矩阵运算是描述许多工程问题中不可缺少的数学关系，矩阵运算具有执行效率好、速度快、集成度高等优点，并且随着动态可配置技术的发展，灵活性也有了很大的提高。因此，寻找矩阵运算的高速实现方法是具有很大的现实意义，能够为高速运算应用提供技术支持。 为了提高研究成果的实用性与商用性，本文主要针对某种体积小、运算速度和性能要求很高的特殊场合设计并实现基于FPGA的矩阵运算功能。通过系统地研究FPGA功能结构、设计原理、DSP接口、IEEE-754标准，深入学习浮点数及矩阵的基础运算以及硬件编程语言等内容，根据矩阵运算的特点和原理，讨论了硬件设计方面重点对具体核心器件结构、特点以及有关FPGA的设计流程和控制器Verilog HDL硬件编程语言代码方面内容，确定了基于FPGA浮点运算及矩阵运算单元的Verilog HDL设计方法，在Quartus II平台上对其仿真、记录运算结果，并对采集到的数据结果进行了深入分析与总结。 本设计通过几种矩阵算法利用FPGA和MATLAB分别进行了实现测试，验证了设计结果的正确性，证明了本设计中矩阵运算速率的实用性与高效性，提高了系统资源利用率和系统可靠性，为今后在工程、军事、通讯等生产生活各个领域应用打下良好基础。
上传时间： 2013-07-07
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软件无线电（Software Defined Radio）是无线通信系统收发信机的发展方向，它使得通信系统的设计者可以将主要精力集中到收发机的数字处理上，而不必过多关注电路实现。在进行数字处理时，常用的方案包括现场可编程门阵列（FPGA）、数字信号处理器（DSP）和专用集成电路（ASIC）。FPGA以其相对较低的功耗和相对较低廉的成本，成为许多通信系统的首先方案。正是在这样的前提下，本课题结合软件无线电技术，研究并实现基于FPGA的数字收发信机。 @@ 本论文主要研究了发射机和接收机的结构和相关的硬件实现问题。首先，从理论上对发射机和接收机结构进行研究，找到收发信机设计中关键问题。其次，在理论上有深刻认识的基础上，以FPGA为手段，将反馈控制算法、反馈补偿算法和前馈补偿算法落实到硬件电路上。同步一直是数字通信系统中的关键问题，它也是本文的研究重点。本文在研究了已有各种同步方法的基础上，设计了一种新的同步方法和相应的接收机结构，并以硬件电路将其实现。最后，针对所设计的硬件系统，本文还进行了充分的硬件系统测试。硬件测试的各项数据结果表明系统设计方案是可行的，基本实现了数字中频收发机系统的设计要求。 @@ 本文中发射机系统是以Altera公司EP2C70F672C6为硬件平台，接收机系统以Altera公司EP2S180F1020C3为硬件平台。收发系统均是在Ouartus Ⅱ 8．0环境下，通过编写Verilog HDL代码和调用Altera IP core加以实现。在将设计方案落实到硬件电路实现之前，各种算法均使用MATLAB进行原理仿真，并在MATLAB仿真得到正确结果的基础上，使用Quartus Ⅱ 8．0中的功能仿真工具和时序仿真工具进行了前仿真和后仿真。所有仿真结果无误后，可下载至硬件平台进行调试，通过Quartus Ⅱ 8．0中集成的SignalTap逻辑分析仪，可以实时观察电路中各点信号的变化情况，并结合示波器和频谱仪，得到硬件测试结果。 @@关键词：SDR；数字收发机；FPGA；载波同步；符号同步
上传时间： 2013-04-24
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卷积码是广泛应用于卫星通信、无线通信等多种通信系统的信道编码方式。Viterbi算法是卷积码的最大似然译码算法，该算法译码性能好、速度快，并且硬件实现结构比较简单，是最佳的卷积码译码算法。随着可编程逻辑技术的不断发展，使用FPGA实现Viterbi译码器的设计方法逐渐成为主流。不同通信系统所选用的卷积码不同，因此设计可重配置的Viterbi译码器，使其能够满足多种通信系统的应用需求，具有很重要的现实意义。 本文设计了基于FPGA的高速Viterbi译码器。在对Viterbi译码算法深入研究的基础上，重点研究了Viterbi译码器核心组成模块的电路实现算法。本设计中分支度量计算模块采用只计算可能的分支度量值的方法，节省了资源；加比选模块使用全并行结构保证处理速度；幸存路径管理模块使用3指针偶算法的流水线结构，大大提高了译码速度。