低流速、低电压微型差分迁移率谱的研究
2[1].4+GHz低相位误差低相位噪声CMOS+QVCO设计
![2[1].4+GHz低相位误差低相位噪声CMOS+QVCO设计](https://img.taocdn.com/s3/m/098aec6427d3240c8547ef05.png)
咿魅怂测磐发２．４ＧＨｚ低相位误差低相位噪声ＣＭＯＳＱＶＣＯ设计高慧，吕志强，来逢昌（哈尔滨工业大学微电子中心，哈尔滨１５０００１）摘要：提出了一种新型的适用于锁相环频率夸成器的正交压控振荡器（Ｑｖｃ０）结构，分析了ＯｖｃＯ的工作原理及其相位噪声性能。
ＡＤｓ仿真结果表明，电路工作在２．４ＧＨｚ、偏离中心频率６００ｋＨｚ的情况下相位噪声为一１１５．４ｄＢｃ／Ｈｚ，在１．８ｖ电源下功耗仪为２．９ｍｗ，输出信号的相位误差小于Ｏ．１９。
结果还表明相对于目前流行的Ｏｖｃ０结构，提出的结构实现了低相位误差、低功耗、高，０Ｍ值。
关键词：正交压控振荡器；相位噪声；相位误差；品质因数中图分类号：ＴＮ７５２文献标识码：Ａ文章编号：１００３．３５３ｘ（２００７）１１－０９８８—０４Ｄｅｓｉｇｎｏｆ２．４ＧＨｚＬｏｗ－Ｐｈａｓｅ－ＥｒｒｏｒＬｏｗ－Ｐｈａｓｅ－ＮｏｉｓｅＣＭｏＳＱＶＣ０ＧＡ０Ｈｕｉ，ＬＯＺｈｉ－ｑｉａｎｇ，ＬＡＩＦｅｎｇ—ｃｈ锄ｇ（肼ｂ捌跏豳ｃ咖，肼缸ｋ血妇矿７‰缸影，黝缸１５０００１，ｃＭＭ）Ａｂｓｎ譬ｃｔ．ＡｎｏｖｅｌＬｃｑＩｌａｄｒ砒Ｉ珊ｖｏｌｔａｇｅ－ｃｏｎⅡ柚ｌｅｄ０８ｃｉｌｈｔｏｒ（ＱＶｃＯ）ｗ鹅ｄｅＢｉ印ｅｄｆｏｒＰｈ船ｅ—ｌｏｃｋｅｄ１００ｐ雠ｑｕｅⅡｃｙｓｙｍｈｅｓｉ北ｒ．Ｔｈ８叩ｅｍｔｉｏｎｐｄｎｃｉｐｌｅ且ｎｄｐｈａ８ｅｎｏｉｓｅｏｆｔｈｅＱＶｃＯｗｅｒｅ粕嘶ｚｅｄ，ＡＤｓＢｉ圳１“ｏｎｒｅＢｕｌｔｓ８ｈｏｗｔ｝ｌａｌｔｈｅｃｉ工ｃｕ“ａｃｈｉｅｖｅｓｔｈｅｐｈ踟ｎｏｉ∞０ｆ一１１５．４ｄＢｃ／｝Ｉｚａｔ６００ｋ№ｏｆｆｓｅｔ，ａ１１ｄｐｏｗｅｒｄｉｓｓｉｐ砒ｉｏｎｏｎｌｙ２．９ｍｗｆｈｔｈｅｗｈｏｌｅＱＶｃ０ａｔｔｌｌｅｖｏｌｔ８９ｅＢ“ｐｐｌｙ０ｆ１．８Ｖ．ｎｅｐｈａ跎ｅｍｒｂｅｆｗｅｅｎＩａｎｄＱｓｉｇＩ“ｓｉＢ且ｔｍ０８ｔＯ．１９。
．Ｔｈｅ唧ａｄＢｏｎｏｆＡＤｓｒｅＢｕｌｔｓａＩｌｄｒｅｃｅⅡｔＰｕｂｌｉｓｈｅｄｄｅｓｉ印ｓ８ｈｏ啪ｔｈａｔｔｈｅａｄｖａＩｌｔａｇ骼０ｆｔｈｅＱＶｃ０ｓｔｎｌｃｔＩｌｒｅａｒｅｔｌｌｅｃｈａｒａｃⅫｓｔｉｃｓ０ｆｍｔ｝Ｉｅｒ１０ｗｐｈａ舱ｅｒｍｒ，１０ｗｐｏｗｅｒｃｏＩｌｓｕｍｐ６０ｎ蛐ｄｈｉｇｈｎｇＬＩｒｅ－ｏｆ．ｍｅｄｔ．Ｋｅｙ啪ｒ凼：Ｑｖｃｏ；ｐｈａ８ｅｎｏｉ∞；ｐｈ踟ｅｒｍｒ；６９Ｉｌｒｅ—ｏｆ－ｍｅｒｉｔ（ＦｏＭ）１引言近年来，随着无线通信的广泛需求和迅速发展，直接变频收发器由于其低功耗、低造价、高集成度已成为Ｉｃ设计中大量研究的课题。
行波离子迁移谱技术及应用研究进展
第 29 卷第 3 期分析测试技术与仪器Volume 29 Number 3 2023年9月ANALYSIS AND TESTING TECHNOLOGY AND INSTRUMENTS Sep. 2023综述(231 ~ 244)行波离子迁移谱技术及应用研究进展潘慢慢1, 2 ，李 杭2 ，徐一仟1, 2 ，杨其穆1, 2 ，蒋丹丹2 ，王卫国2 ，陈 创2, 3 ，李海洋2（1. 中国科学院大学，北京 100049；2. 中国科学院大连化学物理研究所，辽宁大连 116023；3. 国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205）摘要：离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是利用离子迁移率K（离子碰撞截面）差异来实现不同离子的分离与测定，具有分析速度快、检测灵敏度高的优点，其与质谱联用在蛋白质组学、代谢组学、医药等领域已获得了广泛的应用. 随着分析对象复杂性的增加，对IMS的分辨能力也提出了更高要求. 行波离子迁移谱（travelling wave ion mobility spectrometry，TWIMS）采用时域连续的行波电场实现离子传输与分离，其分析通道的长度不受行波电压幅值的限制，理论上可以无限延长离子分析通道来提高分辨能力. 目前，TWIMS的分辨率最高可达1 860，对于分析存在多种同分异构体的复杂样品别具优势. 对TWIMS的原理及分辨能力的影响因素进行了介绍，进一步探讨了不同结构TWIMS仪器的特点、性能和应用，对TWIMS未来发展方向进行了展望.关键词：离子碰撞截面；行波离子迁移谱；循环式离子迁移谱；无损离子操纵结构；离子淌度质谱中图分类号：O657. 63 文献标志码：A 文章编号：1006-3757（2023）03-0231-14DOI：10.16495/j.1006-3757.2023.03.001Advancement of Traveling Wave Ion Mobility Spectrometry andIts ApplicationPAN Manman1, 2， LI Hang2， XU Yiqian1, 2， YANG Qimu1, 2， JIANG Dandan2，WANG Weiguo2， CHEN Chuang2, 3， LI Haiyang2（1. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China；2. Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116023, Liaoning China；3. State Key Laboratory of NBC Protection forCivilian, Beijing 102205, China）Abstract：Ion mobility spectrometry (IMS) utilizes the difference in ion mobility K (collision cross section) to realize the separation and determination of different ions, which has the advantages of fast analysis speed and high sensitivity. And it coupling with mass spectrometry (IM-MS) was widely used in the fields of proteomics, metabolomics, medicine, etc.With the increasing complexity of the analyzed objects, higher demands are put on the resolution of the IMS. Traveling wave ion mobility spectrometry (TWIMS) uses a time-domain continuous traveling wave electric field to realize ion transport and separation. The analytical path length of the TWIMS is not limited by the amplitude of the travelling wave收稿日期：2023−05−24； 修订日期：2023−07−13.基金项目：国家自然科学基金项目（Nos. 22027804, 21974141），国民核生化灾害防护国家重点实验室科研基金项目（SKLNBC2021-16），大连化物所创新研究基金项目（DICP I202141）[Natural Science Foundation of China (Nos.22027804, 21974141), State Key Laboratory of NBC Protection for Civilian (SKLNBC2021-16), Dalian Institute of Chemical Physics (DICP I202141)]作者简介：潘慢慢（1998−），女，博士研究生，主要从事质谱分析工作，E-mail：通信作者：陈创（1984−），男，博士，《分析测试技术与仪器》青年编委，主要从事质谱分析工作，E-mail：；李海洋（1964−），男，博士，《分析测试技术与仪器》编委，主要从事质谱分析工作，E-mail：.voltage, theoretically the path can be extended indefinitely to improve the resolution. Currently, the resolution of TWIMS can reach up to 1 860, which is advantageous for the analysis of complex samples with the multiple isomers. The principle of TWIMS and the influencing factors of resolution were introduced, the characteristics, performance and applications of TWIMS instruments with different structures were further discussed, and finally the future development directions of TWIMS were prospected.Key words：collision cross section；travelling wave ion mobility spectrometry；cyclic ion mobility spectrometry；structure for lossless ion manipulation；ion mobility-mass spectrometry离子迁移谱（ion mobility spectrometry，IMS）是利用电场驱动气相离子在中性气体中迁移从而实现不同迁移率离子分离和识别的一种技术[1]. IMS能够灵敏检测pg或ng/L量级的目标物，并且具有ms级单谱图分析速度、适用于发展便携式仪器等优点，被广泛应用于化学战剂监测、爆炸物检测等领域. IMS与质谱（mass spectrometry，MS）的联用结合了IMS灵敏、快速、能提供离子结构信息和MS提供精确质量信息的特点，在食品安全、医药和生物分析等领域得到了迅速发展[2-6].