現場可編程門陣列(FPGA)的發展已經有二十多年，從最初的1200門發展到了目前數百萬門至上千萬門的單片FPGA芯片。現在，FPGA已廣泛地應用于通信、消費類電子和車用電子類等領域，但國內市場基本上是國外品牌的天下。 在高密度FPGA中，芯片上時鐘分布質量變的越來越重要，時鐘延遲和時鐘偏差已成為影響系統性能的重要因素。目前，為了消除FPGA芯片內的時鐘延遲，減小時鐘偏差，主要有利用延時鎖相環(DLL)和鎖相環(PLL)兩種方法，而其各自又分為數字設計和模擬設計。雖然用模擬的方法實現的DLL所占用的芯片面積更小，輸出時鐘的精度更高，但從功耗、鎖定時間、設計難易程度以及可復用性等多方面考慮，我們更愿意采用數字的方法來實現。 本論文是以Xilinx公司Virtex-E系列FPGA為研究基礎，對全數字延時鎖相環(DLL)電路進行分析研究和設計，在此基礎上設計出具有自主知識產權的模塊電路。 本文作者在一年多的時間里，從對電路整體功能分析、邏輯電路設計、晶體管級電路設計和仿真以及最后對設計好的電路仿真分析、電路的優化等做了大量的工作，通過比較DLL與PLL、數字DLL與模擬DLL，深入的分析了全數字DLL模塊電路組成結構和工作原理，設計出了符合指標要求的全數字DLL模塊電路，為開發自我知識產權的FPGA奠定了堅實的基礎。 本文先簡要介紹FPGA及其時鐘管理技術的發展，然后深入分析對比了DLL和PLL兩種時鐘管理方法的優劣。接著詳細論述了DLL模塊及各部分電路的工作原理和電路的設計考慮，給出了全數字DLL整體架構設計。最后對DLL整體電路進行整體仿真分析，驗證電路功能，得出應用參數。在設計中，用Verilog-XL對部分電路進行數字仿真，Spectre對進行部分電路的模擬仿真，而電路的整體仿真工具是HSIM。 本設計采用TSMC0.18μmCMOS工藝庫建模，設計出的DLL工作頻率范圍從25MHz到400MHz，工作電壓為1.8V，工作溫度為-55℃～125℃，最大抖動時間為28ps，在輸入100MHz時鐘時的功耗為200MW，達到了國外同類產品的相應指標。最后完成了輸出電路設計，可以實現時鐘占空比調節，2倍頻，以及1.5、2、2.5、3、4、5、8、16時鐘分頻等時鐘頻率合成功能。
上傳時間： 2013-06-10
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自20世紀80年代以來，正交頻分復用技術不但在廣播式數字音頻和視頻領域得到廣泛的應用，而且已經成為無線局域網標準(例如IEEE802.11a和HiperLAN/2等)的一部分。OFDM由于其頻譜利用率高，成本低等原因越來越受到人們的關注。隨著人們對通信數據化、寬帶化、個人化和移動化需求的增強，OFDM技術在綜合無線接入領域將會獲得越來越廣泛的應用。人們開始集中越來越多的精力開發OFDM技術在移動通信領域的應用，本文也是基于無線通信平臺上的OFDM技術的運用。 本文的所有內容都是建立在空地數據無線通信系統下行鏈路FPGA實現基礎上的。本文作者的主要工作集中在鏈路接收端的FPGA實現和調試上。主要包括幀同步(時間同步)算法的研究與設計、OFDM頻率同步算法的研究與設計以及同步模塊、OFDM解調模塊、QAM解調模塊的FPGA實現。最終實現高速數字圖像傳輸系統下行鏈路在無線環境中連通。 對于無線移動通信系統而言，多普勒頻移、收發設備的本地載頻偏差均可能破壞OFDM系統子載波之間的正交性，從而導致ICI，影響系統性能。另外，由于OFDM系統大多采用IFFT/FFT實現調制解調，因此在接收方確定FFT的起點對數據的正確解調也至關重要。同步技術即是針對系統中存在的定時偏差、頻率偏差進行定時、頻偏的估計與補償，來減少各種同步偏差對系統性能的影響。在OFDM實現的關鍵技術中，同步技術是十分重要的一部分。本文花費了三個章節闡述了同步技術的原理、算法和實現方法。 目前OFDM系統的載波同步方案，可以歸納為三大類：輔助數據類，盲估計類和基于循環前綴的半盲估計類。本文首先分析了各種載波同步方案的優缺點，并舉例說明了各個載波同步方式的實現方法。然后具體闡述了本文在FPGA平臺上實現的OFDM接收端同步的同步方式，包括其具體算法和FPGA實現結構。本文所采用的幀同步和頻率同步方案都是采用輔助數據類的，在闡述其具體算法的同時對算法在不同參數和不同形式下的性能做出了仿真對比分析。 OFDM的解調采用FFT算法，在FPGA上的實現是十分方便的。本文主要闡述其實現結構，重點放在提取有效數據部分有效數據位置的推導過程。最后介紹了本文實現QAM軟解調的解調方法。 本文闡述算法采用先提出原理，然后給出具體公式，再根據公式中的系數和變量分析算法性能的方式。在闡述實現方式時首先給出實現框圖，然后對框圖中比較重要或者復雜的部分進行詳細闡述。在介紹完每個模塊實現方式之后給出了仿真或者上板結果，最后再給出整體測試結果。
