自20世纪80年代以来,正交频分复用技术不但在广播式数字音频和视频领域得到广泛的应用,而且已经成为无线局域网标准(例如IEEE802.11a和HiperLAN/2等)的一部分。OFDM由于其频谱利用率高,成本低等原因越来越受到人们的关注。随着人们对通信数据化、宽带化、个人化和移动化需求的增强,OFDM技术在综合无线接入领域将会获得越来越广泛的应用。人们开始集中越来越多的精力开发OFDM技术在移动通信领域的应用,本文也是基于无线通信平台上的OFDM技术的运用。 本文的所有内容都是建立在空地数据无线通信系统下行链路FPGA实现基础上的。本文作者的主要工作集中在链路接收端的FPGA实现和调试上。主要包括帧同步(时间同步)算法的研究与设计、OFDM频率同步算法的研究与设计以及同步模块、OFDM解调模块、QAM解调模块的FPGA实现。最终实现高速数字图像传输系统下行链路在无线环境中连通。 对于无线移动通信系统而言,多普勒频移、收发设备的本地载频偏差均可能破坏OFDM系统子载波之间的正交性,从而导致ICI,影响系统性能。另外,由于OFDM系统大多采用IFFT/FFT实现调制解调,因此在接收方确定FFT的起点对数据的正确解调也至关重要。同步技术即是针对系统中存在的定时偏差、频率偏差进行定时、频偏的估计与补偿,来减少各种同步偏差对系统性能的影响。在OFDM实现的关键技术中,同步技术是十分重要的一部分。本文花费了三个章节阐述了同步技术的原理、算法和实现方法。 目前OFDM系统的载波同步方案,可以归纳为三大类:辅助数据类,盲估计类和基于循环前缀的半盲估计类。本文首先分析了各种载波同步方案的优缺点,并举例说明了各个载波同步方式的实现方法。然后具体阐述了本文在FPGA平台上实现的OFDM接收端同步的同步方式,包括其具体算法和FPGA实现结构。本文所采用的帧同步和频率同步方案都是采用辅助数据类的,在阐述其具体算法的同时对算法在不同参数和不同形式下的性能做出了仿真对比分析。 OFDM的解调采用FFT算法,在FPGA上的实现是十分方便的。本文主要阐述其实现结构,重点放在提取有效数据部分有效数据位置的推导过程。最后介绍了本文实现QAM软解调的解调方法。 本文阐述算法采用先提出原理,然后给出具体公式,再根据公式中的系数和变量分析算法性能的方式。在阐述实现方式时首先给出实现框图,然后对框图中比较重要或者复杂的部分进行详细阐述。在介绍完每个模块实现方式之后给出了仿真或者上板结果,最后再给出整体测试结果。
上传时间: 2013-06-26
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数字图像通信的最广泛的应用就是数字电视广播系统,与以往的模拟电视业务相比,数字电视在节省频谱资源、提高节目质量方面带来了一场新的革命,而与此对应的DVB(Digital Video Broadcasting)标准的建立更是加速了数字电视广播系统的大规模应用。DVB标准选定MPEG—2标准作为音频及视频的编码压缩方式,随后对MPEG—2码流进行打包形成TS流(transport stream),进行多个传输流复用,最后通过不同媒介进行传输。在DVB标准的传输系统中,无论是卫星传输,电缆传输还是地面传输,为了保障图像质量,使数字节目在传输过程中避免出现因受到各种信道噪声干扰而出现失真的现象,都采用了信道编码的方式来保护传输数据。信道编码是数字通信系统中一个必需的、重要的环节。 信道编码设计方案的优劣决定了DVB系统的成功与否,本文重点研究了DVB系统中的信道编码算法及其FPGA实现方案,主要进行了如下几项工作: 1)介绍了DVB系统信道编码的基本概念及特点,深入研究了DVB标准中信道编码部分的关键技术,并针对每个信道编码模块进行工作原理分析、算法分析。 2)根据DVB信道编码的特点,重点对信道编码中四个模块,包括扰码、RS编码、卷积交织编码和卷积编码的FPGA硬件实现算法进行了比较详细的分析,并阐述了每个模块及QPSK调制的设计方案及实现模块功能的程序流程。 3)在RS(204,188)编码过程中,利用有限域常数乘法器的特点,对编码器进行了优化,在很大程度上提高了编码效率,卷积交织器部分采用RAM移位法,实现起来更为简单且节省了FPGA器件内部资源。 4)设计以Altera公司的QuartusⅡ为开发平台,利用FPGA芯片EP1C6Q240C8完成了信道编码各模块及QPSK调制的硬件实现,通过Verilog HDL描述和时序仿真来验证算法的可行性,并给出系统设计中减少毛刺的方法,使系统更为稳定。最终的系统仿真结果表明该系统工作稳定,达到了DVB系统信道编码设计的要求。
上传时间: 2013-06-26
