目前的国内的CCD高清摄相头能够输出一组视频信号和数字图像信号，虽然视频信号能够直接在监视器显示，但是输出的数字图像信号占用存储空间太大，不便于进行传输。本文设计了一种基于FPGA的数字图像压缩卡。 在过去的十几年中，国际标准化组织制订了一系列的国际视频编码标准并广泛应用到各种领域。It.264/AVC是ITU-T和ISO联合推出的新标准，采用了近几年视频编码方面的先进技术，以较高编码效率和网络友好性成为新一代国际视频编码标准。 新发展的H．264/AVC比原有的视频编码标准大幅度提高了编码效率，但其运算复杂度也大大增加，本文简要分析了H．264/AVC的复杂度及其优化的途径，给出了主要模块的优化算法实验结果。 H．264/AVC仍基于以前视频编码标准的运动补偿混合编码方案，主要不同有：增强的运动预测能力，准确匹配的较小块变换，自适应环内滤波器，增强的熵编码。测试结果表明这些新特征使H．264/AVC编码器提高50％编码效率的同时，增加了一个数量级的复杂度。实际中恰当地使用H．264/AVC编码工具可以较低的实现复杂度得到与复杂配置相当的编码效率。故实际编码系统开发需要在运算复杂性和编码效率之间进行折衷、兼顾考虑。H．264/AVC引入的新编码特征既增加基本模块的复杂度，也成倍增加算法的复杂度。针对它们的作用和实现方法的不同，可采用不同的硬件实现方法。本文基于上述思路进行优化，具体的工作包括：针对去块滤波的复杂性，本文提出一种适合硬件实现的算法，使其在节省了资源的同时，很好的达到了标准所定义的性能。针对变换量化的复杂性，本文提出一种既满足整体的硬件流水结构，又极大的降低了硬件资源的实现方法。针对码率控制的实现，本文提出了一种有别于传统实现方式的算法，在保证实时性的同时，极大的提高了编码器的性能。本文基于上述算法还进行Baseline Profile编码器的研究，给出了一种实时编码器结构，实现了对高清图像格式(720P)的实时编码，并将其和当前业界先进水平进行了对比，表明本文所实现得结构能够达到当前业界的先进水平。
上传时间： 2013-07-23
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FPGA是一种可通过用户编程来实现各种数字电路的集成电路器件。用FPGA设计数字系统有设计灵活、低成本，低风险、面市时间短等好处。本课题在结合国际上FPGA器件方面的各种研究成果基础上，对FPGA器件结构进行了深入的探讨，重点对FPGA的互连结构进行了分析与优化。FPGA器件速度和面积上相对于ASIC电路的不足很大程度上是由可编程布线结构造成的，FPGA一般用大量的可编程传输管开关和通用互连线段实现门器件的连接，而全定制电路中仅用简单的金属线实现，传输管开关带来很大的电阻和电容参数，因而速度要慢于后者。这也说明，通过优化可编程连接方式和布线结构，可大大改善电路的性能。本文研究了基于SRAM编程技术的FPGA器件中逻辑模块、互连资源等对FPGA性能和面积的影响。论文中在介绍FPGA器件的体系构架后，首先对开关矩阵进行了研究，结合Wilton开关矩阵和Disioint开关矩阵的特点，得到一个连接更加灵活的开关矩阵，提高了FPGA器件的可布线性，接着本课题中又对通用互连线长度、通用互连线间的连接方式和布线通道的宽度等进行了探讨，并针对本课题中的FPGA器件，得出了一套适合于中小规模逻辑器件的通用互连资源结构，仿真显示新的互连方案有较好的速度和面积性能，在互连资源的面积和性能上达到一个很好的折中。 接下来课题中对FPGA电路的可编程逻辑资源进行了研究，得到了一种逻辑规模适中的粗粒度逻辑块簇，该逻辑块簇采用类似Xilinx 公司的FPGA产品的LUT加触发器结构，使逻辑块簇内部基本逻辑单元的联系更加紧密，提高了逻辑资源的功能和利用率。随后我们还研究了IO模块数目的确定和分布式SRAM结构中编程电路结构的设计，并简单介绍了SRAM单元的晶体管级设计原理。最后，在对FPGA构架研究基础上，完成了一款FPGA电路的设计并设计了相应的电路测试方案，该课题结合CETC58研究所的一个重要项目进行，目前已成功通过CSMC0.6μm 2P2M工艺成功流片，测试结果显示其完全达到了预期的性能。
