隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在應(yīng)用領(lǐng)域的迅速發(fā)展，以DSP處理器(如TI的TMS320系列)為應(yīng)用系統(tǒng)核心器件的傳統(tǒng)DSP技術(shù)，由于其硬件結(jié)構(gòu)的不可變性和固定的數(shù)據(jù)總線寬度，很難滿足用戶對(duì)DSP系統(tǒng)可重配置性或可定制性的要求。而以大容量、高速度的FPGA為核心器件的現(xiàn)代DSP技術(shù)的出現(xiàn)成功解決了以上問(wèn)題。FPGA內(nèi)嵌有可配置的高速RAM、PLL以及硬件乘法累加器等DSP模塊。因此，用FPGA實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理可以很好地解決并行性和速度問(wèn)題，而且其靈活的可配置特性，使得以FPGA為核心器件的DSP系統(tǒng)易于修改、測(cè)試及硬件升級(jí)。
    本文利用Altera公司推出的一個(gè)面向DSP開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具DSP Builder，在深入研究JPEG算法原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了JPEG算法模型，并在Matalab/Simulink環(huán)境下進(jìn)行了算法級(jí)仿真；最后將算法編譯下載到FPGA硬件上，利用DSP Builder的HIL(Hardware In Loop)功能，由Simulink通過(guò)下載電纜向硬件輸入測(cè)試數(shù)據(jù)，然后將測(cè)試結(jié)果送入Simulink中顯示。采用這種方法實(shí)現(xiàn)了硬件級(jí)的仿真驗(yàn)證。
1 DSP Builder介紹
    DSP Builder開(kāi)發(fā)工具是Altera公司提供的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái),它是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)(或算法級(jí))設(shè)計(jì)工具,架構(gòu)在多個(gè)軟件工具之上，并把系統(tǒng)級(jí)和RTL級(jí)兩個(gè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)工具連接起來(lái)，最大程度地發(fā)揮了兩種工具的優(yōu)勢(shì)。DSP Builder依賴于MathWorks公司的數(shù)學(xué)分析工具M(jìn)atlab/Simulink，以Simulink的Blockset出現(xiàn)，可以在Simulink中進(jìn)行圖形化設(shè)計(jì)和仿真，同時(shí)通過(guò)SignalCompiler把Matlab/Simulink的設(shè)計(jì)文件(.mdl)轉(zhuǎn)成相應(yīng)的硬件描述語(yǔ)言VHDL設(shè)計(jì)文件(.vhd)，以及用于控制綜合與編譯的TCL腳本。而對(duì)后者的處理可以由FPGA/CPLD開(kāi)發(fā)工具Quartus II來(lái)完成。
    設(shè)計(jì)人員能夠同時(shí)進(jìn)行多個(gè)HDL模型或者QuartusII軟件設(shè)計(jì)工程的設(shè)計(jì)，為每一個(gè)模塊生成一個(gè)獨(dú)立的仿真模型，并且能夠在同一設(shè)計(jì)環(huán)境中，以標(biāo)準(zhǔn)Simulink/DSP Builder模型來(lái)仿真HDL模塊。此外，該工具可充分利用和重復(fù)使用現(xiàn)有設(shè)計(jì)，從而大大提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。在仿真軟件方面，除了可以利用Simulink的仿真環(huán)境，DSP Builder還提供了與Modelsim的接口，充分利用Modelsim仿真的優(yōu)勢(shì)。以前DSP開(kāi)發(fā)者只能直接使用VHDL或VerilogHDL語(yǔ)言進(jìn)行FPGA的DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)，難度比較大。現(xiàn)在利用基于FPGA的DSP開(kāi)發(fā)工具DSP Builder以及完整的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái),可以使設(shè)計(jì)者遵循一條類似于軟件設(shè)計(jì)流程的開(kāi)發(fā)方法進(jìn)行FPGA的DSP設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率大為提高。基于DSP Builder的系統(tǒng)級(jí)開(kāi)發(fā)流程如圖1所示。

