現場可編程門陣列(FPGA，Field Programmable Gate Array)是可編程邏輯器件的一種，它的出現是隨著微電子技術的發展，設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商來獨立承擔。系統設計師們更愿意自己設計專用集成電路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)．芯片，而且希望ASIC的設計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應用之中。現在，FPGA已廣泛地運用于通信領域、消費類電子和車用電子。 本文中涉及的I/O端口模塊是FPGA中最主要的幾個大模塊之一，它的主要作用是提供封裝引腳到CLB之間的接口，將外部信號引入FPGA內部進行邏輯功能的實現并把結果輸出給外部電路，并且根據需要可以進行配置來支持多種不同的接口標準。FPGA允許使用者通過不同編程來配置實現各種邏輯功能，在IO端口中它可以通過選擇配置方式來兼容不同信號標準的I/O緩沖器電路。總體而言，可選的I/O資源的特性包括：IO標準的選擇、輸出驅動能力的編程控制、擺率選擇、輸入延遲和維持時間控制等。 本文是關于FPGA中多標準兼容可編程輸入輸出電路(Input/Output Block)的設計和實現，該課題是成都華微電子系統有限公司FPGA大項目中的一子項，目的為在更新的工藝水平上設計出能夠兼容單端標準的I/O電路模塊；同時針對以前設計的I/O模塊不支持雙端標準的缺點，要求新的電路模塊中擴展出雙端標準的部分。文中以低壓雙端差分標準(LVDS)為代表構建雙端標準收發轉換電路，與單端標準比較，LVDS具有很多優點： (1)LVDS傳輸的信號擺幅小，從而功耗低，一般差分線上電流不超過4mA，負載阻抗為100Ω。這一特征使它適合做并行數據傳輸。 (2)LVDS信號擺幅小，從而使得該結構可以在2.5V的低電壓下工作。 (3)LVDS輸入單端信號電壓可以從0V到2.4V變化，單端信號擺幅為400mV，這樣允許輸入共模電壓從0.2V到2.2V范圍內變化，也就是說LVDS允許收發兩端地電勢有±1V的落差。 本文采用0.18μm1.8V/3.3V混合工藝，輔助Xilinx公司FPGA開發軟件ISE，設計完成了可以用于Virtex系列各低端型號FPGA的IOB結構，它有靈活的可配置性和出色的適應能力，能支持大量的I/O標準，其中包括單端標準，也包括雙端標準如LVDS等。它具有適應性的優點、可選的特性和考慮到被文件描述的硬件結構特征，這些特點可以改進和簡化系統級的設計，為最終的產品設計和生產打下基礎。設計中對包括20種IO標準在內的各電器參數按照用戶手冊描述進行仿真驗證，性能參數已達到預期標準。
上傳時間： 2013-05-15
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虛擬儀器技術是以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。目前虛擬儀器大部分是基于PC機，利用PCI等總線技術傳輸數據，數據卡插拔不便，便攜性差。隨著嵌入式技術的飛速發展，嵌入式系統平臺已經應用到各個領域，而市場上的嵌入式虛擬儀器系統還相當少，各種研究工作才剛剛起步，各種高性能的虛擬儀器和處理系統在現代工業控制和科學研究中已成為必不可少的部分。因此在我國開發具有較高性能、接口靈活、功能多樣化、低成本的虛擬儀器裝置勢在必行。 針對目前虛擬儀器系統發展趨勢和特點，采用FPGA技術，進行一種支持多種平臺的高速虛擬儀器系統的設計與研究，并針對高速虛擬儀器系統中的一些技術難點提出解決方案。首先進行了系統的總體設計，確定了采用FPGA作為系統的控制核心，并選取了Labview作為PC平臺應用程序開發工具，利用USB2.0接口來進行數據傳輸；同時選取嵌入式處理器S3C2410以及WinCE作為嵌入式系統硬軟件平臺。隨后進行了各個具體模塊的設計，在硬件方面，分別設計了前端處理電路，ADC電路以及USB接口電路。在軟件方面，進行了FPGA控制程序的設計工作，實現了對各個模塊和接口電路的控制功能。