GPS（全球定位系統）是美國建立的高精度衛星定位導航系統，高動態GPS接收機可應用于衛星、飛機、高速列車等許多場合。高動態給GPS信號帶來很大的多普勒頻移和多普勒頻移變化率，普通民用接收機無法正常工作。適用于高動態條件的接收機可以有效消除多普勒頻移及其變化率對信號接收的影響，提高導航定位精度。 本文在深入研究GPS的系統組成、工作原理以及信號格式的基礎上，重點研究高動態條件下C/A碼和載波的捕獲與跟蹤方案。論文的主要工作如下： 1．深入研究擴頻信號的各種捕獲算法，提出了一種適用于高動態的基于FFT的C/A碼快速捕獲算法； 2．研究擴頻碼跟蹤和載波跟蹤技術，設計了載波輔助的碼跟蹤環路——數字延遲鎖定環（DLL）及一種叉積自動頻率跟蹤環（CPAFC）與科斯塔斯（Costas）環相結合的載波跟蹤方案，并在MATLAB環境下建立系統模型，對環路參數進行了詳細的設計； 3．初步完成了GPS接收機基帶處理模塊核心單元的FPGA設計和功能仿真。
上傳時間： 2013-07-10
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在諸多行業的材料及材料制成品中，表面缺陷是影響產品質量的重要因素之一。研究具有顯微圖像實時記錄、處理和顯示功能的材料表面缺陷檢測技術，對材料的分選和材料質量的檢查及評價具有重要的意義。 本文以聚合物薄膜材料為被測對象，研究了適用于材料表面缺陷檢測的基于現場可編程門陣列(FPGA)的缺陷數據實時處理技術，可實時提供缺陷顯微圖像信息，完成了對現有材料缺陷檢測裝置的數字化改造與性能擴展。本文利用FPGA并行結構、運算速度快的特點實現了材料缺陷的實時檢測。搭建了以FPGA為核心的缺陷數據處理系統的硬件電路；重點針對聚合物薄膜材料缺陷信號的數據特征，設計了基于FPGA的缺陷圖像預處理方案：首先對通過CCD獲得的聚合物薄膜材料的缺陷信號進行處理，利用動態閾值定位缺陷區域，將高于閾值的數據即圖像背景信息舍棄，保留低于閾值的數據，即完整保留缺陷顯微圖像的有用信息；然后按照預先設計的封裝格式封裝缺陷數據；最后通過USB2.0接口將封裝數據傳輸至上位機進行缺陷顯微圖像重建。此方案大大減少了上傳數據量，緩解了上位機的壓力，提高了整個缺陷檢測裝置的檢測速度。本文對標準模板和聚合物薄膜材料進行了實驗驗證。實驗結果表明，應用了基于FPGA的缺陷數據實時處理技術的CCD掃描缺陷檢測裝置可對70μm～1000μm范圍內的缺陷進行有效檢測，實時重建的缺陷顯微圖像與實際缺陷在形狀和灰度上都有很好的一致性。
上傳時間： 2013-05-19
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LAMOST(Large Sky Area Multi-Obiect Fiber Spectroscopy Telescope，大天區面積多目標光纖光譜天文望遠鏡)需要對焦而上的4 000個光纖定位單元進行精確定位，一個光纖定位單元需要兩個步進電機來驅動，即需要對8 000個電機進行驅動控制。如何對這8 000個電機進行有效的控制，是本文主要的研究內容。 本義引入EDA(Electronic Design Automation)，技術，以FPGA和CAN總線為硬件載體來進行設計。FPGA相比較于DSP，單片機而言，具有10管腳多，資源豐富，使用靈活等優點，可以存片內集成多個電機的摔制，這樣對于提高系統的集成度，節約成本無疑有著很大的幫助。 在電機的控制當中，其失步和過沖會直接影響到系統的精度，所以需要對電機脈沖頻率加以控制，對于在平穩狀態下能正常工作的電機，失步往往發生在啟動停止等脈沖頻率突然發生改變的時刻。具體實現方法是通過實驗找出一條理想的加減速曲線，再將曲線離散化，并把離散化后的加減速分頻系數存儲在FPGA片內ROM里而，當電機運行到對應的步數時，取出分頻系數來獲取對應的運行頻率。 