MP3音樂是目前最為流行的音樂格式，因其音質、復雜度與壓縮比的完美折中，占據著廣闊的市場，不僅在互聯網上廣為流傳，而且在便攜式設備領域深受人們喜愛。本文以MPEG-1的MP3音頻解碼器為研究對象，在實時性、面積等約束條件下，研究MP3解碼電路的設計方法，實現FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的驗證方法。 論文的主要貢獻如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解碼過程的相關步驟，以減少緩沖區存儲單元的容量和訪存次數。如把重排序步驟融合到反量化模塊，可以減少一半的讀寫RAM操作；把IMDCT模塊內部的三個算法步驟融合在一起進行設計，可以省去存儲中間計算結果的緩存區單元。 (2)反量化、立體聲處理等模塊中，采用流水線設計技術，設置寄存器把較長的組合邏輯路徑隔開，提高了電路的性能和可靠性；使用連續訪問公共緩存技術，合理規劃各計算子模塊的工作時序，將數據計算的時間隱藏在訪存過程中；充分利用頻率線的零值區特性，有效地減少數據計算量，加快了數據處理的速度。 (3)設計了MP3硬件解碼器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述語言設計RTL級電路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA開發板為平臺，實現MP3解碼器的FPGA原型芯片。MP3硬件解碼器在Stratix II EP2S180器件內的資源利用率約為5％，其中組合邏輯查找表ALUT為7189個，寄存器共有4024個，系統頻率可達69.6MHz，充分滿足了MP3解碼過程的實時性要求。實驗結果表明，MP3音頻解碼FPGA原型芯片可正常播放聲音，解碼音質良好。
上傳時間： 2013-07-01
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“計算機組成原理”是計算機專業的一門核心課程。傳統的計算機組成原理實驗是在指令格式、尋址方式、運算器、控制器、存儲器等都相對固定的情況下進行，學生主要進行功能實現和驗證，缺少自主設計和創新過程。 為改變這種狀況，須更新現有的計算機組成原理實驗系統。采用FPGA芯片作為載體，使用EDA開發工具，用硬件描述語言實現不同的硬件邏輯，再與硬件的輸入輸出接口線路相連，最終組成一臺可用于組成實驗教學的完整計算機系統。這期間學生將掌握組成原理實驗系統的各個部件的功能及其相互之間如何協作。本實驗系統能夠讓學生完成有關計算機組成原理的部件實驗和整機實驗：部件實驗包括加法器、乘法器、除法器、算術邏輯運算單元、控制器、存儲器等；整機實驗可以獨立實現各部件的功能描述。該系統能夠幫助學生鞏固課堂知識并增強設計能力。 為實現上述目的，依據EDA技術的開發流程和方法，建立了一個完整的體系，其中包括控制模塊、內存模塊、運算器模塊、通用寄存器組及其控制部件、程序計數器、地址寄存器、指令寄存器、時序部件、數據控制部件、狀態值控制部件，以及為幫學生調試而專門設計的輸出觀察部件。在Quartus Ⅱ開發環境下，使用Altera公司FPGA芯片，采用VHDL，語言設計并實現了上述模塊。經過仿真測試，所實現的各功能模塊作為獨立部件時能完成各自功能：而將這些部件組合起來的整機系統，可以執行程序段和進行各種運算處理，達到了設計要求。
上傳時間： 2013-06-01
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H.264/AVC是國際電信聯盟與國際標準化組織/國際電工委員會聯合推出的活動圖像編碼標準，簡稱H.264。作為最新的國際視頻編碼標準，H.264/AVC與MPEG-4、H.263等視頻編碼標準相比，性能有了很大的提高，并已在流媒體、數字電視、電話會議、視頻存儲等諸多領域得到廣泛的應用。 本論文的研究課題是基于H.264/AVC視頻編碼標準的CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding，基于上下文的自適應可變長編碼)編碼算法研究及FPGA實現。對于變換后的熵編碼，H.264/AVC支持兩種編碼模式：基于上下文的可變長編碼(CAVLC)和基于上下文的自適應算術編碼(CABAC，Context-based Adaptive BinaryArithmetic Coding)。