隨著SOC技術、IP技術以及集成電路技術的發展，RISC軟核處理器的研究與開發設計開始受到了人們的重視。基于FPGA的RISC軟核處理器在各個行業開始得到了廣泛的應用，特別是在一些基于FPGA的嵌入式系統中有著越來越廣泛的應用前景。 該論文在研究了大量國內外技術文獻的基礎上，總結了RISC處理器發展的現狀與水平。認真分析了RISC處理器的基本結構，包括總線結構，流水線處理的原理，以及流水線數據通路和流水線控制的原理；并詳細分析了該設計采用的指令集——MIPS指令集的內在結構。設計出了一個32位RISC軟核處理器，這個軟核處理器采用五級流水線結構，能完成加法、減法、邏輯與、邏輯或、左移右移等算術邏輯操作，以及它們的組合操作。通過軟件仿真和在Altera的FPGA開發板上進行驗證，證明了所設計的32位RISC處理器能準確的執行所選用的MIPS指令集，運行速度能達到30MHz，功能良好。 通過對所設計對象特點及其可行性的研究，選用了Altera公司QuartusⅡ軟件作為設計與仿真驗證的環境。在設計方法上，該課題采用了自頂向下的設計方法。在設計過程中采用了邊設計邊驗證這種設計與驗證相結合的設計流程，大大提高了設計的可靠性。該課題在設計過程中還提出了兩個有效的設計思路：第一是在32位寄存器的設計中利用FPGA的內部RAM資源來設計，減少了傳輸延時，提高了運行速度，并大大減少了對FPGA內部資源的占用；第二是在系統架構上采用了柔性化的設計方法，使得設計可以根據實際的需求適當的增減相應的部件，以達到需求與性能的統一。這兩個方法都有效地解決了設計中出現的問題，提高了處理器的性能。
上傳時間： 2013-07-21
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低密度校驗碼（LDPC，Low Density Parity Check Code）是一種性能接近香農極限的信道編碼，已被廣泛地采用到各種無線通信領域標準中，包括我國的數字電視地面傳輸標準、歐洲第二代衛星數字視頻廣播標準（DVB-S2，Digital Video Broadcasting-Satellite 2）、IEEE 802.11n、IEEE 802.16e等。它是3G乃至將來4G通信系統中的核心技術之一。 當今LDPC碼構造的主流方向有兩個，分別是結合準循環（QC，Quasi Cyclic）移位結構的單次擴展構造和類似重復累積（RA，Repeat Accumulate）碼構造。相應地，主要的LDPC碼編碼算法有基于生成矩陣的算法和基于迭代譯碼的算法。基于生成矩陣的編碼算法吞吐量高，但是需要較多的寄存器和ROM資源；基于迭代譯碼的編碼算法實現簡單，但是吞吐量不高，且不容易構造高性能的好碼。 本文在研究了上述幾種碼構造和編碼算法之后，結合編譯碼器綜合實現的復雜度考慮，提出了一種切實可行的基于二次擴展（Dex，Duplex Expansion）的QC-LDPC碼構造方法，以實現高吞吐量的LDPC碼收發端；并且充分利用該類碼校驗矩陣準循環移位結構的特點，結合RU算法，提出了一種新編碼器的設計方案。 基于二次擴展的QC-LDPC碼構造方法，是通過對母矩陣先后進行亂序擴展（Pex，Permutation Expansion）和循環移位擴展（CSEx，Cyclic Shift Expansion）實現的。在此基礎上，為了實現可變碼長、可變碼率，一般編譯碼器需同時支持多個亂序擴展和循環移位擴展的擴展因子。本文所述二次擴展構造方法的特點在于，固定循環移位擴展的擴展因子大小不變，支持多個亂序擴展的擴展因子，使得譯碼器結構得以精簡；構造得到的碼字具有近似規則碼的結構，便于硬件實現；（偽）隨機生成的循環移位系數能夠提高碼字的誤碼性能，是對硬件實現和誤碼性能的一種折中。 新編碼器在很大程度上考慮了資源的復用，使得實現復雜度近似與碼長成正比。考慮到吞吐量的要求，新編碼器結構完全拋棄了RU算法中串行的前向替換（FS，Forward Substitution）模塊，同時簡化了流水線結構，由原先RU算法的6級降低為4級；為了縮短編碼延時，設計時安排每一級流水線計算所需的時鐘數大致相同。 這種碼字構造和編碼聯合設計方案具有以下優勢：相比RU算法，新方案對可變碼長、可變碼率的支持更靈活，吞吐量也更大；相比基于生成矩陣的編碼算法，新方案節省了50％以上的寄存器和ROM資源，單位資源下的吞吐量更大；相比類似重復累積碼結構的基于迭代譯碼的編碼算法，新方案使高性能LDPC碼的構造更為方便。以上結果都在Xilinx Virtex II pro 70 FPGA上得到驗證。 通過在實驗板上實測表明，上述基于二次擴展的QC-LDPC碼構造和相應的編碼方案能夠實現高吞吐量LDPC碼收發端，在實際應用中具有很高的價值。 目前，LDPC碼正向著非規則、自適應、信源信道及調制聯合編碼方向發展。跨層聯合編碼的構造方法，及其對應的編碼算法，也必將成為信道編碼理論未來的研究重點。
