【摘要】：近些年,隨著現(xiàn)代社會的不斷發(fā)展以及全球人口老齡化的加劇,傳統(tǒng)的醫(yī)療服務(wù)模式遇到了不少挑戰(zhàn)。新穎的無線體域網(wǎng)技術(shù)給醫(yī)生和患者提供了極大地便利,其不僅提升了醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量,還相對降低了醫(yī)療支出。無線體域網(wǎng)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性、長程性、便捷性以及低成本性都要求無線傳感節(jié)點(diǎn)芯片必須實(shí)現(xiàn)低成本制造、低功耗運(yùn)行。然而,無線傳感節(jié)點(diǎn)芯片在低功耗實(shí)現(xiàn)方面面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。首先,處理低頻信號時(shí)芯片能效非常低,如何提高和實(shí)現(xiàn)低頻生物信號處理的能效是我們遇到的第一個(gè)挑戰(zhàn)。接著,射頻發(fā)送功耗占據(jù)了無線傳感節(jié)點(diǎn)的主要功耗,如何花費(fèi)較少的能量來壓縮射頻模塊傳送的數(shù)據(jù)量,從而使得總功耗降低是我們遇到的另一個(gè)挑戰(zhàn)。最后,傳統(tǒng)的片上存儲器在低電壓下無法正常工作,如何設(shè)計(jì)低電壓運(yùn)行的高能效無線傳感節(jié)點(diǎn)片上存儲器也是重要挑戰(zhàn)。針對這些問題,本論文對低功耗高能效無線體傳感節(jié)點(diǎn)芯片技術(shù)做了深入的分析和研究,有如下創(chuàng)新成果：第一,提出了可配置串并度的芯片功耗優(yōu)化策略,有效地降低了芯片處理低頻生物信號的功耗。該策略針對生物信號的低頻特點(diǎn),提出了通過調(diào)整不同計(jì)算串并度,獲得最優(yōu)功耗的方法。測試結(jié)果表明,芯片采用該策略可使相關(guān)部分能耗最大可減少90%以上。第二,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了異步流水的壓縮感知編碼器,達(dá)到了低功耗低成本的數(shù)據(jù)壓縮目的。設(shè)計(jì)首次將壓縮感知算法用準(zhǔn)延時(shí)不敏感電路映射成硬件,并采用了雙軌全異步存儲器。該編碼器采用全定制設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn),芯片最低電壓可達(dá)240mV,使壓縮電路能耗降低33.3%,實(shí)現(xiàn)心電信號壓縮比7.5。第三,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了低電壓高能效片上存儲器,其能效指標(biāo)具有顯著的領(lǐng)先優(yōu)勢。該設(shè)計(jì)提出了高能效的讀字線共享技術(shù)和雙復(fù)制位線延時(shí)技術(shù),同時(shí)采用了全靜態(tài)讀電路和非最小溝道長度存儲單元等技術(shù)。芯片測試表明,最低工作電壓320mV,每操作功耗為0.94pJ,其歸一化能耗低了25%。最后,本論文關(guān)于未來高能效無線傳感節(jié)點(diǎn)芯片提出了三點(diǎn)工作展望,首先,建立無線傳感節(jié)點(diǎn)的精確功耗模型,使節(jié)點(diǎn)的功耗達(dá)到最優(yōu)化。第二,模擬電路實(shí)現(xiàn)壓縮感知算法,使采樣和壓縮過程融為一體,進(jìn)一步降低實(shí)現(xiàn)成本和功耗成本。第三。采用諸如MEM relay的新型低漏電器件,降低芯片的靜態(tài)功耗,提升設(shè)計(jì)能效。
【學(xué)位授予單位】：復(fù)旦大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TN929.5;TP212.9

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本文編號：2583266