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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隨著半導體制造技術不斷的進步，SOC(System On a Chip)是未來IC產業技術研究關注的重點。由于SOC設計的日趨復雜化，芯片的面積增大，芯片功能復雜程度增大，其設計驗證工作也愈加繁瑣。復雜ASIC設計功能驗證已經成為整個設計中最大的瓶頸。 使用FPGA系統對ASIC設計進行功能驗證，就是利用FPGA器件實現用戶待驗證的IC設計。利用測試向量或通過真實目標系統產生激勵，驗證和測試芯片的邏輯功能。通過使用FPGA系統，可在ASIC設計的早期，驗證芯片設計功能，支持硬件、軟件及整個系統的并行開發，并能檢查硬件和軟件兼容性，同時還可在目標系統中同時測試系統中運行的實際軟件。FPGA仿真的突出優點是速度快，能夠實時仿真用戶設計所需的對各種輸入激勵。由于一些SOC驗證需要處理大量實時數據，而FPGA作為硬件系統，突出優點是速度快，實時性好?？梢詫OC軟件調試系統的開發和ASIC的開發同時進行。 此設計以ALTERA公司的FPGA為主體來構建驗證系統硬件平臺，在FPGA中通過加入嵌入式軟核處理器NIOS II和定制的JTAG(Joint Test ActionGroup)邏輯來構建與PC的調試驗證數據鏈路，并采用定制的JTAG邏輯產生測試向量，通過JTAG控制SOC目標系統，達到對SOC內部和其他IP(IntellectualProperty)的在線測試與驗證。同時，該驗證平臺還可以支持SOC目標系統后續軟件的開發和調試。 本文介紹了芯片驗證系統，包括系統的性能、組成、功能以及系統的工作原理；搭建了基于JTAG和FPGA的嵌入式SOC驗證系統的硬件平臺，提出了驗證系統的總體設計方案，重點對驗證系統的數據鏈路的實現進行了闡述；詳細研究了嵌入式軟核處理器NIOS II系統，并將定制的JTAG邏輯與處理器NIOS II相結合，構建出調試與驗證數據鏈路；根據芯片驗證的要求，設計出軟核處理器NIOS II系統與PC建立數據鏈路的軟件系統，并完成芯片在線測試與驗證。 本課題的整體任務主要是利用FPGA和定制的JTAG掃描鏈技術，完成對國產某型DSP芯片的驗證與測試，研究如何構建一種通用的SOC芯片驗證平臺，解決SOC驗證系統的可重用性和驗證數據發送、傳輸、采集的實時性、準確性、可測性問題。本文在SOC驗證系統在芯片驗證與測試應用研究領域，有較高的理論和實踐研究價值。
上傳時間： 2013-05-25
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高速大容量數據采集存儲技術在通信、航天、氣象、雷達等多個領域中擁有著廣泛應用。各領域科技與信息技術不斷發展，對數據的采集和傳輸速率要求越來越高，對數據存儲的速度和容量要求也越來越高。高速數據存儲主要包括存儲介質選取、存儲器控制、數據存儲和總線應用等，如何實時、高速、連續大量地采集存儲數據是一個關鍵性問題。 本文設計了一種基于FPGA控制的高速數據采集存儲系統。該系統選用符合ATA-6規范的IDE硬盤作為數據存儲介質，采用RAID0配置的磁盤陣列形式，并配合板載的128MB內存實現對數據的高速大容量穩定存儲。 該磁盤陣列同時管理五個IDE硬盤，平均數據流達到250MB/s，峰值傳輸速率達到500MB/s，也可以擴展更多硬盤構成大容量的磁盤陣列。系統采用PCI-9054橋芯片與計算機連接，可同時存儲四路AD數據，可以通過人機交互界面實時監控數據采集情況，在計算機上實現整個磁盤陣列的實時控制。
上傳時間： 2013-06-14
