密集型的矩陣運算在信號處理和圖像處理中被廣泛應用,而且往往需要系統進行實時運算,這就需要系統具有很高的吞吐率。因此尋找矩陣運算的高速實現方法是很有意義的。FPGA的運算速度快并且可以并行運算,和其它矩陣運算的實現方式相比,FPGA有其獨特的優勢。本文主要設計并實現了基于FPGA的各種矩陣運算模塊。 本文首先介紹了矩陣運算的特點和原理,接著討論了FPGA浮點運算單元的VHDL設計方法,在此基礎上,設計了矩陣相乘累加、三角矩陣求逆和一般矩陣分解求逆的運算模塊,給出矩陣階數擴大時各種矩陣運算的分塊實現方法。然后在ModelSim環境下仿真了一般矩陣的求逆模塊,與Maflab仿真結果比較,分析了運算精度、時間復雜度和資源占用情況,在Virtex-4系列FPGA硬件平臺上進行了調試和測試,并通過USB接口將矩陣運算結果送入PC機,驗證了基于FPGA矩陣運算的正確性和可行性。最后對矩陣求逆模塊在雷達信號中的應用作了簡單介紹。
上傳時間: 2013-07-20
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圖像采集和處理技術在機器視覺和圖像分析等諸多領域應用十分廣泛,大部分情況下,采集卡只需將前端相機捕獲的圖像信息正確地傳回計算機即可。但是在要求較高的應用場合需要采集卡能準確控制外部光源和相機,完成圖像采集,預處理,數據傳輸。只有這樣,用戶才可以根據不同的興趣和需求對特定的某些圖像進行采集、傳輸以及處理,以達到某種分析目的。 本文根據國家985二期項目“三維粒子圖像測速系統”的圖像采集與處理需要,設計開發了一款以FPGA為核心控制芯片的嵌入式圖像采集卡。采集卡以FPGA為邏輯和算法實現的核心器件,不僅實現了傳統意義上的圖像采集,而且實現了CCD相機控制和激光器同步曝光功能,打破了以往單純靠增加硬件設備實現同步控制的方法,簡化了系統硬件結構并節約系統成本。此外,在系統中嵌入了圖像增強算法和采用PCI接口與計算機連接滿足了高速采集的要求。同時,采用市場上廣泛應用的Camera Link作為采集卡的圖像輸入接口,提高了系統的通用性、傳輸速率和抗干擾能力,簡化圖像獲取設備和模擬攝像頭之間需要視頻解碼等連接。具有嵌入式處理功能,光源同步和相機控制的采集卡將使機器視覺系統,圖像測速等諸多領域的圖像采集應用變得更為便捷。 論文首先對圖像采集卡系統的組成、整體方案和可行性進行了論證。然后給出了圖像采集卡的硬件設計。在此部分結合整體設計方案,討論芯片的選型問題。根據所選芯片的本身特點,分模塊地對圖像采集卡的硬件設計原理進行了詳細的闡述。接下來是圖像采集卡的軟件設計部分。用VHDL和原理圖結合的方法對FPGA進行編程,實現了圖像采集系統的各個功能模塊。根據圖像采集系統的要求用DriverWorks軟件設計了圖像采集卡的WDM底層驅動程序和上層應用程序。最后是用FPGA實現了帶修改參數的硬件嵌入式圖像處理算法——圖像增強。論文中使用QUARTUS軟件嵌入的邏輯分析儀SignalTap對FPGA設計的模塊進行了硬件調試,給出了調試的時序圖和調試結果,經測試分析該采集卡滿足“三維粒子圖像測速系統”的要求,達到了預期目標。
上傳時間: 2013-04-24
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人體血液成份的無創檢測是生物醫學領域尚未攻克的前沿課題之一,動態光譜法在理論上克服了其它檢測方法難以逾越的障礙——個體差異和測量條件對檢測結果的影響。實現動態光譜檢測,其關鍵在于采集多波長的光電容積脈搏波信號,并對其進行處理。針對動態光譜檢測中信號微弱、信噪比低、處理數據量大的特點,本文設計了基于FPGA和面陣CCD攝像頭的動態光譜數據采集與預處理系統,提高檢測精度,采集出滿足動態光譜信號提取要求的光電脈搏波;并對動態光譜頻域提取法的核心算法FFT的FPGA實現進行研究。 