上傳時間： 2013-06-26
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圖像顯示器是人類接受外部信息的重要手段之一。而立體顯示則能再現場景的三維信息，提供場景更為全面、詳實的信息，在醫學、軍事、娛樂具有廣泛的應用前景。而現有的3D立體顯示設備價格都比較貴，基于此，本人研究了基于SDRAM存儲器和FPGA處理器的3D頭盔顯示設備并且設計出硬件和軟件系統。該系統圖像效果好，并且價格成本便宜，從而具有更大的實用性。本文完成的主要工作有三點： 1.設計了基于FPGA處理器和SDRAM存儲器的3D頭盔顯示器。該方案有別于現有的基于MCU、DSP和其它處理芯片的方案。本方案能通過線性插值算法把1024×768的分辨率變成800×600的分辨率，并能實現120HZ圖像刷新率，采用SDRAM作為高速存儲器，并且采用乒乓操作，有別于其它的開關左右眼視頻實現立體圖像。在本方案中每時每刻都是左右眼視頻同時輸出，使得使用者感覺不到視頻圖像有任何閃爍，減輕眼睛疲勞。本方案還實現了圖像對比對度調節，液晶前照光調節(調節輸出脈沖的占空比)，立體圖像源自動識別，還有人性化的操作界面(OSD)功能。 2.完成了該系統的硬件平臺設計和軟件設計。從便攜性角度考慮，盡量減小PCB板面積，給出了它們詳細的硬件設計電路圖。完成了FPGA系統的設計，包括系統整體分析，各個模塊的實現原理和具體實現的方法。完成了單片機對AD9883的配置設計。 3.完成了本方案的各項測試和調試工作，主要包括：數據采集部分測試、數據存儲部分測試、FPGA器件工作狀態測試、以電腦顯示器作為顯示器的聯機調試和以HX7015A作為顯示器的聯機調試，并且最終調試通過，各項功能都滿足預期設計的要求。實驗和分析結果論證了系統設計的合理性和使用價值。 本文的研究與實現工作通過實驗和分析得到了驗證。結果表明，本文提出的由FPGA和SDRAM組成的3D頭盔顯示系統完全可以實現高質量的立體視覺效果，從而可以將該廉價的3D頭盔顯示系統用于我國現代化建設中所需要的領域。
上傳時間： 2013-07-16
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隨著我國國民經濟的高速發展，國內高速公路、城市道路、停車場建設越來越多，對交通控制、安全管理的要求也日益提高，智能交通系統( IntelligentTransportation Systems，簡稱ITS)已成為當前交通管理發展的主要方向，而車牌識別系統(License Plate Recognition System，簡稱LPRS)技術作為智能交通系統的核心，起著舉足輕重的作用，可以被廣泛地應用于高速公路自動收費(ElectronicToll Collection，簡稱ETC)、停車場安全管理、被盜車輛的追蹤、車流統計等。 目前，車牌識別系統大多都是基于PC平臺的，其優勢是實現容易，但是成本高、實時性不強、穩定性不高等缺點使其不能廣泛推廣。為了克服以上的缺點，且滿足識別速度和識別率的要求，本文在原有車牌識別硬件系統設計的基礎上做了一定的改進(原系統在圖像采集、接口通信、系統穩定、脫機工作等方面存在一定問題)，與團隊成員一起設計出了新的車牌識別硬件系統，采用單DSP+FPGA和雙DSP+FPGA雙板子的方式來共同實現(本人負責單DSP+FPGA的原理圖和PCB繪制，另一成員負責雙DSP+FPGA的原理圖和PCB繪制)。 本文所涉及的該車牌硬件系統，主要工作由以下幾個部分組成： 1.團隊共同完成了新車牌識別系統的硬件設計，采用兩個板子實現。其中，本人負責單DSP+FPGA板子繪制。 