基于FPGA速率匹配算法的实现

基于FPGA的FFT算法硬件实现

引言：

FFT是一种用于将时域信号转换为频域信号的算法，常用于信号处理和图像处理领域。由于FFT的高计算复杂度，硬件实现可以提供更高的计算效率和并行处理能力。本文将介绍基于FPGA的FFT算法硬件实现，并详细解释算法的原理和实现过程。

一、快速傅里叶变换（FFT）算法简介

快速傅里叶变换（FFT）是一种将一个N点离散序列转换为频域离散序列的算法。它的时间复杂度为O(NlogN)，相比于传统的傅里叶变换算法的时间复杂度O(N^2)，FFT算法具有更高的计算效率。

FFT算法的核心思想是将一个N点离散序列划分为其各个子序列，然后再分别计算各个子序列的傅里叶变换，并将结果通过一系列的蝶形运算合并得到最终的频域信号。

二、FFT算法的硬件实现原理

基于FPGA的FFT算法实现可以充分发挥FPGA的并行计算能力和灵活性。硬件实现的核心是设计一个包含多个计算单元的并行处理模块。常见的FFT硬件实现架构包括基于蝶形运算的位递归FFT算法和基于矩阵运算的线性变换FFT算法。

1.基于蝶形运算的位递归FFT算法实现

首先将输入序列分为奇数位和偶数位两个子序列，然后分别对这两个子序列进行FFT计算。然后将得到的结果通过蝶形运算合并得到最终的频域信号。 在硬件实现中，可以设计一个包含多个蝶形运算单元的并行计算模块。每个蝶形运算单元包括两个输入通道和两个输出通道，通过并行计算可以同时进行多个蝶形运算操作，提高计算效率。

2.基于矩阵运算的线性变换FFT算法实现

线性变换FFT算法将FFT计算表示为矩阵运算的形式，可以充分利用FPGA的向量计算能力。这种实现方法将输入序列表示为一个复数矢量，然后通过矩阵运算得到最终的频域信号。

在硬件实现中，可以设计一个包含多个矩阵运算单元的并行计算模块。每个矩阵运算单元可以同时对多个输入进行矩阵运算，提高计算效率。

三、基于FPGA的FFT算法硬件实现步骤

基于FPGA的变速率曼彻斯特编码设计

【摘要】曼彻斯特码因其诸多特点在现实生活中有着非常广泛的应用，是许多大型系统不可缺少的部分。常见曼彻斯特编解码器设计都是在固定速率下传送接收信息的，因此其应用场合受到限制，本系统依据信号跟踪的算法实现编码模块发出的可变速率信号在解码模块同步头检测的同时提取出同步时钟信号进而实现曼彻斯特解码。可在更加复杂的情况下实现曼彻斯特编解码的功能。

【关键词】曼彻斯特编码;相位编码;FPGA;VHDL

曼彻斯特码（Manchester code），又称数字双向码、分相码或相位编码（PE），是一种常用的的二元码线路编码方式之一，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。在通信技术中，用来表示所要发送比特流中的数据与定时信号所结合起来的代码。常用在以太网通信，列车总线控制，工业总线等领域。

目前常用的曼彻斯特编码方式主要有：采用专用的曼彻斯特编解码器，利用高速单片机实现，采用DSP信号处理器以及利用FPGA实现等。随着半导体技术的快速发展和生产工艺水平的不断提高，FPGA凭借其在性能和密度方面的提高和在修改和升级时，只是在计算机上修改和更新程序，简化了硬件设计，缩短了系统开发周期，提高了灵活性并降低了成本，获得广大硬件工程师的青睐。

该设计系统核心功能由FPGA实现，故硬件电路部分为一个FPGA最小硬件电路系统，包含有：数字信号输入源，FPGA集成芯片及配置模块电路，电源电路，按键电路，显示电路等。

本系统软件设计核心包含两部分：编码模块和解码模块。编码模块采用状态机的方法实现移位寄存器型编码即添加同步头，数据加载，奇偶校验，数据打包，并串转换，编码，由按键控制以可变速率发送等步骤;解码模块采用信号跟踪的算法对经曼彻斯特编码后发出的可变速率信号进行同步头检测，并提取出同步时钟信号，在恢复出的同步时钟信号下进行曼彻斯特解码经串并转换后输出数字信号并显示在数码管上。

