Mpeg-2是Mpeg組織在1994年為了高級工業標準的圖象質量以及更高的傳輸率所提出的視頻編碼標準，其優秀性使之成為過去十年應用最為廣泛的標準，也是未來十年影響力最為廣泛的標準之一。 本文以Mpeg-2視頻標準為研究內容，建立系統級設計方案，設計FPGA原型芯片，并在FPGA系統中驗證視頻解碼芯片的功能。最后在0.18微米工藝下實現ASIC的前端設計。完成的主要工作包括以下幾個方面： 1.完成解碼系統的體系結構的設計，采用了自頂而下的設計方法，實現系統的功能單元的劃分；根據其視頻解碼的特點，確定解碼器的控制方式；把視頻數據分文幀內數據和幀間數據，實現兩種數據的并行解碼。 2.實現了具體模塊的設計：根據本文研究的要求，在比特流格式器模塊設計中提出了特有的解碼方式；在可變長模塊中的變長數據解碼采用組合邏輯外加查找表的方式實現，大大減少了變長數據解碼的時間；IQ、IDCT模塊采用流水的設計方法，減少數據計算的時間：運動補償模塊，針對模塊數據運算量大和訪問幀存儲器頻繁的特點，采用四個插值單元同時處理，增加像素緩沖器，充分利用并行性結構等方法來加快運動補償速度。 3.根據視頻解碼的參考軟件，通過解碼系統的仿真結果和軟件結果的比較來驗證模塊的功能正確性。最后用FPGA開發板實現了解碼系統的原型芯片驗證，取得了良好的解碼效果。 整個設計采用Verilog HDL語言描述，通過了現場可編程門陣列(FPGA)的原型驗證，并采用SIMC0.18μm工藝單元庫完成了該電路的邏輯綜合。經過實際視頻碼流測試，本文設計可以達到Mpeg-2視頻主類主級的實時解碼的技術要求。
上傳時間： 2013-07-27
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MP3音樂是目前最為流行的音樂格式，因其音質、復雜度與壓縮比的完美折中，占據著廣闊的市場，不僅在互聯網上廣為流傳，而且在便攜式設備領域深受人們喜愛。本文以Mpeg-1的MP3音頻解碼器為研究對象，在實時性、面積等約束條件下，研究MP3解碼電路的設計方法，實現FPGA原型芯片，研究MP3原型芯片的驗證方法。 論文的主要貢獻如下： (1)使用算法融合方法合并MP3解碼過程的相關步驟，以減少緩沖區存儲單元的容量和訪存次數。如把重排序步驟融合到反量化模塊，可以減少一半的讀寫RAM操作；把IMDCT模塊內部的三個算法步驟融合在一起進行設計，可以省去存儲中間計算結果的緩存區單元。 (2)反量化、立體聲處理等模塊中，采用流水線設計技術，設置寄存器把較長的組合邏輯路徑隔開，提高了電路的性能和可靠性；使用連續訪問公共緩存技術，合理規劃各計算子模塊的工作時序，將數據計算的時間隱藏在訪存過程中；充分利用頻率線的零值區特性，有效地減少數據計算量，加快了數據處理的速度。 (3)設計了MP3硬件解碼器的FPGA原型芯片。采用Verilog HDL硬件描述語言設計RTL級電路，完成功能仿真，以Altera公司Stratix II系列的EP2S180 FPGA開發板為平臺，實現MP3解碼器的FPGA原型芯片。MP3硬件解碼器在Stratix II EP2S180器件內的資源利用率約為5％，其中組合邏輯查找表ALUT為7189個，寄存器共有4024個，系統頻率可達69.6MHz，充分滿足了MP3解碼過程的實時性要求。實驗結果表明，MP3音頻解碼FPGA原型芯片可正常播放聲音，解碼音質良好。
上傳時間： 2013-07-01
