Abstract ：

软件无线电通信是当前电子信息领域研究和应用的热点之一，作为其重要组成之一的数字下变频技术，也得到了越来越广泛地应用。数字下变频位于信号接收环节的模数转换后，完成信号从中频段到基带的搬移，同时降低信号采样率，实现整形滤波，便于其后DSP环节的处理。数字下变频技术在电子通信、数字广播电视等领域应用广泛，然而当前数字下变频技术的实现方法通常设计方法单一、设计周期长、复用性差。尤其是在当今通信行业发展迅猛、设计和验证成本不断增加的背景下，深入分析和研究数字下变频，改进数字下变频的设计和验证方法，对于数字下变频技术的理论发展和改进电子通信行业设计过程都有着较大的现实意义。 随着FPGA理论和技术的不断发展，利用FPGA实现数字下变频已经成为越来越多业界工程实践的选择。本文深入研究了当前业界流行的数字下变频设计思想和实现方法，以FPGA技术为基础，结合企业工程的设计实践，利用System Generator工具，提出了一种改进现有数字下变频设计的图形化建模设计方法和验证过程。该设计方法相比于传统FPGA设计方法，灵活性强，便捷性高，开发时间短。 本文首先分析了当前数字下变频技术和仿真验证技术的研究进展和应用情况。其次，对数字下变频技术的理论基础进行了分析阐述。根据理论分析和企业项目开发方案，利用System Generator工具进行图形化设计，确定了数字下变频中混频、抽取滤波和整形滤波模块的设计方案和性能分析，实现了通信信号与本振正交信号的混频搬移，以及512倍的下抽取和整形滤波。利用MATLAB工具进行分模块和整体仿真，仿真结果均达到设计指标，证明了本设计的正确性。随后，利用通用验证方法学（UVM），搭建起验证平台。验证结果充分证明了本设计各项功能正确无误，满足技术应用的要求，可以将本设计应用于企业无线通信接收环节的工程实践，从而证明提出的设计方法具有科学性和实践性。

Keyword ：

半带滤波器 积分梳状滤波 数控振荡器 数字下变频 通信技术 现场可编程逻辑器件

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Abstract ：

传感器是一种获取信息的工具，传感器技术是一种综合了传感器设计、传感器制造及传感器应用的技术。它是现代信息技术 (传感与控制技术、计算机技术和通讯技术) 的三大支柱之一，是现代科学技术的前沿。传感器技术水平的高低是衡量一个国家科学技术发展的重要标志之一。压力是工业中广泛使用的物理参数之一，压力传感器也是应用广泛的传感器。其中，谐振式压力传感器是测量精度及可靠性最高的压力传感器，主要用于航空航天、石油化工等领域。智能压力传感器系统是由微处理器赋予的智能与传感器相结合，兼有信息检测和信息处理功能的系统。它具有：①能够自动采集数据，并对数据进行预处理；②能够进行数据记忆、信息处理以及数据的存储；③能够进行准数字输出、完成双向数据通讯。本文中论述的基于FPGA（现场可编程逻辑器件）的谐振式压力传感器信号采集及预处理系统就是谐振式压力传感器与FPGA相结合的一种智能压力传感器系统。作者在系统中选用的CycloneⅡ系列FPGA，它具有一定的微处理器功能，其内部带有乘法器，这些乘法器能用于完成高速乘法操作，使得系统具有一定的数字信号预处理能力。从而可以提高传感器的测量精度，改善传感器的性能。本课题针对微谐振式压力传感器测量数据的特点，本文提出了一种基于FPGA的谐振式压力传感器信号采集及预处理系统，谐振式压力传感器输出频率和温度信号两种数据，频率信号为准数字信号，可以直接送入FPGA作预处理；而温度信号为模拟信号，经过A/D转换器进行模数转换为数字温度信号，送给FPGA并作数据的预处理，得到消除了温度影响的高精度压力测量数据。同时，本文提出了利用远程传感器数据通讯技术的方式进行数据的传输，系统集成了RS-232串口通信和基于nRF905无线射频远程数据传输模块，可以很方便的完成与工业控制计算机的数据通讯。最后，完成了基于FPGA谐振式压力传感器数据采集与预处理系统硬件电路的原理图设计、PCB图的绘制、PCB板的制作，并进行了整个系统的初步调试。

