FPGA作為新一代集成電路的出現，引起了數字電路設計的巨大變革。隨著FPGA工藝的不斷更新與改善，越來越多的用戶與設計公司開始使用FPGA進行系統開發，因此，PFAG的市場需求也越來越高，從而使得FPGA的集成電路板的工藝發展也越來越先進，在如此良性循環下，不久的將來，FPGA可以主領集成電路設計領域。正是由于FPGA有著如此巨大的發展前景與市場吸引力，因此，本文采用FPGA作為電路設計的首選。 @@ 隨著FPGA的開發技術日趨簡單化、軟件化，從面向硬件語言的VHDL、VerilogHDL設計語言，到現在面向對象的System Verilog、SystemC設計語言，硬件設計語言開始向高級語言發展。作為一個軟件設計人員，會很容易接受面向對象的語言?，F在軟件的設計中，算法處理的瓶頸就是速度的問題，如果采用專用的硬件電路，可以解決這個問題，本文在第一章第二節詳細介紹了軟硬結合的開發優勢。另外，在第一章中還介紹了知識產權核心（IP Core）的發展與前景，特別是IP Core中軟核的設計與開發，許多FGPA的開發公司開始爭奪軟核的開發市場。 @@ 數字電路設計中最長遇到的就是通信的問題，而每一種通信方式都有自己的協議規范。在CPU的設計中，由于需要高速的處理速度，因此其內部都是用并行總線進行通信，但是由于集成電路資源的問題，不可能所有的外部設備都要用并行總線進行通信，因此其外部通信就需要進行串行傳輸。又因為需要連接的外部設備的不同，因此就需要使用不同的串行通信接口。本文主要介紹了小型CPU中常用的三種通信協議，那就是SPI、I2C、UART。除了分別論述了各自的通信原理外，本文還特別介紹了一個小型CPU的內部構造，以及這三個通信協議在CPU中所處的位置。 @@ 在硬件的設計開發中，由于集成電路本身的特殊性，其開發流程也相對的復雜。本文由于篇幅的問題，只對總的開發流程作了簡要的介紹，并且將其中最復雜但是又很重要的靜態時序分析進行了詳細的論述。在通信協議的開發中，需要注意接口的設計、時序的分析、驗證環境的搭建等，因此，本文以SPI數據通信協議的設計作為一個開發范例，從協議功能的研究到最后的驗證測試，將FPGA 的開發流程與關鍵技術等以實例的方式進行了詳細的論述。在SPI通信協議的開發中，不僅對協議進行了詳細的功能分析，而且對架構中的每個模塊的設計都進行了詳細的論述。@@關鍵詞：FPGA；SPI；I2C；UART；靜態時序分析；驗證環境
上傳時間： 2013-04-24
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互感器是電力系統中電能計量和繼電保護中的重要設備，其精度和可靠性與電力系統的安全性、可靠性和經濟運行密切相關。隨著電力工業的發展，傳統的電磁式互感器已經暴露出一系列的缺陷，電子式互感器能很好的解決電磁式互感器的缺點，電子式互感器逐步替代電磁式互感器代表著電力工業的發展方向。目前，國產的互感器校驗儀主要是電磁式互感器校驗儀，電子式互感器校驗儀依賴于進口。電子式互感器的發展，使得電子式互感器校驗儀的研制勢在必行。 本課題依據國際標準IEC60044-7、IEC60044-8和國內標準GB20840[1].7-2007、GB20840[1].8-2007，設計了電子式互感器檢驗儀。該校驗儀采用直接法對電子式互感器進行校驗，即同時測試待校驗電子式互感器和標準電磁式互感器二次側的輸出信號，比較兩路信號的參數，根據比較結果完成電子式互感器的校驗工作。論文首先介紹了電子式互感器結構及輸出數字信號的特征，然后詳細論述了電子式互感器校驗儀的硬件及軟件設計方法。硬件主要采用FPGA技術設計以太網控制器RTL8019的控制電路，以實現電子式互感器信號的遠程接收，同時設計A/D芯片MAX125的控制電路，以實現標準電磁式互感器模擬輸出的數字化。軟件主要采用FPGA的SOPC技術，研制了MAX125和RTL8019的IP核，在NiosIIIDE集成開發環境下，完成對硬件電路的底層控制，運用準同步算法和DFT算法開發應用程序實現對數字信號的處理。最終完成電子式互感器校驗儀的設計。 最后進行了相關的實驗，所研制的電子式互感器校驗儀對0.5準確級的電子式電壓互感器和0.5準確級電子式電流互感器分別進行了校驗，對其額定負荷的20％、100％、120％點做為測量點進行測量。經過對實驗數據的處理分析可知，校驗儀對電子式互感器的校驗精度滿足0.5％的比差誤差和20’的相位差。本課題的研究為電子式互感器校驗儀的研制工作提供了理論和實踐依據。
