Luận Văn Thạc Sĩ: Thiết Kế Bộ Lọc Phần Tử Particle Filtering Xử Lý Tín Hiệu Trên Nền Công Nghệ FPGA

• Tác giả: Trần Thị Hoàng Oanh
• Người hướng dẫn: Pgs.ts. Lê Tiến Thường
• Trường học: Đại học sư phạm kỹ thuật tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Điện điện tử
• Đề tài: Thiết Kế Bộ Lọc Phần Tử Cho Xử Lý Tín Hiệu Trên Nền Công Nghệ Fpga
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• CẢM TẠ
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BỘ LỌC PHẦN TỬ
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Mục đích đề tài
• 1.3. Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài
• 1.4. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Cơ sở lý thuyết bộ lọc phần tử
• 2.1.1. Mô hình Markov ẩn
• 2.1.2. Ước lượng đệ quy Bayes
• 2.1.3. Bộ lọc Kalman
• 2.1.4. Bộ lọc phần tử
• 2.2. Nền tảng toán học
• 2.2.1. Phương pháp Monte Carlo
• 2.2.2. Phương pháp lấy mẫu quan trọng tuần tự
• 2.2.3. Vấn đề thoái hóa mẫu
• 2.2.4. Lựa chọn tốt hàm mật độ quan trọng
• 2.2.5. Thuật toán bộ lọc phần tử
• 2.3. Tiêu chuẩn Root-mean-square error (RMSE)
• 2.4. Giới thiệu công nghệ FPGA
• 2.4.1. Công nghệ CPLD
• 2.4.2. Công nghệ FPGA
• 2.4.3. Ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL
• 2.4.4. Quá trình cài đặt chương trình trên FPGA
• 2.4.5. Khảo sát Kit Virtex-II Pro và gói công cụ Xilinx
• 2.4.5.1. Kit Virtex-II Pro xc2vp30
• 2.4.5.2. Tổng quan về kit Virtex-II Pro
• 2.4.5.3. FPGA kit Virtex-II Pro
• 2.4.5.4. Cấu hình nguồn cung cấp
• 2.4.5.5. Các nguồn cung cấp và phân phối xung clock
• 2.4.5.6. Khối truyền nhận dữ liệu Multi-Gigabit
• 2.4.5.7. Hệ thống RAM
• 2.4.5.8. Hệ thống điều khiển ACE Compact Flash
• 2.4.5.9. Giao tiếp Fast Ethernet
• 2.4.5.10. Các cổng nối tiếp
• 2.4.5.11. Cách dùng Led, Công tắc, và các nút nhấn
• 2.4.5.12. Cổng kết nối mở rộng
• 2.4.5.13. AC97 Audio CODEC
• 2.4.5.14. CPU Trace và cổng Debug
• 2.4.5.15. Giao tiếp chương trình cổng USB2
• 2.5. Gói công cụ Xilinx hỗ trợ Matlab
• 2.5.1. Xilinx Accel DSP 10.2 Xilinx System Generator
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ LỌC PHẦN TỬ TRÊN KIT VIRTEX-II PRO XC2VP30-7FF896
• 3.1. Mô hình không gian trạng thái
• 3.2. Thiết kế bộ lọc phần tử trên kit Virtex-II Pro
• 3.3. Mô phỏng bộ lọc phần tử ước lượng trạng thái các hệ thống giả lập trên Matlab và FPGA
• 3.3.1. Giao diện chính
• 3.3.2. Giao diện thiết kế bộ lọc phần tử ước lượng trạng thái các mô hình giả lập
• 3.3.3. Mô hình giả lập 1
• 3.3.3.1. Hệ thống các khối bộ lọc phần tử ước lượng trạng thái của mô hình giả lập 1
• 3.3.3.2. Mô phỏng bộ lọc phần tử trên Matlab và FPGA của mô hình 1
• 3.3.4. Mô hình giả lập 2
• 3.3.4.1. Hệ thống các khối bộ lọc phần tử ước lượng trạng thái của mô hình giả lập 2
• 3.3.4.2. Mô phỏng bộ lọc phần tử trên Matlab và FPGA của mô hình 2
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. Đánh giá kết quả
• 4.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Thiết Kế Bộ Lọc Phần Tử Trên FPGA

Bộ lọc phần tử là một trong những kỹ thuật tiên tiến trong lĩnh vực xử lý tín hiệu, đặc biệt là trong việc ước lượng trạng thái của các hệ thống phi tuyến. Việc thiết kế bộ lọc phần tử trên FPGA không chỉ giúp tăng tốc độ xử lý mà còn cải thiện hiệu suất của hệ thống. FPGA (Field Programmable Gate Array) cho phép thực hiện các thuật toán phức tạp một cách hiệu quả, nhờ vào khả năng lập trình lại và tối ưu hóa phần cứng.

