FPGA(Field Programmable Gate Arrays)是目前廣泛使用的一種可編程器件，F(xiàn)PGA的出現(xiàn)使得ASIC(Application Specific Integrated Circuits)產(chǎn)品的上市周期大大縮短，并且節(jié)省了大量的開發(fā)成本。目前FPGA的功能越來越強大，滿足了目前集成電路發(fā)展的新需求，但是其結(jié)構(gòu)同益復雜，規(guī)模也越來越大，內(nèi)部資源的種類也R益豐富，但同時也給測試帶來了困難，F(xiàn)PGA的發(fā)展對測試的要求越來越高，對FPGA測試的研究也就顯得異常重要。 本文的主要工作是提出一種開關(guān)盒布線資源的可測性設計，通過在FPGA內(nèi)部加入一條移位寄存器鏈對開關(guān)盒進行配置編程，使得開關(guān)盒布線資源測試時間和測試成本減少了99％以上，而且所增加的芯片面積僅僅在5％左右，增加的邏輯資源對FPGA芯片的使用不會造成任何影響，這種方案采用了小規(guī)模電路進行了驗證，取得了很好的結(jié)果，是一種可行的測試方案。 本文的另一工作是采用一種FPGA邏輯資源的測試算法對自主研發(fā)的FPGA芯片F(xiàn)DP250K的邏輯資源進行了嚴格、充分的測試，從FPGA最小的邏輯單元LC開始，首先得到一個LC的測試配置，再結(jié)合SLICE內(nèi)部兩個LC的連接關(guān)系得到一個SLICE邏輯單元的4種測試配置，并且采用陣列化的測試方案，同時測試芯片內(nèi)部所有的邏輯單元，使得FPGA內(nèi)部的邏輯資源得完全充分的測試，測試的故障覆蓋率可達100％，測試配置由配套編程工具產(chǎn)生，測試取得了完滿的結(jié)果。
上傳時間： 2013-06-11
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軟件無線電(SDR，Software Defined Radio)由于具備傳統(tǒng)無線電技術(shù)無可比擬的優(yōu)越性，已成為業(yè)界公認的現(xiàn)代無線電通信技術(shù)的發(fā)展方向。理想的軟件無線電系統(tǒng)強調(diào)體系結(jié)構(gòu)的開放性和可編程性，減少靈活性著的硬件電路，把數(shù)字化處理(ADC和DAC)盡可能靠近天線，通過軟件的更新改變硬件的配置、結(jié)構(gòu)和功能。目前，直接對射頻(RF)進行采樣的技術(shù)尚未實現(xiàn)普及的產(chǎn)品化，而用數(shù)字變頻器在中頻進行數(shù)字化是普遍采用的方法，其主要思想是，數(shù)字混頻器用離散化的單頻本振信號與輸入采樣信號在乘法器中相乘，再經(jīng)插值或抽取濾波，其結(jié)果是，輸入信號頻譜搬移到所需頻帶，數(shù)據(jù)速率也相應改變，以供后續(xù)模塊做進一步處理。數(shù)字變頻器在發(fā)射設備和接收設備中分別稱為數(shù)字上變頻器(DUC，Digital Upper Converter)和數(shù)字下變頻器(DDC，Digital Down Converter)，它們是軟件無線電通信設備的關(guān)鍵部什。大規(guī)模可編程邏輯器件的應用為現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設計帶來極大的靈活性。基于FPGA的數(shù)字變頻器設計是深受廣大設計人員歡迎的設計手段。本文的重點研究是數(shù)字下變頻器(DDC)，然而將它與數(shù)字上變頻器(DUC)完全割裂后進行研究顯然是不妥的，因此，本文對數(shù)字上變頻器也作適當介紹。 第一章簡要闡述了軟件無線電及數(shù)字下變頻的基本概念，介紹了研究背景及所完成的主要研究工作。 第二章介紹了數(shù)控振蕩器(NCO)，介紹了兩種實現(xiàn)方法，即基于查找表和基于CORDIC算法的實現(xiàn)。對CORDIc算法作了重點介紹，給出了傳統(tǒng)算法和改進算法，并對基于傳統(tǒng)CORDIC算法的NCO的FPGA實現(xiàn)進行了EDA仿真。 第三章介紹了變速率采樣技術(shù)，重點介紹了軟件無線電中廣泛采用的級聯(lián)積分梳狀濾波器 (cascaded integratot comb， CIC)和ISOP(Interpolated Second Order Polynomial)補償法，對前者進行了基于Matlab的理論仿真和FPGA實現(xiàn)的EDA仿真，后者只進行了基于Matlab的理論仿真。 第四章介紹了分布式算法和軟件無線電中廣泛采用的半帶(half-band，HB)濾波器，對基于分布式算法的半帶濾波器的FPGA實現(xiàn)進行了EDA仿真，最后簡要介紹了FIR的多相結(jié)構(gòu)。 第五章對數(shù)字下變頻器系統(tǒng)進行了噪聲綜合分析，給出了一個噪聲模型。 第六章介紹了數(shù)字下變頻器在短波電臺中頻數(shù)字化應用中的一個實例，給出了測試結(jié)果，重點介紹了下變頻器的：FPGA實現(xiàn)，其對應的VHDL程序收錄在本文最后的附錄中，希望對從事該領(lǐng)域設計的技術(shù)人員具有一定參考價值。
標簽： FPGA 軟件無線電 數(shù)字下變頻