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對弓網故障的檢測是當今列車檢測的一項重要任務。原始故障視頻圖像具有極大的數據量，使實時存儲和傳輸故障視頻圖像極其困難。由于視頻的數據量相當大，需要采用先進的視頻編解碼協議進行處理，進而實現檢測現場的實時監控。 @@ H．264/AVC(Advanced Video Coding)作為Mpeg-4的第10部分，因其具有超高的壓縮效率、極好的網絡親和性，而被廣泛研究與應用。H．264/AVC采用了先進的算法，主要有整數變換、1/4像素精度插值、多模式幀間預測、抗塊效應濾波器和熵編碼等。 @@ 本文使用硬件描述語言Verilog，以紅色颶風 II開發板作為硬件平臺，在開發工具QUARTUSII 6．0和MODELSIM_SE 6．1B環境中完成軟核的設計與仿真驗證。以Altera公司的CycloneII FPGA(Field Programmable Gate Array)EP2C35F484C8作為核心芯片，實現視頻圖像采集、存儲、顯示以及實現H．264/AVC部分算法的基本系統。 @@ FPGA以其設計靈活、高速、具有豐富的布線資源等特性，逐漸成為許多系統設計的首選，尤其是與Verilog和VHDL等語言的結合，大大變革了電子系統的設計方法，加速了系統的設計進程。 @@ 本文首先分析了FPGA的特點、設計流程、verilog語言等，然后對靜態圖像及視頻圖像的編解碼進行詳細的分析，比如H．264/AVC中的變換、量化、熵編碼等：并以JM10．2為平臺，運用H．264/AVC算法對視頻序列進行大量的實驗，對不同分辨率、量化步長、視頻序列進行編解碼以及對結果進行分析。接著以紅色颶風II開發板為平臺，進行視頻圖像的采集存儲、顯示分析，其中詳細分析了SAA7113的配置、CCD信號的A/D轉換、I2C總線、視頻的數字化ITU-R BT．601標準介紹及視頻同步信號的獲取、基于SDRAM的視頻幀存儲、VGA顯示控制設計；最后運用verilog語言實現H．264/AVC部分算法，并進行功能仿真，得到預計的效果。 @@ 本文實現了整個視頻信號的采集存儲、顯示流程，詳細研究了H．264/AVC算法，并運用硬件語言實現了部分算法，對視頻編解碼芯片的設計具有一定的參考價值。 @@關鍵詞：FPGA；H．264/AVC；視頻；verilog；編解碼
上傳時間： 2013-04-24
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H.264/AVC是國際電信聯盟與國際標準化組織/國際電工委員會聯合推出的活動圖像編碼標準，簡稱H.264。作為最新的國際視頻編碼標準，H.264/AVC與Mpeg-4、H.263等視頻編碼標準相比，性能有了很大的提高，并已在流媒體、數字電視、電話會議、視頻存儲等諸多領域得到廣泛的應用。 本論文的研究課題是基于H.264/AVC視頻編碼標準的CAVLC(Context-based Adaptive Variable Length Coding，基于上下文的自適應可變長編碼)編碼算法研究及FPGA實現。對于變換后的熵編碼，H.264/AVC支持兩種編碼模式：基于上下文的可變長編碼(CAVLC)和基于上下文的自適應算術編碼(CABAC，Context-based Adaptive BinaryArithmetic Coding)。在H.264/AVC中，盡管CAVLC算法也是采用了VLC編碼，但是同以往標準不同，它所有的編碼都是基于上下文進行。這種方法比傳統的查單一表的方法提高了編碼效率，但也增加了設計上的困難。 作者在全面學習H.264/AVC協議和深入研究CAVLC編碼算法的基礎上，確定了并行編碼的CAVLC編碼器結構框圖，并總結出了影響CAVLC編碼器實現的瓶頸。針對這些瓶頸，對CAVLC編碼器中的各個功能模塊進行了優化設計，這些優化設計包括多參考塊的表格預測法、快速查找表法、算術消除法等。最后，用Verilog硬件描述語言對所設計的CAVLC編碼器進行了描述，用EDA軟件對其主要功能模塊進行了仿真，并在Cyclone II系列EP2C20F484的FPGA上驗證了它們的功能。結果表明，該CAVLC編碼器各編碼單元的編碼速度得到了顯著提高且均能滿足實時通信要求，為整個CAVLC編碼器的實時通信提供了良好的基礎。