Keyword ：

FPGA 频率 温度 无线射频远程数据传输 谐振式压力传感器

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Abstract ：

随着无线网络与移动通讯系统的飞速发展，高性能复数除法与开方运算越来越广泛的出现于各种高级数字信号处理算法与系统之中；而另一方面，芯片的集成能力也越来越强，使得包含这些较为复杂、占用资源较多的运算单元成为可能。本文就如何设计与实现高性能的复数除法器、复数开方器和融合两种运算的组合功能算术运算单元进行了深入研究，并提出了相应的硬件结构与实现方法，其内容如下： 　　首先，论文提出了一种高性能的复数除法器硬件结构，该结构实现了高基底（high-radix）的逐位递归（digit-recurrence）复数除法算法以及操作数预变换（operands prescaling）技术。为了有效减小递归运算模块电路的关键路径延时，本文还提出了一种基于改良Booth编码器和可交换乘数的乘法器结构，使得位于实部虚部的并行乘法器之间便可以有效的共享硬件资源。本文还设计了一种优化了资源利用率的单查找表结构用于存储预变换系数。经现场可编程逻辑器件（FPGA）验证，文本所提结构的复数除法器在性能和资源两方面均优于未经资源优化的设计。 　　第二，本文设计了一基4（radix-4）的复数开方运算单元。该复数开方器实现了基于操作数预变换和结果反变换（postscaling）的逐位递归算法，具有与论文所提复数除法器相类似的递归运算电路结构。为了减少预变换查找表和反变换查找表所占用的存储资源，本文还提出了一种基于双三次（bi-cubic）插值的复数函数查找表生成方法。所提结构的复数开方运算单元在现场可编程逻辑器件上进行了不同运算精度（从16比特到64比特）下的验证，并与采用了商用实数乘、除法器软核IP的设计方案进行了比较。实验结果显示，本文所提结构设计有效的提升了开方器的性能，同时消耗的资源适中。 　　第三，本文将前述基于双三次插值的复数函数查找表构造方法进行了扩展，总结提出了更具一般性的基于二维卷积的复数函数插值构造方法。同时，研究分析了线性（一次）、二次与三次三种不同内插核函数在精度8比特至24比特条件下的资源特性，并进行了误差分析和比较。提出了统一的二维复数函数插值电路结构，并在现场可编程逻辑器件上进行了复数倒数和复数开方函数的设计验证，实现了包括从8比特到24比特的不同精度下的七个独立设计。最终实验结果表明，与传统的一维函数查找表构造方法相比，基于二维插值的硬件演算方法具有更高的数据压缩率，并且所消耗的逻辑资源与其相当。 　　在前述的研究基础上我们发现，逐位递归的高基复数除法和开方算法具有相类似的步骤和流程。由此，本文提出了一种改进的复数开方算法，该方法与复数除法进行了统一，不需要结果的反变换步骤；然后总结提出了一种可以进行两种运算的复合算法。在利用基于二维插值的复数函数查找表构造方法的基础上，本文最后在现场可编程逻辑器件上实现了一种可以进行复数除法和开方两种运算的组合功能算术运算电路，该设计提高了单一功能运算单元的性能，而硬件资源消耗与其相当。 　　最后，本文研究了所提复数运算单元在智能天线系统中加速矩阵求逆运算的应用。分析了基于QR分解（QR-decomposition）和三角矩阵求逆的复数矩阵求逆算法和相应的硬件结构，利用本文总结的性能——精度经验公式评价了采用论文设计的复数除法器和开方器时的系统性能，并与基于MATLAB编程的软件实现方案进行了比较。实验结果证明了利用专有复数硬件运算单元可有效提高应用系统的性能。

Keyword ：

复数除法器复数开方器现场可编程逻辑器件算术运算单元矩阵求逆

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设计了一种高性能、低功耗的Radix-8时序复数除法器.该复数除法器采用了逐位递归算法和操作数预变换技术,并在传统结构的基础上,选用冗余形式保留预校正变量,节省了超长进位加法器的使用,缩短了关键路径的延时.设计还通过实部和虚部商位的合并以及基于6输入查找表结构的硬件优化,提高了乘加逻辑单元的资源利用率.Stratix-Ⅱ型现场可编程逻辑器件仿真验证表明,与使用超长进位加法器的传统结构相比,所设计的复数除法器的速度提高了44%,硬件资源减少了31%.