2.團隊一起完成了整個系統的硬件電路調試。主要分為如下模塊進行調試：電源，DSP，FPGA，SAA7113H視頻解碼器，LCD液晶顯示和UART接口等。 3.負責完成了整個系統的DSP應用程序設計。采用DSP/BIOS操作系統來構建系統的框架，添加了多個任務對象進行管理系統的調度；用CSL編寫了DSP上的底層驅動：完成了車牌識別算法在DSP上的移植與優化。 4.參與完成了部分FPGA程序的開發，主要包括圖像采集、存儲、傳輸幾個模塊等。 最終，本系統實現了高效、快速的車牌識別，各模塊工作穩定，能脫機實現圖像采集、傳輸、識別、結果輸出和顯示為一體化的功能；為以后進行高性能的車牌識別算法開發提供了一個很好的硬件平臺。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著信息時代的到來，用戶對數據保護和傳輸可靠性的要求也在不斷提高。由于信道衰落，信號經信道傳輸后，到達接收端不可避免地會受到干擾而出現信號失真。因此需要采用差錯控制技術來檢測和糾正由信道失真引起的信息傳輸錯誤。RS（Reed—Solomon）碼是差錯控制領域中一類重要的線性分組碼，由于它編解碼結構相對固定，性能強，不但可以糾正隨機差錯，而且對突發錯誤的糾錯能力也很強，被廣泛應用在數字通信、數據存儲系統中，以滿足對數據傳輸通道可靠性的要求。因此設計一款高性能的RS編解碼器不但具有很大的應用意義，而且具有相當大的經濟價值。 本文首先介紹了線形分組碼及其子碼循環碼、BCH碼的基礎理論知識，重點介紹了BCH碼的重要分支RS碼的常用編解碼算法。由于其算法在有限域上進行，接著介紹了有限域的有關理論。基于RS碼傳統的單倍結構，本文提出了一種八倍并行編碼及九倍并行解碼方案，并用Verilog HDL語言實現。其中編碼器基于傳統的線性反饋移位寄存器除法電路并進行八倍并行擴展，譯碼器關鍵方程求解模塊基于修正的歐幾里德算法設計了一種便于硬件實現的脈動關鍵方程求解結構，其他模塊均采用九倍并行實現。由于進行了超前運算、流水線及并行處理，使編解碼的數據吞吐量大為提高，同時延時更小。 本論文設計了C++仿真平臺，并與HDL代碼結果進行了對比驗證。Verilog HDL代碼經過modelsim仿真驗證，并在ALTERA STRATIX3 EP3SL15OF1152C2 FPGA上進行綜合驗證以及靜態時序分析，綜合軟件為QUATURSⅡ V8．0。驗證及測試表明，本設計在滿足編解碼基本功能的基礎上，能夠實現數據的高吞吐量和低延時傳輸，達到性能指標要求。本論文在基于FPGA的RS（255，223）編解碼器的高速并行實現方面的研究成果，具有通用性、可移植性，有一定的理論及經濟價值。
上傳時間： 2013-04-24
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SATA接口是新一代的硬盤串行接口標準，和以往的并行硬盤接口比較它具有支持熱插拔、傳輸速率快、執行效率高的明顯優勢。SATA2．0是SATA的第二代標準，它規定在數據線上使用LVDS NRZ串行數據流傳輸數據，速率可達3Gb/s。另外，SATA2．0還具有支持NCQ（本地命令隊列）、端口復用器、交錯啟動等一系列技術特征。正是由于以上的種種技術優點，SATA硬盤業已被廣泛的使用于各種企業級和個人用戶。 硬盤作為主要的信息載體之一，其信息安全問題尤其引起人們的關注。由于在加密時需要實時處理大量的數據，所以對硬盤數據的加密主要使用帶有密鑰的硬件加密的方式。因此將硬盤加密和SATA接口結合起來進行設計和研究，完成基于SATA2．0接口的加解密芯片系統設計具有重要的使用價值和研究價值。 本論文首先介紹了SATA2．0的總線協議，其協議體系結構包括物理層、鏈路層、傳輸層和命令層，并對系統設計中各個層次中涉及的關鍵問題進行了闡述。其次，本論文對ATA協議和命令進行了詳細的解釋和分析，并針對設計中涉及的命令和對其做出的修改進行了說明。接著，本論文對SATA2．0加解密控制芯片的系統設計進行了講解，包括硬件平臺搭建和器件選型、模塊和功能劃分、系統工作原理等，剖析了系統設計中的難點問題并給出解決問題的方法。然后，對系統數據通路的各個模塊的設計和實現進行詳盡的闡述，并給出各個模塊的驗證結果。