JPEG2000是由ISO/ITU-T组织下的IEC JTC1/SC29/WG1小组制定的下一代静止图像压缩标准.与JPEG(Joint Photographic Experts Group)相比,JPEG2000能够提供更好的数据压缩比,并且提供了一些JPEG所不具有的功能[1].JPEG2000具有的多种特性使得它具有广泛的应用前景.但是,JPEG2000是一个复杂编码系统,目前为止的软件实现方案的执行时间和所需的存储量较大,若想将JPEG2000应用于实际中,有着较大的困难,而用硬件电路实现JPEG2000或者其中的某些模块,必然能够减少JPEG200的执行时间,因而具有重要的意义.本文首先简单介绍了JPEG2000这一新的静止图像压缩标准,然后对算术编码的原理及实现算法进行了深入的研究,并重点探讨了JPEG2000中算术编码的硬件实现问题,给出了一种硬件最优化的算术编码实现方案.最后使用硬件描述语言(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language,VHDL)在寄存器传输级(Register Transfer Level,RTL描述了该硬件最优化的算术编码实现方案,并以Altera 20K200E FPGA为基础,在Active-HDL环境中进行了功能仿真,在Quartus Ⅱ集成开发环境下完成了综合以及后仿真,综合得到的最高工作时钟频率达45.81MHz.在相同的输入条件下,输出结果表明,本文设计的硬件算术编码器与实现JPEG2000的软件:Jasper[2]中的算术编码模块相比,处理时间缩短了30﹪左右.因而本文的研究对于JPEG2000应用于数字监控系统等实际应用有着重要的意义.
上传时间： 2013-05-16
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JPEG2000是新一代图像压缩标准,JPEG2000与传统JPEG最大的不同,在于它放弃了JPEG所采用的以离散余弦变换(Discrete Cosine Transform)为主的区块编码方式,而采用以小波转换(Wavelet Transform)为主的多解析编码方式.离散小波变换算法是现代谱分析工具,在图像处理与图像分析领域正得到越来越广泛的应用.由于JPEG2000标准具有复杂的算法,全部用软件来实现将会占用很大的处理器时间开销和内存开销,尤其对于实时图像传输和处理系统,因而用硬件电路来实现JPEG2000标准的部分或全部,就具有重要的意义,本课题的目的就是用硬件电路来实现JPEG2000标准中的离散小波变换部分,论文研究的主要工作就是设计了一个符合JPEG2000标准的、高性能的多级二维离散小波变换的硬件电路.论文研究的内容主要分为两部分,第一部分首先分析了JPEG2000标准和离散小波变换的原理,重点研究了离散小波变换的快速算法,包括第一代小波变换所采用的卷积算法和第二代小波变换所采用的提升算法,然后具体分析了离散小波变换在JPEG2000中的具体实现.论文第二部分对两种离散小波变换快速算法的硬件实现进行了比较,并选择卷积滤波算法作为硬件实现的对象,并采用Daubechies9/7小波基.然后具体设计了离散小波变换的各个模块,所有的模块都是有硬件描述语言(Verilog HDL)来实现,经过仿真和逻辑综合,在一块自行设计的FPGA开发板上进行了验证.仿真和验证的结果表明了该小波变换的硬件电路符合JPEG2000标准,具有较高的速度和信噪比.
上传时间： 2013-04-24
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最新的研究进展是OFDM的出现，并且在2000年出现了第一个采用此技术的无线标准(HYPERLAN-Ⅱ)。由于它与TDMA及CDMA相比能处理更高数据速率，因此可以预想在第四代系统中也将使用此技术。 宽带应用和高速率数据传输是OFDM调制/多址技术通信系统的重要特征之一。作者通过参与国家863计划项目“OFDM通信系统”一年以来的研发工作，对OFDM通信系统及相关技术有了深入的理解，积累了大量实际经验，并在相关工作中取得了部分研究成果。 另一方面，关于宽带自适应均衡技术的研究在近年来也引起了广泛的关注。它是补偿信道畸变的重要的技术之一。作者通过参与该项目FPGA部分的开发与调试工作，基于单片FPGA实现了均衡部分；此外，作者在频域自适应均衡算法方面也取得了一些理论成果。 本文的主体部分就是根据上述工作的内容展开的。 首先介绍了本课题相关技术的发展情况，主要包括：OFDM系统的技术原理、技术优势、历史和现状，均衡技术的特点和发展等。末尾叙述了本课题的来源和研究意义，并简介了作者的主要工作和贡献。确定将WSSUS分布和瑞利衰落作为本文研究的信道模型。主要分析了常用的时域均衡器，均是单载波非扩频数字调制中常用到的均衡器和均衡算法，为接下来的进一步研究作理论参考。 