近幾年來,OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技術引起了人們的廣泛注意,根據這項新技術,很多相關協議被提出來。其中WiMax(Wireless MetropolitanArea Networks)代表空中接口滿足IEEE 802.16標準的寬帶無線通信系統,IEEE標準在2004年定義了空中接口的物理層(PHY),即802.16d協議。該協議規定數據傳輸采用突發模式,調制方式采用OFDM技術,傳輸速率較高且實現方便、成本低廉,已經成為首先推廣應用的商業化標準。 本文主要對IEEE802.16d OFDM系統物理層進行研究,并在XILINX公司的Virtexpro II芯片上實現了基帶算法。 首先討論了OFDM基本原理及其關鍵技術。根據IEEE802.16d OFDM系統的物理層發送端流程搭建了基帶仿真鏈路,利用MATLAB/SIMULINK仿真了OFDM系統在有無循環前綴(CP)、多徑數目不同等情況下的性能變化。由于同步算法和信道估計算法計算量都很大,為了找到適合采用FPGA實現的算法,分析了同步誤差和不同信道估計算法對接收信號的影響,并結合計算量的大小提出了一種新的聯合同步算法,以及得出了LS信道估計算法最適合802.16d系統的結論。 其次,完成了基帶發射機和接收機的FPGA硬件電路實現。為了使系統的時鐘頻率更高,采用了流水線的結構。設計中采用編寫Verilog程序和使用IP核相結合的辦法,實現了新的聯合同步算法,并且通過簡化結構,避免了信道估計算法中的繁瑣除法。利用ISE9. 2i和Modelsim6.Oc軟件平臺對程序進行設計、綜合和仿真,并將仿真結果和MATLAB軟件計算結果相對比。結果表明,采用16位數據總線可達到理想的精度。 最后,采用串口通信的方式對基帶系統進行了驗證。通過串口通信從功能上表明該系統確實可行。 關鍵詞:IEEE802. 16d; OFDM; 同步;信道估計;基帶系統
上傳時間: 2013-07-31
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隨著列車自動化控制和現場總線技術的發展,基于分布式控制系統的列車通信網絡技術TCN(IEC-61375)在現代高速列車上得到廣泛應用。TCN協議將列車通信網絡分為絞線式列車總線WTB和多功能車輛總線MVB,其中WTB實現對開式列車中的互聯車輛間的數據傳輸和通信,MVB實現車載設備的協同工作和互相交換信息。 本文介紹了國內外列車通信網絡的發展情況和各自優勢,分析了MVB一類設備底層協議。研究利用FPGA實現MVB控制芯片MVBC,用ARM作為微處理器實現MVB一類設備的嵌入式解決方案。其中,在FPGA芯片中主要采用自頂向下的設計方法,RLT硬件描述語言實現MVB控制芯片MVBC一類設備的主要功能,包括幀編碼器、幀解碼器和邏輯接口單元。ARM主要完成了軟件程序的編寫和實時操作系統的移植。在eCos實時操作系統上,完成了驅動和上層應用程序,包括端口初始化、端口配置、幀收發指令和報文分析。 為了驗證設計的正確性,在設計的硬件平臺基礎上,搭建了MVB通信網絡的最小系統,對網絡進行系統功能測試。測試結果表明:設計方案正確,達到了設計的預期要求。
上傳時間: 2013-08-03
