本文對基于FPGA的CCSDS圖像壓縮和AES加密算法的實現進行了研究。主要完成的工作有： (1)深入研究CCSDS圖像壓縮算法，并根據其編碼方案，設計并實現了相應的編解碼器。從算法性能和硬件實現復雜度兩個方面，將該算法與具有類似算法結構的JPEG2000和SPIHT圖像壓縮算法作比較分析； (2)利用硬件描述語言VerilogHDL實現CCSDS圖像壓縮算法和AES加密算法； (3)優化算法復雜度較大的功能模塊，如小波變換模塊等。使用雙端口內存模塊增加數據讀寫速度，利用DSP塊處理核心運算單元，從而很大程度上提高了模塊的運行速度，并降低了芯片的使用面積； (4)設計并實現系統的模塊級流水線，在幾乎不增加占用芯片面積的情況下，提高了系統的數據吞吐量； (5)在QuartusⅡ和ModelSim仿真環境下對該系統進行模塊級和系統級的功能仿真、時序仿真和驗證。在硬件系統測試階段，設計并實現FPGA與PC機的串口通信模塊，提高了系統驗證的工作效率。
上傳時間： 2013-05-19
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對弓網故障的檢測在列車提速的今天顯得尤其重要，原始故障圖像數據量的巨大使實時存儲和傳輸故障圖像極其困難。JPEG作為一種低復雜度、高壓縮比的圖像壓縮標準在多媒體、網絡傳輸等領域得到廣泛的應用。和相同圖像質量的其它常用文件格式(如GIF，TIFF，PCX)相比，JPEG是目前靜態圖像中壓縮比最高的。 FPGA以其設計靈活、高速的卓越特性，逐漸成為許多應用中首先器件，尤其是與Verilog和VHDL等語言的結合，大大變革了電子系統的設計方法，加速了系統的設計進程。 本文旨在研究并實現一種實時采集并對特定幀進行壓縮傳輸的方法。通過采用可編程邏輯器件FPGA來實現整個采集、顯示、壓縮和傳輸，使系統具有可定制、高速度等優點。 本文首先介紹了開發硬件可編程邏輯門陣列FPGA及其開發語言Veridlog，并介紹了FPGA的設計方法及開發流程；接著介紹了PAL制視頻采集的相關知識及設計，其中主要包括基于I2C總線的模擬視頻解碼控制、視頻的數字化ITU-R BT.601標準介紹及視頻同步信號的獲取、基于SDRAM的視頻幀存儲、VGA顯示控制設計；隨后介紹了JPEG標準，并根據故障檢測的特點，設計了針對灰度圖像壓縮的JPEG編碼器，設計中先分別對組成JPEG編碼器的二維DCT變換模塊、量化模塊、Z字掃描模塊、變換直流系數的差分脈沖編碼模塊、交流系數的游程編碼模塊、哈夫曼編碼模塊及打包模塊進行了仿真測試，然后再對整個JPEG編碼器進行了測試；最后設計了單幀視頻的SRAM緩存，并將緩存的源圖像采用本文設計的JPEG編碼器進行壓縮，再設計一個僅包含發送功能的UART 將壓縮后的碼流傳輸到PC機，在PC機上通過將接收的碼流以ASCⅡ碼的形式還原為采集圖片。 本文實現了整個采集壓縮系統，同時也進一步驗證了本文設計的灰度圖像JPEG編碼器的正確性。相信本文無論是對弓網故障的圖像檢測，還是對于JPEG編碼器的芯片設計都有一定的參考價值。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，在鋼鐵材質質量檢測的研究領域，電磁無損檢測方法以其非破壞性和簡便快速的優點取得了大量成果，然而對于鋼材及其制品的混料、硬度和裂紋質量檢測還存在許多難題.如用傳統檢測平臺檢測鋼鐵件硬度的檢測精度和速度都不夠理想。 基于上述情況，論文將先進的SOPC技術應用到鋼鐵件的電磁無損檢測中。SOPC技術將處理器、存儲器、IO接口、各種外圍設備等系統設計需要的部件集成到一個可編程邏輯器件上，構建成一個可編程的片上系統。 論文詳細論述了基于FPGA的電磁無損檢測試驗裝置的理論基礎，并在此基礎上給出了總體設計方案。全文著重敘述了系統的模擬部分，系統配置以及軟件部分的整個設計過程。利用QuartusⅡ自定義外設和Avalon總線多主并行處理的特點，采用Vefilog HDL，語言實現激勵信號發生器和高速數據采集器，使得信號激勵和信號采集在同一片芯片中實現，從而提高了信號及信號處理的精確度。