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H.264幀內(nèi)預測算法優(yōu)化及幾個重要模塊的FPGA實現(xiàn)

H.264作為新一代視頻編碼標準，相比上一代視頻編碼標準MPEG2，在相同畫質(zhì)下，平均節(jié)約64﹪的碼流。該標準僅設(shè)定了碼流的語法結(jié)構(gòu)和解碼器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)靈活性極大，其規(guī)定了三個檔次，每個檔次支持一組特定的編碼功能，并支持一類特定的應用，因此。H.264的編碼器的設(shè)計可以根據(jù)需求的不同而不同。 H.264雖然具有優(yōu)異的壓縮性能，但是其復雜度卻比一般編碼器高的多。本文對H.264進行了編碼復雜度分析，并統(tǒng)計了整個軟件編碼中計算量的分布。H.264中采用了率失真優(yōu)化算法，提高了幀內(nèi)預測編碼的效率。在該算法下進行幀內(nèi)預測時，為了得到一個宏塊的預測模式，需要進行592次率失真代價計算。因此為了降低幀內(nèi)預測模式選擇的計算復雜度，本文改進了幀內(nèi)預測模式選擇算法。實踐證明，在PSNR值的損失可以忽略不計的情況下，該算法相比原算法，幀內(nèi)編碼時間平均節(jié)約60﹪以上，對編碼的實時性有較大幫助。 為了實現(xiàn)實時編碼，考慮到FPGA的高效運算速度和使用靈活性，本文還研究了H.264編碼器基本檔次的FPGA實現(xiàn)。首先研究了H.264編碼器硬件實現(xiàn)架構(gòu)，并對影響編碼速度，且具有硬件實現(xiàn)優(yōu)越性的幾個重要部分進行了算法研究和FPGA.實現(xiàn)。本文主要研究了H.264編碼器中整數(shù)DCT變換、量化、Zig-Zag掃描、CAVLC編碼以及反量化、逆整數(shù)DCT變換等部分。分別對這些模塊進行了綜合和時序仿真，并將驗證后通過的系統(tǒng)模塊下載到Xilinx virtex-Ⅱ Pro的FPGA中，進行了在線測試，驗證了該系統(tǒng)對輸入的殘差數(shù)據(jù)實時壓縮編碼的功能。 本文對H.264編碼器幀內(nèi)預測模式選擇算法的改進，算法實現(xiàn)簡單，對軟件編碼的實時性有很大幫助。本文對在單片F(xiàn)PGA上實現(xiàn)H.264編碼器做出了探索性嘗試，這對H.264編碼器芯片的設(shè)計有著積極的借鑒性。

標簽： FPGA 264 幀內(nèi)預測 算法優(yōu)化

上傳時間： 2013-05-25

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保密通信中RS編解碼的FPGA實現(xiàn)

由于信道中存在干擾,數(shù)字信號在信道中傳輸?shù)倪^程中會產(chǎn)生誤碼.為了提高通信質(zhì)量,保證通信的正確性和可靠性,通常采用差錯控制的方法來糾正傳輸過程中的錯誤.本文的目的就是研究如何通過差錯控制的方法以提高通信質(zhì)量,保證傳輸?shù)恼_性和可靠性.重點研究一種信道編解碼的算法和邏輯電路的實現(xiàn)方法,并在硬件上驗證,利用碼流傳輸?shù)臏y試方法,對設(shè)計進行測試.在以上的研究基礎(chǔ)之上,橫向擴展和課題相關(guān)問題的研究,包括FPGA實現(xiàn)和高速硬件電路設(shè)計等方面的研究. 糾錯碼技術(shù)是一種通過增加一定的冗余信息來提高信息傳輸可靠性的有效方法.RS碼是一種典型的糾錯碼,在線性分組碼中,它具有最強的糾錯能力,既能糾正隨機錯誤,也能糾正突發(fā)錯誤.在深空通信,移動通信以及數(shù)字視頻廣播等系統(tǒng)中具有廣泛的應用,隨著RS編碼和解碼算法的改進和相關(guān)的硬件實現(xiàn)技術(shù)的發(fā)展,RS碼在實際中的應用也將更加廣泛. 在研究中,對所研究的問題進行分解,集中精力研究課題中的重點和難點,在各個模塊成功實現(xiàn)的基礎(chǔ)上,成功的進行系統(tǒng)組合,協(xié)調(diào)各個模塊穩(wěn)定的工作. 在本文中的EDA設(shè)計中,使用了自頂向下的設(shè)計方法,編解碼算法每一個子模塊分開進行設(shè)計,最后在頂層進行元件例化,正確實現(xiàn)了編碼和解碼的功能. 本文首先介紹相關(guān)的數(shù)字通信背景；接著提出糾錯碼的設(shè)計方案,介紹RS(31,15)碼的編譯碼算法和邏輯電路的實現(xiàn)方法,RTL代碼編寫和邏輯仿真以及時序仿真,并討論了FPGA設(shè)計的一般性準則以及高速數(shù)字電路設(shè)計的一些常用方法和注意事項；最后設(shè)計基于FPGA的硬件電路平臺,并利用靜態(tài)和動態(tài)的方法對編解碼算法進行測試. 通過對編碼和解碼算法的充分理解,本人使用Verilog HDL語言對算法進行了RTL描述,在Altera公司Cyclone系列FPGA平臺上面實現(xiàn)了編碼和解碼算法. 其中,編碼的最高工作頻率達到158MHz,解碼的最高工作頻率達到91MHz.在進行硬件調(diào)試的時候,整個系統(tǒng)工作在30MHz的時鐘頻率下,通過了硬件上的靜態(tài)測試和動態(tài)測試,并能夠正確實現(xiàn)預期的糾錯功能.

