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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現場可編程門陣列(FPGA)的發展已經有二十多年，從最初的1200門發展到了目前數百萬門至上千萬門的單片FPGA芯片?，F在，FPGA已廣泛地應用于通信、消費類電子和車用電子類等領域，但國內市場基本上是國外品牌的天下。 在高密度FPGA中，芯片上時鐘分布質量變的越來越重要，時鐘延遲和時鐘偏差已成為影響系統性能的重要因素。目前，為了消除FPGA芯片內的時鐘延遲，減小時鐘偏差，主要有利用延時鎖相環(DLL)和鎖相環(PLL)兩種方法，而其各自又分為數字設計和模擬設計。雖然用模擬的方法實現的DLL所占用的芯片面積更小，輸出時鐘的精度更高，但從功耗、鎖定時間、設計難易程度以及可復用性等多方面考慮，我們更愿意采用數字的方法來實現。 本論文是以Xilinx公司Virtex-E系列FPGA為研究基礎，對全數字延時鎖相環(DLL)電路進行分析研究和設計，在此基礎上設計出具有自主知識產權的模塊電路。 本文作者在一年多的時間里，從對電路整體功能分析、邏輯電路設計、晶體管級電路設計和仿真以及最后對設計好的電路仿真分析、電路的優化等做了大量的工作，通過比較DLL與PLL、數字DLL與模擬DLL，深入的分析了全數字DLL模塊電路組成結構和工作原理，設計出了符合指標要求的全數字DLL模塊電路，為開發自我知識產權的FPGA奠定了堅實的基礎。 本文先簡要介紹FPGA及其時鐘管理技術的發展，然后深入分析對比了DLL和PLL兩種時鐘管理方法的優劣。接著詳細論述了DLL模塊及各部分電路的工作原理和電路的設計考慮，給出了全數字DLL整體架構設計。最后對DLL整體電路進行整體仿真分析，驗證電路功能，得出應用參數。在設計中，用Verilog-XL對部分電路進行數字仿真，Spectre對進行部分電路的模擬仿真，而電路的整體仿真工具是HSIM。 本設計采用TSMC0.18μmCMOS工藝庫建模，設計出的DLL工作頻率范圍從25MHz到400MHz，工作電壓為1.8V，工作溫度為-55℃～125℃，最大抖動時間為28ps，在輸入100MHz時鐘時的功耗為200MW，達到了國外同類產品的相應指標。最后完成了輸出電路設計，可以實現時鐘占空比調節，2倍頻，以及1.5、2、2.5、3、4、5、8、16時鐘分頻等時鐘頻率合成功能。
上傳時間： 2013-06-10
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可重構計算技術兼具通用處理器(General-Purpose Processor，GPP)和專用集成電路(Application Specific Integr—ated Circuits，ASIC)的特點，既可以提供硬件高速的特性，又具有軟件可以重新配置的特性。而動態部分可重構技術是可重構計算技術的最新進展之一。該技術的要點就是在系統正常工作的情況下，修改部分模塊的功能，而系統其它模塊能夠照常運行，這樣既節約硬件資源，又增強了系統靈活性。 可重構SoC既可以在處理器上進行編程又可以改變FPGA內部的硬件結構，這使得SoC系統既具有處理器善于控制和運算的特點，又具FPGA靈活的重構特點；由于處理器和FPGA硬件是在同一塊硅片上，使得它們之間的通信寬帶大大提高，這種平臺很適合于容錯算法的實現。 本文基于863計劃項目；動態重構計算機的可信實現關鍵技術，重點研究應用于惡劣環境中FPGA自我容錯的體系結構，提出了一套完整的SoC系統的容錯設計方案，并研究其實現技術，設計實現了實現該技術的硬件平臺和軟件算法，并驗證成功。 論文取得了如下的創新性研究成果： 1、設計了實現動態重構技術的硬件平臺，包括高性能的FPGA(內含入式處理器PowcrPC)、PROM、SRAM、FLASH、串口通信等硬件模塊。 2、說明了動態重構技術的設計規范和設計流程，實現動態重構技術。 3、提出了一種基于動態重構實現容錯的方法，不需要外部處理器干預，由嵌入式處理器負責管理整個過程。 4、設計并實現了嵌入式處理器運行時需要的軟件，主要有兩個功能，首先是從CF卡中讀入重構所需的配置文件，并將配置文件寫進FPGA內部的配置存儲器中，改變FPGA內部的功能。其次，是實現容錯技術的算法。
