隨著中國二代導航系統的建設，衛星導航的應用將普及到各個行業，具有自主知識產權的衛星導航接收機的研究與設計是該領域的一個研究熱點。在接收機的設計中，對于成熟技術將利用ASIC芯片進行批量生產，該芯片是專用芯片，一旦制造成型不能改變。但是對于正在研究的接收機技術，特別是在需要利用接收機平臺進行提高接收機性能研究時，利用FPGA通用可編程門陣列芯片是非常方便的。在FPGA上的研究成果，一旦成熟可以很方便的移植到ASIC芯片，進行批量生產。本課題就是基于FPGA研究GPS并行捕獲技術的硬件電路，著重進行了其中一個捕獲通道的設計和實現。 GPS信號捕獲時間是影響GPS接收機性能的一個關鍵因素，尤其是在高動態和實時性要求高的應用中或者對弱GPS信號的捕獲方面。因此，本文在滑動相關法基礎上引出了基于FFT的并行快速捕獲方法，采用自頂向下的方法對系統進行總體功能劃分和結構設計，并采用自底向上的方法對系統進行功能實現和驗證。 本課題以Xilinx公司的Spartan3E開發板為硬件開發平臺，以ISE9.2i為軟件開發平臺，采用Verilog HDL編程實現該系統。并利用Nemerix公司的GPS射頻芯片NJ1006A設計制作了GPS中頻信號產生平臺。該平臺可實時地輸出采樣頻率為16.367MHz的GPS數字中頻信號。 本課題主要是基于采樣率變換和FFT實現對GPS C/A碼的捕獲。該算法利用平均采樣的方法，將信號的采樣率降低到1.024 MHz，在低采樣率下利用成熟的1024點FFT IP核對C/A碼進行粗捕，給出GPS信號的碼相位(精度大約為1/4碼片)和載波的多普勒頻率，符合GPS后續跟蹤的要求。 同時，由于FFT算法是以資源換取時間的方法來提高GPS捕獲速度的，所以在設計時，合理地采用FPGA設計思想與技巧優化系統。基于實用性的要求，詳細的給出了基于FFT的GPS并行捕獲各個模塊的實現原理、實現結構以及仿真結果。并達到降低系統硬件資源，能夠快速、高效地實現對GPS C/A碼捕獲的要求。 本研究是導航研究所承擔的國家863課題“利用多徑信號提高GNSS接收機性能的新技術研究”中關于接收機信號捕獲算法的一部分，對接收機的設計具有一定的參考價值。
上傳時間： 2013-07-22
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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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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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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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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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隨著航天技術的發展，載人飛船、空間站等復雜航天器對空-地或空-空之間數據傳輸速率的要求越來越高。在此情況下，為了提高空間通信中數據傳輸的可靠性，保證接收端分路系統能和發送端一致，必須要經過幀同步。對衛星基帶信號處理來說，幀同步是處理的第一步也是關鍵的一步。只有正確幀同步才能獲取正確的幀數據進行數據處理。因此，幀同步的效率，將直接影響到整個衛星基帶信號處理的結果。 @@ 本設計在研究CCSDS標準及幀同步算法的基礎上，利用硬件描述語言及ISE9．2i開發平臺在基于FPGA的硬件平臺上設計并實現了單路數據輸入及兩路合路數據輸入的幀同步算法，并解決了其中可能存在的幀滑動及模糊度問題。在此基礎之上，針對兩路合路輸入時可能存在的兩路輸入不同步或幀滑動在兩路中分布不均勻問題，設計實現了兩路并行幀同步算法，并利用ModelSim SE 6．1f工具對上述算法進行了前仿真和后仿真，仿真結果表明上述算法符合設計要求。 @@ 本論文首先介紹了課題研究的背景及國內外研究現狀，其次介紹了與本課題相關的基礎理論及系統的軟硬件結構。然后對單路數據輸入幀同步、兩路數據合路輸入幀同步和兩路并行幀同步算法的具體設計及實現過程進行了詳細說明，并給出了后仿真結果及結果分析。最后，對論文工作進行了總結和展望，分析了其中存在的問題及需要改進的地方。 @@關鍵詞 FPGA；CCSDS；幀同步：模糊度；幀滑動
上傳時間： 2013-06-11
