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关键词： R-LWE密码方案   离散高斯采样   环多项式乘法   硬件实现  

摘要： 未来在量子计算机面前,基于数学难题的传统公钥密码体制将不再安全,因此研究能够抵抗量子计算机攻击的后量子密码体制对未来的信息安全具有深远的意义。集高效性、易于硬件实现性和灵活性于一体的基于格的密码方案在后量子密码中具有出色的研究前景。其中,环上带错误学习问题(Ring-Learning with Error,R-LWE)所构造的格密码方案因其高效的硬件实现,具有很高的应用效率。在R-LWE公钥密码方案中,环多项式乘法是计算的瓶颈,本文围绕着不同多项式乘法算法展开,根据实际应用中资源限制性、性能需求和安全性需求,实现基于多种多项式乘法算法和面向不同应用场景的R-LWE电路结构。针对资源限制性场景,利用有符号的高斯采样方法、高利用率的DSP48E1乘法策略和高效的多项式系数读取方式,实现了一个轻量级基于Schoolbook多项式乘法算法(Compact School-book Polynomial Multiplication,CSPM)的 R-LWE 硬件结构。针对高性能计算场景,在有符号数离散高斯采样的基础上,本文设计了一种高并行度的基于SPM(High Parallelism SPM,HSPM)的R-LWE硬件结构。将SPM算法展开转变为循环矩阵-向量乘法,根据其运算特点,提出了一种高并行度的SPM结构并将其用于R-LWE硬件实现。其中,对特定参数的模乘单元进行优化,并设计出流水线的双模乘结构。受流水线型FFT结构的启发,本文还设计出Radix-2和Radix-4两种流水线型的NTT结构及其频域R-LWE密码方案的硬件电路结构。利用多路径延时转接(MDC)的流水线型结构方法,设计了一种基于Radix-2的NTT算法的全流水结构(R2MDC)。为了进一步提高NTT变换的速度,本文还提出基于Radix-4的高基NTT算法的硬件结构(R4MDC),并且优化设计了其蝶形单元。本文将所设计的四种硬件结构和现有的R-LWE硬件实现方案对比分析。结果表明,对于基于SPM的设计,本文设计的基于CSPM的R-LWE电路结构,相比现有的轻量级设计,仅增加少量的硬件资源,速度提升1.8倍,硬件效率提高1.5倍;基于HSPM的R-LWE电路设计,相比现有的高性能设计,吞吐率提升2.5倍。在基于NTT的R-LWE方案中,所提出的两种设计均有较高的吞吐率,R2MDC的加密吞吐率为235Mbps,解密为245Mbps,其相比现有的设计硬件效率提升2.3倍。此外,R4MDC拥有最高的吞吐率,相对于R2MDC提升1.7倍。

关键词： 数字媒体   虚拟环境   试验平台   硬件设计  

摘要： 随着数字媒体和虚拟现实技术的发展,船舶工业领域的虚拟试验平台研究获得了业内外的广泛关注。结合数字媒体技术,设计开发一种舰船虚拟环境试验平台,该虚拟试验平台可以实现的功能包括船舶航行状态仿真、耐波性试验等,重点介绍该试验平台的多自由度平台设计和数字媒体硬件设计等内容。

