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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通用異步收發器(Universal Asynchronous Receiver Transmitter，UART)是一種能同時支持短距離和長距離數據傳輸的串行通信接口，被廣泛應用于微機和外設之間的數據交換。像8251、NS8250、NS16550等都是常用的UART芯片，但是這些專用的串行接口芯片的缺點是數據傳輸速率比較慢，難以滿足高速率數據傳輸的場合，而更重要的就是它們都具有不可移植性，因此要利用這些芯片來實現PC機和FPGA芯片之間的通信，勢必會增加接口連線的復雜程度以及降低整個系統的穩定性和有效性。 本課題就是針對UART的特點以及FPGA設計具有可移植性的優勢，提出了一種基于FPGA芯片的嵌入式UART設計方法，其中主要包括狀態機的描述形式以及自頂向下的設計方法，利用硬件描述語言來編制UART的各個子功能模塊以及頂層模塊，之后將其集成到FPGA芯片的內部，這樣不僅能解決傳統UART芯片的缺點而且同時也使整個系統變得更加具有緊湊性以及可靠性。 本課題所設計的LIART支持標準的RS-232C傳輸協議，主要設計有發送模塊、接收模塊、線路控制與中斷仲裁模塊、Modem控制模塊以及兩個獨立的數據緩沖區FIFO模塊。該模塊具有可變的波特率、數據幀長度以及奇偶校驗方式，還有多種中斷源、中斷優先級、較強的抗干擾數據接收能力以及芯片內部自診斷的能力，模塊內分開的接收和發送數據緩沖寄存器能實現全雙工通信。除此之外最重要的是利用IP模塊復用技術設計數據緩沖區FIFO，采用兩種可選擇的數據緩沖模式。這樣既可以應用于高速的數據傳輸環境，也能適合低速的數據傳輸場合，因此可以達到資源利用的最大化。 在具體的設計過程中，利用Synplify Pro綜合工具、ModelSim仿真工具、ISE集成的軟件開發環境中對各個功能模塊進行綜合優化、仿真驗證以及下載實現。各項數據結果表明，本課題中所設計的UART滿足預期設計目標。
上傳時間： 2013-08-02
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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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數字圖像處理技術是信息科學中近幾十年來發展最為迅速的學科之一。目前，數字圖像處理技術被廣泛應用于航空航天、通信、醫學及工業生產等領域中。數字圖像處理的特點是處理的數據量大，處理非常耗時，本文研究了在FPGA上用硬件描述語言實現圖像處理算法，通過功能模塊的硬件化，解決了視頻圖像處理的速度問題。隨著微電子技術的高速發展，FPGA為數字圖像信號處理在算法、系統結構上帶來了新的方法和思路。 本文設計的基于FPGA的圖像處理系統，是一個具有視頻圖像采集、圖像處理、圖像顯示功能的圖像處理系統。該系統采用Altera公司FPGA芯片作為中央處理器，由視頻解碼模塊、圖像處理模塊、視頻編碼模塊組成。模擬視頻信號由CCD傳感器送入，經視頻解碼芯片SAA7113轉換成數字視頻信號后，圖像處理模塊完成中值濾波和邊緣檢測這兩種圖像處理算法，視頻編碼芯片SAA7121將數字視頻信號轉換成模擬視頻信號輸出。 整個設計及各個模塊都在Altera公司的開發環境QuartusⅡ以及第三方仿真軟件Modelsim上進行了仿真及邏輯綜合。仿真結果表明，使用FPGA硬件處理圖像數據不僅能夠獲得良好的處理效果，處理速度也遠遠高于軟件法處理的方法。
上傳時間： 2013-04-24
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本課題是在課題組已實現的高速串行通信平臺的基礎上，進一步引伸，設計開源的PCI軟核通信模塊替代Xilinx公司提供的LogiCORE PCI核，力求在從模式下，做到占用資源更少，傳輸速度更快，也為以后實現更完整的功能提供平臺。 本文以此為背景，基于FPGA平臺，搭建以開源的PCI軟核為核心的串行通信接口平臺，使其成為PCI總線與用戶邏輯之間的橋梁，使用戶邏輯避開與復雜的PCI總線協議。本課題采用Spartan-II FPGA芯片XC2S200-6FG456C系統開發板作為串行通信接口的硬件實驗平臺，實現了支持配置讀/寫交易、單數據段讀/寫、突發模式讀/寫、命令/地址譯碼功能和數據傳送錯誤檢測與處理功能的PCI軟核。 本文主要闡述了以PCI軟核為核心的串行通信平臺的實現，首先介紹了PCI軟核的編程語言、軟件工具和硬件實驗平臺Spartan-II FPGA芯片XC2S200-6FG456C系統開發板。然后，介紹了PCI總線命令、PCI軟核所支持的功能、PCI軟核兩側信號的定義、PCI軟核配置模塊以及探討了PCI軟核的狀態機接收、發送數據等過程，分析了PCI軟核的數據收發功能仿真，主要包括配置讀/寫交易、單數據段模式讀/寫和突發模式讀/寫的仿真圖形，并闡述了管腳約束的操作流程。最后介紹PCI軟核模塊的WDM驅動，內容包括驅動程序簡介、驅動程序的開發、中斷處理、驅動程序與應用程序之間的通信以及應用程序操作。最后，對PCI軟核的各種性能進行了比較分析。整個模塊設計緊湊，完成在實驗平臺上的數據發送。 設計選用硬件描述語言VerilogHDL，在開發工具Xilinx ISE7.1中完成整個系統的設計、綜合、布局布線，利用Modelsim進行功能及時序仿真，使用DriverWorks為PCI軟核編寫WinXP下的驅動程序，用VC++6.0編寫相應的測試應用程序。之后，將FPGA設計下載到Spanan-II FPGA芯片XC2S200-6FG456C系統開發板中運行。 文章最后指出工作中的不足之處和需要進一步完善的地方。
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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數字視頻監控技術無論是在軍事領域還是在民用領域，都有著重要的作用和廣泛的應用市場及前景。迫切的軍用和民用需求，推動著視頻監控技術持續而迅猛的發展。為了提高監控視頻的圖像質量，使設備小型化，以便能滿足各種條件下的適用場合，目前基于FPGA的數字視頻偵察監控系統已成為一種主流的解決方案。 本文設計了一種可以在戰場上使用的數字視頻偵察監控系統。該系統配備了12路攝像頭，當偵察車或者裝甲車在向前進的時候，可以做到對周圍的環境全方位的偵察監控，從而對判斷戰場的情況起到了巨大的作用。 本文首先介紹了數字視頻監控技術的發展與現狀，視頻數據的產生以及接收特性和FPGA技術的基本概念，在此基礎上研究了視頻信號的組成方式、VGA、DVI顯示接口以及顯示器的工作原理，分析了采用FPGA實現整個系統的可能性。接著，在充分考慮了要求達到的標準以后，選用了視頻解碼芯片SAA7111A、視頻編碼芯片ADV7125、DVI發送芯片TFP410、CY7C1061AV33型SRAM以及EP2C35FBGA672型FPGA芯片應用于硬件電路設計。然后設計出電路原理圖以及PCB版圖。最后，根據系統工作要求，本文設計了FPGA系統中的片內邏輯模塊，包括視頻采集緩沖異步FIFO（先進先出）模塊、I2C總線配置模塊、視頻幀存控制模塊、VGA視頻顯示模塊、DVI視頻顯示模塊等。在此基礎上完成了系統軟硬件調試，最終成功的實現了12路攝像頭的切換顯示和對周圍環境的全方位監控，達到了預定的設計目標。
上傳時間： 2013-07-30
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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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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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