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現代的計算機追求的是更快的速度、更高的數據完整性和靈活性。無論從物理性能,還是從電氣性能來看,現今的并行總線都已出現了某些局限,無法提供更高的數據傳輸率。而SATA以其傳輸速率快、支持熱插拔、可靠的數據傳輸等特點,得到各行業越來越多的支持。 目前市場上的SATA IP CORE都是面向IC設計的,不利于在FPGA上集成,因此,本文在Xilinx公司的Virtex5系列FPGA上實現SATAⅡ協議,對SATA技術的推廣、國內邏輯IP核的發展都有一定的意義。 本文將SATAⅡ協議的FPGA實現劃分成物理層、鏈路層、傳輸層和應用層四個模塊。提出了物理層串行收/發器設計以及物理鏈路初始化方案。分析了鏈路層模塊結構,給出了作為SATAⅡ鏈路層核心的狀態機的設計。為滿足SATAⅡ協議3.0Gbps的速率,采用擴大數據處理位寬的方法,設計完成了鏈路層的16b/20b編碼模塊,同時為提高數據傳輸可靠性和信號的穩定性,分別實現了鏈路層CRC校驗模塊和并行擾碼模塊。在描述協議傳輸層的模塊結構的基礎上,給出了作為傳輸層核心的狀態機的設計,并以DMA DATA OUT命令的操作為例介紹了FIS在傳輸層中的處理過程。完成了命令層協議狀態機的設計,并實現了SATAⅡ新增功能NCQ技術,從而使得數據傳輸更加有效。最后為使本設計應用更加廣泛,設計了基于AHB總線的用戶接口。 本設計采用Verilog HDL語言對需要實現的電路進行描述,并使用Modelsim軟件仿真。仿真結果表明,本文設計的邏輯電路可靠穩定,與SATAⅡ協議定義功能一致。
上傳時間: 2013-06-16
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現場可編程門陣列(FPGA,Field Programmable Gate Array)是可編程邏輯器件的一種,它的出現是隨著微電子技術的發展,設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商來獨立承擔。系統設計師們更愿意自己設計專用集成電路(ASIC,Application Specific Integrated Circuit).芯片,而且希望ASIC的設計周期盡可能短,最好是在實驗室里就能設計出合適的ASIC芯片,并且立即投入實際應用之中?,F在,FPGA已廣泛地運用于通信領域、消費類電子和車用電子。 本文中涉及的I/O端口模塊是FPGA中最主要的幾個大模塊之一,它的主要作用是提供封裝引腳到CLB之間的接口,將外部信號引入FPGA內部進行邏輯功能的實現并把結果輸出給外部電路,并且根據需要可以進行配置來支持多種不同的接口標準。FPGA允許使用者通過不同編程來配置實現各種邏輯功能,在IO端口中它可以通過選擇配置方式來兼容不同信號標準的I/O緩沖器電路。總體而言,可選的I/O資源的特性包括:IO標準的選擇、輸出驅動能力的編程控制、擺率選擇、輸入延遲和維持時間控制等。 本文是關于FPGA中多標準兼容可編程輸入輸出電路(Input/Output Block)的設計和實現,該課題是成都華微電子系統有限公司FPGA大項目中的一子項,目的為在更新的工藝水平上設計出能夠兼容單端標準的I/O電路模塊;同時針對以前設計的I/O模塊不支持雙端標準的缺點,要求新的電路模塊中擴展出雙端標準的部分。文中以低壓雙端差分標準(LVDS)為代表構建雙端標準收發轉換電路,與單端標準比較,LVDS具有很多優點: (1)LVDS傳輸的信號擺幅小,從而功耗低,一般差分線上電流不超過4mA,負載阻抗為100Ω。這一特征使它適合做并行數據傳輸。 (2)LVDS信號擺幅小,從而使得該結構可以在2.5V的低電壓下工作。 (3)LVDS輸入單端信號電壓可以從0V到2.4V變化,單端信號擺幅為400mV,這樣允許輸入共模電壓從0.2V到2.2V范圍內變化,也就是說LVDS允許收發兩端地電勢有±1V的落差。 本文采用0.18μm1.8V/3.3V混合工藝,輔助Xilinx公司FPGA開發軟件ISE,設計完成了可以用于Virtex系列各低端型號FPGA的IOB結構,它有靈活的可配置性和出色的適應能力,能支持大量的I/O標準,其中包括單端標準,也包括雙端標準如LVDS等。它具有適應性的優點、可選的特性和考慮到被文件描述的硬件結構特征,這些特點可以改進和簡化系統級的設計,為最終的產品設計和生產打下基礎。設計中對包括20種IO標準在內的各電器參數按照用戶手冊描述進行仿真驗證,性能參數已達到預期標準。