在Xilinx ISE8.2i环境下，用VHDL硬件描述语言编写程序，实现(2，1，7)卷积码的Viterbi译码器。在(2，1，7)卷积码译码器基础上，扩展了Viterbi译码器的通用性，使其能够对不同的卷积码译码。译码器根据不同的工作模式，可以对(2，1，7)、(2，1，9)、(3，1，7)和(3，1，9)四种广泛运用的卷积码译码，并且可以修改译码深度等改变译码器性能的参数。 本文用Simulink搭建编译码系统的通信链路，生成测试Viterbi译码器所需的软判决输入。使用ModelSim SE6.0对各种模式的译码器进行全面仿真验证，Xilinx ISE8.2i时序分析报告表明译码器布局布线后最高译码速度可达200MHz。在FPGA和DSP组成的硬件平台上进一步测试译码器，译码器运行稳定可靠。最后，使用Simulink产生的数据对本文设计的Viterbi译码器的译码性能进行了分析，仿真结果表明，在同等条件下，本文设计的Viterbi译码器与Simulink中的Viterbi译码器模块的译码性能相当。
上传时间： 2013-06-24
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现场可编程门阵列(FPGA)的发展已经有二十多年，从最初的1200门发展到了目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片。现在，FPGA已广泛地应用于通信、消费类电子和车用电子类等领域，但国内市场基本上是国外品牌的天下。 在高密度FPGA中，芯片上时钟分布质量变的越来越重要，时钟延迟和时钟偏差已成为影响系统性能的重要因素。目前，为了消除FPGA芯片内的时钟延迟，减小时钟偏差，主要有利用延时锁相环(DLL)和锁相环(PLL)两种方法，而其各自又分为数字设计和模拟设计。虽然用模拟的方法实现的DLL所占用的芯片面积更小，输出时钟的精度更高，但从功耗、锁定时间、设计难易程度以及可复用性等多方面考虑，我们更愿意采用数字的方法来实现。 本论文是以Xilinx公司Virtex-E系列FPGA为研究基础，对全数字延时锁相环(DLL)电路进行分析研究和设计，在此基础上设计出具有自主知识产权的模块电路。 本文作者在一年多的时间里，从对电路整体功能分析、逻辑电路设计、晶体管级电路设计和仿真以及最后对设计好的电路仿真分析、电路的优化等做了大量的工作，通过比较DLL与PLL、数字DLL与模拟DLL，深入的分析了全数字DLL模块电路组成结构和工作原理，设计出了符合指标要求的全数字DLL模块电路，为开发自我知识产权的FPGA奠定了坚实的基础。 本文先简要介绍FPGA及其时钟管理技术的发展，然后深入分析对比了DLL和PLL两种时钟管理方法的优劣。接着详细论述了DLL模块及各部分电路的工作原理和电路的设计考虑，给出了全数字DLL整体架构设计。最后对DLL整体电路进行整体仿真分析，验证电路功能，得出应用参数。在设计中，用Verilog-XL对部分电路进行数字仿真，Spectre对进行部分电路的模拟仿真，而电路的整体仿真工具是HSIM。 本设计采用TSMC0.18μmCMOS工艺库建模，设计出的DLL工作频率范围从25MHz到400MHz，工作电压为1.8V，工作温度为-55℃～125℃，最大抖动时间为28ps，在输入100MHz时钟时的功耗为200MW，达到了国外同类产品的相应指标。最后完成了输出电路设计，可以实现时钟占空比调节，2倍频，以及1.5、2、2.5、3、4、5、8、16时钟分频等时钟频率合成功能。
上传时间： 2013-06-10
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软件无线电思想的出现带来了接收机实现方式的革新。随着近年来软件无线电理论和应用趋于成熟与完善，软件无线电技术已经被越来越广泛地应用于无线通信系统和电子测量测试仪器中。数字下变频技术作为软件无线电的核心技术之一，在频谱分析仪中也得到了越来越普遍的应用。 本人参与的手持式频谱分析仪项目采用的是中频数字化实现方式，可满足轻巧，可重配置和低功耗的需求。数字化中频的关键部件数字下变频器DDC采用的是Intersil公司的ISL5216，这个器件和高性能FPGA共同组成手持频谱仪的数字信号处理前端。这个数字前端就手持频谱分析仪来说存在一定的局限性，ISL5216的信号处理带宽单通道为1 MHz，4个通道级联为3MHz，未能满足谱仪分析带宽日益增加的需求；系统集成度不高，ISL5216的功能要是集成到FPGA，可进一步提高系统集成度，降低物料成本和系统功耗。