常用的实时数字信号处理的器件有可编程的数字信号处理(DSP)芯片(如AD系列、TI系列)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等。在工程实践中,往往要求对信号处理要有高速性、实时性和灵活性,而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这几方面的要求。随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展,使用FPGA来实现数字信号处理,既具有实时性,又兼顾了一定的灵活性。FPGA具有的灵活的可编程逻辑可以方便的实现高速数字信号处理,突破了并行处理、流水级数的限制,有效地利用了片上资源,加上反复的可编程能力,越来越受到国内外从事数字信号处理的研究者所青睐。 FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,属于数字信号处理的基本模块之一。本论文对基于FPGA的FIR数字滤波器实现进行了研究,所做的主要工作如下： 1.介绍了FIR数字滤波器的基本理论和FPGA的基本概况,以及FPGA设计流程、设计指导原则和常用的设计指导思想与技巧。 2.以FIR数字滤波器的基本理论为依据,使用分布式算法为滤波器的硬件实现算法,并对其进行了详细的讨论。针对分布式算法中查找表规模过大的缺点,采用优化分布式算法的多块查找表方式使得硬件规模极大的减小。 3.设计出一个192阶的FIR滤波器实例。其系统要求为：定点16位输入、定点12位系数、定点16位输出,采样率为75MHz。设计用Quartus II软件进行仿真,并将其仿真结果与Matlab仿真结果进行对比分析。 仿真结果表明,本论文设计的滤波器硬件规模较小,采样率达到了75MHz。同时只要将查找表进行相应的改动,就能分别实现低通、高通、带通FIR滤波器,体现了设计的灵活性。
上传时间： 2013-06-06
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低密度校验码（LDPC，Low Density Parity Check Code）是一种性能接近香农极限的信道编码，已被广泛地采用到各种无线通信领域标准中，包括我国的数字电视地面传输标准、欧洲第二代卫星数字视频广播标准（DVB-S2，Digital Video Broadcasting-Satellite 2）、IEEE 802.11n、IEEE 802.16e等。它是3G乃至将来4G通信系统中的核心技术之一。 当今LDPC码构造的主流方向有两个，分别是结合准循环（QC，Quasi Cyclic）移位结构的单次扩展构造和类似重复累积（RA，Repeat Accumulate）码构造。相应地，主要的LDPC码编码算法有基于生成矩阵的算法和基于迭代译码的算法。基于生成矩阵的编码算法吞吐量高，但是需要较多的寄存器和ROM资源；基于迭代译码的编码算法实现简单，但是吞吐量不高，且不容易构造高性能的好码。 本文在研究了上述几种码构造和编码算法之后，结合编译码器综合实现的复杂度考虑，提出了一种切实可行的基于二次扩展（Dex，Duplex Expansion）的QC-LDPC码构造方法，以实现高吞吐量的LDPC码收发端；并且充分利用该类码校验矩阵准循环移位结构的特点，结合RU算法，提出了一种新编码器的设计方案。 基于二次扩展的QC-LDPC码构造方法，是通过对母矩阵先后进行乱序扩展（Pex，Permutation Expansion）和循环移位扩展（CSEx，Cyclic Shift Expansion）实现的。在此基础上，为了实现可变码长、可变码率，一般编译码器需同时支持多个乱序扩展和循环移位扩展的扩展因子。本文所述二次扩展构造方法的特点在于，固定循环移位扩展的扩展因子大小不变，支持多个乱序扩展的扩展因子，使得译码器结构得以精简；构造得到的码字具有近似规则码的结构，便于硬件实现；（伪）随机生成的循环移位系数能够提高码字的误码性能，是对硬件实现和误码性能的一种折中。 新编码器在很大程度上考虑了资源的复用，使得实现复杂度近似与码长成正比。考虑到吞吐量的要求，新编码器结构完全抛弃了RU算法中串行的前向替换（FS，Forward Substitution）模块，同时简化了流水线结构，由原先RU算法的6级降低为4级；为了缩短编码延时，设计时安排每一级流水线计算所需的时钟数大致相同。 这种码字构造和编码联合设计方案具有以下优势：相比RU算法，新方案对可变码长、可变码率的支持更灵活，吞吐量也更大；相比基于生成矩阵的编码算法，新方案节省了50％以上的寄存器和ROM资源，单位资源下的吞吐量更大；相比类似重复累积码结构的基于迭代译码的编码算法，新方案使高性能LDPC码的构造更为方便。以上结果都在Xilinx Virtex II pro 70 FPGA上得到验证。 通过在实验板上实测表明，上述基于二次扩展的QC-LDPC码构造和相应的编码方案能够实现高吞吐量LDPC码收发端，在实际应用中具有很高的价值。 目前，LDPC码正向着非规则、自适应、信源信道及调制联合编码方向发展。跨层联合编码的构造方法，及其对应的编码算法，也必将成为信道编码理论未来的研究重点。
