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CCSDS圖像壓縮和AES加密算法研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)

遙感圖像是深空探測(cè)和近地觀測(cè)所得數(shù)據(jù)的重要載體，在軍事和社會(huì)經(jīng)濟(jì)生活領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。由于遙感圖像數(shù)據(jù)量巨大，它的存儲(chǔ)和傳輸已成為遙感信息應(yīng)用中的關(guān)鍵問題。圖像壓縮編碼技術(shù)能降低圖像冗余度，從而減小圖像的存儲(chǔ)容量和傳輸帶寬，它的研究對(duì)于遙感圖像應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。CCSDS圖像壓縮算法是空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)提出的圖像數(shù)據(jù)壓縮算法。該算法復(fù)雜度較低，并行性好，適合于硬件實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)空間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理，從而廣泛應(yīng)用于深空探測(cè)和近地觀測(cè)。對(duì)于直接關(guān)系到軍事戰(zhàn)略、經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面的遙感圖像的傳輸，必須對(duì)它進(jìn)行加密處理。AES加密算法是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所(NIST)于2000年發(fā)布的數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，它不但能抵抗各種攻擊，保證加密數(shù)據(jù)的安全性，而且易于軟件和硬件實(shí)現(xiàn)。本論文對(duì)CCSDS圖像壓縮算法和AES加密算法進(jìn)行了研究，完成的主要工作包括： (1)研究了CCSDS圖像壓縮算法的原理和結(jié)構(gòu)，用C語言實(shí)現(xiàn)了算法的編解碼器，并與SPIHT算法和JPEG2000算法的性能進(jìn)行了比較。 (2)研究了AES加密算法的原理和結(jié)構(gòu)，用C語言實(shí)現(xiàn)了算法的加解密器。 (3)介紹了實(shí)現(xiàn)CCSDS圖像壓縮算法和AES加密算法的FPGA設(shè)計(jì)所選擇的軟件開發(fā)工具、開發(fā)語言和硬件開發(fā)平臺(tái)。 (4)給出了CCSDS編碼器的FPGA實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)性能。 (5)給出了AES加密器的FPGA實(shí)現(xiàn)方法和實(shí)現(xiàn)性能。本文設(shè)計(jì)的CCSDS圖像壓縮和AES加密FPGA系統(tǒng)運(yùn)用了流水線設(shè)計(jì)、高速內(nèi)存設(shè)計(jì)、模塊并行化設(shè)計(jì)和模塊串行化設(shè)計(jì)等技術(shù)，在系統(tǒng)速度和資源面積上取得了較好的平衡，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

標(biāo)簽： CCSDS FPGA AES 圖像壓縮

上傳時(shí)間： 2013-07-15

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CCSDS圖像壓縮算法與AES加密算法的FPGA實(shí)現(xiàn)研究

本文以星載圖像數(shù)據(jù)的壓縮與加密為背景，對(duì)CCSDS圖像壓縮算法和AES數(shù)據(jù)加密算法做了深入研究。文章的主要工作包括： (1)實(shí)現(xiàn)了CCSDS圖像壓縮算法的C程序，并且與SPIHT算法和JPEG2000算法在星載圖像壓縮領(lǐng)域做了簡(jiǎn)單的對(duì)比； (2)對(duì)原始CCSDS圖像壓縮算法進(jìn)行了改進(jìn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法在提升算法性能的同時(shí)，降低了算法的復(fù)雜度； (3)研究了AES數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)了該算法的C程序； (4)用VerilogHDL語言實(shí)現(xiàn)了CCSDS圖像壓縮算法和AES數(shù)據(jù)加密算法的編碼器； (5)在FPGA硬件平臺(tái)上，驗(yàn)證了這兩種算法編碼器的正確性和有效性。

標(biāo)簽： CCSDS FPGA AES 圖像壓縮

上傳時(shí)間： 2013-04-24

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三種SPWM波形生成算法的分析與實(shí)現(xiàn)