上傳時間： 2013-07-26
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可編程邏輯芯片特別是現場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)芯片的快速發展，使得新的芯片能夠根據具體應用動態地調整結構以獲得更好的性能，這類芯片稱為動態可重構FPGA芯片(Dynamically ReconfigurableFPGA，DRFPGA)。然而，使用這類芯片構建的可重構系統在實際應用前還有許多問題需要解決。一個基本的問題就是動態可重構FPGA芯片中的可重構功能單元(Reconfigurable Functional Unit，RFU)的模塊布局問題和模塊間的布線問題。 本文從基本的FPGA芯片結構和CAD算法談起，介紹了可重構計算的概念，建立了可重構計算系統模型和動態可重構FPGA芯片模型，在此模型上提出一個基于劃分和時延驅動的在線布局算法，和一個基于Pathfinder協商擁塞算法的布線算法，來解決動態可重構FPGA芯片的布局和布線問題。由硬件描述語言(Hardware Description Language，HDL)描述的電路首先被劃分成有限數目的層，然后將這些電路層布局到芯片的每一層，同時確保關鍵路徑的時延最小。實驗結果表明，布局算法與傳統的布局算法(或者文獻[37]中的算法)相比，在時延上平均減少27％，在線長上平均減少34％(或者11％)，在運行時間上平均減少42％(或者97％)。布線算法與傳統的布線算法相比，能夠將線長降低26％，將水平通道寬度降低27％，顯示出較高的性能。
上傳時間： 2013-05-24
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糾錯碼技術是一種通過增加一定冗余信息來提高信息傳輸可靠性的有效方法。RS碼是一種典型的糾錯碼，在線性分組碼中，它具有最強的糾錯能力，既能糾正隨機錯誤，也能糾正突發錯誤，在深空通信、移動通信、磁盤陣列、光存儲及數字視頻廣播(DVB)等系統中具有廣泛的應用。 DVD是一種高容量的存儲媒質。DVD技術的應用很廣泛，在數字技術中占有重要地位。DVD系統中采用里德-所羅門乘積碼(RS-PC：Reed-Solomon ProductCode)進行糾錯，RS碼譯碼器在伺服芯片中具有重要作用。 FPGA在開發階段具有安全、方便、可隨時修改設計等不可替代的優點，在電子系統中采用FPGA可以極大的提升硬件系統設計的靈活性，可靠性，同時提高硬件開發的速度和降低系統的成本。FPGA的固有優點使其得到越來越廣泛的應用，FPGA設計技術也被越來越多的設計人員所掌握。 本文首先介紹了編碼理論和常用的RS編譯碼算法，提出RS編碼器實現方案，詳細分析了譯碼器的ME算法和改進BM算法的實現，針對ME算法提出了一種流水線結構的糾刪糾錯RS譯碼器實現方案，在譯碼器復雜度和延時上作了折衷，降低了譯碼器的復雜度并提高了最高工作頻率，利用有限域乘法器的特性對編譯碼電路進行優化。這些技術的采用大大的提高了RS編譯碼器的效率，節省了RS編譯碼器占用的資源。在Xilinx公司的Virtex-II系列FPGA上設計并成功實現了RS(208，192)編譯碼器。
上傳時間： 2013-07-20