本系统设计在quartusII 11.0编译环境中使用VHDL硬件描述语言对曼彻斯特编解码器模块进行电路设计、设计输入、编译、功能仿真、综合等一系列工作，实现对输入数字信号数据的编解码功能，并最终用modelsim软件进行仿真验证;本系统软件部分所有设计均在FPGA内实现。

模式匹配算法在FPGA芯片上的设计与实现

黄栋;余综

【期刊名称】《计算机工程与设计》

【年(卷),期】2006(27)17

【摘 要】随着网络技术的发展,在硬件上增加模式匹配的功能模块,来提高网络数据处理速度的需求越来越普遍.对目前现有的模式匹配算法进行了研究,并结合数字逻辑电路的特点,在现场可编程门阵列(FPGA)芯片上实现了字符串的模式匹配功能.最后,借助电子设计自动化(EDA)工具对设计进行了验证和性能分析,结果表明符合设计需求.

【总页数】4页(P3273-3276)

【作 者】黄栋;余综

【作者单位】华北计算技术研究所,北京,100083;华北计算技术研究所,北京,100083

【正文语种】中 文

【中图分类】TP331.1+1

【相关文献】

1.基于FPGA芯片的硬盘数据加密设计与实现 [J], 张新家;张开来;曹卫兵;苗胜;戴冠中

2.基于FPGA芯片在船舶机舱温度监控系统中的设计与实现 [J], 李汉玲;熊再荣

3.一种快速单模式匹配算法的设计与实现 [J], 韦安垒;李开科;张榆; 4.面向FPGA芯片开发的测试方法设计与实现 [J], 杨宏

5.一种快速单模式匹配算法的设计与实现 [J], 韦安垒;李开科;张榆

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双目立体相机中实时匹配算法的FPGA实现

单洁;唐垚;姜晖

【摘 要】在双目立体相机中,利用图像处理计算场景深度信息是一项关键技术.通过研究立体视觉图像匹配原理,提出一种基于FPGA的立体图像实时匹配算法的实现方法.该算法以Census变换为基础借助于像素在邻域中灰度相对值的排序进行相似度比较,来实现区域立体匹配;在左右一致性约束下采用多窗口相关匹配方法改善深度不连续图像的匹配质量,提高匹配准确度.利用FPGA流水线和并行处理技术实现了双目立体相机的实时图像匹配.结果表明,该图像匹配结构具有较高的吞吐率和处理速度,可以工作在97.3MHz频率下实现1024×1024灰度图像30f/s的实时处理.

【期刊名称】《激光与红外》

【年(卷),期】2013(043)012

【总页数】5页(P1406-1410)

【关键词】双目立体相机;实时图像匹配;多窗口相关匹配;FPGA

【作 者】单洁;唐垚;姜晖

【作者单位】西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西西安710121;西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西西安710121;西安邮电大学通信与信息工程学院,陕西西安710121

【正文语种】中 文

【中图分类】TP391.41;TN911.73

1 引言

随着机器视觉的发展，立体视觉系统得到越来越广泛的应用［1－2］。双目立体相机采用两台相机，模拟人眼成像原理，先通过寻找两个相机中图像对应点的光学，得到各个点处的视差，再根据视差信息和相机的投影模型恢复出原始景物的深度信息。所以，在通过立体相机计算场景信息的深度过程中，图像获取、相机标定、图像匹配和三维重建成为了关键技术。

根据匹配基元的不同，图像匹配可分为区域匹配［1－2］、特征匹配［1］和相位匹配［2－4］。其中，区域匹配以区域相似度为匹配基元，基本原理是在基准图上选取一个模板窗口，在配准图上选取同样大小的一组窗口，再将这些窗口与基准图中的模板窗口进行相似度比较，找出与模板窗口最相似的窗口，那么该窗口的中心点就是模板窗口中心点的匹配点，两点的横坐标差即为视差［1］。