近年來微光、紅外、X光圖像傳感器在軍事、科研、工農業生產、醫療衛生等領域的應用越來越為廣泛，但由于這些成像器件自身的物理缺陷，視覺效果很不理想，往往需要對圖像進行適當的處理，以得到適合人眼觀察或機器識別的圖像。因此，市場急需大量高效的實時圖像處理器能夠在傳感器后端對這類圖像進行處理。而FPGA的出現，恰恰解決了這個問題。 近十年來，隨著FPGA(現場可編程門陣列)技術的突飛猛進，FPGA也逐漸進入數字信號處理領域，尤其在實時圖像處理方面。Xilinx的研究表明，在2000年主要用于DSP應用的FPGA的發貨量，增長了50％；而常規的DSP大約增長了40％。由于FPGA可無比擬的并行處理能力，使得FPGA在圖像處理領域的應用持續上升，國內外，越來越多的實時圖像處理應用都轉向了FPGA平臺。與PDSP相比，FPGA將在未來統治更多前端(如傳感器)應用，而PDSP將會側重于復雜算法的應用領域。可以說，FPGA是數字信號處理的一次重大變革。 算法是圖像處理應用的靈魂，是硬件得以發揮其強大功能的根本。”共軛變換”圖像處理方法是一種新型的圖像處理算法，由鄭智捷博士上個世紀90年代初提出。這種算法使用基元形狀(meta-shape)技術，而這種技術的特征正好具備幾何與拓撲的雙重特性，使得大量不同的基于形態的灰度圖像處理濾波器可用這種方法實現。該種算法在空域進行圖像處理，無需進行大量復雜的算術運算，算法簡單、快速、高效，易于硬件實現。通過十多年來的實驗與實踐證明，在微光圖像，紅外圖像，X光圖像處理領域，”共軛變換”圖像處理方法確實有其獨特的優異性能。本篇論文就針對”共軛變換”圖像處理方法在微光圖像處理領域的應用，就如何在FPGA上實現”共軛變換”圖像處理方法展開研究。首先在Matlab環境下，對常用的圖像增強算法和”共軛變換”圖像處理方法進行了比較，并且在設計制作“FPGA視頻處理開發平臺”的基礎上，用VHDL實現了”共軛變換”圖像處理方法的基本內核并進行了算法的硬件實現與效果驗證。此外，本文還詳細地討論了視頻流的采集及其編碼解碼問題以及I2C總線的FPGA實現。
上傳時間： 2013-04-24
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作為嵌入式系統核心的微處理器，是SOC不可或缺的“心臟”，微處理器的性能直接影響著整個SOC的性能。 與國際先進技術相比，我國在這一領域的研究和開發工作還相當落后，這直接影響到我國信息產業的發展。本著趕超國外先進技術，填補我國在該領域的空白以擺脫受制于國外的目的，我國很多科研單位和公司進行了自己的努力和嘗試。經過幾年的探索，已經有多種自主知識產權的處理器芯片完成了設計驗證并逐漸進入市場化階段。我國已結束無“芯”的歷史，并向設計出更高性能處理器的目標邁進。 艾科創新微電子公司的VEGA處理器，是公司憑借自己的技術力量和科研水平設計出的一款64位高性能RSIC微處理器。該處理器基于MIPSISA構架，采用五級流水線的設計，并且使用了高性能處理器所廣泛采用的虛擬內存管理技術。設計過程中采用自上而下的方法，根據其功能將其劃分為取指、譯碼、算術邏輯運算、內存管理、流水線控制和cache控制等幾個功能塊，使得我們在設計中能夠按照其功能和時序要求進行。 本文的首先介紹了MIPS微處理器的特點，通過對MIPS指令集和其五級流水線結構的介紹使得對VEGA的設計有了一個直觀的認識。