隨著電子工業應用領域需求的增長，要實現復雜程度較高的數字電子系統，對數據處理能力提出越來越高的要求。定點運算已經很難滿足高性能數字系統的需要，而浮點數相對于定點數，具有表述范圍寬，有效精度高等優點，在航空航天、遙感、機器人技術以及涉及指數運算和信號處理等領域有著廣泛的應用。對浮點運算的要求主要體現在兩個方面：一是速度，即如何快速有效的完成浮點運算；二是精度，即浮點運算能夠提供多少位的有效數字。 計算機性價比的提高以及可編程邏輯器件的出現，對傳統的數字電子系統設計方法進行了變革。FPGA(Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列)讓設計師通過設計芯片來實現電子系統的功能，將傳統的固件選用及電路板設計工作放在芯片設計中進行。FPGA可以完成極其復雜的時序與組合邏輯電路功能，適用于高速、高密度，如運算器、數字濾波器、二維卷積器等具有復雜算法的邏輯單元和信號處理單元的邏輯設計領域。 鑒于FPGA技術的特點和浮點運算的廣泛應用，本文基于FPGA將浮點運算結合實際應用設計一個觸摸式浮點計算器，主要目的是通過VHDL語言編程來實現浮點數的加減、乘除和開方等基本運算功能。 (1)給出系統的整體框架設計和各模塊的實現，包括芯片的選擇、各模塊之間的時序以及控制、每個運算模塊詳細的工作原理和算法設計流程； (2)通過VHDL語言編程來實現浮點數的加減、乘除和開方等基本運算功能； (3)在Xilinx ISE環境下，對系統的主要模塊進行開發設計及功能仿真，驗證了基于FPGA的浮點運算。
上傳時間： 2013-04-24
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擴頻通信技術因為具有較強的抗干擾、抗噪聲、抗多徑衰落能力、較好的保密性、較強的多址能力和高精度測量等優點，在軍事抗干擾和個人通信業務中得到了很大的發展。尤其是基于擴頻理論的CDMA通信技術成為國際電聯規定的第三代移動通信系統的主要標準化建議后，標志著擴頻通信技術在民用通信領域的應用進入了新階段。 近年來，隨著微電子技術和電子設計自動化(EDA)技術的迅速發展，以FPGA和CPLD為代表的可編程邏輯器件憑借其設計方便靈活等特點廣泛應用于數字信號處理領域。 本論文正是采用基于FPGA硬件平臺來實現了一個直接序列擴頻通信基帶系統，該系統的實現涉及擴頻通信和有關FPGA的相關知識，以及實現這些模塊的VHDL硬件描述語言和QuartusⅡ開發平臺，目標是實現一個集成度高、靈活性強、并具有較強的數據處理能力的擴頻通信基帶系統。 本論文中首先對擴頻通信的基礎理論做了探討，著重對直序擴頻的理論進行了分析；其次根據理論分析，設計了全數字直接序列擴頻基帶系統的結構，完成了擴頻序列的產生、信息碼的輸入和擴頻。重點完成了對基帶擴頻信號的相關解擴和幾種同步捕獲電路的設計，將多種專用芯片的功能集成在一片大規模FPGA芯片上。在論文中列出了部分模塊的VHDL程序，并在QuartusⅡ仿真平臺上完成各部分模塊的功能仿真。
上傳時間： 2013-04-24
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通信與信息技術行業飛速發展，已成為我國支柱產業之一。隨著該行業的迅速發展，社會對具備實際動手能力人才的需求也不斷增加，高校通信教學改革勢在必行。在最初的通信原理實驗設備中每個實驗獨立占用一塊硬件資源，隨著EDA技術的發展，實驗設備廠商將CPLD/FPGA技術作為獨立的一項實驗內容，加入到通信原理實驗設備中。FPGA技術具備集成度高、速度快和現場可編程的優勢，適合高集成度和高速的時序運算。本文總結現有通信原理實驗設備的優缺點，采用FPGA技術設計出集驗證性和設計性于一體，具備較高的綜合性和系統性的通信原理實驗系統。 