目前的國內的CCD高清攝相頭能夠輸出一組視頻信號和數字圖像信號，雖然視頻信號能夠直接在監視器顯示，但是輸出的數字圖像信號占用存儲空間太大，不便于進行傳輸。本文設計了一種基于FPGA的數字圖像壓縮卡。 在過去的十幾年中，國際標準化組織制訂了一系列的國際視頻編碼標準并廣泛應用到各種領域。It.264/AVC是ITU-T和ISO聯合推出的新標準，采用了近幾年視頻編碼方面的先進技術，以較高編碼效率和網絡友好性成為新一代國際視頻編碼標準。 新發展的H．264/AVC比原有的視頻編碼標準大幅度提高了編碼效率，但其運算復雜度也大大增加，本文簡要分析了H．264/AVC的復雜度及其優化的途徑，給出了主要模塊的優化算法實驗結果。 H．264/AVC仍基于以前視頻編碼標準的運動補償混合編碼方案，主要不同有：增強的運動預測能力，準確匹配的較小塊變換，自適應環內濾波器，增強的熵編碼。測試結果表明這些新特征使H．264/AVC編碼器提高50％編碼效率的同時，增加了一個數量級的復雜度。實際中恰當地使用H．264/AVC編碼工具可以較低的實現復雜度得到與復雜配置相當的編碼效率。故實際編碼系統開發需要在運算復雜性和編碼效率之間進行折衷、兼顧考慮。H．264/AVC引入的新編碼特征既增加基本模塊的復雜度，也成倍增加算法的復雜度。針對它們的作用和實現方法的不同，可采用不同的硬件實現方法。本文基于上述思路進行優化，具體的工作包括：針對去塊濾波的復雜性，本文提出一種適合硬件實現的算法，使其在節省了資源的同時，很好的達到了標準所定義的性能。針對變換量化的復雜性，本文提出一種既滿足整體的硬件流水結構，又極大的降低了硬件資源的實現方法。針對碼率控制的實現，本文提出了一種有別于傳統實現方式的算法，在保證實時性的同時，極大的提高了編碼器的性能。本文基于上述算法還進行Baseline Profile編碼器的研究，給出了一種實時編碼器結構，實現了對高清圖像格式(720P)的實時編碼，并將其和當前業界先進水平進行了對比，表明本文所實現得結構能夠達到當前業界的先進水平。
上傳時間： 2013-07-23
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FPGA是一種可通過用戶編程來實現各種數字電路的集成電路器件。用FPGA設計數字系統有設計靈活、低成本，低風險、面市時間短等好處。本課題在結合國際上FPGA器件方面的各種研究成果基礎上，對FPGA器件結構進行了深入的探討，重點對FPGA的互連結構進行了分析與優化。FPGA器件速度和面積上相對于ASIC電路的不足很大程度上是由可編程布線結構造成的，FPGA一般用大量的可編程傳輸管開關和通用互連線段實現門器件的連接，而全定制電路中僅用簡單的金屬線實現，傳輸管開關帶來很大的電阻和電容參數，因而速度要慢于后者。這也說明，通過優化可編程連接方式和布線結構，可大大改善電路的性能。本文研究了基于SRAM編程技術的FPGA器件中邏輯模塊、互連資源等對FPGA性能和面積的影響。論文中在介紹FPGA器件的體系構架后，首先對開關矩陣進行了研究，結合Wilton開關矩陣和Disioint開關矩陣的特點，得到一個連接更加靈活的開關矩陣，提高了FPGA器件的可布線性，接著本課題中又對通用互連線長度、通用互連線間的連接方式和布線通道的寬度等進行了探討，并針對本課題中的FPGA器件，得出了一套適合于中小規模邏輯器件的通用互連資源結構，仿真顯示新的互連方案有較好的速度和面積性能，在互連資源的面積和性能上達到一個很好的折中。 接下來課題中對FPGA電路的可編程邏輯資源進行了研究，得到了一種邏輯規模適中的粗粒度邏輯塊簇，該邏輯塊簇采用類似Xilinx 公司的FPGA產品的LUT加觸發器結構，使邏輯塊簇內部基本邏輯單元的聯系更加緊密，提高了邏輯資源的功能和利用率。隨后我們還研究了IO模塊數目的確定和分布式SRAM結構中編程電路結構的設計，并簡單介紹了SRAM單元的晶體管級設計原理。最后，在對FPGA構架研究基礎上，完成了一款FPGA電路的設計并設計了相應的電路測試方案，該課題結合CETC58研究所的一個重要項目進行，目前已成功通過CSMC0.6μm 2P2M工藝成功流片，測試結果顯示其完全達到了預期的性能。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著信號處理技術的進步和電子技術的發展，雷達信號偵察接收機逐漸從模擬體制向數字體制轉變。