H.264/AVC是ITU-T和ISO聯(lián)合推出的新標準,采用了近幾年視頻編碼方面的先進技術,以較高編碼效率和網(wǎng)絡友好性成為新一代國際視頻編碼標準。 本文以實現(xiàn)D1格式的H.264/AVC實時編碼器為目標,作者負責系統(tǒng)架構設計,軟硬件劃分以及部分模塊的硬件算法設計與實現(xiàn)。通過對H.264/AVC編碼器中主要模塊的算法復雜度的評估,算法特點的分析,同時考慮到編碼器系統(tǒng)的可伸縮性,可擴展性,本文采用了DSP+FPGA的系統(tǒng)架構。DSP充當核心處理器,而FPGA作為協(xié)處理器,針對編碼器中最復雜耗時的模塊一運動估計模塊,設計相應的硬件加速引擎,以提供編碼器所需要的實時性能。 H.264/AVC仍基于以前視頻編碼標準的運動補償混合編碼方案,其中一個主要的不同在于幀間預測采用了可變塊尺寸的運動估計,同時運動向量精度提高到1/4像素。更小和更多形狀的塊分割模式的采用,以及更加精確的亞像素位置的預測,可以改善運動補償精度,提高圖像質(zhì)量和編碼效率,但同時也大大增加了編碼器的復雜度,因此需要設計專門的硬件加速引擎。 本文給出了1/4像素精度的運動估計基于FPGA的硬件算法設計與實現(xiàn),包括整像素搜索,像素插值,亞像素(1/2,1/4)搜索以及多模式選擇(支持全部七種塊分割模式)。設計中,將多處理器技術和流水線技術相結(jié)合,提供高性能的并行計算能力,同時,采用合理的存儲器組織結(jié)構以提供高數(shù)據(jù)吞吐量,滿足運算的帶寬要求,并使編碼器具有較好的可伸縮性。最后,在Modelsim環(huán)境下建立測試平臺,完成了對整個設計的RTL級的仿真驗證,并針對Altera公司的FPGA芯片stratixⅡ系列的EP2S60-4器件進行優(yōu)化,從而使工作頻率最終達到134MHz,分析數(shù)據(jù)表明該模塊能夠滿足編碼器的實時性要求。
上傳時間: 2013-07-24
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文章開篇提出了開發(fā)背景。認為現(xiàn)在所廣泛應用的開關電源都是基于傳統(tǒng)的分立元件組成的。它的特點是頻率范圍窄、電力小、功能少、器件多、成本較高、精度低,對不同的客戶要求來“量身定做”不同的產(chǎn)品,同時幾乎沒有通用性和可移植性。在電子技術飛速發(fā)展的今天,這種傳統(tǒng)的模擬開關電源已經(jīng)很難跟上時代的發(fā)展步伐。 隨著DSP、ASIC等電子器件的小型化、高速化,開關電源的控制部分正在向數(shù)字化方向發(fā)展。由于數(shù)字化,使開關電源的控制部分的智能化、零件的共通化、電源的動作狀態(tài)的遠距離監(jiān)測成為了可能,同時由于它的智能化、零件的共通化使得它能夠靈活地應對不同客戶的需求,這就降低了開發(fā)周期和成本。依靠現(xiàn)代數(shù)字化控制和數(shù)字信號處理新技術,數(shù)字化開關電源有著廣闊的發(fā)展空間。 在數(shù)字化領域的今天,最后一個沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領域。近年來,數(shù)字電源的研究勢頭與日俱增,成果也越來越多。雖然目前中國制造的開關電源占了世界市場的80%以上,但都是傳統(tǒng)的比較低端的模擬電源。高端市場上幾乎沒有我們份額。 本論文研究的主要內(nèi)容是在傳統(tǒng)開關電源模擬調(diào)節(jié)器的基礎上,提出了一種新的數(shù)字化調(diào)節(jié)器方案,即基于DSP和FPGA的數(shù)字化PID調(diào)節(jié)器。論文對系統(tǒng)方案和電路進行了較為具體的設計,并通過測試取得了預期結(jié)果。測試證明該方案能夠適合本行業(yè)時代發(fā)展的步伐,使系統(tǒng)電路更簡單,精度更高,通用性更強。同時該方案也可用于相關領域。 本文首先分析了國內(nèi)外開關電源發(fā)展的現(xiàn)狀,以及研究數(shù)字化開關電源的意義。然后提出了數(shù)字化開關電源的總體設計框圖和實現(xiàn)方案,并與傳統(tǒng)的開關電源做了較為詳細的比較。