在低电场条件下（E/N<2 Td），离子在中性气体中的迁移速度V d与电场强度E成正比，比例系数即为离子迁移率K，其关系如式（1）：根据Revercomb等[7]对电场作用下气相离子的运动进行的研究，离子迁移率K与碰撞截面（collision cross section，CCS）满足式（2）：其中，z是电荷数，e是单位电荷，N是中性气体的分子数密度，µ是离子和中性气体分子的约化质量，k是玻尔兹曼常数，T eff是有效温度，α为修正因子，ΩD (Teff)是离子的碰撞截面（即CCS），与离子的大小和形状有关，直接反映离子的结构信息. 因此IMS 可以区分MS无法分辨的同分异构体，离子的CCS 差异越小，要求IMS的分辨率越高.根据分离方式的不同，IMS可以分为迁移时间离子迁移谱（DTIMS）、非对称场离子迁移谱（FAIMS/DMS）、行波离子迁移谱（TWIMS）、阱离子迁移谱（TIMS）等，通过提高电场强度或延长离子迁移路径，可以提高IMS的分辨率[8]. 对于DTIMS 而言，延长路径的同时需要提高电压，由于空气击穿电压的限制，依靠延长路径提高分辨率非常有限.而与DTIMS依靠直流电场驱动离子不同，TWIMS 依靠沿迁移区轴向移动的脉冲电压驱动离子，电压幅值不随迁移路径的延长而增大，理论上可以无限延长迁移路径而不受电压的限制. 正是由于这一特性，TWIMS的分辨率目前已经超过1 860，成为目前超高分辨IMS-MS技术的主流[9]. 不同类型IMS 技术对比如表1所列.本文首先介绍TWIMS的原理及分辨能力的影响因素，进一步探讨不同结构TWIMS仪器的特点、性能和应用，最后对TWIMS未来发展方向进行展望.1 TWIMS原理1.1 TWIMS分离原理2004年，Giles等[14]首次将行波应用于环形电极堆栈离子导向器，提出一种使用行波进行离子迁表 1 不同IMS技术对比Table 1 Comparison of different IMSIMS技术工作气压[10]分离场CCS测量最高分辨率/(Ω/ΔΩ)联用技术迁移时间离子迁移谱（DTIMS）266 Pa~大气压强直流电场直接测量250[11]IMS-MS, GC (gaschromatography)-IMS等非对称场离子迁移谱（FAIMS/DMS）大气压强非对称射频电场无法测量Null GC-DMS, DMS-MS等行波场离子迁移谱（TWIMS）~533 Pa方波直流电场需经校准 1 860[9]550[12]TWIMS-MS阱离子迁移谱（TIMS）~400 Pa气流场结合直流电场需经校准400[13]TIMS-MS232分析测试技术与仪器第 29 卷移率分离的新模式，如图1所示. 通过在相邻电极环依次施加脉冲电压产生行波电场，离子在波前位置时，电场驱动离子轴向前进，而离子处于波后位置时，电场驱使离子反向运动，造成运动轨迹折返，即翻滚事件[图1（a）（c）]. 迁移率K较大的离子随波迁移能力强，发生翻滚的次数少，所需总迁移时间较短. 而迁移率K较小的离子随波迁移能力弱，发生翻滚的次数多，所需总迁移时间较长. 如此，不同迁移率离子即可分离. 当离子迁移率K足够大时，离子可以随波作“冲浪”运动[图1（b）].ion trajectory ring electrode(d)stacked-ring ionguidetimeringelectrodeions travelling wavevoltage pulse(a)(b)(c)图1 行波场中离子（a）（c）翻滚事件和（b）“冲浪”行为的SIMION轨迹模拟，（d）行波场的产生[14] Fig. 1 SIMION simulation showing ions (a) (c) roll over wave and (b) surf wave, (d) generation of travelling wave[14]此后数年，尽管TWIMS仪器和相关应用快速发展，但对于其分离原理的认识仍停留在定性阶段，影响离子传输时间和分辨率的因素没有得到深入研究. 直到2008年，Shvartsburg等[15]构建了简化的TWIMS数值分析模型，不考虑离子的速度弛豫、扩散和射频产生的聚焦场，使用推导和离子动力学模拟对迁移时间和分辨率进行预测，并与实际结果进行比较.定义c为行波前最大场强处（E max）的离子漂移速度和波速（s）的比值，如式（3）所列：以波长为b的三角波为例，其任一位置的电场E都相同，即E=Emax . 当c≥1，即KEmax≥s时，离子在波前的运动速度与波速相同，因此离子表现为随着行波一起运动，迁移时间t即为迁移管长L除以行波波速s.当c<1，即KE max<s时，由于离子的翻滚事件，造成迁移率分离. 离子在波前和波后的运动时间分别为t F和t B，其公式如式（4）（5）所列：由于t F>t B，离子每被一个三角波超越，在轴向会产生向前的净位移d，如式（6）：v离子的平均运动速度为式（7）：对于长度为L的迁移管，离子迁移时间t为式（8）：对于形状更复杂的行波如半正弦波，在满足KEmax<<s时，有相似结论，即：从公式（9）可以看出，与DTIMS不同，TWIMS 中离子迁移速度与离子迁移率和电场强度并非线性关系，无法直接用迁移时间t计算CCS，需要使用结构相似的标准物进行校准方程的拟合，然后将待测物的迁移时间代入校准方程计算出CCS.2018年，Richardson等[16]进一步拓展了TWIMS 的理论，推导出平滑移动的正弦行波驱动下离子迁移时间的表达式，不经校准可直接测量CCS. 然而，动力学推导仍被限制在轴向，没有考虑高场下的离子加热，且实际设备中行波并非是平滑移动的，关于TWIMS的理论仍然需要科研工作者继续探索.第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展2331.2 TWIMS分辨率的影响因素在离子迁移与扩散相互独立的前提下，不考虑库伦斥力，对于三角波而言，扩散控制分辨率R TW 为式（10）：其中，E与行波波幅U的关系为E=2U/b. 因此，在保证c<1适用于所有离子的前提下，可以通过提高行波波幅或减小波长以提高电场强度、延长路径来提高分辨率，这是TWIMS仪器设计改进的理论依据.而对于DTIMS，扩散控制分辨率R DT为式（11）：提高电场强度和延长路径，同样可以提高DTIMS的分辨率. 然而，DTIMS的电场是通过在迁移管两端施加电压差形成的，越长的迁移路径，意味着越大的电压差，过高的电压会引起放电. 不同与DTIMS，TWIMS的电场是在电极单元的单个或多个电极上循环施加脉冲电压形成的行波电场，脉冲电压幅值与迁移路径总长度无关. 因此，通过延长路径提高分辨率不受电压限制.2 TWIMS的仪器进展TWIMS于2004年出现后，经过近二十年的发展，目前的仪器按照结构主要分为三类：第一类是Waters公司早期开发的环形电极堆栈结构（stacked ring ion guide，SRIG）的TWIMS，第二类是Waters 公司于2019年推出的循环离子迁移谱（cyclic ion mobility， cIM），第三类是基于无损离子操纵结构（structures for lossless ion manipulations，SLIM）的TW-SLIM. 下面将介绍它们的结构特点、性能以及应用.2.1 环形电极堆栈结构2006年，Waters推出首款基于SRIG的TWIM-Q-ToF-MS（TWIM-quadrupole-time of flight-MS）系统，即Synapt HDMS[17].如图2（b）所示，Synapt HDMS包括三个施加行波和射频限制的SRIG（即TriWave结构），依次为trap、IM和transfer，其中IM的结构如图2（a）所示. trap用于离子积累，然后将离子团簇释放到IM离子导向器中进行迁移率分离，transfer用于将分离后的离子传送到ToF-MS中进行质荷比分析.(a)sideplategas inion transmission aperturering electrodesprintedcircuitboardsendplateanalyte spray(b)lockspraybafflelockmassreference sprayT-waveion guidequadrupoledre lenstrapgateIMS transfereinzellens transferlensespusherreflectronair-cooled turbomolecular pumpsoil-freescroll pumpisolation valveand removablesample conedetector2 mmdiameteraperture图2 （a）第一代行波离子迁移管[14]，（b）Synapt HDMS示意图[18]Fig. 2 (a) First generation TWIM separator[14], (b) schematic diagram of Synapt HDMS system[18]根据分辨率影响因素的理论基础，Waters公司于2009年对行波离子迁移管进行改进，推出了Synapt G2 HDMS. 