JPEG 2000是为适应不断发展的图像压缩应用而出现的新的静止图像压缩标准，小波变换是JEPG 2000核心算法之一。小波变换是一种可达到时(空)域或频率域局部化的时频域或空频域分析方法，其多尺度分解特性符合人类的视觉机制，更加适用于图像信息的处理。提升小波变换是一类不采用傅立叶变换做为主要分析工具的小波变换新方法，提升小波变换的提出大大简化了小波变换的计算，使其在实时信号处理领域得到广泛的应用。通过提升的方法很容易构造一般的整数小波变换，由于图像一般用位数较低的整数表示，整数小波变换可以将为整数序列的图像矩阵映射成整数小波系数矩阵，这就大大简化了小波变换的硬件电路设计。在当今数字化和信息化时代背景下，研究具有高速硬件处理功能的可变程逻辑器件在图像压缩算法领域的应用已经成为当今研究的热点。 本文旨在探讨和研制基于FPGA的小波变换模块的可能性和方法。本文采用Xilinx公司的Spartan-Ⅲ系列芯片，根据JPEG 2000推荐无损提升小波算法和有损提升小波算法，设计图像压缩系统的小波变换模块。主要工作如下： 第一部分介绍了传统小波分析理论和提升小波分析理论。包括连续小波时频局域性的特征，离散小波变换系数的意义，多分辨分析引出的构造小波基的系统方法和计算离散小波的快速算法等。重点放在介绍正交小波和双正交小波的构造方法，并介绍了数字图像在小波域的特点。讨论了提升小波变换的基本思想，讨论了用提升方法构造小波基以及传统小波变换的提升实现，讨论了整数小波变换。 第二部分介绍了FPGA结构及其设计流程。介绍了FPGA/CPLD器件的特征、发展趋势及FPGA/CPLD基本结构，然后重点介绍了本文用到的Xilinx公司Spartan-Ⅲ系列芯片的结构特点，以及Xilinx的FPGA开发软件ISE，最后介绍了硬件描述语言VHDL语言的特点。 最后一部分是本论文研究的主要内容，即JPEG 2000中最核心的算法-提升格式小波变换的一维变换模块设计和二维变换模块设计。一维提升小波变换模块采用两种不同的电路结构进行设计-低速低功耗的串行流水线结构和高速高功耗的并行阵列结构。同样，二维小波变换模块也采用了两种不同的电路结构进行设计-低速低功耗的折叠结构和高速高功耗的串行结构。 文章对提升小波变换的FPGA实现中的大量细节问题进行了讨论，给出了每种结构提升小波变换模块的电路原理图，并对原理图进行了仿真测试，仿真测试结果不仅表明了模块功能的正确性，而且表明不同小波模块可以满足相应领域的实际要求。
上传时间： 2013-06-08
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随着微电子技术的高速发展，实时图像处理在多媒体、图像通信等领域有着越来越广泛的应用。FPGA就是硬件处理实时图像数据的理想选择，基于FPGA的图像处理专用芯片的研究将成为信息产业的新热点。 本文以FPGA为平台，使用VHDL硬件描述语言设计并实现了中值滤波、顺序滤波、数学形态学、卷积运算和高斯滤波等图像处理算法。在设计过程中，通过改进算法和优化结构，在合理地利用硬件资源的条件下，有效地挖掘出算法内在的并行性，采用流水线结构优化算法，提高了顶层滤波模块的处理速度。在中值滤波器的硬件设计中，本文提出了一种快速中值滤波算法，该算法大大节省了硬件资源，处理速度也很快。在数学形态学算法的硬件实现中，本文提出的最大值滤波和最小值滤波算法大大减少了硬件资源的占用率，适应了流水线设计的要求，提高了图像处理速度。 整个设计及各个模块都在Altera公司的开发环境QuartusⅡ以及第三方仿真软件Modelsim上进行了逻辑综合以及仿真。综合和仿真的结果表明，使用FPGA硬件处理图像数据不仅能够获得很好的处理效果，达到较高的工作频率，处理速度也远远高于软件法处理图像，可满足实时图像处理的要求。 本课题为图像处理专用FPGA芯片的设计做了有益的探索性尝试，对今后完成以FPGA图像处理芯片为核心的实时图像处理系统的设计有着积极的意义。
上传时间： 2013-06-08
