（信号与信息处理专业论文）基于vlsi的高速视频解码专用芯片设计研究.pdf

- - - _ ，_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ l _ - - _ _ l _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ 。i _ _ o 。_ _ 。- l - 。一 浙江人学坝i 学位论义 摘要 摘要 y 2 3 6 38 高清晰度电视是在模拟电视的基础上为_ 广达到高分辨牢的图象质量性能而发展起来的，h d t v 视频解码器是高清晰度电视接收机芯片的一个关键部分。 视频集成解码芯片的殴计研究涉及到高速视频压缩解压缩和超大规模集成电路设计两个方面的 技术。经过几十年的积累，视频编解码理论已经非常成熟，但是对于高速视频解码器的实现还没有非 常好的设计实现方案：月一方面，随着v l s i 工艺立术的发展，器件特征尺寸越来越小，芯片规模越 来越人，数百万门级的电路可以集成在一个芯片上，为系统集成开辟了广阔的工艺技术途径。 奉文以视频编解码、集成电路设计理论为基础对高速视频解码器的设计、仿真、综台、验证及 洲试方法进行了较为深入的研究。 视频处理系统包含两种体系结构：可编程结构和专用结构。本文对两种结构的优缺点作了对比和 分析，然后结合两者的优点，采用混合的结构实现高清晰度电视视频解码器设计，并以v l d 和】i d c t 模块为例介绍如何针对算法的不同特点进行相应子模块的设计。 随着系统规模的扩人从而使得仿真的难度加人，仿真验证在设计中所占用的比例越来越人，在 v l s i 系统设计中仿真验证过程通常要占用整个设计周期的6 0 以上，已经成为系统设计中的瓶颈。 本文对仿真的算法和过程进行了阐述，以混合仿真和等价性验证为基础，提出了加快仿真和验证速度 的措施。 住芯片生产进入深亚微米技术阶段后传统的逻辑层与物理层分开设计的综合策略逐渐暴露出来 了缺陷和不足，本文在对其进行详细分析的基础上提出了使用精确的线负载模型以同步逻辑层与物 理层的设计的新的综合流程，减少了设计中的迭代次数。 作者总结在没计、仿真、综合以及测试生成过判中的经验与教训，认识到不仅要编写满足功能上 的需要的代码，而且要编写仿真速度快、错误定位方便、综合效果好、测试覆盖率高的代码，提山了 面向仿真、面向综合、面向测试的代码风格羊规则。 天键词：高清晰度l a 视、超大规模集成i h 跚、0 用芯片、深亚微米技术、硬件描述语言、视频解 码器、仿真、综合、洲试、代码风格 塑坚苎兰型! ! ：堂堡笙兰 垒! ! ! 坠! ! a b s t r a c t h d t v ( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ) i sd e v e l o p e df r o ma n a l o g yt e l e v i s i o nt oa c h i e v eh i g hr e s o l v i n g p o w e ro f i m a g eq u a l i t y h d t v v i d e od e c o d e ri sak e yc o m p o n e n t o f h i g h d e f i n i t i o nt e l e v i s i o nr e c e i v e r t h e d e s i g no f v i d e od e c o d e r g e t si n v o l v e dw i t ht w ot e c h n i q u e s ：v i d e o ( d e ) c o m p r e s st h e o r ya n dv l s i d e s i g nm e t h o d o l o g y ，t h ed i g i t a lv i d e op r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nv e r ys u c c e s s f u l l yd e v e l o p e dd u r i n g t h ep a s s e dy e a r sb u ta st oh i g hs p e e dv i d e od e c o d e r , t h e r eh a sn o p e r f e c tr e a l i z a t i o np l a n o nt h eo t h e rh a n d ， w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t h ev l s it e c h n i q u e s ，t h ec h a r a c t e r i s t i cd i m e n s i o nb e c o m es m a l l e ra n ds m a l l e r , b u t t h es c a l eb e c o m em o r eb i g g e r , m e g a so fg a t e sc a ni