相比第一代TWIM，Synapt G2的改进如图3所示，增加电极环的数目以延长迁移路径，脉冲电压施加到4个电极环上，比原来两个电极环时平均场强提高了约20%，行波幅值从30 V 提高到40 V，进一步提高了电场强度[19]. 由于低电场条件的限制，在提高行波幅值的同时，需要提高气压以避免离子热化. 因此，在IM前增加了一个充满氦气的腔室以平衡N2的压强，将工作气压从50 Pa提升到了300 Pa. 试验结果显示，Synapt G2将SDGRG和GRGDS两种反序小肽离子的分辨率提234分析测试技术与仪器第 29 卷高了近4倍，达到了45.在之后几年，Waters 公司又相继推出了Synapt G2-S 、Synapt G2-Si 和Vion 等产品，在分辨率、灵敏度和配套软件等方面均有所提升[20].由于技术成熟、商品化程度高， SRIG 的IMS-MS 系统在蛋白质组学[21-22]、脂质组学[23-24]、代谢组学[25-26]、医药[27-29]等领域得到了广泛应用. Hale等[21]使用液体萃取表面技术（LESA ）结合TWIM-MS 对小鼠肾脏组织切片的蛋白质进行质谱成像分析，将蛋白质结构与组织特征进行关联. 其中，TWIMS 提供内源蛋白质的空间、构象和质量信息，以及计算检测到的蛋白质或蛋白质复合物的碰撞截面. 此外，按到达时间过滤质荷比（m/z ）维度中的离子信号，增加低强度信号来提高信噪比，进一步提高离子图像的特异性. Zang 等[25]使用流动注射法（flow injection ，FI ）结合TWIM-MS 对61名前列腺癌患者和42名对照者的血清提取物进行非靶向代谢分析，将质量数、CCS 值和裂解模式与标准物或数据库进行匹配，鉴定出特征代谢物. 使用监督多元分类方法，将前列腺癌患者样本与对照样本区分开来，具有良好的准确性（88.3%~89.3%）、敏感性（88.5%~90.2%）和特异性（88.1%），展示了FI-TWIM-MS 作为用于代谢组学研究的高通量分析工具的潜力. 与超高效液相色谱（ultra-performance liquid chromatography ，UPLC ）联用后，UPLC-TWIM-MS 的多维分离能力在复杂中药成分中已知、未知化合物及其异构体的发现和鉴定上有巨大的应用前景，对中药的质量评价和解释作用机制有重要意义，已成功应用于龟龄集[27]、桔梗[28]、丹芝片[29]等中药.此外，TWIM 有助于在Q-ToF-MS 仪器上实现电子转移解离功能（electron transfer dissociation ，ETD ）[30]. ETD 是一种自由基驱动的裂解技术，与碰Synaptstacked ring ion guidenitrogenions in ionsin ions out ions out nitrogen out nitrogen outnitrogen outmax. field 25 V/cm (10 V applied)~90% of applied v oltagemax. field 21 V/cm (10 V applied)~60% of applied v oltage(b)(c)4 repeat pattern6 repeatpattern(a)helium outT-wave IMS cellT-wave IMS cellhelium cellheliumSynapt G2stacked ring ion guidenitrogen图3 Synapt HDMS 和Synapt G2 HDMS 的（a ）IM 腔室，行波电压（b ）施加方式和（c ）重复模式对比图[19]Fig. 3 Comparison of (a) IM cells, (b) applied voltage and (c) repeat pattern of travelling wave betweenSynapt HDMS and Synapt G2 HDMS[19]第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展235撞诱导解离（collision induced dissociation，CID）互补，在N-Cα键裂解后产生一系列c和z离子，对于蛋白质翻译后修饰的识别和定位非常有价值[31]. 在Synapt系统中，trap用于捕获辉光放电产生的阴离子，从而实现与进入的阳离子的气相反应. 改变行波的速度，可以精细地控制阴离子/阳离子相互作用的水平，从而控制ETD碎片的水平[32]. 结合电喷雾电离，TWIM-MS成为肽和蛋白质的测序和结构分析的有力工具.2012年，Waters基于SRIG开发出了Stepwave 技术，用于大气压离子源（如ESI）的离子传输[33]. 通过缺口处相对平行排列且内径不同的两个SRIG之间的施加电势差，实现离子的离轴传输和聚焦，而通过去除气体分子和未电离的中性分子，提高信噪比和灵敏度.2.2 循环离子迁移谱结构尽管TWIMS通过延长路径提高分辨率不受电压限制，但仍受到仪器体积的制约. 为了解决上述问题，2014年Giles等[34]提出一种循环离子迁移谱，即Cyclic Ion Mobility（如图4所示）. cIM包括主体[图4（b]与MS系统的主离子光轴相交的接口区域[图4（c）]两个部分，路径长度共计98 cm，可以取代传统线性TWIM单元，嵌入到Synapt G2-Si系统中[图4（a）][12, 35]. 主体部分由印刷电路板支撑，电极结构如图4（d）所示. 相邻的cIM电极上同时施加反相的射频（2.5 MHz，300 V p-p）和行波脉冲（最大波幅45 V，波速300~1 000 m/s），射频形成的赝势阱提供z方向的限制，行波驱动离子进行迁移率分离.侧板上的repeller电极上施加高于行波波幅的直流电压（60 V），提供x方向的限制. cIM主体部分的电极形成了一个5 cm×0.5 cm的矩形离子通道，离子容量比孔径0.5 cm的线性TWIM高10倍[35]. z方向的窄电极间距，可以最大程度的减少“赛道效应”，即外圈的离子比内圈的离子迁移路径更长引起峰展宽. 接口区域是cIM的关键部分，需要在离子进入、射出和迁移率分离三种功能之间切换，且对离子传输率和分辨率不能有显著影响. Giles等[35]设计出阵列电极结构，将其分为两组，分别施加x方向[图4（e）]、y方向[图4（f）]的行波，从而实现功能切换. 此外，阵列电极结构允许cIM在多通道模式和旁道模式进行切换，在旁道模式下，离子不经过cIM的主体部分，不进行迁移率分离.cIM前后均连接传统线性TWIM，可以实现离子的注入、喷射、存储、激活. 将其与cIM的功能进行组合，可以实现IMS n（多级IMS）功能. IMS n可以选择将cIM中的特定迁移率范围的离子喷射出去，剩余的离子继续执行迁移率分离，重复这一过程将持续减小分析范围. 该功能可以避免在多通道试验中，较大迁移率离子超过较小迁移率离子产生的“套圈”现象. IMS n激活是指将特定迁移率的离子喷射回前级TWIM，其余离子被喷射到ToF中以去除，前级TWIM中的离子经过碰撞诱导激活/解离后重新注入cIM进行迁移率分离，再将分离后的离子喷射到ToF进行检测或者继续进行IMS n分析.√6初代cIM系统对松三糖和棉子糖的分析结果显示，6次循环后分辨率达到139，约为单次通过分辨率的倍，且相比于单次通过离子损失小于15%[34]. 2017年，第二代cIM系统问世，SDGRG和GRGDS两种反序肽离子经过50次循环后，分辨率超过500，实现了超高分辨离子迁移谱的一项巨大进步[12]. 2019年，Waters公司推出了商品化仪器Select Series cyclic IMS.Sisley等[36]使用LESA-QcIM-MS分析小鼠大脑和大鼠肾脏组织中的蛋白质，在cIM前通过四极杆隔离将m/z检测范围缩小到870~920（即QcIM）以避免“套圈”现象，1、2和3次通过后分别检测到24、37和54种蛋白质，充分体现了多通道cIM 的高分辨率在复杂生物样品检测上的优势.Eldrid等[37]研究了cIM中气相蛋白质离子的稳定性，并且利用IMS n结合碰撞诱导展开（CIU）探索了+7细胞色素C（CytC）离子的展开行为（如图5所示）. 结果显示在与迁移率分离兼容的时间尺度上（几百毫秒），蛋白质可以很大程度保留其天然和多聚体状态. 对已激活的+7 CytC离子的不同到达时间范围的切片分别进行IMS n激活，探索了不同构象之间的转化现象以及展开顺序，展现了cIM在研究蛋白质动力学、稳定性和展开行为的应用潜力. 2021年，Eilrid等[38]将此方法命名为slice-CA（碰撞激活，collision activation），并研究了一种由胰岛β细胞产生的与Ⅱ型糖尿病有关的激素hIAPP，揭示了hIAPP解离前构象之间的相互转换.除了生物样品，cIM在石油组学上也获得了应用[39-40]. 