本系統提供了一個開放性的硬件、軟件平臺，從培養學生實際動手能力出發，利用FPGA在通用的硬件上實現所有實驗內容。學生在本系統上除了能完成已固化的實驗內容，還可以實現電子設計開發和驗證。這對培養學生的實踐能力大有裨益。 本文結合數字通信系統基本模型，把基于FPGA的通信原理實驗系統劃分為信號源模塊、發送端模塊、信道仿真模塊、接收端模塊和同步模塊幾部分。其中，模擬信號源采用DDS技術，能夠生成非常高的頻率精度，可作為任意波形發生器。發送端和接收端模塊結合到一起組成多體制調制解調器，形成多頻段、多波形的軟件無線電系統。載波同步采用全數字COSTAS環提取技術，具備良好的載波跟蹤特性，利用對載波相位不敏感 的Gardner算法跟蹤位同步信號。 本文首先介紹了通信原理實驗系統的研究現狀和意義；然后根據通信系統模型從《通信原理》各個章節中提煉出各模塊的實驗內容，分別列出各實驗的數字化實現模型；繼而根據各模塊資源需求選取合適FPGA芯片，并給出硬件設計方案；最后，給出各模塊在FPGA上具體實現過程、系統測試結果及分析。測試和實際運行結果表明設計方法正確，且功能和技術指標滿足設計要求。 關鍵詞：通信原理，實驗系統，FPGA，DDS，多體制調制解調，全數字COSTAS環，位同步
上傳時間： 2013-07-07
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矩陣運算是描述許多工程問題中不可缺少的數學關系，矩陣運算具有執行效率好、速度快、集成度高等優點，并且隨著動態可配置技術的發展，靈活性也有了很大的提高。因此，尋找矩陣運算的高速實現方法是具有很大的現實意義，能夠為高速運算應用提供技術支持。 為了提高研究成果的實用性與商用性，本文主要針對某種體積小、運算速度和性能要求很高的特殊場合設計并實現基于FPGA的矩陣運算功能。通過系統地研究FPGA功能結構、設計原理、DSP接口、IEEE-754標準，深入學習浮點數及矩陣的基礎運算以及硬件編程語言等內容，根據矩陣運算的特點和原理，討論了硬件設計方面重點對具體核心器件結構、特點以及有關FPGA的設計流程和控制器Verilog HDL硬件編程語言代碼方面內容，確定了基于FPGA浮點運算及矩陣運算單元的Verilog HDL設計方法，在Quartus II平臺上對其仿真、記錄運算結果，并對采集到的數據結果進行了深入分析與總結。 本設計通過幾種矩陣算法利用FPGA和MATLAB分別進行了實現測試，驗證了設計結果的正確性，證明了本設計中矩陣運算速率的實用性與高效性，提高了系統資源利用率和系統可靠性，為今后在工程、軍事、通訊等生產生活各個領域應用打下良好基礎。
上傳時間： 2013-07-07
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互聯網、移動通信、星基導航是21世紀信息社會的三大支柱產業，而GPS系統的技術水平和發展歷程代表著全世界衛星導航系統的發展狀況。目前，我國已經成為GPS的使用大國，衛星導航產業鏈也已基本形成。然而，我們對GPS核心技術(即如何捕獲衛星信號并保持對信號的跟蹤)的研究還不夠深入，我國GPS產品的核心部分多數還是靠進口。因此，對GPS核心技術的研究是非常緊迫的。 本文首先介紹了GPS的定位原理，之后闡述了GPS接收機的基本原理一直接擴頻通信和GPS信號的結構與特性。從這些方面出發研究接收機基帶處理器的捕獲與跟蹤設計方案。 設計過程中，先詳細分析了滑動相關的捕獲算法和基于FFT的快速捕獲算法，并利用matlab進行了驗證。由于前者靈活性好且可捕獲到高精度的碼相位和載波頻率，適合于本文的硬件接收機，所以本文確定了滑動相關的捕獲方案。 接著分析了跟蹤環路的特點，跟蹤模塊采用碼跟蹤環和載波跟蹤環耦合的方法實現。由于GPS系統通常工作在非常低的信噪比環境中，而非相干環在低信噪比下環路跟蹤性能較好，所以碼跟蹤環采用非相干(DDLL)環實現。