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现代通信系统对带宽和数据速率的要求越来越高，超宽带(ultra-wideband，UWB)通信以其传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低的优点，成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。 论文主要围绕两方面展开分析：一是介绍用于UWB无载波脉冲调制及直接序列码分多址调制(DS-CDMA)的新型脉冲，即Hermite正交脉冲，并且分析了这种构建UWB多元通信和多用户通信的系统性能。二是分析了UWB的多带频分复用物理层提案(MBOA)的调制技术，并在FPGA上实现了调制模块。正交Hermite脉冲集被提出用于UWB的M元双正交调制系统，获得高数据速率。调整脉冲的脉宽因子和中心频率能使脉冲满足FCC的频谱要求。M元双正交调制的接收机需要M/2个相关器，远比M元正交调制所需的相关器数量少。误码率一定时，维数M的增加可获得高的比特率和低的信噪比。虽然高阶的Hermite脉冲易受抖动时延的影响，但当抖动时延范围小于0.02ns时，其影响较为不明显。本文认为1～8阶的Hermite脉冲皆可用，可构成16元双正交系统。 正交Hermite脉冲集也可以构造UWB多用户系统。各用户的信息用不同的Hermite脉冲同时传输，其多用户的误比特率上限低于高斯单脉冲构成的PPM多用户系统的误比特率，所以其系统性能更优。正交Hermite脉冲还可以用于UWB的DS-CDMA调制，在8个脉冲可用的情况下，最多可容64个用户同时通信。 基于MBOA提出的UWB物理层协议，本文用Verilog硬件语言实现了调制与解调结构，并用Modelsim做了时序验证。用Verilog编程实现的输出数据与Matlab生成的UWB建模的输出结果一致。为了达到UWBMB-OFDM系统的FFT处理器的要求，一个混和基多通道流水线的FFT算法结构被提出。其有效的实现方法也被提出。这种结构采用多通道以获得高的数据吞吐量。此外，它用于存储和复数乘法器的硬件损耗相比其他的FFT处理器是最少的。高基的FFT蝶算减少了复数乘法器的数量。在132MHz的工作频率下，整个128点FFT变换在此结构模式下只需要242.4ns,满足了MBOA的要求。
上传时间： 2013-07-29
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离散余弦变换(DCT)及其反变换(IDCT)在图像编解码方面应用十分广泛，至今已被JPEG、MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和H.26x等国际标准所采用。由于其计算量较大，软件实现往往难以满足实时处理的要求，因而在很多实际应用中需要采用硬件设计的DCT/IDCT处理电路来满足我们对处理速度的要求。本文所研究的内容就是针对图像处理应用的8×8二维DCT/IDCT处理核的硬件实现。 本文首先介绍了DCT和IDCT在图像处理中的作用和原理，详细说明了DCT变换实现图像压缩的过程，并与其它变换比较说明了用DCT变换实现图像压缩的优势。接着，分析研究了DCT的各种快速算法，总结了前人对DCT快速算法及其实现所做的研究。本文给出了两种性能、资源上有一定差异的二维DCT/IDCT的FPGA设计方案。两种方案均利用DCT的行列分离特性，采用流水线设计技术，将二维DCT/IDCT实现转化为两个一维DCT/IDCT实现。在一维DCT/IDCT设计中，根据图像处理的特点对Loeffler算法的数据流进行了优化，通过合理安排时钟周期数和简化各周期内的操作，大大缩短了关键路径的执行时间，从而提高了流水线的执行速度。最后，对所设计的DCT/IDCT处理核进行了综合和时序仿真。 结果表明，当使用Altera公司的MERCURY系列FPGA器件时，本文设计的方案一能够在116M时钟频率下正确完成8×8的二维DCT或IDCT的逻辑运算，消耗2827个逻辑单元；方案二能够在74M时钟频率下正常工作，消耗1629个逻辑单元。
上传时间： 2013-07-14