石油作为最复杂的混合物之一，存在大量的236分析测试技术与仪器第 29 卷同分异构体和同量异位素，对IM-MS 的分辨率要求很高. Ruger 等[40]证明，在多次通过后，QcIM-MS可以更深入地了解瓦斯油中异构体的分布，并且消除同量异位素的干扰，结合碰撞诱导解离技术，可以分离多环芳烃和杂环化合物.2.3 无损离子操纵结构2014年，Garimella 等人提出了无损离子操纵结构（SLIM ）[41-44]. SLIM 由一对蚀刻了条状电极的平行印刷线路板组成，通过在电极上施加电压产生静电场、射频电场和驱动电场，可以实现离子无损传输、迁移率分离、选择性离子捕获和积累等复杂操作[45-46]. SLIM 分为基于直流（DC ）的DC-SLIM 和基于行波（TW ）的TW-SLIM ，由于DC-SLIM 的分辨率有限，TW-SLIM 更受青睐.TW-SLIM 通常由6列射频电极和5列行波电极以及两边的保护电极组成（如图6所示），与cIM 相似，相邻两列射频电极上施加反相射频提供纵向限制，保护电极上施加直流电势提供横向限制，行波电极上施加行波驱动离子进行迁移率分离. 射频电极与行波电极间隔分布，既简化了电源，又保证离子束缚的有效性[47]. 由于印刷线路板工艺成熟，SLIM 具有加工方便、组装灵活、成本低廉的优点，结合TWIMS 电压不随迁移路径延长而增大的特点，目前TW-SLIM 已经实现了商品化[9].ESIstepwaveIGquadtrapIGHecyclic IMSpre-array store post-array store IG arrayreflectronrepellercIM electrode0.5 cm5 cmrepellerPCBs (d)yxPCBscIM electrodes(b)(c)(e)(f)array PCBentrancearray electrodescIM electrodesexitrepellerzx yzx yzx yentrancezxtransferWdetectorpusher(a)图4 cIM 的结构示意图[35]（a ）cIM 平台概览，（b ）cIM 设备，（c ）包含阵列电极结构的离子注入/喷射区域，（d ）cIM 电极结构，（e ）离子注入/喷射模式下行波方向为x 或-x ，（f ）分离模式下行波方向为yFig. 4 Schematic diagram of structure of cIM[35](a) overview of cIM plateform, (b) cIM device, (c) ion entry/exit region, consisting of array electrodes, (d) structure of cIMelectrodes, (e) ion injection/ejection mode, array TWs applied in x (or -x ) direction,(f) separation mode, array TWs applied in y -direction第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展2372.3.1 多圈循环式TW-SLIM为了在相对紧凑的空间尽可能的实现路径的延长，Hamid 等[48]将90°转弯结构应用在TW-SLIM 上，在有16个90°转弯结构的TW-SLIM 模块上，离子传输效率接近100%且分辨率没有显著损失. 在此基础上，Deng 等[49]开发出了分析通道长13 m 的蛇形路径TW-SLIM[图7（a ）]，并且对气压、板间距、行波和射频等参数进行了优化，单峰分辨率达到46，峰容量和峰生成率分别为246和370 s −1，实现了异构糖LNFP i 和LNFP ii 的基线分离. 目前，MOBILion Systems 公司已经将其集成到MS 系统中，完成了仪器的商品化，即MOBIE. 2021年，Wormwood Moser 等[50]结合流动注射分析，使用MOBIE 原型机分析了野生型小鼠半脑的脑提取物，仅需2 min 即可实现神经节苷脂的定量和高选择性测量，比传统的LC-MS 更加快速、高通量，且无需色谱样品制备步骤.在13 m 蛇形路径的基础上，结合动态开关结构，Smith 等人提出了多圈循环式TW-SLIM [图7（b ）][9, 43]. 离子经过40次多圈飞行后，分析路径长度超过500 m ，分离能力达到1 860，并且可以实现基本无损的离子传输. 在初步应用中，9次通过后，低聚糖LNnH 新的构象特征首次被清楚地区分（如图8所示）. 与cIM 相似，多圈循环式TW-SLIM 也存在离子飞行“套圈”现象并导致迁移率分析窗口受限. TW-SLIM 可以利用出口处的动态开关结构，摒弃一部分离子，避免“套圈”现象，简化分析结果.异构体的存在使得分析生物样品和其他复杂混合物具有挑战性，多圈循环式TW-SLIM 的超高分辨率在分析结构差异极小的异构体上有巨大优势[51]. Nagy 等[52]将α-环糊精用作手性主体，通过对环糊精与氨基酸分子形成的主客体非共价复合物进行高分辨的迁移率分离，实现了D -和L -对映体氨基酸混合物的快速检测. 此外，多圈循环式TW-SLIM 在聚糖、蛋白质等生物分子的异构体的分离和鉴定都得到了应用[53-54].然而，超长飞行路径不可避免的伴随着离子团Relative intensityV oltage/V16~17 ms slicefull ATD(a)(b)A r r i v a l t i m e /m s 1.01520253035400.50020406080100V oltage/V19~20 ms slice(c)20406080100V oltage/V23~24 ms slice (d)20406080100V oltage/V26~27 ms slice (e)20406080100Int1.00.5αβγδαβγδεζ图5 激活的+7 CytC 离子的（a ）到达时间分布，（b ）16~17 ms 、（c ）19~20 ms 、（d ）23~24 ms 和（e ）26~27 ms 切片的CIU 指纹，α、β、γ、δ、ε和ζ表示离子种群[37]Fig. 5 (a) Arrival time distribution of activated +7 CytC ion, and CIU fingerprints for slices (b) 16~17 ms, (c) 19~20 ms,(d) 23~24 ms, (e) 26~27 ms, populations labeled as α, β, γ, δ, ε and ζ[37]RFguardguardTWTWTWTWTW1234567812345678图6 TW-SLIM 的电极结构[47]Fig. 6 Structure of electrodes in TW-SLIM[47](a)(b)TWRFguardswitch ONswitch OFFMSentranceg u a r d图7 （a ）13 m 长的蛇形TW-SLIM [49]，（b ）循环蛇形路径TW-SLIM 和动态离子开关[9]Fig. 7 (a) 13 m serpentine path length TW-SLIM [49],(b) serpentine ultralong path with extended routing TW-SLIM and dynamic ion switch[9]238分析测试技术与仪器第 29 卷扩散导致的峰展宽、信噪比低、灵敏度降低等缺陷.为了解决这一问题，Garimella 等[55]提出了一种时空操纵气相离子群的方法，即压缩比离子迁移率程序（compression ratio ion mobility programming ，CRIMP ），利用断续前进的行波，将迁移率分离中的离子分布折叠成更紧密的离子包. 与使用离子漏斗进行富集相比，CRIMP 显著提高了肽的检测限，灵敏度提高了100倍以上[56]. 具有高灵敏度、高分离能力的多通道蛇形TW-SLIM 与MS 的耦合，对于解决蛋白质组学、代谢组学等长期存在的低丰度、异构混合物的挑战具有重大意义[57].2.3.2 并行分析TW-SLIM长迁移率分离时间（秒级）与有限的离子积累时间（毫秒级）的结合导致长路径TW-SLIM 存在占空比低、离子利用率低的缺点. 为了提高离子利用率，增加离子捕获区域的大小、in-SLIM 离子积累、多路复用策略等方法被相继提出，然而这些方法受到空间电荷容量、检测器的饱和点等限制[58-59]. 2022年，Deng 等[60]开发出一种新的并行分析TW-SLIM ，占空比达100%，分辨率达到150，并和三重四极质谱仪（QQQ ）联用，用于靶向定量分析.并行分析TW-SLIM 由入口、开关板载积累区域（SOBA ）、两条平行离子路径和出口部分组成，每条离子路径包括一个30 cm 的预过滤区域、离子开关、离子检测器、板载积累区域（OBA ）和一条集成了多个迁移率过滤门的4.8 m 的蛇形路径SLIM （如图9所示）. SOBA 处积累的离子可以进入任一路径的预过滤区域，经过低分辨的迁移率分离后通过离子开关将无需检测的离子传输到离子检测器，目标离子进入OBA 区域进行富集，再通过离子门注入到后面的长蛇形路径中进行迁移率分离.通过将SOBA 积累的离子多次注入到同一路径以及在两条路径分别同时进行离子积累和迁移率分离，并行分析TW-SLIM 的占空比大大提高，8次注入后利血平离子的占空比达100%，多种标准分析物的实际离子利用效率约为80%. 预过滤对目标离子靶向富集，增加了OBA 区域的目标离子容量，提高灵敏度，结合蛇形路径中的多个过滤门进一步去除干扰离子，大大提高了信噪比. 