本論文的設計方案是采用DSP技術和FPGA技術來做數(shù)字化PID調(diào)節(jié),通過數(shù)字化PID算法產(chǎn)生PWM波來控制斬波器,控制主回路。從而取代傳統(tǒng)的模擬PID調(diào)節(jié)器,使電路更簡單,精度更高,通用性更強。傳統(tǒng)的模擬開關電源是將電流電壓反饋信號做PID調(diào)節(jié)后--分立元器件構成,采用專用脈寬調(diào)制芯片實現(xiàn)PWM控制。電流反饋信號來自主回路的電流取樣,電壓反饋信號來自主回路的電壓采樣。再將這兩個信號分別送至電流調(diào)節(jié)器和電壓調(diào)節(jié)器的反相輸入端,用來實現(xiàn)閉環(huán)控制。同時用來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性及實現(xiàn)系統(tǒng)的過流過壓保護、電流和電壓值的顯示。電壓、電流的給定信號則由單片機或電位器提供。再次,文章對各個模塊從理論和實際的上都做了仔細的分析和設計,并給出了具體的電路圖,同時寫出了軟件流程圖以及設計中應該注意的地方。整個系統(tǒng)由DSP板和ADC板組成。DSP板完成PWM生成、PID運算、環(huán)境開關量檢測、環(huán)境開關量生成以及本地控制。ADC板主要完成前饋電壓信號采集、負載電壓信號采集、負載電流信號采集、以及對信號的一階數(shù)字低通濾波。由于整個系統(tǒng)是閉環(huán)控制系統(tǒng),要求采樣速率相當高。本系統(tǒng)采用FPGA來控制ADC,這樣就避免了高速采樣占用系統(tǒng)資源的問題,減輕了DSP的負擔。DSP可以將讀到的ADC信號做PID調(diào)節(jié),從而產(chǎn)生PWM波來控制逆變橋的開關速率,從而達到閉環(huán)控制的目的。 最后,對數(shù)字化開關電源和模擬開關電源做了對比測試,得出了預期結(jié)論。同時也提出了一些需要改進的地方,認為該方案在其他相關行業(yè)中可以廣泛地應用。模擬控制電路因為使用許多零件而需要很大空間,這些零件的參數(shù)值還會隨著使用時間、溫度和其它環(huán)境條件的改變而變動并對系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應能力造成負面影響。數(shù)字電源則剛好相反,同時數(shù)字控制還能讓硬件頻繁重復使用、加快上市時間以及減少開發(fā)成本與風險。在當前對產(chǎn)品要求體積小、智能化、共通化、精度高和穩(wěn)定度好等前提條件下,數(shù)字化開關電源有著廣闊的發(fā)展空間。本系統(tǒng)來基本上達到了設計要求。能夠滿足較高精度的設計要求。但對于高精度數(shù)字化電源,系統(tǒng)還有值得改進的地方,比如改進主控器,提高參考電壓的精度,提高采樣器件的精度等,都可以提高系統(tǒng)的精度。 本系統(tǒng)涉及電子、通信和測控等技術領域,將數(shù)字PID算法與電力電子技術、通信技術等有機地結(jié)合了起來。本系統(tǒng)的設計方案不僅可以用在電源控制器上,只要是相關的領域都可以采用。
上傳時間: 2013-06-21
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頻率合成技術廣泛應用于通信、航空航天、儀器儀表等領域。目前,常用的頻率合成技術有直接式頻率合成、鎖相頻率合成和直接數(shù)字頻率合成(DDS)。DDS系統(tǒng)可以很方便地獲得頻率分辨率很精細且相位連續(xù)的信號,也可以通過改變相位字改變信號的相位,因此也廣泛用于數(shù)字通信領域。 本論文是利用FPGA完成一個DDS系統(tǒng)。DDS是把一系列數(shù)字量形式的信號通過D/A轉(zhuǎn)換形成模擬量形式的信號的合成技術。主要是利用高速存儲器作查尋表,然后通過高速D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生已經(jīng)用數(shù)字形式存入的正弦波(或其他任意波形)。