上傳時間： 2013-04-24
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焊有元件的印制電路板在線測試是印制電路板生產過程中的一個重要環節，關系著整個電子產品的質量。本文在深入研究國內外印制電路板自動測試技術的基礎上，結合當前先進的電子技術，設計出一套高性能，低價位，小體積，便于攜帶和操作的印制電路板在線測試儀。 本文設計的在線測試儀系統包括控制器電路、信號發生電路、信號采集電路、元件測試電路、USB通信電路和開關矩陣電路等，其中控制器電路是以FPGA可編程控制芯片為核心，負責控制下位機其它所有電路的正常工作，并實現與上位機間的通信。 針對模擬元件的測試，本文首先探討了對印制電路板上模擬元件測試時的隔離原理，繼而詳細闡述了電阻、電容（電感）、二極管、三極管、運算放大器等的測試方法，并分別設計了硬件測試電路。因為測試時需向被測元件施加測試激勵信號，本文設計并完成了一信號發生電路，可輸出幅值可調的直流恒壓源信號和直流恒流源信號、幅值和頻率都可調的交流信號。 針對數字器件的測試，本文將數字器件分為兩種，一種為具有邊界掃描功能單元的器件，另一類為非邊界掃描器件，并分別對兩種類型的數字器件的測試原理和方法進行了詳細的描述，在文中給出了相關的硬件測試電路圖。 本設計中，所有測試激勵信號經測試電路后輸出的測試結果都是直流電壓信號，所以本文設計了一通用信號采集電路來完成對測試結果的取樣。本文還設計了開關矩陣電路，用于將被測印制電路板上的元件接入到測試電路中。對通信電路的設計，本文采用USB通信方式與上位機進行有效的數據交換，并通過USB接口芯片完成了硬件電路的設計。 在軟件方面，本文采用NiosⅡ C語言完成所有軟件設計，以協助硬件部分來完成對印制電路板的測試工作。 本文已完成各部分電路試驗及系統聯調，試驗證明設計達到了項目預定要求。
上傳時間： 2013-08-02
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隨著我國國防現代化建設進程的不斷深化，MIL-STD-1553B標準總線已經廣泛應用于各種軍事應用領域。MIL-STD-1553B標準總線是我國上世紀八十年代引進的一種現代化通訊總線，國內稱為GJB289A-97。該總線技術以其高穩定性和使用靈活等特點成為現代航空電子綜合系統所廣泛采用的通訊總線技術。 1553B總線接口模塊作為總線通訊的基本單元，其性能成為影響航電綜合系統整體性能的一個關鍵因素。目前國內關于1553B總線通訊模塊的對外接口類型較多，而基于嵌入式處理芯片的接口設計并不多見。嵌入式設備具有體積小、重量輕、實時性強、功耗小、穩定性好以及接口方便等優點。 基于以上考慮，論文中提出了以DSP+FPGA為平臺實現MIL-STD-1553B總線的收發控制，通過收發控制器和變壓器實現MIL-STD-1553B總線的電氣連接。根據項目需求，設計分為硬件和軟件兩部分完成。在對MIL-STD-1553B總線協議進行詳細研究后提出了總體設計方案原理圖。再根據方案需求設計各功能模塊。使用硬件描述語言VHDL對各功能模塊進行邏輯和行為描述，最終實現在FPGA中，使其能夠完成1553B數據碼的接受、發送、轉換和與處理器的信息交換等功能。DSP部分采用的是TI公司的TMS320F2812，使用C語言進行軟件的編譯，使其實現總體控制和通訊的調度等功能。 