MPEG-2是MPEG組織在1994年為了高級工業(yè)標準的圖象質(zhì)量以及更高的傳輸率所提出的視頻編碼標準，其優(yōu)秀性使之成為過去十年應用最為廣泛的標準，也是未來十年影響力最為廣泛的標準之一。 本文以MPEG-2視頻標準為研究內(nèi)容，建立系統(tǒng)級設計方案，設計FPGA原型芯片，并在FPGA系統(tǒng)中驗證視頻解碼芯片的功能。最后在0.18微米工藝下實現(xiàn)ASIC的前端設計。完成的主要工作包括以下幾個方面： 1.完成解碼系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)的設計，采用了自頂而下的設計方法，實現(xiàn)系統(tǒng)的功能單元的劃分；根據(jù)其視頻解碼的特點，確定解碼器的控制方式；把視頻數(shù)據(jù)分文幀內(nèi)數(shù)據(jù)和幀間數(shù)據(jù)，實現(xiàn)兩種數(shù)據(jù)的并行解碼。 2.實現(xiàn)了具體模塊的設計：根據(jù)本文研究的要求，在比特流格式器模塊設計中提出了特有的解碼方式；在可變長模塊中的變長數(shù)據(jù)解碼采用組合邏輯外加查找表的方式實現(xiàn)，大大減少了變長數(shù)據(jù)解碼的時間；IQ、IDCT模塊采用流水的設計方法，減少數(shù)據(jù)計算的時間：運動補償模塊，針對模塊數(shù)據(jù)運算量大和訪問幀存儲器頻繁的特點，采用四個插值單元同時處理，增加像素緩沖器，充分利用并行性結(jié)構(gòu)等方法來加快運動補償速度。 3.根據(jù)視頻解碼的參考軟件，通過解碼系統(tǒng)的仿真結(jié)果和軟件結(jié)果的比較來驗證模塊的功能正確性。最后用FPGA開發(fā)板實現(xiàn)了解碼系統(tǒng)的原型芯片驗證，取得了良好的解碼效果。 整個設計采用Verilog HDL語言描述，通過了現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的原型驗證，并采用SIMC0.18μm工藝單元庫完成了該電路的邏輯綜合。經(jīng)過實際視頻碼流測試，本文設計可以達到MPEG-2視頻主類主級的實時解碼的技術(shù)要求。
上傳時間： 2013-07-27
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現(xiàn)代數(shù)字信號處理對實時性提出了很高的要求，當最快的數(shù)字信號處理器(DSP)仍無法達到速度要求時，唯一的選擇是增加處理器的數(shù)目，或采用客戶定制的門陣列產(chǎn)品。隨著可編程邏輯器件技術(shù)的發(fā)展，具有強大并行處理能力的現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)在成本、性能、體積等方面都顯示出了優(yōu)勢。本文以此為背景，研究了基于FPGA的快速傅立葉變換、數(shù)字濾波、相關(guān)運算等數(shù)字信號處理算法的高效實現(xiàn)。 首先，針對圖像聲納實時性的要求和FPGA片內(nèi)資源的限制，設計了級聯(lián)和并行遞歸兩種結(jié)構(gòu)的FFT處理器。文中詳細討論了利用流水線技術(shù)和并行處理技術(shù)提高FFT處理器運算速度的方法，并針對蝶形運算的特點提出了一些優(yōu)化和改進措施。 其次，分析了具有相同結(jié)構(gòu)的數(shù)字濾波和相關(guān)運算的特點，采用了有乘法器和無乘法器兩種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)乘累加(MAC)運算。無乘法器結(jié)構(gòu)采用分布式算法(DA)，將乘法運算轉(zhuǎn)化為FPGA易于實現(xiàn)的查表和移位累加操作，顯著提高了運算效率。此外，還對相關(guān)運算的時域多MAC方法及頻域FFT方法進行了研究。 最后，完成了圖像聲納預處理模塊。在一片EP2S60上實現(xiàn)了對160路信號的接收、濾波、正交變換以及發(fā)送等處理。實驗表明，本論文所有算法均達到了設計要求。
標簽： FPGA 數(shù)字信號處理 算法研究