變頻技術(shù)作為現(xiàn)代電力電子的核心技術(shù)，集現(xiàn)代電子、信息和智能技術(shù)于一體。而SPWM(正弦波脈寬調(diào)制)波的產(chǎn)生和控制則是變頻技術(shù)的核心之一。本文對(duì)SPWM 波形生成的三種算法--對(duì)稱規(guī)則采樣法、不對(duì)稱規(guī)則

標(biāo)簽： SPWM 波形分生成算法

上傳時(shí)間： 2013-04-24

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DVB信道編解碼算法研究與FPGA實(shí)現(xiàn)

隨著人們對(duì)于數(shù)字視頻和數(shù)字圖像的需求越來越大，數(shù)字電視廣播和手機(jī)電視迅速發(fā)展起來，但是人們對(duì)于數(shù)字圖像質(zhì)量的要求也越來越高。對(duì)于觀眾來講，畫面的質(zhì)量幾乎是最為重要的，然而由于信道傳輸特性不理想和加性噪聲的影響，不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤碼，導(dǎo)致圖像質(zhì)量的下降，甚至無法正常收看。因此，為了保障圖像質(zhì)量就需要采用糾錯(cuò)編碼(又稱信道編碼)的方式來實(shí)現(xiàn)通信。在數(shù)字視頻廣播系統(tǒng)(DVB)中，無論是衛(wèi)星傳輸，電纜傳輸還是地面?zhèn)鬏敹疾捎昧诵诺谰幋a。本文首先深入研究DVB標(biāo)準(zhǔn)中的信道編碼部分的關(guān)鍵技術(shù)；然后依照DVB-T標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)并硬件實(shí)現(xiàn)了數(shù)字視頻傳輸?shù)男诺谰幗獯a系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，編解碼器與信源端的接口利用了MPEG-2的視頻傳輸接口同步并行接口(SPI)，這種接口的應(yīng)用讓系統(tǒng)具有很強(qiáng)的通用性；與信道端接口采用了G.703接口，具有G.703接口功能和特性的數(shù)據(jù)通信設(shè)備可以直接與數(shù)字通信設(shè)備連接，這使得應(yīng)用時(shí)對(duì)于信道的選擇具有較大的靈活性。在深入理解RS編解碼算法，卷積交織/解交織原理，卷積編碼/VITERBI譯碼算法原理的基礎(chǔ)上，本文給出了解碼部分的設(shè)計(jì)方案，并利用Xilinx公司的SpartanⅢ系列XC3S2000芯片完成方案的硬件實(shí)現(xiàn)。在RS解碼過程中引入了流水線機(jī)制，從而很大程度上提高了解碼效率。解交織器部分采用了RAM分區(qū)循環(huán)法，利用對(duì)RAM讀寫地址的控制實(shí)現(xiàn)解卷積交織，這種方法控制電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)速度比較快，代價(jià)小。VITERBI譯碼器采用截尾譯碼，在幾乎不影響譯碼準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上大大提高了解碼效率。

標(biāo)簽： FPGA DVB 信道編解碼

上傳時(shí)間： 2013-07-16

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基于ARM和光纖傳感技術(shù)的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)研究