課題提出用高靈敏度的面陣CCD攝像頭替代常規光柵光譜儀中的光電接收器,實現對多波長的光電容積脈搏波的檢測。結合面陣CCD的二維圖像特點,采用信號累加法去除噪聲,提高信號的信噪比。 創新性的提出一種不同于以往的信號累加方法——將處于同一行的視頻信號在采樣過程中直接累加,然后再進行傳輸和存儲。不同于幀累加和異行累加,這種同行累加方式不但大大的提高了信號的信噪比,同時減小了數據的傳輸速度和傳輸量,降低了對存儲器容量的要求,改善了動態光譜信號檢測系統的性能。 針對面陣CCD攝像頭輸出的復合視頻信號的特點,設計視頻信號解調電路,得到高速、高精度的數字視頻信號和準確的視頻同步信號,用于后續的視頻信號采集與處理。 根據動態光譜信號檢測和視頻信號采集的要求,選擇可編程邏輯器件FPGA作為硬件平臺,設計并實現了基于FPGA和面陣CCD攝像頭的光電脈搏波采集與預處理系統。該系統實現了視頻信號的精確定位,通過光譜信號的高速同行累加,實現了光電脈搏波信號的高精度檢測。系統采用基于FPGA的Nios II嵌入式處理器系統,通過對其應用程序的開發,可靠的實現了數據的采集、傳輸和存儲,提高了系統的集成度,降低了開發成本。 為實現動態光譜信號的頻域提取,研究了基于FPGA的FFT實現方案,對各關鍵模塊進行設計,為動態光譜信號的進一步處理打下良好的基礎。 最后,通過實驗證明了系統數據采集的正確性和信號預處理的可行性,得到了符合動態光譜信號提取要求的脈搏波信號。
上傳時間: 2013-04-24
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軟件無線電(Software Radio)具有高度靈活性、開放性,很容易實現與現有和未來多種電臺的兼容,能最大限度的滿足了互聯互通的要求。而基于多相濾波器組的信道化軟件無線電接收技術以其固有的全概率接收、降采樣速率以及其大幅提高運算速率的能力越來越受到重視。本文主要研究了基于現場可編程門陣列(FPGA)的軟件無線電信道化中頻接收技術設計與實現。 首先介紹了軟件無線電的基本概念以及其發展狀況,深入討論了軟件無線電的基本理論,主要介紹了設計中所用到的帶通采樣技術、信號的抽取技術與多相濾波技術。 然后簡要介紹了信道化中頻接收機的射頻(Radio Frequency,RF)前端接收技術,設置寬中頻超外差接收機射頻前端的設計指標,給出了改進的實信號濾波器組低通型實現結構,并依此推導和建立了實信號多相濾波器組信道化中頻接收機的數學模型。 最后基于EP1S80開發平臺實現了實信號多相濾波器組信道化的中頻接收機。給出了多相濾波器、抽取運算、FFT運算、信道劃分以及復乘運算的設計方案。仿真結果表明,該接收機能夠實現對中頻信號的正確接收,驗證了系統設計的可行性。
上傳時間: 2013-06-12
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本文將高效數字調制方式QAM和軟件無線電技術相結合,在大規模可編程邏輯器件FPGA上對16QAM算法實現。在當今頻譜資源日趨緊缺的情況下有很大現實意義。 論文對16QAM軟件實現的基礎理論,帶通采樣理論、變速率數字信號處理相關抽取內插技術做了推導和分析;深入研究了軟件無線電核心技術數字下變頻原理和其實現結構;對CIC、半帶等高效數字濾波器原理結構和性能作了研究;16QAM調制和解調系統設計采用自項向下設計思想;采用硬件描述語言VerilogHDL在EDA工具QuartusII環境下實現代碼輸入;對系統調試采用了算法仿真和在系統實測調試相結合方法。 論文首先對16QAM調制解調算法進行系統級仿真,并對實現的各模塊的可行性仿真驗證,在此基礎上,完成了調制端16QAM信號的時鐘分頻模塊、串并轉換模塊、星座映射、8倍零值內插、低通濾波以及FPGA和AD9857接口等模塊;解調器主要完成帶通采樣、16倍CIC抽取濾波,升余弦滾降濾波,以及16QAM解碼等模塊,實現了16QAM調制器;給出了中頻信號時域測試波形和頻譜圖。本系統在200KHz帶寬下實現了512Kbps的高速數據數率傳輸。論文還對增強型數字鎖相環EPLL的實現結構進行了研究和性能分析。
