本文研究的视频处理系统是上海市科委技术攻关基金项目“计算机视觉及其芯片化实现”的一部分，主要完成计算机视觉系统的一些基本工作，即视频图像的采集、预处理和显示等。 视频图像采集和预处理系统以Xilinx公司Virtex-ⅡPro系列的FPGA为核心控制器件，结合视频模数转换芯片和VGA显示器，完成视频图像的实时采集、预处理和显示。采集和显示部分作为同外界交流信息的渠道，是构成计算机视觉系统必不可少的一部分；图像预处理则是计算机视觉系统进行高层处理的基础，优秀的预处理算法能有效改善图像质量，提高系统分析判断的准确性。 本文在介绍基于FPGA的视频采集、预处理系统整体架构的基础上，围绕以下四个方面展开了工作： 1.研究并给出了两种基于FPGA的设计方案用于实现YCrCb色度空间到RGB色度空间的转换； 2.针对采集的视频图像，根据VGA显示的要求，给出了一种实现图像去隔行的方案； 3.分析了一系列图像滤波的预处理算法，如均值滤波、中值滤波和自适应滤波等，在比较和总结各算法特点的基础上，提出了一种新的适用于处理混合噪声的滤波算法：混合自适应滤波法； 4.根据算法特点设计了多种采用FPGA实现的图像滤波算法，并对硬件算法进行RTL级的功能仿真和验证，还给出了各种滤波算法的实验结果，在此基础上对各种算法的效果进行直观的比较。 文中，预处理算法的实现充分利用了FPGA的片内资源，体现了FPGA在图像处理方面的特点及优势。同时，视频采集和显示的控制模块也由同一FPGA芯片实现，从而简化了系统整体结构。视频采集和预处理系统在FPGA上的成功实现为“计算机视觉及其芯片化实现”奠定了必要的基础、提供了一定理论依据。
上传时间： 2013-07-26
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可配置端口电路是FPGA芯片与外围电路连接关键的枢纽，它有诸多功能：芯片与芯片在数据上的传递(包括对输入信号的采集和输出信号输出)，电压之间的转换，对外围芯片的驱动，完成对芯片的测试功能以及对芯片电路保护等。 本文采用了自顶向下和自下向上的设计方法，依据可配置端口电路能实现的功能和工作原理，运用Cadence的设计软件，结合华润上华0.5μm的工艺库，设计了一款性能、时序、功耗在整体上不亚于xilinx4006e[8]的端口电路。主要研究以下几个方面的内容： 1.基于端口电路信号寄存器的采集和输出方式，本论文设计的端口电路可以通过配置将它设置成单沿或者双沿的触发方式[7]，并完成了Verilog XL和Hspiee的功能和时序仿真，且建立时间小于5ns和保持时间在0ns左右。和xilinx4006e[8]相比较满足设计的要求。 2.基于TAP Controller的工作原理及它对16种状态机转换的控制，对16种状态机的转换完成了行为级描述和实现了捕获、移位、输出、更新等主要功能仿真。 3.基于边界扫描电路是对触发器级联的构架这一特点，设计了一款边界扫描电路，并运用Verilog XL和Hspiee对它进行了功能和时序的仿真。达到对芯片电路测试设计的要求。 4.对于端口电路来讲，有时需要将从CLB中的输出数据实现异或、同或、与以及或的功能，为此本文采用二次函数输出的电路结构来实现以上的功能，并运用Verilog XL和Hspiee对它进行了功能和时序的仿真。满足设计要求。 5.对于0.5μm的工艺而言，输入端口的电压通常是3.3V和5V，为此根据设置不同的上、下MOS管尺寸来调整电路的中点电压，将端口电路设计成3.3V和5V兼容的电路，通过仿真性能上已完全达到这一要求。此外，在输入端口处加上扩散电阻R和电容C组成噪声滤波电路，这个电路能有效地抑制加到输入端上的白噪声型噪声电压[2]。 6.在噪声和延时不影响电路正常工作的范围内，具有三态控制和驱动大负载的功能。通过对管子尺寸的大小设置和驱动大小的仿真表明：在实现TTL高电平输出时，最大的驱动电流达到170mA，而对应的xilinx4006e的TTL高电平最大驱动电流为140mA[8]；同样，在实现CMOS高电平最大驱动电流达到200mA,而xilinx4006e的CMOS驱动电流达到170[8]mA。 7.与xilinx4006e端口电路相比，在延时和面积以及功耗略大的情况下，本论文研究设计的端口电路增加了双沿触发、将输出数据实现二次函数的输出方式、通过添加译码器将配置端口的数目减少的新的功能，且驱动能力更加强大。