上传时间： 2013-04-24
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随着多媒体编码技术的发展，视频压缩标准在很多领域都得到了成功应用，如视频会议(H.263)、DVD(MPEG-2)、机顶盒(MPEG-2)等等，而网络带宽的不断提升和高效视频压缩技术的发展使人们逐渐把关注的焦点转移到了宽带网络数字电视(IPTV)、流媒体等基于传输的业务上来。带宽的增加为流式媒体的发展铺平了道路，而高效的视频压缩标准的出台则是流媒体技术发展的关键。H.264/AVC是由国际电信联合会和国际标准化组织共同发展的下一代视频压缩标准之一。新标准中采用了新的视频压缩技术，如多模式帧间预测、1/4像素精度预测、整数DCT变换、变块尺寸运动补偿、基于上下文的二元算术编码(CABAC)、基于上下文的变长编码(CAVLC)等等，这些技术的采用大大提高了视频压缩的效率，更有利于宽带网络数字电视(IPTV)、流媒体等基于传输的业务的实现。 本文主要根据视频会议应用的需要对JM8.6代码进行优化，目标是实现基于Baseline的低复杂度的CIF编码器，并对部分功能模块进行电路设计。在设计方法上采用自顶向下的设计方法，首先对H.264编码器的C代码和算法进行优化，并对优化后的结果进行测试比较，结果显示在图像质量没有明显降低的情况下，H.264编码器编码CIF格式视频每秒达到15帧以上，满足了视频会议应用的实时性要求。然后，以C模型为参考对H.264编码器的部分功能模块电路进行设计。采用Verilog HDL实现了这些模块，并在Quartus Ⅱ中进行了综合、仿真、验证。主要完成了Zig-zag扫描和CAVLC模块的设计，详细说明模块的工作原理和过程，然后进行多组的仿真测试，结果与C模型相应部分的结果一致，证明了设计的正确性。
上传时间： 2013-06-11
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在工业领域中，经常需要在产品表面留下永久性的标识，通常作为便于今后追踪的商标、流水号、日期等等。特别在机械行业对零部件的管理，在市场上需要对其进行识别和质量跟踪。机械行业在零部件上的标记打印在追求美观的同时，要求有一定的打印速度和打印深度。标记打印能够为企业提供产品的可追溯性，更好的贯彻IS09000标准。 由于传统的标记打印在打印效率、美观以及防伪等方面存在问题，不适应现代化大生产要求，而激光打印技术虽然较好的克服了传统工艺的许多缺点，但激光器在恶劣的生成现场缺乏长期稳定性的工作特点的制约，不能完全满足生产实际的需要。为了弥补上述不足，适应大批量生产发展需要，气动标记打印技术成为一种较好的选择。 本课题在分析了现在市场上存在气动标记刻印系统的优缺点后，针对现有的标记打印机打印速度相对较慢，打印精度相对较低以及控制软件不灵活的缺点，设计了一套新的控制方案，使用FPGA作为核心控制器，配合PC机标记打印软件工作，代替以往PC或单片机的控制。该方案充分利用了FPGA可以高速并行工作的特点，能够高精度平稳的输出控制脉冲，使打印过程平稳进行。 本文描述了从总体方案设计到一些关键模块的设计思路和设计细节。根据设计要求，总体方案中提出了整个控制系统的划分和关键设计指标上的考虑。在硬件设计方面完成硬件电路设计，包括接口电路设计和抗干扰设计；在设计FPGA控制器时，采用了优化后的比较积分直线插补算法使得输出的插补脉冲均匀稳定；采用梯形速率控制算法，克服了速度突变情况时的失步或过冲现象；在软件方面，新开发了一套PC工业标记系统软件，采用了多线程技术和TTF矢量字库等技术。 整套标记打印系统经过较长时间的运行调试，表现稳定，现已经试用性投放市场．从生产厂家重庆恒伟精密机械有限公司和客户的反馈信息来看，系统工作稳定，打印速度达到设计指标，能够在256细分下驱动电机平稳快速运动，打印精度高，达到市场领先水平，并且得到客户充分的肯定。
上传时间： 2013-06-21
