离散余弦变换IP核的设计

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1、中国科学技术大学硕士学位论文摘要近十年来，因特网对多媒体数据的要求呈爆炸性的增长，导致数据通信技术的提高非常重要。视频和音频数据在未压缩的情况下，传输需要占用巨大的带宽，保存也会占用大量的存储单元。许多多媒体数据压缩方法被提出来，其中一些使用离散余弦变换(DCT)做变换编码。DCT是1974年首先由Ahmed，Natarajan和Rao提出，现在已经成为信号处理中最重要的变换之一。正向和反向离散余弦变换(FDCT／IDCT)是图像、音频和视频编解码的核心操作，在许多相关的标准中均采用DCT，如：／PEG、H．261、H263、MPEG—l、MPEG．2、MPEG-4和数字电视等。在

2、图像和视频信号压缩的变换编码方法中，离散余弦变换被广泛认为是最高效的一种方法，已经经过多年实践证明。DCT是当前众多图像和视频编码标准的核心，之所以得到如此广泛应用，主要归困于两点：一是变换后的图像数据易于压缩，且效率高；二是可以在软件和硬件上高效的执行。随着集成电路产业的飞速发展，现代电子系统的整个功能被集成在一块芯片上，即片上系统(SOC)。SOC意味着更大的设计规模和更高的复杂度，而电子产品的生命周期却在不断的缩短，为了满足产品上市时间的压力，在芯片设计中采用IP(IntellectualProperty)是Ic设计发展到SOC时代的必然选择。口模块的再利用，除了可以缩短SO

3、C芯片设计时间以外，还可以提高设计效率、节省人力、降低设计成本，提高可靠性，以及满足面市时间(Time-to-market)的要求。因此，研发可嵌入式的能重复利用的IP功能模块将在集成电路设计和现代SOC电子系统研发领域具有广泛的应用前景和现实意义。本文的主要工作和特色在于：1．对不同的DCT算法和不同的电路实现结构做了简单的介绍，在每一种类型中，对一些代表性的论文做了简短的描述和比较，个别部分做了深入分析，指出了其优缺点，给出了定性和一些定量描述。2．研究了正向和反向DCT算法的实现形式，给出设计思路，做了算法推导，重点选择了快速算法(Chen算法)和分布式算法。讨论了在音频和视

4、频中得到广泛应用的不同的DCT硬件实现方式，在综合考虑计算量和规则性的基础上，中国科学技术大学硕士学位论文设计了两种不同的DCTIP核结构。一种应用于低速低功耗的情况，如在数码相机中的JPEG静态压缩和音频；另一种应用于实时视频解码，如数字电视等要求高速应用的情况。3．IP核设计结合了快速算法和分布式算法，利用分布式算法的特例，串行逐位输入，布线简单。利用余弦系数的对称性，预先以二进制补码建立查找表，在基于存储器查找表的并发体系结构上实现流水线操作。一个IP核设计处理不同字长的外部数据，可以执行FDCT和II)CT；另一个IP核设计用来处理固定12位字长的IDCT。设计中，遵循现代

5、Ic设计自顶向下(ToptoDown)的设计方法，从系统总体要求出发，由上至下分层次分模块地逐步将设计内容细化，最后完成系统的整体电路设计，得到了两个不需要乘法器，只需存储器、加法器和寄存器的高性能的IP核电路设计。综合实现结果表明，该设计结构简单、层次清晰，具有高度的规则性和模块性。4．对比了软件、硬件和IP核实现DCT的不同，给出了IP核设计的思路。最重要的是可移植性，要能够通用，保证在不同的工艺、不同的硬件、不同的外部模块嵌入中，均能够保证IP核的逻辑功能和时序关系。在设计芯片时，要综合考虑价格、速度和面积(功耗)。关键词：离散余弦变换(DOT)IP核分布式算法(DA)正向／

6、反向离散余弦变换(FDCT／IDCT)2!里型兰篓查查堂堡主兰垡笙茎AbstractInthelastdecadetheadvancementindatacommunicationtechniquewassignificant，duringtheexplosivegrowthoftheInteractthedemandforusingmultimediahasincreased．VideoandAudiodatastreamsrequireahugebandwidthtobetransferredinanuncompressedform．Severalwaysofcompressi

7、ngmultimediastreamsevolved，someofthemusetheDiscreteCosineTransform(DCT)fortransformcoding．DCTfirstappearedinAhmed，Natarajaa，andRao’spioneeringpaperin1974．Ithasbecomeoneofthemostimportanttransforminsignalprocessing．TheforwardandinverseDC