上传时间： 2013-07-20
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本文将高效数字调制方式QAM和软件无线电技术相结合，在大规模可编程逻辑器件FPGA上对16QAM算法实现。在当今频谱资源日趋紧缺的情况下有很大现实意义。 论文对16QAM软件实现的基础理论，带通采样理论、变速率数字信号处理相关抽取内插技术做了推导和分析；深入研究了软件无线电核心技术数字下变频原理和其实现结构；对CIC、半带等高效数字滤波器原理结构和性能作了研究；16QAM调制和解调系统设计采用自项向下设计思想；采用硬件描述语言VerilogHDL在EDA工具QuartusII环境下实现代码输入；对系统调试采用了算法仿真和在系统实测调试相结合方法。 论文首先对16QAM调制解调算法进行系统级仿真，并对实现的各模块的可行性仿真验证，在此基础上，完成了调制端16QAM信号的时钟分频模块、串并转换模块、星座映射、8倍零值内插、低通滤波以及FPGA和AD9857接口等模块；解调器主要完成带通采样、16倍CIC抽取滤波，升余弦滚降滤波，以及16QAM解码等模块，实现了16QAM调制器；给出了中频信号时域测试波形和频谱图。本系统在200KHz带宽下实现了512Kbps的高速数据数率传输。论文还对增强型数字锁相环EPLL的实现结构进行了研究和性能分析。
上传时间： 2013-07-10
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数据采集处理技术是现代信号处理的基础，广泛应用于雷达、声纳、软件无线电、瞬态信号测试等领域。随着信息科学的飞速发展，人们面临的信号处理任务越来越繁重，对数据采集处理系统的要求也越来越高。近年来FPGA由于其设计灵活性、更强的适应性及可重构性，结合SDRAM的高速、大容量、价格优势，在设计高速实时数据采集系统时受到了广泛的关注。 本课题重点研究了基于FPGA与DDR2-SDRAM的高速实时数据采集系统的设计与实现技术，为需要大容量存储器的系统设计提供了新的思路。在深入研究了DDR2-SDRAM器件的基本构造与工作原理的基础上，结合成熟的商业化IP核，提出了基于FPGA与DDR2-SDRAM的高速实时数据采集系统的设计方案，并从总体设计构想到各逻辑细节实现都进行了详细描述。根据DDR2-SDRAM的特点，选择合适的内存调度方案，采用Verilog HDL语言设计实现了该高速实时数据采集系统，并对系统功能进行验证与分析，结果表明本设计完全能够满足系统的性能指标。
上传时间： 2013-06-24
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在数字电视系统中，MPEG-2编码复用器是系统传输的核心环节，所有的节目、数据以及各种增值服务都是通过复用打包成传输流传输出去。目前，只有少数公司掌握复用器的核心算法技术，能够采用MPEG-2可变码率统计复用方法提高带宽利用率，保证高质量图像传输。由于目前正处广播电视全面向数字化过渡期间，市场潜力巨大，因此对复用器的研究开发非常重要。本文针对复用器及其接口技术进行研究并设计出成形产品。 文中首先对MPEG-2标准及NIOS Ⅱ软核进行分析。重点研究了复用器中的部分关键技术：PSI信息提取及重构算法、PID映射方法、PCR校正及CRC校验算法，给出了实现方法，并通过了硬件验证。然后对复用器中主要用到的AsI接口和DS3接口进行了分析与研究，给出了设计方法，并通过了硬件验证。 本文的主要工作如下： ●首先对复用器整体功能进行详细分析，并划分软硬件各自需要完成的功能。