n t e g r a t e di n t oo n l yo n es m a l lc i r c u i tn o w , i ti s r e a d yf o r s o c t 0e x e r t b a s e do nt h et h e o r yo fv i d e od e c o m p r e s sa n dv l s i ，t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nd e s i g n i n g ， s i m u l a t i o n ，s y n t h e s i sa n d v e r i f i c a t i o no f t h eh i g hs p e e dv i d e od e c o d e rf o rh d t k t h e r ea r et w ok i n d so fa r c h i t e c t u r ef o rv i d e op r o c e s s i n gs y s t e m ：p r o g r a m m a b l ea n dd e d i c a t e d t h i s a r t i c l e a n a l y z e s a n d c o m p a r e s t h e s et w oa r c h i t e c t u r e s ，j o i n st h e g o o dq u a l i t i e s a n dw i t h d r a w st h e s h o r t c o m i n g s i n t r o d u c e sam i x e d s t r u c t u r et oi n s t a n c et h ev i d e od e c o d e r , a n dt h e nc o m p o s e st w om o d u l e s ( v l da n di d c t ) a c c o r d i n g t ot h e i ra l g o r i t h m st os h o wt h ed e s i g nm e t h o d w i t ht h es i z eo ft h es y s t e mb e c o m e sl a r g e r , t h ed i f f i c u l t yo fs i m u l a t i o nc h a n g e st o o ，s od o e st h e p r o p o r t i o no f s i m u l a t i o na n dv e r i f i c a t i o n i nc o l n l n o nv l s is y s t e m sd e sg n i n g ，s i m u l a t i o nw i l lo c c u p ym o r e t h a n6 0p e r c e n t so fd e s i g nc y c l ea n dh a sb e e nt h eb o l l l e n e c ko ft h et o t a lp r o c e s s t h i sp a p e re x p a n d st h e a l g o r i t h ma n dp r o c e s so fs i m u l a t i o n ，a n d t h e np u tf o r w a r dn e wm e a s u r e st oa c c e l e r a t ei tu s i n gc os i m u l a t i o n m e t h o da n de q u i v a l e n c ec h e c k e r w h e nd s mc o f f i e si n t or e a l i t y , t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d o l o g yw h i c h c o n t r i v e sl o g i ca n dp h y s i c a ll a y e r s e p a r a t e l yh a s s h o w ni t sl i m i t a t i o na n dd e f i c i e n c y t os o l v et h i sp r o b l e m ，an e wp r o a c t i v es y n t h e s i ss t r a t e g y i si n t r o d u c e dh e r e ，i tc a ns y n c h r o n i z el o g i c a la n dp h y s i c a ld e s i g nw o r l d b e c a u s eo f a c c u r a t ew i r el o a dm o d e l r a t h e rt h a na s s u m p t i o n