該方案經過實際參與1553B總線通訊系統驗證實驗，證明各項技術指標均達到預定的目標，可以投入實際應用。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來，以FPGA為代表的數字系統現場集成技術取得了快速的發展，FPGA不但解決了信號處理系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且基于大規模FPGA單片系統的片上可編程系統(SOPC)的靈活設計方式使其越來越多的取代ASIC的市場。傳統的通用信號處理系統使用DSP作為處理核心，系統的可重構型不強，FPGA解決了這一問題，并且現有的FPGA中，多數已集成DSP模塊，結合FPGA較強的信號并行處理特性使其與DSP信號處理能力差距很小。因此，FPGA作為處理核心的通用信號處理系統具有很強的可實施性。 @@ 基于上述要求，作者設計和完成了一個基于多FPGA的通用實時信號處理系統。該系統采用4片XC3SD1800A作為處理核心，使用DDR2 SDRAM高速存儲實時數據。作者通過全面的分析，設計了核心板、底板和應用板分離系統架構。該平臺能夠根據實際需求進行靈活的搭配，核心板之間的數據傳輸采用了LVDS(低電壓差分信號)技術，從而使得數據能夠穩定的以非常高的速率進行傳輸。 @@ 本系統屬于高速數字電路的設計范疇，因此必須重視信號完整性的設計與分析問題，作者根據高速電路的設計慣例和軟件輔助設計的方法，在分析和論證了阻抗控制、PCB堆疊、PCB布局布線等約束的基礎上，順利地完成了PCB繪制與調試工作。 @@ 作為系統設計的重要環節，作者還在文中研究了在系統設計過程中出現的電源完整性問題，并給出了解決辦法。 @@ LVDS高速數據通道接口和DDR2存儲器接口設計決定本系統的使用性能，本文基于所選的FPGA芯片進行了詳細的闡述和驗證。并結合系統的核心板和底板，完成了應用板，視頻圖像采集、USB、音頻、LCD和LED矩陣模塊顯示等接口的設計工作，對其中的部分接口進行了邏輯驗證。 @@ 經過測試，該通用的信號處理平臺具有實時性好、通用性強、可擴展和可重構等特點，能夠滿足當前一些信號處理系統對高速、實時處理的要求，可以廣泛應用于實時信號處理領域。通過本平臺的研究和開發工作，為進一步研究和設計通用、實時信號處理系統打下了堅實的基礎。 @@關鍵詞：通用實時信號處理；FPGA；信號完整性；DDR2；LVDS
上傳時間： 2013-05-27
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移動無線信道特性對移動通信系統性能具有重要影響，移動信道建模和仿真對移動通信系統的研發具有重要意義。因此，對移動信道建模與仿真進行研究，具有重要的理論意義和實際應用價值。 本文從無線電波的傳播特點出發，分析了無線電波的傳播模型和描述信道特性的主要參數，重點分析了移動小尺度衰落模型；結合無線電波傳輸環境的特點，研究了平坦衰落信道和頻率選擇性信道的特點，設計了基于FPGA的移動無線信道仿真器，同時給予了軟硬件驗證。 本文從衰落的數學模型角度研究了信道傳輸特性，以及各項參數對信道特性的影響。主要做了以下幾個方面的工作： 1.簡要介紹了無線電通信的發展史及信道建模與仿真的意義；論述了信道對無線信號主要的三類影響：自由空間的路徑損失、陰影衰落、多徑衰落；分析了無線通信傳播環境，移動無線通信信道仿真的基本模型，同時介紹了用正弦波疊加法和成型濾波器法建立信道確定型仿真模型的具體實現方法。 2.對移動無線信道特性進行了Matlab仿真，對仿真結果進行了對比分析，對影響信道特性的主要參數設置進行了分析仿真。 3.設計了一種基于FPGA的移動無線信道仿真器，并對實現該仿真器的關鍵技術和實現方法進行了分析。該信道仿真器能夠實時模擬窄帶信號條件下無線信道的主要特點，如多徑時延、多普勒頻移、瑞利衰落等，其主要的技術指標達到了設計要求。該模擬器結構簡單，參數可調，易于擴展，通用性強，可以部分或全部集成到處于研制階段的接收機中，以便于性能測試，也可應用于教學實踐。