一個典型的DDS系統(tǒng)應包括:相位累加器,可在時鐘的控制下完成相位的累加(一般由ROM實現(xiàn));DA轉(zhuǎn)換電路,將數(shù)字形式的幅度碼轉(zhuǎn)換成模擬信號。 本文根據(jù)設計指標,進行了DDS系統(tǒng)分析和設計,包括DDS系統(tǒng)框圖的設計,相位控制字和頻率控字的設計,以及軟件和硬件設計,重點在于利用FPGA改進設計,包括控制系統(tǒng)(頻率控制器和初始相位控制器),尋址系統(tǒng)(相位累加器和數(shù)據(jù)存儲器),以及轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(D/A轉(zhuǎn)換器和濾波器)的設計。介紹了利用現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)實現(xiàn)數(shù)控振蕩器(DNO,即DDS)的原理、電路結(jié)構,重點介紹了DDS技術在FPGA中的實現(xiàn)方法,給出了采用ALTERA公司的FIEX1OK系列FPGA芯片EPF10K20TC144-4芯片進行直接數(shù)字頻率合成的VHDL源程序。
上傳時間: 2013-04-24
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在傳統(tǒng)的電力電子電路中,DC/DC變換器通常采用模擬電路實現(xiàn)電壓或電流的控制。數(shù)字控制與模擬控制相比,有著顯著的優(yōu)點,數(shù)字控制可以實現(xiàn)復雜的控制策略,同時大大提高系統(tǒng)的可靠性和靈活性,并易于實現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。但目前數(shù)字控制基本上限于電力傳動領域,DC/DC變換器由于其開關頻率較高,一般其外圍功能由DSP或微處理器完成,而控制的核心,如PWM發(fā)生等大多采用專用控制芯片實現(xiàn)。FPGA由于其快速性、靈活性及保密性等優(yōu)點,近年來在數(shù)字控制領域受到越來越多的關注。基于FPGA的DC/DC變換器是電力電子領域重要的研究方向之一。本文研究了同步Buck變換器的建模、設計及仿真,采用Xinlix的VIRTEX-Ⅱ PRO FPGA開發(fā)板實現(xiàn)了Buck變換器的全數(shù)字控制。 論文首先從Buck變換器的理論分析入手,根據(jù)它的物理特性,研究了該變換器的狀態(tài)空間平均模型和小信號分析。為了獲得高性能的開關電源,提出并分析了混雜模型設計方案,然后進行了控制器設計。并采用MATLAB/SIMULINK建立了同步Buck電路的仿真模型,并進行仿真研究。浮點仿真的運算精度與溢出問題,影響了仿真的精度。為了克服這些不足,作者采用了定點仿真方法,得到了滿意的仿真結(jié)果。論文還著重論述了開關電源的數(shù)字控制器部分,數(shù)字控制器一般由三個主要功能模塊組成:模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字脈寬調(diào)制器(Digital PulseWidth Modulation:DPWM)和數(shù)字補償器。文中重點研究了DPWM和數(shù)字補償器,闡述了目前高頻數(shù)字控制變換器中存在的主要問題,特別是高頻狀態(tài)下DPWM分辨率較低,影響控制精度,甚至引起極限環(huán)(Limit Cycling)現(xiàn)象,對DPWM分辨率的提高與系統(tǒng)硬件工作頻率之間的矛盾、DPWM分辨率與A/D分辨率之間的關系等問題作了全面深入的分析。論文提出了一種新的提高DPWM分辨率的方法,該方法在不提高系統(tǒng)硬件頻率的前提下,采用軟件使DPWM的分辨率大大提高。作者還設計了兩種數(shù)字補償器,并進行了分析比較,選擇了合適的補償算法,達到了改善系統(tǒng)性能的目的。 設計完成后,作者使用ISE 9.1i軟件進行了FPGA實現(xiàn)的前、后仿真,驗證了所提出理論及控制算法的正確性。作者完成了Buck電路的硬件制作及基于FPGA的軟件設計,采用32MHz的硬件晶振實現(xiàn)了11-bit的DPWM分辨率,開關頻率達到1MHz,得到了滿意的系統(tǒng)性能,論文最后給出了仿真和實驗結(jié)果。