上傳時間： 2013-06-09
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測量技巧萬用表實用測量技法與故障檢修電子技能基礎
上傳時間： 2013-05-18
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本文對基于FPGA的對象存儲控制器原型的硬件設計進行了研究。主要內(nèi)容如下： ⑴研究了對象存儲控制器的硬件設計，使其高效完成對象級接口的智能化管理和復雜存儲協(xié)議的解析，對對象存儲系統(tǒng)整體性能提升有重要意義?；赟oPC(片上可編程系統(tǒng))技術(shù)，在FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上實現(xiàn)的對象存儲控制器，具有功能配置靈活，調(diào)試方便，成本較低等優(yōu)點。 ⑵采用Cyclone II器件實現(xiàn)的對象存儲控制器的網(wǎng)絡接口，包含處理器模塊、內(nèi)存模塊、Flash模塊等核心組成部分，提供千兆以太網(wǎng)的網(wǎng)絡接口和PCI(周邊元件擴展接口)總線的主機接口，還具備電源模塊、時鐘模塊等以保證系統(tǒng)正常運行。在設計實現(xiàn)PCB(印制電路板)時，從疊層設計、布局、布線、阻抗匹配等多方面解決高達100MHz的全局時鐘帶來的信號完整性問題，并基于IBIS模型進行了信號完整性分析及仿真。針對各功能模塊提出了相應的調(diào)試策略，并完成了部分模塊的調(diào)試工作。 ⑶提出了基于Virtex-4的對象存儲控制器系統(tǒng)設計方案，Virtex-4內(nèi)嵌PowerPC高性能處理器，可更好地完成對象存儲設備相關(guān)的控制和管理工作。實現(xiàn)了豐富的接口設計，包括千兆以太網(wǎng)、光纖通道、SATA(串行高級技術(shù)附件)等網(wǎng)絡存儲接口以及較PCI性能更優(yōu)異的PCI-X(并連的PCI總線)主機接口；提供多種FPGA配置方式。使用Cadence公司的Capture CIS工具完成了該系統(tǒng)硬件的原理圖繪制，通過了設計規(guī)則檢查，生成了網(wǎng)表用作下一步設計工作的交付文件。
上傳時間： 2013-04-24
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當前，片上系統(tǒng)(SOC)已成為系統(tǒng)實現(xiàn)的主流技術(shù)。流片風險與費用增加、上市時間壓力加大、產(chǎn)品功能愈加復雜等因素使得SOC產(chǎn)業(yè)逐漸劃分為IP提供者、SOC設計服務者和芯片集成者三個層次。SOC設計已走向基于IP集成的平臺設計階段，經(jīng)過嚴格驗證質(zhì)量可靠的IP核成為SOC產(chǎn)業(yè)中的重要一環(huán)。 GPIB控制器芯片是組建自動測試系統(tǒng)的核心，在測試領(lǐng)域應用廣泛。本人通過查閱大量的技術(shù)資料，分析了集成電路在國內(nèi)外發(fā)展的最新動態(tài)，提出了基于FPGA的自主知識產(chǎn)權(quán)的GPIB控制器IP核的設計和實現(xiàn)。 本文首先討論了基于FPGA的GPIB控制器的背景意義，接著對FPGA開發(fā)所具備的基本知識作了簡要介紹。文中對GPIB總線進行了簡單的描述，根據(jù)芯片設計的主要思想，重點在于論述怎樣用FPGA來實現(xiàn)IEEE-488.2協(xié)議，并詳細闡述了GPIB控制器的十種接口功能及其狀態(tài)機的IP核實現(xiàn)。同時，對數(shù)據(jù)通路也進行了較為細致的說明。在設計的時候采用基于模塊化設計思想，用VerilogHDL語言完成各模塊功能描述，通過Synplifv軟件的綜合，用Modelsim對設計進行了前、后仿真。最后利用生成的模塊符號采取類似畫電路圖的方法完成整個系統(tǒng)芯片的lP軟核設計，并用EDA工具下載到了FPGA上。 為了更好地驗證設計思想，借助EDA工具對GPIB控制器的工作狀態(tài)進行了軟件仿真，給出仿真結(jié)果，仿真波形驗證了GPIB控制器的工作符合預想。最后，本文對基于FPGA的GPIB控制器的IP核設計過程進行了總結(jié)，展望了當前GPIB控制器設計的發(fā)展趨勢，指出了開展進一步研究需要做的工作。
