本课题深入分析了GPS软件接收机基于FFT并行捕获算法并详细阐述了其FPGA的实现。相比于其它的捕获方案，该方案更好地满足了信号处理实时性的要求。 论文的主体部分首先简单分析了扩频通信系统的基本原理，介绍了GPS系统的组成，详细阐述了GPS信号的特点，并根据GPS信号的组成特点介绍了接收机的体系结构。其次，通过对GPS接收机信号捕获方案的深入研究，确定了捕获速度快且实现复杂度不是很高的基于FFT的并行捕获方案，并对该方案提出了几点改进的措施，根据前面的分析，提出了系统的实现方案，利用MATLAB对该系统进行仿真，仿真的结果充分的验证了方案的可行性。接着，对于捕获环节中的核心部分—FFT处理器，设计中没有采用ALTERA提供的IP核，独立设计实现了基于FPGA的FFT处理器，并通过对一组数据在MATLAB中运算得到结果和FPGA输出结果相对比，可以验证该FFT处理器的正确性。再次重点分析了GPS接收机并行捕获部分的FPGA具体实现，通过捕获的FPGA时序仿真波形，证明了该系统已经能成功地捕获到GPS信号。最后，对全文整个研究工作进行总结，并指出以后继续研究的方向。 本课题虽然是对于GPS接收机的研究，但其原理与GALILEO、北斗等导航系统的接收机相近，因此该课题的研究对我国卫星导航事业的发展起到了积极的推动作用。
上传时间： 2013-05-29
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基于彩色路径识别的视觉导航方法是当前自动导航小车领域的研究热点和方向。视觉导航是指根据地面路径和被控对象之间的位置偏差控制其运行的方向，因此，地面彩色路径图像的摄取及其识别处理就成为视觉导航系统中的基础和关键。在当前的视觉导航系统设计中，图像处理的硬件平台都是基于通用微处理器，嵌入式微处理器或者DSP进行设计的。这些处理器一个共同的特点就是数据串行处理，而图像处理过程涉及大量的并行处理操作，因此传统的串行处理方式满足不了图像处理的实时性要求。 鉴于微处理器这方面的不足，作者提出一种使用FPGA实现图像识别的并行处理方案，并据此设计一个智能图像传感器。该传感器采用先进的FPGA技术，将图像采集及其显示，路径的识别处理以及通信控制等模块集成在一个芯片上，形成一个片上系统(SOC)。其主要功能是对所采集的彩色路径图像进行识别处理，获得彩色路径的坐标及其方向角，并将处理结果发送给上位机，为自动导航提供控制依据。 本文将彩色路径的识别处理过程划分为三个阶段，第一阶段为颜色聚类识别，以获得二值路径图像，第二阶段为数学形态学运算，用于对第一阶段中获得的二值图像进行去斑处理，第三阶段为路径中心线的定位及其方向角的测量。图像传感器与上位机的通信采用异步串行方式，由于上位机需要控制该传感器执行多种任务，作者定义一种基于异步串行通信的应用层协议，用于上位机对传感器的控制。在图像的显示中，为了弥补图像采集的速率和VGA显示速率的不匹配，作者提出一种基于单端口存储器的图像帧缓冲机制，通过VGA接口将采集的图像实时地显示出来。 根据上述思想，作者完成了系统的硬件电路设计，并对整个系统进行了现场调试。调试结果表明，传感器系统的各个模块都能正常工作，FPGA中的数字逻辑电路能够实时地将路径从图像中准确地识别出来，.充分体现了FPGA对路径图像的高速处理优势，达到了设计预期目标，在一定程度上丰富了路径图像识别处理的技术和方法。
上传时间： 2013-04-24
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多普勒计程仪是根据声波在水中的多普勒效应原理而制成的一种精密测速和计算航程的仪器，它是船用导航设备的重要组成之一。针对于多普勒计程仪的核心问题——频率估计，本文提出了一种基于FPGA实现的多普勒测频方案，它具有抗干扰能力强、运算速度快等特点。本论文主要是围绕系统的测频方案的设计与实现展开的。 本文主要研究工作包括：设计和调试基于FPGA的多普勒测频系统的硬件电路；通过对测频算法的研究，采用VHDL语言设计和实现系统的测频算法和其它接口控制程序，并通过软件仿真，测试设计的正确性。 测频系统的硬件电路设计是本论文工作的主要部分之一，也是基于FPGA的多普勒测频系统的核心部分。整个系统以FPGA作为主处理器，完成系统中所有的数字信号处理和外围接口控制，同时，基于FPGA丰富的片内可编程逻辑资源和外部I/O资源，系统还扩展了丰富的通信接口(UART、USB和以太网接口)和显示电路(LCD和LED)，使系统便于与PC机进行数据交换和控制。 系统的软件实现是本文工作的另一重要部分。本文通过对测频算法的研究，完成了基于VHDL实现的过零检测法和FFT算法，同时也实现了对接收机信号的自动增益控制、信号采集和与计算机的通信功能等。