標簽： FPGA 保密通信 RS編解碼

上傳時間： 2013-07-01

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基于FPGA與USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

本文從總體方案、硬件電路、軟件程序、性能測試等幾個方面詳細地闡述了基于FPGA與USB2.0的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采集系統(tǒng)選用高采樣率低噪聲的12位AD轉(zhuǎn)換芯片進行AD轉(zhuǎn)換電路設(shè)計；借助頻率高、內(nèi)部時延小的FPGA芯片實現(xiàn)USB固件并以此控制USB接口芯片，通過乒乓的方式對采樣數(shù)據(jù)進行緩存，提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)吞吐能力；運用USB2.0標準的接口芯片為整個采集系統(tǒng)提供USB的通信能力。采用集成度較高的FPGA芯片作為系統(tǒng)控制核心，降低了設(shè)計難度，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時還減小了設(shè)備體積。

標簽： FPGA 2.0 USB 數(shù)據(jù)采集

上傳時間： 2013-04-24

上傳用戶：xuanjie

基于H.264的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的FPGA實現(xiàn)研究

隨著科學技術(shù)的發(fā)展與公共安全保障需求的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、日常生活、警備與軍事方面的應用越來越廣泛。采用基于 FPGA 的SOPC技術(shù)、H．264壓縮編碼技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸控制技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在穩(wěn)定性、功能、成本與擴展性等方面都有著突出的優(yōu)勢，具有重要的學術(shù)意義與實用意義， 本課題所設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)由以Nios Ⅱ為核心的嵌入式圖像服務(wù)器、相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與若干PC機客戶端組成。嵌入式圖像服務(wù)器實時采集圖像，采用H．264 編碼算法進行壓縮，并持續(xù)監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)。PC機客戶端可通過網(wǎng)絡(luò)對服務(wù)器進行遠程訪問，接收編碼數(shù)據(jù)，使用H．264解碼算法重建圖像并實時顯示，使監(jiān)控人員有效地掌握現(xiàn)場情況， 在嵌入式圖像服務(wù)器設(shè)計階段，本文首先進行了芯片選型與開發(fā)平臺選擇。然后構(gòu)建圖像采集子系統(tǒng)，采用雙緩存乒乓交換的方法設(shè)計圖像采集用戶自定義模塊。接著設(shè)計雙Nios Ⅱ架構(gòu)的SOPC系統(tǒng)，闡述了雙軟核設(shè)計中定制連接、內(nèi)存芯片共享、數(shù)據(jù)搬移、通信與互斥的解決方法。同時完成了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的設(shè)計，采用μC/OS-Ⅱ進行多任務(wù)的管理與調(diào)度， H．264視頻壓縮編解碼算法設(shè)計與實現(xiàn)是本文的重點。文中首先分析H．264．標準，規(guī)劃編解碼器結(jié)構(gòu)。接著設(shè)計了16×16幀內(nèi)預測算法，并設(shè)計宏塊掃描方式，采用兩次判決策略進行預測模式選擇。然后設(shè)計4×4子塊掃描方式，編寫整數(shù)變換與量化算法程序。熵編碼采用Exp-Golomb編碼與CAVLC相結(jié)合的方案，針對除拖尾系數(shù)之外的非零系數(shù)值編碼子算法，實現(xiàn)了一種基于表示范圍判別的編碼方法。最后設(shè)計了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)拇a流組成格式，并針對編碼算法設(shè)計相應解碼算法。使用VC++完成算法驗證，并進行測試，觀察不同參數(shù)下壓縮率與失真度的變化。 算法驗證完成后，本文進行了PC機客戶端設(shè)計，使其具有遠程訪問、H．264解碼與實時顯示的功能。同時將H．264 編碼算法程序移植到NiosⅡ中，并將嵌入式圖像服務(wù)器與若干客戶端接入網(wǎng)絡(luò)進行聯(lián)合調(diào)試，構(gòu)建完整的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)， 實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)視頻壓縮率高，監(jiān)控圖像質(zhì)量良好，充分證明了系統(tǒng)軟硬件與圖像編解碼算法設(shè)計成功。本系統(tǒng)具有成本低、擴展性好及適用范圍廣等優(yōu)點，發(fā)展前景十分廣闊。

