近年來，隨著多媒體技術的迅猛發展，電子、計算機、通訊和娛樂之間的相互融合、滲透越來越多，而數字音頻技術則是應用最為廣泛的技術之一。MP3(MPEG-1 Audio LayerⅢ)編解碼算法作為數字音頻的解決方案，在便攜式多媒體產品中得到了廣泛流行。 在已有的便攜式MP3系統實現方案中，低速處理器與專用硬件結合的SOC設計方案結合了硬件實現方式和軟件實現方式的優點，具有成本低、升級容易、功能豐富等特點。IMDCT(反向改進離散余弦變換)是編解碼算法中一個運算量大調用頻率高的運算步驟，因此適于硬件實現，以降低處理器的開銷和功耗，來提高整個系統的性能。 本文首先闡述了MP3音頻編解碼標準和流程，以及IMDCT常用的各種實現算法。在此基礎上選擇了適于硬件實現的遞歸循環實現方法，并在已有算法的基礎上進行了改進，減小了所需硬件資源需求并保持了運算速度。接著提出了模塊總體設計方案，結合算法進行了實現結構的優化，并在EDA環境下具體實現，用硬件描述語言設計、綜合、仿真，且下載到Xilinx公司的VirtexⅡ系列xc2v1000FPGA器件中，在減小硬件資源的同時快速地實現了IMDCT，經驗證功能正確。
上傳時間： 2013-05-31
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H.264作為新一代視頻編碼標準，相比上一代視頻編碼標準MPEG2，在相同畫質下，平均節約64﹪的碼流。該標準僅設定了碼流的語法結構和解碼器結構，實現靈活性極大，其規定了三個檔次，每個檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應用，因此。H.264的編碼器的設計可以根據需求的不同而不同。 H.264雖然具有優異的壓縮性能，但是其復雜度卻比一般編碼器高的多。本文對H.264進行了編碼復雜度分析，并統計了整個軟件編碼中計算量的分布。H.264中采用了率失真優化算法，提高了幀內預測編碼的效率。在該算法下進行幀內預測時，為了得到一個宏塊的預測模式，需要進行592次率失真代價計算。因此為了降低幀內預測模式選擇的計算復雜度，本文改進了幀內預測模式選擇算法。實踐證明，在PSNR值的損失可以忽略不計的情況下，該算法相比原算法，幀內編碼時間平均節約60﹪以上，對編碼的實時性有較大幫助。 為了實現實時編碼，考慮到FPGA的高效運算速度和使用靈活性，本文還研究了H.264編碼器基本檔次的FPGA實現。首先研究了H.264編碼器硬件實現架構，并對影響編碼速度，且具有硬件實現優越性的幾個重要部分進行了算法研究和FPGA.實現。本文主要研究了H.264編碼器中整數DCT變換、量化、Zig-Zag掃描、CAVLC編碼以及反量化、逆整數DCT變換等部分。分別對這些模塊進行了綜合和時序仿真，并將驗證后通過的系統模塊下載到Xilinx virtex-Ⅱ Pro的FPGA中，進行了在線測試，驗證了該系統對輸入的殘差數據實時壓縮編碼的功能。 本文對H.264編碼器幀內預測模式選擇算法的改進，算法實現簡單，對軟件編碼的實時性有很大幫助。本文對在單片FPGA上實現H.264編碼器做出了探索性嘗試，這對H.264編碼器芯片的設計有著積極的借鑒性。
上傳時間： 2013-06-13
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軟件無線電作為一種新的無線通信概念和體制，近年來隨著3G標準的提出，日益受到國內外相關通信廠商的重視。尤其是基于軟件無線電和智能天線技術的TD-SCDMA作為通信史上第一個“中國標準”，有望扭轉多年來我國移動通信制造業的被動局面，是實現信息產業騰飛的一個絕好機會。軟件無線電使得通信體制具有很好的通用性、靈活性和可配置性，并使系統互聯和升級變得容易。本文以軟件無線電中的FIR濾波器為線索，貫穿了信號重構、多抽樣率信號處理、積分梳狀濾波器等理論分析，重點闡釋了FIR濾波器的設計方法及濾波器的FPGA實現等技術問題。 本文首先針對軟件無線電中的多抽樣率信號處理理論進行了討論和分析。討論了軟件無線電中如何實現整數倍抽取、整數倍內插、分數倍抽樣率變換，并分析了網絡結構的等效變換、多相濾波及積分梳狀濾波器的設計理論。 