s u m m a r i z i n ge x p e r i e n c e sa n dl e s s o n s l e a r n e df r o md e s i g nc o u r s e ，t h ea u t h o ru n d e r s t a n d st h a t i ti s i n a d e q u a t et ow r i t eo n l yc o r r e c tc o d e s ，i ti s a l s on e e d e dt ow r i t ec o d e st h a tc a ns i m u l a t eq u i c k l y , s y n t h e s i s e f f i c i e n c ya n dh a sh i g h f a u l tc o v e r a g er a t e a ti a s t ，t h i sd i s s e r t a t i o na d v a n c e st h ec o d i n gs t y l ea n dd e s i g “ l _ u l e sa c c o r d i n gt of a s ts i m u l a t i o n ，n i c es y n t h e s i sa n dg o o d t e s tg e n e r a t i o n k e y w o r d s ：h d t v v l s i ，a s i c ，d s m ，h d l ，v i d e od e c o d e r , s i m u l a t i o n ，s y n t h e s i s ，t e s t ，c o d i n gs t y l 。 浙江人学坝卜学位论文 第一章绪论 第一章绪论 高清晰度电视( h i g hd e f i n i t i o nt e l e v i s i o n ，h dr i v ) 是全球广播电视行业最引入注目的焦点之一， 它的水平分辨率高达1 1 5 2 线，垂直分辨率高达1 9 2 0 线，由于h d t v 已成为第三代电视标准( 相对 丁二黑白电视机利普通彩色电视机) ，具有很人的市场潜力，对各国的政治、经济、文化、社会生活各 方面都会产生深远的影响因而全球在科技、l ：业笛领域的竞争是非常激烈的。 同时，随着电子技术的不断发展与进步，尤其是近1 0 年来计算机电路辅助设计技术和半导体 集成l ：艺技术的快速进步，在生产的电子系统中，专用集成电路( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ， a s i c ) 平现场可编程门阵列( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ，f p g a ) 的使用变得越来越多，特别是 在先进的电信设备、计算机系统和网络设备中更是如此，这不仅因为有不少实时的数字信号处理芯片 ( d s p ) 是一般微处理机所无法替代的，而且也因为市场对电子产品的要求越来越高。所以设计a s i c 将领导电路敬计的新潮流。 本文主要针对美国g a - h d t v 的视频标准) 纳合芯片设计的实际情况，说明高速视频解码器的设 计、仿真、实现过程。 第一节视频编码标准与高清晰度电视 1 1 1 图像编解码原理 相对于音频信号来讲，视频信号的信息容戢心k 人，要求处理速度快的多，这给视频图像的直接 存储、传输等都带来了很人i 封难，存储设锵的容址4 ；能满足如此大量的数据存储要求，网络的带宽也 不可能满足实时视频数据的传输，因此，多盘i 体系统需要数据压缩，高效的视频编码技术迅速发展起 来。 口前编码方法主要有两类，一类是基丁信息沦，以变长编码、预测编码、变换编码和混合编码等 为主的经典编码方法，另一类是最近j l i f - 发展起来的新的编码技术，如模型基的编码方法等等，在 编码方式上它”j 与经舆的编码方法有明显的区别。 1 经典图像编码方法 按照编码方法中信息有无损失来区分，经典的编码方法可分为无失真编码和率失真编码。无失真 编码是指在编解码过程中不出现信息失真的编解码算法，通常无失真编码又被称为熵编码。采用无失 真编码虽然能使编解码不出现失真，但是其编码的胝缩比通常不高，根据人眼的生理特性，当失真小 丁二一定的范围时，通常不会被察觉或影响很小，而允许一定的失真可以大大提高压缩比，这种允许一 定火真的编码方法统称为率失真编码。常川的编码方法如下： 变蚝编码 在这种编码方法中，表示符号的码字的k 度是随着符号出现的概率变化的：首先统计每个码的出 现概率，然后给出现概率高的码分配较短的码字，给出现概率低的码分配较长的码字。 h u f f m a n 编码是一种变长的最佳编码方法。算法的实现分为三步： ( 1 ) 对信源信息符号的出现频率进行统计，按山现概率对符号集合进行排列。 ( 2 ) 把出现概率最小的两个符号组合成一个新的符号，并定义该符号的出现概率为原来两个符 号的山现概率之和，得到新的符号集，其符号个数比原来的符号集少1 ，重新按出现概率对新的符号 集进行排序。 