Keyword ：

复数除法器 现场可编程逻辑器件 逐位递归算法

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相控阵HIFU治疗系统由于具有电子可控的多种灵活可变的焦点模式，与传统单探头高强度超声治疗系统相比，对于肿瘤治疗具有高效、精确的优点；相控阵HIFU作为国内外超声治疗领域的前沿课题，近年来越来越受到人们的重视。本论文便是为这样一个256通道的相控阵HIFU驱动系统设计一个相位控制器，该相位控制器负责实现相控阵HIFU驱动系统的相位控制，并且保证相位误差在系统允许误差范围以内。本论文首先从自然聚焦的几何单焦点、离轴单焦点、四焦点和六焦点等多种聚焦模式分析了相位误差对相控阵HIFU各种焦点的影响。不同的焦点模式，相位误差对焦点的影响有所不同，综合分析后，提出了相控阵HIFU治疗系统其相位控制器所能允许的误差范围。然后本文分析了各种相位延时设计的优缺点及时钟不稳定对输出相位的影响，得出了相位控制器硬件设计所需的具体要求。与此同时根据可编程逻辑器件自身优点和其对时钟管理方面的优势并结合Altera公司Cyclone II系列的FPGA内部的PLL的功能特点，采用Altera公司Cyclone II系列FPGA EP2C5T144C8芯片完成相位控制器所需的细延时和粗延时。用PLL产生具有细延时的三路同频时钟，同时产生细延时后的时钟去驱动后级的时钟计数器，进行粗延时，时钟选择模块选择用哪一路时钟去驱动计数器。这样，细延时和粗延时在一片芯片内部完成，集成度高，同时充分利用了可编程器件对时钟管理能力，因此最后输出相位左右摆动幅度比较小。最后本文根据软件仿真和相位输出测量验证了此相位控制器的性能符合相控阵HIFU驱动系统要求。

Keyword ：

高强度聚焦超声 现场可编程逻辑器件 相控阵 相位控制

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设计了一种新颖的32×32位高速流水线乘法器结构.该结构所采用的新型Radix-16 Booth算法吸取了冗余Booth编码与改进Booth编码的优点,能简单、快速地产生复杂倍数.设计完成的乘法器只产生9个部分积,有效降低了部分积压缩阵列的规模与延时.通过对5级流水线关键路径中压缩阵列和64位超前进位(CLA)加法器的优化设计,减少了乘法器的延时和面积.经现场可编程逻辑器件仿真验证表明,与采用Radix-8 Booth算法的乘法器相比,该乘法器速度提高了11%,硬件资源减少了3%.

Keyword ：

Booth算法 乘法器 流水线 压缩阵列

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摘要振动环境试验在现代产品设计和可靠性实验中十分重要，控制系统是振动环境设备的核心。传统的振动台控制器以实现振动台的正弦扫频和随机振动控制为主，而随机振动控制策略主要是在频域中进行控制，以实现台面被控点按标准参考谱运动。随着科技进步，希望能在振动台上产生与产品结构在实际工作环境的实际相近的时域波形，即波形再现。传统的频域法控制策略难以实现这一目标，必须采用一些新的控制策略，例如自适应逆控制。但这些控制方法要求在线辨识系统的数学模型，运算工作量大，为了能够需要设计一种新的振动台控制器以满足时域控制的高性能要求，为此我们设计了基于DSP振动台控制器的硬件平台。本设计根据振动台控制系统实时性的控制要求，设计了硬件电路：采用了双DSP的设计思想，使系统的运算能力和处理速度大大提高；复杂可编程逻辑器件FPGA的成功运用大大降低了系统中逻辑器件接口设计的复杂性，特别是与 DSP 的配合使用给整个系统的设计带来了很大的灵活性；利用DDS硬件实现了高精度的正弦波的产生，利用CAN通信来实现双DSP之间及DSP与主机之间数据的交换。硬件系统的调试成功为控制算法的实现提供了硬件平台。关键词：数字信号处理器；现场可编程逻辑器件；直接数字频率合成器DDS； CAN通信论文类型：应用研究本文受国家自然科学基金与中国工程物理研究院联合基金NSAF资助（项目批准号为：10276032）。