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随着信号处理技术的进步和电子技术的发展，雷达信号侦察接收机逐渐从模拟体制向数字体制转变。软件无线电概念的提出，促使雷达侦察接收机朝大带宽、全截获方向发展，现有的串行信号处理体制已经很难满足系统要求。FPGA器件的出现，为实现宽带雷达信号侦察数字接收机提供了硬件支持。 本文结合FPGA芯片特点，在前人研究基础上，从算法和硬件实现两方面，对雷达信号侦察数字接收机若干关键技术进行了研究和创新，主要研究内容包括以下几个方面。 1)给出了基于QuartusII/Matlab和ISE/ModelSim/Matlab的两种FPGA设计联合仿真技术。这种联合仿真技术，大大提高了基于FPGA的雷达信号侦察数字接收机的设计效率。 2)给出了一种基于FFT/IFFT的宽带数字正交变换算法，并将该算法在FPGA中进行了硬件实现，设计可对600MHz带宽内的输入信号进行实时正交变换。 3)提出了一种全并行结构FFT的FPGA实现方案，并将其在FPGA芯片中进行了硬件实现，设计能够在一个时钟周期内完成32点并行FFT运算，满足了数字信道化接收机对数据处理速度的要求。 4)提出了一种自相关信号检测FPGA实现方案，通过改变FIFO长度改变自相关运算点数，实现了弱信号检测。提出通过二次门限处理来消除检测脉冲中的毛刺和凹陷，降低了虚警概率，提高了检测结果的可靠性。 5)在单通道自相关信号检测算法基础上，提出采用三路并行检测，每路采用不同的相关点数和检测门限，再综合考虑三路检测结果，得到最终检测结果。给出了算法FPGA实现过程，并对设计进行了联合时序仿真，提高了检测性能。 6)给出了一种利用FFT变换后的两根最大谱线进行插值的快速高精度频率估计方法，并将该算法在FPGA硬件中进行了实现。通过利用FFT运算后的实/虚部最大值进行插值，降低了硬件资源消耗、缩短了运算延迟。 7)结合4)、5)、6)中的研究成果，完成了对雷达脉冲信号到达时间、终止时间、脉冲宽度和脉冲频率的估计，最终在一块FPGA芯片内实现了一个精简的雷达信号侦察数字接收机，并在微波暗室中进行了测试。
上传时间： 2013-06-13
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随着系统芯片(SoC)设计复杂度不断增加，使得缩短面市时间的压力越来越大。虽然IP核复用大大减少了SoC的设计时间，但是SoC的验证仍然非常复杂耗时。SoC和ASIC的最大不同之处在于它的规模和复杂的系统性，除了大量硬件模块之外，SoC还需要大量的同件和软件，如操作系统，驱动程序以及应用程序等。面对SoC数目众多的硬件模块，复杂的嵌入式软件，由于软件仿真速度和仿真模犁的局限性，验证往往难以达到令人满意的要求，耗费了大最的时间，将给系统芯片的上市带来严重的影响。为了减少此类情况的发生，在流样片之前，进行基于FPGA的系统原型验证，即在FPGA上快速地实现SoC设计中的硬件模块，让软件模块在真正的硬件环境中高速运行，从而实现SoC设计的软硬件协同验证。这种方法已经成为SoC设计流程前期阶段常用的验证方法。 在简要分析几种业内常用的验证技术的基础上，本文重点阐述了基于FPGA的SoC验证流程与技术。结合Mojox数码相机系统芯片(以下简称为Mojox SoC)的FPGA原型验证平台的设计，介绍了Mojox FPGA原型验证平台的硬件设计过程和Mojox SoC的FPGA原型实现，并采用基于模块的FPGA设计实现方法，加快了原型验证的工作进程。 本文还介绍了Mojox SoC中ARM固件和PC应用软件等原型软件的设计实现以及原型验证平台的软硬协同验证的过程。通过软硬协同验证，本文实现了PC机对整个验证平台的摔制，达到了良好的验证效果，且满足了预期的设计要求。
上传时间： 2013-07-02