軟件無線電概念的提出，促使雷達偵察接收機朝大帶寬、全截獲方向發展，現有的串行信號處理體制已經很難滿足系統要求。FPGA器件的出現，為實現寬帶雷達信號偵察數字接收機提供了硬件支持。 本文結合FPGA芯片特點，在前人研究基礎上，從算法和硬件實現兩方面，對雷達信號偵察數字接收機若干關鍵技術進行了研究和創新，主要研究內容包括以下幾個方面。 1)給出了基于QuartusII/Matlab和ISE/ModelSim/Matlab的兩種FPGA設計聯合仿真技術。這種聯合仿真技術，大大提高了基于FPGA的雷達信號偵察數字接收機的設計效率。 2)給出了一種基于FFT/IFFT的寬帶數字正交變換算法，并將該算法在FPGA中進行了硬件實現，設計可對600MHz帶寬內的輸入信號進行實時正交變換。 3)提出了一種全并行結構FFT的FPGA實現方案，并將其在FPGA芯片中進行了硬件實現，設計能夠在一個時鐘周期內完成32點并行FFT運算，滿足了數字信道化接收機對數據處理速度的要求。 4)提出了一種自相關信號檢測FPGA實現方案，通過改變FIFO長度改變自相關運算點數，實現了弱信號檢測。提出通過二次門限處理來消除檢測脈沖中的毛刺和凹陷，降低了虛警概率，提高了檢測結果的可靠性。 5)在單通道自相關信號檢測算法基礎上，提出采用三路并行檢測，每路采用不同的相關點數和檢測門限，再綜合考慮三路檢測結果，得到最終檢測結果。給出了算法FPGA實現過程，并對設計進行了聯合時序仿真，提高了檢測性能。 6)給出了一種利用FFT變換后的兩根最大譜線進行插值的快速高精度頻率估計方法，并將該算法在FPGA硬件中進行了實現。通過利用FFT運算后的實/虛部最大值進行插值，降低了硬件資源消耗、縮短了運算延遲。 7)結合4)、5)、6)中的研究成果，完成了對雷達脈沖信號到達時間、終止時間、脈沖寬度和脈沖頻率的估計，最終在一塊FPGA芯片內實現了一個精簡的雷達信號偵察數字接收機，并在微波暗室中進行了測試。
上傳時間： 2013-06-13
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隨著系統芯片(SoC)設計復雜度不斷增加，使得縮短面市時間的壓力越來越大。雖然IP核復用大大減少了SoC的設計時間，但是SoC的驗證仍然非常復雜耗時。SoC和ASIC的最大不同之處在于它的規模和復雜的系統性，除了大量硬件模塊之外，SoC還需要大量的同件和軟件，如操作系統，驅動程序以及應用程序等。面對SoC數目眾多的硬件模塊，復雜的嵌入式軟件，由于軟件仿真速度和仿真模犁的局限性，驗證往往難以達到令人滿意的要求，耗費了大最的時間，將給系統芯片的上市帶來嚴重的影響。為了減少此類情況的發生，在流樣片之前，進行基于FPGA的系統原型驗證，即在FPGA上快速地實現SoC設計中的硬件模塊，讓軟件模塊在真正的硬件環境中高速運行，從而實現SoC設計的軟硬件協同驗證。這種方法已經成為SoC設計流程前期階段常用的驗證方法。 在簡要分析幾種業內常用的驗證技術的基礎上，本文重點闡述了基于FPGA的SoC驗證流程與技術。結合Mojox數碼相機系統芯片(以下簡稱為Mojox SoC)的FPGA原型驗證平臺的設計，介紹了Mojox FPGA原型驗證平臺的硬件設計過程和Mojox SoC的FPGA原型實現，并采用基于模塊的FPGA設計實現方法，加快了原型驗證的工作進程。 本文還介紹了Mojox SoC中ARM固件和PC應用軟件等原型軟件的設計實現以及原型驗證平臺的軟硬協同驗證的過程。通過軟硬協同驗證，本文實現了PC機對整個驗證平臺的摔制，達到了良好的驗證效果，且滿足了預期的設計要求。
上傳時間： 2013-07-02
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近年來，計算機圖形學應用越來越廣泛，尤其是三維(3D)繪圖。3D繪圖使用3D模型和各種影像處理產生具有三維空間真實感的影像，應用于虛擬真實情況以及多媒體的產品上，且多半是使用低成本的實時3D計算機繪圖技術為基礎。在初期3D圖形學剛起步時，由于圖形簡單，因此可以利用CPU來運算，但隨著圖形學技術的發展，所要繪制的圖形越來越復雜，這時如果單純依賴CPU來處理，不能達到實時的要求，因此需要專門的硬件來加速圖形處理，GPU(圖形處理單元)因此出現了。不過由于3D圖形加速硬件的復雜性和短壽命，這極大地提高了對硬件開發環境的需要。