全球定位系统(Global Positioning System—GPS)是新一代卫星导航定位系统，具有全球、全天候、连续、高精度导航与定位功能，能够为广大用户提供精确的三维坐标、速度和时间信息。因此，GPS系统被广泛地应用于生活中的各个领域。GPS系统用户主要是各种型号的接收机，而捕获跟踪技术是接收机的关键技术，同时也是一个技术难点。在GPS接收机中，导航电文是用户定位和导航的数据基础，为了得到导航电文必须要对GPS信号进行捕获跟踪。本文详细研究了GPS信号捕获跟踪技术，并进行了FPGA设计。 @@ 本文首先概述了GPS系统信号结构和GPS接收机工作原理，对GPS信号调制机理进行详细地阐述，重点分析了C/A码生成原理和特性。 @@ 其次叙述了GPS信号捕获的基础理论，重点研究时域滑动相关捕获方法，深入分析其算法和性能。用MATLAB中Simulink软件包搭建了可自由修改参数的GPS中频发生器，并在此平台上，对GPS信号时域滑动相关捕获算法进行仿真与分析。 @@ 接着重点研究了GPS信号跟踪技术，系统分析码跟踪环路和载波跟踪环路结构框图以及算法。在码跟踪环路方面，选用并分析了能分离载波的非相干超前滞后码锁定环的工作机理。在载波跟踪环路中选用对导航电文数据相位翻转不敏感的科斯塔斯环，并用数学模型分析GPS信号的解调过程。之后对整个跟踪环路进行MATLAB仿真，结果表明环路参数设计满足要求，并能成功解调出GPS导航电文。 @@ 最后本文在QuartusII环境下完成对GPS信号捕获跟踪系统的FPGA设计。根据对相关器硬件结构框架，对算法中各个模块的实现进行详细的说明，包括顶层设计到CA码、NCO等重要模块设计，并给出了仿真结果。 @@关键词：GPS接收机；捕获；跟踪；MATLAB仿真：FPGA
上传时间： 2013-06-16
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IIR数字滤波器是冲激响应为无限长的一类数字滤波器，是电子、通信及信号处理领域的重要研究内容，国内外学者对IIR数字滤波器的优化设计进行了大量研究。其中，进化算法优化设计IIR数字滤波器虽然取得了一定的效果，但是其也有自身的一些不足；另外，基于粒子群算法以及人工鱼群算法的IIR数字滤波器优化设计也取得了较好的效果。但这些方法都是将多目标优化问题转化为单目标优化问题，这种方法是将每个目标赋一个权值，然后将这些赋了权值的目标相加，把相加的结果作为目标函数，在此基础上寻找目标函数的最小值，这样做造成的问题是可能将其中的任何一种满足目标函数值最小的情况作为最优解，但实际上得到的不一定是最优解。也就是说，单目标的方法难以区分哪一种情况为最优解，这样的寻优模型从理论上来说是难以得到最优解的。另外，在将多目标转化为单目标时，各个目标的权值难以确定，而且最终只能得到唯一解。针对这些问题，本文在研究传统遗传算法、进化规划算法以及量子遗传算法的IIR数字滤波器优化设计的基础上，将重点研究IIR数字滤波器的粒子进化规划优化、遗传多目标优化以及量子多目标优化。另外，由于在通信系统中IIR数字滤波器有广泛应用，并且大量采用FPGA实现，多目标优化方法得到的滤波器性能也值得验证，因此，对多目标优化方法得到的IIR数字滤波器系数进行FPGA仿真验证有重要的现实意义。 @@ 论文的主要工作及研究成果具体如下： @@ 1.分析IIR数字滤波器的数学模型及其优化设计的参数；针对低通IIR数字滤波器，采用遗传算法及量子遗传算法对其进行优化设计，并给出相应的仿真结果及分析。 @@ 2.针对使用进化规划算法优化设计IIR数字滤波器时容易陷入局部极值的问题，研究粒子进化规划算法，并将其应用于IIR数字滤波器的优化设计，该算法将粒子群优化算法与进化规划算法相结合，继承了粒子群算法局部搜索能力强和进化规划算法遗传父代优良基因能力强的优点。将这种新的粒子进化规划算法应用于IIR低通、高通、带通、带阻数字滤波器的优化设计，显示了较好的效果。 @@ 3.优化设计IIR数字滤波器时，通常将多目标转化为单目标的优化问题，这种方法虽然设计简单，但是在将多目标转化为单目标时，各个目标的权值难以确定，而且最终只能得到唯一解，不能提供更多的有效解给决策者。针对常 用基于单目标优化算法的不足，在分析IIR数字滤波器优化模型和待优化参数的基础上，本文研究遗传算法的IIR数字滤波器多目标优化设计方法，该方法将多个目标值直接映射到适应度函数中，通过比较函数值的占优关系来搜索问题的有效解集，使用这种方法可以求得一组有效解，并且将多目标转化为单目标的优化方法得到的唯一解也能被包括在这一组有效解中。