在过滤模式下，SLIM-QQQ 比QQQ 对醛固酮和可的松的灵Drift time/s0.12900.1320.1350.1380.1410.1441LNnH(a)LNHLNHβ-D-Gal-(1→3)-β-D-GlcNAc-(1→3)-[β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→6)]-β-D-Gal-(1→4)-D-Glcβ-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→3)-[β-D-Gal-(1→4)-β-D-GlcNAc-(1→6)]-β-D-Gal-(1→4)-D-GlcOH OH OH OHOHOHOHOHOHOHOH OHNHAcOH AcHNHOHOHOHOHOO O OOOO O O OO O OH OH OH OHOHOHOHOHOH OHOHOHNHAcOH AcHNHOHOHOHOHOO O OOOO OO OO ODrift time/s1.120 1.14 1.161.18 1.20 1.22 1.241LNnHLNnH(b)LNH图8 （a ）1次和（b ）9次通过后获得的乳-N -六糖和乳-N -新六糖的迁移率分离结果[9]Fig. 8 IM-MS separation of sugar isomers lacto-N -hexaose and lacto-N -neohexaose obtained at (a) 1 pass and (b) 9 passes[9]第 3 期潘慢慢，等：行波离子迁移谱技术及应用研究进展239。
基于PCIe的高速接口设计
基于PCIe的高速接口设计李晓宁;姚远程;秦明伟【摘要】PCIe总线是第三代I/O总线的代表,提供高性能、高速、点到点的串行连接,支持单双工传输,通过差分链路来互连设备.该设计由Xilinx公司的Virtex-6 FPGA平台和PC机组成,为了实现PFGA与CPU之间的高速通信,开发了基于FPGA IPcore的PCIe总线DMA数据传输平台.通过硬件测试表明,该接口设计方案成本低,传输速率可以达到1.5Gb/s.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】4页(P27-29,32)【关键词】PCI-Express 总线;FPGA;DM【作者】李晓宁;姚远程;秦明伟【作者单位】西南科技大学信息工程学院特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川绵阳621010;西南科技大学信息工程学院特殊环境机器人技术四川省重点实验室,四川绵阳621010【正文语种】中文【中图分类】TP303随着电子行业的飞速发展，人们对数据处理能力和存储速率的要求越来越高，并行数据传输的PCI总线技术逐渐成为系统整体性能提升的瓶颈[1]。
尤其在接收机的设计中，总线架构关系到系统的整体性能。
串行点对点的PCIe总线克服了PCI总线在系统带宽、传输速度等方面固有的缺陷，有效地提高了系统的整体性能。
目前实现PCIe总线功能有两种方法：采用FPGA实现PCIe的功能[2]；使用PCIe桥接芯片。
由于通过FPGA实现PCIe接口要比使用PCIe桥接芯片更加灵活，成本更低，可靠性更好，所以采用前者完成FPGA与PC机之间的信息的交互。
PCI Express 体系结构采用分层结构，共分为四层：物理层(Physical Layer)、数据链路层(Link Layer)、处理层(Transaction Layer)和软件层(Software Layer)，这样利于跨平台的应用。
载流子迁移率对有机太阳能电池性能影响的模拟研究
载流子迁移率对有机太阳能电池性能影响的模拟研究朱键卓;杜会静;苏子生;朱世敏;徐天赋【摘要】通过器件模拟的方法研究了载流子迁移率对有机太阳能电池性能的影响.研究发现载流子迁移率同时影响光生电子-空穴对的解离和载流子的输运过程,电子和空穴的迁移率都有一个最佳值.大于最佳值会导致短路电流的微小上升和开路电压的大幅下降；小于最佳值会降低光生电子-空穴对的解离效率,进而使短路电流和填充因子明显下降.【期刊名称】《发光学报》【年(卷),期】2013(034)004【总页数】6页(P463-468)【关键词】有机太阳能电池;迁移率;短路电流;开路电压;填充因子【作者】朱键卓;杜会静;苏子生;朱世敏;徐天赋【作者单位】燕山大学理学院,河北秦皇岛066004;发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;燕山大学理学院,河北秦皇岛066004;发光学及应用国家重点实验室中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;东北大学秦皇岛分校,河北秦皇岛066004;燕山大学理学院,河北秦皇岛066004【正文语种】中文【中图分类】O482.31;O472+.81 引言近年来，有机太阳能电池(OSC)由于其轻便、低成本、易于制成大面积器件等特点而受到越来越多的关注［1-5］。
随着人们对于其工作机理认识的不断深入和高性能材料的出现，有机太阳能电池的性能不断取得突破。
经美国国家可再生能源实验室认证，目前有机太阳能电池最好的表现为Konarka公司取得的8.3%的光电转化效率。
然而，要将有机太阳能电池进行商业生产，其效率还需进一步提高。
有机材料的载流子迁移率是影响OSC性能的非常重要的因素，较高的载流子迁移率对于提高OSC器件性能具有非常大的帮助。
但是，载流子的迁移率对于OSC器件性能的影响不仅止于载流子向电极迁移速度的快慢，还会影响诸如光生电子-空穴对的解离等其他过程，这些过程也会显著地影响OSC的性能。
高精度有限差分瑞雷面波模拟及频散特征提取
文章标题：深度解析高精度有限差分瑞雷面波模拟及频散特征提取一、介绍高精度有限差分瑞雷面波模拟及频散特征提取是当今地球物理领域的热门研究课题之一。
通过对地球内部的雷达波传播特性进行模拟和分析，可以更好地理解地球的结构和性质，为地质勘探、地震监测等领域提供重要支持。
本文将从深度和广度的角度，对高精度有限差分瑞雷面波模拟及频散特征提取进行全面解析，并结合个人观点进行探讨。
二、原理及模拟技术1. 高精度有限差分瑞雷面波模拟简介在地球物理探测中，雷达波在地下介质中的传播特性对地下结构的识别和勘探具有重要意义。
高精度有限差分瑞雷面波模拟是一种常用的地球物理探测技术，通过数值模拟地下介质对雷达波的响应，可以获得地下结构的相关信息，包括速度、密度等。
2. 频散特征提取方法频散是指不同频率的波在介质中传播速度不同，导致波形畸变的现象。
在雷达波传播过程中，频散特征的提取对于识别地下结构、解释波形数据具有重要作用。
通过合适的算法和分析方法，可以有效提取频散特征，从而更准确地理解地下介质的特性。
三、从简到繁的探讨1. 我们可以从传统的有限差分模拟方法入手，介绍基本的数值模拟原理和计算技术，以及其在地球物理勘探中的应用。
2. 深入讨论高精度有限差分模拟技术的优化和改进，包括并行计算、高性能计算等方法，以提高模拟结果的精度和准确度。
3. 结合实际案例，探讨高精度有限差分模拟在地质勘探、地下水资源调查等领域的应用和效果，以及对相关领域的意义和挑战。
四、频散特征提取分析1. 介绍常见的频散特征提取方法，包括谱分析、小波变换等技术，分析其应用范围和局限性。
2. 深入探讨频散特征在地球物理学中的重要性，以及在雷达波数据解释和地下结构识别中的作用。
3. 结合实际案例，剖析频散特征提取在地震监测、地下勘探等领域的应用效果和前景。
五、总结与展望通过对高精度有限差分瑞雷面波模拟及频散特征提取的全面分析，我们可以更好地理解这一研究领域的理论基础和应用技术，为相关领域的研究和实践提供重要参考。
低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计
低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计摘要：在科技的不断发展中，数字信号处理在现代电子系统中扮演着重要的角色。
而Sigma-Delta调制器作为一种常用的调制技术，其低速高精度的特点使其在音频设备、传感器等领域得到广泛应用。
本文将对低速高精度Sigma-Delta调制器的研究与设计进行探讨。
关键字：Sigma-Delta调制器；低速；高精度前言Sigma-Delta调制器是一种常用的数字信号处理器件，通过高速采样和数字滤波的方式实现高精度的信号处理与转换。
在低速高精度应用中，Sigma-Delta调制器具有独特的优势，被广泛应用于医疗、通讯等领域。
通过设计低速高精度Sigma-Delta调制器，满足硅微机械陀螺接口模块设计要求。
1 Sigma-Delta调制器的原理Sigma-Delta调制器的技术支持包括两种，一种是过采样技术，另一种是噪声整形技术。
使用过采样技术，模数转换器的信噪比得到较好的改善。
噪声整形技术是通过处理滤波，将频谱上面的噪声分布进行改变，把带内量化噪声分离至带外高频段处，以促进系统信噪比、精度的提升[1]。
Sigma-Delta调制器的核心是一个比较器和一个积分器。
通过不断地对输入信号进行采样和积分，实现了对信号的高精度还原。
该调制器通过负反馈的方式，不断调整输出信号，使其尽可能接近输入信号。
Sigma-Delta调制器的输出信号是一个高频脉冲串，该脉冲串的平均值与输入信号的幅值成正比。
通过低通滤波器对输出信号进行滤波，可以得到与输入信号几乎完全一致的模拟信号。
Sigma-Delta调制器的主要优点是高精度和低成本。
它可以实现高达24位的模数转换精度，并且在集成电路中可以实现。