上傳時間: 2013-07-29
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隨著印制電路板功能的日益增強,結構日趨復雜,系統中各個功能單元之間的連線間距越來越細密,基于探針的電路系統測試方法已經很難滿足現在的測試需要。邊界掃描測試(BST)技術通過將邊界掃描寄存器單元安插在集成電路內部的每個引腳上,相當于設置了施加激勵和觀測響應的內建虛擬探頭,通過該技術可以大大的提高數字系統的可觀測性和可控性,降低測試難度。針對這種測試需求,本文給出了基于FPGA的邊界掃描控制器設計方法。 完整的邊界掃描測試系統主要由測試控制部分和目標器件構成,其中測試控制部分由測試圖形、數據的生成與分析及邊界掃描控制器兩部分構成。而邊界掃描控制器是整個系統的核心,它主要實現JTAG協議的自動轉換,產生符合IEEE標準的邊界掃描測試總線信號,而邊界掃描測試系統工作性能主要取決與邊界掃描控制器的工作效率。因此,設計一個能夠快速、準確的完成JTAG協議轉換,并且具有通用性的邊界掃描控制器是本文的主要研究工作。 本文首先從邊界掃描技術的基本原理入手,分析邊界掃描測試的物理基礎、邊界掃描的測試指令及與可測性設計相關的標準,提出了邊界掃描控制器的總體設計方案。其次,采用模塊化設計思想、VHDL語言描述來完成要實現的邊界掃描控制器的硬件設計。然后,利用自頂向下的驗證方法,在對控制器內功能模塊進行基于Testbench驗證的基礎上,利用嵌入式系統的設計思想,將所設計的邊界掃描控制器集成到SOPC中,構成了基于SOPC的邊界掃描測試系統。并且對SOPC系統進行軟硬件協同仿真,實現對邊界掃描控制器的功能驗證后將其應用到實際的測試電路當中。最后,在基于SignalTapⅡ硬件調試的基礎上,軟硬件結合對整個系統可行性進行了測試。從測試結果看,達到了預期的設計目標,該邊界掃描控制器的設計方案是正確可行的。 本文設計的邊界掃描控制器具有自主知識產權,可以與其他處理器結合構成完整的邊界掃描測試系統,并且為SOPC系統提供了一個很有實用價值的組件,具有很明顯的現實意義。
上傳時間: 2013-07-20
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?開發GAL/PAL的軟件,DOS界面進行行為級仿真,判斷設計的可行性,驗證模塊的功能和設計的debug。然后是調試和分析環境中使用代碼處理箱(verisure/for verilog) (VHDLCover/for VHDL)分析仿真結果,驗證測試級別。
上傳時間: 2013-04-24
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短波通信由于其固有的優點,在無線通信特別是軍事通信中有著很重要的應用,國內外對短波電臺以及高速調制解調器的研究也是相當多,然而有些硬件結構相似的電臺信號特征差異卻很大,這極大地限制了不同電臺間的互通互連。而軟件無線電用軟件代替部分硬件,可以通過不同軟件模塊來實現不同的功能,因此利用軟件無線電,可以在相同的硬件平臺上,實現多種短波數字化業務,而本文重點研究的就是基于軟件無線電的短波串行體制。 首先對短波串行體制標準進行了詳細地研究,并對發射端實現方法進行了具體的說明。其次闡述了中頻數字接收機相關基本理論,在研究信號采樣理論、多速率數字信號處理理論、濾波器設計理論、FPGA硬件數字算法等基礎上,并結合實際應用要求,提出了適合于FPGA實現的數字化中頻處理系統方案,對系統進行了仿真,驗證了系統方案的可行性,然后通過Verilog編程完成了數字下變頻的FPGA實現,效果較好。最后對接收端的基帶處理方法進行了一些探索。