在利益的驅(qū)使下，超限運(yùn)輸在世界各地已成為了普遍現(xiàn)象。這給國家?guī)砹酥T多經(jīng)濟(jì)和社會(huì)問題。實(shí)踐證明動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)（WIM）能有效地抑制超限運(yùn)輸，但同時(shí)也存在部分問題，這些問題的解決有賴于國家相關(guān)法規(guī)的出臺(tái)，也有賴于關(guān)鍵測(cè)量設(shè)備（WIM系統(tǒng)）性能的提高。由于應(yīng)變式稱重傳感器容易受到各種環(huán)境干擾，對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差，課題采用光纖Bragg光柵傳感器(FBG)作為稱重傳感器，它具有很強(qiáng)的抗干擾性，利于提高系統(tǒng)測(cè)量精度。使用光纖傳感器的關(guān)鍵是波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)，本文在比較了幾種常見解調(diào)技術(shù)的前提下，結(jié)合課題的實(shí)際情況選用了基于F-P腔可調(diào)諧濾波解調(diào)方法，文章在分析該解調(diào)方法原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了解調(diào)器中的各個(gè)硬件電路模塊；此外，為了提高數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)男剩恼逻€對(duì)數(shù)據(jù)緩沖電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，在電路中引入了換體存儲(chǔ)及DMA傳輸技術(shù)。鑒于動(dòng)態(tài)稱重信號(hào)為短歷程信號(hào)并且包含各種各樣的噪聲，稱重算法的研究也是本課題要解決的重要內(nèi)容。本文在分析了稱臺(tái)振動(dòng)及已有先驗(yàn)知識(shí)的基礎(chǔ)上，將小波分析、LM非線性擬合算法及殘差分析相結(jié)合應(yīng)用在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中，為了驗(yàn)證算法的有效性，利用MATLAB對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明該算法能夠提高測(cè)量精度。提高動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)性能指標(biāo)的另一方面是提高系統(tǒng)運(yùn)行的軟硬件平臺(tái)。課題采用的核心硬件為Xscale ARM平臺(tái)，處理器時(shí)鐘可高達(dá)400MHz；軟件上采用了多用戶、多任務(wù)的Linux操作系統(tǒng)平臺(tái)。文章對(duì)操作系統(tǒng)linux2.6進(jìn)行了合適的配置，成功地將它移植到了課題的ARM平臺(tái)上，并且在此操作系統(tǒng)上設(shè)計(jì)了基于MiniGUI的人機(jī)交互界面及波長(zhǎng)解調(diào)和數(shù)據(jù)緩沖電路的驅(qū)動(dòng)程序。

標(biāo)簽： ARM 光纖傳感技術(shù) 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)研究

上傳時(shí)間： 2013-07-26

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高精度電網(wǎng)功率因數(shù)測(cè)量加權(quán)插值FFT優(yōu)化算法

高精度電網(wǎng)功率因數(shù)測(cè)量加權(quán)插值FFT優(yōu)化算法

標(biāo)簽： FFT 高精度電網(wǎng) 功率因數(shù)

上傳時(shí)間： 2013-05-22

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Turbo碼譯碼算法研究及其FPGA實(shí)現(xiàn)

在通信系統(tǒng)中，人們一直致力于信息傳輸?shù)挠行院涂煽啃缘难芯浚诺兰m錯(cuò)編碼技術(shù)一直是人們研究的重點(diǎn)。1993年，Turbo碼的提出，以其接近Shannon極限的優(yōu)異的譯碼性能在編碼界引起了轟動(dòng)，并成為研究糾錯(cuò)編碼的熱點(diǎn)課題。經(jīng)過十幾年的研究和發(fā)展，目前，Turbo碼已經(jīng)走向了實(shí)用化的道路，如何用硬件實(shí)現(xiàn)有效的Turbo碼編譯碼器成為了人們研究的重點(diǎn)。論文以基于FPGA實(shí)現(xiàn)Turbo碼譯碼器為研究目標(biāo)，首先分析了Turbo碼的基本編譯碼原理和3GPP標(biāo)準(zhǔn)的Turbo碼編碼結(jié)構(gòu)和交織算法。然后重點(diǎn)分析了MAP譯碼算法，Log-MAP譯碼算法和：Max-Log-MAP譯碼算法，并對(duì)三種譯碼算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo)和計(jì)算復(fù)雜度的定量分析比較，對(duì)影響Turbo碼譯碼性能的主要因素進(jìn)行了MATLB仿真分析。論文在深入分析比較上述三種譯碼算法的基礎(chǔ)之上，選擇Max-Log-MAP譯碼算法進(jìn)行了Turbo碼譯碼器的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。主要針對(duì)FPGA實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)量化、定點(diǎn)數(shù)據(jù)表示方式、Max-Log-MAP算法子譯碼器關(guān)鍵運(yùn)算單元的FPGA設(shè)計(jì)和基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的Turbo碼譯碼器的內(nèi)交織的FPGA設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入研究，完成了固定譯碼長(zhǎng)度的Turbo碼譯碼器的FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并利用ModelSim和MATLAB分別對(duì)譯碼器進(jìn)行了功能時(shí)序驗(yàn)證和FPGA定點(diǎn)仿真測(cè)試。