基于以上两个方面的考虑，现正以手持频谱分析仪项目为依托，基于Xilinx Spartan3A-DSP系列FPGA实现高速高处理带宽的DDC。 本论文首先描述了数字下变频基本理论和结构，对完成各级数字信号处理所涉及的数字正交变换、CORDIC算法、CIC、HB、多相滤波等关键算法做了适当介绍；然后介绍了当前主流FPGA的数字信号处理特性和其内部的DSP资源。接着详细描述了数控振荡器NCO、复数数字混频器MIXER、5级CIC滤波器、5级HB滤波器和255阶可编程FIR的设计和实现，并对各个模块的不同实现方式作了对比和仿真测试数据作了分析。最后介绍了所设计DDC在手持频谱分析仪中的主要应用。
上传时间： 2013-04-24
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无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量传感器节点组成，这些节点部署在监测区域内通过无线通信方式，形成的一个多跳自组织的网络。整个网络的作用是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给观察者，可广泛应用于环境监测、医疗护理、军事、商业等多个领域。 媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）协议处于无线传感器网络协议的物理层和路由层之间，用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响。与传统无线网络不同，提高能量效率和可扩展性是无线传感器网络MAC协议设计的主要目标。 本文主要阐述基于FPGA对IEEE802．15．4 MAC层功能的实现。首先介绍了无线传感器网络的体系结构、MAC协议的设计要求以及已有的MAC层协议，讨论了无线传感器网络MAC层的主要要求和功能。然后详细介绍和分析了IEEE802．15．4的MAC协议，并在此基础上，通过NS2平台对MAC层协议进行了仿真，研究不同网络负荷下信道访问机制的各个参数对吞吐量，丢包率，传输延时的影响，分析了隐蔽站问题、确认帧机制。 本文对MAC层中的主要功能，诸如数据收发、帧处理、信道接入方式以及帧检验等提出了基于FPGA的硬件解决方法。设计选用硬件描述语言VerilogHDL，在QuartusⅡ中完成模块的综合和布局布线，在QuartusⅡ和Modelsim中进行时序仿真验证，最终下载到自主设计Altera公司的Cyclone开发板中。 对设计的验证采取的是由里及外的方式，先对系统主模块的功能进行验证，然后下载到与CC2430开发板相连接的FPGA中对设计进行验证测试。验证流程是功能仿真、时序仿真和板级调试，最终通过测试，验证了该设计的功能。测试结果表明，该模块能满足无线传感器网络低速率应用环境的需要，具有优良的扩展性能，达到了预期的设计目标。
上传时间： 2013-06-14
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焊有元件的印制电路板在线测试是印制电路板生产过程中的一个重要环节，关系着整个电子产品的质量。本文在深入研究国内外印制电路板自动测试技术的基础上，结合当前先进的电子技术，设计出一套高性能，低价位，小体积，便于携带和操作的印制电路板在线测试仪。 本文设计的在线测试仪系统包括控制器电路、信号发生电路、信号采集电路、元件测试电路、USB通信电路和开关矩阵电路等，其中控制器电路是以FPGA可编程控制芯片为核心，负责控制下位机其它所有电路的正常工作，并实现与上位机间的通信。 针对模拟元件的测试，本文首先探讨了对印制电路板上模拟元件测试时的隔离原理，继而详细阐述了电阻、电容（电感）、二极管、三极管、运算放大器等的测试方法，并分别设计了硬件测试电路。因为测试时需向被测元件施加测试激励信号，本文设计并完成了一信号发生电路，可输出幅值可调的直流恒压源信号和直流恒流源信号、幅值和频率都可调的交流信号。 针对数字器件的测试，本文将数字器件分为两种，一种为具有边界扫描功能单元的器件，另一类为非边界扫描器件，并分别对两种类型的数字器件的测试原理和方法进行了详细的描述，在文中给出了相关的硬件测试电路图。 本设计中，所有测试激励信号经测试电路后输出的测试结果都是直流电压信号，所以本文设计了一通用信号采集电路来完成对测试结果的取样。本文还设计了开关矩阵电路，用于将被测印制电路板上的元件接入到测试电路中。对通信电路的设计，本文采用USB通信方式与上位机进行有效的数据交换，并通过USB接口芯片完成了硬件电路的设计。 在软件方面，本文采用NiosⅡ C语言完成所有软件设计，以协助硬件部分来完成对印制电路板的测试工作。 本文已完成各部分电路试验及系统联调，试验证明设计达到了项目预定要求。