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Reed-Solomon码(简称RS码)是一种具有很强纠正突发和随机错误能力的信道编码方式，在深空通信、移动通信、磁盘阵列以及数字视频广播(DVB)等系统中具有广泛的应用。 本文简要介绍了有限域基本运算的算法和常用的RS编码算法，分析了改进后的Euclid算法和改进后的BM算法，针对改进后的BM算法提出了一种流水线结构的译码器实现方案并改进了该算法的实现结构，在译码器复杂度和译码延时上作了折衷，降低了译码器的复杂度并提高了译码器的最高工作频率。在Xilinx公司的Virtex-Ⅱ系列FPGA上设计实现了RS(255,239)编译码器，证明了该方案的可行性。
上传时间： 2013-06-11
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可编程逻辑器件FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件)越来越多的应用于数字信号处理领域，与传统的ASIC(专用集成电路)和DSP(数字信号处理器)相比，基于FPGA和CPLD实现的数字信号处理系统具有更高的实时性和可嵌入性，能够方便地实现系统的集成与功能扩展。 FFT的硬件结构主要包括蝶形处理器、存储单元、地址生成单元与控制单元。本文提出的算法在蝶形处理器内引入流水线结构，提高了FFT的运算速度。同时，流水线寄存器能够寄存蝶形运算中的公共项，这样在设计蝶形处理器时只用到了一个乘法器和两个加法器，降低了硬件电路的复杂度。 为了进一步提高FFT的运算速度，本文在深入研究各种乘法器算法的基础上，为蝶形处理器设计了一个并行乘法器。在实现该乘法器时，本文采用改进的布斯算法，用以减少部分积的个数。同时，使用华莱士树结构和4-2压缩器对部分积并行相加。 本文以32点复数FFT为例进行设计与逻辑综合。通过设计相应的存储单元，地址生成单元和控制单元完成FFT电路。电路的仿真结果与软件计算结果相符，证明了本文所提出的算法的正确性。 另外，本文还对设计结果提出了进一步的改进方案，在乘法器内加入一级流水线寄存器，使FFT的速度能够提高到当前速度的两倍，这在实时性要求较高的场合具有极高的实用价值。
上传时间： 2013-07-18
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本课题首先研究了常规的RS译码器的算法，确定在关键方程的计算中采用一种新改进的BM算法，然后提出了基于复数基的有限域快速并行乘法器和利用幂指数相减进行除法计算的有限域除法器，通过这些优化方法提高了RS译码器的速度，减少了译码延时和硬件资源使用，最后利用VHDL硬件描述语言在FPGA上实现了流水线处理的RS(255,223)译码器。 本课题实现的RS(255,223)硬件译码器的性能在国内具有领先水平，对我国以后航天项目高速数据传输系统的设计有着很大的意义。
上传时间： 2013-06-29
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本文采用基于运动补偿的算法,对去隔行系统及其FPGA设计作了深入的研究.该系统包括三个关键模块运动估计模块是去隔行系统的设计重点,设计为双向运动估计,采用菱形快速搜索算法,主要分为计算和控制两大部分.计算部分为SAD计算模块,采用累加树和流水线技术;控制部分根据菱形搜索算法的第三步搜索的特点,对比较模块、SAD暂存器等模块做了具体的设计.对于运动补偿模块采用双向补偿的算法,补偿精度为半像素.根据半像素点的位置将运动补偿计算分为四个状态,并通过对四个状态计算特点的分析设计了加法器的结构复用.同时基于视频数据处理的需要,设计了四个具有双体存储结构的内部缓存器,由FPGA内部的嵌入式阵列块实现.根据运动估计模块和运动补偿模块的计算特点,分别对缓存器的结构、读写时序和列序号控制进行设计,有效提高了数据的存取效率.本文对于这三个去隔行系统的关键模块都给出了RTL级设计和模块的功能仿真,并在最后一章中给出了去隔行系统的FPGA设计.