在此基礎上提出了VEGA的結構劃分以及主要模塊的功能。作為采用虛擬內存管理技術的處理器，文章的主要部分介紹了VEGA的虛擬內存管理技術，將VEGA的內存管理單元(MMU)尤其是內部兩個翻譯后援緩沖(TLB)的設計作為重點給出了流水線處理器設計的方法。結束總體設計并完成仿真后，并不能代表設計的正確性，它還需要我們在實際的硬件平臺上進行驗證。作為論文的又一重點內容，介紹了我們在VEGA驗證過程中使用到的FPGA的主要配置單元，FPGA的設計流程。VEGA的FPGA平臺是一完整的計算機系統，我們利用在線調試軟件XilinxChipscope對其進行了在線調試，修正其錯誤。 經過模塊設計到最后的FPGA驗證，VEGA完成了其邏輯設計，經過綜合和布局布線等后端流程，VEGA采用0.18工藝流片后達到120MHz的工作頻率，可在其平臺上運行Windows-CE和Linux嵌入式操作系統，達到了預計的設計要求。
上傳時間： 2013-07-07
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該文利用FPGA技術,設計了全概率寬帶數字接收機的實驗平臺,并在其上提出了數字接收機實現的可行性方法,以及對這些方法的驗證.該文的主要貢獻和創新有以下幾個方面.提出了并行結構算法的工程實現,討論了解決前端采樣的高速數據流遠遠超過后端DSP處理能力問題的可行性方法.利用多相濾波下變頻的并行結構特點,使濾波器能夠以高效的形式實現,也使得后端的混頻能夠工作在一個較低的速率上.經過多相濾波下變頻處理后的數據,在速率和數量上都有大幅減少,達到了現有通用DSP器件的處理能力的要求.針對多相濾波下變頻與短數據快速測頻算法的特點,用FPGA搭建了其實驗模型,并利用微機EPP接口,對實驗目標板進行控制并與其進行數據交換.利用FPGA的在線編程特性,可以方便靈活對各種實現方法加以驗證、比較.同時也給調試帶來了方便,可以每個模塊單獨調試而不用改變硬件結構,使調試效率大大提高.該平臺也可用來對其他數字處理算法進行實現性分析與實驗.參考軟件無線電設計的概念和國內外相關文獻,提出了多項濾波下變頻結構的FPGA實現.傳統的DDC通過數字混頻、濾波、抽取實現數字下變頻,在高速A/D和電子偵察環境條件下商用DDC不能使用.該文采用濾波器多相分解方法,按數字混頻序列劃分調諧信道,使用先抽取,后低通濾波,再混頻的數字下變頻結構,高效實現了變載頻帶通信號數字下變頻.結合多相濾波下變頻結構、算法對測頻精度及速度的要求,提出了短數據快速測頻算法的具體實現,使用流水線的設計方法,提高了系統的數據吞吐率,在盡可能短的時間內提供多相濾波下變頻所需的載頻位置信息.以上兩部分的FPGA實現除了純粹的算法模塊外,還包括測試用的外圍模塊,以及運行于實驗平臺上的控制模塊、緩存、數據控制等.這些模塊也用FPGA來實現.
上傳時間： 2013-06-22
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軟件無線電DDC(數字下變頻)系統作為前端ADC與后端通用DSP器件之間的橋梁，通過降低數據流的速率，把低速數據送給后端通用DSP器件進行處理，其性能的優劣將對整個軟件無線電系統的穩定性產生直接影響。采用專用DDC芯片完成數字下變頻，雖然具有抽取比大、性能穩定等優點，但價格昂貴，靈活性不強，不能充分體現軟件無線電的優勢。