非線性系統(tǒng)邏輯隨機共振的理論研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、在微弱信號的檢測中,噪聲情況往往對檢測結(jié)果的影響非常大。所以如何降低噪聲、提高信噪比是測試人員一直在研究的熱點。同時,隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展,各芯片生產(chǎn)廠商都在不斷挑戰(zhàn)著芯片生產(chǎn)工藝的極限。日前,英特爾公司推出了最新的14nm工藝,同時表示將研發(fā)小于10nm工藝的芯片。然而隨著芯片制造工藝進(jìn)入納米時代,噪聲就變成了影響計算性能的重要因素。然而事實上,噪聲并不一定就是有害的,研究者發(fā)現(xiàn)噪聲有時也有有益的一面。隨機共振就是這種現(xiàn)象的典型實

2、例。邏輯隨機共振是一類隨機共振現(xiàn)象,Murali等人發(fā)現(xiàn)在噪聲背景下,非線性系統(tǒng)可以對微弱邏輯輸入信號做出正確的邏輯判斷。邏輯隨機共振利用背景噪聲來設(shè)計邏輯門的思路被認(rèn)為是未來大規(guī)模集成電路設(shè)計的重要發(fā)展方向,有望能突破芯片中存在的三角制約關(guān)系。
  本文重點研究雙穩(wěn)系統(tǒng)中的邏輯隨機共振現(xiàn)象。主要研究內(nèi)容及結(jié)果有:
 ?。ㄒ唬┓治隽藢ΨQ四階雙穩(wěn)系統(tǒng)的各參數(shù)對邏輯隨機共振結(jié)果的影響。分別研究了在高斯白噪聲背景下,系統(tǒng)的線性系數(shù)

3、、非線性系數(shù)及偏移常數(shù)對系統(tǒng)輸出的影響并利用遺傳算法實現(xiàn)了對多個系統(tǒng)參數(shù)的同時尋優(yōu)。實驗結(jié)果證明通過本文提出的調(diào)參自適應(yīng)邏輯隨機共振算法,可以在相當(dāng)寬的噪聲強度范圍內(nèi)得到較高的邏輯輸出正確率。
 ?。ǘ┓治隽朔窃肼曊T導(dǎo)隨機共振,研究周期信號替代噪聲信號驅(qū)動非線性系統(tǒng)產(chǎn)生邏輯隨機共振的可能性。為了便于比較和討論,本文中同時討論了四階對稱雙穩(wěn)系統(tǒng)和分段雙穩(wěn)系統(tǒng)下的輸出情況。討論結(jié)果表明,合適頻率的周期信號也可以誘導(dǎo)系統(tǒng)產(chǎn)生邏輯隨機共

4、振,但周期信號的頻率對邏輯輸出的影響也呈周期性。
 ?。ㄈ┭芯苛擞猩肼曊T導(dǎo)邏輯隨機共振,討論了在Orntein-Uhlenbeck(OU)時間指數(shù)噪聲背景下,根據(jù)邏輯隨機共振原理誘導(dǎo)雙穩(wěn)系統(tǒng)構(gòu)成SET-RESET觸發(fā)器的可行性。利用退耦近似方法,得到了在OU噪聲影響下系統(tǒng)的Fokker-planck方程,理論分析了相干時間對系統(tǒng)有效勢阱的影響。利用數(shù)據(jù)模擬分析了相干時間和有效噪聲強度對輸出結(jié)果的影響。討論了非馬爾科夫過程——α

5、穩(wěn)定分布噪聲誘導(dǎo)產(chǎn)生邏輯隨機共振的可能性,證明了α穩(wěn)定分布噪聲可以誘導(dǎo)雙穩(wěn)系統(tǒng)產(chǎn)生邏輯隨機共振,并討論了α穩(wěn)定分布噪聲的四個參數(shù)對邏輯輸出的影響。使用分段fokker-planck函數(shù)對當(dāng)α<1的情況進(jìn)行了解釋。
  (四)研究了在高斯白噪聲下,帶有延時反饋的系統(tǒng)是否能得到邏輯隨機共振。以存在延時反饋的四階雙穩(wěn)系統(tǒng)為研究目標(biāo),分別研究了不同延時類型對系統(tǒng)邏輯輸出的影響。通過理論分析和數(shù)據(jù)模擬實驗發(fā)現(xiàn)低階延時反饋及高階延時反饋具有不

6、同的作用。搭建了具有延時模塊的雙穩(wěn)非線性系統(tǒng)的模擬電路,本電路通過集成放大器、模擬乘法器及延時芯片等組成。電路實驗證明,具有延時反饋的系統(tǒng)可以產(chǎn)生邏輯隨機共振現(xiàn)象。
 ?。ㄎ澹├眠壿嬰S機共振理論設(shè)計了一個由噬菌體λ組成的人工基因網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)SET-RESET觸發(fā)器邏輯。研究發(fā)現(xiàn),使用周期信號驅(qū)動所設(shè)計的人工基因網(wǎng)絡(luò)可以得到SET-RESET觸發(fā)器邏輯。而且系統(tǒng)的邏輯輸出正確率隨著周期信號的強度先增后降。但調(diào)節(jié)周期信號的頻率不能得到類

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