随着多媒体技术发展,数字图像处理已经成为众多应用系统的核心和基础。图像处理作为一种重要的现代技术,已经广泛应用于军事指挥、大视场展览、跟踪雷达、电视会议、导航等众多领域。因而,实现高分辨率高帧率图像实时处理的技术不仅具有广泛的应用前景,而且对相关领域的发展也具有深远意义。 大视场可视化系统由于屏幕尺寸很大,只有在特制的曲面屏幕上才能使细节得到充分地展现。为了在曲面屏幕上正确的显示图像,需要在投影前实时地对图像进行几何校正和边缘融合。而现场可编程门阵列(FPGA)则是用硬件处理实时图像数据的理想选择,基于FPGA的图像处理技术是世界范围内广泛关注的研究领域。 本课题的主要工作就是设计一个以FPGA为核心的硬件系统,该系统可对高分辨率高刷新率(1024*768@60Hz)的视频图像实时地进行几何校正和边缘融合。 论文首先介绍了图像处理的几何原理,然后提出了基于FPGA的大视场实时图像融合处理系统的设计方案和模块功能划分。系统分为算法与软件设计,硬件电路设计和FPGA逻辑设计三个大的部分。本论文主要负责FPGA的逻辑设计。围绕FPGA的逻辑设计,论文先介绍了系统涉及的关键技术,以及使用Verilog语言进行逻辑设计的基本原则。 论文重点对FPGA内部模块设计进行了详细的阐述。仲裁与控制模块是顶模块的主体部分,主要实现系统状态机和时序控制;参数表模块主要实现SDRAM存储器的控制器接口,用于图像处理时读取参数信息。图像处理模块是整个系统的核心,通过调用FPGA内嵌的XtremeDSP模块,高速地完成对图像数据的乘累加运算。最后论文提出并实现了一种基于PicoBlaze核的12C总线接口用于配置FPGA外围芯片。 经过对寄存器传输级VerilogHDL代码的综合和仿真,结果表明,本文所设计的系统可以应用在大视场可视化系统中完成对高分辨率高帧率图像的实时处理。
上传时间: 2013-05-19
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在3G移动通信网络建设中,如何实现密集城区的无线网络覆盖是目前基站的发展方向。目前网络覆盖理念的核心思想就把传统宏基站的基带处理和射频部分分离,分成基带处理单元和射频拉远单元两个设备,这样既节省空间、降低设置成本,又提高了组网效率。本文研究的数字收发机用于WCDMA基站系统的射频拉远单元中,实现移动通信网中射频信号的传输工作。 数字收发机主要由射频处理部分、模数/数模转换部分、数字上下变频处理部分、接口转换以及数字光模块组成。本文研究的重点是数字上下变频处理部分。设计采用软件无线电的架构和FPGA技术,所设计的数字上下变频部分可以在不修改硬件电路的基础上只需修改软件部分的参数则可实现多种频率的变频处理,极大地降低了开发成本,且缩短了开发周期。 根据系统设计的设计要求,以及现有芯片使用情况比较,本文选用Altera公司的:FPGA芯片,应用公司提供的Dspbuilder作为系统级的开发工具,应用Quartus Ⅱ作为综合、布局布线工具实现数字上下变频处理部分设计。 本文的主要研究工作包括以下几个部分: (1)对数字收发机的整体结构进行分析研究,确定数字收发机的实现结构和各个部分的功能; (2)通过对数字上下变频的相关理论的研究,分析出数字上下变频的结构、实现方法及性能; (3)通过对数控振荡器、CIC滤波器、FIR滤波器进行理论研究、内部实现结构以及性能分析,得出具体的参数和仿真实现结构; (4)使用FPGA中的IP核技术来实现数字上下变频,利用Matlab中Dspbuilder提供的IP核分别进行NCO、CIC、FIR的仿真工作;并得出数字上下变频的总体仿真实现结果; (5)对高速收发通道进行了研究和设计,根据系统的要求给出了数据帧结构,并采用Altera的第三代FPGA产品Stratix Ⅱ GX系列芯片实现了数字收发机的信号的串并/并串的接口转换。为后续继续研究工作奠定基础。
上传时间: 2013-06-21
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由于其很强的纠错性能和适合硬件实现的编译码算法,卷积编码和软判决维特比译码目前已经广泛应用于卫星通信系统。然而随着航天事业的发展,卫星有效载荷种类的增多和分辨率的不断提高,信息量越来越大。如何在低信噪比的功率受限信道条件下提高传输速率成为目前亟待解决的问题。本论文结合在研项目,在编译码算法、编译码器的设计与实现、编译码器性能提高三个方面对卷积编码和维特比译码进行了深入研究,并进一步介绍了使用VHDL语言和原理图混合输入的方式,实现一种(7,3/4)增信删余方式的高速卷积编码器和维特比译码器的详细过程;然后将设计下载到XILINX的Virtex2 FPGA内部进行功能和时序确认,最终在整个数据传输系统中测试其性能。