离散小波变换的硬件架构研究及其芯片实现

摘要

在信号处理、通信等诸多工程应用领域中,小波变换以其能在时频两域内表征信号局部特性的能力,发挥着极其重要的作用.但因为它具有较高的计算复杂度和很强的数据关联度,所以硬件实现难度较大.现今的几种小波变换的硬件实现方案及芯片设计都正在探索研究之中,如何将小波理论应用于工程技术领域并设计出相应的实时处理芯片,是信号处理、数学、IC设计领域人士长期以来努力的目标.本文从实际应用的角度出发,研究了小波变换与工程技术结合的基础理论,并对快速离散小波变换的Mallat算法加以改进;研究了离散小波变换的硬件架构,并进行了芯片设计,最后通过FPGA仿真得以验证.本文以小波变换的理论为基础,根据实时性、通用性、可参数化和片上实现的系统设计目标,最终确定了离散小波变换的硬件架构实现方案.在该方案的实现过程中,采用了双缓冲的存储系统结构,并通过对内部数据规律的进一步研究,提出了一种存储器优化技术—同址运算,降低了对存储容量的要求,提高了硬件利用率.在运算单元设计过程中,在双缓存结构的作用下,通过运用4级流水线技术,进一步提高了系统实时处理数据的能力,更有利于将其用于多媒体信号处理等实时处理系统.另外,本文还专门探讨了如何将小波变换的良好特性用于信号消噪.在消噪算法的选择上,考虑到硬件的可实现性,采用了不定阈值法.在最后的芯片设计上,采用了Top-Down的设计思想,最终完成了离散小波变换硬件架构的芯片设计(逻辑功能设计),并进行了相应的系统级功能仿真,确保了设计的可行性和正确性,验证了本文所提出的离散小波变换硬件架构的正确性和可实现性,为后面的进一步研究打下了坚实的基础.

目录

文摘

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第一章概述

1.1小波变换的理论发展

1.2小波变换在信号处理中的应用

1.2.1小波变换用于信号的时频两域分析

1.2.2小波变换用于信号的滤波

1.2.3小波变换用于表征信号的突变特征

1.2.4小波变换用于图像信号处理

1.3小波变换硬件实现的现状

1.4本课题的目标、意义及笔者的主要工作

1.4.1课题的目标

1.4.2课题的意义

1.4.3笔者的工作内容

第二章小波变换的基本理论和算法研究

2.1小波变换的基本理论

2.1.1连续小波变换

2.1.2离散小波变换

2.1.3多分辨率分析

2.2离散小波变换的快速算法及其改进

2.2.1 Mallat快速算法

2.2.2 Mallat算法的改进

2.3小波变换用于信号消噪

2.3.1信号消噪技术的现状

2.3.2小波变换消噪的理论知识

2.3.3小波变换消噪算法的研究

2.3.4小波变换消噪的算法实现

2.3.5算法验证及结论

2.4小结

第三章离散小波变换的硬件架构设计

3.1系统的设计目标

3.2系统硬件架构方案的确定

3.3基于分帧处理的硬件架构设计

3.3.1存储单元的设计

3.3.2运算单元的设计

3.4系统设计中的有关指标

3.5小结

第四章离散小波变换的芯片实现

4.1芯片设计流程

4.2系统设计前的软件仿真

4.3系统芯片的参数定义

4.3.1芯片的接口定义

4.3.2芯片性能指标的确定

4.4系统芯片的逻辑设计

4.4.1接口单元

4.4.2存储单元

4.4.3运算单元

4.4.4控制单元

4.5整个系统芯片的工作时序

4.6外部应用单元

4.7小结

第五章芯片设计的仿真与验证

5.1系统芯片的仿真测试过程

5.1.1单个模块的仿真测试

5.1.2系统整体的仿真测试

5.1.3系统的FPGA验证

5.1.4系统的FPGA仿真结果

5.2系统芯片的综合

5.3系统应用单元的验证

5.4小结

第六章总结与展望

6.1课题研究总结

6.2课题的发展前景

参考文献

作者攻读硕士学位期间已发表的论文

致谢

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