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擴頻通信技術是信息時代的三大高技術通信傳輸方式之一，與常規的通信技術相比。具有低截獲率、強抗噪聲、抗干擾性，具有信息隱蔽和多址通信等特點，目前已從軍事領域向民用領域迅速發展。在民用化之后，它被迅速推廣到各種公用和專用通信網絡之中，如衛星通信、數據傳輸、定位、測距等系統中。 擴頻通信技術中，最常見的是直接序列擴頻通信(DSSS)系統，然而目前專用擴頻芯片大部分功能都已固化。缺少產品開發的靈活性。其次，目前用FPGA與DSP相結合實現的直接序列擴頻的收發系統比較多，系統復雜且成本高。另外，現代擴頻通信系統在接收和發送端需要完成許多快速復雜的信號處理，這對電路的可靠性和處理速度提出了更高的要求。因此，設計一個全部用FPGA技術實現的擴頻通信收、發系統具有較強的實際應用價值。 根據FPGA的高速并行處理能力和全硬件實現的特點，采用直接序列擴頻技術，借助QuartusⅡ6.0及Protel99se工具，完成了系統的軟件仿真和硬件電路設計。實驗結果表明，比用傳統的FPGA與DSP相結合實現方式，提高了處理速度，減少了硬件延時。同時采用了流水線技術，提高了系統并行處理的能力。并且系統功能可以通過程序來修改和升級，與專用擴頻芯片相比，具有很大的靈活性。所有模塊都集成在一個芯片中，提高了系統的穩定性和可靠性。
上傳時間： 2013-05-18
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現場可編程門陣列器件(FPGA)是一種新型集成電路，可以將眾多的控制功能模塊集成為一體，具有集成度高、實用性強、高性價比、便于開發等優點，因而具有廣泛的應用前景。單相全橋逆變器是逆變器的一種基本拓撲結構，對它的研究可以為三相逆變器研究提供參考，因此對單相全橋逆變器的分析有著重要的意義。 本文研制了一種基于FPGA的SPWM數字控制器，并將其應用于單相逆變器進行了試驗研究。主要研究內容包括：SPWM數字控制系統軟件設計以及逆變器硬件電路設計，并對試驗中發現的問題進行了深入分析，提出了相應的解決方案和減小波形失真的措施。在硬件設計方面，首先對雙極性／單極性正弦脈寬調制技術進行分析，選用適合高頻設計的雙極性調制。其次，詳細分析死區效應，采用通過判斷輸出電壓電流之間的相位角預測橋臂電流極性方向，超前補償波形失真的方案。最后，采用電壓反饋實時檢測技術，對PWM進行動態調整。在控制系統軟件設計方面，采用FPGA自上而下的設計方法，對其控制系統進行了功能劃分，完成了DDS標準正弦波發生器、三角波發生器、SPWM產生器以及加入死區補償的PWM發生器、電流極性判斷(零點判斷模塊和延時模塊)和反饋等模塊的設計。針對仿真和實驗中的毛刺現象，分析其產生機理，給出常用的解決措施，改進了系統性能。
上傳時間： 2013-07-06
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激光測距是一種非接觸式的測量技術，已被廣泛使用于遙感、精密測量、工程建設、安全監測以及智能控制等領域。早期的激光測距系統在激光接收機中通過分立的單元電路處理激光發、收信號以測量光脈沖往返時間，使得開發成本高、電路復雜，調試困難，精度以及可靠性相對較差，體積和重量也較大，且沒有與其他儀器相匹配的標準接口，上述缺陷阻礙了激光測距系統的普及應用。 本文針對激光測距信號處理系統設計了一套全數字集成方案，除激光發射、接收電路以外，將信號發生、信號采集、綜合控制、數據處理和數據傳輸五個部分集成為一塊專用集成電路。這樣就不再需要DA轉換和AD轉換電路和濾波處理等模塊，可以直接對信號進行數字信號處理。與分立的單元電路構成的激光測距信號處琿相比，可以大大降低激光測距系統的成本，縮短激光測距的研制周期。并且由于專用集成電路帶有標準的RS232接口，可以直接與通信模塊連接，構成激光遙測實時監控系統，通過LED實時顯示測距結果。這樣使得激光測距系統只需由激光器LD、接收PD和一片集成電路組成即可，提出了橋梁的位移監測技術方法，并設計出一種針對橋梁的位移監測的具有既便攜、有效又經濟實用的監測樣機。 本文基于xil inx公司提供的開發環境(ise8.2)、和Virtex2P系列XC2VP30的開發版來設計的，提出一種基于方波的利用DCM(數字時鐘管理器)檢相的相位式測距方法；采用三把側尺頻率分別是30MHz、3MHz、lOkHz，對應的測尺長度分別為5米、50米和15000米，對應的精度分別為±0.02米、±0.5米和±5米。設計了一套激光測距全數字信號處理系統。為了證明本系統的準確性，另外設計了一套利用延時的方法來模擬激光光路，經過測試，證明利用DCM檢相的相位式測距方法對于橋梁的位移監測是可行的，測量精度和測量結果也滿足設計方案要求。
上傳時間： 2013-06-12
