在現代電子系統中，數字化已經成為發展的必然趨勢，接收機數字化是電子系統數字化中的一項重要內容，對數字化接收機的研究具有重要的意義。隨著數字化理論和微電子技術的迅速發展，高速的中頻數字化接收機的實現已經成為可能。本文研究了一種基于FPGA的軟件無線電數字接收平臺的設計，并著重研究了其中數字中頻處理單元的設計和實現。FPGA器件具有設計靈活、開發周期短和開發成本低等優點，所以廣泛應用于各種通信系統中。相比于傳統的DSP串行結構，FPGA能夠進行流水線性設計，對數據進行并行處理，所以FPGA在進行數據量大，要求實時處理的系統設計時有很大的優勢。 本文首先首先分析了軟件無線電當前的發展趨勢及技術現狀，針對存在的處理速度跟不上的DSP瓶頸問題，提出了中頻軟件無線電的FPGA實現方案。本文以FPGA實現為重點，在深入分析軟件無線電相關理論的基礎上，著重研究和完成了中頻軟件無線電數字接收平臺兩大模塊的FPGA實現：數字下變頻相關模塊和數字調制解調模塊。其中，在深入研究數字下變頻實現結構的基礎上，首先對數字下變頻模塊的數控振蕩器(NCO)采用了直接頻率合成技術(DDS)實現，其頻率分辨率高，靈活，易于實現；高效抽取濾波器組由積分梳狀濾波器(CIC)，半帶濾波器(HB)，FIR濾波器組成。對積分梳狀濾波器(CIC)本文采用了Hogenaur“剪除”理論對內部寄存器的位寬進行改進，極大地節約了資源，提高了運行速率。對FIR濾波器和半帶濾波器采用了(DA)分布式算法，它的運行速度只與數據的寬度有關，只有加減法運算和二進制除法，既縮減了系統資源又大大節省了運算時間，實現了高效的實時處理。對數字調制解調模塊，重點研究和完成了2ASK和2FSK的調制解調的FPGA實現，模塊有很好的通用性，能方便地移植到其它的系統中。在文章的最后還對整個系統進行了Matlab仿真，驗證了系統設計思想的正確性。在系統各個關鍵模塊的設計過程中，都是先依據一定的設計指標進行verilog編程，然后再在Quartus軟件中編譯，時序仿真測試，并與Matlab仿真結果進行對比，驗證設計的正確性。
上傳時間： 2013-05-18
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隨著計算機和自動化測量技術的日益發展，測量儀器和計算機的關系日益密切。計算機的很多成果很快就應用到測量和儀器領域，與計算機相結合已經成為測量儀器和自動測試系統發展的必然趨勢。高度集成的現場可編程門陣列（FPGA）是超大規模集成電路和計算機輔助設計技術發展的結果，由于FPGA器件具備集成度高、體積小、可以利用基于計算機的開發平臺，用編寫軟件的方法來實現專門硬件的功能等優點，大大推動了數字系統設計的單片化、自動化，縮短了單片數字系統的設計周期、提高了設計的靈活性和可靠性。 本文研究基于網絡的高速數據采集系統的設計與實現問題。論文完成了以FPGA結構為系統硬件平臺，uClinux為核心的系統的軟件平臺設計，進行信號的采集和遠程網絡監測的功能。 論文從軟硬件兩方面入手，闡述了基于FPGA器件進行數據采集的硬件系統設計方法，以及基于uClinux操作系統的設備驅動程序設計和應用程序設計。 硬件方面，FPGA采用Xilinx公司Spartan系列的XC3S500芯片，用verilog HDL硬件描述語言在Xilinx公司提供的ISE輔助設計軟件中實現FPGA編程。將微處理器MicroBlaze、數據存儲器、程序存儲器、以太網控制器、數模轉換控制器等數字邏輯電路通過CoreConnect技術用OPB總線集成在同一個FPGA內部，形成一個可編程的片上系統（SOPC）。采用基于FPGA的SOPC設計的突出優點是不必更換芯片就可以實現設計的改進和升級，同時也可以降低成本和提高可靠性。 軟件方面，為了更好更有效地管理和拓展系統功能，移植了uClinux到MicroBlaze軟處理器上，設計實現了平臺上的ADC設備驅動程序和數據采集應用程序。并通過修訂內核，實現了利用以太網TCP/IP協議來訪問數據采集程序獲得的數據。