為了更好的對設計進行更改和測試，不能僅僅用專門定制的方法來設計，需要其他的方：硬件描述語言(HDL)和FPGA。 隨著計算機繪圖規模的需要，借助輔助硬件資源，來提高圖形處理單元(GPU)處理速度的需求越來越普遍。自從15年前現場可編程門陣列(FPGA)開始出現以來，其在可編程硬件領域所起的作用越來越大。它們在速度、體積和速度方面都有了很大的提高。這意味著FPGA在以前只能使用專用硬件的場合越來越重要。其中一個應用領域就是3D圖形渲染，在這個研究領域里人們正在利用具有可編程性能的FPGA來幫助改進圖形處理單元(GPU)的性能。 能夠在廉價、可動態重新配置的FPGA上實現復雜算法來輔助硬件設計。本文的設計就是通過在FPGA上實現3維圖形幾何處理管線部分功能來提高圖形處理速度。具體實現中使用硬件描述語言(Verilog HDL)進行邏輯設計，并發現問題解決問題。 本文主要特色如下： 1.針對幾何變換換子系統，提出一種硬件實現方案，該方案能對基本的幾何變換如：平移、縮放、旋轉和投影進行操作。首先構造出總體變換矩陣，隨后進行矩陣乘法運算，再進行投影變換，最后輸出變換座標。提出一種脈動陣列結構，用于兩個矩陣的乘法運算。找到一種快捷的方法來實現矩陣相乘，將能大大提高系統的效率。 2.對于3D圖形裁剪，文中描述了一種裁剪引擎，它能夠處理3D圖形中的裁剪、透視除法以及視口映射的功能。硬件實現的難度取決于裁剪算法的復雜程度。我們在Sutherland-Hodgman裁剪算法的基礎上提出一種新的裁剪算法，該算法通過去除冗余頂點以提高處理速度，同時利用編碼來判斷線段可見性的方法使得硬件實現變得很容易。 3.最后，我們在FPGA上實現了幾何變換以及三維裁剪，并與C語言的模擬結果對比發現結果正確，且三維裁剪能夠以3M個三角形/s的速度運行，滿足了圖形流水中的實時性要求。
上傳時間： 2013-04-24
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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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人體血液成份的無創檢測是生物醫學領域尚未攻克的前沿課題之一，動態光譜法在理論上克服了其它檢測方法難以逾越的障礙——個體差異和測量條件對檢測結果的影響。實現動態光譜檢測，其關鍵在于采集多波長的光電容積脈搏波信號，并對其進行處理。針對動態光譜檢測中信號微弱、信噪比低、處理數據量大的特點，本文設計了基于FPGA和面陣CCD攝像頭的動態光譜數據采集與預處理系統，提高檢測精度，采集出滿足動態光譜信號提取要求的光電脈搏波；并對動態光譜頻域提取法的核心算法FFT的FPGA實現進行研究。 課題提出用高靈敏度的面陣CCD攝像頭替代常規光柵光譜儀中的光電接收器，實現對多波長的光電容積脈搏波的檢測。結合面陣CCD的二維圖像特點，采用信號累加法去除噪聲，提高信號的信噪比。 創新性的提出一種不同于以往的信號累加方法——將處于同一行的視頻信號在采樣過程中直接累加，然后再進行傳輸和存儲。不同于幀累加和異行累加，這種同行累加方式不但大大的提高了信號的信噪比，同時減小了數據的傳輸速度和傳輸量，降低了對存儲器容量的要求，改善了動態光譜信號檢測系統的性能。 針對面陣CCD攝像頭輸出的復合視頻信號的特點，設計視頻信號解調電路，得到高速、高精度的數字視頻信號和準確的視頻同步信號，用于后續的視頻信號采集與處理。 根據動態光譜信號檢測和視頻信號采集的要求，選擇可編程邏輯器件FPGA作為硬件平臺，設計并實現了基于FPGA和面陣CCD攝像頭的光電脈搏波采集與預處理系統。該系統實現了視頻信號的精確定位，通過光譜信號的高速同行累加，實現了光電脈搏波信號的高精度檢測。系統采用基于FPGA的Nios II嵌入式處理器系統，通過對其應用程序的開發，可靠的實現了數據的采集、傳輸和存儲，提高了系統的集成度，降低了開發成本。 為實現動態光譜信號的頻域提取，研究了基于FPGA的FFT實現方案，對各關鍵模塊進行設計，為動態光譜信號的進一步處理打下良好的基礎。 最后，通過實驗證明了系統數據采集的正確性和信號預處理的可行性，得到了符合動態光譜信號提取要求的脈搏波信號。
上傳時間： 2013-04-24
