隨著中國二代導航系統的建設，衛星導航的應用將普及到各個行業，具有自主知識產權的衛星導航接收機的研究與設計是該領域的一個研究熱點。在接收機的設計中，對于成熟技術將利用ASIC芯片進行批量生產，該芯片是專用芯片，一旦制造成型不能改變。但是對于正在研究的接收機技術，特別是在需要利用接收機平臺進行提高接收機性能研究時，利用FPGA通用可編程門陣列芯片是非常方便的。在FPGA上的研究成果，一旦成熟可以很方便的移植到ASIC芯片，進行批量生產。本課題就是基于FPGA研究GPS并行捕獲技術的硬件電路，著重進行了其中一個捕獲通道的設計和實現。 GPS信號捕獲時間是影響GPS接收機性能的一個關鍵因素，尤其是在高動態和實時性要求高的應用中或者對弱GPS信號的捕獲方面。因此，本文在滑動相關法基礎上引出了基于FFT的并行快速捕獲方法，采用自頂向下的方法對系統進行總體功能劃分和結構設計，并采用自底向上的方法對系統進行功能實現和驗證。 本課題以Xilinx公司的Spartan3E開發板為硬件開發平臺，以ISE9.2i為軟件開發平臺，采用Verilog HDL編程實現該系統。并利用Nemerix公司的GPS射頻芯片NJ1006A設計制作了GPS中頻信號產生平臺。該平臺可實時地輸出采樣頻率為16.367MHz的GPS數字中頻信號。 本課題主要是基于采樣率變換和FFT實現對GPS C/A碼的捕獲。該算法利用平均采樣的方法，將信號的采樣率降低到1.024 MHz，在低采樣率下利用成熟的1024點FFT IP核對C/A碼進行粗捕，給出GPS信號的碼相位(精度大約為1/4碼片)和載波的多普勒頻率，符合GPS后續跟蹤的要求。 同時，由于FFT算法是以資源換取時間的方法來提高GPS捕獲速度的，所以在設計時，合理地采用FPGA設計思想與技巧優化系統。基于實用性的要求，詳細的給出了基于FFT的GPS并行捕獲各個模塊的實現原理、實現結構以及仿真結果。并達到降低系統硬件資源，能夠快速、高效地實現對GPS C/A碼捕獲的要求。 本研究是導航研究所承擔的國家863課題“利用多徑信號提高GNSS接收機性能的新技術研究”中關于接收機信號捕獲算法的一部分，對接收機的設計具有一定的參考價值。
上傳時間： 2013-07-22
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矩陣運算是描述許多工程問題中不可缺少的數學關系，矩陣運算具有執行效率好、速度快、集成度高等優點，并且隨著動態可配置技術的發展，靈活性也有了很大的提高。因此，尋找矩陣運算的高速實現方法是具有很大的現實意義，能夠為高速運算應用提供技術支持。 為了提高研究成果的實用性與商用性，本文主要針對某種體積小、運算速度和性能要求很高的特殊場合設計并實現基于FPGA的矩陣運算功能。通過系統地研究FPGA功能結構、設計原理、DSP接口、IEEE-754標準，深入學習浮點數及矩陣的基礎運算以及硬件編程語言等內容，根據矩陣運算的特點和原理，討論了硬件設計方面重點對具體核心器件結構、特點以及有關FPGA的設計流程和控制器Verilog HDL硬件編程語言代碼方面內容，確定了基于FPGA浮點運算及矩陣運算單元的Verilog HDL設計方法，在Quartus II平臺上對其仿真、記錄運算結果，并對采集到的數據結果進行了深入分析與總結。 本設計通過幾種矩陣算法利用FPGA和MATLAB分別進行了實現測試，驗證了設計結果的正確性，證明了本設計中矩陣運算速率的實用性與高效性，提高了系統資源利用率和系統可靠性，為今后在工程、軍事、通訊等生產生活各個領域應用打下良好基礎。
上傳時間： 2013-07-07
上傳用戶：xuanjie
