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红外技术 1995年第5期17卷 29-32页

作者：吴晗平华中光电技术研究所

本文分析了图像累积方法，且用于改善微光电视图像质量，并给出其硬件实现方案。

关键词：微光电视数字图像图像累积硬件实现

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图像增强算法研究及硬件实现

图像增强算法研究及硬件实现

作者：杨学博电子科技大学

学位级别：硕士

由于科技发展以及人们生活中更多的需求,越来越多图像问题成为了热点问题。民用设施和军用设施都起着很重要的作用。在不同的天气中所拍摄的图像有着不同程度的退化,拍摄的图像中的有用信息湮灭在无用的信号之中。改善图像的清晰度从而... 详细信息

由于科技发展以及人们生活中更多的需求,越来越多图像问题成为了热点问题。民用设施和军用设施都起着很重要的作用。在不同的天气中所拍摄的图像有着不同程度的退化,拍摄的图像中的有用信息湮灭在无用的信号之中。改善图像的清晰度从而提高视觉效果是有必要的。图像的分辨率也是图像质量的另一个参数,如今的很多设备都向着高分辨发展,电子显微镜、4K电视、8K电视。但是实际图像的分辨率很多达不到标准。这时就要考虑超分辨率图像增强。图像增强算法要考虑的一个问题是处理时间的问题,由于处理的图像数据量较大,利用嵌入式的方法实现很难满足较大图像处理的问题,这里就需要用到硬件逻辑。利用其并行、流水的特性使得时间满足需求。对于视频图像处理更需要满足处理时间的要求。随着IC产业不断发展利用ASIC电路来实现也是大势所趋。(1)本文归纳了Retinex算法,同时又简单提及了其它本领域的算法。分析了超分辨率复原的基本原理,并针对了几种超分辨率的方法进行进一步的阐述,叙述了ASIC的设计基本知识、设计流程以及设计中用到的相应工具。(2)为了更好的用于硬件实现以及图像处理的实际应用。基于Retinex理论,得到自适应的多尺度Retinex算法。根据所得到的结果,与其它算法处理结果比较。定量上通过亮度曲线,以及梯度曲线,熵曲线比较。为了便于后续改进,基于这一算法提出改进用于硬件实现提高视觉效果图像增强算法,并加以类似评价。本文中图像增强超分辨率部分,介绍插值算法。并对几种算法做了比较。同时详述了小波算法中的连续小波算法。介绍了主观评价方法以及客观评价方法。最终对超分辨结果进行评价。以及为了硬件的后续改进,改进了该算法。(3)通过第三章中的用于本文硬件实现的改善视觉效果图像增强算法得出全局架构以及各部分的架构。设计二维滤波器,使得在处理速度上有大幅提升。对其它各模块设计并实现,再次基础上加以优化。最后对各个模块仿真分析以及对硬件系统处理的图像与matlab处理图像对比以及其熵和亮度等指标进行分析。(4)Vertex5 FPGA芯片搭建验证平台。并且对网口MAC层进行设计分析,并且对其加以验证。在此之后需要对系统加以设计以下载到FPGA中进行验证。通过FPGA传到上位机并对比。(5)由第三章超分辨率提出了硬件实现办法。提出了插值的硬件架构,以及实现方法。分析了Mallta以及本文中使用的提升算法进行比较。完成了硬件设计以及仿真。并搭建原型验证平台并进行了原型验证。以及逻辑综合。得到相应报告,报告中可以看出满足各项要求。

关键词： Retinex 超分辨率分析自适应系统硬件实现

大规模MIMO的检测算法研究与高效硬件实现

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大规模MIMO的检测算法研究与高效硬件实现

作者：孙凯东南大学

学位级别：硕士

数据量、尤其是移动端数据量的迅速增长对现有的网络提出了更高的要求。第五代移动通信系统(the fifth generation mobile wireless system,5G)因其更高的数据速率、更大的网络容量、更高的频谱效率等吸引了大量的关注并已开始商用。作... 详细信息