這種跟蹤環路采用的鑒相器是能量鑒相器，對數據的調制和載波相位都不敏感，鑒相器不會產生不確定量。由于輸入信號存在180°相位翻轉，而COSTAS鎖相環允許數據調制，對I支路和Q支路信號的180°相位翻轉不敏感，所以載波跟蹤環采用COSTAS鎖相環實現。上述算法在matlab環境下得到了驗證。 基帶處理器電路的主要模塊在Quartus II8.0開發平臺上利用VHDL硬件描述語言實現。然后利用EDA仿真工具ModelSim-Altera6.1g進行了邏輯仿真。本設計滿足系統功能和性能的要求，可以直接用于實時GPS接收機系統的設計中，為自主設計GPS接收機奠定了基礎。 最后，由于在弱電磁環境下，捕獲失鎖后32PPS信號會丟失。所以設計了一個能授時和守時的算法去得到與GPS時同步的精確授時秒信號。并且實現了這個算法。
上傳時間： 2013-04-24
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擴頻通信系統與常規的通信系統相比，具有很強的抗窄帶干擾，抗多徑干擾，抗人為干擾的能力，并具有信息隱蔽、多址保密通信等優點，在近年來得到了迅速的發展。論文針對直擴通信系統中偽碼和載波同步問題而展開，研究了直擴系統的結構、性能及完成了相關參數的計算，改進了包絡算法，設計了解擴和解調器，最后用ISE9.1實現了解擴和解調器的仿真波形，驗證了設計的正確性。 論文研究了擴頻通信系統的特點、國內外發展現狀及理論基礎，完成了DS-QPSK接收機的解擴器和解調器的設計與實現。解擴器主要圍繞著偽碼的捕獲與跟蹤這一核心，分析了解擴器的結構、性能及其完成了相關參數的計算，完成了數字下變頻器、偽碼發生電路、偽碼相關積分提取電路、多通道快碼捕獲電路、偽碼跟蹤鑒相電路、偽碼時鐘調整電路的設計，并在ISE9.1編程綜合得到仿真結果，驗證了設計的正確性。由于相關積分包絡算法是整個系統的基礎和核心，為了減少時延和系統所占硬件資源，改進了包絡算法并得到了仿真驗證。結果表明，它不但減少了硬件資源的占用、縮短了延時，而且對整個系統的優化起著決定性的作用。論文給出了偽碼同步的仿真結果及資源占用情況，有力地說明了解擴器占用資源少、時延短等特點。 解調器研究了頻偏及載波相位誤差對信號的影響及同步方案，完成了數控振蕩器、反正切鑒頻器、環路濾波器的設計并得到了相關的仿真波形，實現了載波的跟蹤，給出了仿真結果及資源占用情況，對系統實現過程中的一些經驗進行了總結。最后是對論文工作的一些總結和對今后工作的展望。
上傳時間： 2013-06-13
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PID算法自從問世以來，一直受到廣泛的關注。隨著現代控制理論及智能控制技術的發展，PID算法也得到了長足的發展。結合傳統的PID控制算法，針對特定的控制領域，出現了一些新的控制算法，模糊PID控制算法就是在此基礎上漸漸形成并凸顯其控制特色。 同時隨著微電子技術的發展，現場可編程邏輯器件FPGA的發展及其EDA技術的日漸成熟，為集成控制芯片開拓了廣闊的發展空間。FPGA的發展為基于硬件的算法模塊的實現提供了可能性，同時節省了外圍的電路，使算法模塊的集成度大大提高。 本文針對當前國內外在算法研究方面的熱點問題，對模糊PID算法進行了深入的分析和研究。通過對汽輪機調節系統的結構分析，對其進行了數學建模。采用某汽輪機的實際設計運行參數，利用Matlab仿真軟件，對該汽輪機的數學模型進行了甩負荷動態特性仿真。仿真結果表明，模糊PID可以更好地解決汽輪發電機組在甩負荷過程中由于機組轉子飛升量太大而導致危急保安裝置動作，使得汽輪發電機組意外停機的問題，能夠保證汽輪發電機組在意外甩負荷時機組正常的機械運轉。