通过，读写均速达到31 MB/s。

关键词：
eMMC

寿命验证

HighSpeedDDR总线

FPGA

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电路与系统

一种用于频率驾驭系统的快速捕获锁相环设计

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234094

作者：常健，郭永刚，蔡志伟，王世伟，陆昉

作者单位：中国空间技术研究院兰州空间技术物理研究所，甘肃兰州 730000

摘要：锁相环是一种能够完成两个信号相位同步的负反馈控制系统，其滤波作用可以使其通频带很窄，且自动跟踪输入频率，因此锁相环常用于原子钟、频标驯服系统以及时间同步系统中，是通信、卫星导航以及电子测量系统的重要组成部分。锁相环中相位噪声和捕获时间是两个相互制约的指标，在减少锁相环捕获时间的同时抑制相位噪声是目前锁相环技术研究中的重要问题之一。针对这一问题，基于模拟锁相环的基本理论和构成，根据环路带宽和捕获时间的数学关系，设计出一种辅助捕获电路，并应用于铷铯组合钟的频率驾驭模块。此电路可根据检相输出信号动态调整环路滤波器的阻值以改变环路带宽，从而实现快速捕获。实验表明，所设计的快速捕获锁相环的捕获时间为5.71 ms@1 Hz，锁相环输出信号杂波抑制优于-90 dBc，谐波抑制优于-55 dBc。

关键词：
锁相环

相位噪声

捕获

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道路平整度检测多源数据高精度同步采集

DOI：DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234085

作者：陈小宇，陈雪磊

作者单位：华中师范大学物理科学与技术学院，湖北武汉 430079

摘要：随着使用年限增加，道路出现了不平整等路面损坏情况，急需一种快速、有效的道路平整度检测设备对道路进行检测。设计了一种道路平整度检测多传感器数据同步采集系统，以FPGA为控制核心，利用GPS输出的NEMA数据和高稳晶振建立高精度的时间基准，采用A/D采样的方式进行同步数据采集。为提高系统的抗干扰能力和数据采样的精度，传感器信号调理电路采用差分放大和抗混叠滤波设计。实验结果表明，该系统完成了多传感器数据高精度同步采集，时间同步精度为微秒级，能够为评价路面平整度提供高精度原始数据，具有数据采样精度高、稳定性好、抗干扰能力强、成本低等优点，已在武汉夕睿光电技术有限公司的道路检测车上得到成功应用。

关键词：
道路平整度检测

同步采集

FPGA

多传感器

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支持4K分辨率的ARINC818视频传输验证系统

DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.234068

作者：高伟林，杨炳伟，辛春明

作者单位：航空工业苏州长风航空电子有限公司，江苏苏州 215151

摘要：针对未来机载座舱4K以上分辨率视频传输需求，设计了一种基于FPGA的通用ARINC818视频编解码系统，并通过DP视频接口完成视频传输验证。系统接收上位机发送的DP视频，在FPGA中完成解码，再对视频数据按照ARINC818协议进行编码，编码后的ARINC818视频回传至本系统，再通过FPGA完成ARINC818解码处理，解码后的视频再转换成DP视频送出显示。本测试系统最高支持ARINC818-3标准中的10 Gb/s传输速率，实现了单lane 4K@30 Hz和双lane 4K@60 Hz的ARINC818视频收发功能，具有使用方便、功能丰富、配置灵活的特点。