在上層應用程序的設計方面，設計了Labview應用程序，實現了波形顯示和頻譜分析等儀器功能，人機界面良好。在嵌入式平臺上面，進行了WinCE下GPIO驅動程序設計，并在上層應用程序中調用驅動來進行數據的讀取。為了解決高速ADC與數據緩存器的速度不匹配的問題，提出利用多體交叉式存儲器結構的設計方案，并在FPGA內對控制程序進行了設計，對其時序進行了仿真。 最后對系統進行了聯合調試工作，利用上層軟件對輸入波形進行采集。根據調試結果看，該系統對輸入信號進行了較好的采樣和存儲，還原了波形，達到了預期效果。課題研究并且對設計出一種支持多平臺的新型虛擬儀器系統，具有性能好、使用靈活，節省成本等特點，具有較高的研究價值和現實意義。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著人們對于高速無線數據業務的急切需求以及新的無線通信技術的發展，頻譜資源匱乏問題日益嚴重。無線頻譜的緊缺已經成為限制無線通信與服務應用持續發展的瓶頸。認知無線電技術(Cognitive Radio)改變了傳統的固定頻譜分配方式，它以頻譜利用的高效性為目標，允許非授權用戶擇機利用授權用戶的頻譜空洞傳輸數據，以此來解決無線頻譜資源短缺的問題。它是具有自主尋找和使用空閑頻譜資源能力的智能無線電技術。本文的目標是在基于FPGA+DSP的系統硬件平臺上，以軟件編程的方式實現認知無線電數據傳輸的功能。 軟件無線電是實現認知無線電的理想平臺。本文首先闡述了軟件無線電的基本工作原理及關鍵技術途徑，對多速率信號處理中的內插和抽取、帶通采樣、數字下變頻、濾波等技術進行了分析與探討，為設計多速率調制解調系統提供了理論基礎。然后針對軟件無線電的要求給出了基于FPFA+DSP的系統設計硬件框圖，并對其中的部分硬件(FPGA、AD9857、AD9235)做了簡要的描述并給出其初始化過程。在理解基本概念和原理的基礎上，詳細論述了在系統硬件設計平臺上實現的π/4-DQPSK、8PSK、16QAM調制解調技術。本文給出了調制解調系統實現方案中的各個功能模塊(差分編、解碼，加同步頭、內插和成形濾波，下變頻，系統同步等)具體的設計方案和通過硬件編程實現了板級的仿真和最后的硬件實現，并對其中得到的數據進行分析，進一步驗證方案的可行性。最后介紹了通信板同頻譜感知板協同工作原理，依據頻譜感知板獲取的各個信道狀況自適應的選擇π/4-DQPSK、8PSK、16QAM調制解調方式并在FPGA上實現了其中部分功能。
上傳時間： 2013-05-30
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正交頻分復用(OFDM)技術是一種多載波數字調制技術，具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、成本低等特點，適合無線通信的高速化、寬帶化及移動化的需求，將成為下一代無線通信系統(4G)的核心調制傳輸技術。 本文首先描述了OFDM技術的基本原理。對OFDM的調制解調以及其中涉及的特性和關鍵技術等做了理論上的分析，指出了OFDM區別于其他調制技術的巨大優勢；然后針對OFDM中的信道估計技術，深入分析了基于FFT級聯的信道估計理論和基于聯合最大似然函數的半盲分組估計理論，在此基礎上詳細研究描述了用于OFDM系統的迭代的最大似然估計算法，并利用Matlab做了相應的仿真比較，驗證了它們的有效性。 而后，在Matlab中應用Simulink工具構建OFDM系統仿真平臺。在此平臺上，對OFDM系統在多徑衰落、高斯白噪聲等多種不同的模型參數下進行了仿真，并給出了數據曲線，通過分析結果可正確評價OFDM系統在多個方面的性能。 在綜合了OFDM的系統架構和仿真分析之后，設計并實現了基于FPGA的OFDM調制解調系統。首先根據802.16協議和OFDM系統的具體要求，設定了合理的參數；然后從調制器和解調器的具體組成模塊入手，對串/并轉換，QPSK映射，過采樣處理，插入導頻，添加循環前綴，IFFT/FFT，幀同步檢測等各個模塊進行硬件設計，詳細介紹了各個模塊的設計和實現過程，并給出了相應的仿真波形和參數說明。