@@ 4.将量子遗传算法应用于IIR数字滤波器多目标优化设计，研究量子遗传算法的IIR数字滤波器多目标优化设计方法，并将优化结果与传统遗传算法的多目标优化方法进行了比较。仿真结果表明，在对同一种滤波器进行优化设计时，使用该方法得到的结果通带波动更小，过渡带更窄，阻带衰减也更大。 @@ 5.针对IIR数字滤波器的硬件实现问题，在对IIR数字滤波器的结构特征进行分析的基础上，分别采用遗传多目标优化方法量子多目标方法优化设计IIR数字滤波器的系数，然后针对两组系数进行了FPGA( Field-Programmable GateArray，现场可编程门阵列)仿真验证，并对两种结果进行了对比分析。 @@关键词：IIR数字滤波器；优化设计
上传时间： 2013-06-09
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烟叶烘烤是烟叶生产中一个非常重要的环节，为保证烟叶烘烤的质量，需要有效的控制温度和湿度让其按照“三段式”工艺曲线进行变化。本文通过对三段式工艺的分析，构建了以FPGA为控制核心，采用数字式温湿度传感器进行温湿度测量的烤烟自动控制系统。 整个系统的实现是基于CYCLONEⅡ系列的FPGA器件EP2C8Q208C8进行的。同时对系统的配置电路、驱动电路、显示控制电路、语音提示和温湿度测量电路进行了设计，并给出了各个模块的电路原理图。由于温湿度测量是系统设计实现的重要部分，所以本文重点讨论了温度传感器DS18820和湿度传感器HS1101的性能特点、工作原理、处理次序和设计流程。针对烟叶烘烤过程中烤房温湿度的测量和控制中，存在的强时变、大时滞、非线性的问题，采用了模糊控制算法进行控制，并给出了模糊控制器设计的方法。另外，为方便用户调用烟叶烘烤中经验曲线，提出了使用EEPROM对烘烤经验曲线参数进行处理。而且讨论了如何通过I2C总线与EEPROM进行读写操作进而实现参数的保存和读取。系统的测试结果表明烤烟自动控制系统基本上达到了实际的要求，具有一定的先进性。
上传时间： 2013-04-24
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卷积码是广泛应用于卫星通信、无线通信等多种通信系统的信道编码方式。Viterbi算法是卷积码的最大似然译码算法，该算法译码性能好、速度快，并且硬件实现结构比较简单，是最佳的卷积码译码算法。随着可编程逻辑技术的不断发展，使用FPGA实现Viterbi译码器的设计方法逐渐成为主流。不同通信系统所选用的卷积码不同，因此设计可重配置的Viterbi译码器，使其能够满足多种通信系统的应用需求，具有很重要的现实意义。 本文设计了基于FPGA的高速Viterbi译码器。在对Viterbi译码算法深入研究的基础上，重点研究了Viterbi译码器核心组成模块的电路实现算法。本设计中分支度量计算模块采用只计算可能的分支度量值的方法，节省了资源；加比选模块使用全并行结构保证处理速度；幸存路径管理模块使用3指针偶算法的流水线结构，大大提高了译码速度。在Xilinx ISE8.2i环境下，用VHDL硬件描述语言编写程序，实现(2，1，7)卷积码的Viterbi译码器。在(2，1，7)卷积码译码器基础上，扩展了Viterbi译码器的通用性，使其能够对不同的卷积码译码。译码器根据不同的工作模式，可以对(2，1，7)、(2，1，9)、(3，1，7)和(3，1，9)四种广泛运用的卷积码译码，并且可以修改译码深度等改变译码器性能的参数。 本文用Simulink搭建编译码系统的通信链路，生成测试Viterbi译码器所需的软判决输入。使用ModelSim SE6.0对各种模式的译码器进行全面仿真验证，Xilinx ISE8.2i时序分析报告表明译码器布局布线后最高译码速度可达200MHz。在FPGA和DSP组成的硬件平台上进一步测试译码器，译码器运行稳定可靠。最后，使用Simulink产生的数据对本文设计的Viterbi译码器的译码性能进行了分析，仿真结果表明，在同等条件下，本文设计的Viterbi译码器与Simulink中的Viterbi译码器模块的译码性能相当。
上传时间： 2013-06-24