上傳時間： 2013-06-22
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在數字電視系統中，Mpeg-2編碼復用器是系統傳輸的核心環節，所有的節目、數據以及各種增值服務都是通過復用打包成傳輸流傳輸出去。目前，只有少數公司掌握復用器的核心算法技術，能夠采用Mpeg-2可變碼率統計復用方法提高帶寬利用率，保證高質量圖像傳輸。由于目前正處廣播電視全面向數字化過渡期間，市場潛力巨大，因此對復用器的研究開發非常重要。本文針對復用器及其接口技術進行研究并設計出成形產品。 文中首先對Mpeg-2標準及NIOS Ⅱ軟核進行分析。重點研究了復用器中的部分關鍵技術：PSI信息提取及重構算法、PID映射方法、PCR校正及CRC校驗算法，給出了實現方法，并通過了硬件驗證。然后對復用器中主要用到的AsI接口和DS3接口進行了分析與研究，給出了設計方法，并通過了硬件驗證。 本文的主要工作如下： ●首先對復用器整體功能進行詳細分析，并劃分軟硬件各自需要完成的功能。給出復用器的整體方案以及ASI接口和DS3接口設計方案。 ●在FPGA上采用c語言實現了PSI信息提取與重構算法。 ●給出了實現快速的PID映射方法，并根據FPGA特點給出一種新的PID映射方法，減少了邏輯資源的使用，提高了穩定性。 ●采用Verilog設計了SI信息提取與重構的硬件平臺，并用c語言實現了SDT表的提取與重構算法，在FPGA中成功實現了動態分配內存空間。 ●在FPGA上實現了．ASI接口，主要分析了位同步的實現過程，實現了一種新的快速實現字節同步的設計。 ●在FPGA上實現了DS3接口，提出并實現了一種兼容式DS3接口設計。并對幀同步設計進行改進。 ●完成部分PCB版圖設計，并進行調試監測。 本復用器設計最大特點是將軟件設計和硬件設計進行合理劃分，硬件平臺及接口采用Verilog語言實現，PSI信息算法主要采用c語言實現。這種軟硬件的劃分使系統設計更加靈活，且軟件設計與硬件設計可同時進行，極大的提高了工作效率。 整個項目設計采用verilog和c兩種語言完成，采用Altera公司的FPGA芯片EP1C20，在Quartus和NIOS IDE兩種設計平臺下設計實現。根據此方案已經開發出兩臺帶有ASI和DS3接口的數字電視TS流復用器，經測試達到了預期的性能和技術指標。
上傳時間： 2013-08-03
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近年來，隨著多媒體技術的迅猛發展，電子、計算機、通訊和娛樂之間的相互融合、滲透越來越多，而數字音頻技術則是應用最為廣泛的技術之一。MP3(Mpeg-1 Audio LayerⅢ)編解碼算法作為數字音頻的解決方案，在便攜式多媒體產品中得到了廣泛流行。 在已有的便攜式MP3系統實現方案中，低速處理器與專用硬件結合的SOC設計方案結合了硬件實現方式和軟件實現方式的優點，具有成本低、升級容易、功能豐富等特點。IMDCT(反向改進離散余弦變換)是編解碼算法中一個運算量大調用頻率高的運算步驟，因此適于硬件實現，以降低處理器的開銷和功耗，來提高整個系統的性能。 本文首先闡述了MP3音頻編解碼標準和流程，以及IMDCT常用的各種實現算法。在此基礎上選擇了適于硬件實現的遞歸循環實現方法，并在已有算法的基礎上進行了改進，減小了所需硬件資源需求并保持了運算速度。接著提出了模塊總體設計方案，結合算法進行了實現結構的優化，并在EDA環境下具體實現，用硬件描述語言設計、綜合、仿真，且下載到Xilinx公司的VirtexⅡ系列xc2v1000FPGA器件中，在減小硬件資源的同時快速地實現了IMDCT，經驗證功能正確。
上傳時間： 2013-05-31
