隨著微電子技術的發展，可編程邏輯器件取得了迅速的發展，其功能日益強大，FPGA內部可用邏輯資源飛速增長，近來推出的FPGA都針對數字信號處理的特點做了特定設計，集成了存儲器、鎖相環（PLL）、硬件乘法器、DSP模塊等，通過使用各個公司提供的FPGA開發軟件使用硬件描述語言，可以實現特定的信號處理算法，如FFT、FIR等算法，為電子設計工程師提供了新的選擇。實時圖像處理系統采用FPGA+DSP的結構來完成整個復雜的圖像處理算法。將圖像處理算法進行分類，FPGA和DSP份協作發揮各自的長處，對于算法實現簡單、運算量大、實時性高的這類處理過程由大容量高性能的FPGA實現，DSP則用來處理經過預處理后的圖像數據，來運行算法結構復雜，乘加運算多的算法。整個系統主要包括FPGA處理單元、DSP處理單元以及PCI接口通訊三個部分。主要取得的了以下的研究成果：（1）研究了FPGA的工作原理及應用，完成了Stratix芯片的選型。設計了數字圖像處理板的電路原理圖和PCB設計圖。并對電路板進行調試，工作正常。（2）完成了FPGA程序下載電纜的PCB電路設計，并調試成功，應用到FPGA的調試下載配置中，取得了良好的實驗與經濟效果。（3）充分利用FPGA的設計開發軟件與工具，完成了中值濾波、形態學濾波和自適應閾值的FPGA實現，并給出了詳細的實現過程。將算法下載到FPGA芯片，經過試驗調試，達到要求。（4）研究了PCI接口通訊的實現方式，選用PCI9054芯片實現通訊，完成PCI接口電路設計，經過調試，實現了中斷、DMA等方式，滿足了數據傳輸的要求。（5）學習了C6701DSP芯片的工作特性以及內部功能結構，完成了DSP外圍存儲器的擴展、時鐘信號發生以及電源模塊等外圍電路的設計。
上傳時間： 2013-07-22
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AES是美國于2000年10月份確立的高級加密標準，該標準的反饋鏈路模式AESCBC加密算法，用于在IPSec中替代DESCBC和3DESCBC。 加密是安全數據網絡的關鍵，要保證在公眾網上傳輸的信息不被竊取和偷聽，必須對數據進行加密。在不影響網絡性能的前提下，快速實現數據加密/解密，對于開發高性能的安全路由器、安全網關等對數據處理速度要求高的通信設備具有重要的意義。 在目前可查詢的基于FPGA技術實現AESCBC的設計中，最快的加/解密速度達到700Mbps/400MHZ。商用CPU奔騰4主頻3.06，用匯編語言編寫程序，全部資源用于加密解密，最快的加密解密速度可以達到1.4Gbps。但根據國外測試結果表明，即使開發的路由器本身就基于高性能的雙64位MIPS網絡處理器，軟件加密解決方案僅能達到路由器所要求的最低吞吐速率600Mbps。 本文首先研究分析了目前幾種實現AESCBC的方法有缺點的情況下，在深入研究影響硬件快速實現AESCBC難點基礎上，設計出一種適應于報文加密解密的硬件快速實現AESCBC的方案，在設計中采用加密解密和密鑰展開并行工作，實現了在線提供子密鑰。在解密中采用了雙隊列技術，實現了報文解密和子密鑰展開協調工作，提高了解密速度。 本文在quartus全面仿真設計方案的基礎上，全面驗證了硬件實現AESCBC方案的正確性，全面分析了本設計加密解密的性能。并且針對設計中的流水線效率低的問題，提出改善流水線性能的方案，設計出報文級并行加密解密方案，并且給出了硬件實現VPN的初步方案。實現了單一模塊加密速度達到1.16Gbps，單一模塊解密速度達到900Mbps，多個模塊并行工作加密解密速度達到6.4Gbps。 論文最后給出了總結與展望。目前實現的AESCBC算法，只能通過仿真驗證其功能的正確性，還需要下載到芯片上做進一步的驗證。要用硬件實現整個IPSec，還要進一步開發基于FPGA的技術。總之，為了適應路由器發展的需求，還有很多技術需要研究。
上傳時間： 2013-05-29
