在数字电视系统中,MPEG-2编码复用器是系统传输的核心环节,所有的节目、数据以及各种增值服务都是通过复用打包成传输流传输出去。目前,只有少数公司掌握复用器的核心算法技术,能够采用MPEG-2可变码率统计复用方法提高带宽利用率,保证高质量图像传输。由于目前正处广播电视全面向数字化过渡期间,市场潜力巨大,因此对复用器的研究开发非常重要。本文针对复用器及其接口技术进行研究并设计出成形产品。 文中首先对MPEG-2标准及NIOS Ⅱ软核进行分析。重点研究了复用器中的部分关键技术:PSI信息提取及重构算法、PID映射方法、PCR校正及CRC校验算法,给出了实现方法,并通过了硬件验证。然后对复用器中主要用到的AsI接口和DS3接口进行了分析与研究,给出了设计方法,并通过了硬件验证。 本文的主要工作如下: ●首先对复用器整体功能进行详细分析,并划分软硬件各自需要完成的功能。给出复用器的整体方案以及ASI接口和DS3接口设计方案。 ●在FPGA上采用c语言实现了PSI信息提取与重构算法。 ●给出了实现快速的PID映射方法,并根据FPGA特点给出一种新的PID映射方法,减少了逻辑资源的使用,提高了稳定性。 ●采用Verilog设计了SI信息提取与重构的硬件平台,并用c语言实现了SDT表的提取与重构算法,在FPGA中成功实现了动态分配内存空间。 ●在FPGA上实现了.ASI接口,主要分析了位同步的实现过程,实现了一种新的快速实现字节同步的设计。 ●在FPGA上实现了DS3接口,提出并实现了一种兼容式DS3接口设计。并对帧同步设计进行改进。 ●完成部分PCB版图设计,并进行调试监测。 本复用器设计最大特点是将软件设计和硬件设计进行合理划分,硬件平台及接口采用Verilog语言实现,PSI信息算法主要采用c语言实现。这种软硬件的划分使系统设计更加灵活,且软件设计与硬件设计可同时进行,极大的提高了工作效率。 整个项目设计采用verilog和c两种语言完成,采用Altera公司的FPGA芯片EP1C20,在Quartus和NIOS IDE两种设计平台下设计实现。根据此方案已经开发出两台带有ASI和DS3接口的数字电视TS流复用器,经测试达到了预期的性能和技术指标。
上传时间: 2013-08-03
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数字滤波器是现代数字信号处理系统的重要组成部分之一。ⅡR数字滤波器又是其中非常重要的一类虑波器,因其可以较低的阶次获得较高的频率选择特性而得到广泛应用。 本文研究了ⅡR数字滤波器的常用设计方法,在分析各种ⅡR实现结构的基础上,利用MATLAB针对并联型结构的ⅡR数字滤波器做了多方面的仿真,从理论分析和仿真情况确定了所要设计的ⅡR数字滤波器的实现结构以及中间数据精度。然后基于FPGA的结构特点,研究了ⅡR数字滤波器的FPGA设计与实现,提出应用流水线技术和并行处理技术相结合的方式来提高ⅡR数字滤波器处理速度的方法,同时又从ⅡR数字滤波器的结构特性出发,提出利用ⅡR数字滤波器的分解技术来改善ⅡR滤波器的设计。在ⅡR实现方面,本文采用Verilog HDL语言编写了相应的硬件实现程序,将内置SignalTap Ⅱ逻辑分析器的ⅡR设计下载到FPGA芯片,并利用Altera公司的SignalTap Ⅱ逻辑分析仪进行了定性测试,同时利用HP频谱仪进行定性与定量的观测,仿真与实验测试结果表明设计方法正确有效。
上传时间: 2013-04-24
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软件无线电(SDR,Software Defined Radio)由于具备传统无线电技术无可比拟的优越性,已成为业界公认的现代无线电通信技术的发展方向。理想的软件无线电系统强调体系结构的开放性和可编程性,减少灵活性著的硬件电路,把数字化处理(ADC和DAC)尽可能靠近天线,通过软件的更新改变硬件的配置、结构和功能。目前,直接对射频(RF)进行采样的技术尚未实现普及的产品化,而用数字变频器在中频进行数字化是普遍采用的方法,其主要思想是,数字混频器用离散化的单频本振信号与输入采样信号在乘法器中相乘,再经插值或抽取滤波,其结果是,输入信号频谱搬移到所需频带,数据速率也相应改变,以供后续模块做进一步处理。