关键词： 显示流压缩   编码器   视觉无损   显示链路   图像传感器  

摘要： 近年来,超高清4K分辨率的显示器逐渐成为市场的主流,8K甚至10K也即将走进我们的生活。视频分辨率的不断提升必然会消耗更多的显示链路带宽,现有的显示链路不能满足快速增长的带宽需求。尽管市场上存在许多视频压缩标准,但是逻辑复杂,不利于硬件实现。显示流压缩(Display Stream Compression,DSC)标准是一种轻量级视频压缩算法,可以有效缓解显示链路带宽的压力。同时DSC标准可以使用较少的硬件资源,实现实时的视频压缩,并且能够达到视觉无损的效果。因此本文通过对DSC算法的深入研究,设计了DSC编码器内关键模块的硬件电路,并在FPGA平台上对其进行了功能仿真。除此之外,受到DSC中编码方案的启发,针对图像传感器直接输出未压缩视频数据会占用较大传输带宽的问题,提出了一种片上视频压缩算法,在视频数据输出之前实现数据的压缩。本文首先研究了DSC视频压缩算法的编码原理,分析了编码器中色彩空间转换、预测和量化、色彩历史目录索引、速率控制等模块中数据处理的原理和流程。然后在此基础上,使用流水线设计思想完成了各数据处理模块的硬件电路设计,满足了实时视频压缩的要求。接下来基于编码器的工作原理,搭建了编码器中各模块的仿真模型,分析了输出数据与算法设计的一致性。本文基于Xilinx公司的KC705型号开发板对DSC编码器中各个模块进行设计,实现了DSC算法中编码器的基本要求。仿真结果表明,本设计可以支持RGB和YUV两种格式的数据输入,支持8比特/分量的4:4:4格式视频输入;通过流水线的设计使编码器满足1像素/时钟的实时处理速率;可支持的视频压缩比为3:1。本文基于DSC算法中熵编码方案和图像传感器工作原理,提出了一种使用帧间差值的图像传感器片上视频压缩算法。本文基于图像传感器的工作原理搭建了传感器级视频压缩模型,对提出的片上视频压缩算法仿真验证。仿真结果表明,当分块大小设为4×4,阈值设为63时,使用帧间差值编码的压缩算法可以实现最优的压缩效果。在无光且静止的条件下,该算法实现了1.72比特/像素的压缩效果。综上所述,本文设计的编码器硬件电路和提出的片上视频压缩算法都能较好地实现视频图像压缩。

关键词： 分布式光纤传感   多防区监测   迈克尔逊干涉   萨格奈克干涉   硬件电路设计  

摘要： 分布式光纤振动传感技术因其监测范围广、无源探测、布设方式自由等独特优势,已成为一种新兴的现代化安防手段,被广泛应用于轨道交通、油气管线、周界安防等领域。其中,基于激光干涉原理的光纤振动传感系统可准确感知外界的振动信号,满足安防区域内入侵事件的监测需求。但该系统在监测范围、实时性能等方面仍有待进一步提升。针对上述问题,本文设计了一种多防区光纤振动预警系统,以迈克尔逊干涉与萨格奈克干涉原理为基础,利用光纤分路器将上述两类干涉结构进行了融合,从而扩展了同步监测的防区数量,提升了系统监测范围。设计了多路信号采集与高速通讯硬件电路,提高了光纤振动预警系统的响应实时性能。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)分析了基于激光前向干涉的光纤振动传感理论,通过干涉结构性能对比与系统器件参数选型,搭建了基于迈克尔逊干涉与萨格奈克干涉融合结构的多防区光纤振动预警系统,提升了系统检测范围。(2)设计了激光器供电电路、光电探测电路、信号滤波电路、多路采集电路,并研究了USB通信、以太网通信等数据传输通讯方案,提升了振动检测的实时性能。(3)利用MFC编译环境设计了可视化人机交互界面,具有多防区的运行控制、数据显示、数据存储、报警阈值设置、入侵事件记录等功能,并可通过应用程序接口调用实现了摄像头视频监控的联动,以及利用企业微信客户端实现了微信预警信息的推送。(4)通过机械结构设计与电路布局优化,实现了多防区光纤振动预警系统工程样机的集成,并对工程样机的标准波形检测、频率响应范围、入侵事件漏报率、系统功率损耗、系统响应时间等性能指标进行了测试与评估。上述研究表明,多防区光纤振动预警系统可通过相互独立的多个防区实现不同外界入侵事件的实时检测,为重点场所周界安防预警提供了监测范围与实时性能的提升优化方案。