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作為一項正在興起的無線應用服務,無線局域網已在機場、校園、會議室、甚至在家庭都有所應用.它正叩開高速無線數據業務市場的大門.目前,無線局域網仍處于眾多標準共存時期.每一標準的背后都有大公司或者大集團的支持.在眾多無線局域網協議中IEEE802.11a協議是很有特色的一個,它的優勢在于采用了正交頻分復用(OFDM)方式來傳輸數據,該技術可幫助提高速度和改進信號質量,并可克服干擾,因此得到眾多關注.為了讓這種高速的局域網真正應用到實際中,我們的項目就是要在硬件上實現基于IEEE802.11a協議的OFDM系統的發射機和接收機,而本文的主要工作就是用FPGA實現這個系統的內接收機.內接收機主要包括同步估計和信道估計.但是目前OFDM系統中包括同步、信道編碼、信道估計、用戶檢測、降低峰均比等一些關鍵技術在具體實現上還存在著一些困難.許多文獻對這些關鍵技術基本停留在理論上的討論,與具體的實現還存在很大的差距.因此本文通過研究同步和信道估計的多種算法的性能和其實現的復雜度,提出一種適合在IEEE802.11a協議環境下的同步算法和信道估計,用FPGA加以實現.首先本文總結了目前OFDM系統信道估計的算法.在此基礎上詳細的討論了基于IEEE802.11a協議的OFDM系統可以采用的信道估計方法:(1)提出了借助訓練序列的LS估計法和LS-average估計法,分別在AWGN信道和多徑信道對這兩種方法進行了比較,證明無論在哪種信道環境下后者性能都要好于前者.為了能夠進一步提高信道估計器的性能,在LS-average算法的基礎上提出了消噪算法(NRA).(2)提出了借助導頻的DFT插值算法.其次本文總結了目前OFDM系統同步的算法.OFDM系統同步包括定時同步和載波同步,其中定時同步又分為符號同步和抽樣同步.本文主要是研究定時同步,而載波同步只是簡單的討論,因為在這項目中這是另有負責人.本文針對基于IEEE802.11a協議的OFDM系統把定時同步分為粗定時同步和細定時同步.然后分別對粗定時同步和細定時同步進行了詳細的討論.其中對粗定時同步的方法有:利用短訓練序列和利用循環前綴,并對這兩種方法進行了比較.對細定時同步是利用導頻來跟蹤.最后根據前面兩章提出的算法所分析的結果,以及突發OFDM系統的信號和信道特征,選取了其中一種信道估計算法和定時同步算法,結合合作伙伴所提出的載波同步算法一起用FPGA實現整個基于IEEE802.11a協議的OFDM系統的內接收機,并分別測試了各個模塊的性能以及綜合模塊的性能.
上傳時間： 2013-05-26
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加密算法一直在信息安全領域起著無可替代的作用,它直接影響著國家的未來和發展.隨著密碼分析水平、芯片處理能力和計算技術的不斷進步,原有的數據加密標準(DES)算法及其變形的安全強度已經難以適應新的安全需要,其實現速度、代碼大小和跨平臺性均難以繼續滿足新的應用需求.在未來的20年內,高級加密標準(AES)將替代DES成為新的數據加密標準.高級加密標準算法是采用對稱密鑰密碼實現的分組密碼,支持128比特分組長度及128比特、192比特與256比特可變密鑰長度.無論在反饋模式還是在非反饋模式中使用AES算法,其軟件和硬件對計算環境的適應性強,性能穩定,密鑰建立時間優良,密鑰靈活性強.存儲需求量低,即使在空間有限的環境使用也具備良好的性能.在分析高級加密標準算法原理的基礎上,描述了圈變換及密鑰擴展的詳細編制原理,用硬件描述語言(VHDL)描述了該算法的整體結構和算法流程.詳細論述了分組密碼的兩種運算模式(反饋模式和非反饋模式)下算法多種體系結構的實現原理,重點論述了基本體系結構、循環展開結構、內部流水線結構、外部流水線結構、混合流水線結構及資源共享結構等.最后在XILINX公司XC2S300E芯片的基礎上,采用自頂向下設計思想,論述了高級加密標準算法的FPGA設計方法,提出了具體模塊劃分方法并對各個模塊的實現進行了詳細論述.圈變換采用內部流水線結構,多個圈變換采用資源共享結構,密鑰調度與加密運算并行執行.占用芯片面積及引腳資源較少,在芯片選型方面具有很好的適應性.