緊接著重點闡述了軟件無線電中FIR濾波器的設計理論，包括窗函數法、頻率抽樣法及等紋波法。分析了各種設計方法所能達到的性能指標及優缺點，并結合工程實例給出了相關的Matlab程序。并對FIR濾波器結構的選擇及系數字長的確定等問題進行了分析。此外，也介紹了在Matlab進行輔助設計時一些常用函數和命令的用法。 本文選用FPGA來實現中頻軟件無線電，FPGA與參數化ASIC、DSP比較有很多優勢，它不但在功耗、體積、成本方面優于參數化ASIC、DSP，而且處理效率高、現場可編程性能良好。不同于DSP的單流處理方式，FPGA是多流并行處理，這種處理方式使FPGA能完成DSP難以實現的許多功能。在簡單介紹了FPGA的一般原理，以及FPGA設計中的關鍵技術和在信號處理中的設計原則以后，重點介紹了FIR濾波器的FPGA實現方法。提出了分布式算法、加法器網絡法以及分段FIFO等實現方法。最后，提出了一種QuartusII與MATLAB聯合仿真的方法。此方法能夠直觀的檢驗濾波器的濾波效果，提高設計效率。并結合工程實例詳盡的介紹了FIR濾波器的設計開發流程。
上傳時間： 2013-04-24
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圖像縮放在圖像處理領域中，發揮著重要作用。圖像的分辨率調整和格式變換，都需要用到圖像縮放技術。隨著多媒體技術和大規模集成電路的發展，利用硬件實現視頻圖像無級縮放已成為圖像處理研究的一個重要課題。 圖像縮放通常由插值算法實現。傳統的插值算法由于實現原理的局限性，在縮放時容易引起邊緣鋸齒或細節模糊現象。針對傳統插值算法的這個不足，出現了許多基于邊緣改進的算法。但這些算法一般只能完成2k倍數插值，無法真正做到基于邊緣的無級縮放。 為了實現基于邊緣改進的無級縮放，本文做了如下五個方面的研究工作： 1.系統回顧了圖像縮放技術，包括傳統圖像縮放技術和多邊緣檢測插值，分析了這些圖像縮放技術的優缺點。 2.重點研究了新興的方向多項式插值算法，該算法能夠真正完成基于邊緣改進的無級縮放。 3.提出改進的方向多項式插值算法(IOPI算法)，該算法針對硬件實現，做了兩個方面改進：提出EDV算法，簡化邊緣方向的確定；提出Cubic6逼近插值算法(A-Cubic6算法)，改善平坦區域縮放效果。其中的EDV算法通過加減、比較模塊，完成邊緣方向的確定。相比原算法中的乘除法、直方圖計算，大大簡化了硬件實現，降低了硬件實現成本。A-Cubic6算法利用查找表簡化了Cubic6點插值算法的實現，而且明顯改善了非邊緣區域的縮放效果。 4.研究縮放算法與圖像質量的評價方法。比較、分析各算法的軟件仿真結果，得出結論：本文提出的IOPI算法在平坦區域和邊緣區域都具有比其它算法更突出的效果。 5.結合實時視頻處理要求，研究了IOPI算法的FPGA實現。已完成最近鄰域插值和A-Cubic6算法的FPGA實現，可以在硬件平臺上穩定工作。
上傳時間： 2013-06-05
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數控系統在工礦領域已得到廣泛應用，計算機數控系統通過對數字化信息的處理和運算，并轉化成脈沖信號，實現對步進電機的控制，進而控制數控機床動作和零件加工。隨著嵌入式技術的發展，我們可以設計規模更小，成本更低，功能更特定的嵌入式系統來完成傳統計算機數控系統所完成的工作。 步進電機以其精度高、控制靈活、定位準確、起停迅速、工作可靠、能直接接受數字信號的特點，成為數控系統中的重要執行部件。然而根據步進電機的特性，必須要采取適當而有效的升降速控制策略，特別是在多電機連動的系統中，對多個電機連動的速度控制和脈沖分配也很值得研究。在本文中作者將介紹一種三軸連動的速度控制和脈沖分配的優化算法，以及其在基于FPGA和ARM配合的高速數控雕刻機控制系統中的實現。 在本文中還可以看見，為了減小本系統中主控MCU的壓力，作者還將利用FPGA來設計一個針對多電機連動的速度控制和脈沖分配優化算法的外圍定制控制器。 最終實驗結果表明，作者所提出的優化算法及其在本系統的實現方案，完全達到客戶所提出的高速數控雕刻機控制系統的各項設計性能指標。
上傳時間： 2013-07-02