上传时间： 2013-07-26
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H.264/AVC是ITU与ISO/IEC(International Standard Organization/Intemational Electrotechnical Commission国际标准化组织/国际电工委员会)联合推出的活动图像编码标准。作为最新的国际视频编码标准，H.264/AVC与MPEG-4、H.263等视频编码标准相比，性能有了很大提高，并已在流媒体、数字电视、电话会议、视频存储等诸多领域得到广泛的应用。基于上下文的自适应二进制算术编码(Conrext-based Adaptive Binary Arithmetic Coding，CABAC)是H.264/AVC的两个熵编码方案之一，相对于另一熵编码方案-CAVLC(基于上下文的自适应可变长编码)，CABAC具有更高的数据压缩率：在同等编码质量下要比CAVLC提高10％～15％的压缩率。CABAC能实现很高的数据压缩率，但这是以增加实现的复杂性为代价的。在已有的硬件实现方法上，CABAC的解码效率并不高。 论文在深入研究CABAC解码算法及其实现流程，并在仔细分析了H.264/AVC码流结构的基础上，总结出了影响CABAC解码效率的各个环节，并以此为出发点，对CABAC解码所需中的各个功能模块进行了优化设计，设计出一种新的CABAC解码器结构，相对于一般的CABAC解码器，它的解码效率得到了显著提高。论文针对影响CABAC解码过程的"瓶颈"问题一多次访问存储部件影响解码速率，提出了新的存储组织方式，并根据CABAC的码流结构特性，采用4个子解码器级联的方式来进一步提高解码速率。 最后，用Verilog语言对所设计的CABAC解码器进行了描述，用EDA软件对其进行了仿真，并在FPGA上验证了其功能，结果显示，该CABAC解码器结构显著提高了解码效率，能够满足高档次实时通讯的要求。
上传时间： 2013-07-03
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随着科技的发展和社会的进步，数字电视已逐渐成为现代电视的主流。利用今年是奥运年的契机，研究和推广数字电视广播具有重大的意义。2006年8月底我国出台的数字多媒体/电视广播(DMB-T)标准，确立了中国自己的技术标准。以此来发展拥有自主知识产权的数字电视事业，不仅可以满足广大人民群众日益增长的物质、文化要求，还可以带动相关产业快速发展。 本课题在深入研究DMB-T国家标准的基础上，首先对系统的调制系统进行了设计规划，然后对信道调制的星座映射、系统信息插入、帧体数据处理、PN序列插入的帧形成模块和成形滤波模块进行了设计和仿真，并验证了其正确性。 3780个子载波的时域同步正交多载波技术(TDS-OFDM)是DMB-T调制系统的关键技术之一。由于载波数不是2的整数次幂，考虑到实现的有效性，不能采用现已成熟的基-2或基-4的快速傅立叶变换(FFT)算法。针对调制系统中特有的3780点IFFT，课题深入分析和比较了Cooley-Tukey、Winograd和素因子三种离散快速傅立叶变换算法的特点和性能，综合利用了三种算法优势，考虑了算法的复杂度、运算的速度、资源的消耗，设计出一种新的算法，进行了Matlab验证和基于FPGA(现场可编程门阵列)的仿真。分析表明，该算法所需的加法、乘法次数已很逼近4096点FFT算法。 DMB-T发射端的基带成形滤波采用了平方根升余弦滚降滤波，由于其0.05的滚降系数在实现中比较苛刻，所以是设计的难点之一。本课题利用Matlab工具采用了等纹波最优滤波的方法设计了169阶数字滤波器，其阻带衰减达到了46.9dB，完全符合标准的要求；利用四倍插值的方法实现了I、Q合路的该滤波器的FPGA设计，并进行了设计优化，显著降低了滤波器的运算量，大大节约了实现该滤波器所需的乘法器资源。
上传时间： 2013-06-28