i 浙江人学颂l 学位论义 第一章绪论 ( 3 ) 对晟后得剑的两个符号进行编码，分别赋以码字0 和“1 ”，然后将其中的组合符号展开 对它的两个原始符号进行编码，方法是在组合符号的码字后面分别添加0 和“1 ”。 按照符号集压缩的逆序重复进行上述操作直到完成对初始符号集的编码。 预测编码 预测编码的原理是：根据二维图像中相邻像素之间的相关性，每个像素可以由邻近的前几个像素 来预测。d p c m 是先作预测，然后再对预测误差进行量化和编码。 帧内预测编码是指在同一帧内利用行问或列问f 门相关性进行预测和编码，1 9 5 2 年，o l i v e r 【2 1 就对 图像的线性预测编码进行了理论研究，1 9 6 6 印o n e a l 3 1 根据最小均方差准则( m m s e ) ，对图像d p c m 中的线性预测器和量化器进行了研究，帧i 编“5 的优点是算法简单，硬件容易实现，缺点是对信道噪 声很敏感，容易产生误码扩散。 帧间预测编码由m o u n t s l 4 1 在1 9 6 9 年提山它址利用活动图像相邻帧间的相关性，来达到压缩编 码的目的帧间编码技术在电视信号的压缩编码中彳! 到广泛应_ i 。 帧间预测编码由运动估值单元和运动补偿单元二部分组成： 1 )运动估值单元。 一般地视频信号相邻两帧之间具有搬强f l j n 天性，采用运动估值技术进行帧间编码来去除帧间 的冗余度是提高视频编码压缩比的重要手段之一。常用的运动估值算法有梯度法、像素递归法和块匹 配法1 5j 【“。后者由于运算量小，实时性好，而被标准编码框架所采纳。采用块匹配算法的运动估值技 术分成以一r - z 步来实现： 第一步运动搜索。在前帧的对应于后i 帧当前宏块位置的附近区域中，搜索与当前宏块最匹配的 宏块。衡量最佳匹配的准则有很多种，比如均方误差( m s e ) 、归一化互相关函数( n c c f ) 、平均绝 对帧筹( m a d ) 等。研究表明，各种准则r e 能筹别不显著，而m a d 运算量最小，所以被普遍采用。 m a d 准! j i i j 被定义为： 捌d ( f = 嘉薹喜陬( 叫喝川卅剧 式中s 。( m ，n ) 为第k 帧位于( m ，n ) 的像素伉j 、j 分别为水平和垂直方向的偏移量。取值范围为_ d m s i j d m 。 搜索匹配块的算法也有许多种。全搜索即址搜索区内逐点搜索，每搜索一次计算一次m a d ，当 m a d 达到最小值时，求得虽佳匹配宏块。为了提商搜索速度、减少搜索次数，提出了多种快速搜索 算法。这些快速搜索算法都认为在整个搜索区内准则函数是( i d ) f l 单极点函数，有唯一极小值，而快 述搜索是从任一点开始沿最小失真方向进行的。 在搜索到匹配块后，编码器要决定对当前的宏块作帧内编码或帧间编码。i 帧的宏块全部都是帧 内编码( i n t r a ) 宏块p 帧中既有i n t r a 宏块也有帧i l i j 编码( i n t e r ) 宏块。编码器根据比较前后两帧图 像的相关性米决定是采用帧间编码还是帧内编码。相关性强则采用帧间编码，相关性弱则采用帧内编 码。下面给出一种被普遍采纳的判决准则： 垃参考帧( 前帧) 宏块的亮度信号像素值川p ( x y ) 来表示，当前帧( 后l 帧) 宏块的亮度像素值用 c ( x ，y ) 朱表示则参考帧宏块的亮度信号方差v 4 rp 可用下式来算得： 1 61 6 p ( x ，y ) 2 v a r p = 型竺l 一一一 2 5 6 p ( x ，) 2 5 6 当前l | j ! ；i 与参考帧对应宏块像素差值的均方值v a r 由下式给山 芝芝【c ( x ，y ) 一p ( 圳，) 】z【c ( x ，) 一( x j ，) 】2 v a r = 卫型_ 丽一 ( 1 2 ) 浙江人学倾i ：学位论文 第一章绪论 根据v a rp 和v a r 的值可以制定如i - u 决依蜊： 当v a r _ 6 4 v a rp v a r 时，采用t 帧间编码方式， 当v a r 6 4 ，v a rp v a r 时，采j 羽帧内编码力式。 第二步求差值。在前帧中通过运动估值找剑最匹配的宏块后 差值矩阵出扭。如r 式： a m b 。、= c ( x ，y ) 一p ( x + h ，y + v ) 需要传送前后帧匹配宏块问像素 ( 1 4 ) 对一个宏块来说，共有3 8 4 个差值j 中2 5 6 个是亮度块的差值，另外1 2 8 个是色度块的差值。 2 ) 运动补偿单元 运动补偿被应用于解码器和编码器的本地解码部分，是运动估值的逆过程。它可以分为二步来完 成： 第一步，寻址参考宏块。 根据运动矢量和预测方式等参数计算出参考宏块的地址，并读取参考宏块数据。 第一二步，补偿运算。 根据差值矩阵 扭。和参考宏块来计算像素值。 运动补偿计算由公式( 1 - 5 ) 给山： c ( x ，y ) = 枷。+ p ( x + h ，y + v ) 1 - 5 ) 变换编码 变换编码的原理是：将原来往空间域相关性很“的图像信号，经正交变换，转化为在变换域内的 一自i 系数。如果该止交向量空间的基向量与图像本身的特征向量很接近，则经过正交变换后，系数间 的相关性基本解除。