现场可编程门阵列(FPGA)是一种现场可编程专用集成电路，它将门阵列的通用结构与现场可编程的特性结合于一体，如今，FPGA系列器件已成为最受欢迎的器件之一。随着FPGA器件的广泛应用，它在数字系统中的作用日益变得重要，它所要求的准确性也变得更高。因此，对FPGA器件的故障测试和故障诊断方法进行更全面的研究具有重要意义。随着FPGA器件的迅速发展，FPGA的密度和复杂程度也越来越高，使大量的故障难以使用传统方法进行测试，所以人们把视线转向了可测性设计(DFT)问题。可测性设计的提出为解决测试问题开辟了新的有效途径，而边界扫描测试方法是其中一个重要的技术。 本文对FPGA的故障模型及其测试技术和边界扫描测试的相关理论与方法进行了详细的探讨，给出了利用布尔矩阵理论建立的边界扫描测试过程的数学描述和数学模型。论文中首先讨论边界扫描测试中的测试优化问题，总结解决两类优化问题的现有算法，分别对它们的优缺点进行了对比，进而提出对两种现有算法的改进思想，并且比较了改进前后优化算法的性能。另外，本文还对FPGA连线资源中基于边界扫描测试技术的自适应完备诊断算法进行了深入研究。在研究过程中，本文基于自适应完备诊断的思想对原有自适应诊断算法的性能进行了分析，并将独立测试集和测试矩阵的概念引入原有自适应诊断算法中，使改进后的优化算法能够简化原算法的实现过程，并实现完备诊断的目标。最后利用测试仿真模型证明了优化算法能够更有效地实现完备诊断的目标，在紧凑性指标与测试复杂性方面比现在算法均有所改进，实现了算法的优化。
上传时间： 2013-06-30
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在VTS(Vessel Tramc Services船舶交管系统)系统中，雷达信号的处理器的能力己成为制约雷达目标录取、跟踪处理能力和可靠性以及整个VTS系统工作的主要因素。随着区域性VTS的建立，要求将雷达信号以最高的质量和最低的代价远距离传输，而达到这一要求的关键技术环节一雷达信息的压缩处理也将受到雷达信号预处理系统的影响。 因此，研究更有效的VTS雷达信号预处理系统是一项很有价值和实际意义的工作。本文是在前人研究成果的基础上，面向实际应用的需求，主要研究VTS雷达信号预处理算法的设计方法和实现手段，设计完成了一个数字化的雷达原始信号实时采集与处理系统。 本设计主要包括雷达信号的采集、杂波抑制处理以及与DSP芯片的信号传输。在硬件结构上，本设计采用FPGA完成信号的采集、CFAR处理和雷达信号检测器的设计，将大量的以前需要由DSP芯片来完成的算法移植到FPGA中实现，大大减轻了DSP芯片的工作压力，也减小了系统的体积。 在算法研究中，设计中重点讨论了杂波的抑制方法和目标的检测方法。本文在研究了大量现有的雷达信号杂波抑制及信号检测的算法的基础上，比较了各种算法的优劣，最终选择了一种适合本次设计要求的CFAR算法和双极点滤波雷达信号检测器在FPGA中实现。 论文中对设计中所采用的方法给出了理论分析、试验仿真结果和试验实际调试结果。通过本文所述的设计和实验，本文设计的雷达信号预处理系统对雷达视频信号的采集与传输都有很好的效果，所选用的杂波处理算法对雷达杂波、雨雪杂波和陆地回波都具有较好的抑制作用，能有效地处理雷达杂波中的尖峰成分，使信噪比得到较大改善。
上传时间： 2013-04-24
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软件无线电是无线电领域研究的热点。现阶段限于硬件的发展水平，大多采用宽带中频带通采样数字化结构，数字中频技术就成为实现该结构的关键技术。目前FPGA器件在数字信号处理技术的实现方面发挥着越来越重要的作用。本文目的正是要把这两者相结合，使数字中频处理在FPGA中得到实现，满足具体的应用要求。 首先，对软件无线电体系和数字中频处理结构进行了研究；其次，在信号采样理论、多速率数字信号处理理论、滤波器设计理论、FPGA硬件数字算法等理论的基础上，结合本文的应用需要，提出了适合于FPGA实现的数字化中频处理的系统方案：采用多相结构来高效的实现抽取，并用FIR滤波器作为低通抗混叠滤波器来实现6倍抽取的抗混叠滤波。对系统进行了Matlab仿真，以验证系统方案的可行性。再次，具体通过Vefilog编程在FPGA中硬件实现该数字中频系统。其中包括混频器模块、抽取滤波器模块、信号产生器模块。 最后对该系统进行了软件仿真和硬件功能验证，结果表明数字中频系统性能达到了设计要求。