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隨著圖像處理技術和投影技術的不斷發展，人們對高沉浸感的虛擬現實場景提出了更高的要求，這種虛擬顯示的場景往往由多通道的投影儀器同時在屏幕上投影出多幅高清晰的圖像，再把這些單獨的圖像拼接在一起組成一幅大場景的圖像。而為了給人以逼真的效果，投影的屏幕往往被設計為柱面屏幕，甚至是球面屏幕。當圖像投影在柱面屏幕的時候就會發生幾何形狀的變化，而避免這種幾何變形的就是圖像拼接過程中的幾何校正和邊緣融合技術。 一個大場景可視化系統由投影機、投影屏幕、圖像融合機等主要模塊組成。在虛擬現實應用系統中，要實現高臨感的多屏幕無縫拼接以及曲面組合顯示，顯示系統還需要運用幾何數字變形及邊緣融合等圖像處理技術，實現諸如在平面、柱面、球面等投影顯示面上顯示圖像。而關鍵設備在于圖像融合機，它實時采集圖形服務器，或者PC的圖像信號，通過圖像處理模塊對圖像信息進行幾何校正和邊緣融合，在處理完成后再送到顯示設備。 本課題提出了一種基于FPGA技術的圖像處理系統。該系統實現圖像數據的AiD采集、圖像數據在SRAM以及SDRAM中的存取、圖像在FPGA內部的DSP運算以及圖像數據的D/A輸出。系統設計的核心部分在于系統的控制以及數字信號的處理。本課題采用XilinxVirtex4系列FPGA作為主處理芯片，并利用VerilogHDL硬件描述語言在FPGA內部設計了A/D模塊、D/A模塊、SRAM、SDRAM以及ARM處理器的控制器邏輯。 本課題在FPGA圖像處理系統中設計了一個ARM處理器模塊，用于上電時對系統在圖像變化處理時所需參數進行傳遞，并能實時從上位機更新參數。該設計在提高了系統性能的同時也便于系統擴展。 本文首先介紹了圖像處理過程中的幾何變化和圖像融合的算法，接著提出了系統的設計方案及模塊劃分，然后圍繞FPGA的設計介紹了SDRAM控制器的設計方法，最后介紹了ARM處理器的接口及外圍電路的設計。
上傳時間： 2013-04-24
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基于∑-△噪聲整形技術和過采樣技術的數模轉換器(DAC)可以可靠地把數字信號轉換成為高精度的模擬信號。采用這一結構進行數模轉換具有諸多優點,例如極低的失配噪聲和高的可靠性,便于作為IP模塊嵌入到其他芯片系統中等,更重要的是可以得到其他DAC結構所無法達到的精度和動態范圍。在高精度測量、音頻轉換、汽車電子等領域有著廣泛的應用價值。 由于非線性和不穩定性的存在,高階∑-△調制器的設計與實現存在較大的難度。本設計綜合大量文獻中的經驗原則和方法,首先闡述了∑-△調制器的一般原理,并討論了一般結構調制器的設計過程,然后描述了穩定的高階高精度調制器的設計流程。根據市場需求,設定了整個設計方案的性能指標,并據此設計了達到16bit精度和滿量程輸入范圍的三階128倍過采樣調制器。 本設計采用∑-△結構,根據系統要求設計了量化器位數、調制器過采樣比和階數。在分析高階單環路調制器穩定性的基礎上,成功設計了六位量化三階單環路調制器結構。在16比特的輸入信號下,達到了90dB左右的信噪比。該設計已經在Cyclone系列FPGA器件下得到硬件實現和驗證,并實現了實時音頻驗證。測試表明,該DAC模塊輸出信號的信噪比能滿足16比特數據轉換應用的分辨率要求,并具備良好的兼容性和通用性。 本設計可作為IP核廣泛地在其他系統中進行復用,具有很強的應用性和一定的創新性。
上傳時間： 2013-07-10
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直接數字頻率合成(DDS)是七十年代初提出的一種新的頻率合成技術，其數字結構滿足了現代電子系統的許多要求，因而得到了迅速的發展?，F場可編程門陣列器件(FPGA)的出現，改變了現代電子數字系統的設計方法，提供了一種全新的設計模式。本論文結合這兩項技術，并利用單片機控制靈活的特點，開發了一種雙通道波形發生器。在實現過程中，選用了Altera公司的EP1C6Q240C8芯片作為產生波形數據的主芯片，充分利用了該芯片的超大集成性和快速性。在控制芯片上選用ATMAL的AT89C51單片機作為控制芯片。本設計中，FPGA芯片的設計和與控制芯片的接口設計是一個難點，本文利用Altera的設計工具Quartus Ⅱ并結合Verilog-HDL語言，采用硬件編程的方法很好地解決了這一問題。 本文首先介紹了波形發生器的研究背景和DDS的理論。然后詳盡地敘述了用EP1C6Q240C8完成DDS模塊的設計過程，這是設計的基礎。接著分析了整個設計中應處理的問題，根據設計原理就功能上進行了劃分，將整個儀器功能劃分為控制模塊、外圍硬件、FPGA器件三個部分來實現。然后就這三個部分分別詳細地進行了闡述。并且通過系列實驗，詳細地分析了該波形發生器的功能、性能、實現和實驗結果。最后，結合在設計中的一些心得體會，提出了本設計中的一些不足和改進意見。通過實驗說明，本設計達到了預定的要求，并證明了采用軟硬件結合，利用FPGA實現基于DDS架構的雙路波形發生器是可行的。