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本文以Turbo碼編譯碼器的FPGA實現為目標，對Turbo碼的編譯碼算法和用硬件語言將其實現進行了深入的研究。 首先，在理論上對Turbo碼的編譯碼原理進行了介紹，確定了Max-log-MAF算法的譯碼算法，結合CCSDS標準，在實現編碼器時，針對標準中給定的幀長、碼率與交織算法，以及偽隨機序列模塊與幀同步模塊，提出了相應解決方案；而在相應的譯碼器設計中，采用了FPGA設計中“自上而下”的設計方法，權衡硬件實現復雜度與處理時延等因素，優先考慮面積因素，提高元件的重復利用率和降低電路復雜度，來實現Turbo碼的Max-log-MAP算法譯碼。把整個系統分割成不同的功能模塊，分別闡述了實現過程。 然后，基于Verilog HDL 設計出12位固點數據的Turbo編譯碼器以及仿真驗證平臺，與用Matlab語言設計的相同指標的浮點數據譯碼器進行性能比較，得到該設計的功能驗證。 最后，研究了Tuxbo碼譯碼器幾項最新技術，如滑動窗譯碼，歸一化處理，停止迭代技術結合流水線電路設計，將改進后的譯碼器與先前設計的譯碼器分別在ISE開發環境中針對目標器件xilinx Virtex-Ⅱ500進行電路綜合，證實了這些改進技術能有效地提高譯碼器的吞吐量，減少譯碼時延和存儲器面積從而降低功耗。
上傳時間： 2013-04-24
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隨著全控型變流技術的不斷發展和應用領域的不斷拓寬，具有高功率因數的PWM整流器在工業領域中逐漸得到普遍重視。在目前的PWM調制方法中，自然采樣SPWM具有控制靈活、輸出脈沖波形好、諧波含量低等優點，是一種性能優良的調制方法。傳統的基于DSP的SPWM實現方法受DSP本身串行程序流工作模式的限制，是很難實時完成自然采樣SPWM的計算的，這在一些特殊的應用領域限制了PWM整流器性能的提高。為此，論文提出了一種基于FPGA的自然采樣SPWM實現方法，并在三相電流型整流器樣機上進行了實驗驗證。由于FPGA具有豐富的可編程邏輯資源和I/O口，并且可以采用并行工作方式，因此控制系統具有更快的處理速度、更小的控制延時和更好的實時性，有利于PWM整流器性能的提高。仿真和實驗研究都表明本文的設計是正確有效的。
上傳時間： 2013-06-16
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可靠通信要求消息從信源到信宿盡量無誤傳輸，這就要求通信系統具有很好的糾錯能力，如使用差錯控制編碼。自仙農定理提出以來，先后有許多糾錯編碼被相繼提出，例如漢明碼，BCH碼和RS碼等，而C。Berrou等人于1993年提出的Turbo碼以其優異的糾錯性能成為通信界的一個里程碑。 然而，Turbo碼迭代譯碼復雜度大，導致其譯碼延時大，故而在工程中的應用受到一定限制，而并行Turbo譯碼可以很好地解決上述問題。本論文的主要工作是通過硬件實現一種基于幀分裂和歸零處理的新型并行Turbo編譯碼算法。論文提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器解決方法，很好地解決了并行訪問存儲器沖突的問題。 本論文在現場可編程門陣列(FPGA)平臺上實現了一種基于幀分裂和籬笆圖歸零處理的并行Turbo編譯碼器。所實現的并行Turbo編譯碼器在時鐘頻率為33MHz，幀長為1024比特，并行子譯碼器數和最大迭代次數均為4時，可支持8.2Mbps的編譯碼數掘吞吐量，而譯碼時延小于124us。本文還使用EP2C35FPGA芯片設計了系統開發板。該開發板可提供高速以太網MAC／PHY和PCI接口，很好地滿足了通信系統需求。系統測試結果表明，本文所實現的并行Turbo編譯碼器及其開發板運行正確、有效且可靠。 本論文主要分為五章，第一章為緒論，介紹Turbo碼背景和硬件實現相關技術。第二章為基于幀分裂和歸零的并行Turbo編碼的設計與實現，分別介紹了編碼器和譯碼器的RTL設計，還提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器和解交織器設計。第三章討論了使用NIOS處理器的SOC架構，使用SOC架構處理系統和基于NIOSII處理器和uC／0S一2操作系統的架構。第四章介紹了FPGA系統開發板設計與調試的一些工作。最后一章為本文總結及其展望。
上傳時間： 2013-04-24
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