最后，本文簡要的介紹了驗證平臺搭建和測試環境、測試方法等問題，并分析測試結果。 本SATA2．0硬盤加解密接口電路在Xilinx公司的Virtex5 XC5VLX50T FPGA上進行測試，目前工作正常，性能良好，已經達到項目性能指標要求。本論文在SATA加解密控制芯片設計與實現方面的研究成果，具有通用性、可移植性，有一定的理論及經濟價值。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著我國國防現代化建設進程的不斷深化，MIL-STD-1553B標準總線已經廣泛應用于各種軍事應用領域。MIL-STD-1553B標準總線是我國上世紀八十年代引進的一種現代化通訊總線，國內稱為GJB289A-97。該總線技術以其高穩定性和使用靈活等特點成為現代航空電子綜合系統所廣泛采用的通訊總線技術。 1553B總線接口模塊作為總線通訊的基本單元，其性能成為影響航電綜合系統整體性能的一個關鍵因素。目前國內關于1553B總線通訊模塊的對外接口類型較多，而基于嵌入式處理芯片的接口設計并不多見。嵌入式設備具有體積小、重量輕、實時性強、功耗小、穩定性好以及接口方便等優點。 基于以上考慮，論文中提出了以DSP+FPGA為平臺實現MIL-STD-1553B總線的收發控制，通過收發控制器和變壓器實現MIL-STD-1553B總線的電氣連接。根據項目需求，設計分為硬件和軟件兩部分完成。在對MIL-STD-1553B總線協議進行詳細研究后提出了總體設計方案原理圖。再根據方案需求設計各功能模塊。使用硬件描述語言VHDL對各功能模塊進行邏輯和行為描述，最終實現在FPGA中，使其能夠完成1553B數據碼的接受、發送、轉換和與處理器的信息交換等功能。DSP部分采用的是TI公司的TMS320F2812，使用C語言進行軟件的編譯，使其實現總體控制和通訊的調度等功能。 該方案經過實際參與1553B總線通訊系統驗證實驗，證明各項技術指標均達到預定的目標，可以投入實際應用。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，語音識別研究大部分集中在算法設計和改進等方面，而隨著半導體技術的高速發展，集成電路規模的不斷增大與各種研發技術水平的不斷提高，新的硬件平臺的推出，語音識別實現平臺有了更多的選擇。語音識別技術在與DSP、FPGA、ASIC等器件為平臺的嵌入式系統結合后，逐漸向實用化、小型化方向發展。 本課題通過對現有各種語音特征參數與孤立詞語音識別模型進行研究的基礎上，重點探索基于動態時間規整算法的DTW模型在孤立詞語音識別領域的應用，并結合基于FPGA的SOPC系統，在嵌入式平臺上實現具有較好精度與速度的孤立詞語音識別系統。 本系統整體設計基于DE2開發平臺,采用基于Nios II的SOPC技術。采用這種解決方案的優點是實現了片上系統，減少了系統的物理體積和總體功耗；同時系統控制核心都在FPGA內部實現，可以極為方便地更新和升級系統，大大地提高了系統的通用性和可維護性。 此外，由于本系統需要大量的高速數據運算，在設計中作者充分利用了Cyclone II芯片的豐富的硬件乘法器，實現了語音信號的端點檢測模塊，FFT快速傅立葉變換模塊，DCT離散余弦變換模塊等硬件設計模塊。為了提高系統的整體性能，作者充分利用了FPGA的高速并行的優勢，以及配套開發環境中的Avalon總線自定義硬件外設，使系統處理數字信號的能力大大提高，其性能優于傳統的微控制器和普通DSP芯片。 本論文主要包含了以下幾個方面： （1）結合ALTERA CYCLONE II芯片的特點，確定了基于FPGA語音識別系統的總體設計，在此基礎上進行了系統的軟硬件的選擇和設計。 （2）自主設計了純硬件描述語言的驅動電路設計，完成了高速語音采集的工作，并且對存儲數據芯片SRAM中的原始語音數據進行提取導入MATLAB平臺測試數據的正確性。整個程序測試的方式對系統的模塊測試起到重要的作用。 （3）完成高速定點256點的FFT模塊的設計，此模塊是系統成敗的關鍵，實現高速實時的運算。 （4）結合SOPC的特性，設計了人機友好接口，如LCD顯示屏的提示反饋信息等等，以及利用ALTERA提供的一些驅動接口設計完成用戶定制的系統。 （5）進行了整體系統測試，系統可以較穩定地實現實時處理的目的，具有一定的市場潛在價值。