上传时间： 2013-04-24
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GPS全球定位系统是美国国防部为军事目的而建立的卫星导航系统，其主要目的是解决海上、陆地和空中运载工具的导航定位问题。GPS作为新一代卫星导航系统，不仅具有全球、全天候、连续、高精度导航与定位能力，而且具有优良的抗干扰性和保密性。因此，发展全球定位系统是当今导航技术现代化的一个重要标志。在GPS接收机中，为了得到导航电文并对其进行解算，要完成复杂的信号处理过程。其中，怎样捕获到卫星信号，并对C/A码进行跟踪是研制GPS接收机的重要问题之一。本文在对GPS信号的结构进行深入的分析后，结合FPGA的特点，对算法进行设计及优化后，给出了相应的仿真。内容主要包括以下几个方面： 1.对GPS信号结构的产生原理进行了深入地分析，并对GPS信号的调制机理进行详细地阐述。 2.在GPS信号的捕获方面，采用了基于FFT频域的快速捕获的方法，即将接收到的GPS信号先利用快速傅立叶变换(FFT)变换到频域，在频域完成相应的运算后，再利用傅立叶反变换(IFFT)变换到时域。从而大大减少了计算量，加快了信号捕获的速度，提高了捕获性能。 3.在C/A码跟踪部分，本文采用了非相干延迟锁定环对C/A码进行跟踪。来自载波跟踪环路的本地载波将输入的信号变成基带信号，然后分别和本地码的三个不同相位序列进行相乘，将相乘结果进行累加，经过处理将得到码相位和当前的载波频率送到载波跟踪环路。 4.载波跟踪环，本文采用的是科斯塔斯环。载波跟踪环和码跟踪环在结构上相似，故本文只对关键的载波NCO进行了仿真。 本文的创新点主要是使用FPGA对整个GPS信号的捕获及C/A码的跟踪进行设计。此外，根据FPGA的特点，在不改变外部硬件设计的前提下，改变相应的IP核或相关的VHDL程序就可对系统进行各种优化设计，以适应不同类型的GPS接收机的不同功能。
上传时间： 2013-06-27
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全球定位系统(GPS)可以向全球用户提供位置、速度和时间信息，在航空、航天、海上及陆地等诸多领域得到了广泛的应用，成为一种主要的导航手段。随着空间定位技术的不断发展，空间定位系统必将出现多元化。本文结合计算机技术，以GPS定位系统为例，研究了卫星定位技术中的GPS星座模拟器。 本文综述了卫星导航系统的历史，现状及发展的方向,介绍GPS模拟器的研究发展状况。详细研究了GPS卫星信号传输理论和GPS卫星定位原理。在此基础上，提出GPS模拟器的理论模型和实现方法,研究了GPS星座模拟器的设计思路、组成模块，分析各个模块的设计原理。在理论研究和分析的基础上，提出模拟器的FPGA的设计与实现,以FPGA为平台，用verilog硬件语言实现了卫星信号的模拟，详细研究了基带模块的实现方法,包括C/A码产生模块，导航电文合成模块，码转换模块。最后通过射频模块发出，完成卫星信号的模拟。在信号测试部分，用示波器，频谱仪，MATLAB程序对模拟信号进行了验证实验。验证结果表明，设计满足要求，达到预想目标。
上传时间： 2013-05-30
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本文进行了基于FPGA的GPS直序伪码扩频接收机的设计和数字化硬件实现。论文首先对GPS卫星导航定位系统进行了分析，并对与数字化接收机直接相关联的GPS信号中频部分结合实际系统要求进行了设计和分析，由此确定了数字化伪码捕获跟踪接收机研制的具体要求，之后完成了接收机中频数字化方案设计。同时对伪码捕获跟踪后端的载波捕获跟踪的实现方案进行了描述和分析。最后利用EDA工具在FPGA芯片上实现了GPS数字化接收机的伪码捕获跟踪。 受工作环境的制约，GPS卫星接收机系统首先表现为功率受限系统，接收机必须满足在低信噪比条件下工作。