本文所实现的维特比译码器速率达160Mbps,远远高于目前国内此领域内的相关产品速率。 首先,论文具体介绍了卷积编码和维特比译码的算法,研究卷积码的各种参数(约束长度、生成多项式、码率以及增信删余等)对其译码性能的影响;针对项目需求,确定卷积编码器的约束长度、生成多项式格式、码率和相应的维特比译码器的回归长度。 其次,论文介绍了编解码器的软、硬件设计和调试一根据已知条件,使用VHDL语言和原理图混合输入的方式设计卷积编码和维特比译码的源代码和原理图,分别采用功能和电路级仿真,确定卷积编码和维特比译码分别需要占用的资源,考虑卷积编码器和维特比译码器的具体设计问题,包括编译码的基本结构,各个模块的功能及实现策略,编译码器的时序、逻辑综合等;根据软件仿真结果,分别确定卷积编码器和维特比译码器的接口、所需的FPGA器件选型和进行各自的印制板设计。利用卷积码本身的特点,结合FPGA内部结构,采用并行卷积编码和译码运算,设计出高速编译码器;对软、硬件分别进行验证和调试,并将验证后的软件下载到FPGA进行电路级调试。 最后,论文讨论了卷积编码和维特比译码的性能:利用已有的测试设备在整个数据传输系统中测试其性能(与没有采用纠错编码的数传系统进行比对);在信道中加入高斯白噪声,模拟高斯信道,进行误码率和信噪比测试。
上传时间: 2013-04-24
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软件无线电(SDR,Software Defined Radio)由于具备传统无线电技术无可比拟的优越性,已成为业界公认的现代无线电通信技术的发展方向。理想的软件无线电系统强调体系结构的开放性和可编程性,减少灵活性著的硬件电路,把数字化处理(ADC和DAC)尽可能靠近天线,通过软件的更新改变硬件的配置、结构和功能。目前,直接对射频(RF)进行采样的技术尚未实现普及的产品化,而用数字变频器在中频进行数字化是普遍采用的方法,其主要思想是,数字混频器用离散化的单频本振信号与输入采样信号在乘法器中相乘,再经插值或抽取滤波,其结果是,输入信号频谱搬移到所需频带,数据速率也相应改变,以供后续模块做进一步处理。数字变频器在发射设备和接收设备中分别称为数字上变频器(DUC,Digital Upper Converter)和数字下变频器(DDC,Digital Down Converter),它们是软件无线电通信设备的关键部什。大规模可编程逻辑器件的应用为现代通信系统的设计带来极大的灵活性。基于FPGA的数字变频器设计是深受广大设计人员欢迎的设计手段。本文的重点研究是数字下变频器(DDC),然而将它与数字上变频器(DUC)完全割裂后进行研究显然是不妥的,因此,本文对数字上变频器也作适当介绍。 第一章简要阐述了软件无线电及数字下变频的基本概念,介绍了研究背景及所完成的主要研究工作。 第二章介绍了数控振荡器(NCO),介绍了两种实现方法,即基于查找表和基于CORDIC算法的实现。对CORDIc算法作了重点介绍,给出了传统算法和改进算法,并对基于传统CORDIC算法的NCO的FPGA实现进行了EDA仿真。 第三章介绍了变速率采样技术,重点介绍了软件无线电中广泛采用的级联积分梳状滤波器 (cascaded integratot comb, CIC)和ISOP(Interpolated Second Order Polynomial)补偿法,对前者进行了基于Matlab的理论仿真和FPGA实现的EDA仿真,后者只进行了基于Matlab的理论仿真。 第四章介绍了分布式算法和软件无线电中广泛采用的半带(half-band,HB)滤波器,对基于分布式算法的半带滤波器的FPGA实现进行了EDA仿真,最后简要介绍了FIR的多相结构。 第五章对数字下变频器系统进行了噪声综合分析,给出了一个噪声模型。 第六章介绍了数字下变频器在短波电台中频数字化应用中的一个实例,给出了测试结果,重点介绍了下变频器的:FPGA实现,其对应的VHDL程序收录在本文最后的附录中,希望对从事该领域设计的技术人员具有一定参考价值。
上传时间: 2013-06-09