数据量、尤其是移动端数据量的迅速增长对现有的网络提出了更高的要求。第五代移动通信系统(the fifth generation mobile wireless system,5G)因其更高的数据速率、更大的网络容量、更高的频谱效率等吸引了大量的关注并已开始商用。作为5G中的一个核心技术,大规模多输入多输出(Multiple-Input Multiple-Output,MIMO)技术能够提升链路可靠性、频谱效率、能耗效率等。在大规模MIMO的研究中,信号检测是一个关键问题。通过接收端的信号以合理的复杂度尽可能准确的估计出发送信号是非常重要的。本文通过对现有检测算法的回顾与分析,提出了新的并行最小化余差下降的加速松弛(parallel minimize residual descent accelerate relaxation,P-MRD-AOR)检测算法并对其进行了硬件实现,证明该算法达到了性能与复杂度上较好的平衡。此外,本文还对基于期望传播(expectation propogatation,EP)算法而进行改进的加权雅各比的近似期望传播(expectation propogatation with approximation-weighted Neumann series approximation,EPA-w NSA)算法进行了硬件实现,验证其在性能与硬件效率上有较好的平衡。首先,本文先简要介绍了大规模MIMO技术及其具有的优势和面临的问题。作为大规模MIMO技术中重要的一个问题,大规模MIMO的信号检测问题便是本文的研究重点。针对该问题,以性能与复杂度的矛盾为切入点,介绍了该问题的研究现状。现有的检测算法可以分为最优检测算法和次优检测算法,而更好的性能就会带来更高的复杂度。次优检测算法中的最小均方误差(minimum mean square error,MMSE)检测算法因其较好的检测性能与较低的复杂度成为本文的研究重点之一。对于MMSE检测算法而言,其中的大规模矩阵求逆操作在天线数变大时,带来的复杂度也是难以接受的。为了避免对高阶矩阵的直接求逆,不同的基于MMSE的检测算法被提出。雅各比(Jacobi)迭代算法、高斯赛德尔(Gauss-Seidel,GS)迭代算法、超松弛(successive over-relaxation,SOR)迭代算法以及加速松弛(accelerate over-relaxation,AOR)迭代算法经过分析被纳入AOR-family算法的范畴。之后,分析了AOR-family算法的迭代结构与预处理技术的相似性,对AOR-family的迭代结构进行了改写。对于这样的线性迭代结构而言,收敛速率与迭代矩阵的谱半径负相关。因此,为了提升线性迭代算法的收敛速率,以最小化迭代矩阵的Frobenius范数为目的的P-MRD-AOR算法被提出。P-MRD-AOR算法相较于现有的AOR-family迭代算法具有更好的并行性,这对于硬件实现而言是很有益的。不同场景下的数值仿真结果证明了P-MRD-AOR算法相较于其他AOR-family算法具有更好的检测性能,并在性能与复杂度上获得了较好的平衡。为了验证P-MRD-AOR算法因其全并行性带来的硬件上的优势,本文提出并完成了相应的硬件设计。提出了总体上的硬件结构及顶层时序图,以尽量节约硬件资源为目的设计各子模块,通过定点化仿真结果确定量化方案。基于SMIC(semiconductor manufacturing international corporation)65nm工艺实现的P-MRD-AOR检测器可以在2.22mm的面积上以455MHz频率获得570Mbps的吞吐率。与现有的一些大规模MIMO检测器的对比说明了P-MRD-AOR检测器在性能与硬件效率上达到了较好的平衡。EPA-w NSA算法相较于精确的EP检测算法降低了复杂度,并可以在一定情况下达到接近精确的EP检测的性能。为了更好地评估该算法在复杂度上的优势,本文对该算法进行了硬件实现,在SMIC 65nm工艺下的综合结果表明该检测器可以获得较好的性能与硬件效率的平衡。

关键词：大规模MIMO 检测算法最小均方误差线性迭代硬件实现性能与复杂度

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非线性盲辨识补偿算法硬件实现优化技术

非线性盲辨识补偿算法硬件实现优化技术

作者：叶佳伦华中科技大学

学位级别：硕士

日益复杂的通信环境对接收机技术提出了更高的要求,宽带数字接收机技术逐步受到重视,但接收机产生的非线性失真会严重影响接收信号的质量。基于系统辨识的方法成为一个重要的研究方向,其主要思想是采用数字信号处理算法来抑制非线性失... 详细信息