2 JPEG算法原理

    JPEG專家組開(kāi)發(fā)了兩種基本的壓縮算法，一種是以離散余弦變換DCT(Discrete Cosine Transform)為基礎(chǔ)的有損壓縮算法；另一種是以預(yù)測(cè)技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)損壓縮算法。使用有損壓縮算法時(shí)，在壓縮比為25:1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別，因此得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在VCD和DVD-Video電視圖像壓縮技術(shù) 中，就使用JPEG的有損壓縮算法來(lái)取消空間方向上的冗余數(shù)據(jù)。
    JPEG壓縮是有損壓縮，它利用了人眼視角系統(tǒng)的特性，使用量化和無(wú)損壓縮編碼相結(jié)合來(lái)去掉視角的冗余信息和數(shù)據(jù)本身的冗余信息。JPEG算法框圖如圖2所示。

    壓縮編碼大致分成三個(gè)步驟：
    (1)使用正向離散余弦變換FDCT把空間域表示的圖變換成頻率域表示的圖。
    (2)使用加權(quán)函數(shù)對(duì)DCT系數(shù)進(jìn)行量化，這個(gè)加權(quán)函數(shù)對(duì)于人的視覺(jué)系統(tǒng)是最佳的。
    (3)使用霍夫曼可變字長(zhǎng)編碼器對(duì)量化系數(shù)進(jìn)行編碼。譯碼(或者叫解壓縮)過(guò)程與壓縮編碼過(guò)程相反。
3 JPEG算法模型的實(shí)現(xiàn)
    在DSP Builder下進(jìn)行系統(tǒng)搭建。DSP Builder平臺(tái)提供了加法器、乘法器以及數(shù)字信號(hào)處理涉及到的眾多模塊，對(duì)這些模塊可以進(jìn)行可視化的參數(shù)編輯。本設(shè)計(jì)從Ｍatlab的Workspace中導(dǎo)入需要壓縮的圖像，然后通過(guò)用DSP Builder構(gòu)建的JPEG壓縮算法壓縮編解碼，最后在Matlab中顯示重建的圖像。JPEG靜態(tài)圖像壓縮算法壓縮的對(duì)象是YCbCr格式的，所以在進(jìn)行圖像壓縮前要進(jìn)行預(yù)處理。通過(guò)Matlab中的Color Space Conversion將RGB格式的圖像轉(zhuǎn)換成YcbCr格式。
    待壓縮的圖像數(shù)據(jù)首先要進(jìn)行DCT變換，受FPGA硬件資源的限制，可以先進(jìn)行一維行變換，將得到的數(shù)據(jù)按列存儲(chǔ)到RAM中，等到數(shù)據(jù)全部輸入到RAM中，再對(duì)RAM中的數(shù)據(jù)進(jìn)行一維的DCT行變換。然后重復(fù)利用一維的DCT模塊，以節(jié)省硬件資源。
    DCT變換后的頻率系數(shù)要進(jìn)行量化。JPEG算法使用均勻量化器進(jìn)行量化，量化步距按照系數(shù)所在的位置和每種顏色分量的色調(diào)值確定。因?yàn)槿搜蹖?duì)亮度信號(hào)與對(duì)色差信號(hào)敏感度不同，因此使用了兩種量化表。設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法為：將DCT系數(shù)除以量化步長(zhǎng)取整數(shù)。為了保證DCT系數(shù)中低頻分量先出現(xiàn)，高頻分量后出現(xiàn)，量化后的系數(shù)要重新編排，JPEG算法采用Z字型編碼，增加了連續(xù)“0”系數(shù)的個(gè)數(shù)，即“0”的游程長(zhǎng)度，以達(dá)到用更少的數(shù)據(jù)表示更多信息的目的，從而優(yōu)化編碼。量化的目的是減小非“0”系數(shù)的幅度以及增加“0”值系數(shù)的數(shù)目。
    JPEG算法使用了差分脈沖調(diào)制編碼（DPCM）技術(shù)，對(duì)相鄰圖像塊之間量化DC系數(shù)的差值（Delta）進(jìn)行編碼。量化交流AC系數(shù)的特點(diǎn)是1×64矢量中包含許多“0”系數(shù)，并且許多“0”是連續(xù)的，因此使用非常簡(jiǎn)單和直觀的游程長(zhǎng)度編碼(RLE)對(duì)它們進(jìn)行編碼。使用熵編碼還可以對(duì)DPCM編碼后的直流DC系數(shù)和RLE編碼后的交流AC系數(shù)作進(jìn)一步壓縮。在JPEG有損壓縮算法中，通過(guò)使用霍夫曼編碼器來(lái)減少熵，原因是使用霍夫曼編碼器可以用很簡(jiǎn)單的查表（Lookup Table）方法進(jìn)行編碼。壓縮數(shù)據(jù)符號(hào)時(shí)，霍夫曼編碼器對(duì)出現(xiàn)頻度比較高的符號(hào)分配比較短的代碼，而對(duì)出現(xiàn)頻度較低的符號(hào)分配比較長(zhǎng)的代碼。這種可變長(zhǎng)度的霍夫曼碼表可以事先定義。
    JPEG編碼的最后一個(gè)步驟是把各種標(biāo)記代碼和編碼后的圖像數(shù)據(jù)組成一幀一幀的數(shù)據(jù)，以便于傳輸、存儲(chǔ)和譯碼器譯碼，這種數(shù)據(jù)通常稱為JPEG位數(shù)據(jù)流。
4 模型仿真分析
    設(shè)計(jì)采用DSP Builder的HIL進(jìn)行仿真驗(yàn)證。HIL把設(shè)計(jì)包裹在一套接口中間進(jìn)行編譯，然后下載到板子的FPGA中。首先將模型文件(.mdl)用SignalCompiler編譯生成Quartus II的工程文件(.qpf)；然后將工程文件加載到HIL模塊中，在HIL模塊中進(jìn)行時(shí)鐘、復(fù)位等信號(hào)設(shè)置，選擇FPGA器件型號(hào)；最后編譯文件并將配置下載到FPGA中。Simulink通過(guò)下載電纜把測(cè)試數(shù)據(jù)不斷輸入，然后在輸出端不斷獲得硬件運(yùn)行的結(jié)果。利用HIL在硬件上進(jìn)行仿真，可以加快仿真速度，同時(shí)可對(duì)算法、時(shí)序和引腳配置進(jìn)行檢測(cè)。由于FPGA可以無(wú)限次燒錄，所以利用HIL進(jìn)行仿真非常方便。HIL仿真模塊如圖3所示。