上传时间： 2013-07-26
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目前的国内的CCD高清摄相头能够输出一组视频信号和数字图像信号，虽然视频信号能够直接在监视器显示，但是输出的数字图像信号占用存储空间太大，不便于进行传输。本文设计了一种基于FPGA的数字图像压缩卡。 在过去的十几年中，国际标准化组织制订了一系列的国际视频编码标准并广泛应用到各种领域。It.264/AVC是ITU-T和ISO联合推出的新标准，采用了近几年视频编码方面的先进技术，以较高编码效率和网络友好性成为新一代国际视频编码标准。 新发展的H．264/AVC比原有的视频编码标准大幅度提高了编码效率，但其运算复杂度也大大增加，本文简要分析了H．264/AVC的复杂度及其优化的途径，给出了主要模块的优化算法实验结果。 H．264/AVC仍基于以前视频编码标准的运动补偿混合编码方案，主要不同有：增强的运动预测能力，准确匹配的较小块变换，自适应环内滤波器，增强的熵编码。测试结果表明这些新特征使H．264/AVC编码器提高50％编码效率的同时，增加了一个数量级的复杂度。实际中恰当地使用H．264/AVC编码工具可以较低的实现复杂度得到与复杂配置相当的编码效率。故实际编码系统开发需要在运算复杂性和编码效率之间进行折衷、兼顾考虑。H．264/AVC引入的新编码特征既增加基本模块的复杂度，也成倍增加算法的复杂度。针对它们的作用和实现方法的不同，可采用不同的硬件实现方法。本文基于上述思路进行优化，具体的工作包括：针对去块滤波的复杂性，本文提出一种适合硬件实现的算法，使其在节省了资源的同时，很好的达到了标准所定义的性能。针对变换量化的复杂性，本文提出一种既满足整体的硬件流水结构，又极大的降低了硬件资源的实现方法。针对码率控制的实现，本文提出了一种有别于传统实现方式的算法，在保证实时性的同时，极大的提高了编码器的性能。本文基于上述算法还进行Baseline Profile编码器的研究，给出了一种实时编码器结构，实现了对高清图像格式(720P)的实时编码，并将其和当前业界先进水平进行了对比，表明本文所实现得结构能够达到当前业界的先进水平。
上传时间： 2013-07-23
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无人机大气数据的采集和处理在无人机中占有很重要的位置和作用，它是保障飞机安全飞行以及保证地面控制和操纵人员正确引导飞机、顺利完成飞行任务的关键所在。在目前广泛应用的无人机大气数据测量系统中，多数采用单片机作为大气数据处理计算机，但是单片机在高速数据采集和处理方面却存在着抗干扰性差、速度慢等缺点，使测量系统的稳定性和实时性受到了很大的影响。 本文采用FPGA(Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片作为大气数据处理器，以大气数据中的气压高度为例，介绍了一种基于FPGA技术的无人机气压高度测量系统。由于该测量系统中的FPGA数据处理器具有可靠性高、速度快、逻辑功能强等特点，有效地解决了单片机在高速无人机大气数据测量系统中处理速度较慢、实时性较差的问题。 论文首先介绍了FPGA的基本结构、工作原理、开发设计流程和FPGA编程所采用的VHDL硬件描述语言，还介绍了数字式大气数据测量系统的基本组成和工作原理，并且详细阐述了气压高度测量的原理和方法；然后提出了基于FPGA的无人机气压高度测量系统的整体设计，并对该测量系统各组成部分的硬件电路进行详细的分析和设计；随后论文又介绍了气压高度测量系统中FPGA的相关软件设计，并就FPGA内部所设计的各功能模块的作用、模块内部结构和工作流程进行详细的论述；最后使用Modelsim和QuartusII仿真软件对程序进行功能和时序的仿真，以验证FPGA内部各功能模块和FPGA总体设计的正确性，并在所有仿真通过后将程序产生的配置文件下载到FPGA芯片中，在制作和安装测量系统的电路板后对整个测量系统进行实际的测试，将测试结果与理论值比较并分析测量系统的误差来源。 根据系统测试的结果，本文验证了以FPGA芯片为核心的无人机气压高度测量系统的可行性，并对该测量系统提出了今后的进一步改进和完善的思路。