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现场可编程门阵列(FPGA，Field Programmable Gate Array)是可编程逻辑器件的一种，它的出现是随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC，Application Specific Integrated Circuit)．芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中。现在，FPGA已广泛地运用于通信领域、消费类电子和车用电子。 本文中涉及的I/O端口模块是FPGA中最主要的几个大模块之一，它的主要作用是提供封装引脚到CLB之间的接口，将外部信号引入FPGA内部进行逻辑功能的实现并把结果输出给外部电路，并且根据需要可以进行配置来支持多种不同的接口标准。FPGA允许使用者通过不同编程来配置实现各种逻辑功能，在IO端口中它可以通过选择配置方式来兼容不同信号标准的I/O缓冲器电路。总体而言，可选的I/O资源的特性包括：IO标准的选择、输出驱动能力的编程控制、摆率选择、输入延迟和维持时间控制等。 本文是关于FPGA中多标准兼容可编程输入输出电路(Input/Output Block)的设计和实现，该课题是成都华微电子系统有限公司FPGA大项目中的一子项，目的为在更新的工艺水平上设计出能够兼容单端标准的I/O电路模块；同时针对以前设计的I/O模块不支持双端标准的缺点，要求新的电路模块中扩展出双端标准的部分。文中以低压双端差分标准(LVDS)为代表构建双端标准收发转换电路，与单端标准比较，LVDS具有很多优点： (1)LVDS传输的信号摆幅小，从而功耗低，一般差分线上电流不超过4mA，负载阻抗为100Ω。这一特征使它适合做并行数据传输。 (2)LVDS信号摆幅小，从而使得该结构可以在2.5V的低电压下工作。 (3)LVDS输入单端信号电压可以从0V到2.4V变化，单端信号摆幅为400mV，这样允许输入共模电压从0.2V到2.2V范围内变化，也就是说LVDS允许收发两端地电势有±1V的落差。 本文采用0.18μm1.8V/3.3V混合工艺，辅助Xilinx公司FPGA开发软件ISE，设计完成了可以用于Virtex系列各低端型号FPGA的IOB结构，它有灵活的可配置性和出色的适应能力，能支持大量的I/O标准，其中包括单端标准，也包括双端标准如LVDS等。它具有适应性的优点、可选的特性和考虑到被文件描述的硬件结构特征，这些特点可以改进和简化系统级的设计，为最终的产品设计和生产打下基础。设计中对包括20种IO标准在内的各电器参数按照用户手册描述进行仿真验证，性能参数已达到预期标准。
上传时间： 2013-05-15
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现场可编程门阵列(FPGA)的发展已经有二十多年，从最初的1200门发展到了目前数百万门至上千万门的单片FPGA芯片。现在，FPGA已广泛地应用于通信、消费类电子和车用电子类等领域，但国内市场基本上是国外品牌的天下。 在高密度FPGA中，芯片上时钟分布质量变的越来越重要，时钟延迟和时钟偏差已成为影响系统性能的重要因素。目前，为了消除FPGA芯片内的时钟延迟，减小时钟偏差，主要有利用延时锁相环(DLL)和锁相环(PLL)两种方法，而其各自又分为数字设计和模拟设计。虽然用模拟的方法实现的DLL所占用的芯片面积更小，输出时钟的精度更高，但从功耗、锁定时间、设计难易程度以及可复用性等多方面考虑，我们更愿意采用数字的方法来实现。 本论文是以Xilinx公司Virtex-E系列FPGA为研究基础，对全数字延时锁相环(DLL)电路进行分析研究和设计，在此基础上设计出具有自主知识产权的模块电路。 本文作者在一年多的时间里，从对电路整体功能分析、逻辑电路设计、晶体管级电路设计和仿真以及最后对设计好的电路仿真分析、电路的优化等做了大量的工作，通过比较DLL与PLL、数字DLL与模拟DLL，深入的分析了全数字DLL模块电路组成结构和工作原理，设计出了符合指标要求的全数字DLL模块电路，为开发自我知识产权的FPGA奠定了坚实的基础。 本文先简要介绍FPGA及其时钟管理技术的发展，然后深入分析对比了DLL和PLL两种时钟管理方法的优劣。