標(biāo)簽： Turbo FPGA 譯碼算法研究

上傳時(shí)間： 2013-07-09

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WiMAX網(wǎng)絡(luò)終端基帶算法與FPGA實(shí)現(xiàn)

隨著全球經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)和信息技術(shù)持續(xù)發(fā)展，越來越多用戶提出了對(duì)數(shù)據(jù)、語音和視訊等寬帶接入業(yè)務(wù)的需求。傳統(tǒng)的接入網(wǎng)技術(shù)己成為新一代寬帶通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的瓶頸，通信網(wǎng)絡(luò)的寬帶化成為一個(gè)必然的趨勢(shì)。在眾多新興的接入技術(shù)中，寬帶無線接入技術(shù)以其特有的優(yōu)勢(shì)成為近年來通信技術(shù)市場(chǎng)的最大亮點(diǎn)。基于IEEE802．16e的WiMAX技術(shù)作為一種面向無線城域網(wǎng)(WMAN)的寬帶接入方案，正以其優(yōu)異的性能和廣闊的市場(chǎng)前景而倍受關(guān)注。本文是基于WiMAX技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)終端的設(shè)計(jì)，根據(jù)IEEE802.16e協(xié)議，物理層需要對(duì)收發(fā)信息進(jìn)行編解碼、調(diào)制解調(diào)等的處理，其中包含很多運(yùn)算密集的算法；這些處理有些適合硬件邏輯實(shí)現(xiàn)，有些適合數(shù)字信號(hào)處理器實(shí)現(xiàn)，所以設(shè)計(jì)采用了FPGAs+DSPs的實(shí)現(xiàn)方式。考慮對(duì)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的不同處理，在詳細(xì)分析上行和下行鏈路的工作過程的基礎(chǔ)上，對(duì)模塊的進(jìn)行了詳細(xì)劃分，并對(duì)系統(tǒng)的FPGA部分進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中本文充分考慮了FPGA和DSP之間處理的優(yōu)缺點(diǎn)，并注意避免器件之間通信的復(fù)雜化，在滿足器件之間數(shù)據(jù)流量的同時(shí)，盡量使數(shù)據(jù)流向簡(jiǎn)單化，避免了延時(shí)增加和接口帶寬調(diào)度的復(fù)雜化。最終整個(gè)設(shè)計(jì)完成完整的802.16e網(wǎng)絡(luò)終端的物理層基帶處理功能。

標(biāo)簽： WiMAX FPGA 網(wǎng)絡(luò)終端基帶

上傳時(shí)間： 2013-06-01

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AES加、解密算法的FPGA優(yōu)化設(shè)計(jì)

2000年10月2日，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所宣布采用Rijndael算法作為高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)，并于2002年5月26日正式生效，AES算法將在今后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，在信息安全中扮演重要角色。因此，對(duì)AES算法實(shí)現(xiàn)的研究就成為了國內(nèi)外的熱點(diǎn)，會(huì)在信息安全領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。用FPGA實(shí)現(xiàn)AES算法具有快速、靈活、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。本論文就是針對(duì)AES加、解密算法在同一片F(xiàn)PGA中的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)問題，在深入分析了AES算法的整體結(jié)構(gòu)、基本變換以及加、解密流程的基礎(chǔ)上，對(duì)AES算法的加、解密系統(tǒng)的FPGA優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容為： 1．確定了實(shí)現(xiàn)方案以及關(guān)鍵技術(shù)，在比較了常用的結(jié)構(gòu)后，采用了適合高速并行實(shí)現(xiàn)AES加、解密算法的結(jié)構(gòu)——內(nèi)外混合的流水線結(jié)構(gòu)，并給出了總體的設(shè)計(jì)框圖。由于流水線結(jié)構(gòu)不適用于反饋模式，為了達(dá)到較高的運(yùn)算速度，該系統(tǒng)使用的是電碼本模式(ECB)的工作方式； 2．對(duì)各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)分別予以詳細(xì)分析，結(jié)合算法本身和FPGA的特點(diǎn)，采用查表法優(yōu)化處理了字節(jié)代換運(yùn)算，列混合運(yùn)算和密鑰擴(kuò)展運(yùn)算。同時(shí)，考慮到應(yīng)用環(huán)境的不同，本設(shè)計(jì)支持?jǐn)?shù)據(jù)分組為128比特，密鑰長(zhǎng)度為128比特、192比特以及256比特三種模式下的AES算法加、解密過程。完成了AES加、解密算法在同一片F(xiàn)PGA中實(shí)現(xiàn)的這個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)； 3．利用QLJARTUSII開發(fā)工具進(jìn)行代碼的編寫工作和綜合編譯工作，在 MODELSIM中進(jìn)行仿真并給出仿真結(jié)果，給出了各個(gè)模塊和整個(gè)設(shè)計(jì)的仿真測(cè)試結(jié)果； 4．和其他類似的設(shè)計(jì)做了橫向?qū)Ρ龋贸鼋Y(jié)論：本設(shè)計(jì)在保證了速度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了資源和速度的均衡，在性能上具有較大的優(yōu)勢(shì)。

