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1、华中科技大学硕士学位论文 维离散余弦变换的 VLSI 实现及IP 软核设计 姓名：王智鸣 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：田金文 20050512摘要随着遥感技术的发展，航天遥感图像的分辨率和采样率也越来越高，由此带来高 分辨率遥感影像数据存储量和传输数据量随之急剧增长，数据码率高达 2000Mbps 以 上，因此必II须进行图像数据压缩。出于国家经济与安全利益的考虑，在星载信息处理系 统的核心技术上，我们必须研制具有自主知识产权的，功能强大的，功耗低，体积小， 重量轻与高可靠的星载图像处理系统芯片(SoC System on Chip)才能满足实时海量 图像数据处理的
2、要求。另一方面，SOC 开发的主要工作就是建立具有自主知识产权的 IP 核库。鉴于 DCT 变换在图像和视频信号压缩中的广泛应用。所以研究和开发具有自主知识产权的 DCT 模块，对于未来图像处理系统的 SoC 开发具有非常重要的理论和实际意义。基于以上的思路，本文首先概述了国内外各种离散余弦变化（DCT)的快速算法 及其VII 实现的硬件结构。在此基础上，提出了基于分布式算法的无乘法器全流水 线 DCT 硬件结构。利用 Verilog HDL 硬件描述语言开发了 RTL 级代码，并进行了功 能仿真。然后，本文根据 IP 软核设计的要求，将 DCTIP 软核在多种 FPGA 上进行适 配，并且综
3、合到UMC0.35um 的标准单元库上，提高了 DCT IP 核的可重用性。最后， 本文比较分析了该DCT IP 核与业界同类产品的优劣。论文的研究成果为进一步开发 IP 核库奠定了良好的基础。关键词：离散余弦变换（DCT);分布式算法；IP 核；FPGA; ASICAbstractWith the rapid development of remote-sensing technologies and the increasing demand of better Image quality, the resolution and sample rate has become higher
4、and higher. The total code rate becomes as much as 2000Mbps. So, there has been a great demand of an effective approach to compress the data. Due to national economy and security, we should develop our own powerful, low-power, small-volume and highly reliable information systems for our satellite SO
5、C.On the other hand, the main task of SOC development is to create our own IP (Intellectual Property) cores. Because the DCT has been widely used in image and video compression field, to develop a reusable DCT IP core is very important and valuable.IIIBased on the above idea, this paper summarizes t
6、he most popular DCT fast algorithms and their VLSI implementation architectures. Then，a no-multiplier, DA based, pipelined DCT hardware architecture is presented. The Verilog HDL source code is developed, and the functional simulation is completed. Afterward, according to the design requirement of I
7、P soft core, we implement this DCT IP core on several kinds of FPGAs, and map it on to UMC0.35um standard cell library, which increases the reusability of this IP core. Finally, the paper compares this DCT IP core with some industry products, which gives our future work more experiences and firm fou
8、ndation.Keywords： Discrete Cosine Transform (DCT)； Distributed Arithmetic； IP core； FPGA； ASIC独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。学位论文作者签名： 日期： 年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，艮口：学校