上傳時間： 2013-06-20
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隨著安全通信數據速率的提高,關鍵數據加密算法的軟件實施成為重要的系統瓶頸.基于FPGA的高度優化的可編程的硬件安全性解決方案提供了并行處理能力,并且可以達到所要求的加密處理性能(每秒的SSL或RSA運算次數)基準.網絡的迅速發展,對安全性的需要變得越來越重要.然而,盡管網絡技術進步很快,安全性問題仍然相對落后.由于FPGA所提供的設計優勢,特別是新的高速版本,網絡系統設計人員可以在這些網絡設備中經濟地實現安全性支持.FPGA是實現設計靈活性和功能升級的關鍵,對于容錯、IPSec協議和系統接口問題而言這兩點非常重要.而且,FPGA還為網絡系統設計人員提供了適應不同安全處理功能以及隨著安全技術的發展方便地增加對新技術支持的能力.標準加密/解決以及認證算法,如RC-4、DES、三次DES、MD-5以及安全哈希算法-1(SHA-1)被廣泛用于全球網絡安全系統中.本文介紹了基于PCI總線的加密卡的研制,硬件板卡的結構,著重論述了加密卡上加密模塊的實現,即用FPGA實現3DES及IDEA、MD5算法的過程,加密卡的工作原理,加密卡中多種密碼算法的配置原理,最后對3DES算法及IDEA、MD5算法的實現進行仿真,并繪制了板卡的原理圖,對PCI接口原理進行了闡述.在論文中,首先闡述了數據加密原理.介紹了數據加密的算法和數據加密的技術發展趨勢,并重點說明了3DES的算法.由于加密卡的生存空間在于其高速的加密性能與便捷的使用方式,所以,我們的加密卡采用的是基于PCI插槽的結構,遵從的是PCI2.2規范,理解并掌握PCI總線的規范是了解整個系統的重要一環,本文講述了PCI總線的特點和性能,以及總線的信號.由于遵從高速性的要求,我們在硬件選型的時候,選用的是TI公司高速DSP T M S 3 2 0 C 5 4 x:T I公司新推出的T M S 3 2 0 C 6 x系列D S P功能強,速度也非常快,但目前價格仍然太高,不適合一般加解密使用.而TMS3 2 0 C 5 4 x系列具有性能適中,價格低廉,產品成熟等特點,是較好的選擇.FPGA選用的XILINX公司的XC2V3000,在隨后的文章中,我們將會對這些器件特性做相應說明.并由此得出電路原理圖的繪制.文章的重點之一在于3DES算法及IDEA、MD5算法的FPGA實現,以Xilinx公司VIRTEXII結構的VXC2V3000為例,闡述用FPGA高速實現3DES算法及IDEA、MD5算法的設計要點及關鍵部分的設計.