PID算法自從問世以來，一直受到廣泛的關注。隨著現代控制理論及智能控制技術的發展，PID算法也得到了長足的發展。結合傳統的PID控制算法，針對特定的控制領域，出現了一些新的控制算法，模糊PID控制算法就是在此基礎上漸漸形成并凸顯其控制特色。 同時隨著微電子技術的發展，現場可編程邏輯器件FPGA的發展及其EDA技術的日漸成熟，為集成控制芯片開拓了廣闊的發展空間。FPGA的發展為基于硬件的算法模塊的實現提供了可能性，同時節省了外圍的電路，使算法模塊的集成度大大提高。 本文針對當前國內外在算法研究方面的熱點問題，對模糊PID算法進行了深入的分析和研究。通過對汽輪機調節系統的結構分析，對其進行了數學建模。采用某汽輪機的實際設計運行參數，利用Matlab仿真軟件，對該汽輪機的數學模型進行了甩負荷動態特性仿真。仿真結果表明，模糊PID可以更好地解決汽輪發電機組在甩負荷過程中由于機組轉子飛升量太大而導致危急保安裝置動作，使得汽輪發電機組意外停機的問題，能夠保證汽輪發電機組在意外甩負荷時機組正常的機械運轉。根據模糊控制理論的特點及EDA技術和FPGA可編程邏輯器件的發展現狀，提出了在FPGA上實現模糊PID算法的具體實現方案。在綜合分析算法特性的基礎上，選擇Altera公司生產的CycloneⅡ系列中的EP2C35F672C6作為目標芯片，利用分層模塊化設計思想，在Altera公司提供的QuartusⅡ開發環境中，利用原理圖設計輸入和VHDL設計輸入相結合的方式實現了模糊PID控制算法，同時分別對實現的各個功能模塊和整個算法模塊進行了功能時序仿真。根據仿真結果分析，該設計實現了的模糊PID控制功能。 該控制算法模塊的FPGA實現很好的避免了因CPU或者其它問題導致算法程序跑飛、程序死循環、復位不可靠等問題，提高了控制的可靠性。同時加強了模塊的通用性，減少了系統硬件開發周期，節省了外圍設備的電路，降低了設計開發成本。
上傳時間： 2013-07-21
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全球定位系統(Global Positioning System—GPS)是新一代衛星導航定位系統，具有全球、全天候、連續、高精度導航與定位功能，能夠為廣大用戶提供精確的三維坐標、速度和時間信息。因此，GPS系統被廣泛地應用于生活中的各個領域。GPS系統用戶主要是各種型號的接收機，而捕獲跟蹤技術是接收機的關鍵技術，同時也是一個技術難點。在GPS接收機中，導航電文是用戶定位和導航的數據基礎，為了得到導航電文必須要對GPS信號進行捕獲跟蹤。本文詳細研究了GPS信號捕獲跟蹤技術，并進行了FPGA設計。 @@ 本文首先概述了GPS系統信號結構和GPS接收機工作原理，對GPS信號調制機理進行詳細地闡述，重點分析了C/A碼生成原理和特性。 @@ 其次敘述了GPS信號捕獲的基礎理論，重點研究時域滑動相關捕獲方法，深入分析其算法和性能。用MATLAB中Simulink軟件包搭建了可自由修改參數的GPS中頻發生器，并在此平臺上，對GPS信號時域滑動相關捕獲算法進行仿真與分析。 @@ 接著重點研究了GPS信號跟蹤技術，系統分析碼跟蹤環路和載波跟蹤環路結構框圖以及算法。在碼跟蹤環路方面，選用并分析了能分離載波的非相干超前滯后碼鎖定環的工作機理。在載波跟蹤環路中選用對導航電文數據相位翻轉不敏感的科斯塔斯環，并用數學模型分析GPS信號的解調過程。之后對整個跟蹤環路進行MATLAB仿真，結果表明環路參數設計滿足要求，并能成功解調出GPS導航電文。 @@ 最后本文在QuartusII環境下完成對GPS信號捕獲跟蹤系統的FPGA設計。根據對相關器硬件結構框架，對算法中各個模塊的實現進行詳細的說明，包括頂層設計到CA碼、NCO等重要模塊設計，并給出了仿真結果。 @@關鍵詞：GPS接收機；捕獲；跟蹤；MATLAB仿真：FPGA
上傳時間： 2013-06-16
