随着安全通信数据速率的提高,关键数据加密算法的软件实施成为重要的系统瓶颈.基于FPGA的高度优化的可编程的硬件安全性解决方案提供了并行处理能力,并且可以达到所要求的加密处理性能(每秒的SSL或RSA运算次数)基准.网络的迅速发展,对安全性的需要变得越来越重要.然而,尽管网络技术进步很快,安全性问题仍然相对落后.由于FPGA所提供的设计优势,特别是新的高速版本,网络系统设计人员可以在这些网络设备中经济地实现安全性支持.FPGA是实现设计灵活性和功能升级的关键,对于容错、IPSec协议和系统接口问题而言这两点非常重要.而且,FPGA还为网络系统设计人员提供了适应不同安全处理功能以及随着安全技术的发展方便地增加对新技术支持的能力.标准加密/解决以及认证算法,如RC-4、DES、三次DES、MD-5以及安全哈希算法-1(SHA-1)被广泛用于全球网络安全系统中.本文介绍了基于PCI总线的加密卡的研制,硬件板卡的结构,着重论述了加密卡上加密模块的实现,即用FPGA实现3DES及IDEA、MD5算法的过程,加密卡的工作原理,加密卡中多种密码算法的配置原理,最后对3DES算法及IDEA、MD5算法的实现进行仿真,并绘制了板卡的原理图,对PCI接口原理进行了阐述.在论文中,首先阐述了数据加密原理.介绍了数据加密的算法和数据加密的技术发展趋势,并重点说明了3DES的算法.由于加密卡的生存空间在于其高速的加密性能与便捷的使用方式,所以,我们的加密卡采用的是基于PCI插槽的结构,遵从的是PCI2.2规范,理解并掌握PCI总线的规范是了解整个系统的重要一环,本文讲述了PCI总线的特点和性能,以及总线的信号.由于遵从高速性的要求,我们在硬件选型的时候,选用的是TI公司高速DSP T M S 3 2 0 C 5 4 x:T I公司新推出的T M S 3 2 0 C 6 x系列D S P功能强,速度也非常快,但目前价格仍然太高,不适合一般加解密使用.而TMS3 2 0 C 5 4 x系列具有性能适中,价格低廉,产品成熟等特点,是较好的选择.FPGA选用的XILINX公司的XC2V3000,在随后的文章中,我们将会对这些器件特性做相应说明.并由此得出电路原理图的绘制.文章的重点之一在于3DES算法及IDEA、MD5算法的FPGA实现,以Xilinx公司VIRTEXII结构的VXC2V3000为例,阐述用FPGA高速实现3DES算法及IDEA、MD5算法的设计要点及关键部分的设计.
上传时间： 2013-04-24
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随着通信技术和计算机技术的发展，多媒体的应用与服务越来越广泛，视频压缩编码技术也随之成为非常重要的研究领域。运动估计是视频压缩编码中的一项关键技术。由于视频编码系统的复杂性主要取决于运动估计算法，因此如何找到一种可靠、快速、性能优良的运动估计算法一直是视频压缩编码的研究热点。运动估计在视频编码器中承担的运算量最大、控制最为复杂，由于对视频编码的实时性要求，因此运动估计模块一般都采用硬件来设计。 本文的目的是在FPGA芯片上设计实现一种更优的易于硬件实现的块匹配运动估计算法——二步搜索算法。全文首先讨论了块匹配运动估计理论及其主要技术指标，介绍了运动估计技术在MPEG-4中的应用，然后在对典型的运动估计算法进行分析比较的基础上讨论了一种性能和硬件实现难易度综合指数较高的二步搜索算法。本文对已有的用于全搜索算法实现的VLSI结构进行了改进，设计了符合二步搜索算法要求的FPGA实现结构，并在对其理论分析之后，对实现该算法的运动估计模块进行了功能模块的划分，并运用VerilogHDL硬件描述语言、ISE及Modelsim开发工具在Spartan-IIEXC2S300eFPGA芯片上完成了对各功能模块的设计、实现与时序仿真。最后，对整个运动估计模块进行了仿真测试，给出了其在FPGA上搭建实现后的时序仿真波形图与占用硬件资源情况，通过对时序仿真结果可知本文设计的各功能模块工作正常，并且能够协同工作，整个运动估计模块能够正确的实现二步搜索运动估计算法，并输出正确的运动估计结果；通过对占用硬件资源及时钟频率情况的分析验证了本文设计的二步搜索运动估计算法的FPGA实现结构具备先进性和实时可实现性。