上傳時間： 2013-04-24
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數字高清電視是當前世界上最先進的圖像壓縮編碼技術和數字傳輸技術的結合，是高技術競爭的焦點之一。其中，信道處理系統及其相關芯片更是集中了數字信號處理、前向糾錯編解碼等數字電視傳輸的核心技術，成為設計和開發整個數字電視系統的關鍵技術之一。本文以衛星數字電視的信道處理系統為對象，結合國際通行的DVB-S/S2標準，研究了該系統在發射端的設計與實現所涉及到的一系列內容。 本文介紹了數字電視的發展概況和主要標準，特別是對我國衛星電視的發展進行了詳細的介紹。然后，本文DVB-S/S2信道處理系統的基本原理進行了介紹和分析，主要包括RS碼、卷積碼、BCH碼、LDPC碼等的差錯編碼的基本原理，以及基帶信號處理的基本原理。在此基礎上對兩種系統的傳輸性能和DVB-S2的后向兼容系統分別進行了基于Matlab的仿真。最后闡述了基于FPGA的DVB-S調制器的信道編碼和調制實現，按功能對DVB-S/S2信道編碼過程進行模塊分解，并針對每個模塊進行工作原理分析、算法分析、HDL描述、時序仿真及FPGA實現。DVB-S/S2調制器的核心是信道編碼和調制部分，利用FPGA在數字信號處理方面的優勢，本文重點對其中的幾個關鍵模塊，包括RS編碼、卷積交織器、卷積編碼、BCH編碼、LDPC編碼等的實現算法進行了比較詳細的分析，并通過HDL描述和時序仿真來驗證算法正確性。
上傳時間： 2013-07-10
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衛星導航定位系統可以為公路、鐵路、空中和海上的交通運輸工具提供導航定位服務。它能夠軍民兩用，戰略作用與商業利益并舉。只要持有便攜式接收機，則無論身處陸地、海上還是空中，都能收到衛星發出的特定信號。接收機選取至少四顆衛星發出的信號進行分析，就能確定接收機持有者的位置。 GPS導航定位接收機的理論基礎即是擴頻通信理論，擴頻通信技術與常規的通信技術相比，具有低截獲率，強抗噪聲，抗干擾性，具有信息隱蔽和多址通信等特點，目前己從軍事領域向民用領域迅速發展，成為進入信息時代的高新技術通信傳輸方式之一。擴頻通信技術中，最常見的是直接序列擴頻通信(DSSS)系統，本文所研究的就是這一類系統。 目前在衛星信號的捕獲上一般使用兩種方法：順序捕獲方法(時域法，基于大規模并行相關器)和并行捕獲方法(頻域法，基于FFT)。本文在第二章分別分析了現有順序捕獲和并行捕獲技術的原理，并給出了它們的優缺點。 本文第三章對長碼的直接捕獲進行了深入的研究，基于對國內外相關文獻中長碼直捕方法的分析與對比，并且結合在實際過程中硬件資源需求的考慮，應用了基于分段補零循環相關和FFT搜索頻偏的直捕方法。此方法大大減少了計算量，加快了信號捕獲的速度。本方法利用FFT實現接收信號與本地長碼的并行相關，同時完成頻偏的搜索，將傳統的二維搜索轉換為并行的一維搜索，從而能快速實現長碼捕獲。 GPS信號十分微弱，靈敏度低，在戰場環境下，GPS接收機會面臨各種人為的干擾。如何從復雜的干擾信號中實現對GPS信號的捕獲，即抗干擾技術的研究，是GPS也是本文研究一個的方面。第四章即研究了GPS接收機干擾抑制算法，在強干擾環境下，需要借助信號處理技術在不增加信號帶寬的條件下提高系統的抗干擾能力，以保證后續捕獲跟蹤模塊有充足的處理增益。 本文在第五章給出了GPS接收機長碼捕獲以及干擾抑制的FPGA實現方案，并對各主要子模塊進行了詳細地分析?；拘徒邮諜C中長碼捕獲采用頻域方法，選用Altera StratixⅡ EP2S180芯片實現；抗干擾型接收機中選用Xilinx xc4vlx100芯片。實現了各模塊的單獨測試和整個系統的聯調，通過聯調驗證，本文提出的長碼直接捕獲方法正確、可行。 本文提出的長碼直捕方法可以在不需要C/A碼輔助捕獲下完成對長碼的直接捕獲，可以應用于GPS接收機，監測站接收機的同步等，對我國自主研發導航定位接收機也有重大的現實及經濟意義。