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IIR數字濾波器是沖激響應為無限長的一類數字濾波器，是電子、通信及信號處理領域的重要研究內容，國內外學者對IIR數字濾波器的優化設計進行了大量研究。其中，進化算法優化設計IIR數字濾波器雖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魚群算法的IIR數字濾波器優化設計也取得了較好的效果。但這些方法都是將多目標優化問題轉化為單目標優化問題，這種方法是將每個目標賦一個權值，然后將這些賦了權值的目標相加，把相加的結果作為目標函數，在此基礎上尋找目標函數的最小值，這樣做造成的問題是可能將其中的任何一種滿足目標函數值最小的情況作為最優解，但實際上得到的不一定是最優解。也就是說，單目標的方法難以區分哪一種情況為最優解，這樣的尋優模型從理論上來說是難以得到最優解的。另外，在將多目標轉化為單目標時，各個目標的權值難以確定，而且最終只能得到唯一解。針對這些問題，本文在研究傳統遺傳算法、進化規劃算法以及量子遺傳算法的IIR數字濾波器優化設計的基礎上，將重點研究IIR數字濾波器的粒子進化規劃優化、遺傳多目標優化以及量子多目標優化。另外，由于在通信系統中IIR數字濾波器有廣泛應用，并且大量采用FPGA實現，多目標優化方法得到的濾波器性能也值得驗證，因此，對多目標優化方法得到的IIR數字濾波器系數進行FPGA仿真驗證有重要的現實意義。 @@ 論文的主要工作及研究成果具體如下： @@ 1.分析IIR數字濾波器的數學模型及其優化設計的參數；針對低通IIR數字濾波器，采用遺傳算法及量子遺傳算法對其進行優化設計，并給出相應的仿真結果及分析。 @@ 2.針對使用進化規劃算法優化設計IIR數字濾波器時容易陷入局部極值的問題，研究粒子進化規劃算法，并將其應用于IIR數字濾波器的優化設計，該算法將粒子群優化算法與進化規劃算法相結合，繼承了粒子群算法局部搜索能力強和進化規劃算法遺傳父代優良基因能力強的優點。將這種新的粒子進化規劃算法應用于IIR低通、高通、帶通、帶阻數字濾波器的優化設計，顯示了較好的效果。 @@ 3.優化設計IIR數字濾波器時，通常將多目標轉化為單目標的優化問題，這種方法雖然設計簡單，但是在將多目標轉化為單目標時，各個目標的權值難以確定，而且最終只能得到唯一解，不能提供更多的有效解給決策者。針對常 用基于單目標優化算法的不足，在分析IIR數字濾波器優化模型和待優化參數的基礎上，本文研究遺傳算法的IIR數字濾波器多目標優化設計方法，該方法將多個目標值直接映射到適應度函數中，通過比較函數值的占優關系來搜索問題的有效解集，使用這種方法可以求得一組有效解，并且將多目標轉化為單目標的優化方法得到的唯一解也能被包括在這一組有效解中。@@ 4.將量子遺傳算法應用于IIR數字濾波器多目標優化設計，研究量子遺傳算法的IIR數字濾波器多目標優化設計方法，并將優化結果與傳統遺傳算法的多目標優化方法進行了比較。仿真結果表明，在對同一種濾波器進行優化設計時，使用該方法得到的結果通帶波動更小，過渡帶更窄，阻帶衰減也更大。 @@ 5.針對IIR數字濾波器的硬件實現問題，在對IIR數字濾波器的結構特征進行分析的基礎上，分別采用遺傳多目標優化方法量子多目標方法優化設計IIR數字濾波器的系數，然后針對兩組系數進行了FPGA( Field-Programmable GateArray，現場可編程門陣列)仿真驗證，并對兩種結果進行了對比分析。 @@關鍵詞：IIR數字濾波器；優化設計
上傳時間： 2013-06-09
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卷積碼是廣泛應用于衛星通信、無線通信等多種通信系統的信道編碼方式。Viterbi算法是卷積碼的最大似然譯碼算法，該算法譯碼性能好、速度快，并且硬件實現結構比較簡單，是最佳的卷積碼譯碼算法。隨著可編程邏輯技術的不斷發展，使用FPGA實現Viterbi譯碼器的設計方法逐漸成為主流。不同通信系統所選用的卷積碼不同，因此設計可重配置的Viterbi譯碼器，使其能夠滿足多種通信系統的應用需求，具有很重要的現實意義。 本文設計了基于FPGA的高速Viterbi譯碼器。在對Viterbi譯碼算法深入研究的基礎上，重點研究了Viterbi譯碼器核心組成模塊的電路實現算法。本設計中分支度量計算模塊采用只計算可能的分支度量值的方法，節省了資源；加比選模塊使用全并行結構保證處理速度；幸存路徑管理模塊使用3指針偶算法的流水線結構，大大提高了譯碼速度。