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建立在數據率轉換技術之上的寬帶數字偵察接收機要求能夠實現高截獲概率、高靈敏度、近乎實時的信號處理能力。雙信號數據率轉換技術是寬帶數字偵察接收機關鍵技術之一，是解決寬帶數字接收機中前端高速ADC采樣的高速數據流與后端DSP處理速度之間瓶頸問題的可行方案。測頻技術以及帶通濾波，即寬帶數字下變頻技術，是實現數據率轉換系統的關鍵技術。本文首先介紹了寬帶數字偵察接收關鍵技術之一的數據率轉換技術，著重研究了快速、高精度雙信號測頻算法以及實驗系統硬件實現。論文主要工作如下： (1)分析了現代電子偵察環境下的信號特征，指出寬帶數字接收機必須滿足寬監視帶寬、流水作業以及近實時的響應時間。給出了一種頻率引導式的數字接收機方案，簡要介紹這種接收機的關鍵技術——快速、高精度頻率估計以及高效的數據率轉換。 (2)介紹了FFT技術在測頻算法中的應用，比較了FFT專用芯片及其優點和缺點，指出為了滿足實時處理要求，必須選用FPGA設計FFT模塊。 (3)在分析常規的插值算法基礎上，提出了一種單信號的快速插值頻率估計方法，只需三個FFT變換系數的實部構造頻率修正項，計算量低。該方法具有精度高、測頻速率快的特點。 (4)基于DFT理論和自相關理論，提出了結合FFT和自相關的雙信號頻率估計算法。該方法先用DFT估計其中一個信號的頻率和幅度，以此頻率對信號解調并對消該頻率成分，最后利用自相關理論估計出另一個信號的頻率。 (5)基于DFT理論和FFT技術，研究了信號平方與FFT結合的雙信號頻率估計算法。根據信號中兩頻率分量的幅度比，只需一次一維平方信號譜峰搜索，就可以得到雙信號的和頻與差頻分量的估計值，并利用插值技術提高測頻精度。該算法能夠精確地估計頻率間隔小的雙信號頻率，且容易地擴展到復信號，FPGA硬件實現容易。 (6)基于現代譜分析理論，研究了基于AR(2)模型的雙信號頻率估計算法。方法在利用AR(2)模型系數估計雙正弦信號頻率之和的同時，利用FFT快速測頻算法估計其中強信號分量的頻率值。算法仿真驗證和性能分析表明了提出的算法能快速高精度地估計雙信號頻率。 (7)給出了基于頻譜重心算法的雷達雙信號頻率估計的FPGA硬件實現架構，并進行了時序仿真。 (8)討論了雙信號帶寬匹配接收系統的硬件設計方案，給出了快速測頻及帶寬估計模塊設計。
上傳時間： 2013-06-02
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相位激光測距是一種高精度的距離測量技術，隨著電子器件和信號處理技術的發展，這種測距技術在軍用和民用領域必將得到更為廣泛的研究和應用。本文介紹了一種基于FPGA嵌入式技術的相位激光測距系統，該系統采用先進的FPGA技術，實現了調制信號產生、信息控制與處理三個模塊的整合，解決了傳統相位激光測距所難以克服的弱點。 文中闡述了激光測距和調制信號源的基本原理，分析了影響測距精度的因素，指出應用DDS技術可以實現寬帶、高精度的調制信號輸出，說明了引起DDS輸出信號雜散的原因和解決的辦法。分析了應用FFT運算實現信號相位提取的基本原理及設計方法，采用這種檢相技術，可以極大地提高測相精度與靈敏度。提出了基于FPGA嵌入式系統的相位式激光測距機的整體設計，并就各部分進行了詳細的分析與設計。介紹了激光測距系統的外圍電路和基于QuartusⅡ集成軟件平臺的部分硬件電路的設計，并對其中的設計進行了仿真和驗證，總結提出了對系統今后的進一步改進和完善的思路。
上傳時間： 2013-06-28
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可編程邏輯器件FPGA(現場可編程門陣列)和CPLD(復雜可編程邏輯器件)越來越多的應用于數字信號處理領域，與傳統的ASIC(專用集成電路)和DSP(數字信號處理器)相比，基于FPGA和CPLD實現的數字信號處理系統具有更高的實時性和可嵌入性，能夠方便地實現系統的集成與功能擴展。 FFT的硬件結構主要包括蝶形處理器、存儲單元、地址生成單元與控制單元。本文提出的算法在蝶形處理器內引入流水線結構，提高了FFT的運算速度。