通过对变换域基矢量的选择，使得能量主要集中在少数几个变换系数上。变换本 身不带来压缩效果，但由丁二变换图像的能鲢集叶l 了，所以采用量化和变长编码可以进行有效的压缩 h j - 厂幽像编码离散止交变换的类型很多，比如斜变换、沃尔什哈达码变换、哈尔变换、k l 变 换、余弦变换等 j 。除了k l 变换外都有帙述筇法。k l 变换采用图像本身的特征向量作为变换的 基向 t ，故与图像的统计特性完全匹配，址f 1 ：嫩小均方误差准则下进行图像压缩的最佳变换。但是， 由丁变换矩阵与图像类型有关，所以无快速算法实现的成本高和实时性差。在各种止交变换中，离 敞余弦变换( d c t ) 因与k l 变换最接近，f ：且d c t 的计算有快速算法，而被各种视频编码标准所 采纳。 所以在实际应_ 【 j 中，最常采川的是二维d c t 变换和其逆变换( i d c t ) 。 对一个n x n 的像素块，其二维离散余j 幺变换定义为： f ( 玑v ) = 万2c ( ”) c ( v ) 萎n - i n 萎- ) ，( x ，y ) c 。s ! ! 兰j ；品霉c 。s ! ! ：! ：；坠竺 ( 6 ) 其中u ，v ，x ， f 1 c ( z ，) c ( v ) = 万 l1 二维l d c t 定义为 f ( x , y ) = 专善n - in 篆- i f ( x c c ( v ) 脚，v ) c 。s 号产 ) = 寺c ( “) c ( v ) f ( ) c o s 塑焉竺 o h ；o _ e 0 o c o s ! ! 羔业! 1 2 ( 1 8 ) 离散小波变换( d w t ) 是由g r o s s m a n n 和m o r l e t s l 最早提出的。小波变换应用于图像编码 9 】的 思想是：对原始图像进行离散小波变换，得剑图像的小波域系数。这些系数分层次代表了原始图像在 不币1 分辨率f 的细。肯信号。根据它们的各白特点，可采用相应的算法来编码。由于小波变换具有类似 - 3 - 7 _ o 州 ”他 虬其 20 = y 浙江人学硕小学位论文第一章绪论 于人类视觉系统处理信息过程的特性，因此小波变换将有很好的发展前途。 变换编码的优点是它具有较强的抗信道误码能力，通信系统的误码对图像变换编码的影响小于 p c m 和d p c m 编码。对高质量的图像，一般d p c m 编码要求信道误码率- 1 0 ，而变换编码仅要求信 道误码率1 0 。 子带编码 子带编码最早由c r o c h i e r e 等人【l ”提出，川丁语音编码。w o o d s 和0 n e i l 等人1 将它引入图像编 码领域。子带编码的理论依据是：图像信号可以划分为不同的频段，人眼对不同频段的敏感程度不同。 编码时，将图像分成不同的频段的子带对不同的子带，根据其对视觉系统的重要性，分别进行编码。 塔型编码 塔型编码由b u t t 等人i 】“提出。塔型编码的原理是：将图像分解成空间分辨率不同的一系列子图 像，对各子图像进行编码传输，在接收端便可得到一个逐渐清晰的恢复图像。 2 图像编码新技术 最近十儿年，一批新的编码算法得到了发展，这些算法突破了信息论的框架。 模型基( m o d a lb a s e d ) 编码 模型基编码i ”i i “i 是基于景物三维模型的方法其中通信双方有一个相同景物的三维模型。编码器 通过对图像进行分析，提取景物的参数并将这些参数编码后传送到解码端，解码器则根据收到的参数 h j 图像合成技术重建图像。这种编码技术由1 ：充分利_ l 了景物模型，所以能实现很高的压缩比。 模型基编码可以分为语义基( s e m a n t i cb a s e d ) 编码和物体基( o b j e c t b a s e d ) 编码两种。语义基 编码是基丁限定的模型景物( 如人脸模型) ，其景物的三维模型是严格已知的。通信开始时，先将图 像的基本特征( 如三维模型，脸部的表面纹理等) 传输到对方，然后随着头部运动的开始发送端提 取头部的运动参数和脸部的表情参数并发送到对方接收端利用己知的三维模型和收到的参数，综合 出重建图像。 物体基编码是针对朱知物体的模骂! ! 基编码，它足方块编码的推广。物体基编码按景物中物体形状 进行分割。对于每个分割山的物体，用三个参数集( 运动集、形状集和色彩集) 来描述然后再对这 二个参数集进行编码和传输。 比较以上两种模型基编码方法，语义丛由1 ：利川了已知的三维模型，所以获得很高的压缩比，但 它仅对已知物体有效。虽然物体基编码的压缩比比较低但它可以处理更一般的景物。与方块编码相 比，物体基编码可以降低码率，同时不会现方块效麻。 分形编码 分形是m a n d e l b r o t 于1 9 7 5 年首先提出的i 川来描述那些没有特征长度、具有无限精细结构的 幽形和构造，井由此创建了分形几何。b a n s l e y l t 6 1 1 17 1 首先将分形应_ h j 于图像压缩编码。他的迭代函数 系统( 1 t e r a t e df u n c t i o ns y s t e m s ，i f s ) 图像压缩编码算法利用了图像整体和局部之间的自相似性通 过拼贴和尝试来得到图像中各分形景物的i f s 码，解码时利用这些i f s 码，通过迭代得到原始图像的 分形近似。