標簽： FPGA 264 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控 實現(xiàn)研究

上傳時間： 2013-08-03

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FPGA用于160Gbs高速光纖通信系統(tǒng)中PMD補償?shù)难芯?/a>

標簽： FPGA 160 Gbs PMD

上傳時間： 2013-04-24

上傳用戶：suxuan110425

基于FPGA的視頻編碼器設(shè)計

ISO和ITU-T制定的一系列視頻編碼國際標準的推出，開創(chuàng)了視頻通信和存儲應用的新紀元。從H.261視頻編碼建議，到H.262/3、MPEG-1/2/4等都有一個共同的不斷追求的目標，即在盡可能低的碼率(或存儲容量)下獲得盡可能好的圖像質(zhì)量。 本課題的研究建立在目前主流的壓縮算法的基礎(chǔ)上，綜合出各種標準中實現(xiàn)途徑的共性和優(yōu)勢，將算法的主體移植于FPGA(FieldProgrammableGateArray)平臺上。憑借該種類嵌入式系統(tǒng)配置靈活、資源豐富的特點，建立一個可重構(gòu)的內(nèi)核處理模塊。進一步的完善算法(運算速度、精度)和外圍系統(tǒng)后，就可作為專用視頻壓縮編碼器進行門級電路設(shè)計的原型，構(gòu)建一個片上可編程的獨立系統(tǒng)。 編碼器設(shè)計有良好的應用前景，通過使用離散余弦變換和熵編碼，對運動圖像從空間上進行壓縮編碼，使得編碼后的數(shù)據(jù)流適合于傳輸、通信、存儲和編輯等方面的要求。同時，系統(tǒng)的設(shè)計將解碼的工作量大幅度降低，功能模塊在作適當?shù)母膭雍罂蔀榻獯a器的參考設(shè)計使用。 研究所涉及的各功能模塊都進行了系統(tǒng)性的仿真和綜合，滿足工程樣機的前期研發(fā)需要。

標簽： FPGA 視頻編碼器

上傳時間： 2013-04-24

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Turbo乘積碼的譯碼算法及FPGA實現(xiàn)