上傳時間： 2013-06-30
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一般由信源發(fā)出的數(shù)字基帶信號含有豐富的低頻分量，甚至直流分量，這些信號往往不宜直接用于傳輸，易產(chǎn)生碼間干擾進而直接影響傳輸?shù)目煽啃裕蚨獙ζ溥M行編碼以便傳輸。傳統(tǒng)的井下信號在傳輸過程中普遍采用曼徹斯特碼的編解碼方式，而該方式的地面解碼電路復雜。FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)作為一種新興的可編程邏輯器件，具有較高的集成度，能將編解碼電路集成在一片芯片上，而HDB3碼(三階高密度雙極性碼)具有解碼規(guī)則簡單，無直流，低頻成份少，可打破長連0和提取同步方便等優(yōu)點。基于上述情況，本文提出了基于FPGA的}tDB3編譯碼設計方案。 該研究的總體設計方案包括用MATLAB進行HDB3編譯碼算法的驗證，基于FPGA的HDB3碼編譯碼設計與仿真，結(jié)果分析與比較三大部分。為了保證該設計的可靠性，首先是進行編譯碼的算法驗證；其次通過在FPGA的集成設計環(huán)境QuartusⅡ軟件中完成HDB3碼的編譯、綜合、仿真等步驟，通過下載電纜下載到特定的FPGA芯片上，用邏輯分析儀進行時序仿真；最后將算法驗證結(jié)果與仿真結(jié)果作一對比，分析該研究的可行性與可靠性。 研究表明，基于FPGA的HDB3編譯碼設計具有體積小，譯碼簡單，編程靈活，集成度高，可靠等優(yōu)點。
上傳時間： 2013-05-26
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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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隨著科學技術(shù)的發(fā)展與公共安全保障需求的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、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(shù)、H．264壓縮編碼技術(shù)和網(wǎng)絡傳輸控制技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在穩(wěn)定性、功能、成本與擴展性等方面都有著突出的優(yōu)勢，具有重要的學術(shù)意義與實用意義， 本課題所設計的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)由以Nios Ⅱ為核心的嵌入式圖像服務器、相關(guān)網(wǎng)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(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡。PC機客戶端可通過網(wǎng)絡對服務器進行遠程訪問，接收編碼數(shù)據(jù)，使用H．264解碼算法重建圖像并實時顯示，使監(jiān)控人員有效地掌握現(xiàn)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(fā)平臺選擇。然后構(gòu)建圖像采集子系統(tǒng)，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(gòu)的SOPC系統(tǒng)，闡述了雙軟核設計中定制連接、內(nèi)存芯片共享、數(shù)據(jù)搬移、通信與互斥的解決方法。同時完成了網(wǎng)絡服務器的設計，采用μC/OS-Ⅱ進行多任務的管理與調(diào)度， H．264視頻壓縮編解碼算法設計與實現(xiàn)是本文的重點。文中首先分析H．264．標準，規(guī)劃編解碼器結(jié)構(gòu)。接著設計了16×16幀內(nèi)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(shù)變換與量化算法程序。熵編碼采用Exp-Golomb編碼與CAVLC相結(jié)合的方案，針對除拖尾系數(shù)之外的非零系數(shù)值編碼子算法，實現(xiàn)了一種基于表示范圍判別的編碼方法。最后設計了網(wǎng)絡傳輸?shù)拇a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(shù)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(wǎng)絡進行聯(lián)合調(diào)試，構(gòu)建完整的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)視頻壓縮率高，監(jiān)控圖像質(zhì)量良好，充分證明了系統(tǒng)軟硬件與圖像編解碼算法設計成功。本系統(tǒng)具有成本低、擴展性好及適用范圍廣等優(yōu)點，發(fā)展前景十分廣闊。
標簽： H264 FPGA 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控