上傳時間： 2013-06-18
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人臉識別技術繼指紋識別、虹膜識別以及聲音識別等生物識別技術之后，以其獨特的方便、經濟及準確性而越來越受到世人的矚目。作為人臉識別系統的重要環節—人臉檢測，隨著研究的深入和應用的擴大，在視頻會議、圖像檢索、出入口控制以及智能人機交互等領域有著重要的應用前景，發展速度異常迅猛。 FPGA的制造技術不斷發展，它的功能、應用和可靠性逐漸增加，在各個行業也顯現出自身的優勢。FPGA允許用戶根據自己的需要來建立自己的模塊，為用戶的升級和改進留下廣闊的空間。并且速度更高，密度也更大，其設計方法的靈活性降低了整個系統的開發成本，FPGA 設計成為電子自動化設計行業不可缺少的方法。 本文從人臉檢測算法入手，總結基于FPGA上的嵌入式系統設計方法，使用IBM的Coreconnect掛接自定義模塊技術。經過訓練分類器、定點化、以及硬件加速等方法后，能夠使人臉檢測系統在基于Xilinx的Virtex II Pro開發板上平臺上，達到實時的檢測效果。本文工作和成果可以具體描述如下： 1. 算法分析：對于人臉檢測算法，首先確保的是檢測率的準確性程度。本文所采用的是基于Paul Viola和Michael J.Jones提出的一種基于Adaboost算法的人臉檢測方法。算法中較多的是積分圖的特征值計算，這便于進一步的硬件設計。同時對檢測算法進行耗時分析確定運行速度的瓶頸。 2. 軟硬件功能劃分：這一步考慮市場可以提供的資源狀況，又要考慮系統成本、開發時間等諸多因素。Xilinx公司提供的Virtex II Pro開發板，在上面有可以供利用的Power PC處理器、可擴展的存儲器、I/O接口、總線及數據通道等，通過分析可以對算法進行細致的劃分，實現需要加速的模塊。 3. 定點化：在Adaboost算法中，需要進行大量的浮點計算。這里采用的方法是直接對數據位進行操作它提取指數和尾數，然后對尾數執行移位操作。 4. 改進檢測用的級聯分類器的訓練，提出可以迅速提高分類能力、特征數量大大減小的一種訓練方法。 5. 最后對系統的整體進行了驗證。實驗表明，在視頻輸入輸出接入的同時，人臉檢測能夠達到17fps的檢測速度，并且獲得了很好的檢測率以及較低的誤檢率。
上傳時間： 2013-07-01
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隨著科學技術的發展與公共安全保障需求的提高，視頻監控系統在工業生產、日常生活、警備與軍事方面的應用越來越廣泛。采用基于 FPGA 的SOPC技術、H．264壓縮編碼技術和網絡傳輸控制技術實現網絡視頻監控系統，在穩定性、功能、成本與擴展性等方面都有著突出的優勢，具有重要的學術意義與實用意義， 本課題所設計的網絡視頻監控系統由以Nios Ⅱ為核心的嵌入式圖像服務器、相關網絡設備與若干PC機客戶端組成。嵌入式圖像服務器實時采集圖像，采用H．264 編碼算法進行壓縮，并持續監聽網絡。PC機客戶端可通過網絡對服務器進行遠程訪問，接收編碼數據，使用H．264解碼算法重建圖像并實時顯示，使監控人員有效地掌握現場情況， 在嵌入式圖像服務器設計階段，本文首先進行了芯片選型與開發平臺選擇。然后構建圖像采集子系統，采用雙緩存乒乓交換的方法設計圖像采集用戶自定義模塊。接著設計雙Nios Ⅱ架構的SOPC系統，闡述了雙軟核設計中定制連接、內存芯片共享、數據搬移、通信與互斥的解決方法。同時完成了網絡服務器的設計，采用μC/OS-Ⅱ進行多任務的管理與調度， H．264視頻壓縮編解碼算法設計與實現是本文的重點。文中首先分析H．264．標準，規劃編解碼器結構。接著設計了16×16幀內預測算法，并設計宏塊掃描方式，采用兩次判決策略進行預測模式選擇。然后設計4×4子塊掃描方式，編寫整數變換與量化算法程序。熵編碼采用Exp-Golomb編碼與CAVLC相結合的方案，針對除拖尾系數之外的非零系數值編碼子算法，實現了一種基于表示范圍判別的編碼方法。