日益复杂的通信环境对接收机技术提出了更高的要求,宽带数字接收机技术逐步受到重视,但接收机产生的非线性失真会严重影响接收信号的质量。基于系统辨识的方法成为一个重要的研究方向,其主要思想是采用数字信号处理算法来抑制非线性失真。算法的工程实现通常是由具体的硬件电路来完成。FPGA的电路结构相对灵活,一些复杂的控制逻辑可以由它完成,而DSP则能用于实现复杂的数学运算,这两种芯片是数字信号处理中最常用的硬件电路。本文的主要目的是消除实际接收机的非线性失真,具体的工作是通过优化硬件设计来完成的。在接收信号时频特性未知的情况下,本文使用的是一种非线性盲辨识补偿算法。在实施具体的方案之前,分析了多种因素对算法稳定实现的影响。定点化是算法稳定实现的第一步,文中首先从算法的效果和硬件资源的消耗来综合考虑定点化方案,并在此基础上给出了具体算法的定标结果。在定点化方案确定后,优化设计了DSP中的定点乘法和定点除法单元。在FPGA的硬件实现部分,优化设计了主要模块的逻辑控制电路。然后单独提出了时序问题的影响,在介绍了基本时序模型后优化设计了关键时序模块。最后为了验证硬件系统的处理效果,优化设计了组帧控制电路,实现了不同速率数据的混合传输,同时也完成了信道化数据的连续传输。

关键词：非线性失真信号处理硬件实现优化设计

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BM3D去噪算法的硬件实现

BM3D去噪算法的硬件实现

作者：刘斌上海交通大学

学位级别：硕士

BM3D去噪算法是一种基于块匹配和三维硬阈值滤波的视频去噪算法。首先,把图像分成许多个N×N(本论文中取N为8)的像素块,在当前帧和前后若干帧以参块为中心的某个区域内挑选出与参考块最匹配的N个像素块,组成一个N×N×N的三维像素数组,... 详细信息

BM3D去噪算法是一种基于块匹配和三维硬阈值滤波的视频去噪算法。首先,把图像分成许多个N×N(本论文中取N为8)的像素块,在当前帧和前后若干帧以参块为中心的某个区域内挑选出与参考块最匹配的N个像素块,组成一个N×N×N的三维像素数组,然后再对这个三维像素数组进行三维离散余弦变换、硬阈值滤波和三维离散余弦反变换,将反变换结果进行重构处理,得到去噪结果。基于时间相关性和空间相关性的BM3D去噪算法能够非常有效地提高PSNR,并且它的视觉效果非常好,被认为是当前视频去噪效果最好的算法。但是BM3D算法的运算量非常庞大,单纯用软件来执行算法无法满足实时去噪的要求,所以用硬件加速来实现BM3D算法实时去噪具有重要意义。在芯片实现过程中,有许多关键技术。比如像素块大小的设计,二维离散余弦变换的实现方案,用来缓冲读写DDR Buffer大小的设计等等。目前,这是第一次用硬件加速的方法来实现BM3D算法实时去噪,我们碰到的问题和解决方案都有非常直接的实用价值和设计参考价值。本论文第二章介绍了BM3D算法的内容和基于硬件实现的考虑对算法做的一些改进和优化;第三章根据改进后的算法,我们估算了芯片中的几个主要模块所需要的速度和带宽,在此基础上定义了芯片的系统架构,然后再对核心模块NRU模块内部的各个子模块做了详细阐述;第四章介绍了算法硬件实现时的关键技术;第五章展示了实验结果,第六章说明了BM3D算法的应用前进。

关键词： BM3D 硬件实现带宽速度离散余弦变换实时去噪

基于FPGA的SHA-2和MD5算法全流水硬件实现及其优化

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基于FPGA的SHA-2和MD5算法全流水硬件实现及其优化

