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可编程逻辑的多媒体信号处理
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2017-11-03
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从非常简单的消费类音/视频播放器到在专业制作环境中使用的高度复杂的音视频捕捉、编辑和回放系统，多媒体设备或系统的应用范围非常广泛。人们在实现这类应用系统时会使用特殊应用标准产品（ASSP）、专用数字信号处理器（DSP）、RSIC处理器和可编程逻辑等多种类型的技术。这些技术有各自的独特优势和局限性。
可编程逻辑的好处是灵活性高，易于扩展，可以采用可重配置技术进行多媒体信号处理。由可编程逻辑构成的典型模块有乘法器、存储器、协议接口和时钟电路（如PLL）。这些模块具有可扩展性，能够适应从简单到复杂的各种多媒体处理系统。把繁重的计算工作交给FPGA协处理器，由一个DSP器件和一个FPGA（而不是多达8-10个DSP器件）构成的FPGA高清方案具有更高的性价比。
视频和嵌入式DSP模块
创新的消费类需求，如1080p高清电视、多媒体家庭网关、高带宽效率的机顶盒解码器，一直在推动视频和图像处理应用快速向前发展。低成本FPGA（如Cyclone III系列）的优点是能以ASIC的价格提供DSP性能、高度灵活性和更快的上市速度。Cyclone III系列中成本最低的是EP3C5器件，它拥有的嵌入式乘法器和逻辑资源足以在HDTV 1080p视频应用中完成实时7x7像素滤波功能。面向更高端产品的Stratix III FPGA中所包含的DSP模块可以提供600MHz以上性能的18x18乘法器。Stratix III DSP模块还能以9x9、36x36和新的12x12模式支持可变比特宽度。该DSP模块可以为每个18x18乘法器提供两个9x9或一个半12x12乘法器。如图1所示，级联模式可以把一个DSP模块的输入传送到下一级，进而实现更为卓越的整体性能。Stratix III FPGA的逻辑和存储器结构还针对DSP应用进行了优化，可以用MLAB模块构成抽头延迟线，用ALM（自适应逻辑模块）中的快速3输入加法器构成高效快速的加法器树。
图1：采用级联模式的Stratix III DSP模块。
随着图像捕捉、显示器分辩率、高级压缩技术和视频智能方面不断取得重大进展，视频应用所要求的处理带宽也在不断增长。而标准的快速变化和更高的分辨率也促使设计者远离现成技术。用可编程逻辑实现的模块化可编程视频和图像处理方案具有性能高、灵活、升级方便、开发成本低等优点，当产品成熟和生产批量攀升时，可编程逻辑还可提供转移到更低成本的途径。
FPGA内部的嵌入式数字信号处理知识产权（IP）可以作为单独的系统方案，也可以与标准的数字信号处理器一起作为协处理器使用。与标准的数字信号处理器相比，FPGA的主要优点是内建有高水平的并行处理机制，如图2所示。而专用的RISC处理器无法满足许多视频和成像应用的所有处理要求。
可编程逻辑的好处是灵活性高，易于扩展，可以采用可重配置技术进行多媒体信号处理。由可编程逻辑构成的典型模块有乘法器、存储器、协议接口和时钟电路（如PLL）。这些模块具有可扩展性，能够适应从简单到复杂的各种多媒体处理系统。把繁重的计算工作交给FPGA协处理器，由一个DSP器件和一个FPGA（而不是多达8-10个DSP器件）构成的FPGA高清方案具有更高的性价比。
视频和嵌入式DSP模块
创新的消费类需求，如1080p高清电视、多媒体家庭网关、高带宽效率的机顶盒解码器，一直在推动视频和图像处理应用快速向前发展。低成本FPGA（如Cyclone III系列）的优点是能以ASIC的价格提供DSP性能、高度灵活性和更快的上市速度。Cyclone III系列中成本最低的是EP3C5器件，它拥有的嵌入式乘法器和逻辑资源足以在HDTV 1080p视频应用中完成实时7x7像素滤波功能。面向更高端产品的Stratix III FPGA中所包含的DSP模块可以提供600MHz以上性能的18x18乘法器。Stratix III DSP模块还能以9x9、36x36和新的12x12模式支持可变比特宽度。该DSP模块可以为每个18x18乘法器提供两个9x9或一个半12x12乘法器。如图1所示，级联模式可以把一个DSP模块的输入传送到下一级，进而实现更为卓越的整体性能。Stratix III FPGA的逻辑和存储器结构还针对DSP应用进行了优化，可以用MLAB模块构成抽头延迟线，用ALM（自适应逻辑模块）中的快速3输入加法器构成高效快速的加法器树。
图1：采用级联模式的Stratix III DSP模块。
随着图像捕捉、显示器分辩率、高级压缩技术和视频智能方面不断取得重大进展，视频应用所要求的处理带宽也在不断增长。而标准的快速变化和更高的分辨率也促使设计者远离现成技术。用可编程逻辑实现的模块化可编程视频和图像处理方案具有性能高、灵活、升级方便、开发成本低等优点，当产品成熟和生产批量攀升时，可编程逻辑还可提供转移到更低成本的途径。
FPGA内部的嵌入式数字信号处理知识产权（IP）可以作为单独的系统方案，也可以与标准的数字信号处理器一起作为协处理器使用。与标准的数字信号处理器相比，FPGA的主要优点是内建有高水平的并行处理机制，如图2所示。而专用的RISC处理器无法满足许多视频和成像应用的所有处理要求。
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