上傳時間： 2013-04-24
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H.264/AVC是由ITU和ISO兩大組織聯(lián)合組成的JVT共同制定的一項新的視頻壓縮技術(shù)標準，在較低帶寬上提供高質(zhì)量的圖像傳輸是H.264/AVC的應用亮點。在同樣的視覺質(zhì)量前提下，H.264/AVC比H.263和MPEG-4節(jié)約了50％的碼率。但H.264獲得優(yōu)越性能的代價是計算復雜度的增加，據(jù)估計其編碼的計算復雜度大約為H.263的3倍，因此很難應用于實時視頻處理領(lǐng)域。針對這一現(xiàn)狀，業(yè)內(nèi)做了大量的研究工作，力圖降低其計算復雜度和提高運行效率。比如在運動估計方面，國內(nèi)外在這方面的研究已經(jīng)很成熟。而針對幀內(nèi)/幀間預測編碼的研究卻較少。因此研究預測模式的快速算法具有理論意義和應用價值。 本文在詳細研究H.264標準視頻壓縮編碼特點基礎(chǔ)上，分析了H.264幀內(nèi)編碼, 幀間編碼及變換，量化技術(shù)的原理及特點，提出了一種基于局部邊緣方向信息的快速幀內(nèi)模式判決算法，通過結(jié)合SAD的模式選擇方法來減少模式選擇數(shù)目。它采用了Sobel梯度算子計算當前塊的邊緣信息，累加當前塊中屬于同一方向像素點的邊緣矢量構(gòu)造不同模式下的邊緣方向直方圖，以便確定最可能的預測模式。該算法有效降低了編碼器的運算復雜度，在并未顯著降低編碼性能的情況下提升了編碼器效率。仿真表明：Foreman 圖像序列編碼性能有了提高，其中PSNR平均降低了0.06dB，Bitrate平均降低了19.4％，這大大提高了視頻傳輸?shù)馁|(zhì)量。 另外在幀間預測模式選擇算法方面進行了改進研究：按順序?qū)Σ煌愋瓦M行判決，有選擇地去比較可能模式，使得在有效減少需判決的模式數(shù)量的同時，結(jié)合小塊模式搜索中途停止準則來確定最優(yōu)模式。仿真表明：改進算法相對與原來算法能夠節(jié)省很多的編碼時間（平均下降了49.3％），但帶來的圖像質(zhì)星的下降（平均下降0.08dB,可以忽略）和碼率較少的增加。 同時在整數(shù)DCT變換模塊中，提出了一種快速蝶形算法，使得對4×4點數(shù)據(jù)做一次變換，只需通過8×8次加法和2×8次移位運算便可完成，與原來12×8次加法和4×8次移位相比，新算法大大降低了運算復雜度。 最后介紹FPGA的特點及設計流程，并實現(xiàn)了H.264編解碼器中變換編碼及量化和熵解碼模塊的硬件。這種基于FPGA所實現(xiàn)的H.264編碼視頻處理模塊設計具備了成本低，周期短，設計方法靈活等優(yōu)點，具有廣闊的市場應用前景。 仿真表明，通過使用本文提出的幀內(nèi)/幀間速算法方法可使得H.264編碼速度獲得顯著的提高，使H.264 Baseline編碼器能在PC平臺上實現(xiàn)實時編碼。
上傳時間： 2013-07-18
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溫度是生活中最基本的環(huán)境參數(shù)。溫度的監(jiān)測與控制，對于生物生存生長，工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展都有著非同一般的意義。溫度傳感器的應用涉及機械制造、工業(yè)過程控制、汽車電子產(chǎn)品、消費電子產(chǎn)品和專用設備等各個領(lǐng)域。傳統(tǒng)的常用溫度傳感器有熱電偶、電阻溫度計RTD和NTC熱敏電阻等。但信號調(diào)理，模數(shù)轉(zhuǎn)換及恒溫器等功能全都會增加成本。現(xiàn)代集成溫度傳感器通常包含這些功能，并以其低廉的價格迅速地占據(jù)了市場。Dallas Semiconductor公司推出的數(shù)字式溫度傳感器DS1820采用數(shù)字化一線總線技術(shù)具有許多優(yōu)異特性。其一，它將控制線、地址線、數(shù)據(jù)線合為一根導線，允許在同一根導線上掛接多個控制對象，形成多點一線總線測控系統(tǒng)。布線施工方便，成本低廉。其二，線路上傳送的是數(shù)字信號，所受干擾和損耗小，性能好。本課題旨在分析和設計基于數(shù)字化一線總線技術(shù)的溫度測控系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)一個溫度采集控制器，用于傳感器和上位機的連接，并采用Microsoft公司的Visual C++作為開發(fā)平臺，運用MSComm控件進行串口通信，進行命令的發(fā)送和接收。
上傳時間： 2013-04-24