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FPGA 技术是图像处理领域的一个重要的研究课题,近年来倍受人们的关注。本文研究了视频信号的采集、显示以及通过网络进行传输的方法。并提出了一套基于FPGA 的实现方案。 系统可以分为采集控制模块、显示控制模块和网络传输控制模块3 部分。视频信号的采集用到了视频处理芯片SAA7113,通过FPGA 对其初始化,可以得到经过A/D 转换的YUV 格式视频信号,利用采集控制模块可以将这些视频信号保存到SRAM 中去。显示控制模块读出SRAM 中的视频信号,进行YUV 格式到RGB 格式的转换以及帧频变换等操作,再利用VGA 显示芯片THS8134 就可以将采集到的视频信号在LCD 上显示出来。基于IEEE802.3 协议的网络传输控制模块将YUV 格式的视频信号进行添加报头、CRC 校验码等操作后,将其变成一个MAC 帧,可以在以太网络中传输。 设计选用硬件描述语言Verilog HDL,在开发工具QuartusII 中完成软核的综合、布局布线、汇编,并最终在QuartusII 和Active-HDL 中进行时序仿真验证。 对设计的验证采取的是由里及外的方式,先对系统主模块的功能进行验证,再模拟外部器件对设计的接口进行验证。验证流程是功能仿真、时序仿真、板级调试,最终通过了系统测试,验证了该设计的功能。
上传时间: 2013-07-21
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纹理映射在计算机图形计算中属于光栅化阶段,处理的是像素,主要的特点是数据的吞吐量大,对实时系统来说转换的速度是一个关键的因素,人们寻求各种加速算法来提高运算速度。传统的方法是用更快的处理器,并行算法或专用硬件。随着数字技术的发展,尤其是可编程逻辑门阵列(FPGAs)的发展,提供了一种新的加速方法。FPGAs在密度和性能上都有突破性的发展,当前的FPGA芯片已经能够运算各种图形算法,而在速度上与专用的图形卡硬件相同。因此,FPGA芯片非常适合这项工作。 本文主要工作包括以下几个方面: 1、本文提出了一种MIPmapping纹理映射优化方法,改进了MIPmapping映射细化层次算法及纹理图像的存储方式,减少纹理寻址的计算量,提高纹理存储的相关性。详细内容请阅读第三章。 2、提出了一种MIPmapping纹理映射优化方法的硬件实现方案,该方案针对移动设备对功耗和面积的要求,以及分辨率不高的特点,在参数空间到纹理地址的计算中用定点数来实现。详细内容请阅读第四章。 3、实现了纹理映射流水线单元纹理地址产生电路,及纹理滤波电路的FPGA设计,并给出设计的综合和仿真结果。详细内容请阅读第五章4、实现了符合IEEE 754单精度标准的乘法、乘累加及除法运算器电路。乘法器采用改进型Booth编码电路以减少部分积数量,用Wallace对部分积进行压缩;乘累加器采用multiply-add fused算法,对关键路径进行了优化;除法器为基于改进型泰勒级数展开的查找表结构实现,查找表尺寸只有208字节,电路为固定时延,在电路尺寸、延时及复杂度方面进行了较好的平衡。
上传时间: 2013-04-24
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计算机图形学中真实感成像包括两部分内容:物体的精确图形表示;场景中光照效果的适当的描述。光照效果包括光的反射、透明性、表面纹理和阴影。对物体进行投影,然后再可见面上产生自然光照效果,可以实现场景的真实感显示。光照明模型主要用于物体表面某点处的光强度计算。面绘制算法是通过光照模型中的光强度计算,以确定场景中物体表面的所有投影像素点的光强度。Phong明暗处理算法是生成真实感3D图像最佳算法之一。但是由于其大量的像素级运算和硬件难度而在实现实时真实感图形绘制中被Gotuaud明暗处理算法所取代。VLSI技术的发展以及对于高真实感实时图形的需求使得Phong明暗处理算法的实现成为可能。利用泰勒级数近似的Fast Phong明暗处理算法适合硬件实现。此算法需要存储大量数据的ROM。这增加了实现的难度。 本文完成了以下工作: 1、本文简述了实时真实感图形绘制管线,详细叙述了所用到的光照明模型和明暗处理方法,并对几种明暗处理方法的效果作了比较,实验结果表明Fast Phong明暗处理算法适用于实时真实感图形绘制。 2、在熟悉Xilinx公司FPGA芯片结构及其开发流程的基础上,结合Xilinx公司提供的FPGA开发工具ISE 7.1i,仿真工具为ISE simulator,综合工具为XST;完成了Fast Phong明暗处理模块的FPGA设计与实现。综合得到的电路的最高频率为54.058MHz。本文的Fast Phong明暗处理硬件模块适用于实时真实感图形绘制。 3、本文通过误差分析,提出了优化的查找表结构。通过在FPGA上对本文所提结构进行验证。结果表明,本方案在提高速度、精度的同时将ROM的数据量从64K*8bit减少至13K*8bit。
上传时间: 2013-06-21
