FPGA能夠減少電子系統的開發風險和開發成本,縮短上市時間,降低維護升級成本,廣泛地應用在電子系統中.隨著集成電路向著片上系統(SoC)的發展,需要設計出FPGA IP核用于SoC芯片的設計.該論文的工作圍繞FPGA IP核的設計進行,在FPGA結構設計優化和FPGAIP接口方案設計兩方面進行了研究.設計改進了適用于數據通路的FPGA新結構——FDP.設計改進了可編程邏輯單元(LC);對可編程連線作為"2層2類"的層次結構進行組織,進行了改進并確定了各種連線的通道寬度;結合對迷宮布線算法的分析以及benchmark電路實驗的方法,提出了用于分段式網格連線的開關盒和連接盒新結構,提高連線的面積利用效率.在FPGA IP核的接口方案上,基于邊界掃描測試電路提出了FPGA IP核的測試方案;結合擴展邊界掃描測試電路得到的編程功和自動下載電路,為FPGA IP核提供了具有兩種不同編程方法的編程接口.采用SMIC 0.35um 3層金屬CMOS工藝,實現了一個10萬系統門規模的FDP結構,并和編程、測試接口一起進行版圖設計,試制了FDP100k芯片.FDP100k中包括了32×32個LC,128個可編程IO單元.在FDP100k的芯片測試中,對編程寄存器、各種可編程資源進行測試,并完成電路實現、性能參數測試以及IP核接口的測試,結果表明FPGA IP核的整體功能正確.
標簽： FPGAIP
上傳時間： 2013-04-24
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在通信系統中，人們一直致力于信息傳輸的有效性和可靠性的研究，信道糾錯編碼技術一直是人們研究的重點。1993年，Turbo碼的提出，以其接近Shannon極限的優異的譯碼性能在編碼界引起了轟動，并成為研究糾錯編碼的熱點課題。經過十幾年的研究和發展，目前，Turbo碼已經走向了實用化的道路，如何用硬件實現有效的Turbo碼編譯碼器成為了人們研究的重點。 論文以基于FPGA實現Turbo碼譯碼器為研究目標，首先分析了Turbo碼的基本編譯碼原理和3GPP標準的Turbo碼編碼結構和交織算法。然后重點分析了MAP譯碼算法，Log-MAP譯碼算法和：Max-Log-MAP譯碼算法，并對三種譯碼算法進行了詳細的理論推導和計算復雜度的定量分析比較，對影響Turbo碼譯碼性能的主要因素進行了MATLB仿真分析。 論文在深入分析比較上述三種譯碼算法的基礎之上，選擇Max-Log-MAP譯碼算法進行了Turbo碼譯碼器的FPGA設計實現。主要針對FPGA實現的數據量化、定點數據表示方式、Max-Log-MAP算法子譯碼器關鍵運算單元的FPGA設計和基于3GPP標準的Turbo碼譯碼器的內交織的FPGA設計進行了深入研究，完成了固定譯碼長度的Turbo碼譯碼器的FPGA設計實現，并利用ModelSim和MATLAB分別對譯碼器進行了功能時序驗證和FPGA定點仿真測試。
上傳時間： 2013-07-09
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在信道編碼的發展進程中，編碼研究人員一直致力于追尋性能盡可能的接近Shannon極限，且譯碼復雜度較低的信道編碼方案。1993年Berrou等提出了Turbo碼，這種碼在接近香農極限的低信噪比下仍能夠獲得較低的誤碼率，它的出現在編碼界引起了廣泛的關注，并成為編碼研究領域最新的發展方向之一。但Turbo碼也有其缺點，由于交織器的存在，致使譯碼復雜度高，譯碼時延長且因為低碼重碼字，存在錯誤平臺現象。在Turbo碼的基礎上，1994年，Pyndiah等提出了Turbo乘積碼，Turbo乘積碼繼承了Turbo碼的優點，又因為Turbo乘積碼的構造采用了線性分組碼，所以譯碼方法比Turbo碼簡單。Turbo乘積碼近年來開始被廣泛到應用到各種通信場合，大有取代傳統的卷積碼之勢。 本文首先圍繞Turbo乘積碼的編譯碼原理，闡述了涉及到的基礎知識；又據Turbo乘積碼目前的應用狀況，回顧了Turbo碼的發展歷史；其次，根據Turbo乘積碼的構造原理，探討了構造的方法，交織類型，子碼的選擇及子碼的性能；再次，研究了Turbo乘積碼的概率譯碼，基于外信息的迭代算法，研究了Chase的譯碼算法；最后通過軟件仿真實現了該迭代譯碼算法，得到的結果達到了通信接收的要求。 本文還初步的闡述了Turbo乘積碼硬件實現系統的設計方案。據實際工作中碰到的非標準信號，給出了整體模塊設計圖，及相應模塊的功能和模塊問連接的各種參數。并實現了模態下的同步搜索和去除相位模糊功能。最后根據研究中碰到的各種問題，提出了下一步工作建議和研究方向。
