基于ASIC电路仿真技术的研究 ——AVS熵编码器的FPGA设计与验证

论文摘要

随着人类社会的发展,集成电路行业,特别是ASIC和FPGA技术取得了长足的进步,它们在人们的日常生活中的应用越来越广泛。与此同时,随着人们生活质量的提升,人们对视频质量的要求也变得越来越高,由以前的标清,到高清,再到超高清,这对视频编码技术提出了更高的要求。因此,利用FPGA强大的并行处理能力来实现视频编码器显得尤为重要。AVS是国内第一个拥有自主知识产权的视频标准。在同等压缩性能的条件下,AVS的计算复杂度明显低于目前国际上最先进的视频标准H.264,这是AVS视频标准的显著优势。研究基于AVS的视频编码器有力的支持了我国自己的视频标准。同时,由于视频编解码标准具有相似性的特点,对AVS标准稍加改动后就能够应用在其他视频标准中。故而,AVS视频标准具有非常重要的应用价值。本论文在深入了解ASIC技术和FPGA技术的基础上,研究了编码器的核心算法,在FPGA上来设计AVS熵编码器的硬件电路,同时在MODELSIM中进行软件仿真,最后进行板级验证。论文用FPGA来实现AVS视频编码,主要原因在于FPGA自身具有很多优势:它克服了定制电路的缺陷,具有强大的在线修改能力,设计者可以随时修改设计而不需要改动硬件电路,这有效地提高了设计的灵活性;此外,FPGA还具有设计周期短、成本低、可靠性高等特点。论文主要完成以下工作:研究了ASIC技术对人们工作、生活的影响,ASIC技术的发展,特别是FPGA技术的作用和发展;了解了EDA技术的相关知识,并对电路仿真技术做了详细的介绍;对视频压缩技术做了全面的理论分析和研究,并详细介绍了熵编码技术;对AVS编码器的整体编码框架和其中核心编码部分——熵编码技术作了详细讨论;设计了熵编码器的系统框架,给出了各个子部分的硬件电路结构,并在MODELSIM中通过功能仿真验证,同时在Xilinx公司平台上进行了设计分析和硬件验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 概述
• 1.2 ASIC 技术的研究现状和课题研究的背景
• 1.3 课题研究的意义
• 1.4 本文的研究内容和论文成果
• 1.5 本章小结
• 第2章 ASIC 电路仿真技术
• 2.1 EDA 技术
• 2.2 常用的电路仿真软件
• 2.3 FPGA 电路仿真技术
• 2.4 本章小结
• 第3章 视频通信中的熵编码技术
• 3.1 图像压缩技术
• 3.1.1 图像压缩的目的
• 3.1.2 图像压缩的应用
• 3.1.3 图像压缩的系统模型
• 3.2 图像压缩编码
• 3.2.1 图像压缩编码的必要性
• 3.2.2 图像压缩编码的可能性
• 3.2.3 图像压缩编码的分类
• 3.3 视频编码中的熵编码技术
• 3.3.1 熵的基本概念
• 3.3.2 熵编码技术
• 3.4 图像编码的评价
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于FPGA 熵编码的实现与仿真
• 4.1 FPGA 概述
• 4.1.1 FPGA 的工作原理
• 4.1.2 FPGA 的基本结构
• 4.1.3 FPGA 的设计流程
• 4.2 AVS 视频编码器结构
• 4.2.1 AVS 视频编码的基本框架
• 4.2.2 AVS 视频编码的关键技术
• 4.3 AVS 熵编码技术
• 4.3.1 指数哥伦布码
• 4.3.2 AVS 熵编码过程
• 4.4 AVS 熵编码器的FPGA 实现
• 4.4.1 设计流程
• 4.4.2 总体设计
• 4.4.3 顶层控制模块
• 4.4.4 码表存储结构和码字索引单元
• 4.4.5 搜索模块设计
• 4.4.6 指数哥伦布码编码
• 4.5 本章小结
• 第5章 熵编码器的FPGA 硬件实现
• 5.1 硬件平台
• 5.2 设计功耗分析
• 5.3 设计中的资源率
• 5.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得的学术成果