上传时间： 2013-05-27
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随着图像处理和模式识别技术的进步，基于生物特征的识别技术成为蓬勃发展的高技术之一，根据IBG(InternationalBiometricGroup)组织对生物特征市场的统计和预测，该领域的收入的年增长率30-50％，到2008年，全球总收入将达到46.39亿美元。而基于指纹特征的识别技术由于其独特的可靠性，稳定性，方便快捷的特点，恰好符合了市场的需求。目前指纹识别技术是生物识别领域中应用最广泛的识别技术，也是研究与应用的一个热点。 SOPC片上可编程系统和嵌入式系统是当前电子设计领域中最热门的概念。NiosⅡ是Altera公司开发的一种采用流水线技术、单指令流的RISC嵌入式处理器软核，可以将它嵌入FPGA内部，与用户自定义逻辑结合构成一个基于FPGA的片上系统。与嵌入式硬核相比较，嵌入式软核具有更大的灵活性。而FPGA的高速性、恰恰满足了指纹识别系统对速度的要求。 本文对指纹识别技术中各个环节的算法进行了较为深入的研究，结合NiosⅡ嵌入式处理器的特点，对算法进行了合理的选择与优化，形成了一套完整的指纹识别算法，并提出了一种基于FPGA的指纹识别系统硬件设计方案。 论文的内容主要包括以下几个方面： 1、对指纹图像预处理、后处理和匹配算法进行了改进，提高了算法的性能；设计了一种适用于快速匹配的指纹特征数据结构；提出了一套基于特征点匹配的指纹识别算法。实验结果表明该算法速度快、误识率较低、可靠性较高，可以满足实用的要求。 2、本着增加系统集成度、减小系统体积、提高便携性、降低功耗和成本，同时提升系统的性能的原则，使用Altera公司提供的外围设备IP核配合NiosⅡ处理器软核搭建了一个单片嵌入式系统，然后以内嵌NiosⅡ软核的FPGA和FPS200指纹采集器为核心芯片，外配片外RAM和Flash存储器以及小键盘和LCD显示屏等器件，设计了一个便携式指纹识别系统，提出了一套基于FPGA的硬件设计方案。 3、利用NiosⅡ开发板对硬件设计方案进行了初步的验证，实现了指纹采集芯片FPS200与FPGA的接口，并进行了算法的移植。 实验结果表明本文所提出的系统设计方案是可行的。基于FPGA的自动指纹识别系统在速度、功耗、体积、扩展性方面有着独特的优势，具有广阔的发展空间。最后提出了对这一设计继续改进的思路和下一步研究的内容。
上传时间： 2013-07-28
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本文主要研究Turbo码的编码和译码算法及其FPGA硬件实现.在概述信道编码理论及其发展历程之后,简要地论述了Turbo码的原理.然后分别对Turbo码的MAP译码算法,LOG-MAP算法进行推导,在给出LOG-MAP的推导之后,提出了对于LOG-MAP译码算法的两点改进,采用三阶牛顿插值函数对校验函数进行拟合,采用双滑动窗口技术取代传统的单滑动窗口技术.Turb码还有一种译码复杂度相对较低的算法——SOVA算法,本文也给出了SOVA算法的详细推导过程.在对LOG-MAP和SOVA算法的详细推导之后,本文给出Turbo码的软件仿真,采用Matlab语言编写Turbo码仿真系统程序,仿真系统比较了单滑动窗口技术和双滑动窗口技术在不同的信噪比下的译码性能.在软件仿真的基础上,本文给出了Turbo码编码器和采用LOG-MAP译码算法译码器的FPGA硬件实现方法.