其中，針對定點運算的局限性，為系統設計并自定義了24位的浮點運算格式，參與傅立葉反變換和傅立葉變換的運算，在系統參數允許的范圍內，充分利用了有限資源，提高了系統運算精度；然后重點描述了基于FPGA的快速傅立葉變換算法的改進、優化和設計實現，針對原始快速傅立葉變換FPGA實現算法運算空閑時間過多，資源占用較大的問題，提出了帶有流水作業功能、資源占用較少的快速傅立葉變換優化算法設計方案，使之運用于OFDM基帶處理系統當中并加以實現，結果滿足系統參數的需求。最后以理論分析為依據，對整個OFDM的基帶處理系統進行了系統調試與性能分析，證明了設計的可行性。 綜上所述，本文完成了一個基于FPGA的OFDM基帶處理系統的設計、仿真和實現。本設計為OFDM通信系統的進一步改進提供了大量有用的數據。
上傳時間： 2013-07-25
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數控系統在工礦領域已得到廣泛應用，計算機數控系統通過對數字化信息的處理和運算，并轉化成脈沖信號，實現對步進電機的控制，進而控制數控機床動作和零件加工。隨著嵌入式技術的發展，我們可以設計規模更小，成本更低，功能更特定的嵌入式系統來完成傳統計算機數控系統所完成的工作。 步進電機以其精度高、控制靈活、定位準確、起停迅速、工作可靠、能直接接受數字信號的特點，成為數控系統中的重要執行部件。然而根據步進電機的特性，必須要采取適當而有效的升降速控制策略，特別是在多電機連動的系統中，對多個電機連動的速度控制和脈沖分配也很值得研究。在本文中作者將介紹一種三軸連動的速度控制和脈沖分配的優化算法，以及其在基于FPGA和ARM配合的高速數控雕刻機控制系統中的實現。 在本文中還可以看見，為了減小本系統中主控MCU的壓力，作者還將利用FPGA來設計一個針對多電機連動的速度控制和脈沖分配優化算法的外圍定制控制器。 最終實驗結果表明，作者所提出的優化算法及其在本系統的實現方案，完全達到客戶所提出的高速數控雕刻機控制系統的各項設計性能指標。
上傳時間： 2013-07-02
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碼分多址(CDMA)通信方式以其特有的抗干擾性、多址能力和多徑分集能力，而成為第三代移動通信系統的主要技術。其中Rake接收技術是CDMA系統中的一項關鍵技術。隨著通信技術的迅猛發展，Rake接收技術以其有效的抗衰落的能力一直是人們研究的熱點。人們不斷的對傳統的Rake接收機進行改進，獲得性能更佳的Rake接收機。FPGA技術的快速發展，也很大的改變了傳統的數字系統設計的方法。FPGA以其龐大的規模、開發過程投資小、開發周期短、保密性好等優點，為人們對Rake接收機的研究提供了方便。 本文旨在設計一種功耗低、硬件實現相對簡單的Rake接收機結構。首先，本文介紹了Rake接收的相關理論，對Rake技術的抗衰落性能進行了分析，然后，對各種Rake接收機進行了比較，最終提出了一種靈活配置的Rake接收機的改進方案，該方案采用了不同的緩沖器結構，能夠更多的節約硬件資源，整個接收機的功耗更低。最后利用VerilogHDL語言對其中的主要模塊進行編程設計，并在Xilinx公司的集成開發工具ISE6.1中進行仿真，仿真平臺為Spartan-3系列中的XC3S1000芯片。仿真結果表明了所設計模塊的正確性。所設計模塊具有良好的可移植性，能夠被相關的系統調用，本文所做工作有一定的實際意義。
上傳時間： 2013-06-21
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本論文主要對無線擴頻集成電路設計中的信道編解碼算法進行研究并對其FPGA實現思路和方法進行相關研究。 近年來無線局域網IEEE802.11b標準建議物理層采用無線擴頻技術，所以開發一套擴頻通信芯片具有重大的現實意義。無線擴頻通信系統與常規通信相比，具有很強的抗干擾能力，并具有信息蔭蔽、多址保密通信等特點。無線信道的特性較復雜，因此在無線擴頻集成電路設計中，加入信道編碼是提高芯片穩定性的重要方法。 在了解擴頻通信基本原理的基礎上，本文提出了“串聯級聯碼+兩次交織”的信道編碼方案。