上傳時間: 2013-07-23
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本論文設計了一種基于FPGA的高速FIR數(shù)字濾波器,濾波器實現(xiàn)低通濾波,截止頻率為1MHz,通帶波紋小于1 dB,阻帶最大衰減為-40 dB,輸入輸出數(shù)據(jù)為8位二進制,采樣頻率為10MHz。 論文首先簡要介紹了數(shù)字濾波器的基本原理和線性FIR數(shù)字濾波器的性質(zhì)、結(jié)構,根據(jù)濾波器的性能要求選擇窗函數(shù)、確定系數(shù),在算法上為了滿足數(shù)字濾波器的要求,對系數(shù)放大512倍并取整,并用Matlab對數(shù)字濾波器原理進行了證明。同時簡述了EDA技術和FPGA設計流程。 其次,論文說明了FIR數(shù)字濾波器模塊的劃分,并用Verilog語言在Modelsim環(huán)境下進行了功能測試。對于數(shù)字濾波器系數(shù)中的-1,-2,4這些簡單的系數(shù)乘法直接進行移位和取反,可以極大的節(jié)省資源和優(yōu)化設計。而對普通系數(shù)乘法采用4-BANT(4bits-at-a-time)的并行算法,用加法累加快速實現(xiàn)了乘積的運算;另外,在本設計進行部分積累加時,采用舍取冗余位,主要是根據(jù)設計時已對系數(shù)進行了放大,而輸出時又要將結(jié)果相應的縮小,所以在累加時,提前對部分積縮小,從而減少了運算量,從時間和資源上都得到了優(yōu)化。 論文的最后分別用Modelsim和Quartus II進行了FIR數(shù)字濾波器的前仿真和后仿真,將仿真的結(jié)果和Matlab中原理驗證時得到的理想值進行了比較,并對所產(chǎn)生的誤差進行了分析。仿真結(jié)果表明:本16階FIR數(shù)字濾波器設計能夠?qū)崿F(xiàn)截止頻率為1MHz的低通濾波,并且工作頻率可達150MHz以上。
上傳時間: 2013-07-15
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偏移正交相移鍵控(OQPSK:Offset Quadrature Phase Shift Keying)調(diào)制技術是一種恒包絡調(diào)制技術,具有頻譜利用率高、頻譜特性好等特點,廣泛應用于衛(wèi)星通信和移動通信領域。 論文以某型偵收設備中OQPSK解調(diào)器的全數(shù)字化為研究背景,設計并實現(xiàn)了基于FPGA的全數(shù)字OQPSK調(diào)制解調(diào)器,其中調(diào)制器主要用于仿真未知信號,作為測試信號源。論文研究了全數(shù)字OQPSK調(diào)制解調(diào)的基本算法,包括成形濾波器、NCO模型、載波恢復、定時恢復等;完成了整個調(diào)制解調(diào)算法的MATLAB仿真。在此基礎上,采用VHDL硬件描述語言在Xilinx公司ISE7.1開發(fā)環(huán)境下設計并實現(xiàn)了各個算法模塊,并在硬件平臺上加以實現(xiàn)。通過實際現(xiàn)場測試,實現(xiàn)了對所偵收信號的正確解調(diào)。論文還實現(xiàn)了解調(diào)器的百兆以太網(wǎng)接口,使得系統(tǒng)可以方便地將解調(diào)數(shù)據(jù)發(fā)送給計算機進行后續(xù)處理。
標簽: OQPSK FPGA 調(diào)制解調(diào)器
上傳時間: 2013-05-19