9、有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密，在 _年解密后适用本授权数。本论文属于不保密 0。 (请在以上方框内打 “V”）学位论文作者签名： 指导教师签名：日期： 年月日 日期： 年月日1 绪论11.1 研究背景和意义随着遥感技术的发展，卫星遥感图像数据在天文导航，洪灾预报，军事侦察，农 作物估产与病虫害防治，石油与金属矿藏资源勘察，林场与牧场管理，重大工程项目 选址与选线，水利资源开发，土地利用规划，环境监护以及地图绘制
10、等各个领域发挥 了越来越大的作用，但是，由于成像系统内部和外部的各种成因使获取的这些遥感数 据存在各种失真，必须经过图像数据处理后才能提供给用户使用。这些图像处理包括 辐射校正(灰度分布处理，彩色编码，等距显示和分析)；几何校正(插值，坐标变换和 配准)；图像变换(卷积，空域操作)；信息提取(纹理分析，模式分类，聚类，目标检 测与识别以及图像数据的融合)等。另一方面航天遥感图像的分辨率和采样率也越来 越高，由此带来高分辨率遥感影像数据存储量和传输数据量随之急剧增长，数据码率 高达 2000Mbps 以上 ,目前卫星数据传输信道带宽和星上信息处理系统还不具备这种 能力，因此必须进行图像数据压缩。
11、为了充分有效地利用卫星获取的图像信息，仅仅依靠地面图像信息处理系统是远 远不够的，必须考虑将一部分信息处理的任务转移到星上进行，这不仅可以提高卫星 本身的自主智能化信息处理与应用水平，而且还可以减轻地面信息处理系统的负担， 因此进行星载图像数据实时处理，传输与分析应用的技术研究势在必行。出于国家经济与安全利益的考虑，在星载信息处理系统的核心技术上，我们不可 能长期依赖国外。加上星上信息处理系统实际应用环境与条件的限制，我们必须研制 具有自主知识产权的，功能强大的，功耗低，体积小，重量轻与高可靠的星载图像处 理系统芯片(SOCSystem On Chip)才能满足实时海量图像数据处理的要求。另一
12、方面，任何一个新的设计虽然包含了体现设计者新思想的核心单元，但其中 也有通用的功能单元。传统的设计方法是一切从零开始，逐一设计各个功能单元，不 管它是通用单元还是体现设计者新思想的核心单元。对于实现一个比较复杂的数字系 统，如 SOPC，采用传统的方法显然是不可取的，否则设计者会将相当一部分时间和 精力放在通用单元的实现上，既延长了设计周期，又增加了设计风险和资金投入。因 此人们认识到，在大容量 FPGA设计乃至 SOPC 设计中采用 IP 模块是十分必要的， 这样可以缩短设计周期和上市时间，降2低风险，减小投入，提高系统的性能和可靠性。 一个较复杂的数字系统往往由许多功能模块构成，而设计者的
13、新思想往往只体现 于部分单元之中，其它单元的功能则是通用的，如FFT，FIR, IIR, Viterbi 译码， PCI 总线接口，调制解调，信道均衡等。这些通用单元具有可重用性，适用于不同的系统。 FPGA 厂家及其第三方预先设计好这些通用单元并根据各种FPGA 芯片的结构对布局 和布线进行优化，从而构成具有自主只是产权的功能模块，称之为DIntellectual Property)模块,也可称为 IP 核(IP Core)。那么，相应的，针对不同的遥感图像应用问题，就必须采用不同的处理方法和算 法才能加以解决，不可能研制一个图像处理 AMC 芯片就可以解决星上的所有信息处 理问题。但是图像
14、处理的许多算法都建立在一些基本运算之上，如加法，乘法，离散 卷积，矢量内积，矩阵相乘以及 FFT 变换，DCT 变换和图像矩计算等。而它们在图 像分析与处理以及图像压缩编码中有着广泛的应用。所以，我们可以设计出图像处理 基本运算和算法的 VII 宏单元电路，建立具有自主知识产权的基本运算和算法芯核 (简称基本运算和算法 IP 核)库，可以方便的构建专门应用的图像处理算法芯片。因此， 本文的大背景就是开展图像处理基本运算IP 核设计与仿真验证技术研究。充分考虑 基本运算的内在并行性，研制可复用图像处理基本运算与算法 IP 核，为我国星载环 境嵌入式实时图像处理系统芯片的研制提供关键技术和关键部分
15、。针对星载海量图像数据实时处理算法，基本运算 IP 核可以与国内自行设计 ASIC 或RISC CPU 核结合在一起，组成极具特色的高效图像处理系统芯片，满足星载实时 图像处理的需要。开展基本运算可复用 IP 核的设计工作，对于提高星载图像处理系 统芯片的设计效率具有积极意义。同时这些 IP 核也适用于通信，家电，工业检测， 医学诊断等图像处理应用，具有巨大的经济价值。1.2 国内外发展现状世界半导体市场增长最显著的领域是 IP 核。在国外，目前自主开发和经营 IP 核 的公司主要有英国的 ARM，Amphion，美国 DeSoc，Rambus 等。以 ARM 公司为例， 在 1985年 AR
16、M 公司设计开发出第一块拥有自主知识产权的 RISC 处理器模块，1990 年首次将其 IP专利权转让给 Apple 公司。到 2003 年全球已有 IBM， TI，Philips, NEC, Sony 等几十家公司采3用其 IP 和开发自己的产品。有关 IP 核设计的报道首次出现在 1997 年召开的 CICC (专用IC 国际年会）的“单元建库”论文分册上。1998 年在美国 加州的硅谷召开国际年会”半导体战略论坛上，以 IP 产业的现状和发展为大会专题， 共有 48 个全球著名的微电子公司的主要负责人作了大会发言。同年，“半导体战略论 坛，98”组织了 IP 专题研讨会。在 1999 年“ASIC Status，99” 的国际年会上论文总量的三 分之一是围绕 IP 核的设计开发的文章。这些关于 IP 设计的国际年会从另一个角度展 示了 IP 产业迅猛的发展势头。目前国内总体来说在 IP 的开发和应用方面做的不够。令人可喜的是，近年来国家 在 IP产业上也有了很大的动作。科技部于 2000