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图像显示器是人类接受外部信息的重要手段之一。而立体显示则能再现场景的三维信息,提供场景更为全面、详实的信息,在医学、军事、娱乐具有广泛的应用前景。而现有的3D立体显示设备价格都比较贵,基于此,本人研究了基于SDRAM存储器和FPGA处理器的3D头盔显示设备并且设计出硬件和软件系统。该系统图像效果好,并且价格成本便宜,从而具有更大的实用性。本文完成的主要工作有三点: 1.设计了基于FPGA处理器和SDRAM存储器的3D头盔显示器。该方案有别于现有的基于MCU、DSP和其它处理芯片的方案。本方案能通过线性插值算法把1024×768的分辨率变成800×600的分辨率,并能实现120HZ图像刷新率,采用SDRAM作为高速存储器,并且采用乒乓操作,有别于其它的开关左右眼视频实现立体图像。在本方案中每时每刻都是左右眼视频同时输出,使得使用者感觉不到视频图像有任何闪烁,减轻眼睛疲劳。本方案还实现了图像对比对度调节,液晶前照光调节(调节输出脉冲的占空比),立体图像源自动识别,还有人性化的操作界面(OSD)功能。 2.完成了该系统的硬件平台设计和软件设计。从便携性角度考虑,尽量减小PCB板面积,给出了它们详细的硬件设计电路图。完成了FPGA系统的设计,包括系统整体分析,各个模块的实现原理和具体实现的方法。完成了单片机对AD9883的配置设计。 3.完成了本方案的各项测试和调试工作,主要包括:数据采集部分测试、数据存储部分测试、FPGA器件工作状态测试、以电脑显示器作为显示器的联机调试和以HX7015A作为显示器的联机调试,并且最终调试通过,各项功能都满足预期设计的要求。实验和分析结果论证了系统设计的合理性和使用价值。 本文的研究与实现工作通过实验和分析得到了验证。结果表明,本文提出的由FPGA和SDRAM组成的3D头盔显示系统完全可以实现高质量的立体视觉效果,从而可以将该廉价的3D头盔显示系统用于我国现代化建设中所需要的领域。
上传时间: 2013-07-16
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当今,移动通信正处于向第四代通信系统发展的阶段,OFDM技术作为第四代数字移动通信(4G)系统的关键技术之一,被包括LTE在内的众多准4G协议所采用。IDFT/DFT作为OFDM系统中的关键功能模块,其精度对基带解调性能产生着重大的影响,尤其对LTE上行所采用的SC_FDMA更是如此。为了使定点化IDFT/DFT达到较好的性能,本文采用数字自动增益控制(DAGC)技术,以解决过大输入信号动态范围所造成的IDFT/DFT输出信噪比(SNR)恶化问题。 首先,本文简单介绍了较为成熟的AAGC(模拟AGC)技术,并重点关注近年来为了改善其性能而兴起的数字化AGC技术,它们主要用于压缩ADC输入动态范围以防止其饱和。针对基带处理中具有累加特性的定点化IDFT/DFT技术,进一步分析了AAGC技术和基带DAGC在实施对象,实现方法等上的异同点,指出了基带DAGC的必要性。 其次,根据LTE协议,搭建了从调制到解调的基带PUSCH处理链路,并针对基于DFT的信道估计方法的缺点,使用简单的两点替换实现了优化,通过高斯信道下的MATLAB仿真,证明其可以达到理想效果。仿真结果还表明,在不考虑同步问题的高斯信道下,本文所搭建的基带处理链路,采用64QAM进行调制,也能达到在SNR高于17dB时,硬判译码结果为极低误码率(BER)的效果。 再次,在所搭建链路的基础上,通过理论分析和MATLAB仿真,证明了包括时域和频域DAGC在内的基带DAGC具有稳定接收链路解调性能的作用。同时,通过对几种DAGC算法的比较后,得到的一套适用于实现的基带DAGC算法,可以使IDFT/DFT的输出SNR处于最佳范围,从而满足LTE系统基带解调的要求。针对时域和频域DAGC的差异,分别选定移位和加法,以及查表的方式进行基带DAGC算法的实现。 最后,本文对选定的基带DAGC算法进行了FPGA设计,仿真、综合和上板结果说明,时域和频域DAGC实现方法占用资源较少,容易进行集成,能够达到的最高工作频率较高,完全满足基带处理的速率要求,可以流水处理每一个IQ数据,使之满足基带解调性能。
上传时间: 2013-05-17