作者：林少宇厦门大学

学位级别：硕士

互联网时代,人们每时每刻都在网上交换着信息,保证信息传递的安全性十分重要。SHA-2和MD5算法广泛应用于各种安全软件和协议中,用于保证信息传递的完整性和安全性。为了提高SHA-2和MD5算法在实际应用中的效率,本文对SHA-2和MD5算法进行... 详细信息

互联网时代,人们每时每刻都在网上交换着信息,保证信息传递的安全性十分重要。SHA-2和MD5算法广泛应用于各种安全软件和协议中,用于保证信息传递的完整性和安全性。为了提高SHA-2和MD5算法在实际应用中的效率,本文对SHA-2和MD5算法进行研究分析,提出了基于FPGA的SHA-2算法和MD5算法的全流水硬件实现及其优化方法,并在XC7K325T-FFG676-1 FPGA开发板上完成验证,本文的主要工作有:(1)基于FPGA的SHA-2和MD5算法全流水硬件实现本文提出了基于FPGA的全流水线硬件设计。非流水线设计存在着低效率的问题,本文使用BRAM全流水线架构实现了SHA-2和MD5算法,能够简化流水线结构,使设计的效率得到了极大的提升。与其他流水线设计相比,本文提出的全流水结构,降低了Slice资源的消耗,在吞吐率、单位slice的效率等性能指标上均得到了提升,其中吞吐率均超过了150Gbps。(2)基于FPGA的SHA-2和MD5算法哈希运算优化为了提高设计的频率,本文优化了SHA-2和MD5算法的哈希运算。通过引入中间寄存器、预计算、重组技术以及进位保留加法器等手段,缩短了哈希散列函数的关键路径。经过优化后的设计与其他文献的工作相比,频率得到了较大的提高,SHA-256算法和MD5算法的工作频率均超过300MHz,SHA-512的最高频率达到268.8MHz,从而极大的提高了SHA-2和MD5算法的吞吐率。

关键词： SHA-2 MD5 硬件实现 FPGA 全流水线

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语音端点检测算法研究及硬件实现

语音端点检测算法研究及硬件实现

作者：周明忠解放军信息工程大学

学位级别：硕士

在语音信号处理中,利用语音的某种特性将有话部分和无话部分区分出来,称为语音端点检测。准确的语音端点检测将提高信道的利用率和减少语音处理的数据量。早期的端点检测算法有基于短时能量和过零率、倒谱距离、谱熵检测等。但是这些方... 详细信息

在语音信号处理中,利用语音的某种特性将有话部分和无话部分区分出来,称为语音端点检测。准确的语音端点检测将提高信道的利用率和减少语音处理的数据量。早期的端点检测算法有基于短时能量和过零率、倒谱距离、谱熵检测等。但是这些方法难以在识别性能和处理速度方面达到平衡。随着通信和信息技术的迅速发展,在信息安全防护领域中对电话信道语音处理的应用正在不断扩展和深化,为了解决不断增长的海量语音数据,产生了大容量实时语音处理系统的需求。本课题旨在解决大规模环境下多路电话信道语音实时端点检测的难题。论文针对大容量实时语音处理系统中端点检测的设计实现展开研究,研究主要内容包括： 1、针对经典双门限检测抗噪性能不强的缺点,提出EWZCD算法。改进后的算法抗噪性能有了很大提高,能够满足信噪比较高的电话信道语音检测需求。 2、基于时域能零积和频域谱熵分级检测的思想,提出EZV-EGD算法。针对部分线路上语音信噪比较低的实际,引入谱熵进行分级检测,将算法在时域和频域逐级进行收敛。算法的主要思想是,用时域能零积对语音信号进行一级判决,检测出部分确定的语音和噪声;再用频域谱熵对一级处理后的疑似语音的帧进行二级判决。实验仿真结果显示,改进后的算法能在低信噪比的环境下实时准确地检测出语音信号。 3、提出基于FPGA+DSP架构的硬件设计方案,重点研究了PCB设计过程中的布局布线和电源处理等难点问题,最终设计实现了语音处理硬件平台,并基于该平台将改进型端点检测算法在FPGA上实现。总之,课题目的是要完成能在电话网中大规模应用的多路电话信道语音实时端点检测系统,所以大规模实现、多路、实时和精确检测是必须解决的主要问题。实现的最终验证结果表明,EWZCD算法能够满足信噪比较高的电话链路的实时检测需求,EZV-EGD算法能对信噪比较低的电话链路进行实时精确检测。根据话路语音特征,采取对算法的灵活调用,满足了实际电话信道语音实时、多路、大规模实现和精确检测的需求。

