數字信號處理是信息科學中近幾十年來發展最為迅速的學科之一。常用的實現高速數字信號處理的器件有DSP和FPGA。FPGA具有集成度高、邏輯實現能力強、速度快、設計靈活性好等眾多優點，尤其在并行信號處理能力方面比DSP更具優勢。在信號處理領域，經常需要對多路信號進行采集和實時處理，為解決這一問題，本文設計了基于FPGA的數據采集和處理系統。 本文首先介紹數字信號處理系統的組成和數字信號處理的優點，然后通過FFT算法的比較選擇和硬件實現方案的比較選擇，進行總體方案的設計。在硬件方面，特別討論了信號調理模塊、模數轉換模塊、FPGA芯片配置等功能模塊的設計方案和硬件電路實現方法。信號處理單元的設計以Xilinx ISE為軟件平臺，采用VHDL和IP核的方法，設計了時鐘產生模塊、數據滑動模塊、FFT運算模塊、求模運算模塊、信號控制模塊，完成信號處理單元的設計，并采用ModelSim仿真工具進行相關的時序仿真。最后利用MATLAB對設計進行驗證，達到技術指標要求。
上傳時間： 2013-07-07
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視頻序列中運動目標的檢測是計算機視覺和圖像編碼研究領域的一個重要課題，在機器人導航、智能監視系統、交通監測、醫學圖像處理以及視頻圖像壓縮和傳輸等領域都有廣泛的應用。FPGA作為當今主流的大規模可編程專用集成電路，可以滿足高速圖像處理的需要。使用FPGA可以充分利用硬件上的并行性，從本質上改善圖像處理的速度，使對大數據量的圖像處理達到實時性。本文提出基于FPGA的運動目標檢測系統，對以后算法的改進，輸入輸出圖像大小的變化，圖像采集和顯示設備更換等都具有靈活性。 本文對目前運動目標檢測的主要算法研究分析，根據背景減法的適用環境和特點提出改進的W4運動檢測算法。該算法具備背景減法的優點，并且克服了W4運動檢測算法在環境變化較快或環境變化較頻繁條件下對運動目標進行檢測的局限性。 本文首先在MATLAB中對改進的W4運動檢測算法進行仿真，然后將算法移植到FPGA中實現。設計圖像采集、圖像檢測和VGA顯示等模塊，完善運動目標檢測系統。根據算法和運動目標檢測系統的特點提出一種基于改進的W4算法的快速檢測方法，該方法以塊為單位進行運動目標檢測，可以有效地提高圖像處理的速度，使系統滿足實時性要求。
上傳時間： 2013-07-20
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隨著電子技術和計算機技術的飛速發展，視頻圖像處理技術近年來得到極大的重視和長足的發展，其應用范圍主要包括數字廣播、消費類電子、視頻監控、醫學成像及文檔影像處理等領域。當前視頻圖像處理主要問題是當處理的數據量很大時，處理速度慢，執行效率低。而且視頻算法的軟件和硬件仿真和驗證的靈活性低。 本論文首先根據視頻信號的處理過程和典型視頻圖像處理系統的構成提出了基于FPGA的視頻圖像處理系統總體框圖；其次選擇視頻轉換芯片SAA7113，完成視頻圖像采集模塊的設計，主要分三步完成：1)配置視頻轉換芯片的工作模式，完成視頻轉化芯片SAA7113的初始化：2)通過分析輸出數據流的格式標準，來識別奇偶場信號、場消隱信號和有效行數據的開始和結束信號三種控制信號，并根據控制信號，用Verilog硬件描述語言編程實現圖像數據的采集；3)分析SRAM的讀寫控制時序，采用兩塊SRAM完成圖像數據的存儲。然后編寫軟件測試文件，在ISE Simulator仿真環境進行程序測試與運行，并分析仿真結果，驗證了數據采集和存儲的正確性；最后，對常用視頻圖像算法的MATLAB仿真，選擇適當的算子，采用工具MATLAB、System Generator for DSP和ISE，利用模塊構建方式，搭建視頻算法平臺，實現圖像平滑濾波、銳化濾波算法，在Simulink中仿真并自動生成硬件描述語言和網表，對資源的消耗做簡要分析。 本論文的創新點是采用新的開發環境System Generator for DSP實現視頻圖像算法。這種開發視頻圖像算法的方式靈活性強、設計周期短、驗證方便、是視頻圖像處理發展的必然趨勢。
上傳時間： 2013-07-28