由于電磁檢測對多種參數的敏感反應，必須抑制由此引入的多種因素的干擾，利用FIR數字濾波和相關方法從眾多的干擾信號中提取出有效信號的幅度和相位，同時利用NiosⅡC2H功能對濾波模塊進行硬件加速處理，大大提高了信號處理的速度。利用最小二乘法建立回歸方程模型進行無損檢測。最后運用此電磁無損檢測系統對軸承鋼的硬度進行了定性測試，取得了較好的檢測結果。 試驗結果表明，將SOPC技術應用到電磁無損檢測系統中，系統的檢測速度和檢測精度都有所提高，并使得整個系統在規模、可靠性、性能指標、開發成本、產品維護及硬件升級等多方面實現了優化。
上傳時間： 2013-06-04
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在傳統的電力電子電路中，DC/DC變換器通常采用模擬電路實現電壓或電流的控制。數字控制與模擬控制相比，有著顯著的優點，數字控制可以實現復雜的控制策略，同時大大提高系統的可靠性和靈活性，并易于實現系統的智能化。但目前數字控制基本上限于電力傳動領域，DC/DC變換器由于其開關頻率較高，一般其外圍功能由DSP或微處理器完成，而控制的核心，如PWM發生等大多采用專用控制芯片實現。FPGA由于其快速性、靈活性及保密性等優點，近年來在數字控制領域受到越來越多的關注。基于FPGA的DC/DC變換器是電力電子領域重要的研究方向之一。本文研究了同步Buck變換器的建模、設計及仿真，采用Xinlix的VIRTEX-Ⅱ PRO FPGA開發板實現了Buck變換器的全數字控制。 論文首先從Buck變換器的理論分析入手，根據它的物理特性，研究了該變換器的狀態空間平均模型和小信號分析。為了獲得高性能的開關電源，提出并分析了混雜模型設計方案，然后進行了控制器設計。并采用MATLAB/SIMULINK建立了同步Buck電路的仿真模型，并進行仿真研究。浮點仿真的運算精度與溢出問題，影響了仿真的精度。為了克服這些不足，作者采用了定點仿真方法，得到了滿意的仿真結果。論文還著重論述了開關電源的數字控制器部分，數字控制器一般由三個主要功能模塊組成：模數轉換器、數字脈寬調制器(Digital PulseWidth Modulation：DPWM)和數字補償器。文中重點研究了DPWM和數字補償器，闡述了目前高頻數字控制變換器中存在的主要問題，特別是高頻狀態下DPWM分辨率較低，影響控制精度，甚至引起極限環(Limit Cycling)現象，對DPWM分辨率的提高與系統硬件工作頻率之間的矛盾、DPWM分辨率與A/D分辨率之間的關系等問題作了全面深入的分析。論文提出了一種新的提高DPWM分辨率的方法，該方法在不提高系統硬件頻率的前提下，采用軟件使DPWM的分辨率大大提高。作者還設計了兩種數字補償器，并進行了分析比較，選擇了合適的補償算法，達到了改善系統性能的目的。 設計完成后，作者使用ISE 9.1i軟件進行了FPGA實現的前、后仿真，驗證了所提出理論及控制算法的正確性。作者完成了Buck電路的硬件制作及基于FPGA的軟件設計，采用32MHz的硬件晶振實現了11-bit的DPWM分辨率，開關頻率達到1MHz，得到了滿意的系統性能，論文最后給出了仿真和實驗結果。
上傳時間： 2013-07-23
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在雷達信號偵察中運用寬帶數字接收技術是電子偵察的一個重要發展方向。數字信號處理由于其精度高、靈活性強、以及易于集成等特點而應用廣泛。電子系統數字化的最大障礙是寬帶高速A/D變換器的高速數據流與通用DSP處理能力的不匹配。而FPGA的廣泛應用，為解決上述矛盾提供了一種有效的方法。 本文利用FPGA技術，設計了具備高速信號處理能力的寬帶數字接收機平臺，并提出了數字接收機實現的可行性方法，以及對這些方法的驗證。具體來說就是如何利用單片的FPGA實現對雷達信號并行地實時檢測和參數估計。所做工作主要分為兩大部分： 1、適合于FPGA硬件實現的算法的確定及仿真：對A/D采樣信號采用自相關累加算法進行信號檢測，利用信號的相關性和噪聲的獨立性提高信噪比，通過給出檢測門限來估計信號的起止點。