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    基于FPGA的经济型MPEG-2运动图像编码器IP核设计

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    基于FPGA的经济型MPEG-2运动图像编码器IP核设计

    西南科技大学硕士学位论文基于FPGA的经济型MPEG-2运动图像编码器IP核设计姓名钟声申请学位级别硕士专业通信与信息系统指导教师李众立20070408西南科技大学硕士研究生学位论文 第l页摘 要现场可编程门阵列FPGA具有使用灵活、体系结构可变、价格低廉、执行速度快等优点,很好地适应了现代远程教育中的多元化需求。因此,本文从经济实用的角度出发,为山区、偏远农村现代远程教育,设计了一种基于FPGA的经济型MPEG.2运动图像编码器的IP核。本文在现代远程教育需求与运动图像编码标准MPEG.2的交叉点选题,针对山区、偏远农村现代远程教育这一特定的应用领域,开发基于FPGA的经济型MPEG一2运动图像编码器IP核上进行了一些探索和研究。论文针对FPGA设计特点以及本系统的应用环境,采用VHDL语言自顶向下设计了MPEG.2编码器中的核心部分的IP核,重点解决了其中的二维DCT模块、可变字长编码模块当中的关键路径时延过大的问题,提高了系统的最大工作频率,并且对运动估计模块采用了一种高度并行及紧凑流水线技术的运动估计电路结构,通过改进搜索窗缓存、PE运算阵列等单元,获得了较高的运算速度增益并有效地降低了电路功耗。论文在设计思路上力图体现个人的创新,然后通过ALTERA公司的Cyclone EPlCl2Q240C8器件对设计进行了验证,并将验证结果与MPEG.2TM5中的校验模型比较,证实了该设计的正确性和优质性。关键词现代远程教育 FPGA MPEG.2编码器 IP核西南科技大学硕士研究生学位论文 第1I页AbstractFPGA with the advantages of flexibility,variable structure,low price,highimplementation speed,is good to meet the diversified needs of the moderndistance education.Therefore,from the economic point of view,a FPGAbasedeconomic MPEG一2 encoder IP core is designed for the application to moderndistance education in mountain and remote rural.Based on the needs of modern distance education and MPEG-2 standard,the research is chosen to design an lP core for FPGAbased economic MPEG2encoder,for the specific application to modern distance education in mountainand remote rural.The dissertation design the circuit through focusing on theFPGA design characteristics and the application circumstances,using VHDLdesign of a topdown approach to complete the central part of the MPEG2encoder 1P core,which focuses on solving the 2-D DCT module,the variablelength code module very much delay in the critical path,and enhances themaximum operating frequency of the system.Moreover,in the motionestimation module,a kind of highly parallel and compact pipeline technology isapplied,mainly by improving the search window cache,PE computational arraymodule,which are in favour of gaining access to very high computational speedand effectively reducing the power consumption.Besides,the design thoughts of this dissertation are to embody theinnovation,and confirmed by the accuracy and quality of the design result,withcomparison to MPEG一2 TM5 calibration models,whch is adopted by CycloneEPlCl2Q240C8.Key wordsmodern distance education;FPGAMPEG-2;IP core独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的f司志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名锌声 日期州.5.舀关于论文使用和授权的说明本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保留学位论文的复印件,允许该论文被查阅和借阅;学校可以公布该论文的全部或部分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。保密的学位论文在解密后应遵守此规定签名 锄专l I 导师签2匆日期洲.钍s’西南科技大学硕士研究生学位论文 第1页1 绪论1.1选题目的及意义二十一世纪的悄然到来,人类社会即将进入信息化社会。信息社会对人材知识结构和能力素质提出了新的要求,教育作为培养人的手段,也呈现出了新的教授形式和特点,远程教育Distance Education作为一种新兴的教育方式,突破了时间地域的限制,成为教育系统中一支重要的力量。相对于传统教育而言,远程教育具有以下的优势第一,充分的交互性。虽然教师和学生处在不同的地方,但通过远程教育平台,利用现代的通信网络,教师和学生之间能够得到充分的交流,仿佛就在同一个教室里似的。第二,学习的自主性。在远程教育系统中,学生的学习自主性得到了充分的发挥。学生按照自己的时间和计划,选择学习的课程内容。并且,对于学习中的问题,能够及时得到相应的解答。第三,教育资源共享性。在我国现有条件下,教学资源还比较匮乏,并且分布很不平衡。通过远程教育的方式,可以使到最偏远的山区的学生也能享受到大城市里一流的教师的讲课,从而实现资源共享”””。自2001年以来,在国家教育部实施农村中小学现代远程教育的实践中,我国逐渐形成了教学光盘播放点、卫星教学收视点和计算机教室三种模式。经过国家、社会的大力推广,这三种教学模式都取得了相应的成绩,为我国人才的能力培养和创造力培养做出了巨大的贡献。但是,另外一方面我们也不得不承认,由于这三种教学模式自身因素的限制一一基于Windows操作系统和基于PC计算机,高昂的系统软硬件价格和操作复杂度使得这三种现代远程教学模式在山区、偏远农村中的推广受到了较大的障碍。因此,为了解决这一难题,满足山区,偏远农村小孩也享有平等受教育的权利,西南科技大学2003AAll606课题组在吸收和消化了这三种教育模式的思想精华的前提下,引入国产软硬件技术Linux.NC技术平台和双向互动教育技术,建成了“山村多通道网络教学环境”,即基于Linux平台和WEB技术的交互式辅助教学平台、Linux/NC计算机教室、多通道网络同步课堂、基于Linux/NC架构下的教育资源库、Linux环境下的小学教材,从而大幅度的降低了成本,为远程教育的教学资源建设、网络课程的推广奠定了坚实的技术基础和物质基础。作为“山村多通道网络教学环境”的配套设施,论文的主要目标是研究西南科技大学硕士研究生学位论文 第2页和开发适用于山区、偏远农村现代远程教育的一种低成本、高性能的基于FPGA的MPEG.2运动图像编码器的IPIntellectual Property核。该lP核的设计应用了当前最新的微电子技术、电路设计自动化技术和运动图像编码技术的发展成果,具有低价格、功耗低、简单、可靠、开放的特点。并且,其中的二维ICT、量化/逆量化、可变字长编码和运动估计模块,还可以作为独立的IP核单元,根据需要略加修改就可以应用到其他含相关算法的图像/视频压缩芯片的设计中去。1.2数字视频编码技术的发展与应用现状1.2.1 数字视频编码标准的发展历史及其现状随着现代通信技术的飞速发展和通信业务的不断拓展,多媒体通信已经成为通信业务发展的必然趋势,并已经日渐成为人们进行信息交流的基本方式之一。传统的语音服务已经不能满足需求,图像信息传输已经成为现代通信系统所应提供的基本服务。人们一直期盼实现远距离的图像通信,通过可视电话、手机和会议电视等形式实现话音和图像的同步传输。但是,图像所含的数据量大大超过了

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