在H.264/AVC中，盡管CAVLC算法也是采用了VLC編碼，但是同以往標準不同，它所有的編碼都是基于上下文進行。這種方法比傳統的查單一表的方法提高了編碼效率，但也增加了設計上的困難。 作者在全面學習H.264/AVC協議和深入研究CAVLC編碼算法的基礎上，確定了并行編碼的CAVLC編碼器結構框圖，并總結出了影響CAVLC編碼器實現的瓶頸。針對這些瓶頸，對CAVLC編碼器中的各個功能模塊進行了優化設計，這些優化設計包括多參考塊的表格預測法、快速查找表法、算術消除法等。最后，用Verilog硬件描述語言對所設計的CAVLC編碼器進行了描述，用EDA軟件對其主要功能模塊進行了仿真，并在Cyclone II系列EP2C20F484的FPGA上驗證了它們的功能。結果表明，該CAVLC編碼器各編碼單元的編碼速度得到了顯著提高且均能滿足實時通信要求，為整個CAVLC編碼器的實時通信提供了良好的基礎。
上傳時間： 2013-06-22
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目前，數字信號處理廣泛應用于通信、雷達、聲納、語音與圖像處理等領域，信號處理算法理論己趨于成熟，但其具體硬件實現方法卻值得探討。FPGA是近年來廣泛應用的超大規模、超高速的可編程邏輯器件，由于其具有高集成度、高速、可編程等優點，大大推動了數字系統設計的單片化、自動化，縮短了單片數字系統的設計周期、提高了設計的靈活性和可靠性，在超高速信號處理和實時測控方面有非常廣泛的應用。本文對FPGA的數據采集與處理技術進行研究，基于FPGA在數據采樣控制和信號處理方面的高性能和單片系統發展的新熱點，把FPGA作為整個數據采集與處理系統的控制核心。主要研究內容如下： FPGA的單片系統研究。針對數據采集與處理，對FPGA進行選型，設計了基于FPGA的單片系統的結構。把整個控制系統分為三個部分：多通道采樣控制模塊，數據處理模塊，存儲控制模塊。 多通道采樣控制模塊的設計。利用4片AD7506和一片AD7862對64路模擬量進行周期采樣，分別設計了通道選擇控制模塊和A/D轉換控制模塊，并進行了仿真，完成了基于FPGA的多通道采樣控制。 數據處理模塊的設計。FFT算法在數字信號處理中占有重要的地位，因此本文研究了FFT的硬件實現結構，提出了用FPGA實現FFT的一種設計思想，給出了總體實現框圖。分別設計了旋轉因子復數乘法器，碟形運算單元，存儲器，控制器，并分別進行了仿真。重點設計實現了FFT算法中的蝶形處理單元，采用了一種高效乘法器算法設計實現了蝶形處理單元中的旋轉因子乘法器，從而提高了蝶形處理器的運算速度，降低了運算復雜度。理論分析和仿真結果表明，狀態機控制器成功地對各個模塊進行了有序、協調的控制。 存儲控制模塊的設計。利用閃存芯片K9K1G08UOA對采集處理后的數據進行存儲，設計了FPGA與閃存的硬件連接，設計了存儲控制模塊。 本文對FFT算法的硬件實現進行了研究，結合單片系統的特點，把整個系統分為多通道采樣控制模塊，數據處理模塊，存儲控制模塊進行設計和仿真。設計采用VHDL編寫程序的源代碼。仿真測試結果表明，此FPGA單片系統可完成對實時信號的高速采集與處理。
上傳時間： 2013-04-24
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圖像縮放在圖像處理領域中，發揮著重要作用。圖像的分辨率調整和格式變換，都需要用到圖像縮放技術。隨著多媒體技術和大規模集成電路的發展，利用硬件實現視頻圖像無級縮放已成為圖像處理研究的一個重要課題。 圖像縮放通常由插值算法實現。傳統的插值算法由于實現原理的局限性，在縮放時容易引起邊緣鋸齒或細節模糊現象。針對傳統插值算法的這個不足，出現了許多基于邊緣改進的算法。但這些算法一般只能完成2k倍數插值，無法真正做到基于邊緣的無級縮放。 為了實現基于邊緣改進的無級縮放，本文做了如下五個方面的研究工作： 1.系統回顧了圖像縮放技術，包括傳統圖像縮放技術和多邊緣檢測插值，分析了這些圖像縮放技術的優缺點。 2.重點研究了新興的方向多項式插值算法，該算法能夠真正完成基于邊緣改進的無級縮放。 3.提出改進的方向多項式插值算法(IOPI算法)，該算法針對硬件實現，做了兩個方面改進：提出EDV算法，簡化邊緣方向的確定；提出Cubic6逼近插值算法(A-Cubic6算法)，改善平坦區域縮放效果。其中的EDV算法通過加減、比較模塊，完成邊緣方向的確定。相比原算法中的乘除法、直方圖計算，大大簡化了硬件實現，降低了硬件實現成本。A-Cubic6算法利用查找表簡化了Cubic6點插值算法的實現，而且明顯改善了非邊緣區域的縮放效果。 4.研究縮放算法與圖像質量的評價方法。比較、分析各算法的軟件仿真結果，得出結論：本文提出的IOPI算法在平坦區域和邊緣區域都具有比其它算法更突出的效果。 5.結合實時視頻處理要求，研究了IOPI算法的FPGA實現。已完成最近鄰域插值和A-Cubic6算法的FPGA實現，可以在硬件平臺上穩定工作。