在LAMOST觀測中，光纖定位單元的零位是個很重要的基準，在每次觀測之前，電機都要回零，理論上電氣零位和機械零位在同一點上，如果電氣檢測到達零位則認為已經到達機械零位位置。但是實際中由于裝配等一些原因，可能會出現零位短路和零位斷路的情況。零位斷路是指電機處于機械零位，但是電氣不能檢測到；零位短路是指電機不在機械零位，但是電氣已經檢測到處于零位。這兩種情況會造成越界和機械零位一直被擠壓的后果，有可能會損壞光纖定位單元，為了防止這些情況出現，軟件程序中加入了計數器，從而從有效地保護了光纖定位單元，同時將這些狀況向上反饋，以便維護和檢修。 在本文完成之時，能夠控制驅動336個光纖定位單元的小系統已經在北京天文臺興隆觀測站實際投入運行，并于2007年5月28日獲得首條光譜，取得了不錯的效果。
上傳時間： 2013-04-24
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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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基于彩色路徑識別的視覺導航方法是當前自動導航小車領域的研究熱點和方向。視覺導航是指根據地面路徑和被控對象之間的位置偏差控制其運行的方向，因此，地面彩色路徑圖像的攝取及其識別處理就成為視覺導航系統中的基礎和關鍵。在當前的視覺導航系統設計中，圖像處理的硬件平臺都是基于通用微處理器，嵌入式微處理器或者DSP進行設計的。這些處理器一個共同的特點就是數據串行處理，而圖像處理過程涉及大量的并行處理操作，因此傳統的串行處理方式滿足不了圖像處理的實時性要求。 鑒于微處理器這方面的不足，作者提出一種使用FPGA實現圖像識別的并行處理方案，并據此設計一個智能圖像傳感器。該傳感器采用先進的FPGA技術，將圖像采集及其顯示，路徑的識別處理以及通信控制等模塊集成在一個芯片上，形成一個片上系統(SOC)。其主要功能是對所采集的彩色路徑圖像進行識別處理，獲得彩色路徑的坐標及其方向角，并將處理結果發送給上位機，為自動導航提供控制依據。 本文將彩色路徑的識別處理過程劃分為三個階段，第一階段為顏色聚類識別，以獲得二值路徑圖像，第二階段為數學形態學運算，用于對第一階段中獲得的二值圖像進行去斑處理，第三階段為路徑中心線的定位及其方向角的測量。圖像傳感器與上位機的通信采用異步串行方式，由于上位機需要控制該傳感器執行多種任務，作者定義一種基于異步串行通信的應用層協議，用于上位機對傳感器的控制。在圖像的顯示中，為了彌補圖像采集的速率和VGA顯示速率的不匹配，作者提出一種基于單端口存儲器的圖像幀緩沖機制，通過VGA接口將采集的圖像實時地顯示出來。 根據上述思想，作者完成了系統的硬件電路設計，并對整個系統進行了現場調試。調試結果表明，傳感器系統的各個模塊都能正常工作，FPGA中的數字邏輯電路能夠實時地將路徑從圖像中準確地識別出來，.充分體現了FPGA對路徑圖像的高速處理優勢，達到了設計預期目標，在一定程度上豐富了路徑圖像識別處理的技術和方法。
上傳時間： 2013-04-24
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遙感圖像在人類生活和軍事領域的應用日益廣泛，適合各種要求的遙感圖像編碼技術具有重要的現實意義。基于小波變換的內嵌編碼技術已成為當前靜止圖像編碼領域的主流，其中就包括基于分層樹集合分割排序(Set Partitioning inHierarchical Trees，SPIHT)的內嵌編碼算法。這種算法具有碼流可隨機獲取以及良好的恢復圖像質量等特性，因此成為實際應用中首選算法。隨著對圖像編碼技術需求的不斷增長，尤其是在軍事應用領域如衛星偵察等方面，這種編碼算法亟待轉換為可應用的硬件編碼器。 在靜止圖像編碼領域，高性能的圖像編碼器設計一直是相關研究人員不懈追求的目標。