上傳時間： 2013-07-02
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在以單片機為核心的多級分布式系統中，常常需要擴展單片機的串行通信口，本文分別介紹了基于SP2538 專用串行口擴展芯片及Intel8251 的兩種串行口擴展方法，并給出了實際的硬件電路原理及相應的通信
上傳時間： 2013-08-01
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LDPC碼以其接近Shannon極限的優異性能在編碼界引起了轟動，成為研究的熱點。隨著研究的不斷深入和技術的發展，目前，LDPC碼已經被多個通信系統定為信道編碼方案，并被應用到第二代數字視頻廣播衛星(DVB—S2)通信系統中。由于LDPC碼譯碼過程中所涉及的數據量龐大，譯碼時序控制復雜，如何實現LDPC碼譯碼器成為了人們研究的重點。 論文以基于FPGA實現LDPC碼譯碼器為研究目標，主要對譯碼算法選擇、譯碼數據量化、定點數據表示方式、譯碼算法關鍵運算單元的FPGA設計和譯碼的時序控制進行了深入研究。首先分析了LDPC碼的基本譯碼原理和常用譯碼算法。然后重點分析了BP算法、Log-BP算法、最小和算法和歸一化最小和算法，并對四種譯碼算法的糾錯性能和譯碼復雜度進行比較論證，選出適合硬件實現的譯碼方案。結合通信系統，對譯碼算法進行仿真分析，確定了譯碼算法的各個參數值和譯碼量化方案。 在系統仿真分析論證的基礎之上，以歸一化最小和譯碼算法為理論方案，利用硬件描述語言編寫譯碼功能模塊，并基于FPGA實現了固定譯碼長度的LDPC碼譯碼器，利用MATLAB和Modelsim分別對譯碼器進行了功能驗證和時序驗證，最后模擬通信系統完成了譯碼器的硬件測試。
上傳時間： 2013-04-24
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汽車儀表是駕駛員與汽車進行交流的重要窗口，也是汽車高新技術的重要部分。傳統汽車儀表多使用指針型顯示器件為主，如步進電機、十字線圈，輔以液晶顯示，顯示的信息量相對較少，且結構復雜。一方面隨著汽車電子化程度的不斷提高，進行技術創新，研制開發新一代汽車儀表產品；另一方面，由于能源和環保問題，汽車也將從內燃機汽車發展到包括純電動汽車(BEF)、混合電動汽車(HEV)以及燃料電池汽車(FCV)的新能源汽車時代，因此結合新能源汽車信息量多、電子化程度高的特點，開發新一代汽車智能儀表具有重要的現實和長遠意義。 本文正是在這樣的背景下，以同濟大學汽車學院自主研發的ROVER燃料電池轎車為研究對象，進行了汽車智能儀表的一些功能研究與開發。所做的主要工作有： (1)根據要實現的功能確定所需的硬件資源，選擇合適的嵌入式硬件系統。 (2)嵌入式操作系統的選擇和二次開發。在選擇操作系統時要考慮到系統的硬件可移植性、實時性、對內存的需求以及提供哪些開發工具等。 (3)應用軟件的開發。主要是儀表界面設計，包括數字圖形顯示，動畫顯示，數據庫開發等。 (4)基于無線數據傳輸模塊下的GPRS無線通訊實驗。包括客戶端和服務器端系統配置，動態域名解析等。 該儀表已應用于ROVER燃料電池轎車，實踐表明，在嵌入式平臺上顯示車載信息，同傳統儀表相比具有較大的優勢。可滿足小型化、輕量化的要求；造型美觀，可動畫顯示、可讀性、可視性強；可實現一表多用。從軟件方面來講，引入了操作系統的概念，增強了代碼的可讀性、可維護性、可擴展性以及靈活性；信息顯示自由度高，顯示界面人性化，可定制；即使更換硬件平臺，也只需對操作系統和底層驅動程序進行少量的移植工作，而無需修改與硬件無關的應用代碼。
上傳時間： 2013-04-24