接着，论述了均衡必须用到的信道估计技术。重点就该方案的核心算法(频域均衡算法)进行了数学上进行了较深入的研究，建立系统模型，并据此推导了三种频域均衡的算法：频域消除HICI，Gauss-Seidel迭代算法，频域线性内插。采用WSSUS信道模型进行了计算机仿真，得出了采用这些均衡算法在不同条件下的性能曲线。并且系统地、有重点地对该方案的原理和实质进行了较深入的讨论。归纳比较了各种算法的算法复杂度和能达到的性能，并且结合信道纠错编解码进行了细致的分析。进一步尝试设计了无线局域网OFDM系统的设计，采用典型的欧洲Hyperlan2系统为例，把研究成果引入到实际的整个系统中来看。结合具体的系统指出了该均衡算法在抗衰落和相位偏移方面的应用。 最后，描述了利用Xilinx的xc2v3000-4FG676型号芯片针对OFDM系统实现频域自适应均衡的方法，主要给出了设计方法、时序仿真结果和处理速度估值等；并结合最新的FPGA发展动态和特点，对基于FPGA实现其他均衡算法的升级空间进行了讨论。 本文的结束语中，对作者在本文中所作贡献进行了总结，并指出了仍有待深入研究的几个问题。
上传时间： 2013-04-24
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偏振模色散(PMD)是限制光通信系统向高速率和大容量扩展的主要障碍，尤其是160Gb/s光传输系统中，由PMD引起的脉冲畸变现象更加严重。为了克服PMD带来的危害，国内外已经开始了对PMD补偿的研究。但是目前的补偿系统复杂、成本高且补偿效果不理想，因此采用前向纠错(FEC)和偏振扰偏器配合抑制PMD的方法，可以实现低成本的PMD补偿。 在实验中将扰偏器连入光时分复用系统，通过观察其工作前后的脉冲波形，发现扰偏器的应用改善了系统的性能。随着系统速率的提高，对扰偏器速率的要求也随之提高，目前市场上扰偏器的速率无法满足160Gb/s光传输系统要求。通过对偏振扰偏器原理的分析，决定采用高速控制电路驱动偏振控制器的方法来实现高速扰偏器的设计。扰偏器采用铌酸锂偏振控制器，其响应时间小于100ns，是目前偏振控制器能够达到的最高速率，但是将其用于160Gb/s高速光通信系统扰偏时，这个速率仍然偏低，因此，提出采用多段铌酸锂晶体并行扰偏的方法，弥补铌酸锂偏振控制器速率低的问题。通过对几种处理器的分析和比较，选择DSP+FPGA作为控制端，DSP芯片用于产生随机数据，FPGA芯片具有丰富的I/O引脚，工作频率高，可以实现大量数据的快速并行输出。这样的方案可以充分发挥DSP和FPGA各自的优势。另外对数模转换芯片也要求响应速度快，本论文以FPGA为核心，完成了FPGA与其它芯片的接口电路设计。在QuartusⅡ集成环境中进行FPGA的开发，使用VHDL语言和原理图输入法进行电路设计。 本文设计的偏振扰偏器在高速控制电路的驱动下，可以实现大量的数据处理，采用多段铌酸锂晶体并行工作的方法，可以提高偏振扰偏器的速率。利用本方案制作的扰偏器具有高扰偏速率，适合应用于160Gb/s光通信系统中进行PMD补偿。
上传时间： 2013-04-24
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大规模可编程逻辑器件CPLD和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路(ASIC),电子设计工程师用它可以在办公室或实验室里设计出所需的专用集成电路,从而大大缩短了产品上市时间,降低了开发成本.此外,可编程逻辑器件还具有静态可重复编程和动态系统重构的特性,使得硬件的功能可以象软件一样通过编程来修改,这样就极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性.该设计完成了在一片可编程逻辑器件上开发简易计算机的设计任务,将单片机与单片机外围电路集成化,能够输入指令、执行指令、输出结果,具有在电子系统中应用的普遍意义,另外,也可以用于计算机组成原理的教学试验.该文第一章简要介绍了可编程ASIC和EDA技术的历史、现状、未来并对本课题作了简要陈述.第二章在芯片设计的两种输入法即原理图输入法和HDL输入法之间做出比较,决定选用HDL输入法.第三章描述了具体的设计过程和设计手段,首先将简易计算机划分为运算器、CPU控制器、存储器、键盘接口和显示接口以及系统控制器,然后再往下分为下层子模块.输入法的语言使用的是Verilog HDL,鉴于篇幅所限,源代码部分不在论文之中.第四章对设计的综合与实现做了总结,给出了时序仿真波形图.该文针对FPGA和RISC这两大课题,对RISC在FPGA上的实现进行了初浅的探索与尝试.从计算机体系结构入手,剖析了精简指令集计算机的原理,通过该设计的实践对ASIC和EDA的设计潜力有了更进一步的领悟.