关键词：端点检测 VAD FPGA 硬件实现谱熵加权过零率

面向5G的新型多载波调制技术研究及硬件实现

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面向5G的新型多载波调制技术研究及硬件实现

作者：徐颖群东南大学

学位级别：硕士

随着移动互联网和物联网的快速发展,越来越多的应用场景应运而生,无线业务流量需求迅猛增长,迫切需要发展第五代移动通信(5G)以适应新的需求。在波形方面,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术在4G中发... 详细信息

随着移动互联网和物联网的快速发展,越来越多的应用场景应运而生,无线业务流量需求迅猛增长,迫切需要发展第五代移动通信(5G)以适应新的需求。在波形方面,正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)技术在4G中发挥了很大的作用,但同时也存在一些缺点,特别是其严格的正交性和较大的旁瓣损耗。对于5G极高的性能要求,学术界提出使用滤波器组多载波调制(Filter Bank Multi Carrier,FBMC)技术,提高频谱效率,减小旁瓣损耗。与OFDM相比FBMC拥有优越的频谱效率,较小的带外泄露,宽松的同步要求等优点。本文在美国国家仪器(National Instrument,NI)的通用软件无线电外设可重置设备(USRP-RIO)上,从硬件实现的角度对FBMC技术关键模块进行研究并设计一套FBMC系统原型验证机,在实际场景下进行测试和评估,发掘FBMC技术的潜力。主要工作如下:首先,对FBMC系统基带处理的关键模块进行了原理分析、系统仿真。在原理分析部分,主要研究了FBMC与OFDM原型滤波器的不同以及频谱效率的差异,并对FBMC中增加的偏置正交幅度调制(Offset Quadrature Amplitude Modulation,OQAM)的原理和扩展FFT的原理进行了详细研究。在系统仿真方面,比较了FBMC和OFDM的功率谱以及多径衰落、定时偏差、载波频偏对两者性能的影响,结果表明FBMC具有较小的带外泄露、较高的频谱效率以及宽松的载波同步要求。其次,在NI USRP-RIO硬件平台上设计了FBMC系统的硬件架构,在该架构下对系统链路的数据处理流程进行了详细研究和分析。针对FBMC频域扩展带来的有效速率下降问题提出了一种适合于FBMC的并行硬件实现方法。首先将输入数据按照原型滤波器的重叠因子分K路并行传输,接着设计偏置正交幅度调制模块以及滤波器模块,经过扩展IFFT之后将FBMC的波形混合操作与并行处理相结合,既简化了波形混合模块又给系统带来了K倍速率的提升,此外设计了特殊的导频来实现FBMC信道估计与均衡。在USRP-RIO硬件平台上搭建完整的FBMC无线传输系统,系统采样速率达到80MS/s,实时数据传输速率达到100Mb/s,数据传输带宽为四路20MHz。最后实测结果表明,所提出的并行硬件实现方法能完成速率的提升并且能支持实时传输高清视频。最后,针对FBMC中OQAM技术难以和多输入多输出(Multiple input multiple output,MIMO)结合的问题,分析FBMC-OQAM中的干扰,受到系统干扰特性的启发,本文提出了一种低复杂度的MIMO-FBMC系统方案,该方案只使用奇数或偶数子载波进行信号调制,消除了载波间干扰和符号间干扰,使得FBMC与MIMO能够很好地结合。仿真结果表明,使用非相邻子载波的FBMC系统的抗干扰能力强,系统性能更优。此外本文通过并行处理方式来补偿只使用非相邻子载波带来的系统效率下降,并在此基础上设计该低复杂度系统的硬件架构。