在信道編碼的發(fā)展進程中，編碼研究人員一直致力于追尋性能盡可能的接近Shannon極限，且譯碼復雜度較低的信道編碼方案。1993年Berrou等提出了Turbo碼，這種碼在接近香農(nóng)極限的低信噪比下仍能夠獲得較低的誤碼率，它的出現(xiàn)在編碼界引起了廣泛的關(guān)注，并成為編碼研究領(lǐng)域最新的發(fā)展方向之一。但Turbo碼也有其缺點，由于交織器的存在，致使譯碼復雜度高，譯碼時延長且因為低碼重碼字，存在錯誤平臺現(xiàn)象。在Turbo碼的基礎(chǔ)上，1994年，Pyndiah等提出了Turbo乘積碼，Turbo乘積碼繼承了Turbo碼的優(yōu)點，又因為Turbo乘積碼的構(gòu)造采用了線性分組碼，所以譯碼方法比Turbo碼簡單。Turbo乘積碼近年來開始被廣泛到應用到各種通信場合，大有取代傳統(tǒng)的卷積碼之勢。 本文首先圍繞Turbo乘積碼的編譯碼原理，闡述了涉及到的基礎(chǔ)知識；又據(jù)Turbo乘積碼目前的應用狀況，回顧了Turbo碼的發(fā)展歷史；其次，根據(jù)Turbo乘積碼的構(gòu)造原理，探討了構(gòu)造的方法，交織類型，子碼的選擇及子碼的性能；再次，研究了Turbo乘積碼的概率譯碼，基于外信息的迭代算法，研究了Chase的譯碼算法；最后通過軟件仿真實現(xiàn)了該迭代譯碼算法，得到的結(jié)果達到了通信接收的要求。 本文還初步的闡述了Turbo乘積碼硬件實現(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)計方案。據(jù)實際工作中碰到的非標準信號，給出了整體模塊設(shè)計圖，及相應模塊的功能和模塊問連接的各種參數(shù)。并實現(xiàn)了模態(tài)下的同步搜索和去除相位模糊功能。最后根據(jù)研究中碰到的各種問題，提出了下一步工作建議和研究方向。

標簽： Turbo FPGA 乘積碼 譯碼算法

上傳時間： 2013-07-02

上傳用戶：ndyyliu

高速Viterbi譯碼器的FPGA實現(xiàn)

本文提出了一種高速Viterbi譯碼器的FPGA實現(xiàn)方案。這種Viterbi譯碼器的設(shè)計方案既可以制成高性能的單片差錯控制器，也可以集成到大規(guī)模ASIC通信芯片中，作為全數(shù)字接收的一部分。 本文所設(shè)計的Viterbi譯碼器采用了基四算法，與基二算法相比，其譯碼速率在理論上約提升一倍。加一比一選單元是Viterbi譯碼器最主要的瓶頸所在，本文在加一比一選模塊中采用了全并行結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，這種方法雖然增加了硬件的使用面積，卻有效的提高了譯碼器的速率。在幸存路徑管理部分采用了兩路并行回溯的設(shè)計方法，與寄存器交換法相比，回溯算法更適用于FPGA開發(fā)設(shè)計。為了提高譯碼性能，減小譯碼差錯，本文采用較大譯碼深度的回溯算法以保證幸存路徑進行合并。實現(xiàn)了基于FPGA的誤碼測試儀，在FPGA內(nèi)部完成誤碼驗證和誤碼計數(shù)的工作。 與基于軟件實現(xiàn)譯碼過程的DSP芯片不同，F(xiàn)PGA芯片完全采用硬件平臺對Viterbi譯碼器加以實現(xiàn)，這使譯碼速率得到很大的提升。針對于具體的FPGA硬件實現(xiàn)，本文采用了硬件描述語言VHDL來完成設(shè)計。通過對譯碼器的綜合仿真和FPGA實現(xiàn)驗證了該方案的可行性。譯碼器的最高譯碼輸出速率可以達到60Mbps。

標簽： Viterbi FPGA 譯碼器

上傳時間： 2013-04-24

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（2，1，9）軟判決Viterbi譯碼器的設(shè)計與FPGA實現(xiàn)