同时接收机与卫星间高动态产生的多普勒频率，给接收机实现快速捕获带来了难度。通过仿真分析，综合了实现难度和性能两方面因素，针对小信噪比工作条件提出了改进型的序贯伪码捕获实施方案。同时按照捕获概率和时间的要求，对接收机偏压、上、下门限、NCO增益等进行了设计和仿真分析，确定了捕获的数字化实现方案，伪码跟踪采用超前滞后环方案。捕获完成后可使本地伪码与接收伪码的相对误差保持在±1/4码元范围内，而跟踪环路的跟踪范围为±4/3码元，保证了捕获到跟踪的可靠衔接，同时采用可变环路带宽措施解决了跟踪速度和精度的矛盾。 在数字化实现设计中，给出了详细的数字化实现方案和分析，这样在保证工作精度的同时尽量减少硬件资源的开销，利用EDA工具，采用Veilog设计语言在Xilinx的VirtexII系列的XC2V500fg256的FPGA上完成数字化接收机伪码捕获跟踪的实现，并在其开发平台上对数字化接收机进行了仿真验证，在给定的工作条件下达到了设计性能和指标要求。
上传时间： 2013-04-24
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基于微处理器的数字PID控制器改变了传统模拟PID控制器参数整定不灵活的问题。但是常规微处理器容易在环境恶劣的情况下出现程序跑飞的问题，如果实现PID软算法的微处理器因为强干扰或其他原因而出现故障，会引起输出值的大幅度变化或停止响应。而FPGA的应用可以从本质上解决这个问题。因此，利用FPGA开发技术，实现智能控制器算法的芯片化，使之能够广泛的用于各种场合，具有很大的应用意义。 首先分析FPGA的内部结构特点，总结FPGA设计技术及开发流程，指出实现结构优化设计，降低设计难度，是扩展设计功能、提高芯片性能和产品性价比的关键。控制系统由四个模块组成，主要包括核心控制器模块、输入输出模块以及人机接口。其中控制器部分为系统的关键部件。在分析FPGA设计结构类型和特点的基础上，提出一种基于FPGA改进型并行结构的PID温度控制器设计方法。在PID算法与FPGA的运算器逻辑映像过程中，采用将补码的加法器代替减法器设计，增加整数运算结果的位扩展处理，进行不同数据类型的整数归一化等不同角度的处理方法融合为一体，可以有效地减少逻辑运算部件。应用Ouartus Ⅱ图形输入与Verilog HDL语言相结合设计实现了PID控制器，用Modelsim仿真验证了设计结果的正确性，用Synplify Pro进行电路综合，在Quaitus Ⅱ软件中实现布局布线，最后生成FPGA的编程文件。根据控制系统的要求，论文设计完成了12位模数AD转换器、数据显示器、按键等相关外围接口电路。 将一阶、纯滞后、大惯性电阻炉温作为控制对象，以EP1C3T144 FPGA为核心，构建PID控制系统。在采用Pt100温度传感器、分辨率为2℃、最大温度控制范围0～400℃的条件下，实验结果表明，达到无超调的稳定控制要求，为降低FPGA实现PID控制器的设计难度提供了有效的方法。
上传时间： 2013-05-24
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视频序列中运动目标的检测是计算机视觉和图像编码研究领域的一个重要课题，在机器人导航、智能监视系统、交通监测、医学图像处理以及视频图像压缩和传输等领域都有广泛的应用。FPGA作为当今主流的大规模可编程专用集成电路，可以满足高速图像处理的需要。使用FPGA可以充分利用硬件上的并行性，从本质上改善图像处理的速度，使对大数据量的图像处理达到实时性。本文提出基于FPGA的运动目标检测系统，对以后算法的改进，输入输出图像大小的变化，图像采集和显示设备更换等都具有灵活性。 本文对目前运动目标检测的主要算法研究分析，根据背景减法的适用环境和特点提出改进的W4运动检测算法。该算法具备背景减法的优点，并且克服了W4运动检测算法在环境变化较快或环境变化较频繁条件下对运动目标进行检测的局限性。 本文首先在MATLAB中对改进的W4运动检测算法进行仿真，然后将算法移植到FPGA中实现。设计图像采集、图像检测和VGA显示等模块，完善运动目标检测系统。根据算法和运动目标检测系统的特点提出一种基于改进的W4算法的快速检测方法，该方法以块为单位进行运动目标检测，可以有效地提高图像处理的速度，使系统满足实时性要求。