串聯的級聯碼由外碼——(15，9，4)里德-所羅門(Reed-Solomon)碼，和內碼-(2，1，3)卷積碼構成，交織則采用交織深度為4的塊交織。重點對RS碼的時域迭代譯碼算法和卷積碼的維特比譯碼算法進行了詳細的討論，并完成信道編譯碼方案的性能仿真及用FPGA實現的方法。 計算機仿真的結果表明，采用此信道編碼方案可以較好的改善現有仿真系統的誤符號率。 本論文的內容安排如下：第一章介紹了無線擴頻通信技術的發展狀態以及國內外開發擴頻通信芯片的現狀，并給出了本論文的研究內容和安排。第二章主要介紹了擴頻通信的基本原理，主要包括擴頻通信的定義、理論基礎和分類，直接序列擴頻通信方式的數學模型。第三章介紹了基本的信道編碼原理，信道編碼的分類和各自的特點。第四章給出了本課題選擇的信道編碼方案——“串聯級聯碼+兩次交織”，詳細討論了方案中里德-所羅門(Reed-Solomon)碼和卷積碼的基本原理、編碼算法和譯碼算法。最后給出編碼方案的實際參數。第五章對第四章提出的編碼方案進行了性能仿真。第六章結合項目實際，討論了FPGA開發基帶擴頻通信系統的設計思路和方法。首先對FPGA開發流程以及實際開發的工具進行了簡要的介紹，然后給出了擴頻通信系統的總體設計。對發射和接收子系統中信道編碼、解碼等相關功能模塊的實現原理和方法進行分析。第七章對論文的工作進行總結。
上傳時間： 2013-07-07
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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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隨著電子技術的不斷發展，各種智能核儀器逐步走向自動化、智能化、數字化和便攜式的方向發展。針對傳統的多道脈沖幅度分析器體積大，人機交互不友好，不方便現場分析等的缺陷[5]。新型的高速、集成度高、界面友好的多道脈沖幅度分析器的陸續出現填補了這一缺點。 隨著電子技術的發展，以ARM為核的處理器技術的應用領域不斷擴大，相比較單片機而言，它的主頻高、運算速度快，可以滿足多道脈沖幅度分析器的苛刻的時間上的要求。而且ARM處理器功耗小，適合于功耗要求比較苛刻的地方，這些方面的特點正好滿足了便攜式多道脈沖幅度分析器野外勘察的要求。同時，由于以ARM為核的處理器具有豐富的外設資源，這樣就簡化了外設電路及芯片的使用，降低了功耗并增強了產品的信賴性。另外，ARM芯片可以方便的移植操作系統，為多道脈沖幅度分析器多任務的管理和并行的處理，甚至硬實時功能的實現提供了前提。而且在ARM平臺使用嵌入式linux操作系統使多道脈沖幅度分析器的軟件易于升級。 智能化和小型化是多道脈沖幅度分析器的發展趨勢。智能化要求系統的自動化程度高、操作簡便、容錯性好。智能化除了需要控制軟件外，還需要軟件命令的執行者即硬件控制電路來實現相應的控制邏輯，兩者的結合才能真正的實現智能化。小型化要求系統的體積小、功耗小、便于攜帶；小型化除了要求采用微功耗的器件，還要求電路板的尺寸盡量的小且所用元件盡量的少，但小型化的同時必須保持系統的智能化，即不能減少智能化所要求的復雜的邏輯和時序的控制功能。為此采用高集成度的ARM芯片實現控制電路能滿意地同時滿足智能化和小型化的要求。在研制的多道脈沖幅度分析器中，幾乎所有的控制都可以用控制芯片來實現，如閾值設定、自動穩譜以及多道數據采集，在節省了元件的數目和電路板的尺寸的同時仍能保持系統的智能化程度。 Linux內核精簡而高效，可修改性強，支持多種體系結構的處理器等，使得它是一個非常適合于嵌入式開發和應用的操作系統。嵌入式Linux可以運行的硬件平臺十分廣泛，從x86、MIPS、POWERPC到ARM，以及其他許多硬件體系結構。目前在世界范圍內，ARM體系結構的SOC逐漸占領32位嵌入式微處理器市場，ARM處理器及技術的應用幾乎已經深入到各個領域，例如：工業控制，無線通訊，網絡，消費類電子，成像等。 本課題采用三星公司生產的ARM(Advanced RISC Machines，先進精簡指令集機器)芯片S3C2410A設計并研制了一種便攜式的核數據采集系統設計方案。