上傳時間： 2013-06-05
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現代通信系統對帶寬和數據速率的要求越來越高，超寬帶(ultra-wideband，UWB)通信以其傳輸速率高、空間容量大、成本低、功耗低的優點，成為解決企業、家庭、公共場所等高速因特網接入的需求與越來越擁擠的頻率資源分配之間的矛盾的技術手段。 論文主要圍繞兩方面展開分析：一是介紹用于UWB無載波脈沖調制及直接序列碼分多址調制(DS-CDMA)的新型脈沖，即Hermite正交脈沖，并且分析了這種構建UWB多元通信和多用戶通信的系統性能。二是分析了UWB的多帶頻分復用物理層提案(MBOA)的調制技術，并在FPGA上實現了調制模塊。正交Hermite脈沖集被提出用于UWB的M元雙正交調制系統，獲得高數據速率。調整脈沖的脈寬因子和中心頻率能使脈沖滿足FCC的頻譜要求。M元雙正交調制的接收機需要M/2個相關器，遠比M元正交調制所需的相關器數量少。誤碼率一定時，維數M的增加可獲得高的比特率和低的信噪比。雖然高階的Hermite脈沖易受抖動時延的影響，但當抖動時延范圍小于0.02ns時，其影響較為不明顯。本文認為1～8階的Hermite脈沖皆可用，可構成16元雙正交系統。 正交Hermite脈沖集也可以構造UWB多用戶系統。各用戶的信息用不同的Hermite脈沖同時傳輸，其多用戶的誤比特率上限低于高斯單脈沖構成的PPM多用戶系統的誤比特率，所以其系統性能更優。正交Hermite脈沖還可以用于UWB的DS-CDMA調制，在8個脈沖可用的情況下，最多可容64個用戶同時通信。 基于MBOA提出的UWB物理層協議，本文用Verilog硬件語言實現了調制與解調結構，并用Modelsim做了時序驗證。用Verilog編程實現的輸出數據與Matlab生成的UWB建模的輸出結果一致。為了達到UWBMB-OFDM系統的FFT處理器的要求，一個混和基多通道流水線的FFT算法結構被提出。其有效的實現方法也被提出。這種結構采用多通道以獲得高的數據吞吐量。此外，它用于存儲和復數乘法器的硬件損耗相比其他的FFT處理器是最少的。高基的FFT蝶算減少了復數乘法器的數量。在132MHz的工作頻率下，整個128點FFT變換在此結構模式下只需要242.4ns,滿足了MBOA的要求。
上傳時間： 2013-07-29
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伴隨高速DSP技術的廣泛應用，實時快速可靠地進行數字信號處理成為用戶追求的目標。同時，由于可編程器件在速度和集成度方面的飛速提高，使得利用硬件實現數字信號實時快速可靠處理有了新的途徑。 FIR濾波器是數字信號處理中常用部件，它的最大優點在于：設計任何幅頻特性時，可以具有嚴格的線性相位，這一點對數字信號的實時處理非常關鍵。 FPGA是常用的可編程器件，它所具有的查找表結構非常適用于實現實時快速可靠的FIR濾波器，在加上VHDL語言靈活的描述方法以及與硬件無關的特點，使得使用VHDL語言基于FPGA芯片實現FIR濾波器成為研究的方向。 本文對基于FPGA的FIR數字濾波器實現進行了研究，并設計了一個16階的FIR低通濾波器。所做的主要工作為： 1.以FIR數字濾波器的基本理論為依據，使用分布式算法作為濾波器的硬件實現算法，并對其進行了詳細的討論。針對分布式算法中查找表規模過大的缺點，采用多塊查找表的方式減小硬件規模。 2.在設計中采用了自頂向下的層次化、模塊化的設計思想，將整個濾波器劃分為多個模塊，利用VHDL語言的描述方法進行了各個功能模塊的設計，最終完成了FIR數字濾波器的系統設計。 3.采用FLEX10K系列器件實現一個16階的FIR低通濾波器的設計實例，用MAX+PLUSII軟件進行了仿真，并用MATLAB對仿真結果進行了分析，證明所設計的FIR數字濾波器功能正確。 仿真結果表明，本論文所設計的FIR濾波器硬件規模較小，采樣率達到了17.73MHz。同時只要將查找表進行相應的改動，就能分別實現低通、高通、帶通FIR濾波器，體現了設計的靈活性。