数字变频器在发射设备和接收设备中分别称为数字上变频器(DUC,Digital Upper Converter)和数字下变频器(DDC,Digital Down Converter),它们是软件无线电通信设备的关键部什。大规模可编程逻辑器件的应用为现代通信系统的设计带来极大的灵活性。基于FPGA的数字变频器设计是深受广大设计人员欢迎的设计手段。本文的重点研究是数字下变频器(DDC),然而将它与数字上变频器(DUC)完全割裂后进行研究显然是不妥的,因此,本文对数字上变频器也作适当介绍。 第一章简要阐述了软件无线电及数字下变频的基本概念,介绍了研究背景及所完成的主要研究工作。 第二章介绍了数控振荡器(NCO),介绍了两种实现方法,即基于查找表和基于CORDIC算法的实现。对CORDIc算法作了重点介绍,给出了传统算法和改进算法,并对基于传统CORDIC算法的NCO的FPGA实现进行了EDA仿真。 第三章介绍了变速率采样技术,重点介绍了软件无线电中广泛采用的级联积分梳状滤波器 (cascaded integratot comb, CIC)和ISOP(Interpolated Second Order Polynomial)补偿法,对前者进行了基于Matlab的理论仿真和FPGA实现的EDA仿真,后者只进行了基于Matlab的理论仿真。 第四章介绍了分布式算法和软件无线电中广泛采用的半带(half-band,HB)滤波器,对基于分布式算法的半带滤波器的FPGA实现进行了EDA仿真,最后简要介绍了FIR的多相结构。 第五章对数字下变频器系统进行了噪声综合分析,给出了一个噪声模型。 第六章介绍了数字下变频器在短波电台中频数字化应用中的一个实例,给出了测试结果,重点介绍了下变频器的:FPGA实现,其对应的VHDL程序收录在本文最后的附录中,希望对从事该领域设计的技术人员具有一定参考价值。
上传时间: 2013-06-30
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随着数字电子技术的发展,数字信号处理的理论和技术广泛的应用于通讯、语音处理、计算机和多媒体等领域。快速傅立叶变换(FFT)使离散傅立叶变换的运算时间缩短了几个数量级,在数字信号处理领域被广泛应用。FFT已经成为现代信号处理的重要手段之一。 现场可编程门阵列(FPGA)是近年来迅速发展起来的新型可编程器件。随着它的不断应用和发展,也使电子设计的规模和集成度不断提高。同时基于FPGA实现FFT的设计方法和思想被提出。本次设计的目的是快速傅立叶变换(FFT)的FPGA实现。 此文在分析了快速傅立叶算法的基础上,提出了一种频率抽取基4 FFT的FPGA设计方案,针对现有FFT的FPGA实现过程中蝶形运算需要频繁乘以多个旋转因子提出了改进方法,减少了旋转因子的乘法次数和存储空间,加快了蝶形运算的速度,设计的地址映射方法,无需运算即可得到所需数据的存放地址,并结合采用乒乓结构和流水线方式,来提高快速傅立叶变换(FFT)FPGA实现的速度。描述了一片FPGA芯片内完成了整个FFT处理器的电路设计,经过模块时序仿真和数据的验证及测试,达到工作在50MHz时钟频率的设计要求。最后对后续设计做了描述,并对用FPGA实现FFT做了展望。
上传时间: 2013-04-24
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在工业控制领域,多种现场总线标准共存的局面从客观上促进了工业以太网技术的迅速发展,国际上已经出现了HSE、Profinet、Modbus TCP/IP、Ethernet/IP、Ethernet Powerlink、EtherCAT等多种工业以太网协议。将传统的商用以太网应用于工业控制系统的现场设备层的最大障碍是以太网的非实时性,而实现现场设备间的高精度时钟同步是保证以太网高实时性的前提和基础。 IEEE 1588定义了一个能够在测量和控制系统中实现高精度时钟同步的协议——精确时间协议(Precision Time Protocol)。PTP协议集成了网络通讯、局部计算和分布式对象等多项技术,适用于所有通过支持多播的局域网进行通讯的分布式系统,特别适合于以太网,但不局限于以太网。