FPGA工藝發展迅速，處理能力大大增強，相對于ASIC、DSP來說具有吞吐量高、開發周期短、可實現在線重構等諸多優勢。正因為這些優點，使得FPGA在軟件無線電的研究和開發中起著越來越重要的作用。 本次設計的目標是在一塊FPGA芯片上實現單通道數字下變頻系統。現階段主要對軟件無線電數字下變頻器的FPGA實現方法進行了研究分析，重點完成了其主要模塊的設計和仿真以及初步的系統級驗證。 論文首先對軟件無線電數字下變頻的國內外現狀進行了分析，然后對FPGA實現數字下變頻設計的優勢作了闡述。在對軟件無線電理論基礎、數字信號處理的相關知識深入研究的基礎上重點研究軟件無線電數字下變頻技術。對數字下變頻的NCO、混頻、CIC、HB、FIR模塊的實現方法進行深入研究，在：MATLAB中設定整體系統方案、完成模塊劃分和接口定義，并對部分模塊建立數學模型并仿真、對模塊的性能進行優化。從數字下變頻的系統層次上考慮了各模塊彼此問的性能制約，從而選擇合理配置、優化系統結構以獲得模塊間的性能均衡和系統性能的最優化。最后通過使用編寫'Verilog程序和調用部分lP Core相結合的方法完成數字下變頻各個模塊的設計并完成仿真和調試。結果表明設計的思想和結構是正確的，在下一步工作中主要完成系統的板級調試。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著計算機科學和視頻技術的廣泛發展,數字圖像采集在電子通信與信息處理領域得到了廣泛的應用,例如廣播電視的數字化、網絡視頻、監視監控系統等. 視頻圖像采集卡作為計算機視頻應用的前端設備,承擔著模擬視頻信號向數字視頻信號轉換的任務,在多媒體時代占據著重要的位置.設計一種功能靈活,使用方便,便于嵌入到系統中的視頻信號采集電路具有重要的實用意義. 本文首先介紹數字圖像采集系統的發展現狀和前景,提出了本次設計的目標: 完成基于PCI總線的高分辨率圖像采集卡設計.然后簡單介紹了本次設計用到的基本理論:數據采集理論,特別說明了采樣和量化的定義與區別,以及量化的幾種方式和量化與AD技術之間的關系. 圖像采集系統的基本構成,是以數字信號處理器為核心,控制外圍的A/D、D/A轉換器和外圍存儲器.本文對比了當下流行的DSP芯片和IFPGA芯片作為數字處理核心的優缺點,并根據系統實際需要,選用FPGA作為數字信號處理器.然后列舉了幾款常用A/D視頻芯片,還介紹了SDRAM控制的基本流程,最后提出了系統的整體設計方案. 圖像采集卡的硬件設計分為A/D前端模擬通道設計和FPGA數字信號傳輸及外圍電路設計.本文重點介紹了A/D芯片外圍電路連接和使用方法,對PCI總線和它的控制電路也做了詳細闡述.對圖像采集卡的PCB布局布線也有詳細說明. 圖像采集卡FPGA內部程序構成也是本文的一個重點.本次的程序設計主要分為數據采集模塊,即與A/D接口模塊,數據暫存模塊,即SDRAM讀寫控制模塊,數據處理模塊和數據傳輸模塊,即PCI控制模塊.重點在于對的SDRAM的連續讀寫控制和各個模塊間的協調工作.說明了.A/D采集數據從接收到存儲詳細過程,以及對SDRAM讀寫狀態機和PCI總線的操控. 最后介紹了硬件調試和FPGA程序驗證結果.詳細說明了以Modelsim為平臺的前端功能仿真和后端時序仿真,以及以SignalTapⅡ為平臺,程序下載到FPGA中進行的實時驗證.結果表明整個圖像采集系統基本達到了系統設計中所給出的性能指標,證明了整個系統設計的正確性和合理性.