关键词： 交通信号控制器   硬件设计   软件开发   物联网  

摘要： 随着硬件终端计算能力不断提高、5G、物联网等技术的发展，使得交通信号控制机朝着更加轻量化、集成化的方向发展。本论文所撰写内容以设计开发轻量化的交通信号控制器为背景，通过元器件的选型、电路图的优化改进以及软件优化设计来提高交通信号控制器的交通信号控制性能。本论文的研究对象是交通信号控制器，即交通信号控制机的控制主机，首次将RT-Thread物联网操作系统应用于交通信号控制领域，并对交通信号控制器硬件平台进行了优化。　　本论文在调研分析交通信号控制机的研究和发展现状基础上，提出了基于RT-Thread物联网架构的交通信号控制器设计与开发，确定了论文的主要研究内容、研究路线和设计指标。本论文主要做了以下工作：　　（1）交通信号控制器采用物联网的采集感知层、传输控制层和应用管理层三级架构，其中采集感知层选用线圈检测方式采集交叉路口的车流量信息;传输控制层采用以太网进行通信，交通信号控制器将数据传输到上位机并对交通信号灯进行控制;应用管理层采用现有的上位机模拟软件，可对传送到上位机的数据信息进行保存、处理以及运算。传输控制层主要针对交通信号控制器的软硬件设计，是本论文论述的重点。　　（2）根据交通信号控制器的设计需求，介绍了交通信号控制器的逻辑结构和工作原理，采用模块化和自下而上的设计思想，提出交通信号控制器的整体设计实现方案，并实现多时段控制和感应控制的配时方案。在与现有交通信号控制主机性能进行比较的基础上，结合ARM系列64位*** RT1052处理器的优点，采用*** RT1052核心板模块和STM32F103VCT6芯片分别作为主控板和灯控板的核心元件，给出了详细的硬件设计。交通信号控制器采用以太网口、RS-232接口、RS-485接口进行通信。软件方面，采用模块化的设计思想和多线程机制，完成了系统内核在*** RT1052核心板模块上的移植、设备驱动程序开发和虚拟文件系统移植;采用TCP/IP协议，基于RT-Thread物联网操作系统和LwIP协议栈开发以太网通信程序，实现了多时段控制和感应控制。此外，可通过硬件故障检测保障交通信号控制器正常运行。　　（3）对所完成的交通信号控制器硬件和软件进行模拟测试验证和结果分析，主要针对主控板和灯控板测试，然后是对多时段控制和感应控制功能的测试，测试结果符合预期的交通信号控制器的基本要求。

关键词： 帧同步   载波同步   单载波频域均衡   大容量毫米波通信   硬件设计  

摘要： 随着无线通信网络的快速演进和移动互联网的飞速发展,通信系统的传输速率也在不断增长,然而低频段频谱资源紧张的问题制约着通信系统传输容量的发展,因此具备频谱资源丰富、传输品质优秀及抗干扰能力强等特点的毫米波通信成力10Gbps甚至更高速率数据传输的实现方式之一。然而由于工作频段的特殊性,毫米波信号在传播过程会有较大损耗,该问题会严重影响信号的传播范围,并且高阶调制带来的高峰均比问题同样会影响毫米波系统的通信距离。在大容量毫米波通信系统中,本文采用单载波频域均衡技术对抗系统峰均比过高的问题,该技术还能有效地降低均衡算法复杂度。毫米波通信系统的工作频率和信号带宽与低频段通信系统有较大的差异,所以传统信号处理算法如何在大容量毫米波通信系统中应用的问题具有一定的研究价值。因此,本文设计了适用于大容量毫米波通信系统的帧同步方案和载波同步方案。首先,本文通过学习毫米波的传播特性和信道模型、研究毫米波通信的应用场景、再结合大容量毫米波通信的性能需求,设计了系统的总体方案。其次,针对传统帧同步算法难以在硬件单元中实时实现的问题,本文提出一种低复杂度的时频联合帧同步方案。本方案通过联合时域的粗帧同步和频域的精帧同步的方法,降低了帧同步算法的复杂度。该方案在性能与Meng算法相近的前提下,算法复杂度大大降低。再次,针对传统载波同步算法中估计精度与估计范围难以两全的问题,本文设计出一种低复杂度的联合载波同步方案。本方案通过简化单载波系统中的L&W算法,并与OFDM系统中的Moose算法联合,实现了大范围频偏的精确估计。本文所设计的方案兼具Moose算法较高的估计精度和L&W算法较大的频偏倍计范围,能够以一个较低的算法复杂度精准地实现载波同步。最后,本文还设计了帧同步方案和载波同步方案的硬件实现方式,并通过仿真软件验证算法的正确性,并且在现有的E波段无线通信基带处理单元上,验证了方案的可行性。