分形编码可取得较好的效果，对丁某些特殊的图像，它的压缩比可达到1 0 0 0 倍。 f 3 混合编码 混合编码方法是指对图像信号同时使川两种或两种以上的编码方法混合进行编码。其中最常用的 是d p c m 编码和变换编码相结合的混合编码的方法。它既保持了d p c m 编码实现简单的优点，又具 有变换编码抗信道误码能力强的优点。圆此，m e i ，g 1 、m p e g 2 、m p e g 4 、h 2 6 1 、h 2 6 3 等编解码建 议都采川d c t 变换、帧间预测编码和变k 编码相结合的混合编码技术，在保证一定质量的前提下 不仅压缩率高，而且易丁硬什实现。它的原理可以川图一- 1 来表示： 浙江人学颁i 学位论文 第一章绪论 帧间预测编码变换编码和标量量化熵编码 图一一1d p c m + d c t 见频编码算法框架 视频解码是编码的逆过程，其算法框架可h j 图一2 来表示。 1 1 2 视频编码标准 图一2 视频解码算法框架 随着信息产业的发展，各种各样的视频j r 缩产- ij l _ f i j 向市场，为了便于国际间的交流和贸易，必须 对它们进行规范。1 9 8 8 年，原c c i t t 开始制订“p x 6 4 k b i t s 视听业务的视频编解码器”l i 的国际标 准一h2 6 1 建议。 h 2 6 l 采h 了与制式无关的图像格式，无沧烛i ! i | | ：一种制式的视频信号进入编解码器后都被转换成 公共中间格式( c i f ) 该i 型像对亮度信号而吉，饵幅图像扫描2 8 8 行，每行有3 5 2 个像素点，色度信 号每帧人小为1 4 4 行1 7 6 个像素，帧频为每秒3 0 帧，扫描方式为逐行扫描。随后的各种视频标准都 采川或扩展了c i f 格式。h 2 6 1 采川运动补偿顶测和离散余弦变换相结合的混合编码方案 ( d p c m + d c t ) ，获得很好的图像压缩效粜。 h2 6 1 建议是对图像编码近四十年研究成果的总结，它所采用的编码方法成了其它图像压缩编码 标准的核心。在此基础上，国际标准化组织( i s o ) 平i l 国际电信联盟的标准化部门( i t u - t ) 针对不同 的应川场合，翩订了一系列标准【2 0 】【2 1 1 2 2 1 1 2 3 1 1 2 4 l 。如表格一1 。 名称制订组织发布时间应用领域 用于i s d n 上低延迟的彩色 h 2 6 1 1 9 9 0 图像传输 h 2 6 3 ( c c i t t ) 1 9 9 6 会议电视、可视电话 i t u t会议电视、可视电话( 对 h 2 6 3 +1 9 9 8 h 2 6 3 增加了多个选项) h 2 6 3 + + 2 0 0 0 会议电视、可视电话 主要用于多媒体存储和计算 m p e g 1 i s o1 9 9 3 机多媒体通信 数字广播电视、网络视频通信 m p e g 2 1 9 9 4 和高清晰度电视 多媒体会议、低比特率移动多 m p e g 4 1 9 9 8 媒体通信、基于内容的交互多媒体 数据库检索、网络上的视音频通信 浙江人学硕。i j 学位论文第一章绪论 指定一系列标准描述符来对 各种多媒体信息进行描述，便于用 lm p e g - 7 1 9 9 7 ( 起草) 户进行基于内容和对象的视听信 息搜索和查询 表格一l - k 蛭的m 频编解码标准 m p e g 专家组于1 9 9 4 年通过了i s o1 3 引8 呼建议，即“活动图像及其声音的通用编码”标准， 通称m p e g 2 标准。m p e g 2 完全吸收了h 2 6 l 、m p e g l 等所采用的压缩编码技术，同时性能加以扩 展，覆盖了从常规电视到h d t v 等非常宽范围内的视频压缩业务。m p e g 2 直接面向高数据率的广播 格式，提供了有效的隔行视频信号编码算法支持宽范围的比特率，m p e g 2 能表示隔行和逐行视频 序列，主要川3 - d v d 、h d t v 和数字卫星电视等。 m p e g 2 能够使标准清晰度电视的编码比特率范围在3 1 5 m b i t s 、高清晰度电视比特率范围在 15 - 3 0 m b i t s 。m p e g 2 解码器也能够对m p e g l 的数据流进行解压缩。m p e g 2 把整个标准分为不同的 子集，称为类( p r o f i l e s ) 和级( l e v e l s ) 。p r o f i l e s 限制语法( 例如算法等) ，l e v e l s 限制编码参数( 采 样率、帧数、编码比特率等) 。5 个类为简单( s i m p l e ) 类、主( m a i n ) 类、s n r 可分级( s c a l a b l e ) 类、空间可分级( s p a t i a l l ys c a l a b l e ) 类和高( h i g h ) 类。4 个等级为低( l o w ) 级、主( m a i n ) 级、 高1 4 4 0 ( h i g h1 4 4 0 ) 级和高( h i g h ) 级。 