最后設計了網絡傳輸的碼流組成格式，并針對編碼算法設計相應解碼算法。使用VC++完成算法驗證，并進行測試，觀察不同參數下壓縮率與失真度的變化。 算法驗證完成后，本文進行了PC機客戶端設計，使其具有遠程訪問、H．264解碼與實時顯示的功能。同時將H．264 編碼算法程序移植到NiosⅡ中，并將嵌入式圖像服務器與若干客戶端接入網絡進行聯合調試，構建完整的網絡視頻監控系統， 實驗結果表明，本系統視頻壓縮率高，監控圖像質量良好，充分證明了系統軟硬件與圖像編解碼算法設計成功。本系統具有成本低、擴展性好及適用范圍廣等優點，發展前景十分廣闊。
上傳時間： 2013-04-24
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當前我國正處在從模擬電視系統向數字電視系統的轉型期，數字電視用戶數量激增，其趨勢是在未來的幾年內數字電視將迅速普及。在應用逐漸廣泛的數字電視系統中，監控數字電視服務正成為一種越來越迫切的需要。然而，目前對于數字電視并沒有合適的監測儀器，因此無法及時方便地診斷出現問題的信號以及隔離需要維修的數字化設備。通常只有當電視屏幕上的圖像消失時我們才知道數字信號系統出了問題。幾乎沒有任何線索可以用來找到問題的所在或原因，碼流分析儀器在這種情況下應運而生。目前在數字電視系統的前端，通過監控了解數字視頻廣播(DVB)信號和服務的狀況從而采取措施比通過觀眾的反映而采取措施要主動和及時得多。傳輸流(TS)的測試設備可使技術人員分析碼流的內部情況，它們在決定未來服務質量和客戶滿意度方面將扮演更重要的角色。 本文著重研究了在DVB廣播電視系統中，DVB-ASI信號的解碼、MPEG-2TS的實時檢錯原理和基于現場可編輯門陣列(FPGA)的實現方法。文章首先闡述了數字電視系統的一些基本概念，介紹了MPEG-2/DVB標準、ETR101 290標準、異步串行接口(ASI)。然后介紹了FPGA的基本概念與開發FPGA所使用的軟件工具。最后根據DVB-ASI接收系統的解碼規則與MPEG-2TS碼流的結構提出了一套基于FPGA的MPEG-2TS碼流實時分析與檢測系統設計方案并予以了實現。 在本系統中，FPGA起著核心的作用，主要完成DVB-ASI的解碼、MPEG-2TS碼流檢錯、以及數字電視節目專有信息(PSI)提取等功能。本文實現的系統與傳統的碼流分析儀相比具有集成度較高、易擴展、便于攜帶、穩定性好、性價比高等優點。
上傳時間： 2013-06-04
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軟件無線電作為一種新的無線通信概念和體制，近年來隨著3G標準的提出，日益受到國內外相關通信廠商的重視。尤其是基于軟件無線電和智能天線技術的TD-SCDMA作為通信史上第一個“中國標準”，有望扭轉多年來我國移動通信制造業的被動局面，是實現信息產業騰飛的一個絕好機會。軟件無線電使得通信體制具有很好的通用性、靈活性和可配置性，并使系統互聯和升級變得容易。本文以軟件無線電中的FIR濾波器為線索，貫穿了信號重構、多抽樣率信號處理、積分梳狀濾波器等理論分析，重點闡釋了FIR濾波器的設計方法及濾波器的FPGA實現等技術問題。 本文首先針對軟件無線電中的多抽樣率信號處理理論進行了討論和分析。討論了軟件無線電中如何實現整數倍抽取、整數倍內插、分數倍抽樣率變換，并分析了網絡結構的等效變換、多相濾波及積分梳狀濾波器的設計理論。 緊接著重點闡述了軟件無線電中FIR濾波器的設計理論，包括窗函數法、頻率抽樣法及等紋波法。分析了各種設計方法所能達到的性能指標及優缺點，并結合工程實例給出了相關的Matlab程序。并對FIR濾波器結構的選擇及系數字長的確定等問題進行了分析。此外，也介紹了在Matlab進行輔助設計時一些常用函數和命令的用法。 本文選用FPGA來實現中頻軟件無線電，FPGA與參數化ASIC、DSP比較有很多優勢，它不但在功耗、體積、成本方面優于參數化ASIC、DSP，而且處理效率高、現場可編程性能良好。不同于DSP的單流處理方式，FPGA是多流并行處理，這種處理方式使FPGA能完成DSP難以實現的許多功能。在簡單介紹了FPGA的一般原理，以及FPGA設計中的關鍵技術和在信號處理中的設計原則以后，重點介紹了FIR濾波器的FPGA實現方法。提出了分布式算法、加法器網絡法以及分段FIFO等實現方法。最后，提出了一種QuartusII與MATLAB聯合仿真的方法。此方法能夠直觀的檢驗濾波器的濾波效果，提高設計效率。并結合工程實例詳盡的介紹了FIR濾波器的設計開發流程。