上傳時間： 2013-06-12
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隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡的傳輸速度已經(jīng)由最初的10M發(fā)展到現(xiàn)在的10,000M。用可編程邏輯器件(FPGA)實現(xiàn)以太網(wǎng)控制器與其它SOC系統(tǒng)的互連成為當前的研究熱點。本文闡述了MAC層的FPGA設計、仿真及測試；介紹了整個系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、模塊劃分，并對各個模塊的設計過程進行了詳細闡述，接著介紹了開發(fā)環(huán)境和驗證工具，同時給出測試方案、驗證數(shù)據(jù)、實現(xiàn)結(jié)果及時序仿真波形圖。 對MAC層的主要功能模塊如:發(fā)送模塊、接收模塊、MAC流程控制模塊、寄存器模塊、MⅡ接口模塊和主機接口模塊以及CRC，CSMA/CD，HASH表等算法給出了基于FPGA及硬件描述語言的解決方法。 本課題針對以下三個方面進行了研究并取得一定的成果: 1)FPGA開發(fā)平臺的硬件實現(xiàn)。選用Xilinx公司的XC3S1000-FT256-4-C和ATMEL公司的ARM9200作為測試的核心器件，采用LXT971芯片作為物理層芯片，AT91RM9200作為數(shù)據(jù)輸入源和雙blockram作為幀緩存搭建FPGA硬件驗證開發(fā)平臺。 2)基于FPGA實現(xiàn)以太網(wǎng)控制器。用VerilogHDL語言構(gòu)建以太網(wǎng)控制器，實現(xiàn)CSMA/CD協(xié)議、10M/100M自適應以及與物理層MⅡ接口等。 3)采用片上系統(tǒng)通用的WS接口。目的是便于與具有通用接口的片上系統(tǒng)互連，也為構(gòu)建SOC上處理器提供條件。 本論文實現(xiàn)了一個基于WS總線接口可裁減的以太網(wǎng)MAC控制器IP軟核，為設計具有自主知識產(chǎn)權(quán)的以太網(wǎng)MAC控制器積累了經(jīng)驗。同時，為與其它WS接口的控制器實現(xiàn)直接互連創(chuàng)造了條件，對高層次設計這一先進ASIC設計方法也有了較為深入的認識。
標簽： 10M100M FPGA 以太網(wǎng)控制器
上傳時間： 2013-07-17
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隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，視頻圖像處理技術(shù)近年來得到極大的重視和長足的發(fā)展，其應用范圍主要包括數(shù)字廣播、消費類電子、視頻監(jiān)控、醫(yī)學成像及文檔影像處理等領(lǐng)域。當前視頻圖像處理主要問題是當處理的數(shù)據(jù)量很大時，處理速度慢，執(zhí)行效率低。而且視頻算法的軟件和硬件仿真和驗證的靈活性低。 本論文首先根據(jù)視頻信號的處理過程和典型視頻圖像處理系統(tǒng)的構(gòu)成提出了基于FPGA的視頻圖像處理系統(tǒng)總體框圖；其次選擇視頻轉(zhuǎn)換芯片SAA7113，完成視頻圖像采集模塊的設計，主要分三步完成：1)配置視頻轉(zhuǎn)換芯片的工作模式，完成視頻轉(zhuǎn)化芯片SAA7113的初始化：2)通過分析輸出數(shù)據(jù)流的格式標準，來識別奇偶場信號、場消隱信號和有效行數(shù)據(jù)的開始和結(jié)束信號三種控制信號，并根據(jù)控制信號，用Verilog硬件描述語言編程實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的采集；3)分析SRAM的讀寫控制時序，采用兩塊SRAM完成圖像數(shù)據(jù)的存儲。