標(biāo)簽： FPGA AES 解密算法

上傳時(shí)間： 2013-05-25

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H.264幀內(nèi)預(yù)測(cè)算法優(yōu)化及幾個(gè)重要模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

H.264作為新一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，相比上一代視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)MPEG2，在相同畫質(zhì)下，平均節(jié)約64﹪的碼流。該標(biāo)準(zhǔn)僅設(shè)定了碼流的語法結(jié)構(gòu)和解碼器結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活性極大，其規(guī)定了三個(gè)檔次，每個(gè)檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應(yīng)用，因此。H.264的編碼器的設(shè)計(jì)可以根據(jù)需求的不同而不同。 H.264雖然具有優(yōu)異的壓縮性能，但是其復(fù)雜度卻比一般編碼器高的多。本文對(duì)H.264進(jìn)行了編碼復(fù)雜度分析，并統(tǒng)計(jì)了整個(gè)軟件編碼中計(jì)算量的分布。H.264中采用了率失真優(yōu)化算法，提高了幀內(nèi)預(yù)測(cè)編碼的效率。在該算法下進(jìn)行幀內(nèi)預(yù)測(cè)時(shí)，為了得到一個(gè)宏塊的預(yù)測(cè)模式，需要進(jìn)行592次率失真代價(jià)計(jì)算。因此為了降低幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇的計(jì)算復(fù)雜度，本文改進(jìn)了幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇算法。實(shí)踐證明，在PSNR值的損失可以忽略不計(jì)的情況下，該算法相比原算法，幀內(nèi)編碼時(shí)間平均節(jié)約60﹪以上，對(duì)編碼的實(shí)時(shí)性有較大幫助。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)編碼，考慮到FPGA的高效運(yùn)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(shí)現(xiàn)。首先研究了H.264編碼器硬件實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并對(duì)影響編碼速度，且具有硬件實(shí)現(xiàn)優(yōu)越性的幾個(gè)重要部分進(jìn)行了算法研究和FPGA.實(shí)現(xiàn)。本文主要研究了H.264編碼器中整數(shù)DCT變換、量化、Zig-Zag掃描、CAVLC編碼以及反量化、逆整數(shù)DCT變換等部分。分別對(duì)這些模塊進(jìn)行了綜合和時(shí)序仿真，并將驗(yàn)證后通過的系統(tǒng)模塊下載到Xilinx virtex-Ⅱ Pro的FPGA中，進(jìn)行了在線測(cè)試，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)輸入的殘差數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)壓縮編碼的功能。本文對(duì)H.264編碼器幀內(nèi)預(yù)測(cè)模式選擇算法的改進(jìn)，算法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，對(duì)軟件編碼的實(shí)時(shí)性有很大幫助。本文對(duì)在單片F(xiàn)PGA上實(shí)現(xiàn)H.264編碼器做出了探索性嘗試，這對(duì)H.264編碼器芯片的設(shè)計(jì)有著積極的借鑒性。

標(biāo)簽： FPGA 264 幀內(nèi)預(yù)測(cè) 算法優(yōu)化

上傳時(shí)間： 2013-05-25

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