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視頻監控一直是人們關注的應用技術熱點之一，它以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛用于在電視臺、銀行、商場等場合。在視頻圖像監控系統中，經常需要對多路視頻信號進行實時監控，如果每一路視頻信號都占用一個監視器屏幕，則會大大增加系統成本。視頻圖像畫面分割器主要功能是完成多路視頻信號合成一路在監視器顯示，是視頻監控系統的核心部分。 傳統的基于分立數字邏輯電路甚至DSP芯片設計的畫面分割器的體積較大且成本較高。為此，本文介紹了一種基于FPGA技術的視頻圖像畫面分割器的設計與實現。 本文對視頻圖像畫面分割技術進行了分析，完成了基于ITU-RBT.656視頻數據格式的畫面分割方法設計；系統采用Xilinx公司的FPGA作為核心控制器，設計了視頻圖像畫面分割器的硬件電路，該電路在FPGA中，將數字電路集成在一起，電路結構簡潔，具有較好的穩定性和靈活性；在硬件電路平臺基礎上，以四路視頻圖像分割為例，完成了I2C總線接口模塊，異步FIFO模塊，有效視頻圖像數據提取模塊，圖像存儲控制模塊和圖像合成模塊的設計，首先，由攝像頭采集四路模擬視頻信號，經視頻解碼芯片轉換為數字視頻圖像信號后送入異步FIFO緩沖。然后，根據畫面分割需要進行視頻圖像數據抽取，并將抽取的視頻圖像數據按照一定的規則存儲到圖像存儲器。最后，按照數字視頻圖像的數據格式，將四路視頻圖像合成一路編碼輸出，實現了四路視頻圖像分割的功能。從而驗證了電路設計和分割方法的正確性。 本文通過由FPGA實現多路視頻圖像的采集、存儲和合成等邏輯控制功能，I2C總線對兩片視頻解碼器進行動態配置等方法，實現四路視頻圖像的輪流采集、存儲和圖像的合成，提高了系統集成度，并可根據系統需要修改設計和進一步擴展功能，同時提高了系統的靈活性。
上傳時間： 2013-04-24
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在3G移動通信網絡建設中，如何實現密集城區的無線網絡覆蓋是目前基站的發展方向。目前網絡覆蓋理念的核心思想就把傳統宏基站的基帶處理和射頻部分分離，分成基帶處理單元和射頻拉遠單元兩個設備，這樣既節省空間、降低設置成本，又提高了組網效率。本文研究的數字收發機用于WCDMA基站系統的射頻拉遠單元中，實現移動通信網中射頻信號的傳輸工作。 數字收發機主要由射頻處理部分、模數/數模轉換部分、數字上下變頻處理部分、接口轉換以及數字光模塊組成。本文研究的重點是數字上下變頻處理部分。設計采用軟件無線電的架構和FPGA技術，所設計的數字上下變頻部分可以在不修改硬件電路的基礎上只需修改軟件部分的參數則可實現多種頻率的變頻處理，極大地降低了開發成本，且縮短了開發周期。 根據系統設計的設計要求，以及現有芯片使用情況比較，本文選用Altera公司的：FPGA芯片，應用公司提供的Dspbuilder作為系統級的開發工具，應用Quartus Ⅱ作為綜合、布局布線工具實現數字上下變頻處理部分設計。 本文的主要研究工作包括以下幾個部分： (1)對數字收發機的整體結構進行分析研究，確定數字收發機的實現結構和各個部分的功能； (2)通過對數字上下變頻的相關理論的研究，分析出數字上下變頻的結構、實現方法及性能； (3)通過對數控振蕩器、CIC濾波器、FIR濾波器進行理論研究、內部實現結構以及性能分析，得出具體的參數和仿真實現結構； (4)使用FPGA中的IP核技術來實現數字上下變頻，利用Matlab中Dspbuilder提供的IP核分別進行NCO、CIC、FIR的仿真工作；并得出數字上下變頻的總體仿真實現結果； (5)對高速收發通道進行了研究和設計，根據系統的要求給出了數據幀結構，并采用Altera的第三代FPGA產品Stratix Ⅱ GX系列芯片實現了數字收發機的信號的串并/并串的接口轉換。為后續繼續研究工作奠定基礎。
上傳時間： 2013-06-21