然后編寫軟件測試文件，在ISE Simulator仿真環(huán)境進行程序測試與運行，并分析仿真結(jié)果，驗證了數(shù)據(jù)采集和存儲的正確性；最后，對常用視頻圖像算法的MATLAB仿真，選擇適當?shù)乃阕?，采用工具MATLAB、System Generator for DSP和ISE，利用模塊構(gòu)建方式，搭建視頻算法平臺，實現(xiàn)圖像平滑濾波、銳化濾波算法，在Simulink中仿真并自動生成硬件描述語言和網(wǎng)表，對資源的消耗做簡要分析。 本論文的創(chuàng)新點是采用新的開發(fā)環(huán)境System Generator for DSP實現(xiàn)視頻圖像算法。這種開發(fā)視頻圖像算法的方式靈活性強、設計周期短、驗證方便、是視頻圖像處理發(fā)展的必然趨勢。
標簽： FPGA 視頻圖像 處理系統(tǒng)
上傳時間： 2013-05-20
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H.264/AVC是國際電信聯(lián)盟與國際標準化組織/國際電工委員會聯(lián)合推出的活動圖像編碼標準，簡稱H.264。作為最新的國際視頻編碼標準，H.264/AVC與MPEG-4、H.263等視頻編碼標準相比，性能有了很大的提高，并已在流媒體、數(shù)字電視、電話會議、視頻存儲等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應用。 本論文的研究課題是基于H.264/AVC視頻編碼標準的CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding，基于上下文的自適應可變長編碼)編碼算法研究及FPGA實現(xiàn)。對于變換后的熵編碼，H.264/AVC支持兩種編碼模式：基于上下文的可變長編碼(CAVLC)和基于上下文的自適應算術(shù)編碼(CABAC，Context-based Adaptive BinaryArithmetic Coding)。在H.264/AVC中，盡管CAVLC算法也是采用了VLC編碼，但是同以往標準不同，它所有的編碼都是基于上下文進行。這種方法比傳統(tǒng)的查單一表的方法提高了編碼效率，但也增加了設計上的困難。 作者在全面學習H.264/AVC協(xié)議和深入研究CAVLC編碼算法的基礎上，確定了并行編碼的CAVLC編碼器結(jié)構(gòu)框圖，并總結(jié)出了影響CAVLC編碼器實現(xiàn)的瓶頸。針對這些瓶頸，對CAVLC編碼器中的各個功能模塊進行了優(yōu)化設計，這些優(yōu)化設計包括多參考塊的表格預測法、快速查找表法、算術(shù)消除法等。最后，用Verilog硬件描述語言對所設計的CAVLC編碼器進行了描述，用EDA軟件對其主要功能模塊進行了仿真，并在Cyclone II系列EP2C20F484的FPGA上驗證了它們的功能。結(jié)果表明，該CAVLC編碼器各編碼單元的編碼速度得到了顯著提高且均能滿足實時通信要求，為整個CAVLC編碼器的實時通信提供了良好的基礎。
上傳時間： 2013-06-22
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H.264/AVC是由國際電信聯(lián)合會的視頻專家組和國際標準化組織的運動圖像專家組組成的聯(lián)合視頻小組制定的下一代視頻壓縮標準。新標準采用了一些先進算法，因此具有優(yōu)異的壓縮性能和極好的網(wǎng)絡親和性，滿足低碼率情況下的高質(zhì)量視頻的傳輸。 H.264/AVC采用的先進算法包括多模式幀間預測、1/4像素精度預測、整數(shù)變換量化、去方塊濾波和熵編碼。本論文著重對整數(shù)變換與量化、去方塊濾波做了研究。整數(shù)變換是一種只有加法和移位的運算，量化可以通過查表和乘法操作就可以完成，避免了反變換的時候失配問題，沒有精度損失；去方塊濾波是一種用來去除低碼率情況下的每個宏塊的塊效應，提高了解碼圖像的外觀。 本文主要從算法研究和硬件實現(xiàn)兩方面著手，在算法研究方面設計了一個可視化測試軟件，在硬件實現(xiàn)方面主要對整數(shù)變換、量化和去方塊濾波做了研究和實現(xiàn)。