上傳時間： 2013-04-24
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數字存儲示波器（DSO）上世紀八十年代開始出現，由于當時它的帶寬和分辨率較低，實時性較差，沒有具備模擬示波器的某些特點，因此并沒有受到人們的重視。隨著數字電路、大規模集成電路及微處理器技術的發展，尤其是高速模/數（A/D）轉換器及半導體存儲器（RAM）的發展，數字存儲示波器的采樣速率和實時性能得到了很大的提高，在工程測量中，越來越多的工程師用DSO來替代模擬示波器。 本文介紹了一款雙通道采樣速率達1GHz，分辨率為8Bits，實時帶寬為200MHz數字存儲示波器的研制。通過對具體功能和技術指標的分析，提出了FPGA＋ARM架構的技術方案。然后，本文分模塊詳細敘述了整機系統中部分模塊，包括前端高速A/D轉換器和FPGA的硬件模塊設計，數據處理模塊軟件的設計，以及DSO的GPIB擴展接口邏輯模塊的設計。 本文在分析了傳統DSO架構的基礎上，提出了本系統的設計思想和實現方案。在高速A/D選擇上，國家半導體公司2005年推出的雙通道采樣速率達500MHz高速A/D轉換器芯片ADC08D500，利用其雙邊沿采樣模式（DES）實現對單通道1GHz的采樣速率，并且用Xilinx公司Spraten-3E系列FPGA作為數據緩沖單元和存儲單元，提高了系統的集成度和穩定性。其中，FPGA緩沖單元完成對不同時基情況下多通道數據的抽取，處理單元完成對數據正弦內插的計算，而DSO中其余數據處理功能包括數字濾波和FFT設計在后端的ARM內完成。DSO中常用的GPIB接口放在FPGA內集成，不僅充分利用了FPGA內豐富的邏輯資源，而且降低了整機成本，也減少了電路規模。 最后，利用ChipscopePro工具對采樣系統進行調試，并分析了數據中的壞數據產生的原因，提出了解決方案, 并給出了FPGA接收高速A/D的正確數據。
上傳時間： 2013-07-07
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隨著集成電路的設計規模越來越大，FPGA為了滿足這種設計需求，其規模也越做越大，傳統平面結構的FPGA無法滿足實際設計需求。首先是硬件設計上的很難控制，其次就是計算機軟件面臨很大挑戰，所有復雜問題全部集中到布局布線(P&R)這一步，而實際軟件處理過程中，P&R所占的時間比例是相當大的。為了緩解這種軟件和硬件的設計壓力，多層次化結構的FPGA得以采用。所謂層次化就是可配置邏輯單元內部包含多個邏輯單元(相對于傳統的單一邏輯單元)，并且內部的邏輯單元之間共享連線資源，這種結構有利于減少芯片面積和提高布通率。與此同時，FPGA的EDA設計流程也多了一步，那就是在工藝映射和布局之間增加了基本邏輯單元的裝箱步驟，該步驟既可以認為是工藝映射的后處理，也可認為是布局和布線模塊的預處理，這一步不僅需要考慮打包，還要考慮布線資源的問題。裝箱作為連接軟件前端和后端之間的橋梁，該步驟對FPGA的性能影響是相當大的。 本文通過研究和分析影響芯片步通率的各種因素，提出新的FPGA裝箱算法，可以同時減少裝箱后可配置邏輯單元(CLB)外部的線網數和外部使用的引腳數，從而達到減少布線所需的通道數。該算法和以前的算法相比較，無論從面積，還是通道數方面都有一定的改進。算法的時間復雜度仍然是線性的。與此同時本文還對FPGA的可配置邏輯單元內部連線資源做了分析，如何設計可配置邏輯單元內部的連線資源來達到即減少面積又保證芯片的步通率，同時還可以提高運行速度。 另外，本文還提出將電路分解成為多塊，分別下載到各個芯片的解決方案。以解決FPGA由于容量限制，而無法實現某些特定電路原型驗證。該算法綜合考慮影響多塊芯片性能的各個因數，采用較好的目標函數來達到較優結果。
上傳時間： 2013-04-24
