数字图像处理技术是信息科学中近几十年来发展最为迅速的学科之一。目前，数字图像处理技术被广泛应用于航空航天、通信、医学及工业生产等领域中。数字图像处理的特点是处理的数据量大，处理非常耗时，本文研究了在FPGA上用硬件描述语言实现图像处理算法，通过功能模块的硬件化，解决了视频图像处理的速度问题。随着微电子技术的高速发展，FPGA为数字图像信号处理在算法、系统结构上带来了新的方法和思路。 本文设计的基于FPGA的图像处理系统，是一个具有视频图像采集、图像处理、图像显示功能的图像处理系统。该系统采用Altera公司FPGA芯片作为中央处理器，由视频解码模块、图像处理模块、视频编码模块组成。模拟视频信号由CCD传感器送入，经视频解码芯片SAA7113转换成数字视频信号后，图像处理模块完成中值滤波和边缘检测这两种图像处理算法，视频编码芯片SAA7121将数字视频信号转换成模拟视频信号输出。 整个设计及各个模块都在Altera公司的开发环境QuartusⅡ以及第三方仿真软件Modelsim上进行了仿真及逻辑综合。仿真结果表明，使用FPGA硬件处理图像数据不仅能够获得良好的处理效果，处理速度也远远高于软件法处理的方法。
上传时间： 2013-04-24
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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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互联网、移动通信、星基导航是21世纪信息社会的三大支柱产业，而GPS系统的技术水平和发展历程代表着全世界卫星导航系统的发展状况。目前，我国已经成为GPS的使用大国，卫星导航产业链也已基本形成。然而，我们对GPS核心技术(即如何捕获卫星信号并保持对信号的跟踪)的研究还不够深入，我国GPS产品的核心部分多数还是靠进口。因此，对GPS核心技术的研究是非常紧迫的。 本文首先介绍了GPS的定位原理，之后阐述了GPS接收机的基本原理一直接扩频通信和GPS信号的结构与特性。从这些方面出发研究接收机基带处理器的捕获与跟踪设计方案。 设计过程中，先详细分析了滑动相关的捕获算法和基于FFT的快速捕获算法，并利用matlab进行了验证。由于前者灵活性好且可捕获到高精度的码相位和载波频率，适合于本文的硬件接收机，所以本文确定了滑动相关的捕获方案。 接着分析了跟踪环路的特点，跟踪模块采用码跟踪环和载波跟踪环耦合的方法实现。由于GPS系统通常工作在非常低的信噪比环境中，而非相干环在低信噪比下环路跟踪性能较好，所以码跟踪环采用非相干(DDLL)环实现。这种跟踪环路采用的鉴相器是能量鉴相器，对数据的调制和载波相位都不敏感，鉴相器不会产生不确定量。由于输入信号存在180°相位翻转，而COSTAS锁相环允许数据调制，对I支路和Q支路信号的180°相位翻转不敏感，所以载波跟踪环采用COSTAS锁相环实现。上述算法在matlab环境下得到了验证。 基带处理器电路的主要模块在Quartus II8.0开发平台上利用VHDL硬件描述语言实现。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g进行了逻辑仿真。本设计满足系统功能和性能的要求，可以直接用于实时GPS接收机系统的设计中，为自主设计GPS接收机奠定了基础。 最后，由于在弱电磁环境下，捕获失锁后32PPS信号会丢失。所以设计了一个能授时和守时的算法去得到与GPS时同步的精确授时秒信号。并且实现了这个算法。
上传时间： 2013-04-24
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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。论文针对直扩通信系统中伪码和载波同步问题而展开，研究了直扩系统的结构、性能及完成了相关参数的计算，改进了包络算法，设计了解扩和解调器，最后用ISE9.1实现了解扩和解调器的仿真波形，验证了设计的正确性。 论文研究了扩频通信系统的特点、国内外发展现状及理论基础，完成了DS-QPSK接收机的解扩器和解调器的设计与实现。解扩器主要围绕着伪码的捕获与跟踪这一核心，分析了解扩器的结构、性能及其完成了相关参数的计算，完成了数字下变频器、伪码发生电路、伪码相关积分提取电路、多通道快码捕获电路、伪码跟踪鉴相电路、伪码时钟调整电路的设计，并在ISE9.1编程综合得到仿真结果，验证了设计的正确性。由于相关积分包络算法是整个系统的基础和核心，为了减少时延和系统所占硬件资源，改进了包络算法并得到了仿真验证。结果表明，它不但减少了硬件资源的占用、缩短了延时，而且对整个系统的优化起着决定性的作用。论文给出了伪码同步的仿真结果及资源占用情况，有力地说明了解扩器占用资源少、时延短等特点。 解调器研究了频偏及载波相位误差对信号的影响及同步方案，完成了数控振荡器、反正切鉴频器、环路滤波器的设计并得到了相关的仿真波形，实现了载波的跟踪，给出了仿真结果及资源占用情况，对系统实现过程中的一些经验进行了总结。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： 2013-06-13