上傳時間: 2013-07-19
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在慣性導航系統中,捷聯式慣性導航系統以其體積小、成本低和可靠性高等優點正逐步取代平臺式慣性導航系統,成為慣性導航系統的發展趨勢。 為了適應捷聯慣性導航系統小型化、低成本和高性能的發展方向,本文設計了DSP與FPGA相結合的系統方案:系統采用MEMS器件和高性能A/D轉換器構成慣性信號檢測單元,FPGA進行I/O控制,DSP完成導航計算。方案綜合考慮了系統成本、計算速度、精度、體積等各方面的因素,并通過GPS、磁航向計等信息融合進一步提高導航精度。 數據采集是捷聯慣導系統設計的關鍵,本文數據采集由信號調理、A/D轉換和。FPGA等幾部分組成。其中,FPGA是整個數據采集部分的核心,其主要功能包括:實現了ADC控制邏輯和時序生成;配置了FIFO寄存器,緩沖了ADC與DSP之間的轉換數據;擴展了UART串口,以實現系統的外部信息接口。在完成電路設計的基礎上,對各功能模塊進行了全面的半實物仿真,驗證了系統方案及各主要功能模塊的可行性。 論文簡述了慣性導航系統的應用背景及發展狀況,介紹了捷聯慣導系統的基本原理,設計了基于DSP/FPGA的捷聯慣導系統方案,實現了系統各部分硬件電路以及FPGA功能模塊,并通過搭建硬件驗證平臺和利用第三方仿真軟件,對傳感器的性能以及FPGA各功能模塊進行了較全面的驗證和仿真。結果表明:基于DSP/FPGA的捷聯慣導系統能夠滿足應用的要求,并在小型化、低成本和高性能等方面有一定的優勢。
上傳時間: 2013-04-24
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高性能ADC產品的出現,給混合信號測試領域帶來前所未有的挑戰。并行ADC測試方案實現了多個ADC測試過程的并行化和實時化,減少了單個ADC的平均測試時間,從而降低ADC測試成本。本文實現了基于FPGA的ADC并行測試方法。在閱讀相關文獻的基礎上,總結了常用ADC參數測試方法和測試流程。使用FPGA實現時域參數評估算法和頻域參數評估算法,并對2個ADC在不同樣本數條件下進行并行測試。 本研究通過在FPGA內部實現ADC測試時域算法和頻域算法相結合的方法來搭建測試系統,完成了音頻編解碼器WM8731L的控制模式接口、音頻數據接口、ADC測試時域算法和頻域算法的FPGA實現。整個測試系統使用Angilent33220A任意信號發生器提供模擬激勵信號,共用一個FPGA內部實現的采樣時鐘控制模塊。并行測試系統將WM8731.L片內的兩個獨立ADC的串行輸出數據分流成左右兩通道,并對其進行串并轉換。然后對左右兩個通道分別配置一個FFT算法模塊和時域算法模塊,并行地實現了ADC參數的評估算法。在樣本數分別為128和4096的實驗條件下,對WM8731L片內2個被測.ADC并行地進行參數評估,被測參數包括增益GAIN、偏移量OFFSET、信噪比SNR、信號與噪聲諧波失真比SINAD、總諧波失真THD等5個常用參數。實驗結果表明,通過在FPGA內配置2個獨立的參數計算模塊,可并行地實現對2個相同ADC的參數評估,減小單個ADC的平均測試時間。FPGA片內實時評估算法的實現節省了測試樣本傳輸至自動測試機PC端的時間。而且只需將HDL代碼多次復制,就可實現多個被測ADC在同一時刻并行地被評估,配置靈活。基于FPGA的ADC并行測試方法易于實現,具有可行性,但由于噪聲的影響,測試精度有待進一步提高。該方法可用于自動測試機的混合信號選項卡或測試子系統。
上傳時間: 2013-06-07
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