上传时间： 2013-04-24
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在船舶交管系统中，雷达信息处理是最重要的组成部分。视频回波处理中的杂波处理要求实时性很高，大约要在一个距离单元的时间(0.05-0.1us)内完成。杂波处理如恒虚警处理本身比较复杂，这类处理过程又要求快速，图像显示系统要求及时的把接收到的雷达方位数据从极坐标转换成直角坐标。在软件上实现这些算法虽然精度可以达到，但是实时性问题不能满足。因此这类问题多采用高速专用数字设备来实现。FPGA在数字信号处理领域有非常广阔的应用前景，以其优良的性能在数字信号处理中发挥了重大的作用。CORDIC算法可以在硬件上以很高的精度实现一些函数和运算。针对以上几点，本文提出了利用CORDIC算法，基于FPGA来实现雷达信号处理和图像显示的算法研究，用硬件来实现正弦、余弦、正切、乘法、除法、指数和对数等基本函数和运算，把他们设计成为可重用的IP core，这样可以满足实时性和精度的问题。从而在将来的算法研究中方便的调用，这样在算法研究中可以节约大量的时间，在一定程度上降低研究的难度。 围绕雷达信号处理和图像显示，本次课题设计主要做了如下工作： 1．对CORDIC算法进行分析和研究，以及它在雷达信号处理和图像显示中的影响。 2．成功用硬件描述语言在Xilinx公司软件ISE的环境下编写代码，在Synplify和Modelsim上做了综合和仿真。 3．对实验结果进行精度和速度分析。 4．对雷达信号处理和图像显示的相关算法进行分析和研究。 5．从实例分析IP core的特点，对算法研究的影响和IP core在雷达信号处理和图像显示中的应用。 最终在实践环节，成功利用CORDIC算法，在FPGA上实现可重用的IP core，这些IP core能够以很高的精度实现一些基本函数和运算，在雷达信号处理与图像显示中起到很大的作用。
上传时间： 2013-07-16
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随着科技的发展，电子电路的设计正逐渐摆脱传统的设计模式。可编程逻辑器件及硬件描述语言的出现与发展从根本上改变了数字系统设计与实现的技术与方法，越来越多的数字信号处理系统采用可编程逻辑器件来实现。 数字滤波技术作为数字信号处理的基本分支之一，在各种数字信号处理中起着重要作用，被广泛应用于很多领域。其中有限长冲激响应（FIR）滤波器，只有零点、系统稳定、运算速度快、具有线性相位的特性，设计灵活，在工程实际中获得广泛应用。 本文以数字滤波器的基本理论为依据，通过对现场可编程门阵列（FPGA）内部结构的研究，结合软件工程学中结构化设计思想和硬件描述语言的特点，以9阶FIR低通数字滤波器为例，采用Altera公司的EPIK30TC144-3器件完成了FIR数字滤波器的软硬件设计。我们在设计中采用了层次化、模块化的设计思想，将整个滤波器划分为多个功能模块，利用VHDL语言进行了各个功能模块的设计。 为了使设计的过程和结果更为直观，文中详细介绍了核心及外围硬件电路的设计过程，最终达到了基于FPGA硬件实现参数化FIR数字滤波器的目的。实验测试表明，本论文所设计的基于FPGA的9阶FIR低通数字滤波器基本达到了设计指标。依照此方法，只要修改参数，升级相关硬件，便可以更改滤波器性能，实现高通、带通FIR数字滤波器，说明本设计具有普遍指导意义。
上传时间： 2013-05-24