上傳時間: 2013-05-15
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自20世紀80年代以來,正交頻分復用技術不但在廣播式數字音頻和視頻領域得到廣泛的應用,而且已經成為無線局域網標準(例如IEEE802.11a和HiperLAN/2等)的一部分。OFDM由于其頻譜利用率高,成本低等原因越來越受到人們的關注。隨著人們對通信數據化、寬帶化、個人化和移動化需求的增強,OFDM技術在綜合無線接入領域將會獲得越來越廣泛的應用。人們開始集中越來越多的精力開發OFDM技術在移動通信領域的應用,本文也是基于無線通信平臺上的OFDM技術的運用。 本文的所有內容都是建立在空地數據無線通信系統下行鏈路FPGA實現基礎上的。本文作者的主要工作集中在鏈路接收端的FPGA實現和調試上。主要包括幀同步(時間同步)算法的研究與設計、OFDM頻率同步算法的研究與設計以及同步模塊、OFDM解調模塊、QAM解調模塊的FPGA實現。最終實現高速數字圖像傳輸系統下行鏈路在無線環境中連通。 對于無線移動通信系統而言,多普勒頻移、收發設備的本地載頻偏差均可能破壞OFDM系統子載波之間的正交性,從而導致ICI,影響系統性能。另外,由于OFDM系統大多采用IFFT/FFT實現調制解調,因此在接收方確定FFT的起點對數據的正確解調也至關重要。同步技術即是針對系統中存在的定時偏差、頻率偏差進行定時、頻偏的估計與補償,來減少各種同步偏差對系統性能的影響。在OFDM實現的關鍵技術中,同步技術是十分重要的一部分。本文花費了三個章節闡述了同步技術的原理、算法和實現方法。 目前OFDM系統的載波同步方案,可以歸納為三大類:輔助數據類,盲估計類和基于循環前綴的半盲估計類。本文首先分析了各種載波同步方案的優缺點,并舉例說明了各個載波同步方式的實現方法。然后具體闡述了本文在FPGA平臺上實現的OFDM接收端同步的同步方式,包括其具體算法和FPGA實現結構。本文所采用的幀同步和頻率同步方案都是采用輔助數據類的,在闡述其具體算法的同時對算法在不同參數和不同形式下的性能做出了仿真對比分析。 OFDM的解調采用FFT算法,在FPGA上的實現是十分方便的。本文主要闡述其實現結構,重點放在提取有效數據部分有效數據位置的推導過程。最后介紹了本文實現QAM軟解調的解調方法。 本文闡述算法采用先提出原理,然后給出具體公式,再根據公式中的系數和變量分析算法性能的方式。在闡述實現方式時首先給出實現框圖,然后對框圖中比較重要或者復雜的部分進行詳細闡述。在介紹完每個模塊實現方式之后給出了仿真或者上板結果,最后再給出整體測試結果。
上傳時間: 2013-06-26
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并行總線PATA從設計至今已快20年歷史,如今它的缺陷已經嚴重阻礙了系統性能的進一步提高,已被串行ATA(Serial ATA)即SATA總線所取代。SATA作為新一代磁盤接口總線,采用點對點方式進行數據傳輸,內置數據/命令校驗單元,支持熱插拔,具有150MB/s(SATA1.0)或300MB/s(SATA2.0)的傳輸速度。目前SATA已在存儲領域廣泛應用,但國內尚無獨立研發的面向FPGA的SATAIP CORE,在這樣的條件下設計面向FPGA應用的SATA IP CORE具有重要的意義。 本論文對協議進行了詳細的分析,建立了SATA IP CORE的層次結構,將設備端SATA IP CORE劃分成應用層、傳輸層、鏈路層和物理層;介紹了實現該IPCORE所選擇的開發工具、開發語言和所選用的芯片;在此基礎上著重闡述協議IP CORE的設計,并對各個部分的設計予以分別闡述,并編碼實現;最后進行綜合和測試。 