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H.264/AVC是由ITU和ISO兩大組織聯合組成的JVT共同制定的一項新的視頻壓縮技術標準，在較低帶寬上提供高質量的圖像傳輸是H.264/AVC的應用亮點。在同樣的視覺質量前提下，H.264/AVC比H.263和Mpeg-4節約了50％的碼率。但H.264獲得優越性能的代價是計算復雜度的增加，據估計其編碼的計算復雜度大約為H.263的3倍，因此很難應用于實時視頻處理領域。針對這一現狀，業內做了大量的研究工作，力圖降低其計算復雜度和提高運行效率。比如在運動估計方面，國內外在這方面的研究已經很成熟。而針對幀內/幀間預測編碼的研究卻較少。因此研究預測模式的快速算法具有理論意義和應用價值。 本文在詳細研究H.264標準視頻壓縮編碼特點基礎上，分析了H.264幀內編碼, 幀間編碼及變換，量化技術的原理及特點，提出了一種基于局部邊緣方向信息的快速幀內模式判決算法，通過結合SAD的模式選擇方法來減少模式選擇數目。它采用了Sobel梯度算子計算當前塊的邊緣信息，累加當前塊中屬于同一方向像素點的邊緣矢量構造不同模式下的邊緣方向直方圖，以便確定最可能的預測模式。該算法有效降低了編碼器的運算復雜度，在并未顯著降低編碼性能的情況下提升了編碼器效率。仿真表明：Foreman 圖像序列編碼性能有了提高，其中PSNR平均降低了0.06dB，Bitrate平均降低了19.4％，這大大提高了視頻傳輸的質量。 另外在幀間預測模式選擇算法方面進行了改進研究：按順序對不同類型進行判決，有選擇地去比較可能模式，使得在有效減少需判決的模式數量的同時，結合小塊模式搜索中途停止準則來確定最優模式。仿真表明：改進算法相對與原來算法能夠節省很多的編碼時間（平均下降了49.3％），但帶來的圖像質星的下降（平均下降0.08dB,可以忽略）和碼率較少的增加。 同時在整數DCT變換模塊中，提出了一種快速蝶形算法，使得對4×4點數據做一次變換，只需通過8×8次加法和2×8次移位運算便可完成，與原來12×8次加法和4×8次移位相比，新算法大大降低了運算復雜度。 最后介紹FPGA的特點及設計流程，并實現了H.264編解碼器中變換編碼及量化和熵解碼模塊的硬件。這種基于FPGA所實現的H.264編碼視頻處理模塊設計具備了成本低，周期短，設計方法靈活等優點，具有廣闊的市場應用前景。 仿真表明，通過使用本文提出的幀內/幀間速算法方法可使得H.264編碼速度獲得顯著的提高，使H.264 Baseline編碼器能在PC平臺上實現實時編碼。
上傳時間： 2013-07-18
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當前我國正處在從模擬電視系統向數字電視系統的轉型期，數字電視用戶數量激增，其趨勢是在未來的幾年內數字電視將迅速普及。在應用逐漸廣泛的數字電視系統中，監控數字電視服務正成為一種越來越迫切的需要。然而，目前對于數字電視并沒有合適的監測儀器，因此無法及時方便地診斷出現問題的信號以及隔離需要維修的數字化設備。通常只有當電視屏幕上的圖像消失時我們才知道數字信號系統出了問題。幾乎沒有任何線索可以用來找到問題的所在或原因，碼流分析儀器在這種情況下應運而生。目前在數字電視系統的前端，通過監控了解數字視頻廣播(DVB)信號和服務的狀況從而采取措施比通過觀眾的反映而采取措施要主動和及時得多。傳輸流(TS)的測試設備可使技術人員分析碼流的內部情況，它們在決定未來服務質量和客戶滿意度方面將扮演更重要的角色。 本文著重研究了在DVB廣播電視系統中，DVB-ASI信號的解碼、Mpeg-2TS的實時檢錯原理和基于現場可編輯門陣列(FPGA)的實現方法。文章首先闡述了數字電視系統的一些基本概念，介紹了Mpeg-2/DVB標準、ETR101 290標準、異步串行接口(ASI)。然后介紹了FPGA的基本概念與開發FPGA所使用的軟件工具。最后根據DVB-ASI接收系統的解碼規則與Mpeg-2TS碼流的結構提出了一套基于FPGA的Mpeg-2TS碼流實時分析與檢測系統設計方案并予以了實現。 在本系統中，FPGA起著核心的作用，主要完成DVB-ASI的解碼、Mpeg-2TS碼流檢錯、以及數字電視節目專有信息(PSI)提取等功能。本文實現的系統與傳統的碼流分析儀相比具有集成度較高、易擴展、便于攜帶、穩定性好、性價比高等優點。