上传时间： 2013-07-20
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随着多媒体技术发展，数字图像处理已经成为众多应用系统的核心和基础。图像处理作为一种重要的现代技术，已经广泛应用于军事指挥、大视场展览、跟踪雷达、电视会议、导航等众多领域。因而，实现高分辨率高帧率图像实时处理的技术不仅具有广泛的应用前景，而且对相关领域的发展也具有深远意义。 大视场可视化系统由于屏幕尺寸很大，只有在特制的曲面屏幕上才能使细节得到充分地展现。为了在曲面屏幕上正确的显示图像，需要在投影前实时地对图像进行几何校正和边缘融合。而现场可编程门阵列(FPGA)则是用硬件处理实时图像数据的理想选择，基于FPGA的图像处理技术是世界范围内广泛关注的研究领域。 本课题的主要工作就是设计一个以FPGA为核心的硬件系统，该系统可对高分辨率高刷新率(1024*768@60Hz)的视频图像实时地进行几何校正和边缘融合。 论文首先介绍了图像处理的几何原理，然后提出了基于FPGA的大视场实时图像融合处理系统的设计方案和模块功能划分。系统分为算法与软件设计，硬件电路设计和FPGA逻辑设计三个大的部分。本论文主要负责FPGA的逻辑设计。围绕FPGA的逻辑设计，论文先介绍了系统涉及的关键技术，以及使用Verilog语言进行逻辑设计的基本原则。 论文重点对FPGA内部模块设计进行了详细的阐述。仲裁与控制模块是顶模块的主体部分，主要实现系统状态机和时序控制；参数表模块主要实现SDRAM存储器的控制器接口，用于图像处理时读取参数信息。图像处理模块是整个系统的核心，通过调用FPGA内嵌的XtremeDSP模块，高速地完成对图像数据的乘累加运算。最后论文提出并实现了一种基于PicoBlaze核的12C总线接口用于配置FPGA外围芯片。 经过对寄存器传输级VerilogHDL代码的综合和仿真，结果表明，本文所设计的系统可以应用在大视场可视化系统中完成对高分辨率高帧率图像的实时处理。
上传时间： 2013-05-19
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伪随机序列 (Pseudo-Random Sequence，PRS)广泛应用于密码学、扩频通信、雷达、导航等领域，其设计和分析一直是国际上的研究热点。混沌序列作为一种性能优良的伪随机序列，近年来受到越来越多的关注。寻找一种性能更为良好的混沌伪随机序列(ChaosPseudo Random Sequence，CPRS)并且完成其硬件实现，在理论研究与工程应用上都是十分有价值的。基于切延迟椭圆反射腔映射混沌系统(Tangent-Delay Ellipse Reflecting Cavity map System，TD-ERCS)已被理论分析和测试证明具有良好的密码学性质。本文介绍了一种基于TD-ERCS构造伪随机序列发生器 (Pseudo Random SequenceGenerator，PRSG)的新方法；并基于这种方法，提出了以现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array，FPGA)为平台的硬件设计实现方案，采用硬件描述语言 (VHSIC Hardware DescriptionLanguage，VHDL )完成了整个系统的设计，通过了仿真与适配，完成了硬件调试；详细地论述了系统总体框架及内部模块设计，重点介绍了TD-ERCS算法实现单元的设计，并在系统中设计加入了异步串行接口，完善了整个系统的模块化，可使系统嵌入到现有的各类密码系统与设备中；基于FDELPHI编程环境，完成了计算机应用软件的设计，为使用基于TD-ERCS开发的PRSG硬件产品提供了人机交互界面，也为分析与测试硬件系统产生的CPRS提供了方便；同时依据美国国家标准与技术研究院 (National Institute of Standards andTechnology，NIST)提出的伪随机序列性能指标，对软件与硬件系统产生的CPRS进行了标准测试，软件方法所得序列各项性能指标完全合格，硬件FPGA所得序列仅三项测试未能通过，其原因有待进一步研究。
上传时间： 2013-06-20
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