視頻壓縮技術(shù)的關(guān)鍵在于視頻壓縮算法及其芯片的實現(xiàn)，F(xiàn)PGA可重復使用，設計修改靈活，片內(nèi)資源豐富，具備DSP模塊等優(yōu)勢。在本論文的目標實現(xiàn)部分模塊FPGA的硬件設計，用Verilog完成了關(guān)鍵部分的設計。首先簡要介紹了視頻壓縮基本原理，常用視頻壓縮標準及其特性以及國內(nèi)外的研究動態(tài)，并對H.264標準基本檔次所涉及的核心技術(shù)進行了詳細介紹，兩種分層結(jié)構(gòu)分別討論。其次在掌握了H.264.算法及編解碼流程的基礎上，設計了基于H.264編解碼的可視化軟件平臺。然后詳細介紹了整數(shù)變換、量化、反變換和反量化核心模塊的設計和實現(xiàn)，并在Altera的軟件和開發(fā)板上進行了仿真驗證；對去方塊濾波算法做了軟件研究測試，并給出了一種改進的硬件整體結(jié)構(gòu)設計。最后，對全文工作進行了總結(jié)和對未來研究工作做了展望。我在課題中所做的主要工作有： 1.查閱相關(guān)文獻，熟悉H.264.標準及整數(shù)變換、量化和去方塊濾波等算法。 2.用VC++完成了基于H.264編解碼的可視化軟件平臺設計。 3.用Verilog完成了整數(shù)變換量化、反變換反量化模塊FPGA設計與驗證。 4.去方塊濾波器的算法研究、仿真和硬件整體結(jié)構(gòu)設計。
上傳時間： 2013-04-24
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H.264作為新一代視頻編碼標準，相比上一代視頻編碼標準MPEG2，在相同畫質(zhì)下，平均節(jié)約64﹪的碼流。該標準僅設定了碼流的語法結(jié)構(gòu)和解碼器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)靈活性極大，其規(guī)定了三個檔次，每個檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應用，因此。H.264的編碼器的設計可以根據(jù)需求的不同而不同。 H.264雖然具有優(yōu)異的壓縮性能，但是其復雜度卻比一般編碼器高的多。本文對H.264進行了編碼復雜度分析，并統(tǒng)計了整個軟件編碼中計算量的分布。H.264中采用了率失真優(yōu)化算法，提高了幀內(nèi)預測編碼的效率。在該算法下進行幀內(nèi)預測時，為了得到一個宏塊的預測模式，需要進行592次率失真代價計算。因此為了降低幀內(nèi)預測模式選擇的計算復雜度，本文改進了幀內(nèi)預測模式選擇算法。實踐證明，在PSNR值的損失可以忽略不計的情況下，該算法相比原算法，幀內(nèi)編碼時間平均節(jié)約60﹪以上，對編碼的實時性有較大幫助。 為了實現(xiàn)實時編碼，考慮到FPGA的高效運算速度和使用靈活性，本文還研究了H.264編碼器基本檔次的FPGA實現(xiàn)。首先研究了H.264編碼器硬件實現(xiàn)架構(gòu)，并對影響編碼速度，且具有硬件實現(xiàn)優(yōu)越性的幾個重要部分進行了算法研究和FPGA.實現(xiàn)。本文主要研究了H.264編碼器中整數(shù)DCT變換、量化、Zig-Zag掃描、CAVLC編碼以及反量化、逆整數(shù)DCT變換等部分。分別對這些模塊進行了綜合和時序仿真，并將驗證后通過的系統(tǒng)模塊下載到Xilinx virtex-Ⅱ Pro的FPGA中，進行了在線測試，驗證了該系統(tǒng)對輸入的殘差數(shù)據(jù)實時壓縮編碼的功能。 本文對H.264編碼器幀內(nèi)預測模式選擇算法的改進，算法實現(xiàn)簡單，對軟件編碼的實時性有很大幫助。本文對在單片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)H.264編碼器做出了探索性嘗試，這對H.264編碼器芯片的設計有著積極的借鑒性。
上傳時間： 2013-06-13
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