本文針對靜止圖像編碼器的設計作了深入研究，并致力于高性能的圖像編碼算法實現結構的研究，提出了具有創新性的降低計算量、存儲量，提高壓縮性能的算法實現結構，并成功應用于圖像編碼硬件系統中。這個方案還支持壓縮比在線可調，即在不改變硬件框架的條件下可按用戶要求實現16倍到2倍的壓縮，以適應不同的應用需求。本文所做的工作包括了兩個部分。 1．一種基于行的實時提升小波變換實現結構：該結構同時處理行變換和列變換，并且在圖像邊界采用對稱擴展輸出邊界數據，使得圖像小波變換時間與傳統的小波變換相比提高了將近2.6倍，提高了硬件系統的實時性。該結構還合理地利用和調度內部緩沖器，不需要外部緩沖器，大大降低了硬件系統對存儲器的要求。 2．一種采用左遍歷的比特平面并行SPIHT編碼結構：在該編碼結構中，空間定位生成樹采用深度優先遍歷方式，比特平面同時處理極大地提高了編碼速度。
上傳時間： 2013-06-17
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在VTS(Vessel Tramc Services船舶交管系統)系統中，雷達信號的處理器的能力己成為制約雷達目標錄取、跟蹤處理能力和可靠性以及整個VTS系統工作的主要因素。隨著區域性VTS的建立，要求將雷達信號以最高的質量和最低的代價遠距離傳輸，而達到這一要求的關鍵技術環節一雷達信息的壓縮處理也將受到雷達信號預處理系統的影響。 因此，研究更有效的VTS雷達信號預處理系統是一項很有價值和實際意義的工作。本文是在前人研究成果的基礎上，面向實際應用的需求，主要研究VTS雷達信號預處理算法的設計方法和實現手段，設計完成了一個數字化的雷達原始信號實時采集與處理系統。 本設計主要包括雷達信號的采集、雜波抑制處理以及與DSP芯片的信號傳輸。在硬件結構上，本設計采用FPGA完成信號的采集、CFAR處理和雷達信號檢測器的設計，將大量的以前需要由DSP芯片來完成的算法移植到FPGA中實現，大大減輕了DSP芯片的工作壓力，也減小了系統的體積。 在算法研究中，設計中重點討論了雜波的抑制方法和目標的檢測方法。本文在研究了大量現有的雷達信號雜波抑制及信號檢測的算法的基礎上，比較了各種算法的優劣，最終選擇了一種適合本次設計要求的CFAR算法和雙極點濾波雷達信號檢測器在FPGA中實現。 論文中對設計中所采用的方法給出了理論分析、試驗仿真結果和試驗實際調試結果。通過本文所述的設計和實驗，本文設計的雷達信號預處理系統對雷達視頻信號的采集與傳輸都有很好的效果，所選用的雜波處理算法對雷達雜波、雨雪雜波和陸地回波都具有較好的抑制作用，能有效地處理雷達雜波中的尖峰成分，使信噪比得到較大改善。
上傳時間： 2013-04-24
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在船舶交管系統中，雷達信息處理是最重要的組成部分。視頻回波處理中的雜波處理要求實時性很高，大約要在一個距離單元的時間(0.05-0.1us)內完成。雜波處理如恒虛警處理本身比較復雜，這類處理過程又要求快速，圖像顯示系統要求及時的把接收到的雷達方位數據從極坐標轉換成直角坐標。在軟件上實現這些算法雖然精度可以達到，但是實時性問題不能滿足。因此這類問題多采用高速專用數字設備來實現。FPGA在數字信號處理領域有非常廣闊的應用前景，以其優良的性能在數字信號處理中發揮了重大的作用。CORDIC算法可以在硬件上以很高的精度實現一些函數和運算。針對以上幾點，本文提出了利用CORDIC算法，基于FPGA來實現雷達信號處理和圖像顯示的算法研究，用硬件來實現正弦、余弦、正切、乘法、除法、指數和對數等基本函數和運算，把他們設計成為可重用的IP core，這樣可以滿足實時性和精度的問題。從而在將來的算法研究中方便的調用，這樣在算法研究中可以節約大量的時間，在一定程度上降低研究的難度。 圍繞雷達信號處理和圖像顯示，本次課題設計主要做了如下工作： 1．對CORDIC算法進行分析和研究，以及它在雷達信號處理和圖像顯示中的影響。 