卷積碼是無線通信系統(tǒng)中廣泛使用的一種信道編碼方式。Viterbi譯碼算法是一種卷積碼的最大似然譯碼算法，它具有譯碼效率高、速度快等特點，被認為是卷積碼的最佳譯碼算法。本文的主要內(nèi)容是在FPGA上實現(xiàn)約束長度為9，碼率為1/2，采用軟判決方式的Viterbi譯碼器。 本文首先介紹了卷積碼的基本概念，闡述了Viterbi算法的原理，重點討論了決定Viterbi算法復雜度和譯碼性能的關(guān)鍵因素，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了采用“串-并”結(jié)合運算方式的Viterbi譯碼器，并在Altera EP1C20 FPGA芯片上測試通過。本文的主要工作如下： 1.對輸入數(shù)據(jù)采用了二比特四電平量化的軟判決方式，對歐氏距離的計算方法進行了簡化，以便于用硬件電路方式實現(xiàn)。 2.對ACS運算單元采用了“串-并”結(jié)合的運算方式，和全并行的設(shè)計相比，在滿足譯碼速度的同時，節(jié)約了芯片資源。本文中提出了一種路徑度量值存儲器的組織方式，簡化了控制模塊的邏輯電路，優(yōu)化了系統(tǒng)的時序。 3.在幸存路徑的選擇輸出上采用了回溯譯碼方法，與傳統(tǒng)的寄存器交換法相比，減少了寄存器的使用，大大降低了功耗和設(shè)計的復雜度。 4.本文中設(shè)計了一個仿真平臺，采用Modelsim仿真器對設(shè)計進行了功能仿真，結(jié)果完全正確。同時提出了一種在被測設(shè)計內(nèi)部插入監(jiān)視器的調(diào)試方法，巧妙地利用了Matlab算法仿真程序的輸出結(jié)果，提高了追蹤錯誤的效率。 5.該設(shè)計在Altera EP1C20 FPGA芯片上通過測試，最大運行時鐘頻率110MHz，最大譯碼輸出速率10.3Mbps。 本文對譯碼器的綜合結(jié)果和Altera設(shè)計的Viterbi譯碼器IP核進行了性能比較，比較結(jié)果證明本文中設(shè)計的Viterbi譯碼器具有很高的工程實用價值。

標簽： Viterbi FPGA 軟判決 譯碼器

上傳時間： 2013-07-23

上傳用戶：葉山豪

寬帶射頻數(shù)字接收機實驗平臺的FPGA實現(xiàn)

該文利用FPGA技術(shù),設(shè)計了全概率寬帶數(shù)字接收機的實驗平臺,并在其上提出了數(shù)字接收機實現(xiàn)的可行性方法,以及對這些方法的驗證.該文的主要貢獻和創(chuàng)新有以下幾個方面.提出了并行結(jié)構(gòu)算法的工程實現(xiàn),討論了解決前端采樣的高速數(shù)據(jù)流遠遠超過后端DSP處理能力問題的可行性方法.利用多相濾波下變頻的并行結(jié)構(gòu)特點,使濾波器能夠以高效的形式實現(xiàn),也使得后端的混頻能夠工作在一個較低的速率上.經(jīng)過多相濾波下變頻處理后的數(shù)據(jù),在速率和數(shù)量上都有大幅減少,達到了現(xiàn)有通用DSP器件的處理能力的要求.針對多相濾波下變頻與短數(shù)據(jù)快速測頻算法的特點,用FPGA搭建了其實驗模型,并利用微機EPP接口,對實驗目標板進行控制并與其進行數(shù)據(jù)交換.利用FPGA的在線編程特性,可以方便靈活對各種實現(xiàn)方法加以驗證、比較.同時也給調(diào)試帶來了方便,可以每個模塊單獨調(diào)試而不用改變硬件結(jié)構(gòu),使調(diào)試效率大大提高.該平臺也可用來對其他數(shù)字處理算法進行實現(xiàn)性分析與實驗.參考軟件無線電設(shè)計的概念和國內(nèi)外相關(guān)文獻,提出了多項濾波下變頻結(jié)構(gòu)的FPGA實現(xiàn).傳統(tǒng)的DDC通過數(shù)字混頻、濾波、抽取實現(xiàn)數(shù)字下變頻,在高速A/D和電子偵察環(huán)境條件下商用DDC不能使用.該文采用濾波器多相分解方法,按數(shù)字混頻序列劃分調(diào)諧信道,使用先抽取,后低通濾波,再混頻的數(shù)字下變頻結(jié)構(gòu),高效實現(xiàn)了變載頻帶通信號數(shù)字下變頻.結(jié)合多相濾波下變頻結(jié)構(gòu)、算法對測頻精度及速度的要求,提出了短數(shù)據(jù)快速測頻算法的具體實現(xiàn),使用流水線的設(shè)計方法,提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率,在盡可能短的時間內(nèi)提供多相濾波下變頻所需的載頻位置信息.以上兩部分的FPGA實現(xiàn)除了純粹的算法模塊外,還包括測試用的外圍模塊,以及運行于實驗平臺上的控制模塊、緩存、數(shù)據(jù)控制等.這些模塊也用FPGA來實現(xiàn).

標簽： FPGA 寬帶 實驗 射頻

上傳時間： 2013-06-22

上傳用戶：haoxiyizhong