给出复用器的整体方案以及ASI接口和DS3接口设计方案。 ●在FPGA上采用c语言实现了PSI信息提取与重构算法。 ●给出了实现快速的PID映射方法，并根据FPGA特点给出一种新的PID映射方法，减少了逻辑资源的使用，提高了稳定性。 ●采用Verilog设计了SI信息提取与重构的硬件平台，并用c语言实现了SDT表的提取与重构算法，在FPGA中成功实现了动态分配内存空间。 ●在FPGA上实现了．ASI接口，主要分析了位同步的实现过程，实现了一种新的快速实现字节同步的设计。 ●在FPGA上实现了DS3接口，提出并实现了一种兼容式DS3接口设计。并对帧同步设计进行改进。 ●完成部分PCB版图设计，并进行调试监测。 本复用器设计最大特点是将软件设计和硬件设计进行合理划分，硬件平台及接口采用Verilog语言实现，PSI信息算法主要采用c语言实现。这种软硬件的划分使系统设计更加灵活，且软件设计与硬件设计可同时进行，极大的提高了工作效率。 整个项目设计采用verilog和c两种语言完成，采用Altera公司的FPGA芯片EP1C20，在Quartus和NIOS IDE两种设计平台下设计实现。根据此方案已经开发出两台带有ASI和DS3接口的数字电视TS流复用器，经测试达到了预期的性能和技术指标。
上传时间： 2013-08-03
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当今电子系统的设计是以大规模FPGA为物理载体的系统芯片的设计，基于FPGA的片上系统可称为可编程片上系统(SOPC)。SOPC的设计是以知识产权核(IPCore)为基础，以硬件描述语言为主要设计手段，借助以计算机为平台的EDA工具进行的。 本文在介绍了FPGA与SOPC相关技术的基础上，给出了SOPC技术开发调制解调器的方案。在分析设计软件Matlab/DSP(Digital Signal Processing)。builder以及Quartus Ⅱ开发软件进行SOPC(System On a Programmable Chip)设计流程后，依据调制解调算法提出了一种基于DSP Builder调制解调器的SOPC实现方案，模块化的设计方法大大缩短了调制解调器的开发周期。 在SOPC技术开发调制解调器的过程中，用MATLAB/Simulink的图形方式调用Altera DSP Builder和其他Simulink库中的图形模块(Block)进行系统建模，在Simulink中仿真通过后，利用DSP Builder将Simulink的模型文件(．mdl)转化成通用的硬件描述语言VHDL文件，从而避免了VHDL语言手动编写系统的烦琐过程，将精力集中于算法的优化上。 基于DSP Builder的开发功能，调制解调器电路中的低通滤波器可直接调用FIRIP Core，进一步提高了开发效率。 在进行编译、仿真调试成功后，经过QuartusⅡ将编译生成的编程文件下载到ALTERA公司Cyclone Ⅱ系列的FPGA芯片EP2C5F256C6，完成器件编程，从而给出了一种调制解调器的SOPC系统实现方案。
上传时间： 2013-06-24
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目前，数字信号处理广泛应用于通信、雷达、声纳、语音与图像处理等领域，信号处理算法理论己趋于成熟，但其具体硬件实现方法却值得探讨。FPGA是近年来广泛应用的超大规模、超高速的可编程逻辑器件，由于其具有高集成度、高速、可编程等优点，大大推动了数字系统设计的单片化、自动化，缩短了单片数字系统的设计周期、提高了设计的灵活性和可靠性，在超高速信号处理和实时测控方面有非常广泛的应用。本文对FPGA的数据采集与处理技术进行研究，基于FPGA在数据采样控制和信号处理方面的高性能和单片系统发展的新热点，把FPGA作为整个数据采集与处理系统的控制核心。主要研究内容如下： FPGA的单片系统研究。针对数据采集与处理，对FPGA进行选型，设计了基于FPGA的单片系统的结构。