上傳時間： 2013-04-24
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目前,以互聯網業務為代表的網絡應用,正快速地向包括數據、語音、圖像的綜合寬帶多媒體方向發展,構建寬帶化、大容量、全業務、智能化的現代通信網絡已成為大勢所趨.寬帶無線接入(BWA)憑借其組網快速靈活、運營維護方便及成本較低等競爭優勢,迅速成為市場熱點,各種微波、無線通信領域的先進手段和方法不斷引入,各種寬帶無線接入技術迅速涌現.由于BWA要用于非視距傳輸,所以必須考慮無線信道的多經效應.而OFDM技術憑借著魯棒的對抗頻率選擇性衰落能力和極高頻譜效率引起了學術界和工業界的高度重視.其基本思想是把調制在單載波上的高速串行數據流,分成多路低速的數據流,調制到多個正交載波上并行傳輸,這樣在傳輸時,雖然整個信道是頻率選擇性衰落,但是各個子信道卻是平坦衰落,有效對抗了多經效應,同時由于各個子載波是正交的,極大提高了頻譜效率.可以預料的是,隨著通信系統將向基于IPv6核心網的全IP包的傳輸方向發展,越來越多的通信系統將具有"突發模式"的特征.本文關注的正是突發OFDM系統接收機設計和實現.由于IEEE 802.11a無線局域網是OFDM技術第一次真正的應用于突發系統,實現了面向IP的無線寬帶傳輸,所以基于IEEE 802.11a的突發OFDM系統有著重要的借鑒和研究價值,本文也正是圍繞著這個中心而展開.本文的各章節安排如下:在第一章中主要介紹OFDM的技術原理和在寬帶無線接入中的應用,同時引出本文所關注的突發OFDM接收機設計.在第二章中先介紹了相干接收和信道估計的概念,重點分析了本文所采用的WLAN信道模型和信道估計算法,然后在得到同步誤差表達式的基礎上,先用星座圖直觀的表現OFDM系統中各種同步誤差的影響,再從信噪比損失的角度對符種同步誤差進行分析.第三章是本文的重點之一,在本章中對基于IEEE 802.11a的各種同步算法包括幀檢測和符號定時、載波同步和采樣時鐘同步進行仿真和比較,并針對適合FPGA實現的同步算法進行了重點的分析.第四章也是本文的重點之一,提出了整個OFDM系統平臺的硬件結構和基于IEEE 802.11a的接收機FPGA設計方案,然后從整體上介紹了接收機的實現結構,并給出了接收機各個模塊的具體設計,最后對整個系統調試過程和測試結果進行了分析.
上傳時間： 2013-04-24
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隨著通信技術和計算機技術的發展，多媒體的應用與服務越來越廣泛，視頻壓縮編碼技術也隨之成為非常重要的研究領域。運動估計是視頻壓縮編碼中的一項關鍵技術。由于視頻編碼系統的復雜性主要取決于運動估計算法，因此如何找到一種可靠、快速、性能優良的運動估計算法一直是視頻壓縮編碼的研究熱點。運動估計在視頻編碼器中承擔的運算量最大、控制最為復雜，由于對視頻編碼的實時性要求，因此運動估計模塊一般都采用硬件來設計。 本文的目的是在FPGA芯片上設計實現一種更優的易于硬件實現的塊匹配運動估計算法——二步搜索算法。全文首先討論了塊匹配運動估計理論及其主要技術指標，介紹了運動估計技術在MPEG-4中的應用，然后在對典型的運動估計算法進行分析比較的基礎上討論了一種性能和硬件實現難易度綜合指數較高的二步搜索算法。本文對已有的用于全搜索算法實現的VLSI結構進行了改進，設計了符合二步搜索算法要求的FPGA實現結構，并在對其理論分析之后，對實現該算法的運動估計模塊進行了功能模塊的劃分，并運用VerilogHDL硬件描述語言、ISE及Modelsim開發工具在Spartan-IIEXC2S300eFPGA芯片上完成了對各功能模塊的設計、實現與時序仿真。最后，對整個運動估計模塊進行了仿真測試，給出了其在FPGA上搭建實現后的時序仿真波形圖與占用硬件資源情況，通過對時序仿真結果可知本文設計的各功能模塊工作正常，并且能夠協同工作，整個運動估計模塊能夠正確的實現二步搜索運動估計算法，并輸出正確的運動估計結果；通過對占用硬件資源及時鐘頻率情況的分析驗證了本文設計的二步搜索運動估計算法的FPGA實現結構具備先進性和實時可實現性。
上傳時間： 2013-05-27