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光纖水聽器自問世以來,在巨大的軍事價值和民用價值推動下得到了迅速發(fā)展,已逐漸從實驗室研究階段走向工程應用。同時隨著光纖水聽器的不斷發(fā)展,對水聲信號的檢測技術以及數(shù)字處理能力也提出了新的要求。論文在此背景下開展了一系列研究工作,并提出了利用FPGA(Field ProgrammableGate Array,現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)光纖3×3耦合器解調(diào)算法的新思路。 目前干涉型光纖水聽器的解調(diào)一般采用PGC(Phase Generated Carrier,相位生成載波技術)技術和基于3×3光纖耦合器干涉的解調(diào)技術。PGC技術在解調(diào)過程中引入了載波信號,它對采樣率,激光器等的要求都較高,因此我們把目光投向3×3耦合器解調(diào)技術,文中對其解調(diào)原理進行了闡述,對采樣率的確定進行了討論,并對3×3耦合器三路輸出不對稱的情況進行了分析,最后在本文的結(jié)論部分提出了基于3×3耦合器解調(diào)的改良方案。 目前,光纖信號數(shù)字化解調(diào)的硬件實現(xiàn)采用DSP(Digital Signal Process,可編程數(shù)字信號處理器)信號處理機,與之相比,F(xiàn)PGA解調(diào)具有速度快、資源占用少、易于擴展等優(yōu)勢。本文對FPGA與DSP、ASIC(application-specificintegrated circuit,專用集成電路)實現(xiàn)方案進行了對比,分析了適合利用FPGA實現(xiàn)的算法所應具備的特征;介紹了3×3耦合器解調(diào)算法中各個模塊的設計情況;分析了系統(tǒng)的工作情況,硬件的構造及芯片的選擇,最后驗證了利用FPGA可以實現(xiàn)3×3耦合器解調(diào)算法。
標簽: 干涉型 光纖水聽器 信號解調(diào) 方法研究
上傳時間: 2013-07-03
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遙感圖像在人類生活和軍事領域的應用日益廣泛,適合各種要求的遙感圖像編碼技術具有重要的現(xiàn)實意義。基于小波變換的內(nèi)嵌編碼技術已成為當前靜止圖像編碼領域的主流,其中就包括基于分層樹集合分割排序(Set Partitioning inHierarchical Trees,SPIHT)的內(nèi)嵌編碼算法。這種算法具有碼流可隨機獲取以及良好的恢復圖像質(zhì)量等特性,因此成為實際應用中首選算法。隨著對圖像編碼技術需求的不斷增長,尤其是在軍事應用領域如衛(wèi)星偵察等方面,這種編碼算法亟待轉(zhuǎn)換為可應用的硬件編碼器。 在靜止圖像編碼領域,高性能的圖像編碼器設計一直是相關研究人員不懈追求的目標。本文針對靜止圖像編碼器的設計作了深入研究,并致力于高性能的圖像編碼算法實現(xiàn)結(jié)構的研究,提出了具有創(chuàng)新性的降低計算量、存儲量,提高壓縮性能的算法實現(xiàn)結(jié)構,并成功應用于圖像編碼硬件系統(tǒng)中。這個方案還支持壓縮比在線可調(diào),即在不改變硬件框架的條件下可按用戶要求實現(xiàn)16倍到2倍的壓縮,以適應不同的應用需求。本文所做的工作包括了兩個部分。 1.一種基于行的實時提升小波變換實現(xiàn)結(jié)構:該結(jié)構同時處理行變換和列變換,并且在圖像邊界采用對稱擴展輸出邊界數(shù)據(jù),使得圖像小波變換時間與傳統(tǒng)的小波變換相比提高了將近2.6倍,提高了硬件系統(tǒng)的實時性。該結(jié)構還合理地利用和調(diào)度內(nèi)部緩沖器,不需要外部緩沖器,大大降低了硬件系統(tǒng)對存儲器的要求。 2.一種采用左遍歷的比特平面并行SPIHT編碼結(jié)構:在該編碼結(jié)構中,空間定位生成樹采用深度優(yōu)先遍歷方式,比特平面同時處理極大地提高了編碼速度。
上傳時間: 2013-06-17