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目前電力系統(tǒng)正朝著設備數(shù)字化和網(wǎng)絡互聯(lián)化的方向發(fā)展，電力系統(tǒng)的行為也將會越來越復雜。作為電網(wǎng)故障分析必不可少的故障錄波器，電網(wǎng)的日趨復雜化對其性能提出了更高的要求。FPGA技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展為故障錄波器的性能改善提供了必要條件。 本文首先提出了一種基于以上技術(shù)的高性能分布式輸電線路故障錄波器的實現(xiàn)方案，簡要分析了其軟硬件結(jié)構(gòu)和功能；接著針對故障錄波裝置中數(shù)據(jù)采集的高精度、高速度問題，提出了基于FPGA和AD7656的數(shù)據(jù)采集單元的設計方案；針對大容量故障數(shù)據(jù)的存儲問題，設計了在內(nèi)嵌PowerPC微處理器的FPGA上實現(xiàn)SDRAM控制器的方案，并運用modelsim6.0仿真工具對設計的SDRAM控制器進行了仿真；研究了在內(nèi)嵌PowerPC微處理器上構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)的問題；最后討論了行波測距算法在輸電線路故障錄波器中應用的相關(guān)問題。
上傳時間： 2013-07-17
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USB(UniversalSerialBus，通用串行總線)是當今消費電子產(chǎn)品和儀器設備中應用最廣的接口協(xié)議之一，然而目前國內(nèi)的USB芯片只有極少數(shù)幾款，產(chǎn)品研究善處于起步階段，絕大部分產(chǎn)品主要由國外的IC設計芯片廠商如Cypress、NEC等一些國際著名公司提供。因而，如果能夠自主開發(fā)設計USB芯片以替代國外同類產(chǎn)品，將會有很好的市場前景和利潤空間。 本論文課題是針對基于FPGA(FieldProgrammableGateArray，現(xiàn)場可編程門陣列器件)的數(shù)字電子產(chǎn)品應用設計一種實際可復用的USB接口引擎軟核。該軟核主要是用于處理USB標準協(xié)議包的通信處理，通過外接MCU(MultipointControlUnit，微控制器)就可以實現(xiàn)完整的USB接口通訊功能。它的功能相當于一些USB引擎的專用芯片如：Philips的PDIUSBD12等，其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、靈活性高、復用設計方便。 功能仿真和綜合測試結(jié)果顯示本論文所設計的接口引擎軟核符合設計要求，并且軟核的性能和市場上同類產(chǎn)品基本一致。本論文的創(chuàng)新之處在于：1、從可配置性角度出發(fā)設計了低速、全速、高速三種可選模式；2、支持最多31個可配置端點；3、采用了可綜合、可移植的RTL(RegisterTransferLevel，寄存器傳輸級)代碼設計規(guī)則，同時也開發(fā)了可綜合的驗證測試代碼；4、完全由硬件實現(xiàn)USB通信功能。
上傳時間： 2013-07-18
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隨著FPGA(FieldProgrammableGateArray)器件的應用越來越廣泛且重要，F(xiàn)PGA的測試技術(shù)也得到了廣泛重視和研究。基于FPGA可編程的特性，應用獨立的測試(工廠測試)需要設計數(shù)個測試編程和測試向量來完成FPGA的測試，確保芯片在任何用戶可能的編程下都可靠工作。 本論文正是針對上述問題，以XilinxXC4000E系列FPGA為主要的研究對象，在詳細研究FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于“分治法”的基本思路對FPGA的測試理論和方法做了探索性研究。 研究完成了對可編程邏輯模塊(ConfigrableLogicBlock)及其子模塊的測試。主要基于“分治法”對CLB及其子模塊進位邏輯(CLM)、查找表(LUT)的RAM工作模式等進行了測試劃分，分別實現(xiàn)了以“一維陣列”為基礎(chǔ)的測試配置和測試向量，以較少了測試編程次數(shù)完成了所有CLB資源的測試。 研究完成了對互連資源(ConfigrableInterconnectResource)的測試。基于普通數(shù)據(jù)總線的測試方法，針對互連資源主要由線段和NMOS開關(guān)管組成的特點及其自身的故障模型，通過手工連線實現(xiàn)測試配置，僅通過4次編程就實現(xiàn)了對其完全測試。 在測試理論研究的基礎(chǔ)上，我們開發(fā)了能對FPGA器件進行實際測試的測試平臺。基于硬件仿真器的測試平臺通過高速光纖連接工作站上的EDA仿真軟件，把軟件語言描述的測試波形通過硬件仿真器轉(zhuǎn)化為真實測試激勵，測試響應再讀回到仿真軟件進行觀察，能夠靈活、快速的完成FPGA器件的配置和測試。該平臺在國內(nèi)首次實現(xiàn)了軟硬件協(xié)同在線測試FPGA。在該平臺支持下，我們成功完成了對各軍、民用型號FPGA的測試任務。 本研究成果為國內(nèi)自主研發(fā)FPGA器件提供了有力保障，具有重大科研與實踐價值，成功解決了國外公司在FPGA測試技術(shù)上的壟斷問題，幫助國產(chǎn)FPGA器件實現(xiàn)完全國產(chǎn)化。
上傳時間： 2013-05-17
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