上傳時間： 2013-06-04
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離散余弦變換(DCT)及其反變換(IDCT)在圖像編解碼方面應用十分廣泛，至今已被JPEG、Mpeg-1、Mpeg-2、Mpeg-4和H.26x等國際標準所采用。由于其計算量較大，軟件實現往往難以滿足實時處理的要求，因而在很多實際應用中需要采用硬件設計的DCT/IDCT處理電路來滿足我們對處理速度的要求。本文所研究的內容就是針對圖像處理應用的8×8二維DCT/IDCT處理核的硬件實現。 本文首先介紹了DCT和IDCT在圖像處理中的作用和原理，詳細說明了DCT變換實現圖像壓縮的過程，并與其它變換比較說明了用DCT變換實現圖像壓縮的優勢。接著，分析研究了DCT的各種快速算法，總結了前人對DCT快速算法及其實現所做的研究。本文給出了兩種性能、資源上有一定差異的二維DCT/IDCT的FPGA設計方案。兩種方案均利用DCT的行列分離特性，采用流水線設計技術，將二維DCT/IDCT實現轉化為兩個一維DCT/IDCT實現。在一維DCT/IDCT設計中，根據圖像處理的特點對Loeffler算法的數據流進行了優化，通過合理安排時鐘周期數和簡化各周期內的操作，大大縮短了關鍵路徑的執行時間，從而提高了流水線的執行速度。最后，對所設計的DCT/IDCT處理核進行了綜合和時序仿真。 結果表明，當使用Altera公司的MERCURY系列FPGA器件時，本文設計的方案一能夠在116M時鐘頻率下正確完成8×8的二維DCT或IDCT的邏輯運算，消耗2827個邏輯單元；方案二能夠在74M時鐘頻率下正常工作，消耗1629個邏輯單元。
上傳時間： 2013-07-14
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數字電視近年來飛速發展，它最終取代模擬電視是一個必然趨勢?？删幊踢壿嫾夹g以及EDA技術的升溫也帶來了電子系統設計的巨大變革。本論文將迅速發展的FPGA技術應用于數字電視系統中，研究探討了數字電視前端系統中的關鍵設備——傳輸流復用器的FPGA建模和實現，以及相關的關鍵技術。本論文首先介紹了數字電視的發展現狀和前景，概述了數字電視前端系統的組成結構與關鍵技術，以及可編程邏輯技術的發展和優勢。然后介紹了數字電視系統中的重要標準Mpeg-2以及傳輸流復用器的原理和系統結構，并且從理論上闡述了復用器設計的關鍵技術：PSI重組和PCR調整。接著詳細說明了如何運用創新思路，采用獨特的硬件架構在一片FPGA上實現整個復用器的軟件和硬件系統的方案，并且舉例說明了復用器硬件邏輯設計中所運用的幾個FPGA設計技巧。最后對本文進行總結，并提出了數字電視系統中復用器設備未來發展的設想。本文中介紹的基于SOPC的硬件復用器設計方案，將系統的軟件和硬件集成在一款Altera公司新推出的低成本高密度cyclone系列FPGA上，并且將FPGA設計技巧運用于復用器的硬件邏輯設計中。整個設計方案不但簡化了系統設計，而且實現了穩定，高速，低成本，可擴展性強的復用器系統。
上傳時間： 2013-06-02
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