上傳時間： 2013-06-09
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視頻監控一直是人們關注的應用技術熱點之一，它以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛用于在電視臺、銀行、商場等場合。在視頻圖像監控系統中，經常需要對多路視頻信號進行實時監控，如果每一路視頻信號都占用一個監視器屏幕，則會大大增加系統成本。視頻圖像畫面分割器主要功能是完成多路視頻信號合成一路在監視器顯示，是視頻監控系統的核心部分。 傳統的基于分立數字邏輯電路甚至DSP芯片設計的畫面分割器的體積較大且成本較高。為此，本文介紹了一種基于FPGA技術的視頻圖像畫面分割器的設計與實現。 本文對視頻圖像畫面分割技術進行了分析，完成了基于ITU-RBT.656視頻數據格式的畫面分割方法設計；系統采用Xilinx公司的FPGA作為核心控制器，設計了視頻圖像畫面分割器的硬件電路，該電路在FPGA中，將數字電路集成在一起，電路結構簡潔，具有較好的穩定性和靈活性；在硬件電路平臺基礎上，以四路視頻圖像分割為例，完成了I2C總線接口模塊，異步FIFO模塊，有效視頻圖像數據提取模塊，圖像存儲控制模塊和圖像合成模塊的設計，首先，由攝像頭采集四路模擬視頻信號，經視頻解碼芯片轉換為數字視頻圖像信號后送入異步FIFO緩沖。然后，根據畫面分割需要進行視頻圖像數據抽取，并將抽取的視頻圖像數據按照一定的規則存儲到圖像存儲器。最后，按照數字視頻圖像的數據格式，將四路視頻圖像合成一路編碼輸出，實現了四路視頻圖像分割的功能。從而驗證了電路設計和分割方法的正確性。 本文通過由FPGA實現多路視頻圖像的采集、存儲和合成等邏輯控制功能，I2C總線對兩片視頻解碼器進行動態配置等方法，實現四路視頻圖像的輪流采集、存儲和圖像的合成，提高了系統集成度，并可根據系統需要修改設計和進一步擴展功能，同時提高了系統的靈活性。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著計算機技術的突飛猛進以及移動通訊技術在日常生活中的不斷深入，數據采集不斷地向多路、高速、智能化的方向發展。本文針對此需求，實現了一種應用FPGA的多路、高速的數據采集系統，從而為測量儀器提供良好的采集數據。 本文設計了一種基于AD+FPGA+DSP的多路數據采集處理系統，針對此系統設計了基于AD9446的模數轉換采集板，再將模數轉換采集板的數據傳送至基于FPGA的采集控制模塊進行數據的壓縮以及緩沖存儲，最后由DSP調入數據進行數據的處理。本文的設計主要分為兩部分，一部分為模數轉換采集板的設計與調試，另一部分為采集控制模塊的設計與仿真。 經設計與調試，模數轉換模塊可為系統提供穩定可靠的數據，能穩定工作在百兆的頻率下；采集控制模塊能實時地完成數據壓縮與數據緩沖，并能通過時鐘管理模塊來控制前端AD的采樣，該模塊也能穩定工作在百兆的頻率下。該系統為多路、高速的數據采集系統，并能穩定工作，從而能滿足電子測量儀器的要求。關鍵詞：數據采集；FPGA；AD9446
上傳時間： 2013-06-04