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低密度校驗碼（LDPC，Low Density Parity Check Code）是一種性能接近香農極限的信道編碼，已被廣泛地采用到各種無線通信領域標準中，包括我國的數字電視地面傳輸標準、歐洲第二代衛星數字視頻廣播標準（DVB-S2，Digital Video Broadcasting-Satellite 2）、IEEE 802.11n、IEEE 802.16e等。它是3G乃至將來4G通信系統中的核心技術之一。 當今LDPC碼構造的主流方向有兩個，分別是結合準循環（QC，Quasi Cyclic）移位結構的單次擴展構造和類似重復累積（RA，Repeat Accumulate）碼構造。相應地，主要的LDPC碼編碼算法有基于生成矩陣的算法和基于迭代譯碼的算法。基于生成矩陣的編碼算法吞吐量高，但是需要較多的寄存器和ROM資源；基于迭代譯碼的編碼算法實現簡單，但是吞吐量不高，且不容易構造高性能的好碼。 本文在研究了上述幾種碼構造和編碼算法之后，結合編譯碼器綜合實現的復雜度考慮，提出了一種切實可行的基于二次擴展（Dex，Duplex Expansion）的QC-LDPC碼構造方法，以實現高吞吐量的LDPC碼收發端；并且充分利用該類碼校驗矩陣準循環移位結構的特點，結合RU算法，提出了一種新編碼器的設計方案。 基于二次擴展的QC-LDPC碼構造方法，是通過對母矩陣先后進行亂序擴展（Pex，Permutation Expansion）和循環移位擴展（CSEx，Cyclic Shift Expansion）實現的。在此基礎上，為了實現可變碼長、可變碼率，一般編譯碼器需同時支持多個亂序擴展和循環移位擴展的擴展因子。本文所述二次擴展構造方法的特點在于，固定循環移位擴展的擴展因子大小不變，支持多個亂序擴展的擴展因子，使得譯碼器結構得以精簡；構造得到的碼字具有近似規則碼的結構，便于硬件實現；（偽）隨機生成的循環移位系數能夠提高碼字的誤碼性能，是對硬件實現和誤碼性能的一種折中。 新編碼器在很大程度上考慮了資源的復用，使得實現復雜度近似與碼長成正比。考慮到吞吐量的要求，新編碼器結構完全拋棄了RU算法中串行的前向替換（FS，Forward Substitution）模塊，同時簡化了流水線結構，由原先RU算法的6級降低為4級；為了縮短編碼延時，設計時安排每一級流水線計算所需的時鐘數大致相同。 這種碼字構造和編碼聯合設計方案具有以下優勢：相比RU算法，新方案對可變碼長、可變碼率的支持更靈活，吞吐量也更大；相比基于生成矩陣的編碼算法，新方案節省了50％以上的寄存器和ROM資源，單位資源下的吞吐量更大；相比類似重復累積碼結構的基于迭代譯碼的編碼算法，新方案使高性能LDPC碼的構造更為方便。以上結果都在Xilinx Virtex II pro 70 FPGA上得到驗證。 通過在實驗板上實測表明，上述基于二次擴展的QC-LDPC碼構造和相應的編碼方案能夠實現高吞吐量LDPC碼收發端，在實際應用中具有很高的價值。 目前，LDPC碼正向著非規則、自適應、信源信道及調制聯合編碼方向發展。跨層聯合編碼的構造方法，及其對應的編碼算法，也必將成為信道編碼理論未來的研究重點。
上傳時間： 2013-07-26
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數字圖像的壓縮是解決圖像數據量大、存儲和傳輸困難的基本措施。圖像壓縮的方法很多，一般可分為有損壓縮和無損壓縮兩大類。有損壓縮允許一定程度的信息丟失，在滿足實際應用的條件下能夠取得較高的壓縮比；無損壓縮不允許信息丟失，但是壓縮比難以提高。在醫學圖像、遙感圖像等應用領域，對于圖像的壓縮比和失真度都有著較高要求，因此需要采用近無損壓縮的方法。近無損壓縮是有損壓縮和無損壓縮的一個折衷，允許一定的失真，能夠獲得高保真還原圖像的同時，得到比無損壓縮更高的壓縮比。 JPEG-LS是連續色調靜止圖像無損和近無損壓縮的國際標準，算法復雜度低，壓縮性能優越，但是JPEG-LS對不同圖像壓縮時壓縮比不可控制。本文在研究JPEG-LS近無損圖像壓縮算法的基礎上，針對具體應用背景，提出了一種基于塊的近無損壓縮方法。進一步利用圖像局部紋理特性分析，對不同特性的區域容忍不同的信息丟失程度，實現了對圖像壓縮的碼率控制。針對某工程應用中的具體要求，我們以FPGA為平臺，采用Verilog HDL語言對改進算法進行了硬件實現。 實驗結果證明，這種基于塊的具有碼率控制的近無損圖像壓縮算法，在實現較為精確的碼率控制的同時，能夠獲得較高的還原圖像質量，而且硬件實現復雜度低，能夠滿足對圖像的實時壓縮要求。