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SATA接口是新一代的硬盘串行接口标准,和以往的并行硬盘接口比较它具有支持热插拔、传输速率快、执行效率高的明显优势。SATA2.0是SATA的第二代标准,它规定在数据线上使用LVDS NRZ串行数据流传输数据,速率可达3Gb/s。另外,SATA2.0还具有支持NCQ(本地命令队列)、端口复用器、交错启动等一系列技术特征。正是由于以上的种种技术优点,SATA硬盘业已被广泛的使用于各种企业级和个人用户。 硬盘作为主要的信息载体之一,其信息安全问题尤其引起人们的关注。由于在加密时需要实时处理大量的数据,所以对硬盘数据的加密主要使用带有密钥的硬件加密的方式。因此将硬盘加密和SATA接口结合起来进行设计和研究,完成基于SATA2.0接口的加解密芯片系统设计具有重要的使用价值和研究价值。 本论文首先介绍了SATA2.0的总线协议,其协议体系结构包括物理层、链路层、传输层和命令层,并对系统设计中各个层次中涉及的关键问题进行了阐述。其次,本论文对ATA协议和命令进行了详细的解释和分析,并针对设计中涉及的命令和对其做出的修改进行了说明。接着,本论文对SATA2.0加解密控制芯片的系统设计进行了讲解,包括硬件平台搭建和器件选型、模块和功能划分、系统工作原理等,剖析了系统设计中的难点问题并给出解决问题的方法。然后,对系统数据通路的各个模块的设计和实现进行详尽的阐述,并给出各个模块的验证结果。最后,本文简要的介绍了验证平台搭建和测试环境、测试方法等问题,并分析测试结果。 本SATA2.0硬盘加解密接口电路在Xilinx公司的Virtex5 XC5VLX50T FPGA上进行测试,目前工作正常,性能良好,已经达到项目性能指标要求。本论文在SATA加解密控制芯片设计与实现方面的研究成果,具有通用性、可移植性,有一定的理论及经济价值。
上传时间: 2013-04-24
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并行总线PATA从设计至今已快20年历史,如今它的缺陷已经严重阻碍了系统性能的进一步提高,已被串行ATA(Serial ATA)即SATA总线所取代。SATA作为新一代磁盘接口总线,采用点对点方式进行数据传输,内置数据/命令校验单元,支持热插拔,具有150MB/s(SATA1.0)或300MB/s(SATA2.0)的传输速度。目前SATA已在存储领域广泛应用,但国内尚无独立研发的面向FPGA的SATAIP CORE,在这样的条件下设计面向FPGA应用的SATA IP CORE具有重要的意义。 本论文对协议进行了详细的分析,建立了SATA IP CORE的层次结构,将设备端SATA IP CORE划分成应用层、传输层、链路层和物理层;介绍了实现该IPCORE所选择的开发工具、开发语言和所选用的芯片;在此基础上着重阐述协议IP CORE的设计,并对各个部分的设计予以分别阐述,并编码实现;最后进行综合和测试。 采用FPGA集成硬核RocketIo MGT(RocketIo Multi-Gigabit Transceiver)实现了1.5Gbps的串行传输链路;设计满足协议需求、适合FPGA设计的并行结构,实现了多状态机的协同工作:在高速设计中,使用了流水线方法进行并行设计,以提高速度,考虑到系统不同部分复杂度的不同,设计采用部分流水线结构;采用在线逻辑分析仪Chipscope pro与SATA总线分析仪进行片上调试与测试,使得调试工作方便快捷、测试数据准确;严格按照SATA1.0a协议实现了SATA设备端IP CORE的设计。 最终测试数据表明,本论文设计的基于FPGA的SATA IP CORE满足协议需求。设计中的SATA IP CORE具有使用方便、集成度高、成本低等优点,在固态电子硬盘SSD(Solid-State Disk)开发中应用本设计,将使开发变得方便快捷,更能够适应市场需求。
上传时间: 2013-06-21
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工业生产过程往往具有非线性、不确定性,难以建立精确的数学模型。应用常规的PID控制器难以达到理想的控制效果。作为的重要分支,人工神经网络具有良好的非线性映射能力和高度的并行信息处理能力,已成为非线性系统建模、辨识和控制中常用的理论和方法。其中,神经元具有很强的信息综合、学习记忆、自学习和自适应能力,可以处理那些难以用模型和规则描述的过程,将神经元与PID结合,应用到实际的控制中,可以在线调整PID的参数,使系统具有较强的抗干扰能力、自适应能力和较好的鲁棒性。 目前,人工神经网络的研究主要是神经网络的理论研究、神经网络的应用研究和神经网络的实现技术研究,这三方面是相互依赖和相互促进的关系。本文主要侧重的是神经网络的实现技术研究方面,创新性地利用FPGA嵌入式系统开发技术实现单神经元PID智能控制器的研究与设计,并将其封装成为一个专用的IP核供其他的控制系统使用。 首先,对单神经元PID智能控制器的设计原理和设计算法进行了深入的研究与分析;其次,利用MATLAB设计单神经元PID智能控制器,针对特定的被控对象,对其进行仿真实验,获得比较理想的系统输出;然后,研究基于FPGA的单神经元智能控制算法的实现,对控制器进行VHDL语言分层设计,使用Altera公司的软件QuartusⅡ6.1进行仿真实验。两个仿真实验结果表明,基于FPGA的单神经元智能控制器比MATLAB设计的单神经元PID智能控制器性能优良。 本文的设计模块主要包括权值修改模块、误差计算模块、权值产生模块和输出模块。在各个模块的设计中进行了优化处理,使本文的设计不仅利用的硬件资源少,而且也有很快的运行速度,同时也改善了传统控制器的控制性能。