接着详细论述了DLL模块及各部分电路的工作原理和电路的设计考虑，给出了全数字DLL整体架构设计。最后对DLL整体电路进行整体仿真分析，验证电路功能，得出应用参数。在设计中，用Verilog-XL对部分电路进行数字仿真，Spectre对进行部分电路的模拟仿真，而电路的整体仿真工具是HSIM。 本设计采用TSMC0.18μmCMOS工艺库建模，设计出的DLL工作频率范围从25MHz到400MHz，工作电压为1.8V，工作温度为-55℃～125℃，最大抖动时间为28ps，在输入100MHz时钟时的功耗为200MW，达到了国外同类产品的相应指标。最后完成了输出电路设计，可以实现时钟占空比调节，2倍频，以及1.5、2、2.5、3、4、5、8、16时钟分频等时钟频率合成功能。
上传时间： 2013-06-10
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无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由大量传感器节点组成，这些节点部署在监测区域内通过无线通信方式，形成的一个多跳自组织的网络。整个网络的作用是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给观察者，可广泛应用于环境监测、医疗护理、军事、商业等多个领域。 媒体访问控制（Medium Access Control，MAC）协议处于无线传感器网络协议的物理层和路由层之间，用于在传感器节点间公平有效地共享通信媒介，对传感器网络的性能有较大影响。与传统无线网络不同，提高能量效率和可扩展性是无线传感器网络MAC协议设计的主要目标。 本文主要阐述基于FPGA对IEEE802．15．4 MAC层功能的实现。首先介绍了无线传感器网络的体系结构、MAC协议的设计要求以及已有的MAC层协议，讨论了无线传感器网络MAC层的主要要求和功能。然后详细介绍和分析了IEEE802．15．4的MAC协议，并在此基础上，通过NS2平台对MAC层协议进行了仿真，研究不同网络负荷下信道访问机制的各个参数对吞吐量，丢包率，传输延时的影响，分析了隐蔽站问题、确认帧机制。 本文对MAC层中的主要功能，诸如数据收发、帧处理、信道接入方式以及帧检验等提出了基于FPGA的硬件解决方法。设计选用硬件描述语言VerilogHDL，在QuartusⅡ中完成模块的综合和布局布线，在QuartusⅡ和Modelsim中进行时序仿真验证，最终下载到自主设计Altera公司的Cyclone开发板中。 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，然后下载到与CC2430开发板相连接的FPGA中对设计进行验证测试。验证流程是功能仿真、时序仿真和板级调试，最终通过测试，验证了该设计的功能。测试结果表明，该模块能满足无线传感器网络低速率应用环境的需要，具有优良的扩展性能，达到了预期的设计目标。
上传时间： 2013-06-14
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近年来，语音识别研究大部分集中在算法设计和改进等方面，而随着半导体技术的高速发展，集成电路规模的不断增大与各种研发技术水平的不断提高，新的硬件平台的推出，语音识别实现平台有了更多的选择。语音识别技术在与DSP、FPGA、ASIC等器件为平台的嵌入式系统结合后，逐渐向实用化、小型化方向发展。 本课题通过对现有各种语音特征参数与孤立词语音识别模型进行研究的基础上，重点探索基于动态时间规整算法的DTW模型在孤立词语音识别领域的应用，并结合基于FPGA的SOPC系统，在嵌入式平台上实现具有较好精度与速度的孤立词语音识别系统。 本系统整体设计基于DE2开发平台,采用基于Nios II的SOPC技术。采用这种解决方案的优点是实现了片上系统，减少了系统的物理体积和总体功耗；同时系统控制核心都在FPGA内部实现，可以极为方便地更新和升级系统，大大地提高了系统的通用性和可维护性。 此外，由于本系统需要大量的高速数据运算，在设计中作者充分利用了Cyclone II芯片的丰富的硬件乘法器，实现了语音信号的端点检测模块，FFT快速傅立叶变换模块，DCT离散余弦变换模块等硬件设计模块。为了提高系统的整体性能，作者充分利用了FPGA的高速并行的优势，以及配套开发环境中的Avalon总线自定义硬件外设，使系统处理数字信号的能力大大提高，其性能优于传统的微控制器和普通DSP芯片。 