采用FPGA集成硬核RocketIo MGT(RocketIo Multi-Gigabit Transceiver)實現了1.5Gbps的串行傳輸鏈路;設計滿足協議需求、適合FPGA設計的并行結構,實現了多狀態機的協同工作:在高速設計中,使用了流水線方法進行并行設計,以提高速度,考慮到系統不同部分復雜度的不同,設計采用部分流水線結構;采用在線邏輯分析儀Chipscope pro與SATA總線分析儀進行片上調試與測試,使得調試工作方便快捷、測試數據準確;嚴格按照SATA1.0a協議實現了SATA設備端IP CORE的設計。 最終測試數據表明,本論文設計的基于FPGA的SATA IP CORE滿足協議需求。設計中的SATA IP CORE具有使用方便、集成度高、成本低等優點,在固態電子硬盤SSD(Solid-State Disk)開發中應用本設計,將使開發變得方便快捷,更能夠適應市場需求。
上傳時間: 2013-06-21
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隨著現代DSP、FPGA等數字芯片的信號處理能力不斷提高,基于軟件無線電技術的現代通信與信息處理系統也得到了更為廣泛的應用。軟件無線電的基本思想是以一個通用、標準、模塊化的硬件系統作為其應用平臺,把盡可能多的無線及個人通信和信號處理的功能用軟件來實現,從而將無線通信新系統、新產品的開發逐步轉移到軟件上來。另一方面,現代信號處理系統對數據的處理速度、處理精度和動態范圍的要求也越來越高,需要每秒完成幾千萬到幾百億次運算。因此研制具備高速實時信號處理能力的通用硬件平臺越來越受到業界的重視。 @@ 目前的高速實時信號處理系統一般均采用DSP+FPGA的架構,其中DSP主要負責完成系統通信和基帶信號處理算法,而FPGA主要完成信號預處理等前端算法,并提供系統常用的各種外部接口邏輯。本文的主要工作就在于完成通用型高速實時信號處理系統的FPGA軟件設計。 @@ 本文提出了一種基于多DSP與FPGA的通用高速實時信號處理系統的架構。綜合考慮各方面因素,作者選擇使用兩片ADSP-TS201浮點DSP以混合耦合模型構成系統信號處理核心;以Xilinx公司最新的高性能FPGA Virtex-5系列的XC5VLX50T提供系統所需的各種接口,包括與ADSP-TS201的高速Linkport接口以及SPI、UART、SPORT等常用外設接口。此外,作者還選擇了ADSP-BF533定點DSP加入系統當中以擴展系統音視頻信號處理能力,體現系統的通用性。 @@ 基于FPGA的嵌入式系統設計正逐漸成為現代FPGA應用的一個熱點。結合課題需要,作者以Xilinx公司的MicroBlze軟核處理器為核心在Virtex-5片內設計了一個嵌入式系統,完成了對CF卡、DDR2 SDRAM存儲器的讀寫控制,并利用片內集成的三態以太網MAC硬核模塊,實現了系統與上位PC機之間的以太網通信鏈路。此外,為擴展系統功能,適應未來可能的軟件升級,進一步提高系統的通用性,還將嵌入式實時操作系統μC/OS-II移植到MicroBlaze處理器上。 @@ 最后,作者介紹了基于Xilinx RocketIO GTP收發器的高速串行傳輸設計的關鍵技術和基本的設計方法,充分體現了目前高速實時信號處理系統的發展要求和趨勢。 @@關鍵詞:高速實時信號處理;FPGA;Virtex-5;嵌入式系統;MicroBlaze
上傳時間: 2013-05-17