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隨著圖像處理和模式識別技術的進步，基于生物特征的識別技術成為蓬勃發展的高技術之一，根據IBG(InternationalBiometricGroup)組織對生物特征市場的統計和預測，該領域的收入的年增長率30-50％，到2008年，全球總收入將達到46.39億美元。而基于指紋特征的識別技術由于其獨特的可靠性，穩定性，方便快捷的特點，恰好符合了市場的需求。目前指紋識別技術是生物識別領域中應用最廣泛的識別技術，也是研究與應用的一個熱點。 SOPC片上可編程系統和嵌入式系統是當前電子設計領域中最熱門的概念。NiosⅡ是Altera公司開發的一種采用流水線技術、單指令流的RISC嵌入式處理器軟核，可以將它嵌入FPGA內部，與用戶自定義邏輯結合構成一個基于FPGA的片上系統。與嵌入式硬核相比較，嵌入式軟核具有更大的靈活性。而FPGA的高速性、恰恰滿足了指紋識別系統對速度的要求。 本文對指紋識別技術中各個環節的算法進行了較為深入的研究，結合NiosⅡ嵌入式處理器的特點，對算法進行了合理的選擇與優化，形成了一套完整的指紋識別算法，并提出了一種基于FPGA的指紋識別系統硬件設計方案。 論文的內容主要包括以下幾個方面： 1、對指紋圖像預處理、后處理和匹配算法進行了改進，提高了算法的性能；設計了一種適用于快速匹配的指紋特征數據結構；提出了一套基于特征點匹配的指紋識別算法。實驗結果表明該算法速度快、誤識率較低、可靠性較高，可以滿足實用的要求。 2、本著增加系統集成度、減小系統體積、提高便攜性、降低功耗和成本，同時提升系統的性能的原則，使用Altera公司提供的外圍設備IP核配合NiosⅡ處理器軟核搭建了一個單片嵌入式系統，然后以內嵌NiosⅡ軟核的FPGA和FPS200指紋采集器為核心芯片，外配片外RAM和Flash存儲器以及小鍵盤和LCD顯示屏等器件，設計了一個便攜式指紋識別系統，提出了一套基于FPGA的硬件設計方案。 3、利用NiosⅡ開發板對硬件設計方案進行了初步的驗證，實現了指紋采集芯片FPS200與FPGA的接口，并進行了算法的移植。 實驗結果表明本文所提出的系統設計方案是可行的。基于FPGA的自動指紋識別系統在速度、功耗、體積、擴展性方面有著獨特的優勢，具有廣闊的發展空間。最后提出了對這一設計繼續改進的思路和下一步研究的內容。
上傳時間： 2013-07-28
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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，它具有頻譜利用率高、抗多徑能力強等特點，在寬帶無線多媒體通信領域中受到了廣泛的關注。 OFDM系統可分為連續工作模式和突發工作模式。在IEEE802.11a、HiperLANType2等無線局域網標準中采用了OFDM的突發工作模式，該模式下的接收機首先對符合某種特定格式的幀做出檢測。本文介紹了一種基于最小錯誤概率準則的幀檢測算法，提出了該算法的FPGA實現方案。 同步技術是OFDM最關鍵的技術之一，它包括載波頻率同步和符號同步。載波頻率同步是為了糾正接收端相對于發送端的載波頻率偏移，以保證子載波間的正交性；符號同步確定OFDM符號有用數據信息的開始時刻，也就是確定FFT窗的開始時刻。本文首先介紹了一種基于自相關的載波頻率同步算法，給出了它的FPGA實現方案，重點講述了其中用到的Cordic算法及其實現；然后介紹了分別基于互相關和自相關的兩種符號同步算法，給出了各自的FPGA實現方案，從實現的角度比較了兩種算法的優缺點，并且在FPGA設計中體現了面積復用和流水線操作的設計思想。 文章最后介紹了系統調試的情況，總結出一種ChipScopePro與Matlab相結合的調試方法，該方法在FPGA調試方面具有一定的通用性。
上傳時間： 2013-07-16
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本文主要研究Turbo碼的編碼和譯碼算法及其FPGA硬件實現.在概述信道編碼理論及其發展歷程之后,簡要地論述了Turbo碼的原理.然后分別對Turbo碼的MAP譯碼算法,LOG-MAP算法進行推導,在給出LOG-MAP的推導之后,提出了對于LOG-MAP譯碼算法的兩點改進,采用三階牛頓插值函數對校驗函數進行擬合,采用雙滑動窗口技術取代傳統的單滑動窗口技術.Turb碼還有一種譯碼復雜度相對較低的算法——SOVA算法,本文也給出了SOVA算法的詳細推導過程.在對LOG-MAP和SOVA算法的詳細推導之后,本文給出Turbo碼的軟件仿真,采用Matlab語言編寫Turbo碼仿真系統程序,仿真系統比較了單滑動窗口技術和雙滑動窗口技術在不同的信噪比下的譯碼性能.在軟件仿真的基礎上,本文給出了Turbo碼編碼器和采用LOG-MAP譯碼算法譯碼器的FPGA硬件實現方法.
上傳時間： 2013-06-19
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