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PID算法自从问世以来，一直受到广泛的关注。随着现代控制理论及智能控制技术的发展，PID算法也得到了长足的发展。结合传统的PID控制算法，针对特定的控制领域，出现了一些新的控制算法，模糊PID控制算法就是在此基础上渐渐形成并凸显其控制特色。 同时随着微电子技术的发展，现场可编程逻辑器件FPGA的发展及其EDA技术的日渐成熟，为集成控制芯片开拓了广阔的发展空间。FPGA的发展为基于硬件的算法模块的实现提供了可能性，同时节省了外围的电路，使算法模块的集成度大大提高。 本文针对当前国内外在算法研究方面的热点问题，对模糊PID算法进行了深入的分析和研究。通过对汽轮机调节系统的结构分析，对其进行了数学建模。采用某汽轮机的实际设计运行参数，利用Matlab仿真软件，对该汽轮机的数学模型进行了甩负荷动态特性仿真。仿真结果表明，模糊PID可以更好地解决汽轮发电机组在甩负荷过程中由于机组转子飞升量太大而导致危急保安装置动作，使得汽轮发电机组意外停机的问题，能够保证汽轮发电机组在意外甩负荷时机组正常的机械运转。根据模糊控制理论的特点及EDA技术和FPGA可编程逻辑器件的发展现状，提出了在FPGA上实现模糊PID算法的具体实现方案。在综合分析算法特性的基础上，选择Altera公司生产的CycloneⅡ系列中的EP2C35F672C6作为目标芯片，利用分层模块化设计思想，在Altera公司提供的QuartusⅡ开发环境中，利用原理图设计输入和VHDL设计输入相结合的方式实现了模糊PID控制算法，同时分别对实现的各个功能模块和整个算法模块进行了功能时序仿真。根据仿真结果分析，该设计实现了的模糊PID控制功能。 该控制算法模块的FPGA实现很好的避免了因CPU或者其它问题导致算法程序跑飞、程序死循环、复位不可靠等问题，提高了控制的可靠性。同时加强了模块的通用性，减少了系统硬件开发周期，节省了外围设备的电路，降低了设计开发成本。
上传时间： 2013-07-21
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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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随着航天技术的发展，载人飞船、空间站等复杂航天器对空-地或空-空之间数据传输速率的要求越来越高。在此情况下，为了提高空间通信中数据传输的可靠性，保证接收端分路系统能和发送端一致，必须要经过帧同步。对卫星基带信号处理来说，帧同步是处理的第一步也是关键的一步。只有正确帧同步才能获取正确的帧数据进行数据处理。因此，帧同步的效率，将直接影响到整个卫星基带信号处理的结果。 @@ 本设计在研究CCSDS标准及帧同步算法的基础上，利用硬件描述语言及ISE9．2i开发平台在基于FPGA的硬件平台上设计并实现了单路数据输入及两路合路数据输入的帧同步算法，并解决了其中可能存在的帧滑动及模糊度问题。在此基础之上，针对两路合路输入时可能存在的两路输入不同步或帧滑动在两路中分布不均匀问题，设计实现了两路并行帧同步算法，并利用ModelSim SE 6．1f工具对上述算法进行了前仿真和后仿真，仿真结果表明上述算法符合设计要求。 @@ 本论文首先介绍了课题研究的背景及国内外研究现状，其次介绍了与本课题相关的基础理论及系统的软硬件结构。然后对单路数据输入帧同步、两路数据合路输入帧同步和两路并行帧同步算法的具体设计及实现过程进行了详细说明，并给出了后仿真结果及结果分析。最后，对论文工作进行了总结和展望，分析了其中存在的问题及需要改进的地方。 @@关键词 FPGA；CCSDS；帧同步：模糊度；帧滑动
上传时间： 2013-06-11
上传用户：liglechongchong