利用ARM芯片豐富的外設資源對傳統的多道脈沖幅度分析器進行改進和簡化。系統由前端探測器系統，以及由線性脈沖放大器、甄別電路、控制電路、采樣保持電路組成的前置電路，中央處理器模塊，顯示模塊，用戶交互模塊，存儲模塊，網絡傳輸模塊等多個模塊組成。本設計基于ARM9芯片S3C2410，并在此平臺上移植了嵌入式linux操作系統來進行任務的調度和處理等。 電路板核心板部分設計采用6層PCB板結構，這樣增加了系統可靠性，提高了電磁兼容的穩定性。數據采集系統是多道脈沖幅度分析器的核心，A/D轉換直接使用了S3C2410內置的ADC(Analog to Digital Converter,模數轉換器)，在2.5 MHz的轉換時鐘下最大轉換速度500 KSPS(Kilo-Samples per second,千采樣點每秒)，滿足了系統最低轉換時間≤5 μs的要求，并且控制簡單，簡化了外部接口電路。由于SD(Secure Digital Card，安全數碼卡)卡存儲容量大、攜帶方便、成本低等優點，所以設計中采用其作為外部的數據存儲設備,其驅動部分采用SD卡軟件包，為開發帶來了方便。本設計采用640*480的6.4寸LCD(Liquid Crystal Display，液晶顯示)屏作為人機交互的顯示部分，并且通過Qt/Embedded為系統提供圖形用戶界面的應用框架和窗口系統。其中包括了波形顯示部分和用戶菜單設置部分，這樣方便了用戶操作。系統的數據存取方面是基于SQLite嵌入式小型數據庫而進行的。為了方便數據向上位機的傳輸，系統設計中采用XML(Extensible Markup Language，可擴展標記語言)格式來組織傳輸的數據，通過基于TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol)協議的Linux下Socket套接字編程，來進行與上位機或PC(Personal Computer,個人計算機或桌面機)等的連接和數據傳輸。
上傳時間： 2013-04-24
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針對現代中低壓電網電能質量的監測及諧波治理的需要，論文綜合運用嵌入式技術、現代信號處理技術、虛擬儀器技術設計了一種新型低功耗、集成化的電網參數監測儀。此系統實現了對三相電網相/線電壓、電流、有功功率、無功功率、視在功率、電網頻率、功率因數以及三相電壓、電流的31次以內諧波的實時監測。 論文分析了基于微處理器的電力系統基本參數的測量原理；對被測信號的交流參量通過抽樣方法獲得，由多點的抽樣數據統計得到的結果可以減小隨機誤差的影響；基于DFT和FFT的諧波測量原理，將FFT應用于諧波分析獲得信號的頻域參數；針對諧波測量中的混疊誤差設計了二階抗混疊濾波器；分析了非同步采樣和對非時限信號的截斷造成的頻譜泄露和柵欄效應及其對諧波測量精度的影響。討論了常用的幾種窗函數對頻譜泄漏的抑制作用，在此基礎上選擇加海明窗對采樣信號進行處理；針對DDS具有高精度頻率合成的特點，將其應用到電網信號的采樣上，提高了采樣的同步性，使得測量精度滿足了系統的要求。上述方法需要大量快速的迭代運算，系統微處理器選用了32位ARM芯片LPC2132，提高了系統的數據處理能力和實時性。系統供電電源采用了開關電源、減小了體積，提高了效率；完成了下位機數據采集部分、二階抗混疊濾波器、測頻電路及通信模塊電路的設計；最后介紹了軟件設計部分，主要包含了數據采集的實現過程，FFT程序的設計，給出了各部分程序的流程圖；系統上位機軟件設計了電網數據處理程序，該軟件以LabWindows/CVI6.0為開發平臺，利用CVI豐富的庫函數，完成對數據的處理、顯示和記錄等工作，并采用雙線程運行模式，在數據采集和處理的同時完成了顯示、命令的發送和運行曲線等功能。 按上述方案設計的樣機經過三次電路制作與軟件調試，主要技術參數達到了設計要求，通過了實驗室測試，目前正在電力系統諧波治理系統中進行工業實驗。
上傳時間： 2013-04-24
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