    利用HIL進(jìn)行圖像的壓縮和解壓仿真驗(yàn)證，觀察經(jīng)過(guò)壓縮和解壓后的圖像可以發(fā)現(xiàn)，該仿真模型成功實(shí)現(xiàn)了JPEG靜態(tài)圖像壓縮的編解碼算法，解壓后的圖像效果很好。把SignalCompiler編譯生成Quartus II的工程文件(.qpf)下載到FPGA芯片中，觀察到使用的邏輯單元塊LE（Logic Elements）數(shù)量為1 224個(gè)，而用VHDL語(yǔ)言編寫JPEG算法下載到FPGA芯片中將占用1 483個(gè)單元塊。表1表明用DSP Builder進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的算法設(shè)計(jì)與用傳統(tǒng)的VHDL語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)更節(jié)省硬件資源。

    應(yīng)用現(xiàn)代DSP技術(shù)，通過(guò)Altera公司提供的數(shù)字信號(hào)處理開(kāi)發(fā)工具DSP Builder搭建了JPEG靜態(tài)圖像壓縮編解碼模型，并用HIL進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的JPEG模型能夠成功實(shí)現(xiàn)靜態(tài)圖像的壓縮編解碼，且重建的圖像效果很好。應(yīng)用DSP Builder進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的算法設(shè)計(jì)相比用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)更節(jié)省硬件資源。
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