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可靠通信要求消息從信源到信宿盡量無誤傳輸,這就要求通信系統(tǒng)具有很好的糾錯能力,如使用差錯控制編碼。自仙農(nóng)定理提出以來,先后有許多糾錯編碼被相繼提出,例如漢明碼,BCH碼和RS碼等,而C。Berrou等人于1993年提出的Turbo碼以其優(yōu)異的糾錯性能成為通信界的一個里程碑。 然而,Turbo碼迭代譯碼復雜度大,導致其譯碼延時大,故而在工程中的應用受到一定限制,而并行Turbo譯碼可以很好地解決上述問題。本論文的主要工作是通過硬件實現(xiàn)一種基于幀分裂和歸零處理的新型并行Turbo編譯碼算法。論文提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器解決方法,很好地解決了并行訪問存儲器沖突的問題。 本論文在現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)平臺上實現(xiàn)了一種基于幀分裂和籬笆圖歸零處理的并行Turbo編譯碼器。所實現(xiàn)的并行Turbo編譯碼器在時鐘頻率為33MHz,幀長為1024比特,并行子譯碼器數(shù)和最大迭代次數(shù)均為4時,可支持8.2Mbps的編譯碼數(shù)掘吞吐量,而譯碼時延小于124us。本文還使用EP2C35FPGA芯片設計了系統(tǒng)開發(fā)板。該開發(fā)板可提供高速以太網(wǎng)MAC/PHY和PCI接口,很好地滿足了通信系統(tǒng)需求。系統(tǒng)測試結(jié)果表明,本文所實現(xiàn)的并行Turbo編譯碼器及其開發(fā)板運行正確、有效且可靠。 本論文主要分為五章,第一章為緒論,介紹Turbo碼背景和硬件實現(xiàn)相關技術。第二章為基于幀分裂和歸零的并行Turbo編碼的設計與實現(xiàn),分別介紹了編碼器和譯碼器的RTL設計,還提出了一種基于多端口存儲器的并行子交織器和解交織器設計。第三章討論了使用NIOS處理器的SOC架構,使用SOC架構處理系統(tǒng)和基于NIOSII處理器和uC/0S一2操作系統(tǒng)的架構。第四章介紹了FPGA系統(tǒng)開發(fā)板設計與調(diào)試的一些工作。最后一章為本文總結(jié)及其展望。
上傳時間: 2013-04-24
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隨著多媒體編碼技術的發(fā)展,視頻壓縮標準在很多領域都得到了成功應用,如視頻會議(H.263)、DVD(MPEG-2)、機頂盒(MPEG-2)等等,而網(wǎng)絡帶寬的不斷提升和高效視頻壓縮技術的發(fā)展使人們逐漸把關注的焦點轉(zhuǎn)移到了寬帶網(wǎng)絡數(shù)字電視(IPTV)、流媒體等基于傳輸?shù)臉I(yè)務上來。帶寬的增加為流式媒體的發(fā)展鋪平了道路,而高效的視頻壓縮標準的出臺則是流媒體技術發(fā)展的關鍵。H.264/AVC是由國際電信聯(lián)合會和國際標準化組織共同發(fā)展的下一代視頻壓縮標準之一。新標準中采用了新的視頻壓縮技術,如多模式幀間預測、1/4像素精度預測、整數(shù)DCT變換、變塊尺寸運動補償、基于上下文的二元算術編碼(CABAC)、基于上下文的變長編碼(CAVLC)等等,這些技術的采用大大提高了視頻壓縮的效率,更有利于寬帶網(wǎng)絡數(shù)字電視(IPTV)、流媒體等基于傳輸?shù)臉I(yè)務的實現(xiàn)。 本文主要根據(jù)視頻會議應用的需要對JM8.6代碼進行優(yōu)化,目標是實現(xiàn)基于Baseline的低復雜度的CIF編碼器,并對部分功能模塊進行電路設計。在設計方法上采用自頂向下的設計方法,首先對H.264編碼器的C代碼和算法進行優(yōu)化,并對優(yōu)化后的結(jié)果進行測試比較,結(jié)果顯示在圖像質(zhì)量沒有明顯降低的情況下,H.264編碼器編碼CIF格式視頻每秒達到15幀以上,滿足了視頻會議應用的實時性要求。然后,以C模型為參考對H.264編碼器的部分功能模塊電路進行設計。采用Verilog HDL實現(xiàn)了這些模塊,并在Quartus Ⅱ中進行了綜合、仿真、驗證。主要完成了Zig-zag掃描和CAVLC模塊的設計,詳細說明模塊的工作原理和過程,然后進行多組的仿真測試,結(jié)果與C模型相應部分的結(jié)果一致,證明了設計的正確性。
上傳時間: 2013-06-11
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