上传时间： 2013-05-21
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传统PLC使用时会出现一些问题，如程序死循环、程序跑飞、需要庞大的编译系统作支持和不能实现精确位置控制等等；而发展到OPENPLC后，这些问题依然存在。为了更好地解决这些问题，本文提出一种全新的可编程控制器现场集成技术，用FPGA来实现PLC的功能，抛弃传统PLC“程序”的概念，以“硬件线路”来实现控制功能，不论在经济上还是在性能上都具有更大的优势。 本课题在对国内外可编程控制器，重点是HardPLC的开发和应用的进展进行概述和分析的基础上，系统开展了HardPLC组成模块原理及其仿真模拟的研究。本研究的主要贡献为： 1.对比分析了CPLD和FPGA的性能特点，阐明了Xilinx公司FPGA芯片结构的两个创新概念，指出了其优越性能的结构基础； 2.系统分析了用HardPLC实现控制系统时的一些通用模块，对每个模块的工作原理进行了深入的探讨，用VHDL语言建立了每个模块的模型，在此基础上进行了仿真、综合，为进一步研究可编程控制器的现场集成奠定了基础； 3.在仿真综合的基础上，用所建立的模型完成了特定逻辑控制系统的控制要求，充分展示了其实际应用的可行性； 4.在分析Xilinx公司SPARTANII系列FPGA芯片配置模式的基础上，确定了应用于实际的基于CPLD控制的FPGA芯片SlaveParallel配置模式。 本课题研究建立的模型对于开发具有我国自主知识产权的HardPLC组成IP库具有一定的理论意义；对特定系统的控制实现，充分展示了基于FPGA的可编程控制器现场集成技术可以广泛应用于工控领域，加大推广力度和建立更多的IP库，在许多应用场合可以取代传统的PLC控制系统，为工控领域提供高可靠、低价格、简单易操作的解决方案，这将带来巨大的社会经济效益；所确定的FPGA芯片配置模式可广泛应用于对FPGA芯片配置数据的加载，在实践生产中具有重要的实用价值。
上传时间： 2013-05-30
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随着电子技术和信息技术的发展，可编程逻辑器件的应用领域越来越宽。可编程SoC设计已成为SoC设计的新方法。论文介绍了可编程逻辑器件的设计方法和开发技术，并用硬件描述语言和FPGA／CPLD设计技术，探索和研究了基于FPGA的RISCMCU的设计与实现过程。 论文参照Mircochip公司的PICl6C5X单片机的体系结构，设计了8位RISCMCU。该嵌入式MCU设计采用了自顶向下的设计方法和模块化设计思想。MCU总体结构设计划分控制模块、ALU模块、存储模块三大模块。然后，对各模块的具体技术实现细节分别进行了阐述。论文中设计的MCU能实现PICl6C5X单片机33条指令中除OPTION、CLRWDT、SLEEP和TRIS四条指令以外的其余29条指令的功能，但应用是基于FPGA的，能与其他外设IP方便的结合在一起使用，比ASIC的PICl6C57X的应用更具灵活性。 软件仿真和硬件验证表明：所设计的嵌入式MCU在各方面均达到了一定的性能指标，在Altera公司ACEX1K系列的EPlK30TCl44-3器件上的工作频率达21.88MHz。这些为自主设计R／SCMCU的IP核提供了值得借鉴的探索成果和设计思路，在通用控制领域也有一定的实用价值。 此外，论文中还介绍了三相SPWM控制模块的设计，该模块具有死区时间和载波比任意可调的特点，可以单独应用，也可以作为MCU的外设子模块应用。
上传时间： 2013-07-16
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随着数字信号处理技术应用的不断深入，数字信号处理系统的实现面临着很多挑战，其中面临的四个主要问题是：速度、设计规模、功耗和开发周期。因此许多数字信号处理的实现方法被提出，其中基于FPGA的实现技术就是其中的重要技术之一。 本文以数字信号处理系统的实现为应用背景，着重研究了基于FPGA的数字滤波器实现技术。本文分为两个主要部分： 第一部分以Xilinx公司的FPGA为例，总结了FPGA设计的基本方法及设计流程，并在此基础上介绍了一种用于产品快速开发的设计方式—基于SystemGenerator的设计方式，这种设计方式向数字信号处理系统的设计者提供了自上而下的FPGA解决方案。 第二部分系统地研究了基于FPGA的数字滤波器实现技术。该部分首先研究了三种适合于FPGA的FIR滤波器实现方法，直接结构、转置结构及分布式算法。其次，讨论了针对直接结构FIR滤波器的乘法器优化技术，CSD编码和系数分解，以及针对转置结构FIR滤波器的乘法器优化技术，简化加法器图，并结合实例给出了它们的优化效果。再次，介绍了直接结构FIR滤波器中常用多操作数加法实现方法，二叉树和Wallace树，并在Wallace树的基础上提出了一种适合于FPGA的1比特多操作数加法结构，这种实现结构在实现采样字长与系数字长均为l比特的FIR滤波器时，使FPGA的资源利用率得到明显提高。最后还给出了三种FIR滤波器实现方法在FPGA中应用的优缺点及其适用性，并给出了一个带通滤波器的设计实例。 论文的研究成果已应用于“北斗一号”导航定位接收机中。