根據模糊控制理論的特點及EDA技術和FPGA可編程邏輯器件的發展現狀，提出了在FPGA上實現模糊PID算法的具體實現方案。在綜合分析算法特性的基礎上，選擇Altera公司生產的CycloneⅡ系列中的EP2C35F672C6作為目標芯片，利用分層模塊化設計思想，在Altera公司提供的QuartusⅡ開發環境中，利用原理圖設計輸入和VHDL設計輸入相結合的方式實現了模糊PID控制算法，同時分別對實現的各個功能模塊和整個算法模塊進行了功能時序仿真。根據仿真結果分析，該設計實現了的模糊PID控制功能。 該控制算法模塊的FPGA實現很好的避免了因CPU或者其它問題導致算法程序跑飛、程序死循環、復位不可靠等問題，提高了控制的可靠性。同時加強了模塊的通用性，減少了系統硬件開發周期，節省了外圍設備的電路，降低了設計開發成本。
上傳時間： 2013-07-21
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軟件無線電（Software Defined Radio）是無線通信系統收發信機的發展方向，它使得通信系統的設計者可以將主要精力集中到收發機的數字處理上，而不必過多關注電路實現。在進行數字處理時，常用的方案包括現場可編程門陣列（FPGA）、數字信號處理器（DSP）和專用集成電路（ASIC）。FPGA以其相對較低的功耗和相對較低廉的成本，成為許多通信系統的首先方案。正是在這樣的前提下，本課題結合軟件無線電技術，研究并實現基于FPGA的數字收發信機。 @@ 本論文主要研究了發射機和接收機的結構和相關的硬件實現問題。首先，從理論上對發射機和接收機結構進行研究，找到收發信機設計中關鍵問題。其次，在理論上有深刻認識的基礎上，以FPGA為手段，將反饋控制算法、反饋補償算法和前饋補償算法落實到硬件電路上。同步一直是數字通信系統中的關鍵問題，它也是本文的研究重點。本文在研究了已有各種同步方法的基礎上，設計了一種新的同步方法和相應的接收機結構，并以硬件電路將其實現。最后，針對所設計的硬件系統，本文還進行了充分的硬件系統測試。硬件測試的各項數據結果表明系統設計方案是可行的，基本實現了數字中頻收發機系統的設計要求。 @@ 本文中發射機系統是以Altera公司EP2C70F672C6為硬件平臺，接收機系統以Altera公司EP2S180F1020C3為硬件平臺。收發系統均是在Ouartus Ⅱ 8．0環境下，通過編寫Verilog HDL代碼和調用Altera IP core加以實現。在將設計方案落實到硬件電路實現之前，各種算法均使用MATLAB進行原理仿真，并在MATLAB仿真得到正確結果的基礎上，使用Quartus Ⅱ 8．0中的功能仿真工具和時序仿真工具進行了前仿真和后仿真。所有仿真結果無誤后，可下載至硬件平臺進行調試，通過Quartus Ⅱ 8．0中集成的SignalTap邏輯分析儀，可以實時觀察電路中各點信號的變化情況，并結合示波器和頻譜儀，得到硬件測試結果。 @@關鍵詞：SDR；數字收發機；FPGA；載波同步；符號同步
上傳時間： 2013-04-24
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全球定位系統(Global Positioning System—GPS)是新一代衛星導航定位系統，具有全球、全天候、連續、高精度導航與定位功能，能夠為廣大用戶提供精確的三維坐標、速度和時間信息。因此，GPS系統被廣泛地應用于生活中的各個領域。GPS系統用戶主要是各種型號的接收機，而捕獲跟蹤技術是接收機的關鍵技術，同時也是一個技術難點。在GPS接收機中，導航電文是用戶定位和導航的數據基礎，為了得到導航電文必須要對GPS信號進行捕獲跟蹤。本文詳細研究了GPS信號捕獲跟蹤技術，并進行了FPGA設計。 @@ 本文首先概述了GPS系統信號結構和GPS接收機工作原理，對GPS信號調制機理進行詳細地闡述，重點分析了C/A碼生成原理和特性。 @@ 其次敘述了GPS信號捕獲的基礎理論，重點研究時域滑動相關捕獲方法，深入分析其算法和性能。用MATLAB中Simulink軟件包搭建了可自由修改參數的GPS中頻發生器，并在此平臺上，對GPS信號時域滑動相關捕獲算法進行仿真與分析。 @@ 接著重點研究了GPS信號跟蹤技術，系統分析碼跟蹤環路和載波跟蹤環路結構框圖以及算法。在碼跟蹤環路方面，選用并分析了能分離載波的非相干超前滯后碼鎖定環的工作機理。在載波跟蹤環路中選用對導航電文數據相位翻轉不敏感的科斯塔斯環，并用數學模型分析GPS信號的解調過程。之后對整個跟蹤環路進行MATLAB仿真，結果表明環路參數設計滿足要求，并能成功解調出GPS導航電文。 @@ 最后本文在QuartusII環境下完成對GPS信號捕獲跟蹤系統的FPGA設計。根據對相關器硬件結構框架，對算法中各個模塊的實現進行詳細的說明，包括頂層設計到CA碼、NCO等重要模塊設計，并給出了仿真結果。 @@關鍵詞：GPS接收機；捕獲；跟蹤；MATLAB仿真：FPGA
上傳時間： 2013-06-16
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隨著電子技術的快速發展，各種電子設備對時間精度的要求日益提升。在衛星發射、導航、導彈控制、潛艇定位、各種觀測、通信等方面，時鐘同步技術都發揮著極其重要的作用，得到了廣泛的推廣。對于分布式采集系統來說，中心主站需要對來自于不同采集設備的采集數據進行匯總和分析，得到各個采集點對同一事件的采集時間差異，通過對該時間差異的分析，最終做出對事件的準確判斷。如果分布式采集系統中的各個采集設備不具有統一的時鐘基準，那么得到的各個采集時間差異就不能反映出實際情況，中心主站也無法準確地對事件進行分析和判斷，甚至得出錯誤的結論。因此，時鐘同步是分布式采集系統正常運作的必要前提。 目前國內外時鐘同步領域常用的技術有GPS授時技術，鎖相環技術和IRIG-B 碼等。GPS授時技術雖然精度高，抗干擾性強，但是由于需要專用的GPS接收機，若單純使用GPS 授時技術做時鐘同步，就需要在每個采集點安裝接收機，成本較高。鎖相環是一種讓輸出信號在頻率和相位上與輸入參考信號同步的技術，輸出信號的時鐘準確度和穩定性直接依賴于輸入參考信號。IRIG-B 碼是一種信息量大，適合傳輸的時間碼，但是由于其時間精度低，不適合應用于高精度時鐘同步的系統。基于上述分析，本文結合這三種常用技術，提出了一種基于FPGA的分布式采集系統時鐘同步控制技術。該技術既保留了GPS 授時的高精確度和高穩定性，又具備IRIG-B時間碼易傳輸和低成本的特性，為分布式采集系統中的時鐘同步提供了一種新的解決方案。 本文中的設計采用了Ublox公司的精確授時GPS芯片LEA-5T，通過對GPS芯片串行時間信息解碼，獲得準確的UTC時間，并實現了分布式采集系統中各個采集設備的精確時間打碼。為了能夠使整個分布式采集系統具有統一的高精度數據采集時鐘，本論文采用了數模混合的鎖相環技術，將GPS 接收芯片輸出的高精度秒信號作為參考基準，生成了與秒信號高精度同步的100MHZ 高頻時鐘。本文在FPGA 中完成了IRIG-B 碼的編碼部分，將B 碼的準時標志與GPS 秒信號同步，提高了IRIG-B 碼的時間精度。在分布式采集系統中，IRIG-B時間碼能直接通過串口或光纖將各個采集點時間與UTC時間統一，節約了各點布設GPS 接收機的高昂成本。最后，通過PC104總線對時鐘同步控制卡進行了數據讀取和測試，通過實驗結果的分析，提出了改進方案。實驗表明，改進后的時鐘同步控制方案具有很高的時鐘同步精度，對時鐘同步技術有著重大的推進意義！
上傳時間： 2013-08-05
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