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基于FPGA的智能小車系統就是本地計算機通過接入Internet小車實現對遠端工作現場、危險工作地段等特殊環境進行監視和控制的系統。智能小車是智能行走機器人的一種，這種智能小車可以適應不同環境，不受溫度、濕度、空間、磁場輻射、重力等條件的影響，可以在人類無法進入或生存的環境中完成人類無法完成的探測任務。適用于國防及民用多個領域。整個系統以遙控小車裝置為基礎，通過配置在上面的攝像頭實現圖像的采集及對行車道的檢測，通過配置的紅外測溫儀探測環境和目標的溫度，具有一定的智能性。其明顯的優點是可以通過網絡遠程控制小車運行及采集現場的溫度、圖像等相關信息，完成人類在特定條件下無法完成的工作。對人類的科學研究、探索未知領域、遠程監控等有著重要的意義。 論文在深入研究SOPC和嵌入式操作系統的基礎上，提出了基于FPGA的智能小車遠程監控方案。采用FPGA來實現，可以充分利用現有的IP核，功能擴展容易，設計開發成本低，上市時間快，修改方便，甚至可以遠程重構系統。與單片機相比，集成度高，可靠性好，調試和維護方便。 論文主要內容包括以下幾個部分：在對智能小車功能分析的基礎上，設計了硬件系統，并在FPGA上構建了基于Nios Ⅱ的嵌入式系統，配置了SPI、串行口和以太網接口模塊和驅動程序，以及各種存儲器。移植了μClinux操作系統，配置嵌入式Web服務器，編寫CGI程序，設計了動態網頁；并對行車道檢測系統進行了研究，在DSP Builder中構建了該模塊，并在Matlab中進行了仿真。在研究數碼相機模塊和紅外測溫模塊的基礎上，編寫了圖像采集和溫度測量程序以及小車運動控制程序，并對系統進行了調試，初步達到通過Internet實現遠程監控的目的。
上傳時間： 2013-08-05
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由于其很強的糾錯性能和適合硬件實現的編譯碼算法，卷積編碼和軟判決維特比譯碼目前已經廣泛應用于衛星通信系統。然而隨著航天事業的發展，衛星有效載荷種類的增多和分辨率的不斷提高，信息量越來越大。如何在低信噪比的功率受限信道條件下提高傳輸速率成為目前亟待解決的問題。本論文結合在研項目，在編譯碼算法、編譯碼器的設計與實現、編譯碼器性能提高三個方面對卷積編碼和維特比譯碼進行了深入研究，并進一步介紹了使用VHDL語言和原理圖混合輸入的方式，實現一種(7,3/4)增信刪余方式的高速卷積編碼器和維特比譯碼器的詳細過程；然后將設計下載到XILINX的Virtex2 FPGA內部進行功能和時序確認，最終在整個數據傳輸系統中測試其性能。本文所實現的維特比譯碼器速率達160Mbps，遠遠高于目前國內此領域內的相關產品速率。 首先，論文具體介紹了卷積編碼和維特比譯碼的算法，研究卷積碼的各種參數(約束長度、生成多項式、碼率以及增信刪余等)對其譯碼性能的影響；針對項目需求，確定卷積編碼器的約束長度、生成多項式格式、碼率和相應的維特比譯碼器的回歸長度。 其次，論文介紹了編解碼器的軟、硬件設計和調試一根據已知條件，使用VHDL語言和原理圖混合輸入的方式設計卷積編碼和維特比譯碼的源代碼和原理圖，分別采用功能和電路級仿真，確定卷積編碼和維特比譯碼分別需要占用的資源，考慮卷積編碼器和維特比譯碼器的具體設計問題，包括編譯碼的基本結構，各個模塊的功能及實現策略，編譯碼器的時序、邏輯綜合等；根據軟件仿真結果，分別確定卷積編碼器和維特比譯碼器的接口、所需的FPGA器件選型和進行各自的印制板設計。利用卷積碼本身的特點，結合FPGA內部結構，采用并行卷積編碼和譯碼運算，設計出高速編譯碼器；對軟、硬件分別進行驗證和調試，并將驗證后的軟件下載到FPGA進行電路級調試。 最后，論文討論了卷積編碼和維特比譯碼的性能：利用已有的測試設備在整個數據傳輸系統中測試其性能(與沒有采用糾錯編碼的數傳系統進行比對)；在信道中加入高斯白噪聲，模擬高斯信道，進行誤碼率和信噪比測試。
上傳時間： 2013-04-24
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計算機圖形學中真實感成像包括兩部分內容：物體的精確圖形表示；場景中光照效果的適當的描述。光照效果包括光的反射、透明性、表面紋理和陰影。對物體進行投影，然后再可見面上產生自然光照效果，可以實現場景的真實感顯示。光照明模型主要用于物體表面某點處的光強度計算。面繪制算法是通過光照模型中的光強度計算，以確定場景中物體表面的所有投影像素點的光強度。Phong明暗處理算法是生成真實感3D圖像最佳算法之一。但是由于其大量的像素級運算和硬件難度而在實現實時真實感圖形繪制中被Gotuaud明暗處理算法所取代。VLSI技術的發展以及對于高真實感實時圖形的需求使得Phong明暗處理算法的實現成為可能。利用泰勒級數近似的Fast Phong明暗處理算法適合硬件實現。此算法需要存儲大量數據的ROM。這增加了實現的難度。 