上传时间： 2013-08-01
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随着微电子技术的发展，可编程逻辑器件取得了迅速的发展，其功能日益强大，FPGA内部可用逻辑资源飞速增长，近来推出的FPGA都针对数字信号处理的特点做了特定设计，集成了存储器、锁相环（PLL）、硬件乘法器、DSP模块等，通过使用各个公司提供的FPGA开发软件使用硬件描述语言，可以实现特定的信号处理算法，如FFT、FIR等算法，为电子设计工程师提供了新的选择。实时图像处理系统采用FPGA+DSP的结构来完成整个复杂的图像处理算法。将图像处理算法进行分类，FPGA和DSP份协作发挥各自的长处，对于算法实现简单、运算量大、实时性高的这类处理过程由大容量高性能的FPGA实现，DSP则用来处理经过预处理后的图像数据，来运行算法结构复杂，乘加运算多的算法。整个系统主要包括FPGA处理单元、DSP处理单元以及PCI接口通讯三个部分。主要取得的了以下的研究成果：（1）研究了FPGA的工作原理及应用，完成了Stratix芯片的选型。设计了数字图像处理板的电路原理图和PCB设计图。并对电路板进行调试，工作正常。（2）完成了FPGA程序下载电缆的PCB电路设计，并调试成功，应用到FPGA的调试下载配置中，取得了良好的实验与经济效果。（3）充分利用FPGA的设计开发软件与工具，完成了中值滤波、形态学滤波和自适应阈值的FPGA实现，并给出了详细的实现过程。将算法下载到FPGA芯片，经过试验调试，达到要求。（4）研究了PCI接口通讯的实现方式，选用PCI9054芯片实现通讯，完成PCI接口电路设计，经过调试，实现了中断、DMA等方式，满足了数据传输的要求。（5）学习了C6701DSP芯片的工作特性以及内部功能结构，完成了DSP外围存储器的扩展、时钟信号发生以及电源模块等外围电路的设计。
上传时间： 2013-07-22
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AES是美国于2000年10月份确立的高级加密标准，该标准的反馈链路模式AESCBC加密算法，用于在IPSec中替代DESCBC和3DESCBC。 加密是安全数据网络的关键，要保证在公众网上传输的信息不被窃取和偷听，必须对数据进行加密。在不影响网络性能的前提下，快速实现数据加密/解密，对于开发高性能的安全路由器、安全网关等对数据处理速度要求高的通信设备具有重要的意义。 在目前可查询的基于FPGA技术实现AESCBC的设计中，最快的加/解密速度达到700Mbps/400MHZ。商用CPU奔腾4主频3.06，用汇编语言编写程序，全部资源用于加密解密，最快的加密解密速度可以达到1.4Gbps。但根据国外测试结果表明，即使开发的路由器本身就基于高性能的双64位MIPS网络处理器，软件加密解决方案仅能达到路由器所要求的最低吞吐速率600Mbps。 本文首先研究分析了目前几种实现AESCBC的方法有缺点的情况下，在深入研究影响硬件快速实现AESCBC难点基础上，设计出一种适应于报文加密解密的硬件快速实现AESCBC的方案，在设计中采用加密解密和密钥展开并行工作，实现了在线提供子密钥。在解密中采用了双队列技术，实现了报文解密和子密钥展开协调工作，提高了解密速度。 本文在quartus全面仿真设计方案的基础上，全面验证了硬件实现AESCBC方案的正确性，全面分析了本设计加密解密的性能。并且针对设计中的流水线效率低的问题，提出改善流水线性能的方案，设计出报文级并行加密解密方案，并且给出了硬件实现VPN的初步方案。实现了单一模块加密速度达到1.16Gbps，单一模块解密速度达到900Mbps，多个模块并行工作加密解密速度达到6.4Gbps。 论文最后给出了总结与展望。目前实现的AESCBC算法，只能通过仿真验证其功能的正确性，还需要下载到芯片上做进一步的验证。要用硬件实现整个IPSec，还要进一步开发基于FPGA的技术。总之，为了适应路由器发展的需求，还有很多技术需要研究。
上传时间： 2013-05-29
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