上傳時間： 2013-04-24
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現代電子系統中，FIR數字濾波器作為數字信號處理技術的重要組成部分，以其良好的線性特性在許多領域內被廣泛的應用。在工程實踐中，往往要求信號處理具有實時性和靈活性，而已有的一些軟件和硬件實現方式則難以同時達到這兩方面的要求。 隨著可編程邏輯器件和EDA技術的發展，越來越多的人開始應用FPGA實現FIR濾波器，既保證了信號處理的實時性，又可兼顧靈活性的要求。但是普遍存在的問題是不能根據被濾波信號特點動態調整濾波器的濾波系數，只能完成單一特性的濾波工作。 本文將FPGA的快速性和計算機的靈活性通過USB2.0總線有機地結合起來，設計了一個基于FPGA的可調參數FIR濾波系統。此系統由計算機根據各種濾波器指標計算出濾波參數，通過USB2.0對FPGA芯片內部的FIR多階濾波器進行參數配置，實現數字濾波器參數可調；配置后的FPGA濾波單元完成對A/D采集的信號進行濾波運算，濾波后的數據經過緩存后通過USB2.0總線傳輸至計算機進行顯示、分析和儲存等進一步處理。在系統中采用有限狀態機對FPGA參數配置模式和濾波模式進行切換，保證了系統的有序運行。 本文通過性能測試和應用實例對系統進行驗證。實驗證明：該基于FPGA的可調參數FIR濾波系統參數配置方便，可以根據實際需要動態調整濾波參數，并且濾波效果良好，可有效濾除噪聲信號。
上傳時間： 2013-07-26
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MP3音樂是目前最為流行的音樂格式，因其音質、復雜度與壓縮比的完美折中，占據著廣闊的市場，不僅在互聯網上廣為流傳，而且在便攜式設備領域深受人們喜愛。本文以MPEG-1的MP3音頻解碼器為研究對象，在實時性、面積等約束條件下，研究MP3解碼電路的設計方法，實現FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的驗證方法。 論文的主要貢獻如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解碼過程的相關步驟，以減少緩沖區存儲單元的容量和訪存次數。如把重排序步驟融合到反量化模塊，可以減少一半的讀寫RAM操作；把IMDCT模塊內部的三個算法步驟融合在一起進行設計，可以省去存儲中間計算結果的緩存區單元。 (2)反量化、立體聲處理等模塊中，采用流水線設計技術，設置寄存器把較長的組合邏輯路徑隔開，提高了電路的性能和可靠性；使用連續訪問公共緩存技術，合理規劃各計算子模塊的工作時序，將數據計算的時間隱藏在訪存過程中；充分利用頻率線的零值區特性，有效地減少數據計算量，加快了數據處理的速度。 (3)設計了MP3硬件解碼器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述語言設計RTL級電路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA開發板為平臺，實現MP3解碼器的FPGA原型芯片。MP3硬件解碼器在Stratix II EP2S180器件內的資源利用率約為5％，其中組合邏輯查找表ALUT為7189個，寄存器共有4024個，系統頻率可達69.6MHz，充分滿足了MP3解碼過程的實時性要求。實驗結果表明，MP3音頻解碼FPGA原型芯片可正常播放聲音，解碼音質良好。
上傳時間： 2013-07-01
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