1.1. Khái Niệm Về Bộ Lọc Phần Tử

Bộ lọc phần tử (Particle Filter) là một phương pháp ước lượng trạng thái dựa trên lý thuyết Bayes. Phương pháp này sử dụng một tập hợp các mẫu (hạt) để đại diện cho phân bố xác suất của trạng thái. Mỗi hạt được gán một trọng số, phản ánh xác suất của nó. Việc sử dụng bộ lọc phần tử giúp giải quyết các vấn đề ước lượng trong các hệ thống phi tuyến và có nhiễu.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng FPGA Trong Thiết Kế Bộ Lọc

FPGA mang lại nhiều lợi ích cho việc thiết kế bộ lọc phần tử, bao gồm khả năng xử lý song song, giảm độ trễ và tăng hiệu suất. Việc triển khai bộ lọc phần tử trên FPGA cho phép thực hiện các phép toán phức tạp một cách nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời giảm thiểu tiêu thụ năng lượng.

II. Thách Thức Trong Thiết Kế Bộ Lọc Phần Tử Trên FPGA

Mặc dù việc thiết kế bộ lọc phần tử trên FPGA mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Các vấn đề như độ phức tạp trong việc lập trình, tối ưu hóa tài nguyên phần cứng và đảm bảo độ chính xác của kết quả là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ Phức Tạp Trong Lập Trình FPGA

Lập trình FPGA yêu cầu kiến thức chuyên sâu về ngôn ngữ mô tả phần cứng như VHDL hoặc Verilog. Việc chuyển đổi các thuật toán từ phần mềm sang phần cứng có thể gặp khó khăn, đặc biệt là trong việc tối ưu hóa hiệu suất và tài nguyên.

2.2. Tối Ưu Hóa Tài Nguyên Phần Cứng

Một trong những thách thức lớn nhất là tối ưu hóa tài nguyên phần cứng trên FPGA. Việc sử dụng quá nhiều tài nguyên có thể dẫn đến chi phí cao và giảm hiệu suất. Cần có các phương pháp tối ưu hóa hiệu quả để đảm bảo rằng bộ lọc phần tử hoạt động tốt trên FPGA.

III. Phương Pháp Thiết Kế Bộ Lọc Phần Tử Trên FPGA

Để thiết kế bộ lọc phần tử trên FPGA, cần áp dụng các phương pháp và kỹ thuật cụ thể. Việc sử dụng thuật toán SIR (Sampling Importance Resampling) là một trong những phương pháp phổ biến nhất. Thuật toán này giúp cải thiện độ chính xác của ước lượng trạng thái.

3.1. Thuật Toán SIR Trong Bộ Lọc Phần Tử

Thuật toán SIR là một phương pháp quan trọng trong bộ lọc phần tử, cho phép ước lượng trạng thái của hệ thống phi tuyến. Thuật toán này bao gồm các bước lấy mẫu, cập nhật trọng số và tái chọn mẫu, giúp cải thiện độ chính xác của ước lượng.

3.2. Tối Ưu Hóa Hiệu Suất Bộ Lọc Trên FPGA

Để tối ưu hóa hiệu suất của bộ lọc phần tử trên FPGA, cần áp dụng các kỹ thuật như pipelining và parallel processing. Những kỹ thuật này giúp tăng tốc độ xử lý và giảm độ trễ, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Bộ Lọc Phần Tử Trên FPGA

Bộ lọc phần tử trên FPGA đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giao thông đến an ninh quốc phòng. Việc sử dụng bộ lọc phần tử giúp cải thiện độ chính xác trong việc theo dõi và ước lượng trạng thái của các đối tượng.

4.1. Ứng Dụng Trong Giao Thông

Trong lĩnh vực giao thông, bộ lọc phần tử được sử dụng để phát hiện làn đường và theo dõi các phương tiện. Việc sử dụng FPGA giúp tăng tốc độ xử lý và cải thiện độ chính xác trong việc theo dõi các đối tượng di chuyển.

4.2. Ứng Dụng Trong An Ninh Quốc Phòng

Bộ lọc phần tử cũng được áp dụng trong an ninh quốc phòng để xác định vị trí của máy bay và tàu ngầm. Việc sử dụng FPGA giúp cải thiện khả năng theo dõi và ước lượng trạng thái của các đối tượng trong môi trường phức tạp.

V. Kết Luận Về Thiết Kế Bộ Lọc Phần Tử Trên FPGA

Thiết kế bộ lọc phần tử trên FPGA là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Việc áp dụng các phương pháp tối ưu hóa và kỹ thuật hiện đại sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác của bộ lọc phần tử. Tương lai của lĩnh vực này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng thực tiễn hơn nữa.

5.1. Tương Lai Của Bộ Lọc Phần Tử

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ FPGA, bộ lọc phần tử sẽ tiếp tục được cải tiến và ứng dụng rộng rãi hơn trong các lĩnh vực khác nhau. Các nghiên cứu mới sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và mở rộng khả năng ứng dụng của bộ lọc phần tử.

5.2. Khuyến Nghị Nghiên Cứu Thêm

Cần có thêm nhiều nghiên cứu để khám phá các phương pháp mới trong thiết kế bộ lọc phần tử trên FPGA. Việc kết hợp các công nghệ mới như học máy và trí tuệ nhân tạo có thể mở ra nhiều cơ hội mới cho lĩnh vực này.