本论文主要包含了以下几个方面： （1）结合ALTERA CYCLONE II芯片的特点，确定了基于FPGA语音识别系统的总体设计，在此基础上进行了系统的软硬件的选择和设计。 （2）自主设计了纯硬件描述语言的驱动电路设计，完成了高速语音采集的工作，并且对存储数据芯片SRAM中的原始语音数据进行提取导入MATLAB平台测试数据的正确性。整个程序测试的方式对系统的模块测试起到重要的作用。 （3）完成高速定点256点的FFT模块的设计，此模块是系统成败的关键，实现高速实时的运算。 （4）结合SOPC的特性，设计了人机友好接口，如LCD显示屏的提示反馈信息等等，以及利用ALTERA提供的一些驱动接口设计完成用户定制的系统。 （5）进行了整体系统测试，系统可以较稳定地实现实时处理的目的，具有一定的市场潜在价值。
上传时间： 2013-05-23
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现代电子系统中，FIR数字滤波器作为数字信号处理技术的重要组成部分，以其良好的线性特性在许多领域内被广泛的应用。在工程实践中，往往要求信号处理具有实时性和灵活性，而已有的一些软件和硬件实现方式则难以同时达到这两方面的要求。 随着可编程逻辑器件和EDA技术的发展，越来越多的人开始应用FPGA实现FIR滤波器，既保证了信号处理的实时性，又可兼顾灵活性的要求。但是普遍存在的问题是不能根据被滤波信号特点动态调整滤波器的滤波系数，只能完成单一特性的滤波工作。 本文将FPGA的快速性和计算机的灵活性通过USB2.0总线有机地结合起来，设计了一个基于FPGA的可调参数FIR滤波系统。此系统由计算机根据各种滤波器指标计算出滤波参数，通过USB2.0对FPGA芯片内部的FIR多阶滤波器进行参数配置，实现数字滤波器参数可调；配置后的FPGA滤波单元完成对A/D采集的信号进行滤波运算，滤波后的数据经过缓存后通过USB2.0总线传输至计算机进行显示、分析和储存等进一步处理。在系统中采用有限状态机对FPGA参数配置模式和滤波模式进行切换，保证了系统的有序运行。 本文通过性能测试和应用实例对系统进行验证。实验证明：该基于FPGA的可调参数FIR滤波系统参数配置方便，可以根据实际需要动态调整滤波参数，并且滤波效果良好，可有效滤除噪声信号。
上传时间： 2013-07-26
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Scaler是平板显示器件(FPD，Flat Panel Display)中的重要组成部分，它将输入源图像信号转换成与显示屏固定分辨率一致的信号，并控制其显示在显示屏上。本文在研究图像缩放算法和scaler在FPD中工作过程的基础上，采用自上而下(Top-down)的设计方法，给出了scaler的设计及FPGA验证。该scaler支持不同分辨率图像的缩放，且缩放模式可调，也可以以IP core的形式应用于相关图像处理芯片中。 图像缩放内核是scaler的核心部分，它是scaler中的主要运算单元，完成图像缩放的基本功能，它所采用的核心算法以及所使用的结构设计决定着缩放性能的优劣，也是控制芯片成本的关键。因此，本文从缩放内核的结构入手，对scaler的总体结构进行了设计；通过对图像缩放中常用算法的深入研究提出了一种新的优化算法——矩形窗缩放算法，并对其计算进行分析和简化，降低了计算的复杂度。FPGA设计中，采用列缩放与行缩放分开处理的结构，使用双口RAM作为两次缩放间的数据缓冲区。使用这种结构的优势在于：行列缩放可以同时进行，数据处理的可靠性高、速度快：内核结构简单明了,数据缓冲区大小合适，便于设计。此外，本文还介绍了其他辅助模块的设计，包括DVI接口信号处理模块、缩放参数计算与控制模块以及输出信号检测与时序滤波模块。 本设计使用Verilog HDL对各模块进行了RTL级描述，并使用Quartus II7.2进行了逻辑仿真，最后使用Altera公司的FPGA芯片来进行验证。通过逻辑验证和系统仿真，证明该scaler的设计达到了预期的目标。对于不同分辨率的图像，均可以在显示屏上得到稳定的显示。
上传时间： 2013-05-30
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