對于常規信號的頻率估計，采用Rife算法。通過Matlab仿真，表明上述算法在運算量和精度方面均有良好性能，適合用作FPGA硬件實現。 2、算法的FPGA硬件實現：針對原算法中極大消耗運算量的相關運算，考慮到FPGA并行處理的特點，將原算法修改為并行相關算法，并加入流水線，這樣處理極大地提高了系統的數據吞吐率。采用Xilinx公司的Virtex-4系列中的XC4VSX55芯片作為開發平臺完成設計，系統測試結果表明，本設計能正常工作，滿足系統設計要求。 文章的最后，結合系統設計給出幾種VHDL優化方法，主要圍繞系統的速度、結構和面積等問題展開討論。
上傳時間： 2013-06-25
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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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人臉識別技術繼指紋識別、虹膜識別以及聲音識別等生物識別技術之后，以其獨特的方便、經濟及準確性而越來越受到世人的矚目。作為人臉識別系統的重要環節—人臉檢測，隨著研究的深入和應用的擴大，在視頻會議、圖像檢索、出入口控制以及智能人機交互等領域有著重要的應用前景，發展速度異常迅猛。 FPGA的制造技術不斷發展，它的功能、應用和可靠性逐漸增加，在各個行業也顯現出自身的優勢。FPGA允許用戶根據自己的需要來建立自己的模塊，為用戶的升級和改進留下廣闊的空間。并且速度更高，密度也更大，其設計方法的靈活性降低了整個系統的開發成本，FPGA 設計成為電子自動化設計行業不可缺少的方法。 本文從人臉檢測算法入手，總結基于FPGA上的嵌入式系統設計方法，使用IBM的Coreconnect掛接自定義模塊技術。經過訓練分類器、定點化、以及硬件加速等方法后，能夠使人臉檢測系統在基于Xilinx的Virtex II Pro開發板上平臺上，達到實時的檢測效果。本文工作和成果可以具體描述如下： 1. 算法分析：對于人臉檢測算法，首先確保的是檢測率的準確性程度。本文所采用的是基于Paul Viola和Michael J.Jones提出的一種基于Adaboost算法的人臉檢測方法。算法中較多的是積分圖的特征值計算，這便于進一步的硬件設計。同時對檢測算法進行耗時分析確定運行速度的瓶頸。 2. 軟硬件功能劃分：這一步考慮市場可以提供的資源狀況，又要考慮系統成本、開發時間等諸多因素。Xilinx公司提供的Virtex II Pro開發板，在上面有可以供利用的Power PC處理器、可擴展的存儲器、I/O接口、總線及數據通道等，通過分析可以對算法進行細致的劃分，實現需要加速的模塊。 3. 定點化：在Adaboost算法中，需要進行大量的浮點計算。這里采用的方法是直接對數據位進行操作它提取指數和尾數，然后對尾數執行移位操作。 4. 改進檢測用的級聯分類器的訓練，提出可以迅速提高分類能力、特征數量大大減小的一種訓練方法。 5. 最后對系統的整體進行了驗證。實驗表明，在視頻輸入輸出接入的同時，人臉檢測能夠達到17fps的檢測速度，并且獲得了很好的檢測率以及較低的誤檢率。
上傳時間： 2013-04-24
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在視頻傳輸系統中，最大障礙是視頻數據的大數據量傳輸。故壓縮就顯得尤為必要。MJPEG是以25幀每秒傳輸的JPEG圖像。本文根據JPEG基本壓縮模式，通過前端圖像采集芯片輸出標準的4：2：2格式的圖像流，在XILINX公司的SPARTAN IIE芯片下壓縮，獲得了良好效果，壓縮比達到10：1。中間的各個環節同MATLAB下同等壓縮相比，除了精度上有點差別外，基本一致。同專用芯片相比，比專用芯片靈活得多，FPGA內部全部是可編程，燒寫不同的程序便可實現不同的壓縮。同DSP相比，壓縮時間極大的提高，同周霖的“基于DSP技術的靜態圖像壓縮編碼”一文中編碼所需的時間進行比較(DCT變換消耗4224個指令，量化Z排序耗960指令，huffman編碼至少耗1400指令)，假設令其采用6000系列DSP，指令周期為6ns，運算速度為1336MIPS。壓縮一個8*8DCT塊，采用高檔的DSP，消耗39tJs，而采用27M的FPGA只需6us，若采用FPGA內部自帶的DLL將時鐘倍頻到54M，則只需要3us．本設計同傳統的壓縮實現方式相比，在速度和靈活性上有了極大的提高。