上傳時間： 2013-05-23
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現代通信朝著全網IP化的進程逐步發展，越來越多的通信需要IP路由查找；同時光纖技術的發展，使得比特速率達到了20Gbps，路由技術成了整個通信系統的瓶頸，迫切需要一種具有高查找性能，低成本的路由算法，能夠適應大規模應用。 本文研究了一種高性能、低成本的路由算法。在四分支并行路由查找算法的基礎上，實現了雙分支并行，每個分支流水查找的16-8-8路由算法。該算法由三級表構成，長度小于16的前綴通過擴展成為長度16的前綴存儲在第一級表中；長度小于24位的前綴通過擴展成為長度24的前綴存儲在前兩級表中；長度大于24的前綴則通過專門的存儲空間進行存儲。將IP路由的二維查找轉化為一維精確查找，每次查找最多訪問存儲器3次，就可以查得下一跳的路由信息。使用Verilog語言實現了本文提出的算法，并對算法進行了功能仿真。為了實現低成本，該算法采用了FPGA和SSRAM的硬件結構實現。 功能仿真表明本文設計的算法查找速度能適應20Gbps的接口轉發速率。
上傳時間： 2013-04-24
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信息安全在當今的社會生產生活中已經被廣為關注，對敏感信息進行加密是提高信息安全性的一種常見的和有效的手段。 常見的加密方法有軟件加密和硬件加密。軟件加密的方法因為加密速度低、安全性差以及安裝不便，在一些高端或主流的加密處理中都采用硬件加密手段對數據進行處理。硬件加密設備如加密狗和加密卡已經廣泛地應用于信息加密領域當中。 但是加密卡和加密狗因為采用的是多芯片結構，即采用獨立的USB通信芯片和獨立的加密芯片來分別實現數據的USB傳輸和加密功能，如果在USB芯片和加密芯片之間進行數據竊聽的話，很輕易地就可以獲得未加密的明文數據。作者提出了一種新的基于單芯片實現的USB加密接口芯片的構想，采用一塊芯片實現數據的USB2.0通信和AES加密功能，命名為USB2.0加密接口芯片。 USB2.0加密接口芯片采用了USB2.0接口標準和AES加密算法。該加密芯片可以實現與主機的快速通信，具有快速的密碼處理能力，對外提供USB接口，支持基于USB密碼載體的自身安全初始化方式。 根據設計思想，課題研究并設計了USB2.0加密接口芯片的總體硬件架構，設計了USB模塊和AES加密模塊。為了解決USB通信模塊與AES加密模塊之間存在的數據處理單元匹配以及速度匹配問題，本文設計了AESUSB緩沖器，優化了AES有限域加密算法。最后，利用VerilogHDL語言在FPGA芯片上實現了USB2.0加密接口芯片的功能，并在此基礎之上對加密芯片的通信和加密性能進行了測試和驗證。
上傳時間： 2013-05-24
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現代社會對各種無線通信業務的需求迅猛增長，這就要求無線通信在具有較高傳輸質量的同時，還必須具有較大的傳輸容量。這種需求要求在無線通信中必須采用效率較高的線性調制方式，以提高有限頻帶帶寬的數據速率和頻譜利用率，而效率較高的調制方式通常會對發端發射機的線性要求較高，這就使功率放大器線性化技術成為下一代無線通信系統的關鍵技術之一。 在本文中，研究了前人所提出的各種功放線性化技術，如功率回退法、正負反饋法、預失真和非線性器件法等等，針對功率放大器對信號的失真放大問題進行研究，對比和研究了目前廣泛流行的自適應數字預失真算法。在一般的自適應數字預失真算法中，主要有兩類：無記憶非線性預失真和有記憶非線性預失真。無記憶非線性預失真主要是通過比較功率放大器的反饋信號和已知輸入信號的幅度和相位的誤差來估計預失真器的各種修正參數。而有記憶非線性預失真主要是綜合考慮功率放大器非線性和記憶性對信號的污染，需要同時分析信號的當前狀態和歷史狀態。