关键词： FBMC 偏置正交幅度调制并行数据处理硬件实现多输入多输出

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视频压缩与图像旋转的硬件实现研究

视频压缩与图像旋转的硬件实现研究

作者：胡明清西安电子科技大学

学位级别：硕士

随着集成电路工艺技术的发展，FPGA和DSP处理器越来越多地应用到通信、图像处理和模式识别等领域。FPGA逐渐向大容量高速度方向发展，DSP向高速和并行方向发展，DSP的系统时钟越来越高，结构上增加并行处理单元，使得能够在单个时钟周... 详细信息

随着集成电路工艺技术的发展，FPGA和DSP处理器越来越多地应用到通信、图像处理和模式识别等领域。FPGA逐渐向大容量高速度方向发展，DSP向高速和并行方向发展，DSP的系统时钟越来越高，结构上增加并行处理单元，使得能够在单个时钟周期执行多条指令，所有这些使得许多以前无法在硬件上实现的算法现在很容易实现。本文第一部分介绍如何用FPGA和DSP实现基于H.263标准的视频压缩编码器。首先介绍了视频压缩编码发展的概况;然后介绍基于变换编码的视频压缩方法，并介绍FPGA和DSP处理器在视频压缩编码器中的应用;最后介绍了基于H.263标准的视频压缩编码器硬件实现，并根据FPGA的特点，提出适合其实现的运动估值算法和DCT和IDCT算法。提出的运动估值算法和DCT／IDCT算法充分利用FPGA的并行性特点。第二部分介绍一种基于单片FPGA的实时图像旋转系统。首先介绍图像旋转算法，并在该算法基础上对其进行改进，使其更适合硬件实现，减少了系统资源和整个系统的成本;然后介绍系统的硬件实现。

关键词：硬件实现视频压缩 H.263 运动估值 DCT/IDCT 图像旋转

MIMO-OFDM系统中的信道估计技术研究与硬件实现

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MIMO-OFDM系统中的信道估计技术研究与硬件实现

作者：陆玮瑾上海交通大学

学位级别：硕士

人们对移动通信的各种需求推动了移动通信技术的飞速发展,而新一代移动通信系统（Beyond 3G/4G）的目标无疑是支持高速宽带多媒体传输。正交频分复用（OFDM）技术在很多领域由于具有信道频谱利用率高、易于实现和接收机结构简单等优点,... 详细信息

人们对移动通信的各种需求推动了移动通信技术的飞速发展,而新一代移动通信系统（Beyond 3G/4G）的目标无疑是支持高速宽带多媒体传输。正交频分复用（OFDM）技术在很多领域由于具有信道频谱利用率高、易于实现和接收机结构简单等优点,得到了广泛关注。同时多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output,MIMO）技术利用空分复用,在无需增加频谱资源和无线发送功率的情况下,极大提高了频谱利用率,也具有非常广泛的应用前景。因此,两者相结合的MIMO-OFDM系统及其关键技术的研究和实现无疑具有非常积极的现实意义。 MIMO-OFDM系统中的关键技术之一就是信道估计技术。通过信道估计,可以实现相干检测,使得系统在低信噪比的环境下依然具有低误码率,在实际系统中至关重要。本文首先介绍了移动传播环境中无线信道的衰落特性,分析了其主要问题和解决办法,同时给出了无线信道的数学模型,这是更好地解释信道估计原理的理论基础。同时阐述了MIMO技术和OFDM技术的基本原理,介绍了MIMO-OFDM系统中的关键技术。本文的主体是MIMO-OFDM系统中的信道估计算法,也即基于最小均方误差准则（MMSE）的信道估计算法。但是该算法由于存在一个维数很高的矩阵求逆,过高的计算复杂度无法使用现有的硬件平台进行实现,导致不能直接投入工程应用。因此本文寻找了一种简化算法,不仅大大降低了计算量和实现复杂度,同时对于信道估计的性能并没有明显的降低。也就是说,在简化算法对系统性能并没有显著损耗,但是大大降低了计算复杂度。最终作者使用基于FPGA的硬件平台,将简化算法在工程中实现,给出了测试结果和资源消耗情况。最后本文展望了MIMO-OFDM系统中信道估计的发展方向和研究热点。

关键词：正交频分复用多输入多输出信道估计最小均方误差硬件实现