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回波消除器广泛应用于公用电话交换网(PSTN)、移动通信系统和视频电话会议系统等多种语音通信领域。在PSTN系统中,由于线路阻抗不匹配,远端语音信号通过混合线圈时产生一定泄漏,一部分信号又传回远端,产生线路回波,回波的存在会严重影响语音通信质量。本文主要针对线路回波进行研究,设计并实现了满足实用要求的基于FPGA平台的回波消除器。 首先,对回波产生原理和目前几种常用回波消除算法进行了分析,在研究自适应回波消除器的各个模块,特别是深入分析各种自适应滤波算法和双讲检测算法,综合考虑各种算法的运算复杂度和性能的情况下,这里采用NLMS算法实现自适应回波消除器。针对传统双讲检测算法在近端语音幅度较低情况下容易产生误判的情况,给出一种基于子带滤波器组的改进双讲检测算法。 本文首先使用C语言实现回波消除器的各个模块,其中包括自适应滤波器、远端检测、双讲检测、非线性处理和舒适噪声产生模块。经过仿真测试,相关模块算法能够有效提高回波消除器性能。在此基础上,本文使用硬件描述语言Veillog HDL,在QuartusⅡ和ModelSim软件平台上实现各功能模块,并通过模块级和系统级功能仿真以及时序仿真验证,最终在现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Arrav,FPGA)平台上实现回波消除系统。本文详细阐述了基于FPGA的设计流程与设计方法,并描述了自适应滤波器、基于分布式算法FIR滤波器、除法器和有限状态机的设计过程。 根据ITU-T G.168标准提出的测试要求,本文埘基于FPGA设计实现的自适应回波消除系统进行大量主客观测试。经过测试,各项性能指标均达到或超过G.168标准的要求,具有良好的回波消除效果。
上传时间: 2013-06-18
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软件无线电(Software Radio)具有高度灵活性、开放性,很容易实现与现有和未来多种电台的兼容,能最大限度的满足了互联互通的要求。而基于多相滤波器组的信道化软件无线电接收技术以其固有的全概率接收、降采样速率以及其大幅提高运算速率的能力越来越受到重视。本文主要研究了基于现场可编程门阵列(FPGA)的软件无线电信道化中频接收技术设计与实现。 首先介绍了软件无线电的基本概念以及其发展状况,深入讨论了软件无线电的基本理论,主要介绍了设计中所用到的带通采样技术、信号的抽取技术与多相滤波技术。 然后简要介绍了信道化中频接收机的射频(Radio Frequency,RF)前端接收技术,设置宽中频超外差接收机射频前端的设计指标,给出了改进的实信号滤波器组低通型实现结构,并依此推导和建立了实信号多相滤波器组信道化中频接收机的数学模型。 最后基于EP1S80开发平台实现了实信号多相滤波器组信道化的中频接收机。给出了多相滤波器、抽取运算、FFT运算、信道划分以及复乘运算的设计方案。仿真结果表明,该接收机能够实现对中频信号的正确接收,验证了系统设计的可行性。
上传时间: 2013-06-12
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本文针对目前国内外基于FPGA实现模糊控制器的理论、EDA软件工具的使用以及FPGA 技术的发展,对模糊控制器的设计作了有益的探索,并达到了预期的实验效果。文章综述了模糊控制理论的产生、发展、应用现状以及今后的发展方向;介绍了模糊逻辑、模糊控制的基本原理和模糊控制器的结构;阐述了常规模糊控制器的设计过程。文章介绍了运用 VHDL语言进行模糊控制器的设计过程。对模糊控制过程中隶属度函数的存储采用了分段存储法,其设计方法简单,提高了运算速度和运算精度。采用了“最大-最小”函数法简化了模糊控制规则的推理过程。运用“倒数相乘法”实现除法器的设计,能够实现任意数的除法运算,且精度较高。并以模糊空调温度控制器为例进行了理论说明和模糊设计,并给出了相应的VHDL代码。整体设计及其各个模块都在ALTERA公司的EDA 工具Quartus Ⅱ和Modelsim SE平台上进行了逻辑综合及功能时序仿真,综合与仿真的结果表明,基于FPGA的模糊控制器芯片消耗较少的硬件资源,达到了较高的设计性能,在速度和资源利用率方面均达到了较优的状态,通过在 FPGA开发板上的验证与测试,测试结果表明,所设计的模糊控制器可满足实时模糊控制的要求。关键词:模糊逻辑 模糊控制器 VHDL FPGA
上传时间: 2013-04-24
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