在對比完兩種數字預失真算法之后，文章著重分析了有記憶預失真算法，選擇了其中的多項式預失真算法進行了具體分析推演，并通過軟件無線電的方法將數字信號處理與FPGA結合起來，在內嵌了System Generator軟件的Matlab/Simulink上對該算法進行仿真分析，證明了這個算法的性能和有效性。 本文另外一個最重要的創新點在于，在FPGA設計上，使用了系統級設計的思路，與Xilinx公司提供的軟件能夠很好的配合，在完成仿真后能夠直接將代碼轉換成FPGA的網表文件或者硬件描述語言，大大簡化了開發過程，縮短了系統的開發周期。
上傳時間： 2013-06-20
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波前處理機是自適應光學系統中實時信號處理和運算的核心，隨著自適應光學系統得發展，波前傳感器的采樣頻率越來越高，這就要求波前處理機必須有更強的數據處理能力以保證系統的實時性。在整個波前處理機的工作流程中，對CCD傳來的實時圖像數據進行實時處理是第一步，也是十分重要的一步。如果不能保證圖像處理的實時性，那么后續的處理過程都無從談起。因此，研制高性能的圖像處理平臺，對波前處理機性能的提高具有十分重要的意義。 論文介紹了本研究課題的背景以及國內外圖像處理技術的應用和發展狀況，接著介紹了傳統的專用和通用圖像處理系統的結構、特點和模型，并通過分析DSP芯片以及DSP系統的特點，提出了基于DSP和FPGA芯片的實時圖像處理系統。該系統不同于傳統基于PC機模式的圖像處理系統，發揮了DSP和FPGA兩者的優勢，能更好地提高圖像處理系統實時性能，同時也最大可能地降低成本。 論文根據圖像處理系統的設計目的、應用需求確定了器件的選型。介紹了主要的器件，接著從系統架構、邏輯結構、硬件各功能模塊組成等方面詳細介紹了DSP+FPGA圖像處理系統硬件設計，并分析了包括各種參數指標選擇、連接方式在內的具體設計方法以及應該注意的問題。 論文在闡述傳輸線理論的基礎上，在制作PCB電路板的過程中，針對高速電路設計中易出現的問題，詳細分析了高速PCB設計中的信號完整性問題，包括反射、串擾等，說明了高速PCB的信號完整性、電源完整性和電磁兼容性問題及其解決方法，進行了一定的理論和技術探討和研究。 論文還介紹了基于FPGA的邏輯設計，包括了圖像采集模塊的工作原理、設計方案和SDRAM控制器的設計，介紹了SDRAM的基本操作和工作時序，重點闡述系統中可編程器件內部模塊化SDRAM控制器的設計及仿真結果。 論文最后描述了硬件系統的測試及調試流程，并給出了部分的調試結果。 該系統主要優點有：實時性、高速性。硬件設計的執行速度，在高速DSP和FPGA中實現信號處理算法程序，保證了系統實時性的實現；性價比高。自行研究設計的電路及硬件系統比較好的解決了高速實時圖像處理的需求。
上傳時間： 2013-05-30
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PWM(脈沖寬度調制)是一種利用數字信號來控制模擬電路的控制技術，廣泛應用于電源、電機、伺服系統、通信系統、電子控制器、功率控制等電力電子設備。PWM技術在逆變電路中的應用最為廣泛，也是變頻技術的核心，同時在機床，液壓位置控制系統等機械裝置中也發揮著重要的作用。PWM技術已經成為控制領域的一個熱點，因此研究PWM發生器對于基礎理論的發展和技術的改進都有十分重要的意義。 論文研究的主要內容是用任意波形作為調制信號通過特定的方法來產生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是兩個主要任務。任意波形的合成是課題設計的一個難點，也是影響系統性能的關鍵因素之一。論文中波形合成采用直接數字頻率合成(DDS)技術來實現。DDS技術以相位為地址，通過查找離散幅度數據進行波形合成，具有輸出波形相位變化連續、分辨率高、頻率轉換速率快的優點，而且通過設置控制字可靈活方便地改變輸出頻率，是目前波形合成的主流方法。 