本文完成了以下工作： 1、本文簡述了實時真實感圖形繪制管線，詳細敘述了所用到的光照明模型和明暗處理方法，并對幾種明暗處理方法的效果作了比較，實驗結果表明Fast Phong明暗處理算法適用于實時真實感圖形繪制。 2、在熟悉Xilinx公司FPGA芯片結構及其開發流程的基礎上，結合Xilinx公司提供的FPGA開發工具ISE 7.1i，仿真工具為ISE simulator，綜合工具為XST；完成了Fast Phong明暗處理模塊的FPGA設計與實現。綜合得到的電路的最高頻率為54.058MHz。本文的Fast Phong明暗處理硬件模塊適用于實時真實感圖形繪制。 3、本文通過誤差分析，提出了優化的查找表結構。通過在FPGA上對本文所提結構進行驗證。結果表明，本方案在提高速度、精度的同時將ROM的數據量從64K*8bit減少至13K*8bit。
上傳時間： 2013-06-21
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感應電機由于具有可靠性好、結構簡單、價格低廉和體積小等優點，成為生產實踐中應用最廣泛的一種電動機。然而，感應電機是一個多變量、強耦合、非線性的時變系統，這使得感應電機的控制十分復雜，尤其是在對控制精度要求比較高的場合，設計出高精度的感應電機控制系統變得非常困難。 針對高精度感應電機控制較困難的問題，本文分析了感應電機的數學建模方法及電機控制策略問題。在對感應電機的數學模型進行了數學推導的基礎上，在Matlab/Simulink平臺上建立了感應電機的電機模型，提出了一種感應電機控制系統仿真建模的新方法。對常用的數字脈寬調制方法進行了數學推導及仿真研究，并將模糊控制理論應用于感應電機的變頻調速系統中，改善了傳統PI控制器超調較大、響應較慢、魯棒性差的缺點。仿真結果驗證模糊PI控制方案的優越性。 在感應電機建模仿真的基礎上，根據高精度感應電機控制器的需求及FPGA的特點，本文提出感應電機控制器的的設計方案。按照FPGA模塊化設計思想，將整個系統進行了合理的劃分，對SVPWM、Park變換、模糊PI控制器、反饋速度測量等重要模塊的FPGA硬件實現算法進行了深入的研究。并在一些模塊算法的設計上提出了自己的思路。各模塊在Modelsim平臺上完成功能仿真后并下載到Spartan-3E開發板上完成硬件驗證。
上傳時間： 2013-04-24
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無線局域網是計算機網絡技術和無線通信技術相結合的產物，是利用無線媒介傳輸信息的計算機網絡。在無線通信信道中，由于多徑時延不可避免地存在符號間干擾，正交頻分復用(OFDM)作為一種可以有效對抗符號間干擾(ISI)和提高頻譜利用率的高速傳輸技術，引起了廣泛關注。在無線局域網(WLAN)系統中，OFDM調制技術已經被采用作為其物理層標準，并且公認為是下一代無線通信系統中的核心技術。基于IEEE802.11a的無線局域網標準的物理層采用了OFDM技術，能有效的對抗多徑信道衰落，達到54Mbps的速度，而未來而的IEEE802.11n將達到100Mbps的高速。因此，研發以OFDM為核心的原型機研究非常有必要。 本文在深入理解OFDM技術的同時，結合相應的EDA工具對系統進行建模并基于IEEE802.11a物理層標準給出了一種OFDM基帶發射機系統的FPGA實現方案。整個設計采用目前主流的自頂向下的設計方法，由總體設計至詳細設計逐步細化。在系統功能模塊的FPGA實現過程中，針對Xilinx一款160萬門的Spartan-3E XCS1600E芯片，依照：IEEE802.11a幀格式，對發射機系統各個模塊進行了詳細設計和仿真： (1)訓練序列生成模塊，包括長，短訓練序列； (2)信令模塊，包括卷積編碼，交織，BPSK調制映射； (3)數據模塊，包括加擾，卷積編碼，刪余，交織，BPSK/QPSK/16QAM/64QAM調制映射； (4)OFDM處理部分，包括導頻插入，加循環前綴，IFFT處理； (5)對整個發射處理部分聯調，并給出仿真結果另外，還完成了接收機部分模塊的FPGA設計，并給出了相應的頂層結構與仿真波形。最后提出了改進和進一步開發的方向。
上傳時間： 2013-04-24
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