关键词： 边缘物联代理   配电台区监测   容器资源配置   业务时序逻辑   云管边端架构  

摘要： 国家电网公司在2019年1月13日发布了“1号文件”,文件明确将“打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网”排在年度重点工作首位。配电台区作为泛在电力物联网建设的“最后一公里”,包含电力物联网的底层物联信息采集、业务数据汇聚、终端通讯组网等技术基础。配电物联网应用已具有一定基础,但与“三型两网、世界一流”战略目标相比,电力配电物联网整体建设与应用仍存在不足。针对上述问题,本文通过设计一套边缘物联代理的软硬件与容器计算资源的配置方法,完成配电台区监测业务的容器化管理与本地化实时处理,实现配电台区设备的灵活接入、互联互通和就地智能决策。首先,本文从柱上变、箱变、配电房三种典型场景的业务需求进行分析,设计了一套面向配电台区监测典型场景的“云-管-边-端”分层监测总体方案。其次,针对配电台区监测业务的设备感知需求与通信需求,从硬件主控芯片、即插即用通信接口、安全加密单元、电源管理单元四个部分开展边缘物联代理的硬件设计,并研究了一种基于MQTT协议的多配电规约自适应转换方法与云边交互机制。最后,针对传统配变终端只能同时完成一个单一子任务问题,设计一套可以多任务同时运行的容器化软件架构。在架构的基础上分析了配用电业务的时序逻辑,构建了容器计算资源、任务优先级、时序逻辑、容器计算资源配置等容器计算负荷模型,在容器架构的基础上提出了一种考虑业务优先级与时序逻辑的容器计算资源分配方法,通过仿真分析方法的创新处与影响因素。综上所述,论文提出的三种配电台区监测典型场景及“云-管-边-端”监测方案、配电台区监测业务场景下边缘物联代理硬件设计及云边交互机制分析、面向配用电监测业务时序逻辑的边缘物联终端软件设计及容器计算资源配置方法等,为国网配电台区运行监测的统一物联标准体系构建提供重要的实践与理论支撑。

关键词： 事件相关电位   实时性   软件开发   硬件设计  

摘要： 事件相关电位（Event Related Potentials,ERP）是一种脑电信号的诱发电位,是一种通过外部施加刺激所引起的脑电电位。事件相关电位反映了人体对于外界刺激的认知过程,所以也被叫做认知电位。ERP信号主要观察时域的波形变化,对于时域上波形的检测需要精确记录刺激信号出现的位置便于后期数据分析。近年来由于多任务操作系统包括Linux和Windows和软件以及硬件包括显卡以及屏幕刷新率等在实时性上的限制无法满足许多实验范式对于P300的时频微秒级别的要求,为了解决这一问题本文研发了一套基于Linux和ARM的刺激采集分析软件以及基于μC/OS-III和ARM的校正系统,本论文围绕着校正模块硬件电路这一核心,在嵌入式开发板Nano PC-T4开发了一整套与事件相关电位相关的软件系统。本系统工作主要包括基于嵌入式开发板Nano PC-T4的便携式系统搭建,基于QT的刺激界面与实时分析程序开发与移植,基于ARM的校正模块的硬件设计与驱动程序开发这几部分。其中基于嵌入式开发板Nano PC-T4的便携式系统搭建QT的刺激分析程序开发与移植包括QT的刺激分析程序开发与移植,包括基于QT的声音和图片刺激的呈现、数据采集滤波绘制与实时ERP分析。基于ARM的校正模块的硬件设计与驱动程序开发,包括基于STM32F103的硬件电路设计以及基于μC/OS-III的误差计算与实时校正。嵌入式ERP同步校正系统,将ERP系统通过QT集成到嵌入式开发板,并通过光电转换模块以及声音转换模块实现信号的转换利用STM32基于μC/OS-III实现标记的采集和视觉以及声音刺激的误差显示与同步输出。实现上述嵌入式ERP同步校正系统以及实验验证研究,需要完成的工作包括:ERP软件的开发,基于ARM的软件移植,硬件电路的设计与调试,ERP和图形翻转视觉诱发电位实验的设计与实施,相应数据处理分析。最后,为了测试该系统能否正常工作,对系统的校正模块、对系统的数据采集分析模块进行测试,对于校正电路的验证通过对15名受试者进行视觉与听觉ERP实验,测得在校正后P300波形幅度得到提高,潜伏期,表明实验结果符合实验预期。对于本设计整套系统的验证,本文通过13个被试的实验数据验证了整套系统的准确性,最后通过图形翻转视觉诱发电位实验证明了本系统的实用性。