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为了满足外围设备之间、外围设备与主机之间高速数据传输，Intel公司于1991年提出PCI(Peripheral Component Interconnect)总线的概念，即周边器件互连。因为PCI总线具有极高的数据传输率，所以在数字图形、图像和语音处理以及高速数据采集和处理等方面得到了广泛的应用。 本论文首先对PCI总线协议做了比较深刻的分析，从设计要求和PCI总线规范入手，采用TOP-DOWN设计方法完成了PCI总线接口从设备控制器FPGA设计的功能定义：包括功能规范、性能要求、系统环境、接口定义和功能描述。其次从简化设计、方便布局的角度考虑，完成了系统的模块划分。并结合设计利用SDRAM控制器来验证PCI接口电路的性能。 然后通过PCI总线接口控制器的仿真、综合及硬件验证的描述介绍了用于FPGA功能验证的硬件电路系统的设计，验证系统方案的选择，并描述了PCI总线接口控制器的布局布线结果以及硬件验证的电路设计和调试方法。通过编写测试激励程序完成了功能仿真，以及布局布线后的时序仿真，并设计了PCB实验板进行测试，证明所实现的PCI接口控制器完成了要求的功能。 最后，介绍了利用驱动程序开发工具DDK软件进行软件设计与开发的过程。完成系统设计及模块划分后，使用硬件描述语言(VHDL)描述系统，并验证设计的正确性。
上传时间： 2013-07-15
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图像采集系统是数字图像信号处理过程中不可缺少的重要部分，它将前端相机所捕获的模拟信号转化为数字信号，或者直接从数字相机中获取数字信号，然后通过高速的计算机总线传回计算机，凭借计算机的强大的运算、数据存储与处理等操作能力，可以方便快捷地对信号进行分析处理，具有人机友好、功能灵活、可移植性强等优点。随着对数据传送速度要求的提高，PCI总线以其高的数据传输率，即插即用，低功耗等众多优点，得到广泛的应用。本文针对PCI总线接口电路使用的广泛性，介绍了PLX公司桥接芯片PCI9054主模式的工作原理和中断机制，采用可编程逻辑器件FPGA实现与PCI9054的本地接口的信号转换，给出了逻辑实现方案和仿真图。本文针对FPGA中各功能模块的逻辑设计进行了详细分析，并对每个模块都给出了精确的仿真结果。同时，文中还在其它章节详细介绍了系统的硬件电路设计、并行接口设计、PCI接口设计、PC端控制软件设计以及用于调试过程中的SignalTapⅡ嵌入式逻辑分析仪的使用方法，并且也对系统的仿真结果和测试结果给出了分析及讨论。最后还附上了系统的PCB版图、FPGA逻辑设计图、实物图及注释详细的相关源程序清单。在文章的软件设计部分介绍了WinDriver驱动开发工具，利用WinDriver工具，在WindowsXP系统下实现设备的驱动程序开发，完成主模式数据传输和设备中断的功能。
上传时间： 2013-06-03
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本文的设计采用FPGA来实现π/4DQPSK调制解调。采用π/4DQPSK的调制解调方式是基于频带利用率、误比特率(即抗噪性)和实现复杂性等综合因素的考虑；采用FPGA进行实现是考虑到高速的数据处理以及AD和DA的高速采样。 本课题主要包含以下几个方面的研究： 首先对π/4DQPSK技术的应用发展情况做简单介绍，并对其调制解调原理进行了详细的阐述。在理解原理的基础上，将调制解调进行模块化划分，提出了实现的思路和方法。其中包括串并转换，差分相位编码，内插，成形滤波器，正交调制，带通滤波器及希尔伯特变换，解调，位同步，载波同步，差分相位解码。 其次在FPGA上实现了π/4DQPSK的大部分模块。其中调制端的各个模块的功能都已经实现，并综合在一起，下载到开发板上进行了在线仿真。其中成形滤波器的设计大大降低了FPGA的资源开销，是本次设计的创新；解调端对载波同步和位同步提出了设计思路，具体的实现还需要进一步的研究；接口电路的测试和在线仿真已经完成。 最后提出了硬件实现的方案以及三种芯片的选型与设计，给出了简要的电路图和时序图。
上传时间： 2013-08-03
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数字语音通信是当前信息产业中发展最快、普及面最广的业务。语音信号压缩编码是数字语音信号处理的一个方面，它和通信领域联系最为密切。在现有的语音编码中，美国联邦标准混合激励线性预测（MELP—Mixed Excited Linear Prediction）算法在2．4kb/s的码率下取得了较好的语音质量，具有广阔的应用前景。 FPGA作为一种快速、高效的硬件平台在数字信号处理和通信领域具有着独特的优势。现代大容量、高速度的FPGA一般都内嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS、LVTTL以及硬件乘法累加器等DSP模块。