此外，该调制器对于非线性和噪声具有较高的容忍度，能够有效地提高系统性能。
2低速高精度Sigma-Delta调制器的设计2.1设计原理Sigma-Delta调制器的设计原理主要包括两个关键步骤：过采样和数字滤波。
临频差分调制技术研究
第21期2023年11月无线互联科技Wireless Internet Science and TechnologyNo.21November,2023作者简介:沈卫康(1961 ),男,江苏南京人,教授,本科;研究方向:电力系统信息通信技术㊂临频差分调制技术研究沈卫康1,张仟凤2(1.南京工程学院,江苏南京210000;2.南京邮电大学,江苏南京210000)摘要:调制技术是通信的基础㊂文章讨论一种在频率域进行差分处理,以提高抗干扰性能的频域差分调制技术㊂它采用多个频率传输一个码元,形成一个合成信号在同一个信道中传输,噪声对该信号干扰时会对多个频点作用,由于多频点信道完全相同,因此其干扰也相似,解调时可利用差分技术降低干扰影响㊂文章研究了2个频率相近载波的临频差分调制(Non -orthogonal Frequency Division Multiplexing ,NFDM ),当输入信噪比为-6DB 时,误码率约为10-4,与信噪比+8DB 时OFDM 的误码率相似,说明NFDM 有很好的抗干扰能力㊂关键词:频域差分调制;临频差分调制;误码率中图分类号:U228.2㊀㊀文献标志码:A0㊀引言㊀㊀在测量一个物理参数时,有时会以某个参数为参考点,同时测量2个或多个参数,再与参考点的值进行对比,以提高测量的精度㊂这种在受到同一种外部因素干扰时,采用对比的方法,扣除干扰影响,以提高测量处理的准确性,常见的方法有差分处理㊂在电子技术领域,典型的差分运算放大器就是常用的一种,它利用差分技术克服干扰源在2个输入端形成的共模干扰,起到了很好的效果㊂在通信领域中,CAN 总线将码元调制成2个具有不同电平的信号传输,在接收端进行差分处理[1],这种方法大大提高了CAN 的抗干扰性能㊂这些例子,都是在时域进行差分处理,以提高信号传递和通信的抗干扰能力㊂如果将码元信号通过多个频率进行调制传输,再在频率域进行差分处理,其抗干扰性能也将得到提高㊂1㊀模型㊀㊀一个码元信号,在频率方面进行多维度调制,形成一个时间序列,如图1所示㊂图1㊀多维调制系统模型图1中码元m 进入调制器M ,经过多维参数M (1),M (2), ,M (N )调制,形成时域信号y (m ,t )在信道上传输㊂各种噪声n (t )耦合进信道,形成带噪信号y '(m ,t ),y '(m ,t )经接收端的解调器D 进行解调,解调参数为D (1),D (2), ,D (N )㊂解调结果为m '㊂y (m ,t )=Mm (1)y '(m ,t )=y (m ,t )+n (t )(2)m '=Dy '(m ,t )(3)由于多维参数M (1),M (2), ,M (N )调制形成的信号为一集合信号s (m ),在系统工作时,n (t )将对其各个调制参数样本产生误差函数Δm (1),Δm (2), ,Δm (N ),如果M (1),M (2), ,M (N )在传输信道上受n (t )干扰基本相似,那么Δm (1),Δm (2), ,Δm (N )就有一定的相似性㊂在解调时,其对各参数进行适当的运算,以减小Δm (1),Δm (2), ,Δm (N )对输出的影响㊂最简单的运算是差分运算,含有差分运算的解调可以形成差分解调㊂实现这种方案模型的关键是设计调制器M 和选择调制参数M (1),M (2), ,M (N ),以及设计解调器D 和选择解调参数D (1),D (2), ,D (N )㊂2㊀临频差分调制㊀㊀临频差分调制是上述模型中最简单的一种实现方案㊂选择2个靠得较近的频率信号,对码元进行调制,由于频率靠得近,噪声对形成的信号y (t )中2个频率的信号的影响非常接近,在解调时利用差分的方法进行处理,可以取得较好的效果㊂这里有2个不同频率的正弦波信号,其频率分别为f c1(角频率为ω1)㊁f c2(角频率为ω2)㊂这2个正弦波信号的幅度有2种电平A 和B 在调制时进行选择㊂NFDM 技术根据初始的码元调整2个频率接近的正弦波幅值,当码元m 在 0 1 之间发生变化时,2条正弦波的幅值发生交变㊂调制器模型简化为:[y ]=[x 1+x 2]x 1x 2éëêêùûúú=A sin ω1t B sin ω1t B sin ω2t A sin ω2t éëêêùûúúm m ➝éëêêùûúú(4)即当码元信号为 1 时,频率为f c1的正弦波幅值为A ,频率为f c2的正弦波幅值为B ;当码元信号为 0 时,频率为f c1的正弦波幅值为B ,频率为f c2的正弦波幅值为A ㊂只有发生码元变化时,幅值才会交变,码元时间内,幅值不发生变化㊂Y l (t )=Asin 2πf c 1t +Bsin 2πf c 2tY 0(t )=Bsin 2πf c 1t +Asin 2πf c 2t{(5)式(5)中,Y l (t )代表 1 码元的调制信号,Y 0(t )代表 0 码元的调制信号㊂4个码元 1010 其调制后的波形如图2所示,图中仿真分析时有2个支路分别产生2种频率的信号,上支路是信号频率为f c1的调制信号x 1(t ),下支路信号频率为f c2的调制信号x 2(t )㊂图2㊀码元1010调制后的波形图2中最下面那张图是对应二进制值为 1010 的码元m ,合成后的已调制信号y (t )㊂仿真时采用的频率分别为50kHz 和48kHz,A ㊁B 的值分别为2和1㊂这个y (t )信号作为一个整体合成信号,包含了临近的2个载波频率,在信道中传输时2个载波通过相同的路由,各种耦合㊁天线㊁电缆㊁有线无线信道㊁放大㊁滤波等电路环节,在整个信号的传输过程中,虽然也受到外部噪声n (t )的干扰,但这个噪声对y (t )中2个载频信号的干扰模式基本相似㊂这为在解调中进行简单差分处理的思想创造了条件㊂3㊀NFDM 的功率谱㊀㊀设基带信号如式(6),a n 为第n 个码元所对应的电平值(0或+1),T B 为码元持续时间,g (t )为矩形波形[2]㊂s (t )=ð+ɕn =-ɕa n g (t -nT B )(6)双边随机序列s (t )的功率谱密度如式(7):P s (f )=f B P (1-P )|G 1(f )-G 2(f )|2+ð+ɕm =-ɕ|f B [PG 1(mf B )-(1-P )G 2(mf B )]|2δ(f -mf B )(7)p NFDM (f )=(A +B )T 16[sin πT B (f -f 0)πT B (f -f 0)]+(A +B )16δ(f -f 0)+(A +B )T B 16[sin πT B (f -f 1)πT B (f -f 1)]+(A +B )16δ(f -f 1)(8)如图3所示,带宽为|f c 1-f c 2|+2R B ㊂图3㊀NFDM 已调信号频谱4㊀NFDM 信号的解调㊀㊀NFDM 调制2个载波信号共同代表一个码元,解调时又要进行差分处理[3],因此可以构建一个简单的相干函数,如式(9)所示,式中的减号实现了差分运算㊂[sin(w 1t )-sin(w 2t )](9)假设发送端的信号经过信道后,输入噪声为高斯白噪声㊂高斯白噪声经过带通滤波器输出为窄带高斯白噪声,n (t )=n c (t )cos w c t -n i (t )sin w c t (10)则,信号加噪声通过带通滤波器的输出波形可以表示为r (t ),如式(11):r (t )=A sin w 1t +B sin w 2t +n (t )B sin w 1t +A sin w 2t +n (t ){(11)发送码元 1 时:y 1(t )=ʏ(m +1)T BmT Br 1(t )ˑ(sin w 1t -sin w 2t )dt =ʏ(m +1)T BmT BA sin w 1t sin w 1t +B sin w 2t sin w 1t -A sin w 1t sin w 2t -B sin w 2t sin w 2tn c (t )cos w c t sin w 1t -n c (t )cos w c t sin w 2t -n i (t )sin w c t sin w 1t +n i (t )sin w c t sin w 2tdt ʈT B2(A -B )(12)当发送码元为0时:y 2(t )=ʏT B0r 0(t )ˑ(sin w 1t -sin w 0t )dt ʈT B 2(B -A )(13)进行判决,得到解调信号x (t ),大于0判 1 码,小于0判 0 码㊂x (t )=a (A -B )>0,判为"1"码a (B -A )<0,判为"0"码{(14)可以看出,这种新型的利用三角函数正交性的差分相干解调,利用幅值对信号进行抽样判决,解调设备成本低㊂如图4所示为解调过程的MATLAB 仿真,调制码元为1010㊂图4㊀NFDM 解调信号5㊀NFDM 误码率分析㊀㊀已知y (t )=ʏT B0(r (t )+n (t ))(sin w 1t -sin w 2t )dt ,当y (t )>0,判为 1 ;y (t )<0,判为 0 ㊂发生错误的情况是,接收端收到 0 码元后,y (t )>0,判为 1 码,即p (0/1);接收端收到 1 码元,y (t )<0,判为 1 码元,即p (1/0)㊂以接收端收到 0 码元,判为 1 码元为例㊂y (t )=ʏT B(r 0(t )+n (t ))(sin w 1-sin w 2t )dt >0(15)ʏT B[B sin w 1t +A sin w 2t +n (t )](sin w 1t -sin w 2t )dt >0(16)化简得:ʏT Bn (t )(sin w 1t -sin 2t )dt >-ʏT B(B sin w 1t +A sin w 2t )(sin w 1t -sin w 2t )dt (17)式中左端是和此码元中的噪声电压随机值n (t )有关的随机量,而右端则仅与先验概率p (0)和p (1),确知信号s 0(t )和s 1(t )以及噪声功率谱密度n 0有关,他们不是随机量㊂因此,使用随机量ξ表示左端,使用常量a 表示右端,则上述错误概率可以简写为:ξ>a (18)式(18)中:ξ=ʏT B0n (t )(sin w 1t -sin w 2t )dt(19)a =-ʏT B(B sin w 1t -A sin w 2t )(sin w 1t -sin w 2t )dt =T B 2(A -B )(20)E (ξ)=EʏT B 0n (t )(sin w 1t -sin w 2t )dt {}=ʏT BE [n (t )]㊃(sin w 1t -sin w 2t )dt =0(21)δ2ξ=D (ξ)=E (ξ2)=E ʏT B 0ʏT B0n (t )(sin w 1t -sin w 2t )n (t ι)(sin w 1t ι-sin w 2t ι)dtdt ιìîíïïïüþýïïï=ʏT B 0ʏT BE [n (t )n (t ι)]㊃[(sin w 1t -sin w 2t )(sin w 1t ι-sin w 2t ι)]dtdt ι(22)R n (τ)=ʏɕ-ɕP x (f )e jwτdf =ʏɕ-ɕn 02e jwτdf =n 02δ(τ)(23)δ2ξ=D (ξ)=n 02ʏT B(sin w 1t -sin w 2t )2dt =n 0T B 2(24)P (ξ<a )=12πσξʏa-ɕe-x22σ2ξdx(25)将发送端发送 0 而接收端判定为 1 的条件概率记为p (1/0),即:P (1/0)=P (ξ>a )=12πσξʏ+ɕae-x22σ2ξdx =122πʏ+ɕa 2σe -t 2dt =12erfc (a 2σ)(26)因此,NFDM 先验等概下的误码率可表示为:p e =p (0)p (1/0)+p (1)p (0/1)=12erfc (a2σξ)=12erfc (A -B 2n 0R B)(27)6㊀NFDM 误码率性能仿真比较㊀㊀基于MATLAB 仿真NFDM 信号的调制解调以及误码率与信噪比的关系,在这里设幅值为10V 和5V 的频率f c 1和频率f c 2的正弦载波㊂仿真时通过的信道为高斯白噪声信道㊂信噪比与误码率的关系如图5所示㊂NFDM 在经过理想的滤波器后,差分相干解调后,与其他调制的相干解调的误码率相比,在信噪比为-6dB 的情况下,NFDM 的误码率就达到了10-4,性能很好㊂图5㊀不同信噪比下四种调制方式误码率性能仿真7㊀结语㊀㊀利用NFDM 技术进行通信,有如下几个方面的优点㊂(1)在噪声条件的较为苛刻的情况下,例如电力线载波通信,往往需要增加发射功率,保证通信性能㊂而NFDM 在很差信噪比条件下就可以得到很好的性能,有利于实际应用㊂(2)NFDM 的另一个特点是信号峰均比小㊂如图6所示已调信号的波形可以看出,它的波形峰值,不管是码元 0 还是码元 1 ,波形基本上是一样的,是个很平稳的过程㊂而有些调制方式会有较高的峰均比㊂如图7所示是OFDM 在10个子载波调制时候,出现的一种合成调制波形㊂可以看出信号,信号中会出现很大的冲击峰㊂从负的峰值变化到正的峰值,其变化幅度接近16,而其他大部分信号的峰值为2~4㊂如果在电力线载波通信上应用,这种冲击是会容易耦合进入电气设备㊂在电气设备越来越数字化的今天,这种大的冲击不利于设备的可靠性方面性能的提高㊂图6㊀NFDM调制信号图7㊀10个子载波的OFDM 波形㊀㊀(3)信号峰均比高,对通信设备来说,就是要求其接收和发送部分有较大的功率和信号裕度,AGC 要有较大的范围㊂而NFDM 的信号峰均比为2时就可以得到很好的性能,而且信号平稳,对发射和接收设备的要求较低㊂(4)同时NFDM 实现的算法简单,便于快速运算的实现,生产成本较低㊂参考文献[1]龙志强,李晓龙,窦峰山,等.CAN 总线技术与应用系统设计[M ].北京:机械工业出版社,2013.[2]胡泽文.基于FPGA 的FSK 数字调制系统设计[D ].成都:电子科技大学,2011.[3]樊昌信,曹丽娜.通信原理[M ].北京:国防工业出版社,2012.(编辑㊀沈㊀强)Research on the non -orthogonal frequency division multiplexing technologyShen Weikang 1 Zhang Qianfeng 21.Nanjing Institute of Technology Nanjing 210000 China2.Nanjing University of Posts andTelecommunications Nanjing 210000 ChinaAbstract Modulation technology is the foundation of communication.This paper discusses a differential modulation technique in the frequency domain to improve anti -interference performance.It uses multiple frequencies to transmit a code to form a synthetic signal transmission in the same channel.When the noise interferes with the signal it will act on multiple frequency points.Because the multi -frequency point channel is exactly the same its interference is similar and the difference can be used to reduce the interference influence.In this paper the adjacent frequency differential modulation NFDM of two frequency similar carriers is studied.When the SNR is -6DB its SER is about 10-4 which is similar to the OFDM SER of +8DB SNR indicating that NFDM has good anti -interference ability.Key words frequency domain differential modulation neal frequency differential modulation symbol error rate。
X波段倍频器研究与设计（可编辑）
X波段倍频器研究与设计密级分类号注,论文位学;波段倍频器研究与设计题名和副题名王凯作者姓名指导教师姓名鲍景富教授送都电壬科擅太堂职务、职称、学位、单位名称及地址专业名称申请专业学位级别硕士电路与系统论文答辩日期论文提交日期学位授予单位和日期电壬科撞太堂答辩委员会主席评阅人年月日注:注明《国际十进分类法》的类号。
、‘本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。
与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。
日期:勘/辉,/月弓日日期:勘/辉,/月多日签名:近签名:兰兰亟尘论文使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。
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保密的学位论文在解密后应遵守此规定惫易概导师签名:签名: 童垒竺日期:./年//月多。
日’●摘要摘要随着现代通信业的蓬勃发展,通信系统所需的带宽在不断增加。
在通信频率拥挤的背景下,向毫米波频段方向发展是一种切实可行的方法。
作为电子系统的核心,频率源的特性直接影响着整个系统的性能。
倍频作为频率合成的一种方式,不仅能够降低电子设备的主振频率、扩展工作频段,还以其稳定度高、噪声低、结构简单、体积小易于集成等优点受到青睐。
本论文基于倍频理论,设计了一个倍频信号源。
采用两级倍频的链式结构来实现。
第一级采用无源倍频的方式,先将输入信号功率放大以推动阶跃恢复二极管实现五倍频。
第二级采用有源倍频方式,以晶体场效应三极管实现有增益的二倍频。
每一级倍频电路后均有滤波电路抑制不需要的基波和谐波。