在Xilinx ISE8.2i環境下，用VHDL硬件描述語言編寫程序，實現(2，1，7)卷積碼的Viterbi譯碼器。在(2，1，7)卷積碼譯碼器基礎上，擴展了Viterbi譯碼器的通用性，使其能夠對不同的卷積碼譯碼。譯碼器根據不同的工作模式，可以對(2，1，7)、(2，1，9)、(3，1，7)和(3，1，9)四種廣泛運用的卷積碼譯碼，并且可以修改譯碼深度等改變譯碼器性能的參數。 本文用Simulink搭建編譯碼系統的通信鏈路，生成測試Viterbi譯碼器所需的軟判決輸入。使用ModelSim SE6.0對各種模式的譯碼器進行全面仿真驗證，Xilinx ISE8.2i時序分析報告表明譯碼器布局布線后最高譯碼速度可達200MHz。在FPGA和DSP組成的硬件平臺上進一步測試譯碼器，譯碼器運行穩定可靠。最后，使用Simulink產生的數據對本文設計的Viterbi譯碼器的譯碼性能進行了分析，仿真結果表明，在同等條件下，本文設計的Viterbi譯碼器與Simulink中的Viterbi譯碼器模塊的譯碼性能相當。
上傳時間： 2013-06-24
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圖像顯示器是人類接受外部信息的重要手段之一。而立體顯示則能再現場景的三維信息，提供場景更為全面、詳實的信息，在醫學、軍事、娛樂具有廣泛的應用前景。而現有的3D立體顯示設備價格都比較貴，基于此，本人研究了基于SDRAM存儲器和FPGA處理器的3D頭盔顯示設備并且設計出硬件和軟件系統。該系統圖像效果好，并且價格成本便宜，從而具有更大的實用性。本文完成的主要工作有三點： 1.設計了基于FPGA處理器和SDRAM存儲器的3D頭盔顯示器。該方案有別于現有的基于MCU、DSP和其它處理芯片的方案。本方案能通過線性插值算法把1024×768的分辨率變成800×600的分辨率，并能實現120HZ圖像刷新率，采用SDRAM作為高速存儲器，并且采用乒乓操作，有別于其它的開關左右眼視頻實現立體圖像。在本方案中每時每刻都是左右眼視頻同時輸出，使得使用者感覺不到視頻圖像有任何閃爍，減輕眼睛疲勞。本方案還實現了圖像對比對度調節，液晶前照光調節(調節輸出脈沖的占空比)，立體圖像源自動識別，還有人性化的操作界面(OSD)功能。 2.完成了該系統的硬件平臺設計和軟件設計。從便攜性角度考慮，盡量減小PCB板面積，給出了它們詳細的硬件設計電路圖。完成了FPGA系統的設計，包括系統整體分析，各個模塊的實現原理和具體實現的方法。完成了單片機對AD9883的配置設計。 3.完成了本方案的各項測試和調試工作，主要包括：數據采集部分測試、數據存儲部分測試、FPGA器件工作狀態測試、以電腦顯示器作為顯示器的聯機調試和以HX7015A作為顯示器的聯機調試，并且最終調試通過，各項功能都滿足預期設計的要求。實驗和分析結果論證了系統設計的合理性和使用價值。 本文的研究與實現工作通過實驗和分析得到了驗證。結果表明，本文提出的由FPGA和SDRAM組成的3D頭盔顯示系統完全可以實現高質量的立體視覺效果，從而可以將該廉價的3D頭盔顯示系統用于我國現代化建設中所需要的領域。
上傳時間： 2013-07-16
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本研究針對目標識別等系統中由于載機轉動而使目標圖像發生旋轉，給測量及人眼觀察帶來的影響，因此需要對目標圖像進行實時的反旋轉處理，對目前出現的消像旋技術進行分析和比較，選擇從電子學消旋方法出發，研究圖像消像旋的方法，并給出了基于FPGA的實時消像旋系統的完整結構和相應的算法設計。 本文在對電子圖像消旋原理的深入分析的基礎上，設計并利用Visual C++6.0軟件仿真實現了一種優化的快速旋轉算法，再利用后插值處理保證了圖像的質量；構建了以ACEX EP1K100為核心的數字圖像實時消像旋系統，利用VHDL硬件描述語言實現了整個消像旋算法的FPGA設計。該系統利用高速相機和Camera Link接口傳輸圖像，提高了系統的運行速度。利用QuartusII和Matlab軟件對整個算法設計進行混合仿真實驗。實驗結果表明，該系統能夠成功地對采集到的灰度圖像進行消像旋處理，旋轉后的圖像清晰穩定，像素誤差小于一個像素，而且對于視頻信號只有一幀的延時不到20ms，達到系統參數要求。