1 1 3 高清晰度电视的发展历史 民h = | 高清晰度电视是7 0 年代初由日本首先发展的，h d t v 的研究发展到现在的二十多年的时间 内，经历了模拟制式和数字制式两个发展阶段。到f 1 前为止，模拟制式h d t v 已基本停止了研究， 而全数字式的h d t v 的研究正在全世界紧锣晰矗盘地! ：展。 1 模拟h d _ 厂v 的发展 1 9 7 2 年，日本广播l 办会( n h k ) 首先歼始了t l d t v 的研究工作。1 9 7 8 年公布和演示了非兼容制 的h d t v 系统。在1 9 8 3 年又公布了h d t v 在1 i 星电况广播中的m u s e ( m u l t i p l es u b - n y q u i s ts a m p l i n g e n c o d i n g ) 制式。1 9 8 6 年n h k 在c c i r 第1 6 次全会上，进q i tm u s e 的现场演示，1 9 9 1 年开始进 行每大i 小时的h d t v 卫星实验广播标忠着m u s e 制式技术的成熟，1 9 9 1 年1 1 月开始每天8 小时 的止式h d t v 卫星广播。 8 0 年代初欧洲拟采用m a c ( m u l t i p l e x e da n a l o g u ec o m p o n e n t ) 制式将欧洲现有的p a l 制和 s e c a m 制式绑一起来。8 0 年代中期，由于意识到丁h d t v 所蕴藏的巨大的经济潜力，而且不甘于日 本在h d t v 领域的领先地位，于1 9 8 6 年成立了e u r e a c a - 9 5 项目研究h d t v 。在设立了e u - 9 5 项目后 不久，欧洲便提山了兼容的渐进式的模拟制t t d t v 系统h d m a c 。1 9 8 9 年夏演示了h d t v 卫星广播 系统。1 9 9 2 年利刚h d m a c 对巴塞罗那奥运会进 r 了实况转播获得了较好的评价。 但与数字h d t v 相比，m u s e 和h d m a c 的性价比太低，无法充分利用现代数字技术，所以1 9 9 3 年欧洲已停j t 了h d m a c 的研究。 f 2 数字h d r v 的发展 数字h d t v 是以美国为代表提山的全数字的h d t v 方案。美国在民用h d t v 上起步较晚但它 依靠其雄厚的理论基础和技术实力，在h d t v 的 j j l = 究领域很快就赶上并超过了日本和欧洲，而成为 h d t v 研究领域的后起之秀。在1 9 8 7 年以前，美国基本上是支持日本的1 1 2 5 6 0 2 ：1 1 6 ：9 系统，但由 于逐步意识到h d t v 的巨人市场潜力以及考虑到对本国政治、经济等方面的影响，决定摒弃支持日 本制式，独立提出符合本国国情的新的数字式h d t v 制式。 1 9 8 7 年2 月1 7 日，美国5 8 个广播组织及公司向美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n s c o m m i t t e e f c c ) 提出开始h d t v 研究的建议，网年1 1 月1 7 日，f c c 组建了先进屯视业务资询委 6 浙江火学硕j 二学位论文第一章绪论 员会( a d v i s o r yc o m m i t t e eo na d v a n c e d t e l e v i s i o ns e r v i c e ，a c a t s ) ，a c a t s 的成立意味着美国h d t v 研究的止式开始。1 9 8 8 年，f c c 曾做出美1 日a i v 必须与现行n t s c 制式兼容的要求，但随着美国一 些公司的全数字h d t v 研制的b 速进展，经过分家组论证，1 9 9 0 年春，f c c 决定放弃与现有n t s c 制式兼容的要求而选择“同插”( s i m u l c a s t ) 方式，并提出了儿条关于h d t v 的指导性意见：( 1 ) 由 丁二兼容不可能做到，在h d t v 和常规电视并存期问采用同播制，即每一套节目同时要有常规电视和 h d t v 的j “播。( 2 ) 在频谱利州上做到和现行常规电视兼容，即h d t v 信号能在美国规定的现用电 视广播6 m h z 频道内进行地面j 。播。( 3 ) h d t v 的地面广播从启用现在禁用( t a b o o ) 频道开始，由 于禁j h 频道的邻近频道往往是已经在使川的频道或者本身是邻近地区在使用的频道，因此h d t v 广捅的接收机应具备对付常规电视干扰的能力，同时要尽量避免对现有常规电视的干扰。 1 9 9 3 年5 月2 4 日，酝酿已久的“大联盟”( g r a n da l l i a n c e ) 终于组成，至此避免了一场旷日持 久的技术战及未来的专利战减少了人力及资金的f ! 人耗费，g a 的h d t v 系统将是具有世界级的图 像清晰度的系统。g a 经过4 个多月的紧张i 作，就一些重大的问题取得了结果：( 】) 图像压缩编码 采_ l m p e g 2 标准格式为m p h l ，并向f 兼容。