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采用現場可編程門陣列(FPGA)可以快速實現數字電路，但是用于生成FPGA編程的比特流文件的CAD工具在編制大規模電路時常常需要數小時的時間，以至于許多設計者甚至通過在給定FPGA上采用更多的資源，或者以犧牲電路速度為代價來提高編制速度。電路編制過程中大部分時間花費在布線階段，因此有效的布線算法能極大地減少布線時間。 許多布線算法已經被開發并獲得應用，其中布爾可滿足性(SAT)布線算法及幾何查找布線算法是當前最為流行的兩種。然而它們各有缺點：基于SAT的布線算法在可擴展性上有很大缺陷；幾何查找布線算法雖然具有廣泛的拆線重布線能力，但當實際問題具有嚴格的布線約束條件時，它在布線方案的收斂方面存在很大困難?；诖耍疚闹铝τ谔剿饕环N能有效解決以上問題的新型算法，具體研究工作和結果可歸納如下。 1、在全面調查FPGA結構的最新研究動態的基礎上，確定了一種FPGA布線結構模型，即一個基于SRAM的對稱陣列(島狀)FPGA結構作為研究對象，該模型僅需3個適合的參數即能表示布線結構。為使所有布線算法可在相同平臺上運行，選擇了美國北卡羅來納州微電子中心的20個大規模電路作為基準，并在布線前采用VPR399對每個電路都生成30個布局，從而使所有的布線算法都能夠直接在這些預制電路上運行。 2、詳細研究了四種幾何查找布線算法，即一種基本迷宮布線算法Lee，一種基于協商的性能驅動的布線算法PathFinder，一種快速的時延驅動的布線算法VPR430和一種協商A
上傳時間： 2013-05-18
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供電網絡中發生短路時,很大的短路電流會使電器設備過熱或受電動力作用而遭到損壞,同時使網絡內的電壓大大降低,因而破壞了網絡內用電設備的正常工作。為了消除或減輕短路的后果,就需要計算短路電流,以正確地選擇電器設備、設計繼電保護和選用限制短路電流的元件。
上傳時間： 2013-05-29
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信號與信息處理是信息科學中近幾年來發展最為迅速的學科之一,隨著片上系統(SOC,System On Chip)時代的到來,FPGA正處于革命性數字信號處理的前沿?；贔PGA的設計可以在系統可再編程及在系統調試,具有吞吐量高,能夠更好地防止授權復制、元器件和開發成本進一步降低、開發時間也大大縮短等優點。然而,FPGA器件是基于SRAM結構的編程工藝,掉電后編程信息立即丟失,每次加電時,配置數據都必須重新下載,并且器件支持多種配置方式,所以研究FPGA器件的配置方案在FPGA系統設計中具有極其重要的價值,這也給用于可編程邏輯器件編程的配置接口電路和實驗開發設備提出了更高的要求。 本論文基于IEEE1149.1標準和USB2.0技術,完成了FPGA配置接口電路及實驗開發板的設計與實現。作者在充分理解IEEE1149.1標準和USB技術原理的基礎上,針對Altcra公司專用的USB數據配置電纜USB-Blaster,對其內部工作原理及工作時序進行測試與詳細分析,完成了基于USB配置接口的FPGA芯片開發實驗電路的完整軟硬件設計及功能時序仿真。作者最后進行了軟硬件調試,完成測試與驗證,實現了對Altera系列PLD的配置功能及實驗開發板的功能。 本文討論的USB下載接口電路被驗證能在Altera的QuartusII開發環境下直接使用,無須在主機端另行設計通信軟件,其兼容性較現有設計有所提高。由于PLD(Programmable Logic Device)廠商對其知識產權嚴格保密,使得基于USB接口的配置電路應用受到很大限制,同時也加大了自行對其進行開發設計的難度。 與傳統的基于PC并口的下載接口電路相比,本設計的基于USB下載接口電路及FPGA實驗開發板具有更高的編程下載速率、支持熱插拔、體積小、便于攜帶、降低對PC硬件傷害,且具備其它下載接口電路不具備的SignalTapII嵌入式邏輯分析儀和調試NiosII嵌入式軟核處理器等明顯優勢。從成本來看,本設計的USB配置接口電路及FPGA實驗開發板與其同類產品相比有較強的競爭力。
上傳時間： 2013-06-07
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