上傳時間： 2013-04-24
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Turbo碼是一類并行級聯的系統卷積碼，它是在綜合級聯碼、最大后驗概率(MAP)譯碼、軟輸入軟輸出及迭代譯碼等理論基礎上的一種創新。Turbo碼的基本原理是通過對編碼器結構的巧妙設計，多個子碼通過交織器隔離進行并行級聯編碼輸出，增大了碼距。譯碼器則以類似內燃機引擎廢氣反復利用的機理進行迭代譯碼以反復利用有效信息流，從而獲得卓越的糾錯能力。計算機仿真表明，Turbo碼不但在加性高斯噪聲信道下性能優越，而且具有很強的抗衰落、抗干擾能力，當交織長度足夠長時，其糾錯性能接近香農極限。 FPGA(FieldProgrammableGateArray)，即現場可編程門陣列，是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。FPGA技術具有大規模、高集成度、高可靠性、設計周期短、投資小、靈活性強等優點，逐步成為復雜數字硬件電路設計的理想選擇。 本論文以東南大學移動通信實驗室B3G課題組提出的“支持多天線的廣義多載波無線傳輸技術”(MIMO-GMC)為背景，分析了Turbo譯碼算法，并針對MIMO-GMC系統的迭代接收機中所采用的外信息保留和聯合檢測譯碼迭代的特點，完成了采用滑動窗Log-MAP算法的軟輸入、軟輸出的Turbo譯碼器的設計。整個譯碼器模塊的設計采用Verilog語言描述，并在VirtexⅡPro系列FPGA芯片上實現。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著現代信息系統發展，網絡系統尤其是分布式系統日益廣泛地用于各個行業和領域，其中很多的關鍵應用需要基于時間同步進行。傳統采用精準時鐘對設備物理時鐘進行精準調節以達到時鐘同步的方式，以及單純的在局域網內部通過相關時間協議進行時間同步的方式，由于受諸多限制，不能很好地解決分布式精確時鐘同步的問題。然而人們對分布式時間精準度和時間同步的精確度要求越來越高，新型分布式網絡時間同步研究成為一個需要亟待解決的關鍵性問題。既有工程應用價值，也有一定的理論意義。 首先從分布式系統應用的角度出發，首先對GNSS衛星授時、NTP協議、嵌入式系統及uClinux操作系統等理論和技術進行了闡述。重點討論了如何解決分布式系統中的精確授時與同步問題的必要性和工程意義，分析了GNSS衛星授時特點和NTP網絡協議的機制。 其次在充分考慮到網絡同步實時性要求高的特點的基礎上，提出了一種基于GNSS的嵌入式NTP授時服務器的設計架構，對各主要模塊的功能、結構和工作原理進行了功能和性能分析。硬件具體以32位ARMS3C44B0X作為硬件控制核心的微處理器，開發了具有多通信端口的應用電路主板，并集成了GNSS衛星通信模塊。 再次在軟件方面具體對uClinux操作系統底層接口進行了較為深入的分析，在所設計的服務器硬件平臺上移植了uClinux嵌入式操作系統及相關的驅動程序，并采用模塊化的設計思想進行了NTP應用程序的設計與集成，實現了NTP協議的編譯和NTP授時服務，其中對NTP協議主要參數和具體工作過程進行了系統性分析和設置應用。 最后在獲取精準的系統統一時鐘、通過NTP協議提供授時服務的基礎上，結合實際在人工影響天氣通信指揮系統中具體應用，實現了分布式人工降雨火箭彈發射點按命令精確同步進行發射的應用集成。初步測試表明，本文所設計的授時服務器應用情況良好，實現了不同層次分布式應用對于時間精準同步的高要求。
上傳時間： 2013-04-24
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