實現PWM發生器的設計方法有多種。在綜合比較了單片機、DSP、ARM等常用開發工具特點的基礎上，本文提出了一種以可編程邏輯器件(PLD)為主體，單片機輔助配合的設計方法。隨著計算機技術和微電了技術的迅速發展，可編程邏輯器件的集成度和容量越來越大，基于PLD的設計方法正逐步成為一種主流于段，是近些年來電子系統設計的一個熱點。整個系統分為模擬波形產生、單片機控制電路、FPGA內部功能模塊三大部分。FPGA部分的設計是以Altera公司的Quartus Ⅱ軟件為開發平臺，采用VHDL語言為主要輸入手段來完成內部各功能模塊的設計輸入、編譯、仿真等調試工作，目標載體選用性價比比較高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件；單片機控制電路主要負責控制字的設置和顯示，波形數據的接受與發送；用MATLAB軟件完成仟意波形的繪制和模擬任務。 論文共分五章，詳細介紹了課題的背景、PWM發生器的發展和應用以及選題的目的和意義等，論述了系統設計方案的可行性，對外圍電路和FPAG內部功能模塊的設計方法進行了具體說明，并對仿真結果、系統的性能、存在的問題和改進方法等進行了分析和闡述。整個設計滿足PWM發生器的任務和功能要求，設計方法可行。
上傳時間： 2013-04-24
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可配置端口電路是FPGA芯片與外圍電路連接關鍵的樞紐，它有諸多功能：芯片與芯片在數據上的傳遞(包括對輸入信號的采集和輸出信號輸出)，電壓之間的轉換，對外圍芯片的驅動，完成對芯片的測試功能以及對芯片電路保護等。 本文采用了自頂向下和自下向上的設計方法，依據可配置端口電路能實現的功能和工作原理，運用Cadence的設計軟件，結合華潤上華0.5μm的工藝庫，設計了一款性能、時序、功耗在整體上不亞于xilinx4006e[8]的端口電路。主要研究以下幾個方面的內容： 1.基于端口電路信號寄存器的采集和輸出方式，本論文設計的端口電路可以通過配置將它設置成單沿或者雙沿的觸發方式[7]，并完成了Verilog XL和Hspiee的功能和時序仿真，且建立時間小于5ns和保持時間在0ns左右。和xilinx4006e[8]相比較滿足設計的要求。 2.基于TAP Controller的工作原理及它對16種狀態機轉換的控制，對16種狀態機的轉換完成了行為級描述和實現了捕獲、移位、輸出、更新等主要功能仿真。 3.基于邊界掃描電路是對觸發器級聯的構架這一特點，設計了一款邊界掃描電路，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。達到對芯片電路測試設計的要求。 4.對于端口電路來講，有時需要將從CLB中的輸出數據實現異或、同或、與以及或的功能，為此本文采用二次函數輸出的電路結構來實現以上的功能，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。滿足設計要求。 5.對于0.5μm的工藝而言，輸入端口的電壓通常是3.3V和5V，為此根據設置不同的上、下MOS管尺寸來調整電路的中點電壓，將端口電路設計成3.3V和5V兼容的電路，通過仿真性能上已完全達到這一要求。此外，在輸入端口處加上擴散電阻R和電容C組成噪聲濾波電路，這個電路能有效地抑制加到輸入端上的白噪聲型噪聲電壓[2]。 6.在噪聲和延時不影響電路正常工作的范圍內，具有三態控制和驅動大負載的功能。通過對管子尺寸的大小設置和驅動大小的仿真表明：在實現TTL高電平輸出時，最大的驅動電流達到170mA，而對應的xilinx4006e的TTL高電平最大驅動電流為140mA[8]；同樣，在實現CMOS高電平最大驅動電流達到200mA,而xilinx4006e的CMOS驅動電流達到170[8]mA。 7.與xilinx4006e端口電路相比，在延時和面積以及功耗略大的情況下，本論文研究設計的端口電路增加了雙沿觸發、將輸出數據實現二次函數的輸出方式、通過添加譯碼器將配置端口的數目減少的新的功能，且驅動能力更加強大。