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虛擬儀器技術是以傳感器、信號測量與處理、微型計算機等技術為基礎而形成的一門綜合應用技術。目前虛擬儀器大部分是基于PC機,利用PCI等總線技術傳輸數據,數據卡插拔不便,便攜性差。隨著嵌入式技術的飛速發展,嵌入式系統平臺已經應用到各個領域,而市場上的嵌入式虛擬儀器系統還相當少,各種研究工作才剛剛起步,各種高性能的虛擬儀器和處理系統在現代工業控制和科學研究中已成為必不可少的部分。因此在我國開發具有較高性能、接口靈活、功能多樣化、低成本的虛擬儀器裝置勢在必行。 針對目前虛擬儀器系統發展趨勢和特點,采用FPGA技術,進行一種支持多種平臺的高速虛擬儀器系統的設計與研究,并針對高速虛擬儀器系統中的一些技術難點提出解決方案。首先進行了系統的總體設計,確定了采用FPGA作為系統的控制核心,并選取了Labview作為PC平臺應用程序開發工具,利用USB2.0接口來進行數據傳輸;同時選取嵌入式處理器S3C2410以及WinCE作為嵌入式系統硬軟件平臺。隨后進行了各個具體模塊的設計,在硬件方面,分別設計了前端處理電路,ADC電路以及USB接口電路。在軟件方面,進行了FPGA控制程序的設計工作,實現了對各個模塊和接口電路的控制功能。在上層應用程序的設計方面,設計了Labview應用程序,實現了波形顯示和頻譜分析等儀器功能,人機界面良好。在嵌入式平臺上面,進行了WinCE下GPIO驅動程序設計,并在上層應用程序中調用驅動來進行數據的讀取。為了解決高速ADC與數據緩存器的速度不匹配的問題,提出利用多體交叉式存儲器結構的設計方案,并在FPGA內對控制程序進行了設計,對其時序進行了仿真。 最后對系統進行了聯合調試工作,利用上層軟件對輸入波形進行采集。根據調試結果看,該系統對輸入信號進行了較好的采樣和存儲,還原了波形,達到了預期效果。課題研究并且對設計出一種支持多平臺的新型虛擬儀器系統,具有性能好、使用靈活,節省成本等特點,具有較高的研究價值和現實意義。
上傳時間: 2013-04-24
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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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隨著人們對于高速無線數據業務的急切需求以及新的無線通信技術的發展,頻譜資源匱乏問題日益嚴重。無線頻譜的緊缺已經成為限制無線通信與服務應用持續發展的瓶頸。認知無線電技術(Cognitive Radio)改變了傳統的固定頻譜分配方式,它以頻譜利用的高效性為目標,允許非授權用戶擇機利用授權用戶的頻譜空洞傳輸數據,以此來解決無線頻譜資源短缺的問題。它是具有自主尋找和使用空閑頻譜資源能力的智能無線電技術。本文的目標是在基于FPGA+DSP的系統硬件平臺上,以軟件編程的方式實現認知無線電數據傳輸的功能。 軟件無線電是實現認知無線電的理想平臺。本文首先闡述了軟件無線電的基本工作原理及關鍵技術途徑,對多速率信號處理中的內插和抽取、帶通采樣、數字下變頻、濾波等技術進行了分析與探討,為設計多速率調制解調系統提供了理論基礎。然后針對軟件無線電的要求給出了基于FPFA+DSP的系統設計硬件框圖,并對其中的部分硬件(FPGA、AD9857、AD9235)做了簡要的描述并給出其初始化過程。在理解基本概念和原理的基礎上,詳細論述了在系統硬件設計平臺上實現的π/4-DQPSK、8PSK、16QAM調制解調技術。本文給出了調制解調系統實現方案中的各個功能模塊(差分編、解碼,加同步頭、內插和成形濾波,下變頻,系統同步等)具體的設計方案和通過硬件編程實現了板級的仿真和最后的硬件實現,并對其中得到的數據進行分析,進一步驗證方案的可行性。最后介紹了通信板同頻譜感知板協同工作原理,依據頻譜感知板獲取的各個信道狀況自適應的選擇π/4-DQPSK、8PSK、16QAM調制解調方式并在FPGA上實現了其中部分功能。
上傳時間: 2013-05-30
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