上傳時間： 2013-04-24
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正交頻分復用(OFDM)技術是一種多載波數字調制技術，具有頻譜利用率高、抗多徑干擾能力強、成本低等特點，適合無線通信的高速化、寬帶化及移動化的需求，將成為下一代無線通信系統(4G)的核心調制傳輸技術。 本文首先描述了OFDM技術的基本原理。對OFDM的調制解調以及其中涉及的特性和關鍵技術等做了理論上的分析，指出了OFDM區別于其他調制技術的巨大優勢；然后針對OFDM中的信道估計技術，深入分析了基于FFT級聯的信道估計理論和基于聯合最大似然函數的半盲分組估計理論，在此基礎上詳細研究描述了用于OFDM系統的迭代的最大似然估計算法，并利用Matlab做了相應的仿真比較，驗證了它們的有效性。 而后，在Matlab中應用Simulink工具構建OFDM系統仿真平臺。在此平臺上，對OFDM系統在多徑衰落、高斯白噪聲等多種不同的模型參數下進行了仿真，并給出了數據曲線，通過分析結果可正確評價OFDM系統在多個方面的性能。 在綜合了OFDM的系統架構和仿真分析之后，設計并實現了基于FPGA的OFDM調制解調系統。首先根據802.16協議和OFDM系統的具體要求，設定了合理的參數；然后從調制器和解調器的具體組成模塊入手，對串/并轉換，QPSK映射，過采樣處理，插入導頻，添加循環前綴，IFFT/FFT，幀同步檢測等各個模塊進行硬件設計，詳細介紹了各個模塊的設計和實現過程，并給出了相應的仿真波形和參數說明。其中，針對定點運算的局限性，為系統設計并自定義了24位的浮點運算格式，參與傅立葉反變換和傅立葉變換的運算，在系統參數允許的范圍內，充分利用了有限資源，提高了系統運算精度；然后重點描述了基于FPGA的快速傅立葉變換算法的改進、優化和設計實現，針對原始快速傅立葉變換FPGA實現算法運算空閑時間過多，資源占用較大的問題，提出了帶有流水作業功能、資源占用較少的快速傅立葉變換優化算法設計方案，使之運用于OFDM基帶處理系統當中并加以實現，結果滿足系統參數的需求。最后以理論分析為依據，對整個OFDM的基帶處理系統進行了系統調試與性能分析，證明了設計的可行性。 綜上所述，本文完成了一個基于FPGA的OFDM基帶處理系統的設計、仿真和實現。本設計為OFDM通信系統的進一步改進提供了大量有用的數據。
上傳時間： 2013-04-24
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偏移正交相移鍵控(OQPSK：Offset Quadrature Phase Shift Keying)調制技術是一種恒包絡調制技術，具有頻譜利用率高、頻譜特性好等特點，廣泛應用于衛星通信和移動通信領域。 論文以某型偵收設備中OQPSK解調器的全數字化為研究背景，設計并實現了基于FPGA的全數字OQPSK調制解調器，其中調制器主要用于仿真未知信號，作為測試信號源。論文研究了全數字OQPSK調制解調的基本算法，包括成形濾波器、NCO模型、載波恢復、定時恢復等；完成了整個調制解調算法的MATLAB仿真。在此基礎上，采用VHDL硬件描述語言在Xilinx公司ISE7.1開發環境下設計并實現了各個算法模塊，并在硬件平臺上加以實現。通過實際現場測試，實現了對所偵收信號的正確解調。論文還實現了解調器的百兆以太網接口，使得系統可以方便地將解調數據發送給計算機進行后續處理。
上傳時間： 2013-05-19
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