上傳時間： 2013-07-20
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現場可編程門陣列(FPGA)器件是能通過對其進行編程實現具有用戶規定功能的電路，特別適合集成電路的新品開發和小批量ASIC電路的生產。近幾年來，FPGA的發展非常迅速，但目前國內廠商所使用的FPGA芯片主要還是從國外進口，這種狀況除了給生產廠家帶來很大的成本壓力以外，同時也影響到國家信息產業的保密和安全問題，因此在國內自主研發FPGA便成為一種必然的趨勢。 基于上述現實狀況及國內市場的巨大需求，中國電子科技集團公司第58研究所近年來對FPGA進行了專項研究，本論文正是作為58所專項的一部分研究工作的總結。本文深入研究了FPGA的相關設計技術，并進行了實際的FPGA器件設計，研究工作的重點是在華潤上華(CSMC)0.5μm標準CMOS工藝基礎上進行具有6000有效門的FPGA的電路設計與仿真。 論文首先闡述了可編程邏輯器件的基本結構，就可編程邏輯器件的發展過程及其器件分類，對可編程只讀存儲器、現場可編程邏輯陣列、可編程陣列邏輯、通用邏輯陣列和復雜PLD等的基本結構特點進行了討論。接著討論了FPGA的基本結構與分類及它的編程技術，另外還闡述了FPGA的集成度和速率等相關問題。并根據實際指標要求確定本文研究目標FPGA的基本結構和它的編程技術，在華潤上華0.5μm標準CMOS工藝的基礎上，進行一款FPGA芯片的設計研究工作。進行了可編程邏輯單元的基本結構的設計，并用CMOS邏輯和NMOS傳輸管邏輯實現了函數發生器、快速進位鏈和觸發器的電路設計，并對其進行了仿真，達到了預期的目標。
上傳時間： 2013-08-01
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基于微處理器的數字PID控制器改變了傳統模擬PID控制器參數整定不靈活的問題。但是常規微處理器容易在環境惡劣的情況下出現程序跑飛的問題，如果實現PID軟算法的微處理器因為強干擾或其他原因而出現故障，會引起輸出值的大幅度變化或停止響應。而FPGA的應用可以從本質上解決這個問題。因此，利用FPGA開發技術，實現智能控制器算法的芯片化，使之能夠廣泛的用于各種場合，具有很大的應用意義。 首先分析FPGA的內部結構特點，總結FPGA設計技術及開發流程，指出實現結構優化設計，降低設計難度，是擴展設計功能、提高芯片性能和產品性價比的關鍵。控制系統由四個模塊組成，主要包括核心控制器模塊、輸入輸出模塊以及人機接口。其中控制器部分為系統的關鍵部件。在分析FPGA設計結構類型和特點的基礎上，提出一種基于FPGA改進型并行結構的PID溫度控制器設計方法。在PID算法與FPGA的運算器邏輯映像過程中，采用將補碼的加法器代替減法器設計，增加整數運算結果的位擴展處理，進行不同數據類型的整數歸一化等不同角度的處理方法融合為一體，可以有效地減少邏輯運算部件。應用Ouartus Ⅱ圖形輸入與Verilog HDL語言相結合設計實現了PID控制器，用Modelsim仿真驗證了設計結果的正確性，用Synplify Pro進行電路綜合，在Quaitus Ⅱ軟件中實現布局布線，最后生成FPGA的編程文件。根據控制系統的要求，論文設計完成了12位模數AD轉換器、數據顯示器、按鍵等相關外圍接口電路。 將一階、純滯后、大慣性電阻爐溫作為控制對象，以EP1C3T144 FPGA為核心，構建PID控制系統。在采用Pt100溫度傳感器、分辨率為2℃、最大溫度控制范圍0～400℃的條件下，實驗結果表明，達到無超調的穩定控制要求，為降低FPGA實現PID控制器的設計難度提供了有效的方法。
上傳時間： 2013-06-13
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