上传时间： 2013-06-11
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本文研究特种LCD的图像处理方法和FPGA实现方案，并研制出基于FPGA的若干实际应用系统，有效地解决目前存在的问题。本文主要研究内容为： (1)给出一种基于彩色空间变换的色彩调整方法，在YCrCb空间内实现亮度和色度分离，避免了RGB空间两者同时变化造成偏色和失真的现象，并在FPGA内采用流水线结构改进3阶矩阵运算的逻辑结构，节省出2/3的逻辑资源，提高了模块的最高运行速度。 (2)研究利用FPGA实现图像实时缩放处理的方法，选择能够满足特种LCD要求的双线性插值法作为研究对象，实时计算插值系数dx和dy，并采用流水线结构进行插值计算，仅使用FPGA中的3个双端口RAM来缓冲图像数据，没有外扩大容量帧存储器，降低了成本，提高特种LCD的系统兼容性。 (3)设计一种针对特种LCD更为简捷、有效的隔行转逐行扫描的实现方案，即利用图像实时缩放的方法，把一场图像缩放到LCD的分辨率，实现复合视频图像在LCD的“满屏”显示，改善现有特种LCD在显示隔行扫描的复合视频信号时，遇到图像信息丢失或显示效果不佳的问题。 (4)设计出一种基于字符和位图的数字OSD控制核，合理使用分布式RAM和块RAM两种逻辑资源来存储字符和位图信息，OSD图像由数字逻辑自动合成，编程简单灵活，使特种LCD的参数调整更加方便。 (5)研制成功基于FPGA的特种LCD显示控制板，能显示三种分辨率640×480，800×600，1024×768的图像信号；支持宽范围的亮度、对比度、显示位置等参数的实时调整，并提供全功能的透明OSD菜单进行指示。 (6)研制成功基于FPGA的特种LCD图像调节板，用于对某型号机载特种LCD进行改造，增加宽范围的亮度、对比度、图像显示位置的实时调整功能，提供无信号输入检测与OSD指示功能，提高图像显示的性能，通过了环境温度试验与性能测试，并已装机。 (7)研制成功基于DSP和FPGA的图像采集显示板，实现了对全分辨率复合视频信号进行25帧/秒的实时采集和显示，在DSP内使用“三帧”轮换的图像数据缓冲方法提高了系统的实时处理能力，使之能够完成一定复杂度的实时图像处理。
上传时间： 2013-06-12
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频率特性测试仪(简称扫频仪)是一种测试电路频率特性的仪器，它广泛应用于无线电、电视、雷达及通信等领域，为分析和改善电路的性能提供了便利的手段。而传统的扫频仪由多个模块构成，电路复杂，体积庞大，而且在高频测量中，大量的分立元件易受温度变化和电磁干扰的影响。为此，本文提出了集成化设计的方法，针对可编程逻辑器件的特点，对硬件实现方法进行了探索。 本文对三大关键技术进行了深入研究： 第一，由扫频信号发生器的设计出发，对直接数字频率合成技术(DDS)进行了系统的理论研究，并改进了ROM压缩方法，在提高压缩比的同时，改进了DDS系统的杂散度，并且利用该方法实现了幅度和相位可调制的DDS系统-扫频信号发生器。 第二，为了提高系统时钟的工作频率，对流水线算法进行了深入的研究，并针对累加器的特点，进行了一系列的改进，使系统能在100MHz的频率下正常工作。 第三，从系统频率特性测试的理论出发，研究如何在FPGA中提高多位数学运算的速度，从而提出了一种实现多位BCD码除法运算的方法—高速串行BCD码除法；随后，又将流水线技术应用于该算法，对该方法进行改进，完成了基于流水线技术的BCD码除法运算的设计，并用此方法实现了频率特性的测试。 在研究以上理论方法的基础上，以大规模可编程逻辑器件EP1K100QC208和微处理器89C52为实现载体，提出了基于单片机和FPGA体系结构的集成化设计方案；以VerilogHDL为设计语言，实现了频率特性测试仪主要部分的设计。该频率特性测试仪完成扫频信号的输出和频率特性的测试两大主要任务，而扫频信号源和频率特性测试这两大主要模块可集成在一片可编程逻辑器件中，充分体现了可编程逻辑器件的优势。 本文首先对相关的概念理论进行了介绍，包括DDS原理、流水线技术等，进而提出了系统的总体设计方案，包括设计工具、语言和实现载体的选择，而后，简要介绍了微处理器电路和外围电路，最后，较为详细地阐述了两个主要模块的设计，并给出了实现方式。
上传时间： 2013-06-08
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