关键词： 浅地表目标   信号处理系统   FPGA   硬件设计  

摘要： 对浅地表目标探测系统的研究具有广泛的应用前景,在军用领域,靶场、战场、战后区域的未清除未爆弹会带来重大安全问题;在民用领域,各种未知的地下目标不利于国土资源的开采。因此,开发一款集发射、接收、处理、定位等功能于一体的高效信号处理系统具有重要意义。论文主要完成了基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）的浅地表目标探测信号处理系统的设计与实现。首先,论文介绍了课题的研究背景、国内外研究现状以及论文的主要工作;其次,介绍了信号处理系统中的相关算法理论;再次,根据系统需求给出了信号处理系统总体设计方案,并分别介绍了信号处理系统的算法流程和硬件方案;然后,根据方案对浅地表目标探测信号处理系统的硬件进行设计和仿真,包括激励信号产生模块、前端调理电路模块、模数转换（Analog-to-Digital Converter,ADC）采样模块、核心处理器模块、以太网通信模块、时钟模块和电源模块等硬件模块的设计,以及印刷电路板（Printed Circuit Board,PCB）的设计及仿真;最后,搭建调试平台,对信号处理系统进行测试并分析结果。测试结果表明,基于FPGA的浅地表目标探测信号处理系统的性能符合要求,在系统调试中测得对弱信号的检测能力达到1uV。

关键词： 原位探测仪   控制系统   硬件设计   软件开发   海底底质   磁学特性  

摘要： 海洋探测是人类认识大洋的主要方式，海底底质磁学探测作为其中的一种重要手段，在海洋环境探测、海洋地质分析、海底矿物勘测等方面起到了不可替代的作用。针对现有的对海底底质进行磁学特性分析的方法丧失原位特性的问题，本实验室提出了一种海底底质磁学特性原位探测仪，利用电磁装置实现对底质的脉冲磁化和交变磁场退磁处理，通过高精度的磁场传感器采集剩磁数据，对剩磁数据进行存储、传输、处理，得到底质原位磁学特性。本文重点对其控制系统进行研制。从整体方案设计、控制系统硬件电路元器件选型和实现、软件设计等方面入手，实现了一套基于嵌入式系统的海底底质磁学特性原位探测仪的控制系统。本文完成的主要工作包括:　　脉冲磁化/交变退磁电路的设计与控制:结合脉冲磁化/交变退磁电路分析，完成了硬件电路设计，使用STM32F407作为MCU实现对脉冲磁化/交变退磁电路的控制，通过控制高压电源的输出、继电器的闭合关断、可控硅的触发以及电容电压测量反馈实现对底质的脉冲磁化和交变磁场退磁处理。　　剩磁数据采集与存储:应用高精度磁阻传感器HMR2300测量剩磁数据，实现STM32F407与HMR2300的通讯和数据传输，并完成剩磁数据存储，以文件形式对数据进行组织和管理。　　上位机软件研制:系统上位机部分采用LabVIEW编写，具有参数设置、数据接收、数据显示和数据存储功能。可以通过上位机设置仪器脉冲磁化/交变退磁处理功能的相关参数;上位机接收STM32F407发送的剩磁数据，并对其进行分析处理，绘制剩磁曲线。　　系统测试:对整个系统进行了实验验证，实验结果表明，所研制的海底底质磁学特性原位探测仪的控制系统可以实现脉冲磁化和交变退磁处理功能，并获得剩磁曲线，探测仪可产生1T的脉冲磁化场，200mT的交流退磁磁场。磁场的测量精度可达到6nT。　　本系统实现了脉冲磁化和交变退磁处理功能以及剩磁数据采集分析显示功能，为海底底质磁学特性原位探测仪的研制奠定了基础。