把整个控制系统分为三个部分：多通道采样控制模块，数据处理模块，存储控制模块。 多通道采样控制模块的设计。利用4片AD7506和一片AD7862对64路模拟量进行周期采样，分别设计了通道选择控制模块和A/D转换控制模块，并进行了仿真，完成了基于FPGA的多通道采样控制。 数据处理模块的设计。FFT算法在数字信号处理中占有重要的地位，因此本文研究了FFT的硬件实现结构，提出了用FPGA实现FFT的一种设计思想，给出了总体实现框图。分别设计了旋转因子复数乘法器，碟形运算单元，存储器，控制器，并分别进行了仿真。重点设计实现了FFT算法中的蝶形处理单元，采用了一种高效乘法器算法设计实现了蝶形处理单元中的旋转因子乘法器，从而提高了蝶形处理器的运算速度，降低了运算复杂度。理论分析和仿真结果表明，状态机控制器成功地对各个模块进行了有序、协调的控制。 存储控制模块的设计。利用闪存芯片K9K1G08UOA对采集处理后的数据进行存储，设计了FPGA与闪存的硬件连接，设计了存储控制模块。 本文对FFT算法的硬件实现进行了研究，结合单片系统的特点，把整个系统分为多通道采样控制模块，数据处理模块，存储控制模块进行设计和仿真。设计采用VHDL编写程序的源代码。仿真测试结果表明，此FPGA单片系统可完成对实时信号的高速采集与处理。
上传时间： 2013-04-24
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数据采集系统是信号与信息处理系统中不可缺少的重要组成部分，同时也是软件无线电系统中的核心模块，在现代雷达系统以及无线基站系统中的应用越来越广泛。为了能够满足目前对软件无线电接收机自适应性及灵活性的要求，并充分体现在高性能FPGA平台上设计SOC系统的思路，本文提出了由高速高精度A/D转换芯片、高性能FPGA、PCI总线接口、DB25并行接口组成的高速数据采集系统设计方案及实现方法。其中FPGA作为本系统的控制核心和传输桥梁，发挥了极其重要的作用。通过FPGA不仅完成了系统中全部数字电路部分的设计，并且使系统具有了较高的可适应性、可扩展性和可调试性。 在时序数字逻辑设计上，充分利用FPGA中丰富的时序资源，如锁相环PLL、触发器，缓冲器FIFO、计数器等，能够方便的完成对系统输入输出时钟的精确控制以及根据系统需要对各处时序延时进行修正。 在存储器设计上，采用FPGA片内存储器。可根据系统需要随时进行设置，并且能够方便的完成数据格式的合并、拆分以及数据传输率的调整。 在传输接口设计上，采用并行接口和PCI总线接口的两种数据传输模式。通过FPGA中的宏功能模块和IP资源实现了对这两种接口的逻辑控制，可使系统方便的在两种传输模式下进行切换。 在系统工作过程控制上，通过VB程序编写了应用于PC端的上层控制软件。并通过并行接口实现了PC和FPGA之间的交互，从而能够方便的在PC机上完成对系统工作过程的控制和工作模式的选择。 在系统调试方面，充分利用QuartuslI软件中自带的嵌入式逻辑分析仪SignalTaplI，实时准确的验证了在系统整个传输过程中数据的正确性和时序性，并极大的降低了用常规仪器观测FPGA中众多待测引脚的难度。 本文第四章针对FPGA中各功能模块的逻辑设计进行了详细分析，并对每个模块都给出了精确的仿真结果。同时，文中还在其它章节详细介绍了系统的硬件电路设计、并行接口设计、PCI接口设计、PC端控制软件设计以及用于调试过程中的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪的使用方法，并且也对系统的仿真结果和测试结果给出了分析及讨论。最后还附上了系统的PCB版图、FPGA逻辑设计图、实物图及注释详细的相关源程序清单。
上传时间： 2013-07-09