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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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隨著科學技術的飛速發展，電子測量技術被廣泛應用在電子、機械、醫療、測控及航天等各個領域，而電子測量技術要用到各種形式的高質量信號源，因此任意波形發生器的研制就具有非常重要的現實意義。 本文便是基于DDS(DirectDigitalSynthesis)技術進行任意波形發生器研制的。要求可以產生正弦波、方波、三角波與鋸齒波等常規波形，而且能夠產生任意波形，從而滿足研究的需要。具體工作如下： (一)介紹國內外關于任意波形發生器研究的發展情況，闡述頻率合成技術的各種方式與技術對比情況，并選定直接數字頻率合成技術進行研制。 (二)介紹系統的硬件設計構成與功能實現，并對系統部件進行逐一細述。選用單片機作為控制模塊，使用FPGA實現DDS功能作為技術核心，并對外圍電路的設計與接口技術進行分析。 (三)講述DDS的工作原理、工作特點與技術指標，并基于FPGA芯片EP1C3T144C8進行設計，通過使用相位累加器與波形ROM等模塊，實現DDS功能。同時輔以使能模塊與行列式鍵盤，實現各種波形的靈活輸出。 (四)給出系統產生的測試數據，并對影響頻譜純度的雜散與噪聲產生的原因進行分析。
上傳時間： 2013-04-24
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在現代電子系統中，數字化已經成為發展的必然趨勢，接收機數字化是電子系統數字化中的一項重要內容，對數字化接收機的研究具有重要的意義。隨著數字化理論和微電子技術的迅速發展，高速的中頻數字化接收機的實現已經成為可能。本文研究了一種基于FPGA的軟件無線電數字接收平臺的設計，并著重研究了其中數字中頻處理單元的設計和實現。FPGA器件具有設計靈活、開發周期短和開發成本低等優點，所以廣泛應用于各種通信系統中。相比于傳統的DSP串行結構，FPGA能夠進行流水線性設計，對數據進行并行處理，所以FPGA在進行數據量大，要求實時處理的系統設計時有很大的優勢。 本文首先首先分析了軟件無線電當前的發展趨勢及技術現狀，針對存在的處理速度跟不上的DSP瓶頸問題，提出了中頻軟件無線電的FPGA實現方案。本文以FPGA實現為重點，在深入分析軟件無線電相關理論的基礎上，著重研究和完成了中頻軟件無線電數字接收平臺兩大模塊的FPGA實現：數字下變頻相關模塊和數字調制解調模塊。其中，在深入研究數字下變頻實現結構的基礎上，首先對數字下變頻模塊的數控振蕩器(NCO)采用了直接頻率合成技術(DDS)實現，其頻率分辨率高，靈活，易于實現；高效抽取濾波器組由積分梳狀濾波器(CIC)，半帶濾波器(HB)，FIR濾波器組成。對積分梳狀濾波器(CIC)本文采用了Hogenaur“剪除”理論對內部寄存器的位寬進行改進，極大地節約了資源，提高了運行速率。對FIR濾波器和半帶濾波器采用了(DA)分布式算法，它的運行速度只與數據的寬度有關，只有加減法運算和二進制除法，既縮減了系統資源又大大節省了運算時間，實現了高效的實時處理。對數字調制解調模塊，重點研究和完成了2ASK和2FSK的調制解調的FPGA實現，模塊有很好的通用性，能方便地移植到其它的系統中。在文章的最后還對整個系統進行了Matlab仿真，驗證了系統設計思想的正確性。在系統各個關鍵模塊的設計過程中，都是先依據一定的設計指標進行verilog編程，然后再在Quartus軟件中編譯，時序仿真測試，并與Matlab仿真結果進行對比，驗證設計的正確性。
上傳時間： 2013-05-18
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圖像顯示器是人類接受外部信息的重要手段之一。而立體顯示則能再現場景的三維信息，提供場景更為全面、詳實的信息，在醫學、軍事、娛樂具有廣泛的應用前景。而現有的3D立體顯示設備價格都比較貴，基于此，本人研究了基于SDRAM存儲器和FPGA處理器的3D頭盔顯示設備并且設計出硬件和軟件系統。該系統圖像效果好，并且價格成本便宜，從而具有更大的實用性。本文完成的主要工作有三點： 1.設計了基于FPGA處理器和SDRAM存儲器的3D頭盔顯示器。該方案有別于現有的基于MCU、DSP和其它處理芯片的方案。本方案能通過線性插值算法把1024×768的分辨率變成800×600的分辨率，并能實現120HZ圖像刷新率，采用SDRAM作為高速存儲器，并且采用乒乓操作，有別于其它的開關左右眼視頻實現立體圖像。在本方案中每時每刻都是左右眼視頻同時輸出，使得使用者感覺不到視頻圖像有任何閃爍，減輕眼睛疲勞。本方案還實現了圖像對比對度調節，液晶前照光調節(調節輸出脈沖的占空比)，立體圖像源自動識別，還有人性化的操作界面(OSD)功能。 2.完成了該系統的硬件平臺設計和軟件設計。從便攜性角度考慮，盡量減小PCB板面積，給出了它們詳細的硬件設計電路圖。完成了FPGA系統的設計，包括系統整體分析，各個模塊的實現原理和具體實現的方法。完成了單片機對AD9883的配置設計。 3.完成了本方案的各項測試和調試工作，主要包括：數據采集部分測試、數據存儲部分測試、FPGA器件工作狀態測試、以電腦顯示器作為顯示器的聯機調試和以HX7015A作為顯示器的聯機調試，并且最終調試通過，各項功能都滿足預期設計的要求。實驗和分析結果論證了系統設計的合理性和使用價值。 本文的研究與實現工作通過實驗和分析得到了驗證。結果表明，本文提出的由FPGA和SDRAM組成的3D頭盔顯示系統完全可以實現高質量的立體視覺效果，從而可以將該廉價的3D頭盔顯示系統用于我國現代化建設中所需要的領域。
上傳時間： 2013-07-16
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