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近年来，计算机图形学应用越来越广泛，尤其是三维(3D)绘图。3D绘图使用3D模型和各种影像处理产生具有三维空间真实感的影像，应用于虚拟真实情况以及多媒体的产品上，且多半是使用低成本的实时3D计算机绘图技术为基础。在初期3D图形学刚起步时，由于图形简单，因此可以利用CPU来运算，但随着图形学技术的发展，所要绘制的图形越来越复杂，这时如果单纯依赖CPU来处理，不能达到实时的要求，因此需要专门的硬件来加速图形处理，GPU(图形处理单元)因此出现了。不过由于3D图形加速硬件的复杂性和短寿命，这极大地提高了对硬件开发环境的需要。为了更好的对设计进行更改和测试，不能仅仅用专门定制的方法来设计，需要其他的方：硬件描述语言(HDL)和FPGA。 随着计算机绘图规模的需要，借助辅助硬件资源，来提高图形处理单元(GPU)处理速度的需求越来越普遍。自从15年前现场可编程门阵列(FPGA)开始出现以来，其在可编程硬件领域所起的作用越来越大。它们在速度、体积和速度方面都有了很大的提高。这意味着FPGA在以前只能使用专用硬件的场合越来越重要。其中一个应用领域就是3D图形渲染，在这个研究领域里人们正在利用具有可编程性能的FPGA来帮助改进图形处理单元(GPU)的性能。 能够在廉价、可动态重新配置的FPGA上实现复杂算法来辅助硬件设计。本文的设计就是通过在FPGA上实现3维图形几何处理管线部分功能来提高图形处理速度。具体实现中使用硬件描述语言(Verilog HDL)进行逻辑设计，并发现问题解决问题。 本文主要特色如下： 1.针对几何变换换子系统，提出一种硬件实现方案，该方案能对基本的几何变换如：平移、缩放、旋转和投影进行操作。首先构造出总体变换矩阵，随后进行矩阵乘法运算，再进行投影变换，最后输出变换座标。提出一种脉动阵列结构，用于两个矩阵的乘法运算。找到一种快捷的方法来实现矩阵相乘，将能大大提高系统的效率。 2.对于3D图形裁剪，文中描述了一种裁剪引擎，它能够处理3D图形中的裁剪、透视除法以及视口映射的功能。硬件实现的难度取决于裁剪算法的复杂程度。我们在Sutherland-Hodgman裁剪算法的基础上提出一种新的裁剪算法，该算法通过去除冗余顶点以提高处理速度，同时利用编码来判断线段可见性的方法使得硬件实现变得很容易。 3.最后，我们在FPGA上实现了几何变换以及三维裁剪，并与C语言的模拟结果对比发现结果正确，且三维裁剪能够以3M个三角形/s的速度运行，满足了图形流水中的实时性要求。
上传时间： 2013-04-24
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视频监控一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛用于在电视台、银行、商场等场合。在视频图像监控系统中，经常需要对多路视频信号进行实时监控，如果每一路视频信号都占用一个监视器屏幕，则会大大增加系统成本。视频图像画面分割器主要功能是完成多路视频信号合成一路在监视器显示，是视频监控系统的核心部分。 传统的基于分立数字逻辑电路甚至DSP芯片设计的画面分割器的体积较大且成本较高。为此，本文介绍了一种基于FPGA技术的视频图像画面分割器的设计与实现。 本文对视频图像画面分割技术进行了分析，完成了基于ITU-RBT.656视频数据格式的画面分割方法设计；系统采用Xilinx公司的FPGA作为核心控制器，设计了视频图像画面分割器的硬件电路，该电路在FPGA中，将数字电路集成在一起，电路结构简洁，具有较好的稳定性和灵活性；在硬件电路平台基础上，以四路视频图像分割为例，完成了I2C总线接口模块，异步FIFO模块，有效视频图像数据提取模块，图像存储控制模块和图像合成模块的设计，首先，由摄像头采集四路模拟视频信号，经视频解码芯片转换为数字视频图像信号后送入异步FIFO缓冲。然后，根据画面分割需要进行视频图像数据抽取，并将抽取的视频图像数据按照一定的规则存储到图像存储器。最后，按照数字视频图像的数据格式，将四路视频图像合成一路编码输出，实现了四路视频图像分割的功能。从而验证了电路设计和分割方法的正确性。 本文通过由FPGA实现多路视频图像的采集、存储和合成等逻辑控制功能，I2C总线对两片视频解码器进行动态配置等方法，实现四路视频图像的轮流采集、存储和图像的合成，提高了系统集成度，并可根据系统需要修改设计和进一步扩展功能，同时提高了系统的灵活性。