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低流速、低电压微型差分迁移率谱的研究李山;陈池来;朱德泉;王泓伟;刘友江;阮智铭;余建文;朱利凯【摘要】差分迁移率谱(DMS)是面向现场检测的离子迁移谱(IMS)技术发展热点之一,近年来逐渐从气溶胶检测走向物质成分检测,但现阶段存在传统结构导致的流速(＞100 L/min)和电压(＞1 kv)过大问题.本实验采用厚膜工艺制造的窄间隙离子迁移管,以10.6 eV真空紫外灯为电离源,自行研制了低流速(＜7 L/min)、低电压(＜30 V)工作条件的差分迁移率谱(DMS),以丙酮、丁酮、邻二甲苯和对二甲苯等VOCs为检测对象,比较了不同流场条件下差分迁移率谱的分辨率、灵敏度变化特性,求解分析了不同离子的离子迁移率.结果表明,鞘气Qs和载气Qa流速比Qs/Qa 是DMS分辨率和灵敏度的关键参数,当流速比Qs/Qa=3 ～9时,所有物质信号强度单调递增;Q/Qa＞9时,单调递减.分辨率在Qs/Qa=3 ～6时,单调递增;Qs/Qa=6～ 10时,增长速率逐渐降低并趋向饱和;Qs/Qa＞10时,出现不稳定跳变.通过总流量Q和分离电压K关系求解出的不同物质离子迁移率(K)与参考值符合程度极高,误差小于3％.另外,在S/N=3条件下,丁酮检出限可达0.6 μg/L.本工作为应用于物质成分现场检测的差分迁移率谱技术提供了微型化和工作条件优化基础.【期刊名称】《分析化学》【年(卷),期】2015(043)012【总页数】6页(P1814-1819)【关键词】差分迁移率谱;现场检测;微型化;低流速;低电压【作者】李山;陈池来;朱德泉;王泓伟;刘友江;阮智铭;余建文;朱利凯【作者单位】安徽农业大学工学院,合肥230030;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;安徽农业大学工学院,合肥230030;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学技术大学自动化系,合肥230027;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学技术大学自动化系,合肥230027;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院传感技术国家重点实验室,合肥230031【正文语种】中文离子迁移谱（Ion mobility spectrometry,IMS）[1]是一类基于气态离子的离子迁移率差别,利用流场和电场共同作用实现物质离子识别的分析技术,具有分析速度快、灵敏度高等优点,在化学战剂、爆炸物、毒品、麻醉剂、挥发性有机物、生物小分子等痕量检测领域具有独特的优势和广泛的应用[2～4]。
目前,已有多个研究组在离子门和离子聚焦研究方面取得突破性研究成果[5～7]。
近年来,飞行时间离子迁移谱（Drift time ionmobility spectrometry,DTIMS）在分辨率、灵敏度等关键性能上均取得了长足进展[8],其应用也从公共安全逐渐拓展至基质更加复杂的食品安全、环境污染等领域；美国墨西哥州立大学Eiceman、英国剑桥大学Billy等研究组开创性地将微机电系统（Micr o-electr o-mechanical system, MEMS）工艺引入高场不对称波形离子迁移谱（High-field asymmetric ionmobility spectrometry,FAIMS）离子迁移管加工[9],系统地解决了该技术核心器件微型化问题,极大推动了该技术的现场检测应用。
作为应用和研究最广泛的离子迁移谱,DTIMS和FAIMS在现场检测上同样存在难以解决的重大问题,如DTIMS高度均匀的离子牵引电场需求带来的离子迁移管微型化困难问题,FAIMS高频高幅值非对称离子分离电场需求带来的电源体积和功率过大问题等。
随着现场检测需求的增加以及技术的发展,近年出现了大量不同原理工作方式的离子迁移谱,如行波离子迁移谱（Traveling wave ion mobilityspectrometry,TWIMS）、吸气式离子迁移谱（Aspiration ion mobility spectrometry,AIMS）、离子阱迁移谱（Trapped ion mobility spectrometry,TIMS）、差分迁移率谱（Differentialmobility spectrometry,DMS）等,其中DMS由于结构简单而成为研究热点。
差分迁移率谱也被称为电气溶胶分析仪（Electrical aerosol analyzer,EAA）、差分电迁移率分析仪（Differentialmobility analyzer,DMA）、差分迁移率粒径分析仪（Differentialmobility particle sizer,DMPS）等[10,11]。
其工作原理如图1a所示,带电粒子受横向气流和纵向电场的双重作用,不同迁移率的带电粒子因纵向速度的差别而具有不同的运动轨迹,在分离电压产生的电场作用下被分离并到达探测器被检测。
该技术具有结构和工作方式简单、离子利用率高、检测连续等一系列优势,是一种气溶胶粒径检测的标准工具,而随着该技术检测粒径下限的逐渐拓展以及离子迁移谱现场检测需求的增加,该技术已开始应用于物质成分检测领域。
1998年,Chen等[12]设计了一款圆柱形低离子损耗DMS,通过减少气溶胶经过通道时间,在高电压条件下（～8 kV）,将DMS检测气溶胶粒径范围从亚微米拓宽至3～50 nm,这为该技术应用于物质成分分析奠定了基础；2001年,Bacher等[13]首次采用电喷雾离子源,在高电压条件下（～10 kV）,将DMS成功地应用于多肽和蛋白质等大分子物质的分离检测,该工作推动了后续DMS技术与生物质谱技术的广泛联用；2013年,Pomareda等[14]采用平板型 DMS,在控制流速为160 L/min和分离电压为1～4 kV条件下,对丙酮和甲苯等挥发性有机物进行检测,并基于多变量数据处理对其进行定量和定性分析。
可以看出,DMS已从颗粒物、气溶胶检测逐渐延伸至了物质成分分析。
然而,由于受限于传统结构尺寸,该离子迁移谱工作需要高电压（＞1 kV）、大流速（＞100 L/min）等苛刻的条件要求,这制约了其现场检测优势的发挥。
本实验采用厚膜工艺,制作了微型的平板型差分迁移率谱,在低流速（＜7 L/min）、低电压（＜30 V）工作条件下,对丙酮和丁酮等挥发性有机物进行了检测分析,研究了流场分布与分辨率、灵敏度的关联,通过谱图峰解析获得了不同物质的离子迁移率,获得了该仪器的检测下限。
本工作为差分迁移率谱痕量物质现场检测应用提供了微型化结构和优化参数。
2.1 仪器与试剂实验采用自行研制的微型差分迁移率谱仪,如图1所示。
其中微型差分迁移率谱仪长度为30 mm,宽度为20 mm,高度为15 mm,质量为7.6㎏；电离源为贺利氏公司生产的10.6 eV真空紫外灯；离子收集采用法拉第桶结构；DMS迁移管电极5 mm×10 mm×1 mm（l×w×h）,离子入口处狭缝宽度y和离子出口处狭缝宽度f均为0.5 mm；分离电压为直流扫描电压,电压变化范围为±30 V；弱电流检测器噪声为0.01 pA。
以高纯氮气（纯度为99.99％,南京上元工业气体厂）为载气。
丙酮、丁酮、邻二甲苯和对二甲苯（分析纯,国药集团化学试剂有限公司）。
2.2 条件与方法在实验温度20℃的条件下,采用扩散法[15]配制不同浓度的样品。
样品载气Qa和鞘气Qs均通过活性炭、硅胶和13×分子筛进行干燥和过滤,且通过流量阀和流量计进行调控和监测样品载气和鞘气,分别设定为Qa=0.5 L/min、Qs=1.5～6.0L/min。
3.1 鞘气与载气对样品信号强度的影响分析样品在气流牵引和分离电压共同作用下所获得的谱图（图2）信息,获得流速比Qs/Qa与样品信号强度的关系,结果见图3。
从图3可见,在不同流速比下,样品信号强度变化趋势主要分为两部分。
在Qs/Qa=3～9时,丙酮、丁酮、邻二甲苯和对二甲苯样品信号强度随流速比增加而单调递增,且增长速率逐渐降低；当Qs/Qa ＞9时,样品信号强度逐渐降低。
一般认为,影响样品信号强度的主要原因是离子扩散、离子复合以及局部流场紊乱[16]。
当总流量Q增加时,离子通过迁移区时间减少,离子扩散与离子复合损耗同时减少,从而样品信号强度随之单调增加；当总流量Q进一步增大,离子扩散与离子复合作用开始减弱,信号强度趋向饱和；当总流量Q 过大时,样品信号强度降低并出现不稳定,这可能来自载气鞘气汇合时发生的气流紊乱。
3.2 鞘气与载气对分辨率的影响DMS分辨率是衡量其检测能力的重要性能参数,定义为谱图峰值点电压与半峰宽（Full width half maximum,FWHM）之比。
图4为DMS分辨率随Qs/Qa变化图,可以看出,丙酮、丁酮、邻二甲苯和对二甲苯分辨率在Qs/Qa=3～6时单调递增；Qs/Qa=6～10时,分辨率趋于稳定；在Qs/Qa=10～12时,邻二甲苯和对二甲苯分辨率增加,丙酮和丁酮分辨率降低,且出现不稳定现象。
这可以通过理论计算得到解释,在差分迁移率谱中,分辨率R[17]为：式中,k为玻尔兹曼常数,T为温度,e为基元电荷。
图5为样品丁酮总流量Q与分离电压Vd的关系曲线,分离电压Vd随着总流量Q的增加而单调递增,因此分辨率R随总流量增加而增大,但增大速率逐渐减小,分辨率趋向稳定。
当总流量Q过大时,载气Qa和鞘气Qs汇合时,出现气流紊乱现象,造成分辨率不稳定。
3.3 样品离子迁移率K的求解DMS对物质离子的判断来自基于谱图分析得到的离子迁移率信息,在DMS中,离子迁移率可以表达为：K=（Qa+Qs）h/（Vd×l×w）（2）式中,K为离子的迁移率,Qa为样品载气流量,Qs为鞘气流量,Vd为分离电压,l,w和h分别为迁移区长宽高尺寸。
总结出总流量Q和分离电压Vd的关系如图6所示,将其中的拟合直线斜率值代入公式（2）中,结合已知的迁移区长宽高参数,求解出丙酮、丁酮、邻二甲苯、对二甲苯的离子的低场迁移率K分别为1.84,1.62,1.91和1.95 cm2/（V·s）。
离子迁移谱实验值与参考值[18]比较结果见图7。
可以看出,参考值与实验值符合度非常高,最大偏差仅2.9％。
3.4 检出限的测定挥发性有机物VOCs检测时通常含量很低,因而要求检测仪器有很低的检出限,本研究通过扩散法分别配制了浓度为3.0,1.8,1.2和0.6μg/L的丁酮。