上传时间: 2013-04-24
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本研究针对目标识别等系统中由于载机转动而使目标图像发生旋转,给测量及人眼观察带来的影响,因此需要对目标图像进行实时的反旋转处理,对目前出现的消像旋技术进行分析和比较,选择从电子学消旋方法出发,研究图像消像旋的方法,并给出了基于FPGA的实时消像旋系统的完整结构和相应的算法设计。 本文在对电子图像消旋原理的深入分析的基础上,设计并利用Visual C++6.0软件仿真实现了一种优化的快速旋转算法,再利用后插值处理保证了图像的质量;构建了以ACEX EP1K100为核心的数字图像实时消像旋系统,利用VHDL硬件描述语言实现了整个消像旋算法的FPGA设计。该系统利用高速相机和Camera Link接口传输图像,提高了系统的运行速度。利用QuartusII和Matlab软件对整个算法设计进行混合仿真实验。实验结果表明,该系统能够成功地对采集到的灰度图像进行消像旋处理,旋转后的图像清晰稳定,像素误差小于一个像素,而且对于视频信号只有一帧的延时不到20ms,达到系统参数要求。
上传时间: 2013-07-04
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随着图像声纳技术的发展,对于大数据量图像数据的压缩成为必须要解决的一个课题。本文结合水声图像特点,应用VerilogHDL 语言在Quartus Ⅱ软件环境下设计实现了JPEG基本模式编解码器。 JPEG是国际标准化组织(ISO)和CCITT 联合制定的静态图像的压缩标准,是目前最常使用的图像存储格式。 论文首先介绍了JPEG编码的基本原理,然后根据编码的流程从总体结构上对JPEG编码器进行了模块划分。对于2D—DCT变换采用了行列分离的快速算法;针对水声图像特点采用了DC系数直接编码。以一幅真实的水声图像作为JPEG编码器的测试输入,对编码器输出的码流经过软件编程后正确显示出了JPEG图片,并分析了压缩图像效果和质量。 JPEG解码器采用了和JPEG编码器对称的模块划分,2D—IDCT变换同样采用了行列分离的快速算法;根据JPEG标准中哈夫曼编码的特点,哈夫曼解码采用了浓缩哈夫曼表法,降低了存储资源,提高了解码速度。对经本文设计的JPEG解码器解码后的图片和原图片进行了比较分析,结果表明本设计满足要求。
上传时间: 2013-05-25
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本文提出了一种基于FPGA的硬件防火墙的实现方案,采用了FPGA来实现千兆线速的防火墙。传统的基于X86等通用CPU的防火墙无法支撑快速增长的网络速度,无法实现线速过滤和转发。本文在采用FPGA可编程器件+通用CPU模式下,快速处理网络数据。网络数据在建立连接跟踪后,直接由FPGA实现的快速处理板直接转发,实现了网络数据的线速处理,通用CPU在操作系统支持下,完成网络数据的连接跟踪的创建、维护,对网络规则表的维护等工作。FPGA硬件板和CPU各司所长,实现快速转发的目的。 本文设计了基于FPGA的硬件板的硬件规格,提出了硬件连接跟踪表的存储模式,以及规则表的存储模式和定义等; 防火墙系统软件采用NetBSD操作系统,完成了硬件板的NetBSD的驱动;在软件系统完成了新建连接的建立、下发、老化等工作;在连接跟踪上完成了规则的建立、删除、修改等工作。 本文完成了防火墙的实现。实现了基于连接跟踪的包过滤、地址转换(NAT),设计了连接跟踪的关键数据结构,包过滤的关键数据结构等,重用了NetBSD操作系统的路由。本文针对地址转换应用程序的穿透问题,新增了部分实现。 在DoS攻击是一种比较常见的攻击网络手段,本文采用了软硬件结合的方法,不仅在软件部分做了完善,也在硬件部分采取了相应的措施,测试数据表明,对常见的Syn洪水攻击效果明显。 在实践过程中,我们发现了NetBSD操作系统内核的软件缺陷,做了修正,使之更完善。 经过测试分析,本方案不仅明显的优于X86方案,和基于NP方案、基于ASIC方案比较,具有灵活、可配置、易升级的优点。
上传时间: 2013-06-21
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