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本文進行了基于FPGA的GPS直序偽碼擴頻接收機的設計和數字化硬件實現。論文首先對GPS衛星導航定位系統進行了分析，并對與數字化接收機直接相關聯的GPS信號中頻部分結合實際系統要求進行了設計和分析，由此確定了數字化偽碼捕獲跟蹤接收機研制的具體要求，之后完成了接收機中頻數字化方案設計。同時對偽碼捕獲跟蹤后端的載波捕獲跟蹤的實現方案進行了描述和分析。最后利用EDA工具在FPGA芯片上實現了GPS數字化接收機的偽碼捕獲跟蹤。 受工作環境的制約，GPS衛星接收機系統首先表現為功率受限系統，接收機必須滿足在低信噪比條件下工作。同時接收機與衛星間高動態產生的多普勒頻率，給接收機實現快速捕獲帶來了難度。通過仿真分析，綜合了實現難度和性能兩方面因素，針對小信噪比工作條件提出了改進型的序貫偽碼捕獲實施方案。同時按照捕獲概率和時間的要求，對接收機偏壓、上、下門限、NCO增益等進行了設計和仿真分析，確定了捕獲的數字化實現方案，偽碼跟蹤采用超前滯后環方案。捕獲完成后可使本地偽碼與接收偽碼的相對誤差保持在±1/4碼元范圍內，而跟蹤環路的跟蹤范圍為±4/3碼元，保證了捕獲到跟蹤的可靠銜接，同時采用可變環路帶寬措施解決了跟蹤速度和精度的矛盾。 在數字化實現設計中，給出了詳細的數字化實現方案和分析，這樣在保證工作精度的同時盡量減少硬件資源的開銷，利用EDA工具，采用Veilog設計語言在Xilinx的VirtexII系列的XC2V500fg256的FPGA上完成數字化接收機偽碼捕獲跟蹤的實現，并在其開發平臺上對數字化接收機進行了仿真驗證，在給定的工作條件下達到了設計性能和指標要求。
上傳時間： 2013-04-24
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本文分析了當代高精度地震勘探數據采集系統的發展現狀，研究了數據采集的A/D方法及理論、現場可編程門陣列(Field Programmable GateArray，FPGA)技術的發展及原理，串口通信的原理及實現。在此基礎上，探討了采用FPGA控制24位△∑模數轉換器來實現高精度地震勘探數據采集系統的實現思路，對探測傳感器或檢波器后端數據采集系統的信號A/D轉換、FPGA與外部接口設計、串口數據通信做了詳細的研究，尤其是在用FPGA來完成與外部ADC的接口控制上做了深入的開發和設計，整個接口控制模塊采用VHDL語言編寫，并同時將ROM、FIFO等數字邏輯模塊一起集成到一片FPGA芯片當中，并在Quartus Ⅱ6.0的開發平臺上通過了軟件仿真，時序仿真結果達到了系統要求。
上傳時間： 2013-05-21
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普通GPS接收機在特殊環境下，如在高樓林立的城市中心，林木遮擋的森林公路，特別是在隧道和室內環境的情況下，由于衛星信號非常微弱，載噪比（Carrier Noise Ratio，C/No）通常都在34dB-Hz以下，很難有效捕獲到衛星信號，導致無法正常定位。惡劣條件下的定位有廣闊的發展和應用前景，特別是在交通事故、火災和地震等極端環境下，快速準確定位當事者所處位置對于降低事態損失和營救受傷者是極為重要的。歐美和日本等發達國家也都制定了相應的提高惡劣條件下高靈敏度定位能力的發展政策。而高靈敏度GPS接收機定位的關鍵在于GPS微弱信號的處理。 本課題的主要研究內容是針對GPS微弱信號改進處理方法。針對傳統GPS接收機信號捕獲中的串行搜索方法提出了基于批處理的微弱信號捕獲方法,來提高低信噪比情況下微弱信號的捕獲能力，實現快速高靈敏度的準確捕獲；針對捕獲微弱信號處理大量數據導致的運算量激增，運用雙塊零拓展(Double Block Zero Padding，DBZP)處理方法減少運算量同時縮短捕獲時間。針對傳統GPS接收機延遲鎖相環跟蹤算法提出了基于卡爾曼濾波的新型捕獲算法，減小延遲鎖相環失鎖造成的信號跟蹤丟失概率，來提高惡劣環境下低信噪比信號的跟蹤能力，實現微弱信號的連續可靠跟蹤。通過提高GPS微弱信號的捕獲與跟蹤能力，進而使GPS接收機在惡劣環境下衛星信號微弱時能夠實現較好的定位與導航。 通過擬合GPS接收機實際接收到的原始數據，構造出不同載噪比的數字信號，分別對提出的針對微弱信號的捕獲與跟蹤算法進行仿真比較驗證，結果表明，對接收機后端信號處理部分作出的算法改進使得GPS接收機可以更好的處理微弱信號，并且具有較高的靈敏度和精度。文章同時針對提出的數據處理特征使用FPGA技術對算法主要的數據處理部分進行了初步的構架實現并進行了板級驗證，結果表明，利用FPGA技術可以較好的實現算法的數據處理功能。文章最后給出了結論，通過提出的基于批處理和基于DBZP方法的捕獲算法以及基于卡爾曼濾波的信號跟蹤算法，可以有效地解決微弱GPS信號處理的難題，進而實現微弱信號環境下的定位與導航。
上傳時間： 2013-04-24
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