Keyword ：

数字信号处理器现场可编程逻辑器件直接数字频率合成器DDSCAN通信

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随着时代的发展，数控技术已经成为现代工业不可或缺的重要部分，使用数控装备进行生产加工和试验已成为制造业的重要环节。在这一背景下，本文设计了一种控制卡，其目的是能够模拟电机的功能和实现部分机床I/O功能。其意义在于控制卡可以代替电机进行测试实验，有效地缩短了研发周期，提高了开发效率，降低了实际操作中对硬件的要求。本文以数控测试系统的总体为出发点，设计了控制卡各部分的电路并实现了它们的功能。在整体结构中，系统以工控机为上位机和控制卡连接以进行数据处理，控制卡将信号传送给工控机进行信息存储。本文完成的工作包括：采用模块化思想对控制卡进行设计，将控制卡分为电机信号处理模块和通信传输通道模块两个主要部分；信号处理部分采用MaxPlus II对现场可编程逻辑器件进行数字信号量设计，通过分频、计数和波形仿真等设计手段，能够模拟电机产生相位差为90o的A, B位置脉冲，此外，设计了该位置脉冲输出的差分电路，保证了信号传输的可靠性；关于通信传输通道部分，在完成模拟机床I/O口和模拟电机I/O口的电路设计后，在MaxPlus II中运用VHDL语言对各路信号的地址空间进行了合理的分配，使各路信号能够有序地传输；采用AD574设计了模数转换电路，用于输入电机的速度指令，保证了转换精度；文中分析了控制卡的PCB设计，详细叙述了运用Protel 99 SE设计PCB时应进行的准备工作，总结了元器件布局、布线和抗干扰的电路设计准则，合理地设计了板卡尺寸、调整了元件间的走线并且消除了电源对信号的干扰。通过应用示波器和炜煌编程器对控制卡进行详细测试后，表明控制卡能够模拟电机产生位置脉冲，而且各部分电路能够按照预期的要求进行工作，证明了控制卡设计合理、工作稳定、性能可靠。

Keyword ：

PCB设计 模拟电机 位置脉冲 现场可编程逻辑器件

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把计算机应用于机床数控系统是数控机床发展史上的一个重要里程碑，使机械加工技术达到了一个崭新的水平。计算机因其不断升级的通用性和丰富的软硬件资源为人们提供了一个极为优越的开放式平台。以计算机为系统基础而开发的基于运动控制器的开放式数控系统具有低价格、高精度、易扩展升级、开发周期短等特点，成为数控技术发展的重要趋势。CNC嵌入PC型计算机数控系统能充分保证系统的性能，软件通用性强，并且编程处理灵活，是一种很好的数控体系结构。本文主要介绍一种以工控机作为系统基础平台，基于运动控制器的数控系统的开发，采用了CNC嵌入PC的硬件结构，即在PC内部插入专用的CNC卡。文中介绍的数控系统采用了位置脉冲控制方式，即将脉冲串作为输出传输至伺服驱动器，进而控制伺服电机的进给运动。上位机通过文中介绍的小数分频方法计算出每个插补周期内的分频数和脉冲数，并将其传至运动控制器，运动控制器就按照这些数据在一个插补周期的时间内均匀地产生所需的脉冲串，这正是本文介绍的运动控制器所要实现的主要功能之一。本文采用模块式的方式来论述所设计的运动控制器中的各个部分，其内容包括：系统的接口部分设计——伺服驱动器与运动控制器接口设计、PC/104模块与运动控制器接口设计、系统软硬件接口设计、以及键盘面板接口设计等；运动控制器各功能模块设计——位置反馈模块设计、手脉输入模块设计、主轴接口模块设计、以及脉冲发生模块设计等。本文所介绍的位置脉冲控制方式将脉冲串作为伺服驱动器的输入，这种控制方式在保证位置控制精度的前提下简化了硬件结构，提高了硬件系统的可靠性，缩短了设计开发周期；采用了嵌入式工控机PC/104作为上位机，提高了系统的抗干扰能力，大大减小了整个CNC装置的体积；使用FPGA设计系统的数字电路，一定程度上保证了数字系统的可靠性，并有利于数字系统的设计与测试；应用光电耦合器对系统中数字、模拟以及接口电路进行隔离，提高系统抗干扰能力；在印刷电路板的元件布局、走线、电源与地分配、器件抗干扰等的设计中，遵守电路设计中的抗干扰与可靠性设计准则；采用软件PLC进行输入输出的逻辑控制，提高了系统灵活性。文中还对键盘和面板的软硬件设计做了叙述，以使数控系统的硬件设计完整化。在本文的最后，介绍了系统设计过程中所使用的一些测试方法，并通过测试结果和联机试加工，最终肯定了所介绍系统的实践可行性与实用性。

Keyword ：

PC/104运动控制器现场可编程逻辑器件脉冲控制

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针对在等离子体显示器研发过程中存在实时改变高压驱动波形难的问题,设计出了可编辑的高压驱动波形产生电路,实现了驱动波形电压、脉宽和形状等参数的实时调整,使不同结构或同一结构不同参数的显示屏可以共享同一套电路系统,降低了等离子体显示器研发成本,缩短了研发周期.实验表明,采用同步电路设计的波形产生电路,工作稳定,输出波形光滑无"毛刺".

Keyword ：

彩色等离子体显示器 逻辑波形 同步电路 现场可编程逻辑器件

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