上传时间： 2013-06-19
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本文从AES的算法原理和基于ARM核嵌入式系统的开发着手，研究了AES算法的设计原则、数学知识、整体结构、算法描述以及AES存住的优点利局限性。 针对ARM核的体系结构及特点，对AES算法进行了优化设计，提出了从AES算法本身和其结构两个方面进行优化的方法，在算法本身优化方面是把加密模块中的字节替换运算、列混合运算和解密模块中的逆列混合运算中原来的复杂的运算分别转换为简单的循环移位、乘和异或运算。在算法结构优化方面是在输入输山接口上采用了4个32位的寄存器对128bits数据进行了并行输入并行输出的优化设计；在密钥扩展上的优化设计是采用内部扩展，即在进行每一轮的运算过程的同时算出下一轮的密钥，并把下一轮的密钥暂存在SRAM里，使得密钥扩展与加/解密运算并行执行；加密和解密优化设计是将轮函数查表操作中的四个操作表查询工作合并成一个操作表查询工作，同时为了使加密代码在解密代码中可重用，节省硬件资源，在解密过程中采用了与加密相一致的过程顺序。 根据上述的优化设计，基于ARM核嵌入式系统的ADS开发环境，提出了AES实现的软硬件方案、AES加密模块和解密模块的实现方案以及测试方案，总结了基于ARM下的高效编程技巧及混合接口规则，在集成开发环境下对算法进行了实现，分别得出了初始密钥为128bits、192bits和256bits下的加密与解密的结果，并得剑了正确验证。在性能测试的过程中应用编译器的优化选项和其它优化技巧优化了算法，使算法具有较高的加密速度。
上传时间： 2013-04-24
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GPS技术在导航、定位及精确打击等方面产生了重要影响，已经广泛地应用在各种武器平台上。但是，在干扰环境下也显现出许多问题。由于其到达地球表面的信号极其微弱(-160dBW)，在现在复杂的电磁环境中容易受到干扰，尤其是C/A码信号更易受到干扰，并且随着导航战的发展对GPS的抗干扰已成为争取导航资源的有效措施。因此，研究干扰环境下的GPS接收机设计具有重要意义。 本文首先简要介绍了GPS信号的结构及构成，通过对GPS信号特征以及接收机抗干扰能力的分析，结合干扰对接收机的作用方式及效果，确定GPS最易受的干扰类型为阻塞式干扰，然后针对这种干扰类型提出了一种有效的抗干扰技术-----自适应调零天线技术。接下来，着重研究了GPS接收机在此抗干扰技术前提下的若干抗干扰方法，并对其进行了详细的分析和讨论。 研究过程中，通过对最佳化准则和空域自适应滤波的理解，首先对不同天线阵列结构进行了性能仿真和比较分析，然后在对称圆形天线阵列的基础上对空域自适应算法进行了仿真分析，针对其自由度有限的问题接着对空时滤波方法做了详细讨论，在7元对称圆形阵列的基础上仿真说明了二者各自的优缺点。考虑到实际的干扰环境和本课题研究的初期阶段，因此选用了适合本课题干扰环境的空域滤波方法，并对其自适应算法进行了适当的改进，使得其抗干扰性能获得了一定程度的改善。 最后，详细说明了该接收机抗干扰模块的FPGA实现原理。详细给出了顶层及各子模块的设计流程与RTL视图，实验结果验证了该算法的有效性。
上传时间： 2013-06-03
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H.264/AVC是国际电信联盟与国际标准化组织/国际电工委员会联合推出的活动图像编码标准，简称H.264。作为最新的国际视频编码标准，H.264/AVC与MPEG-4、H.263等视频编码标准相比，性能有了很大的提高，并已在流媒体、数字电视、电话会议、视频存储等诸多领域得到广泛的应用。 本论文的研究课题是基于H.264/AVC视频编码标准的CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding，基于上下文的自适应可变长编码)编码算法研究及FPGA实现。对于变换后的熵编码，H.264/AVC支持两种编码模式：基于上下文的可变长编码(CAVLC)和基于上下文的自适应算术编码(CABAC，Context-based Adaptive BinaryArithmetic Coding)。在H.264/AVC中，尽管CAVLC算法也是采用了VLC编码，但是同以往标准不同，它所有的编码都是基于上下文进行。这种方法比传统的查单一表的方法提高了编码效率，但也增加了设计上的困难。 作者在全面学习H.264/AVC协议和深入研究CAVLC编码算法的基础上，确定了并行编码的CAVLC编码器结构框图，并总结出了影响CAVLC编码器实现的瓶颈。针对这些瓶颈，对CAVLC编码器中的各个功能模块进行了优化设计，这些优化设计包括多参考块的表格预测法、快速查找表法、算术消除法等。最后，用Verilog硬件描述语言对所设计的CAVLC编码器进行了描述，用EDA软件对其主要功能模块进行了仿真，并在Cyclone II系列EP2C20F484的FPGA上验证了它们的功能。结果表明，该CAVLC编码器各编码单元的编码速度得到了显著提高且均能满足实时通信要求，为整个CAVLC编码器的实时通信提供了良好的基础。