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文中简单阐述了红外辐射机理，论述了红外焦平面阵列技术的发展状况。红外成像系统，尤其是红外焦平面阵列，由于探测器材料和制造工艺的原因，各像素点之间的灵敏度存在差别，甚至存在一些缺陷点，各个探测单元特征参数不完全一致，因而存在着较大的非均匀性，降低了图像的分辨率，影响了红外成像系统的有效作用距离。实时非均匀性校正是提高和改善红外图像质量的一项重要技术。 论文建立了描述其非均匀性的数学模型，分析了红外焦平面阵列非均匀性产生的原因及特点，讨论了几种常用的非均匀性校正的方法，指出了其各自的优缺点和适应场合。 根据红外探测器光谱响应的特点和基于参考源的两点温度非均匀性校正理论，采用FPGA+DSP实现红外成像系统实时非均匀性两点校正，设计完成了相应的红外焦平面阵列非均匀性校正硬件电路。对该系统中各个模块的功能及电路实现进行了详细的描述，并给出了相应的结构框图。同时给出了该图像处理器的部分软件流程图。该方法动态范围大而且处理速度快，适用于红外成像系统实时的图像处理场合。实践表明，该方案取得了较为满意的结果。
上传时间： 2013-04-24
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心血管疾病是当今危害人类健康的主要疾病之一，心电图检查是临床上诊断心血管疾病的重要方法。心电图准确的自动分析与诊断对于心血管疾病的诊断起着关键的作用，也是国内外学者所热衷的研究课题。QRS复合波的检测是心电自动分析的关键环节，检出的位置精度关系到后续处理和分析的正确性和准确性。 本文在总结前人工作的基础上，对基于小波变换的QRS复合波检测算法做了深入研究;并针对小波变换算法与心电检测算法的结构提出了一种硬件实现方法。本文的主要内容包括基于小波变换的心电信号检测算法设计和该算法在FPGA系统上的实现两个部分。 对国内外近年内发展起来的各种心电检测方法进行了总结，并综合考虑检出率和硬件实现的实时性等问题，采用小波变换方法对QRS复合波进行检测。根据QRs复合波经小波变换后，心电特征波在某些尺度上对应有相对明显的模极值对，通过在对应尺度上判断模极值对，进而检测出对应的特征波。 设计了基于小波变换的心电信号检测算法的FPGA实现系统。系统主要包含三个模块：心电信号预处理模块、小波分解模块和检测模块。心电信号预处理模块对输入的心电信号进行滤波预处理，以消除工频干扰和基线漂移。小波分解模块采用流水线设计，即把各层小波分解分成各个模块独立实现，以提高运算效率。检测模块的功能是利用小波分解模块的输出结果在各尺度上寻找模极值对，并根据检测策略检测QRS复合波。 本文采用Veillog语言对设计进行了仿真验证，并通过MIT-BIH心律失常标准数据库对本文的设计实现进行性能评估，获得了较好的检出率。同时，综合结果也表明系统时钟能够工作在较高的频率，足以满足高速实时对心电信号的处理与检测。
上传时间： 2013-04-24
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8051系列是至今为止最成功的单片机之一，在FPGA平台上研究带硬件浮点运算器的8051是对其在SoC及专用化的方向上的一次迈进。文章首先介绍了8051的基本架构，包括硬件模块、指令系统、内存分配以及基本外设。然后讲解了在设计8051时如何划分模块，每个模块的功能与设计，同时也介绍了如何设计流水线来加速8051的处理速度。对于浮点运算器，文章介绍了IEEE浮点数的表示方法，包括各种特殊值的表示方法以及作用。在探讨浮点运算器设计的时候首先是给出了模块的划分及其实现的功能，然后以生动的实例介绍了加减乘除四种浮点运算的算法。在介绍完8051与浮点运算器设计以后，文章介绍了如何将浮点运算器集成到8051上，包括硬件上的数据线接口和控制线接口，以及软件中如何运用硬件浮点运算器。最后文章给出了此设计在ModelSim上的仿真结果以及在CyclonelIFPGA芯片上的验证过程，可以清楚地看到，与KeilC51软件库的浮点运算相比，加法运算从186个时钟周期减少到4个时钟周期，减法运算从200个时钟周期减少到4个时钟周期，乘法运算从241个时钟周期减少到4个时钟周期，而除法则由原来的¨lO个时钟周期减少到4个时钟周期，可见硬件浮点运算器使8051在运算能力上有了质的提高。 笔者也在“Google”和“百度”搜索引擎上，以及“维普数据论文网’’上搜索过，都没有发现有类似的设计，带硬件浮点运算器的8051可谓是一次创新，希望在实际应用中能有用武之地。
上传时间： 2013-04-24
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