2．成功用硬件描述語言在Xilinx公司軟件ISE的環境下編寫代碼，在Synplify和Modelsim上做了綜合和仿真。 3．對實驗結果進行精度和速度分析。 4．對雷達信號處理和圖像顯示的相關算法進行分析和研究。 5．從實例分析IP core的特點，對算法研究的影響和IP core在雷達信號處理和圖像顯示中的應用。 最終在實踐環節，成功利用CORDIC算法，在FPGA上實現可重用的IP core，這些IP core能夠以很高的精度實現一些基本函數和運算，在雷達信號處理與圖像顯示中起到很大的作用。
上傳時間： 2013-07-16
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GPS全球定位系統是美國國防部為軍事目的而建立的衛星導航系統，其主要目的是解決海上、陸地和空中運載工具的導航定位問題。GPS作為新一代衛星導航系統，不僅具有全球、全天候、連續、高精度導航與定位能力，而且具有優良的抗干擾性和保密性。因此，發展全球定位系統是當今導航技術現代化的一個重要標志。在GPS接收機中，為了得到導航電文并對其進行解算，要完成復雜的信號處理過程。其中，怎樣捕獲到衛星信號，并對C/A碼進行跟蹤是研制GPS接收機的重要問題之一。本文在對GPS信號的結構進行深入的分析后，結合FPGA的特點，對算法進行設計及優化后，給出了相應的仿真。內容主要包括以下幾個方面： 1.對GPS信號結構的產生原理進行了深入地分析，并對GPS信號的調制機理進行詳細地闡述。 2.在GPS信號的捕獲方面，采用了基于FFT頻域的快速捕獲的方法，即將接收到的GPS信號先利用快速傅立葉變換(FFT)變換到頻域，在頻域完成相應的運算后，再利用傅立葉反變換(IFFT)變換到時域。從而大大減少了計算量，加快了信號捕獲的速度，提高了捕獲性能。 3.在C/A碼跟蹤部分，本文采用了非相干延遲鎖定環對C/A碼進行跟蹤。來自載波跟蹤環路的本地載波將輸入的信號變成基帶信號，然后分別和本地碼的三個不同相位序列進行相乘，將相乘結果進行累加，經過處理將得到碼相位和當前的載波頻率送到載波跟蹤環路。 4.載波跟蹤環，本文采用的是科斯塔斯環。載波跟蹤環和碼跟蹤環在結構上相似，故本文只對關鍵的載波NCO進行了仿真。 本文的創新點主要是使用FPGA對整個GPS信號的捕獲及C/A碼的跟蹤進行設計。此外，根據FPGA的特點，在不改變外部硬件設計的前提下，改變相應的IP核或相關的VHDL程序就可對系統進行各種優化設計，以適應不同類型的GPS接收機的不同功能。
上傳時間： 2013-06-27
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全球定位系統(GPS)可以向全球用戶提供位置、速度和時間信息，在航空、航天、海上及陸地等諸多領域得到了廣泛的應用，成為一種主要的導航手段。隨著空間定位技術的不斷發展，空間定位系統必將出現多元化。本文結合計算機技術，以GPS定位系統為例，研究了衛星定位技術中的GPS星座模擬器。 本文綜述了衛星導航系統的歷史，現狀及發展的方向,介紹GPS模擬器的研究發展狀況。詳細研究了GPS衛星信號傳輸理論和GPS衛星定位原理。在此基礎上，提出GPS模擬器的理論模型和實現方法,研究了GPS星座模擬器的設計思路、組成模塊，分析各個模塊的設計原理。在理論研究和分析的基礎上，提出模擬器的FPGA的設計與實現,以FPGA為平臺，用verilog硬件語言實現了衛星信號的模擬，詳細研究了基帶模塊的實現方法,包括C/A碼產生模塊，導航電文合成模塊，碼轉換模塊。最后通過射頻模塊發出，完成衛星信號的模擬。在信號測試部分，用示波器，頻譜儀，MATLAB程序對模擬信號進行了驗證實驗。驗證結果表明，設計滿足要求，達到預想目標。
上傳時間： 2013-05-30
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