PTP协议能够使异质系统中各类不同精确度、分辨率和稳定性的时钟同步起来,占用最少的网络和局部计算资源,在最好情况下能达到系统级的亚微级的同步精度。 基于PC机软件的时钟同步方法,如NTP协议,由于其实现机理的限制,其同步精度最好只能达到毫秒级;基于嵌入式软件的时钟同步方法,将时钟同步模块放在操作系统的驱动层,其同步精度能够达到微秒级。现场设备间微秒级的同步精度虽然已经能满足大多数工业控制系统对设备时钟同步的要求,但是对于运动控制等需求高精度定时的系统来说,这仍然不够。基于嵌入式软件的时钟同步方法受限于操作系统中断响应延迟时间不一致、晶振频率漂移等因素,很难达到亚微秒级的同步精度。 本文设计并实现了一种基于FPGA的时钟同步方法,以IEEE 1588作为时钟同步协议,以Ethernet作为底层通讯网络,以嵌入式软件形式实现TCP/IP通讯,以数字电路形式实现时钟同步模块。这种方法充分利用了FPGA的特点,通过准确捕获报文时间戳和动态补偿晶振频率漂移等手段,相对于嵌入式软件时钟同步方法实现了更高精度的时钟同步,并通过实验验证了在以集线器互连的10Mbps以太网上能够达到亚微秒级的同步精度。
上传时间: 2013-08-04
上传用户:hn891122
论文提出了一种基于FPSLIC的下位机控制器系统设计,并且在嵌入式硬件和软件的联合调度之下予以实现,并将该系统应用于微小型无人直升机MUAV控制上。 微小型无人直升机体积小、重量轻、隐蔽性好、机动性强、易实现悬停和超低空飞行,因此在军用和民用领域都有广泛的应用前景。微小型无人直升机在空中执行任务时需要实时获得在空间的姿态和高度位置信息,然后通过调制舵机状态来调整飞行器的空中姿态,纠正飞行路线,而MUAV的飞控系统需要具有负荷轻,功能强大,实时性强以及低功耗的特点,对嵌入式处理器要求较高,所以针对MUAV的控制采用上下位机联合控制的结构。并且由于目前现有的下位机控制器满足不了MUAV控制发展的需求,所以本文中利用FPS[JC优越的性能,实现了一种新的下位机控制器的设计,具有体积小、重量轻、价格低、功耗低、实时性强、可靠性高、扩展性好等优点的同时,完成了基于PWM的舵机的控制和基于Kalman滤波的多传感器的数据融合,以及上下位机之间的通讯等功能,具有较强的使用和应用价值。 论文首先介绍了MUAV飞行控制的结构,以及下位机实现功能的模块划分。然后是对MUAV控制系统相关理论的介绍,包括舵机控制的原理和方法以及多传感器数据融合的理论。 其次论文介绍了基于FPSLIC的下位机控制器系统的软硬件设计。在硬件设计上,给出了硬件总体设计方案,并对各个功能模块进行了详细论述,软件部分在给出了主要的框架和功能划分后,主要介绍了利用FPSLIC的FPGA部分实现PWM控制和测量的模块以及AVR部分对多传感器信息进行Kalman滤波融合的实现。 最后在实验室的汽油无人直升机的测试平台上进行了舵机控制和高度测试实验,取得了满意的实验结果。
上传时间: 2013-04-24
上传用户:fredguo
数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分,同时也是软件无线电系统中的核心模块,在现代雷达系统以及无线基站系统中的应用越来越广泛。为了能够满足目前对软件无线电接收机自适应性及灵活性的要求,并充分体现在高性能FPGA平台上设计SOC系统的思路,本文提出了由高速高精度A/D转换芯片、高性能FPGA、PCI总线接口、DB25并行接口组成的高速数据采集系统设计方案及实现方法。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁,发挥了极其重要的作用。通过FPGA不仅完成了系统中全部数字电路部分的设计,并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。 在时序数字逻辑设计上,充分利用FPGA中丰富的时序资源,如锁相环PLL、触发器,缓冲器FIFO、计数器等,能够方便的完成对系统输入输出时钟的精确控制以及根据系统需要对各处时序延时进行修正。 在存储器设计上,采用FPGA片内存储器。