上傳時間： 2013-06-18
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隨著現代互聯網規模的不斷擴大，網絡數據流量迅速增長，傳統的路由器已經無法滿足網絡的交換和路由需求。當前，新一代路由器普遍利用了交換式路由技術，通過使用交換背板以充分利用公共通信鏈路，有效的提高了鏈路的利用率，并使各通信節點的并行通信成為可能。硬件系統設計中結合了專用網絡處理器，可編程器件各自的特點，采用了基于ASIC，FPGA，CPLD硬件結構模塊化的設計方法。基于ASIC技術體系的GSR的出現，使得路由器的性能大大提高。但是，這種路由器主要滿足數據業務(文字，圖象)的傳送要求，不能解決全業務(語音，數據，視頻)數據傳送的需要。隨著網絡規模的擴大，矛盾越來越突出，而基于網絡處理器技術的新一代路由器，從理論上提出了解決GSR所存在問題的解決方案。 基于網絡路由器技術實現的路由器，采用交換FPGA芯片硬件實現的方式，對路由器內部各種單播、多播數據包進行路由轉發，實現網絡路由器與外部數據收發芯片的數據通信。本文主要針對路由器內部交換FPGA芯片數據轉發流程的特點，分析研究了傳統交換FPGA所采用的交換算法，針對簡單FIFO算法所產生的線頭阻塞現象，結合虛擬輸出隊列(VOQ)機制及隊列仲裁算法(RRM)的特點，并根據實際設計中各外圍接口芯片，給出了一種消除數據轉發過程中出現的線頭阻塞的iSLIP改進算法。針對實際網絡單播、多播數據包在數據轉發處理過程的不同，給出了實際的解決方案。并對FPGA外部SSRAM包緩存帶寬的利用，數據轉發的包亂序現象及FPGA內部環回數據包的處理流程作了分析并提出了解決方案，有效的提高了路由器數據交換性能。 根據設計方案所采用的算法的實現方式，結合FPGA內部部分關鍵模塊的功能特點及性能要求，給出了交換FPGA內部可用BlockRam資源合理的分配方案及部分模塊的設計實現，滿足了實際的設計要求。所有處理模塊均在xilinx公司的FPGA芯片中實現。
上傳時間： 2013-04-24
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可靠通信要求消息從信源到信宿盡量無誤傳輸，這就要求通信系統具有很好的糾錯能力，如使用差錯控制編碼。自仙農定理提出以來，先后有許多糾錯編碼被相繼提出，例如漢明碼，BCH碼和RS碼等，而C。Berrou等人于1993年提出的Turbo碼以其優異的糾錯性能成為通信界的一個里程碑。 然而，Turbo碼迭代譯碼復雜度大，導致其譯碼延時大，故而在工程中的應用受到一定限制，而并行Turbo譯碼可以很好地解決上述問題。本論文的主要工作是通過硬件實現一種基于幀分裂和歸零處理的新型并行Turbo編譯碼算法。論文提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器解決方法，很好地解決了并行訪問存儲器沖突的問題。 本論文在現場可編程門陣列(FPGA)平臺上實現了一種基于幀分裂和籬笆圖歸零處理的并行Turbo編譯碼器。所實現的并行Turbo編譯碼器在時鐘頻率為33MHz，幀長為1024比特，并行子譯碼器數和最大迭代次數均為4時，可支持8.2Mbps的編譯碼數掘吞吐量，而譯碼時延小于124us。本文還使用EP2C35FPGA芯片設計了系統開發板。該開發板可提供高速以太網MAC／PHY和PCI接口，很好地滿足了通信系統需求。系統測試結果表明，本文所實現的并行Turbo編譯碼器及其開發板運行正確、有效且可靠。 本論文主要分為五章，第一章為緒論，介紹Turbo碼背景和硬件實現相關技術。第二章為基于幀分裂和歸零的并行Turbo編碼的設計與實現，分別介紹了編碼器和譯碼器的RTL設計，還提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器和解交織器設計。第三章討論了使用NIOS處理器的SOC架構，使用SOC架構處理系統和基于NIOSII處理器和uC／0S一2操作系統的架構。第四章介紹了FPGA系統開發板設計與調試的一些工作。最后一章為本文總結及其展望。
上傳時間： 2013-04-24
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