( 2 ) 伴音选定d o l b y a c 3 。( 3 ) 多种扫描制式 的采坍。 对于g a 的传输制式直到1 9 9 4 年2 爿公布测试结果后才确定：地面广播采用8 v s b ，有线电视采 川1 6 v s b 。测试结果表明：地面广播中8 v s b 稍优f - 3 2 q a m ，有限电视中1 6 v s b 在优于6 4 q a m 。 1 9 9 4 年5 月止式公布人联盟方案该方案集中了其它几种方案的优点，采用2 3 速率的t c m 和能纠正1 0 个错误字的r s ( 2 0 7 ，1 8 7 ) f l l 成的级联码同时采用前向7 8 节，后向1 7 7 节的自适应 判决反馈均衡器，利朋梳状滤波器来抑制n f s c 的i l = d 频干扰。 往此之后，g a 加快了研究的步伐。经过8 年的研究和开发，f c c 终于在1 9 9 6 年1 2 月2 4 日正 式采纳g a 的h d t v 标准作为高清晰度电视的j l ：式标准。g a 的标准测试是在亚历山德里市的高级电 视试验中心( a t t c ) 进行的，现场接收试验台魁夏洛特电视台，结果表明：接收到的h d t v 视音频 信号质域与h d t v 信源质最一致，超过了f c c 顾委员会儿年前设定的目标，甚至快速活动视频的 播放质鼙也近丁完美。d o l b y 数字音频系统( a c - 3 ) 的试验结果正常。但测试中也发现了h d t v 可 能干扰相邻n t s c 频道的视音频信号。视频信号可通过更精密的技术手段加以解决，而音频干扰的解 决就存在一定的困难上策是通过调整每个礼i ) ( 的i i d t v 信号，以尽可能的消除干扰。下策是不使 川相邻频道或降低播放功率，但降低功率会减少信吁覆盖面积。 由于数字h d t v 相对模拟h d t v 的巨人优越性欧洲于1 9 9 3 年放弃了模拟h d - m a c 的研制， 而借鉴美国开发h d t v 的经验和模式，人力推进欧洲大陆数字h d t v 的研究应用，成立了欧洲开发 数字图像广播行动小组( e u r o p e a nl a u n c hg r o u p e l g ) 由1 1 个国家的1 3 0 多个组织，包括t o m s o n 、 p h i l i p s 等制造商欧j “联，b b c 等j l 播台，德法_ i i 丑信网络以及欧共体各国政府。现有9 个技术项目： 德幽的h d t v - t ，法国的s t e r n e ，d i a m o n d 英国的s p e c t r e ，北欧三国( 瑞典、丹麦和挪威) 的h d d i v i n e ，以及多国联合的r a c e ，d t - t bl ：程。将归属在e l g 下制定的数字总规划称为 d t b 2 0 0 0 拟采_ _ j 的技术：信源编码_ l 】m p e g 2 ，信道编码用c o f d m ，伴音_ l jm u s i c a m ，并拟用 往整个欧洲火陆的地面、卫星和电缆j 播q ，。1 9 9 5 年2 月，日本成立了d t v 实验室，预算3 0 亿元， 花4 年时间，建立带宽6 m h z ，可移动接收f 1 9c o f i ) m 系统。 住我国，h d t v 起步虽然较晚，但是 j 前困家m 常重视h d t v 的开发，1 9 9 6 年7 月国家科委高 技术研究发展中心就h d t v 功能样机系统进行公开 了 标，我校承担了该系统的信道子系统v s b 方案 的研制作。2 0 0 0 年1 0 月1 日，我国进行了国庆阅兵的h d t v 试播，结果非常成功。预计我国的 h d t v 方案将在一两年内山台国家标准。 第二节集成电路设计发展方向 视频集成解码芯片的设计研究涉及到超人规模集成电路( v e r yl a r g es c a l ei n t e g r a t i o n ，v l s i ) 设 浙江大学颂j ：学位论义 第一章绪论 计和单芯片系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) 设计两个方面的技术。随着v l s i 工艺技术的发展，器件 特征尺寸越来越小，芯片规模越来越火，数卣万f j 级的电路可以集成在一个芯片上，为系统集成开辟 了“阔的工艺技术途径。在本节的以下部分将分别对这两个方面进行阐述。 1 2 1v l s i 设计技术 1 9 5 9 年殴计出来的第一个集成电路h , 4 f4 个l 川奉管，而到了1 9 9 7 年，一个芯片上可集成的晶体 管数目已高达4 0 多亿个。3 0 多年来集成电路披术发生了惊人的变化。它经历了小规模( s m a l ls c a l e i n t e g r a t i o n ，s s i ) 、中规模( m s i ) 、人规模( l s i ) 、超人规模( v l s i ) 阶段目前己进入特大规模( u l s i ) 阶段。 集成电路设计技术的发展离不开集成电路没计自动化( e l e c t r o n i c d e s i g n a u t o m a t