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著FPGA(FieldProgrammableGateArray)器件的應用越來越廣泛且重要，FPGA的測試技術也得到了廣泛重視和研究。基于FPGA可編程的特性，應用獨立的測試(工廠測試)需要設計數個測試編程和測試向量來完成FPGA的測試，確保芯片在任何用戶可能的編程下都可靠工作。 本論文正是針對上述問題，以XilinxXC4000E系列FPGA為主要的研究對象，在詳細研究FPGA內部結構的基礎上，基于“分治法”的基本思路對FPGA的測試理論和方法做了探索性研究。 研究完成了對可編程邏輯模塊(ConfigrableLogicBlock)及其子模塊的測試。主要基于“分治法”對CLB及其子模塊進位邏輯(CLM)、查找表(LUT)的RAM工作模式等進行了測試劃分，分別實現了以“一維陣列”為基礎的測試配置和測試向量，以較少了測試編程次數完成了所有CLB資源的測試。 研究完成了對互連資源(ConfigrableInterconnectResource)的測試。基于普通數據總線的測試方法，針對互連資源主要由線段和NMOS開關管組成的特點及其自身的故障模型，通過手工連線實現測試配置，僅通過4次編程就實現了對其完全測試。 在測試理論研究的基礎上，我們開發了能對FPGA器件進行實際測試的測試平臺。基于硬件仿真器的測試平臺通過高速光纖連接工作站上的EDA仿真軟件，把軟件語言描述的測試波形通過硬件仿真器轉化為真實測試激勵，測試響應再讀回到仿真軟件進行觀察，能夠靈活、快速的完成FPGA器件的配置和測試。該平臺在國內首次實現了軟硬件協同在線測試FPGA。在該平臺支持下，我們成功完成了對各軍、民用型號FPGA的測試任務。 本研究成果為國內自主研發FPGA器件提供了有力保障，具有重大科研與實踐價值，成功解決了國外公司在FPGA測試技術上的壟斷問題，幫助國產FPGA器件實現完全國產化。
上傳時間： 2013-05-17
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可編程邏輯器件FPGA(現場可編程門陣列)和CPLD(復雜可編程邏輯器件)越來越多的應用于數字信號處理領域，與傳統的ASIC(專用集成電路)和DSP(數字信號處理器)相比，基于FPGA和CPLD實現的數字信號處理系統具有更高的實時性和可嵌入性，能夠方便地實現系統的集成與功能擴展。 FFT的硬件結構主要包括蝶形處理器、存儲單元、地址生成單元與控制單元。本文提出的算法在蝶形處理器內引入流水線結構，提高了FFT的運算速度。同時，流水線寄存器能夠寄存蝶形運算中的公共項，這樣在設計蝶形處理器時只用到了一個乘法器和兩個加法器，降低了硬件電路的復雜度。 為了進一步提高FFT的運算速度，本文在深入研究各種乘法器算法的基礎上，為蝶形處理器設計了一個并行乘法器。在實現該乘法器時，本文采用改進的布斯算法，用以減少部分積的個數。同時，使用華萊士樹結構和4-2壓縮器對部分積并行相加。 本文以32點復數FFT為例進行設計與邏輯綜合。通過設計相應的存儲單元，地址生成單元和控制單元完成FFT電路。電路的仿真結果與軟件計算結果相符，證明了本文所提出的算法的正確性。 另外，本文還對設計結果提出了進一步的改進方案，在乘法器內加入一級流水線寄存器，使FFT的速度能夠提高到當前速度的兩倍，這在實時性要求較高的場合具有極高的實用價值。
上傳時間： 2013-07-18
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本文主要對基于FPGA芯片的橢圓曲線密碼算法的實現及優化設計進行了研究。由于點乘運算極大影響了橢圓曲線密碼系統的加/解密速度，本文對點乘運算的FPGA設計進行了重點優化。首先比較分析了三種點乘算法，從運算復雜度的角度確定了蒙哥馬里算法是最利于FPGA芯片實現的。然后根據蒙哥馬里算法，用VerilogHDL語言實現了基于FPGA芯片的橢圓域中的基本運算(模加、模乘、模平方和模逆)。通過三種模乘算法在FPGA上的實現，設計出一種串并混合的乘法器，達到了面積與速度的最佳匹配。 本文利用Modelsim對本課題設計的硬件系統進行了仿真實驗，驗證了所設計的硬件系統完成了橢圓曲線密碼算法在FPGA上的實現。最后使用SynplifyPro進行綜合及布局布線，綜合報告文件證明了本課題所設計的ECC加密系統達到了優化芯片速度和面積的目的。
上傳時間： 2013-04-24
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