上傳時間： 2013-05-23
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近年來，以FPGA為代表的數字系統現場集成技術取得了快速的發展，FPGA不但解決了信號處理系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且基于大規模FPGA單片系統的片上可編程系統(SOPC)的靈活設計方式使其越來越多的取代ASIC的市場。傳統的通用信號處理系統使用DSP作為處理核心，系統的可重構型不強，FPGA解決了這一問題，并且現有的FPGA中，多數已集成DSP模塊，結合FPGA較強的信號并行處理特性使其與DSP信號處理能力差距很小。因此，FPGA作為處理核心的通用信號處理系統具有很強的可實施性。 @@ 基于上述要求，作者設計和完成了一個基于多FPGA的通用實時信號處理系統。該系統采用4片XC3SD1800A作為處理核心，使用DDR2 SDRAM高速存儲實時數據。作者通過全面的分析，設計了核心板、底板和應用板分離系統架構。該平臺能夠根據實際需求進行靈活的搭配，核心板之間的數據傳輸采用了LVDS(低電壓差分信號)技術，從而使得數據能夠穩定的以非常高的速率進行傳輸。 @@ 本系統屬于高速數字電路的設計范疇，因此必須重視信號完整性的設計與分析問題，作者根據高速電路的設計慣例和軟件輔助設計的方法，在分析和論證了阻抗控制、PCB堆疊、PCB布局布線等約束的基礎上，順利地完成了PCB繪制與調試工作。 @@ 作為系統設計的重要環節，作者還在文中研究了在系統設計過程中出現的電源完整性問題，并給出了解決辦法。 @@ LVDS高速數據通道接口和DDR2存儲器接口設計決定本系統的使用性能，本文基于所選的FPGA芯片進行了詳細的闡述和驗證。并結合系統的核心板和底板，完成了應用板，視頻圖像采集、USB、音頻、LCD和LED矩陣模塊顯示等接口的設計工作，對其中的部分接口進行了邏輯驗證。 @@ 經過測試，該通用的信號處理平臺具有實時性好、通用性強、可擴展和可重構等特點，能夠滿足當前一些信號處理系統對高速、實時處理的要求，可以廣泛應用于實時信號處理領域。通過本平臺的研究和開發工作，為進一步研究和設計通用、實時信號處理系統打下了堅實的基礎。 @@關鍵詞：通用實時信號處理；FPGA；信號完整性；DDR2；LVDS
上傳時間： 2013-05-27
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MPEG-2是MPEG組織在1994年為了高級工業標準的圖象質量以及更高的傳輸率所提出的視頻編碼標準，其優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視頻標準為研究內容，建立系統級設計方案，設計FPGA原型芯片，并在FPGA系統中驗證視頻解碼芯片的功能。最后在0.18微米工藝下實現ASIC的前端設計。完成的主要工作包括以下幾個方面： 1.完成解碼系統的體系結構的設計，采用了自頂而下的設計方法，實現系統的功能單元的劃分；根據其視頻解碼的特點，確定解碼器的控制方式；把視頻數據分文幀內數據和幀間數據，實現兩種數據的并行解碼。 2.實現了具體模塊的設計：根據本文研究的要求，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據解碼采用組合邏輯外加查找表的方式實現，大大減少了變長數據解碼的時間；IQ、IDCT模塊采用流水的設計方法，減少數據計算的時間：運動補償模塊，針對模塊數據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，充分利用并行性結構等方法來加快運動補償速度。 3.根據視頻解碼的參考軟件，通過解碼系統的仿真結果和軟件結果的比較來驗證模塊的功能正確性。最后用FPGA開發板實現了解碼系統的原型芯片驗證，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要求。
上傳時間： 2013-07-27
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