哈夫曼编码系统优化设计及其FPGA硬件实现

针对人工智能背景下海量存储与大数据处理需求,本文提出面向FPGA硬件实现的哈夫曼编码系统优化设计方法。实验结果表明,提出的哈夫曼编码技术在最大程度上提高硬件系统的存储空间利用率和编码速度,排序模块与编码模块并行工作方式更利于FPGA系统实现,该编码技术可推广到人工智能芯片设计中。

基于流水线的RSA加密算法硬件实现

针对硬件实现高位RSA加密算法成本比较高的问题,在传统的基4蒙哥马利(Montgomery)算法上进行改进。首先引入CSA加法器快速完成大数的加法计算;然后在后处理上做优化,以减少每次蒙哥马利计算的大数个数;最后在计算RSA加密算法时加入了流水线,在并行执行RSA加密的条件下降低硬件资源的使用。在Xilinx XC7K410T系列的FPGA开发板上的实验结果表明,在保证加密速率的前提下,改进的RSA加密算法结构使用的硬件资源是原来并行结构的1/2,而且可以在更高的频率下工作。

H.264硬件解码核的FPGA实现

针对H.264/AVC的视频解码问题进行了研究,给出了H.264解码核的硬件实现方案,对熵解码CAVLC查表方案进行了优化。详细介绍了句法预测模块、反量化、逆DCT以及帧内预测模块的具体实现结构;并引入流水线、并行处理和状态机处理方法来提高处理速度,实现了解码结构上的优化。该算法在EP2S60F672C5ES FPGA上获得验证,结果表明给出的H.264解码算法是正确的,且有节省硬件资源和较快解码速度的优点。

格基密钥封装算法OSKR/OKAI硬件高效实现

量子计算技术的快速发展为现有公钥密码体系(RSA、椭圆曲线密码等)带来了巨大的挑战,为了抵御量子计算的攻击,后量子密码技术受到了学术界和工业界的广泛研究.其中,格基密码方案具有良好的安全性与实现效率,成为后量子密码领域的主要研究方向之一.最近,美国标准与技术研究院公布了基于模格MLWE困难问题的Kyber算法作为密钥封装方案的标准,2019年我国举行的后量子密码算法竞赛的一等奖获奖算法Aigis也是基于同类困难问题.基于非对称密钥共识机制、混合数论变换、封装512比特密钥长度等技术,我国学者进一步提出了Kyber和Aigis的优化算法:OSKR和OKAI.针对算法设计高效、统一的硬件架构对我国推进后量子密码的标准化进程具有重要的借鉴意义.本文基于FPGA平台设计实现OSKR和OKAI两种算法的专用电路结构,主要工作如下:设计了一种四并行的多项式运算模块,可实现多种模值参数(3329和7681)下的数论变换、多项式乘法、多项式压缩等运算过程,从而提升了算法的整体运行效率;在此基础上设计了多功能采样模块、编解码模块和存储模块等,充分利用FPGA平台并行性的特点研究核心运算模块的优化设计.考虑到在密码实际应用中,往往需要在一个硬件平台上同时实现国际标准和国家标准两套算法,本文的设计可同时满足两套算法共六组参数的运算需求.本文的设计方案在Xilinx Artix-7开发板上进行了实际的部署和运行,并且和已有的同类型工作进行了对比,包括纯硬件设计、软硬协同设计和纯软件优化三种类型.结果表明,与最新的工作相比,本文的设计使得解封装的效率提升了30%左右;同时硬件资源消耗最高为12765个LUT、11434个FF、4个DSP和12.5个BRAM,略多于最新的工作,但本文的硬件设计可实现更多的算法和参数,有效提升了硬件资源的复用率.

n×m涡卷混沌吸引子的研究及硬件实现

提出了产生n×m涡卷混沌吸引子的一种新方法,用三角波函数序列和阶跃函数序列构造网格多涡卷混沌系统,找出函数中平衡点和转折点的值,并对系统的基本动力学特性进行了研究,包括理论分析和计算机模拟仿真。用模块化的方法设计了现场可编程门阵列(FPGA)硬件实验电路,给出了相关的实验结果。计算机仿真和FPGA硬件实验结果相吻合,由此证明了该系统的混沌特性。

一种快速测频算法及其FPGA实现

以修正PRONY的方法为基础,利用不同时刻噪声的不相关性,提出了一种快速、准确的频率估计算法,并利用FPGA技术在硬件上实现了这种算法。

基于FPGA的新型混沌产生器的实现

分析了混沌产生器的主要特征,基于数字化处理技术,通过对系统的连续时间状态方程进行离散化处理和变量比例变换,进一步用FPGA技术硬件实现,通过转折值a在0<a≤1范围变化,系统可产生双层单螺旋、单层单螺旋、双层双螺旋和单层双螺旋的四种不同类混沌吸引子。本文先进行计算机模拟仿真,随后应用FPGA技术产生混沌吸引子的一般原理给出其硬件实验电路。

基于FPGA的新型五阶超混沌吸引子的实现

基于五阶段超混沌电路系统、数字化处理技术,通过对系统的连续时间状态方程进行离散化处理和变量比例变换,用FPGA技术硬件实现超混沌电路系统方程中的混沌吸引子;给出了实现混沌吸引子的FPGA技术,指出了硬件实现的方法,展示了实验结果,可以为高阶混沌电路系统的设计与实现提供了一条切实可行的途径,同时该技术可以应用在混沌保密通信中.

七维心脏—血液混沌动力系统的FPGA实现

本文基于七维心脏—血液混沌动力系统、数字化处理技术,通过对系统的连续时间状态方程进行离散化处理和变量比例变换,用FPGA技术硬件实现动力系统方程中的混沌吸引子;提出用FPGA技术产生混沌吸引子的一般设计原理并给出其硬件实现结果。为复杂高阶电路系统的设计与实现提供了一条切实可行的途径。

基于FPGA的主动噪声控制系统设计

基于主动噪声控制(ANC)系统中FxLMS改进算法,提出一种新的现场可编程门阵列(FPGA)硬件实现结构。结构通过运用状态机产生的控制信号来控制ANC系统各个模块的运行,并为了加快误差信号的收敛速度采用了并行的链接方式。该FxLMS改进算法结构采用Altera QuartusII开发平台设计和综合,在Altera DE2提供的Cyclone II FPGA开发板上实现。仿真结果表明:在Altera Cyclone II硬件实现中仅使用了22个嵌入式乘法器中和6%的逻辑单元,并且ANC系统的降噪性能和收敛速度都得到了提高。