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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。本论文主要讨论和实现了基于FPGA的直接序列扩频信号的解扩解调处理。论文对该直扩通信系统和FPGA设计方法进行了相关研究，最后用Altera公司的最新的FPGA开发平台Quarus Ⅱ5.0实现了相关设计。 整个系统分为两个部分，发送部分和接收部分。发送部分主要有串并转换、差分卷积编码、PN码扩频、QPSK调制、成型滤波等模块。接收部分主要有前端抗干扰、数字下变频、解扩解调等模块。 论文首先介绍了扩频通信系统的特点以及相关技术的国内外发展现状，并介绍了本论文的研究思路和内容。 然后，论文分析了几种常用的窄带干扰抑制、载波同步及PN码同步算法，结合实际需要，设计了一种零中频DSSS解调解扩方案。给出了抗窄带干扰、PN码捕获及跟踪以及载波同步的算法分析，采用了基于数字外差调制的自适应陷波器来进行前端窄带干扰抑制处理，用基于自适应门限技术的滑动相关捕获和分时复用单相关器跟踪来改善PN码同步的性能，用基于硬判决的COSTAS(科斯塔斯)环来减少载波提取的算法复杂度，用改进型CORDIC算法实现NCO来方便的进行扩展。 接着，论文给出了系统总体设计和发送及接受子系统的各个功能模块的实现分析以及在Quartus Ⅱ5.0上的实现细节，给出了仿真结果。 然后论文介绍了整个系统的硬件电路设计和它在真实系统中连机调试所得到的测试结果，结果表明该系统具有性能稳定，灵活性好，生产调试容易，体积小，便于升级等特点并且达到课题各项指标的要求。 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： 2013-05-23
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随着科学技术的发展与公共安全保障需求的提高，视频监控系统在工业生产、日常生活、警备与军事方面的应用越来越广泛。采用基于 FPGA 的SOPC技术、H．264压缩编码技术和网络传输控制技术实现网络视频监控系统，在稳定性、功能、成本与扩展性等方面都有着突出的优势，具有重要的学术意义与实用意义， 本课题所设计的网络视频监控系统由以Nios Ⅱ为核心的嵌入式图像服务器、相关网络设备与若干PC机客户端组成。嵌入式图像服务器实时采集图像，采用H．264 编码算法进行压缩，并持续监听网络。PC机客户端可通过网络对服务器进行远程访问，接收编码数据，使用H．264解码算法重建图像并实时显示，使监控人员有效地掌握现场情况， 在嵌入式图像服务器设计阶段，本文首先进行了芯片选型与开发平台选择。然后构建图像采集子系统，采用双缓存乒乓交换的方法设计图像采集用户自定义模块。接着设计双Nios Ⅱ架构的SOPC系统，阐述了双软核设计中定制连接、内存芯片共享、数据搬移、通信与互斥的解决方法。同时完成了网络服务器的设计，采用μC/OS-Ⅱ进行多任务的管理与调度， H．264视频压缩编解码算法设计与实现是本文的重点。文中首先分析H．264．标准，规划编解码器结构。接着设计了16×16帧内预测算法，并设计宏块扫描方式，采用两次判决策略进行预测模式选择。然后设计4×4子块扫描方式，编写整数变换与量化算法程序。熵编码采用Exp-Golomb编码与CAVLC相结合的方案，针对除拖尾系数之外的非零系数值编码子算法，实现了一种基于表示范围判别的编码方法。最后设计了网络传输的码流组成格式，并针对编码算法设计相应解码算法。使用VC++完成算法验证，并进行测试，观察不同参数下压缩率与失真度的变化。 算法验证完成后，本文进行了PC机客户端设计，使其具有远程访问、H．264解码与实时显示的功能。同时将H．264 编码算法程序移植到NiosⅡ中，并将嵌入式图像服务器与若干客户端接入网络进行联合调试，构建完整的网络视频监控系统， 实验结果表明，本系统视频压缩率高，监控图像质量良好，充分证明了系统软硬件与图像编解码算法设计成功。本系统具有成本低、扩展性好及适用范围广等优点，发展前景十分广阔。
上传时间： 2013-04-24
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