上传时间： 2013-06-04
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常模信号是一类非常重要的信号，而专门应用于常模信号的常模算法[1]具有复杂度较低、实现起来比较简单、对阵列模型的偏差不敏感等显著的优点。因此，常模算法引起了众多学者的广泛关注。近年来，常模算法在多用户检测领域[2]的研究越来越受到诸多学者的关注。不仅如此，常模算法在其他领域也是备受瞩目，如常模算法在盲均衡以及波束形成等领域的应用也是目前研究的热点。除此之外，常模算法已经不仅仅局限在应用于常模信号，也可应用于多模信号[3]等。 本文对常模算法在多用户检测领域的应用以及FPGA[4]实现作了较多的研究工作，共分六章进行阐述。第一章为绪论，介绍了论文相关背景和本文的结构；第二章首先对常模算法作了理论分析，并改进了传统的2-2型常模算法，我们称之为M2-2CMA，它在误码率性能上有一些改善；之后在MATLAB平台上搭建了仿真平台，分析了常模算法在多用户检测中的应用；第三章研究了相关文献，简单介绍了FPGA概念及其设计流程和设计方法，并对VerilogHDL以及Quartus软件做了简要介绍；第四章则详细介绍了常模算法的FPGA实现，用一种基于统计数据的方法确定了数据位长及精度，提出了其实现的系统框图，并详细阐述了各主要模块的设计与实现，同时给出了最后的报告文件以及最高数据处理速度；第五章则在MATLAB平台和QuartuslI的基础上搭建了一个仿真平台，借助于平台分析了2-2型常模算法移植到FPGA平台后的性能，对不同的精度对系统性能的影响做了讨论，也统计了不同信噪比、多址干扰下的误码率性能。最后一章是对全文的总结和对未来的展望。
上传时间： 2013-06-23
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可编程逻辑芯片特别是现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)芯片的快速发展，使得新的芯片能够根据具体应用动态地调整结构以获得更好的性能，这类芯片称为动态可重构FPGA芯片(Dynamically ReconfigurableFPGA，DRFPGA)。然而，使用这类芯片构建的可重构系统在实际应用前还有许多问题需要解决。一个基本的问题就是动态可重构FPGA芯片中的可重构功能单元(Reconfigurable Functional Unit，RFU)的模块布局问题和模块间的布线问题。 本文从基本的FPGA芯片结构和CAD算法谈起，介绍了可重构计算的概念，建立了可重构计算系统模型和动态可重构FPGA芯片模型，在此模型上提出一个基于划分和时延驱动的在线布局算法，和一个基于Pathfinder协商拥塞算法的布线算法，来解决动态可重构FPGA芯片的布局和布线问题。由硬件描述语言(Hardware Description Language，HDL)描述的电路首先被划分成有限数目的层，然后将这些电路层布局到芯片的每一层，同时确保关键路径的时延最小。实验结果表明，布局算法与传统的布局算法(或者文献[37]中的算法)相比，在时延上平均减少27％，在线长上平均减少34％(或者11％)，在运行时间上平均减少42％(或者97％)。布线算法与传统的布线算法相比，能够将线长降低26％，将水平通道宽度降低27％，显示出较高的性能。
上传时间： 2013-05-24
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本文对基于FPGA的CCSDS图像压缩和AES加密算法的实现进行了研究。主要完成的工作有： (1)深入研究CCSDS图像压缩算法，并根据其编码方案，设计并实现了相应的编解码器。从算法性能和硬件实现复杂度两个方面，将该算法与具有类似算法结构的JPEG2000和SPIHT图像压缩算法作比较分析； (2)利用硬件描述语言VerilogHDL实现CCSDS图像压缩算法和AES加密算法； (3)优化算法复杂度较大的功能模块，如小波变换模块等。使用双端口内存模块增加数据读写速度，利用DSP块处理核心运算单元，从而很大程度上提高了模块的运行速度，并降低了芯片的使用面积； (4)设计并实现系统的模块级流水线，在几乎不增加占用芯片面积的情况下，提高了系统的数据吞吐量； (5)在QuartusⅡ和ModelSim仿真环境下对该系统进行模块级和系统级的功能仿真、时序仿真和验证。在硬件系统测试阶段，设计并实现FPGA与PC机的串口通信模块，提高了系统验证的工作效率。
上传时间： 2013-05-19
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