上傳時間： 2013-07-04
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MP3音樂是目前最為流行的音樂格式，因其音質、復雜度與壓縮比的完美折中，占據著廣闊的市場，不僅在互聯網上廣為流傳，而且在便攜式設備領域深受人們喜愛。本文以MPEG-1的MP3音頻解碼器為研究對象，在實時性、面積等約束條件下，研究MP3解碼電路的設計方法，實現FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的驗證方法。 論文的主要貢獻如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解碼過程的相關步驟，以減少緩沖區存儲單元的容量和訪存次數。如把重排序步驟融合到反量化模塊，可以減少一半的讀寫RAM操作；把IMDCT模塊內部的三個算法步驟融合在一起進行設計，可以省去存儲中間計算結果的緩存區單元。 (2)反量化、立體聲處理等模塊中，采用流水線設計技術，設置寄存器把較長的組合邏輯路徑隔開，提高了電路的性能和可靠性；使用連續訪問公共緩存技術，合理規劃各計算子模塊的工作時序，將數據計算的時間隱藏在訪存過程中；充分利用頻率線的零值區特性，有效地減少數據計算量，加快了數據處理的速度。 (3)設計了MP3硬件解碼器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述語言設計RTL級電路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA開發板為平臺，實現MP3解碼器的FPGA原型芯片。MP3硬件解碼器在Stratix II EP2S180器件內的資源利用率約為5％，其中組合邏輯查找表ALUT為7189個，寄存器共有4024個，系統頻率可達69.6MHz，充分滿足了MP3解碼過程的實時性要求。實驗結果表明，MP3音頻解碼FPGA原型芯片可正常播放聲音，解碼音質良好。
上傳時間： 2013-07-01
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現代數字信號處理對實時性提出了很高的要求，當最快的數字信號處理器(DSP)仍無法達到速度要求時，唯一的選擇是增加處理器的數目，或采用客戶定制的門陣列產品。隨著可編程邏輯器件技術的發展，具有強大并行處理能力的現場可編程門陣列(FPGA)在成本、性能、體積等方面都顯示出了優勢。本文以此為背景，研究了基于FPGA的快速傅立葉變換、數字濾波、相關運算等數字信號處理算法的高效實現。 首先，針對圖像聲納實時性的要求和FPGA片內資源的限制，設計了級聯和并行遞歸兩種結構的FFT處理器。文中詳細討論了利用流水線技術和并行處理技術提高FFT處理器運算速度的方法，并針對蝶形運算的特點提出了一些優化和改進措施。 其次，分析了具有相同結構的數字濾波和相關運算的特點，采用了有乘法器和無乘法器兩種結構實現乘累加(MAC)運算。無乘法器結構采用分布式算法(DA)，將乘法運算轉化為FPGA易于實現的查表和移位累加操作，顯著提高了運算效率。此外，還對相關運算的時域多MAC方法及頻域FFT方法進行了研究。 最后，完成了圖像聲納預處理模塊。在一片EP2S60上實現了對160路信號的接收、濾波、正交變換以及發送等處理。實驗表明，本論文所有算法均達到了設計要求。
上傳時間： 2013-06-09
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