上传时间： 2013-08-02
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MP3音乐是目前最为流行的音乐格式，因其音质、复杂度与压缩比的完美折中，占据着广阔的市场，不仅在互联网上广为流传，而且在便携式设备领域深受人们喜爱。本文以MPEG-1的MP3音频解码器为研究对象，在实时性、面积等约束条件下，研究MP3解码电路的设计方法，实现FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的验证方法。 论文的主要贡献如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解码过程的相关步骤，以减少缓冲区存储单元的容量和访存次数。如把重排序步骤融合到反量化模块，可以减少一半的读写RAM操作；把IMDCT模块内部的三个算法步骤融合在一起进行设计，可以省去存储中间计算结果的缓存区单元。 (2)反量化、立体声处理等模块中，采用流水线设计技术，设置寄存器把较长的组合逻辑路径隔开，提高了电路的性能和可靠性；使用连续访问公共缓存技术，合理规划各计算子模块的工作时序，将数据计算的时间隐藏在访存过程中；充分利用频率线的零值区特性，有效地减少数据计算量，加快了数据处理的速度。 (3)设计了MP3硬件解码器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述语言设计RTL级电路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA开发板为平台，实现MP3解码器的FPGA原型芯片。MP3硬件解码器在Stratix II EP2S180器件内的资源利用率约为5％，其中组合逻辑查找表ALUT为7189个，寄存器共有4024个，系统频率可达69.6MHz，充分满足了MP3解码过程的实时性要求。实验结果表明，MP3音频解码FPGA原型芯片可正常播放声音，解码音质良好。
上传时间： 2013-07-01
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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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“计算机组成原理”是计算机专业的一门核心课程。传统的计算机组成原理实验是在指令格式、寻址方式、运算器、控制器、存储器等都相对固定的情况下进行，学生主要进行功能实现和验证，缺少自主设计和创新过程。 为改变这种状况，须更新现有的计算机组成原理实验系统。采用FPGA芯片作为载体，使用EDA开发工具，用硬件描述语言实现不同的硬件逻辑，再与硬件的输入输出接口线路相连，最终组成一台可用于组成实验教学的完整计算机系统。这期间学生将掌握组成原理实验系统的各个部件的功能及其相互之间如何协作。本实验系统能够让学生完成有关计算机组成原理的部件实验和整机实验：部件实验包括加法器、乘法器、除法器、算术逻辑运算单元、控制器、存储器等；整机实验可以独立实现各部件的功能描述。该系统能够帮助学生巩固课堂知识并增强设计能力。 为实现上述目的，依据EDA技术的开发流程和方法，建立了一个完整的体系，其中包括控制模块、内存模块、运算器模块、通用寄存器组及其控制部件、程序计数器、地址寄存器、指令寄存器、时序部件、数据控制部件、状态值控制部件，以及为帮学生调试而专门设计的输出观察部件。在Quartus Ⅱ开发环境下，使用Altera公司FPGA芯片，采用VHDL，语言设计并实现了上述模块。经过仿真测试，所实现的各功能模块作为独立部件时能完成各自功能：而将这些部件组合起来的整机系统，可以执行程序段和进行各种运算处理，达到了设计要求。
上传时间： 2013-06-01
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