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可配置端口電路是FPGA芯片與外圍電路連接關鍵的樞紐，它有諸多功能：芯片與芯片在數據上的傳遞(包括對輸入信號的采集和輸出信號輸出)，電壓之間的轉換，對外圍芯片的驅動，完成對芯片的測試功能以及對芯片電路保護等。 本文采用了自頂向下和自下向上的設計方法，依據可配置端口電路能實現的功能和工作原理，運用Cadence的設計軟件，結合華潤上華0.5μm的工藝庫，設計了一款性能、時序、功耗在整體上不亞于xilinx4006e[8]的端口電路。主要研究以下幾個方面的內容： 1.基于端口電路信號寄存器的采集和輸出方式，本論文設計的端口電路可以通過配置將它設置成單沿或者雙沿的觸發方式[7]，并完成了Verilog XL和Hspiee的功能和時序仿真，且建立時間小于5ns和保持時間在0ns左右。和xilinx4006e[8]相比較滿足設計的要求。 2.基于TAP Controller的工作原理及它對16種狀態機轉換的控制，對16種狀態機的轉換完成了行為級描述和實現了捕獲、移位、輸出、更新等主要功能仿真。 3.基于邊界掃描電路是對觸發器級聯的構架這一特點，設計了一款邊界掃描電路，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。達到對芯片電路測試設計的要求。 4.對于端口電路來講，有時需要將從CLB中的輸出數據實現異或、同或、與以及或的功能，為此本文采用二次函數輸出的電路結構來實現以上的功能，并運用Verilog XL和Hspiee對它進行了功能和時序的仿真。滿足設計要求。 5.對于0.5μm的工藝而言，輸入端口的電壓通常是3.3V和5V，為此根據設置不同的上、下MOS管尺寸來調整電路的中點電壓，將端口電路設計成3.3V和5V兼容的電路，通過仿真性能上已完全達到這一要求。此外，在輸入端口處加上擴散電阻R和電容C組成噪聲濾波電路，這個電路能有效地抑制加到輸入端上的白噪聲型噪聲電壓[2]。 6.在噪聲和延時不影響電路正常工作的范圍內，具有三態控制和驅動大負載的功能。通過對管子尺寸的大小設置和驅動大小的仿真表明：在實現TTL高電平輸出時，最大的驅動電流達到170mA，而對應的xilinx4006e的TTL高電平最大驅動電流為140mA[8]；同樣，在實現CMOS高電平最大驅動電流達到200mA,而xilinx4006e的CMOS驅動電流達到170[8]mA。 7.與xilinx4006e端口電路相比，在延時和面積以及功耗略大的情況下，本論文研究設計的端口電路增加了雙沿觸發、將輸出數據實現二次函數的輸出方式、通過添加譯碼器將配置端口的數目減少的新的功能，且驅動能力更加強大。
上傳時間： 2013-07-20
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隨著計算機技術和通信技術的迅速發展，數字視頻在信息社會中發揮著越來越重要的作用，視頻傳輸系統已經被廣泛應用于交通管理、工業監控、廣播電視、銀行、商場等多個領域。同時，FPGA單片規模的不斷擴大，在FPGA芯片內部實現復雜的數字信號處理系統也成為現實，因此采用FPGA實現視頻壓縮和傳輸已成為一種最佳選擇。 本文將視頻壓縮技術和光纖傳輸技術相結合，設計了一種基于無損壓縮算法的多路數字視頻光纖傳輸系統，系統利用時分復用和無損壓縮技術，采用串行數字視頻傳輸的方式，可在一根光纖中同時傳輸8路以上視頻信號。系統在總體設計時，確定了基于FPGA的設計方案，采用ADI公司的AD9280和AD9708芯片實現A/D轉換和D/A轉換，在FPGA里實現系統的時分復用/解復用、視頻數據壓縮/解壓縮和線路碼編解碼，利用光收發一體模塊實現電光轉換和光電轉換。視頻壓縮采用LZW無損壓縮算法，用Verilog語言設計了壓縮模塊和解壓縮模塊，利用Xilinx公司的IP核生成工具Core Generator生成FIFO來緩存壓縮/解壓縮單元的輸入輸出數據，光纖線路碼采用CIMT碼，設計了編解碼模塊，解碼過程中，利用數字鎖相環來實現發射與接收的幀同步，在ISE8.2和Modelsim仿真環境下對FPGA模塊進行了功能仿真和時序仿真，并在Spartan-3E開發板和視頻擴展板上完成了系統的硬件調試與驗證工作，實驗證明，系統工作穩定，圖像清晰，實時傳輸效果好，可用于交通、安防、工業監控等多個領域。 本文將視頻壓縮和線路碼編解碼在FPGA里實現，利用FPGA的并行處理優勢，大大提高了系統的處理速度，使系統具有集成度高、靈活性強、調試方便、抗干擾能力強、易于升級等特點。
上傳時間： 2013-06-27
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