同時，流水線寄存器能夠寄存蝶形運算中的公共項，這樣在設計蝶形處理器時只用到了一個乘法器和兩個加法器，降低了硬件電路的復雜度。 為了進一步提高FFT的運算速度，本文在深入研究各種乘法器算法的基礎上，為蝶形處理器設計了一個并行乘法器。在實現該乘法器時，本文采用改進的布斯算法，用以減少部分積的個數。同時，使用華萊士樹結構和4-2壓縮器對部分積并行相加。 本文以32點復數FFT為例進行設計與邏輯綜合。通過設計相應的存儲單元，地址生成單元和控制單元完成FFT電路。電路的仿真結果與軟件計算結果相符，證明了本文所提出的算法的正確性。 另外，本文還對設計結果提出了進一步的改進方案，在乘法器內加入一級流水線寄存器，使FFT的速度能夠提高到當前速度的兩倍，這在實時性要求較高的場合具有極高的實用價值。
上傳時間： 2013-07-18
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本課題設計和完成了一套基于DSP+FPGA結構的小波變換實時圖像處理系統。采用小波算法對圖像進行邊緣提取、圖像增強、圖像融合等處理，并在ADSP-BF535上實現了小波算法，分析了其運行小波算法的性能。圖像處理的數據量比較大，而且運算比較復雜，DSP的特殊結構和性能很好地滿足了系統實現的需要，而FPGA的高速性和靈活性也滿足了系統實時性和穩定性的需要，所以采用DSP+FPGA來實現圖像處理系統是可靠的，也是可行的。系統的硬件設計以DSP和FPGA為平臺，DSP實現算法、管理系統運行、并實現了系統的自啟動；FPGA實現一些接口、時序控制等，簡化了外圍電路，提高了系統的可靠性。結果表明，在ADSP-BF535上實現小波算法，效果良好，而且滿足系統實時性的要求。最后，總結了系統的設計和調試經驗，對調試時遇到的一些問題進行了分析。
上傳時間： 2013-04-24
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近年來微光、紅外、X光圖像傳感器在軍事、科研、工農業生產、醫療衛生等領域的應用越來越為廣泛，但由于這些成像器件自身的物理缺陷，視覺效果很不理想，往往需要對圖像進行適當的處理，以得到適合人眼觀察或機器識別的圖像。因此，市場急需大量高效的實時圖像處理器能夠在傳感器后端對這類圖像進行處理。而FPGA的出現，恰恰解決了這個問題。 近十年來，隨著FPGA(現場可編程門陣列)技術的突飛猛進，FPGA也逐漸進入數字信號處理領域，尤其在實時圖像處理方面。Xilinx的研究表明，在2000年主要用于DSP應用的FPGA的發貨量，增長了50％；而常規的DSP大約增長了40％。由于FPGA可無比擬的并行處理能力，使得FPGA在圖像處理領域的應用持續上升，國內外，越來越多的實時圖像處理應用都轉向了FPGA平臺。與PDSP相比，FPGA將在未來統治更多前端(如傳感器)應用，而PDSP將會側重于復雜算法的應用領域。可以說，FPGA是數字信號處理的一次重大變革。 算法是圖像處理應用的靈魂，是硬件得以發揮其強大功能的根本。”共軛變換”圖像處理方法是一種新型的圖像處理算法，由鄭智捷博士上個世紀90年代初提出。這種算法使用基元形狀(meta-shape)技術，而這種技術的特征正好具備幾何與拓撲的雙重特性，使得大量不同的基于形態的灰度圖像處理濾波器可用這種方法實現。該種算法在空域進行圖像處理，無需進行大量復雜的算術運算，算法簡單、快速、高效，易于硬件實現。通過十多年來的實驗與實踐證明，在微光圖像，紅外圖像，X光圖像處理領域，”共軛變換”圖像處理方法確實有其獨特的優異性能。本篇論文就針對”共軛變換”圖像處理方法在微光圖像處理領域的應用，就如何在FPGA上實現”共軛變換”圖像處理方法展開研究。首先在Matlab環境下，對常用的圖像增強算法和”共軛變換”圖像處理方法進行了比較，并且在設計制作“FPGA視頻處理開發平臺”的基礎上，用VHDL實現了”共軛變換”圖像處理方法的基本內核并進行了算法的硬件實現與效果驗證。此外，本文還詳細地討論了視頻流的采集及其編碼解碼問題以及I2C總線的FPGA實現。
上傳時間： 2013-04-24
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