可根据系统需要随时进行设置,并且能够方便的完成数据格式的合并、拆分以及数据传输率的调整。 在传输接口设计上,采用并行接口和PCI总线接口的两种数据传输模式。通过FPGA中的宏功能模块和IP资源实现了对这两种接口的逻辑控制,可使系统方便的在两种传输模式下进行切换。 在系统工作过程控制上,通过VB程序编写了应用于PC端的上层控制软件。并通过并行接口实现了PC和FPGA之间的交互,从而能够方便的在PC机上完成对系统工作过程的控制和工作模式的选择。 在系统调试方面,充分利用QuartuslI软件中自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTaplI,实时准确的验证了在系统整个传输过程中数据的正确性和时序性,并极大的降低了用常规仪器观测FPGA中众多待测引脚的难度。 本文第四章针对FPGA中各功能模块的逻辑设计进行了详细分析,并对每个模块都给出了精确的仿真结果。同时,文中还在其它章节详细介绍了系统的硬件电路设计、并行接口设计、PCI接口设计、PC端控制软件设计以及用于调试过程中的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪的使用方法,并且也对系统的仿真结果和测试结果给出了分析及讨论。最后还附上了系统的PCB版图、FPGA逻辑设计图、实物图及注释详细的相关源程序清单。
上传时间: 2013-07-09
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扩频通信系统与常规的通信系统相比,具有很强的抗窄带干扰,抗多径干扰,抗人为干扰的能力,并具有信息隐蔽、多址保密通信等优点。在近年来得到了迅速的发展。本论文主要讨论和实现了基于FPGA的直接序列扩频信号的解扩解调处理。论文对该直扩通信系统和FPGA设计方法进行了相关研究,最后用Altera公司的最新的FPGA开发平台Quarus Ⅱ5.0实现了相关设计。 整个系统分为两个部分,发送部分和接收部分。发送部分主要有串并转换、差分卷积编码、PN码扩频、QPSK调制、成型滤波等模块。接收部分主要有前端抗干扰、数字下变频、解扩解调等模块。 论文首先介绍了扩频通信系统的特点以及相关技术的国内外发展现状,并介绍了本论文的研究思路和内容。 然后,论文分析了几种常用的窄带干扰抑制、载波同步及PN码同步算法,结合实际需要,设计了一种零中频DSSS解调解扩方案。给出了抗窄带干扰、PN码捕获及跟踪以及载波同步的算法分析,采用了基于数字外差调制的自适应陷波器来进行前端窄带干扰抑制处理,用基于自适应门限技术的滑动相关捕获和分时复用单相关器跟踪来改善PN码同步的性能,用基于硬判决的COSTAS(科斯塔斯)环来减少载波提取的算法复杂度,用改进型CORDIC算法实现NCO来方便的进行扩展。 接着,论文给出了系统总体设计和发送及接受子系统的各个功能模块的实现分析以及在Quartus Ⅱ5.0上的实现细节,给出了仿真结果。 然后论文介绍了整个系统的硬件电路设计和它在真实系统中连机调试所得到的测试结果,结果表明该系统具有性能稳定,灵活性好,生产调试容易,体积小,便于升级等特点并且达到课题各项指标的要求。 最后是对论文工作的一些总结和对今后工作的展望。
上传时间: 2013-05-23
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随着科学技术的发展与公共安全保障需求的提高,视频监控系统在工业生产、日常生活、警备与军事方面的应用越来越广泛。采用基于 FPGA 的SOPC技术、H.264压缩编码技术和网络传输控制技术实现网络视频监控系统,在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势,具有重要的学术意义与实用意义, 本课题所设计的网络视频监控系统由以Nios Ⅱ为核心的嵌入式图像服务器、相关网络设备与若干PC机客户端组成。嵌入式图像服务器实时采集图像,采用H.264 编码算法进行压缩,并持续监听网络。PC机客户端可通过网络对服务器进行远程访问,接收编码数据,使用H.264解码算法重建图像并实时显示,使监控人员有效地掌握现场情况, 在嵌入式图像服务器设计阶段,本文首先进行了芯片选型与开发平台选择。