上传时间： 2013-04-24
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人体血液成份的无创检测是生物医学领域尚未攻克的前沿课题之一，动态光谱法在理论上克服了其它检测方法难以逾越的障碍——个体差异和测量条件对检测结果的影响。实现动态光谱检测，其关键在于采集多波长的光电容积脉搏波信号，并对其进行处理。针对动态光谱检测中信号微弱、信噪比低、处理数据量大的特点，本文设计了基于FPGA和面阵CCD摄像头的动态光谱数据采集与预处理系统，提高检测精度，采集出满足动态光谱信号提取要求的光电脉搏波；并对动态光谱频域提取法的核心算法FFT的FPGA实现进行研究。 课题提出用高灵敏度的面阵CCD摄像头替代常规光栅光谱仪中的光电接收器，实现对多波长的光电容积脉搏波的检测。结合面阵CCD的二维图像特点，采用信号累加法去除噪声，提高信号的信噪比。 创新性的提出一种不同于以往的信号累加方法——将处于同一行的视频信号在采样过程中直接累加，然后再进行传输和存储。不同于帧累加和异行累加，这种同行累加方式不但大大的提高了信号的信噪比，同时减小了数据的传输速度和传输量，降低了对存储器容量的要求，改善了动态光谱信号检测系统的性能。 针对面阵CCD摄像头输出的复合视频信号的特点，设计视频信号解调电路，得到高速、高精度的数字视频信号和准确的视频同步信号，用于后续的视频信号采集与处理。 根据动态光谱信号检测和视频信号采集的要求，选择可编程逻辑器件FPGA作为硬件平台，设计并实现了基于FPGA和面阵CCD摄像头的光电脉搏波采集与预处理系统。该系统实现了视频信号的精确定位，通过光谱信号的高速同行累加，实现了光电脉搏波信号的高精度检测。系统采用基于FPGA的Nios II嵌入式处理器系统，通过对其应用程序的开发，可靠的实现了数据的采集、传输和存储，提高了系统的集成度，降低了开发成本。 为实现动态光谱信号的频域提取，研究了基于FPGA的FFT实现方案，对各关键模块进行设计，为动态光谱信号的进一步处理打下良好的基础。 最后，通过实验证明了系统数据采集的正确性和信号预处理的可行性，得到了符合动态光谱信号提取要求的脉搏波信号。
上传时间： 2013-04-24
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采用现场可编程门阵列(FPGA)可以快速实现数字电路，但是用于生成FPGA编程的比特流文件的CAD工具在编制大规模电路时常常需要数小时的时间，以至于许多设计者甚至通过在给定FPGA上采用更多的资源，或者以牺牲电路速度为代价来提高编制速度。电路编制过程中大部分时间花费在布线阶段，因此有效的布线算法能极大地减少布线时间。 许多布线算法已经被开发并获得应用，其中布尔可满足性(SAT)布线算法及几何查找布线算法是当前最为流行的两种。然而它们各有缺点：基于SAT的布线算法在可扩展性上有很大缺陷；几何查找布线算法虽然具有广泛的拆线重布线能力，但当实际问题具有严格的布线约束条件时，它在布线方案的收敛方面存在很大困难。基于此，本文致力于探索一种能有效解决以上问题的新型算法，具体研究工作和结果可归纳如下。 1、在全面调查FPGA结构的最新研究动态的基础上，确定了一种FPGA布线结构模型，即一个基于SRAM的对称阵列(岛状)FPGA结构作为研究对象，该模型仅需3个适合的参数即能表示布线结构。为使所有布线算法可在相同平台上运行，选择了美国北卡罗来纳州微电子中心的20个大规模电路作为基准，并在布线前采用VPR399对每个电路都生成30个布局，从而使所有的布线算法都能够直接在这些预制电路上运行。 2、详细研究了四种几何查找布线算法，即一种基本迷宫布线算法Lee，一种基于协商的性能驱动的布线算法PathFinder，一种快速的时延驱动的布线算法VPR430和一种协商A
上传时间： 2013-05-18
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