用FPGA来实现数字信号处理可以很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的DSP系统非常易于修改、测试及硬件升级。 本论文阐述了一种基于FPGA的混合激励线性预测声码器的研究与设计。首先介绍了语音编码研究的发展状况以及低速率语音编码研究的意义，接着在对MELP算法进行深入分析的基础上，提出了利用DSP Builder在Matlab中建模的思路及实现过程，最后本文把重点放在MELP声码器的编解码器设计上，利用DSP Builder、QuartusⅡ分别设计了其中的滤波器、分帧加窗处理、线性预测分析等关键模块。 在Simulink环境下运用SignalCompiler对编解码系统进行功能仿真，为了便于仿真，系统中没有设计的模块在Simulink中用数学模型代替，仿真结果表明，合成语音信号与原始信号很好的拟合，系统编解码后语音质量基本良好。
上传时间： 2013-06-02
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在航空航天，遥感测量，安全防卫以及家用影视娱乐等领域，要求能及时保存高清晰度的视频信号供后期分析、处理、研究和欣赏。因此，研究一套处理速度快，性能可靠，使用方便，符合行业相关规范的高清视频编解码系统是十分必要的。 本文首先介绍了高清视频的发展历史。并就当前相关领域的发展阐述了高清视频编解码系统的设计思路，提出了可行的系统设计方案。基于H.264的高清视频编码系统对处理器的要求非常高，一般的DSP和通用处理器难以达到性能要求。本系统选择富士通公司最新的专用视频编解码芯片MB86H51，实时编解码分辨率达到1080p的高清视频。芯片具有压缩率高，功耗低，体积小等优点。系统的控制设备由三块FPGA芯片和ARM控制器共同完成。FPGA芯片分别负责视频输入输出，码流输入输出和主编解码芯片的控制。ARM作为上层人机交互的控制器，向系统使用者提供操作界面，并与主控FPGA相连。方案实现了高清视频的输入，实时编码和码流存储输出等功能于一体，能够编码1080p的高清视频并存储在硬盘中。系统开发的工作难点在于FPGA的程序设计与调试工作。其次，详细介绍了FPGA在系统中的功能实现，使用的方法和程序设计。使用VHDL语言编程实现I2C总线接口和接口控制功能，利用stratix系列FPGA内置的M4K快速存储单元实现128K的命令存储ROM，并对设计元件模块化，方便今后的功能扩展。编程实现了PIO模式的硬盘读写和SDRAM接口控制功能，实现高速的数据存储功能。利用时序状态机编程实现主芯片编解码控制功能，完成编解码命令的发送和状态读取，并对设计思路，调试结果和FPGA资源使用情况进行分析。着重介绍设计中用到的最新芯片及其工作方式，分析设计过程中使用的最新技术和方法。有很强的实用价值。最后，论文对系统就不同的使用情况提出了可供改进的方案，并对与高清视频相关的关键技术作了分析和展望。
上传时间： 2013-07-26
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本论文设计了一种基于FPGA的高速FIR数字滤波器,滤波器实现低通滤波,截止频率为1MHz,通带波纹小于1 dB,阻带最大衰减为-40 dB,输入输出数据为8位二进制,采样频率为10MHz。 论文首先简要介绍了数字滤波器的基本原理和线性FIR数字滤波器的性质、结构,根据滤波器的性能要求选择窗函数、确定系数,在算法上为了满足数字滤波器的要求,对系数放大512倍并取整,并用Matlab对数字滤波器原理进行了证明。同时简述了EDA技术和FPGA设计流程。 其次,论文说明了FIR数字滤波器模块的划分,并用Verilog语言在Modelsim环境下进行了功能测试。对于数字滤波器系数中的-1,-2,4这些简单的系数乘法直接进行移位和取反,可以极大的节省资源和优化设计。而对普通系数乘法采用4-BANT(4bits-at-a-time)的并行算法,用加法累加快速实现了乘积的运算；另外,在本设计进行部分积累加时,采用舍取冗余位,主要是根据设计时已对系数进行了放大,而输出时又要将结果相应的缩小,所以在累加时,提前对部分积缩小,从而减少了运算量,从时间和资源上都得到了优化。 论文的最后分别用Modelsim和Quartus II进行了FIR数字滤波器的前仿真和后仿真,将仿真的结果和Matlab中原理验证时得到的理想值进行了比较,并对所产生的误差进行了分析。仿真结果表明：本16阶FIR数字滤波器设计能够实现截止频率为1MHz的低通滤波,并且工作频率可达150MHz以上。
上传时间： 2013-07-15
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