然后构建图像采集子系统,采用双缓存乒乓交换的方法设计图像采集用户自定义模块。接着设计双Nios Ⅱ架构的SOPC系统,阐述了双软核设计中定制连接、内存芯片共享、数据搬移、通信与互斥的解决方法。同时完成了网络服务器的设计,采用μC/OS-Ⅱ进行多任务的管理与调度, H.264视频压缩编解码算法设计与实现是本文的重点。文中首先分析H.264.标准,规划编解码器结构。接着设计了16×16帧内预测算法,并设计宏块扫描方式,采用两次判决策略进行预测模式选择。然后设计4×4子块扫描方式,编写整数变换与量化算法程序。熵编码采用Exp-Golomb编码与CAVLC相结合的方案,针对除拖尾系数之外的非零系数值编码子算法,实现了一种基于表示范围判别的编码方法。最后设计了网络传输的码流组成格式,并针对编码算法设计相应解码算法。使用VC++完成算法验证,并进行测试,观察不同参数下压缩率与失真度的变化。 算法验证完成后,本文进行了PC机客户端设计,使其具有远程访问、H.264解码与实时显示的功能。同时将H.264 编码算法程序移植到NiosⅡ中,并将嵌入式图像服务器与若干客户端接入网络进行联合调试,构建完整的网络视频监控系统, 实验结果表明,本系统视频压缩率高,监控图像质量良好,充分证明了系统软硬件与图像编解码算法设计成功。本系统具有成本低、扩展性好及适用范围广等优点,发展前景十分广阔。
上传时间: 2013-04-24
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JPEG 2000是为适应不断发展的图像压缩应用而出现的新的静止图像压缩标准,小波变换是JEPG 2000核心算法之一。小波变换是一种可达到时(空)域或频率域局部化的时频域或空频域分析方法,其多尺度分解特性符合人类的视觉机制,更加适用于图像信息的处理。提升小波变换是一类不采用傅立叶变换做为主要分析工具的小波变换新方法,提升小波变换的提出大大简化了小波变换的计算,使其在实时信号处理领域得到广泛的应用。通过提升的方法很容易构造一般的整数小波变换,由于图像一般用位数较低的整数表示,整数小波变换可以将为整数序列的图像矩阵映射成整数小波系数矩阵,这就大大简化了小波变换的硬件电路设计。在当今数字化和信息化时代背景下,研究具有高速硬件处理功能的可变程逻辑器件在图像压缩算法领域的应用已经成为当今研究的热点。 本文旨在探讨和研制基于FPGA的小波变换模块的可能性和方法。本文采用Xilinx公司的Spartan-Ⅲ系列芯片,根据JPEG 2000推荐无损提升小波算法和有损提升小波算法,设计图像压缩系统的小波变换模块。主要工作如下: 第一部分介绍了传统小波分析理论和提升小波分析理论。包括连续小波时频局域性的特征,离散小波变换系数的意义,多分辨分析引出的构造小波基的系统方法和计算离散小波的快速算法等。重点放在介绍正交小波和双正交小波的构造方法,并介绍了数字图像在小波域的特点。讨论了提升小波变换的基本思想,讨论了用提升方法构造小波基以及传统小波变换的提升实现,讨论了整数小波变换。 第二部分介绍了FPGA结构及其设计流程。介绍了FPGA/CPLD器件的特征、发展趋势及FPGA/CPLD基本结构,然后重点介绍了本文用到的Xilinx公司Spartan-Ⅲ系列芯片的结构特点,以及Xilinx的FPGA开发软件ISE,最后介绍了硬件描述语言VHDL语言的特点。 最后一部分是本论文研究的主要内容,即JPEG 2000中最核心的算法-提升格式小波变换的一维变换模块设计和二维变换模块设计。一维提升小波变换模块采用两种不同的电路结构进行设计-低速低功耗的串行流水线结构和高速高功耗的并行阵列结构。同样,二维小波变换模块也采用了两种不同的电路结构进行设计-低速低功耗的折叠结构和高速高功耗的串行结构。 文章对提升小波变换的FPGA实现中的大量细节问题进行了讨论,给出了每种结构提升小波变换模块的电路原理图,并对原理图进行了仿真测试,仿真测试结果不仅表明了模块功能的正确性,而且表明不同小波模块可以满足相应领域的实际要求。
上传时间: 2013-06-08
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