IIR数字滤波器是冲激响应为无限长的一类数字滤波器，是电子、通信及信号处理领域的重要研究内容，国内外学者对IIR数字滤波器的优化设计进行了大量研究。其中，进化算法优化设计IIR数字滤波器虽然取得了一定的效果，但是其也有自身的一些不足；另外，基于粒子群算法以及人工鱼群算法的IIR数字滤波器优化设计也取得了较好的效果。但这些方法都是将多目标优化问题转化为单目标优化问题，这种方法是将每个目标赋一个权值，然后将这些赋了权值的目标相加，把相加的结果作为目标函数，在此基础上寻找目标函数的最小值，这样做造成的问题是可能将其中的任何一种满足目标函数值最小的情况作为最优解，但实际上得到的不一定是最优解。也就是说，单目标的方法难以区分哪一种情况为最优解，这样的寻优模型从理论上来说是难以得到最优解的。另外，在将多目标转化为单目标时，各个目标的权值难以确定，而且最终只能得到唯一解。针对这些问题，本文在研究传统遗传算法、进化规划算法以及量子遗传算法的IIR数字滤波器优化设计的基础上，将重点研究IIR数字滤波器的粒子进化规划优化、遗传多目标优化以及量子多目标优化。另外，由于在通信系统中IIR数字滤波器有广泛应用，并且大量采用FPGA实现，多目标优化方法得到的滤波器性能也值得验证，因此，对多目标优化方法得到的IIR数字滤波器系数进行FPGA仿真验证有重要的现实意义。 @@ 论文的主要工作及研究成果具体如下： @@ 1.分析IIR数字滤波器的数学模型及其优化设计的参数；针对低通IIR数字滤波器，采用遗传算法及量子遗传算法对其进行优化设计，并给出相应的仿真结果及分析。 @@ 2.针对使用进化规划算法优化设计IIR数字滤波器时容易陷入局部极值的问题，研究粒子进化规划算法，并将其应用于IIR数字滤波器的优化设计，该算法将粒子群优化算法与进化规划算法相结合，继承了粒子群算法局部搜索能力强和进化规划算法遗传父代优良基因能力强的优点。将这种新的粒子进化规划算法应用于IIR低通、高通、带通、带阻数字滤波器的优化设计，显示了较好的效果。 @@ 3.优化设计IIR数字滤波器时，通常将多目标转化为单目标的优化问题，这种方法虽然设计简单，但是在将多目标转化为单目标时，各个目标的权值难以确定，而且最终只能得到唯一解，不能提供更多的有效解给决策者。针对常 用基于单目标优化算法的不足，在分析IIR数字滤波器优化模型和待优化参数的基础上，本文研究遗传算法的IIR数字滤波器多目标优化设计方法，该方法将多个目标值直接映射到适应度函数中，通过比较函数值的占优关系来搜索问题的有效解集，使用这种方法可以求得一组有效解，并且将多目标转化为单目标的优化方法得到的唯一解也能被包括在这一组有效解中。@@ 4.将量子遗传算法应用于IIR数字滤波器多目标优化设计，研究量子遗传算法的IIR数字滤波器多目标优化设计方法，并将优化结果与传统遗传算法的多目标优化方法进行了比较。仿真结果表明，在对同一种滤波器进行优化设计时，使用该方法得到的结果通带波动更小，过渡带更窄，阻带衰减也更大。 @@ 5.针对IIR数字滤波器的硬件实现问题，在对IIR数字滤波器的结构特征进行分析的基础上，分别采用遗传多目标优化方法量子多目标方法优化设计IIR数字滤波器的系数，然后针对两组系数进行了FPGA( Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)仿真验证，并对两种结果进行了对比分析。 @@关键词：IIR数字滤波器；优化设计
上传时间： 2013-06-09
上传用户：熊少锋
激光打标是指利用高能量密度的激光束在物件表面作永久性标刻。激光打标以其“打标速度快、性能稳定、打标质量好”等优势，获得了日益广泛的应用。传统的激光打标系统一般是基于ISA总线或PCI总线的，运动控制卡必须插在计算机的PCI插槽内，且不支持热捅拔，影响了控制卡的稳定性；以单片机为主控制器的激光打标控制卡虽然成本低、运行可靠，但由于其运算速度慢、存储容量有限，限制了它的应用范围。 运动控制卡是激光打标系统的核心组成部分。本文设计了一种新型的基于USB总线，以FPGA为主控单元的振镜扫描式激光打标控制卡，它利用了USB总线高速、稳定、易用和FPGA资源丰富、处理能力强、易扩展等优点，将PC机强大的信息处理能力与运动控制卡的运动控制能力相结合，具有信息处理能力强、开放程度高、使用方便的特点。 本文首先介绍了激光打标的原理，激光打标技术的发展现状以及激光打标系统的组成结构。在对USB总线技术作了简要介绍后，详细讨论了激光打标控制卡的硬件电路设计，包括USB接口电路，FPGA主控单元电路，D/A单元电路，存储器电路，I/O接口电路等。接着对USB接口单元的固件程序和FPGA中USB接口功能模块、D/A写控制功能模块和SRAM读写控制功能模块的程序做了详细设计，通过软硬件调试，控制卡实现了USB通信，输出两路模拟信号，SRAM数据读写，数字量输入输出等功能。
上传时间： 2013-04-24
上传用户：prczsf
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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