從非常簡單的消費類音/視頻播放器到在專業(yè)制作環(huán)境中使用的高度復雜的音視頻捕捉、編輯和回放系統(tǒng)，多媒體設備或系統(tǒng)的應用范圍非常廣泛。人們在實現(xiàn)這類應用系統(tǒng)時會使用特殊應用標準產(chǎn)品(ASSP)、專用數(shù)字信號處理器(DSP)、RSIC處理器和可編程邏輯等多種類型的技術。這些技術有各自的獨特優(yōu)勢和局限性。

可編程邏輯的好處是靈活性高，易于擴展，可以采用可重配置技術進行多媒體信號處理。由可編程邏輯構成的典型模塊有乘法器、存儲器、協(xié)議接口和時鐘電路(如PLL)。這些模塊具有可擴展性，能夠適應從簡單到復雜的各種多媒體處理系統(tǒng)。把繁重的計算工作交給FPGA協(xié)處理器，由一個DSP器件和一個FPGA(而不是多達8-10個DSP器件)構成的FPGA高清方案具有更高的性價比。

視頻和嵌入式DSP模塊

創(chuàng)新的消費類需求，如1080p高清電視、多媒體家庭網(wǎng)關、高帶寬效率的機頂盒解碼器，一直在推動視頻和圖像處理應用快速向前發(fā)展。低成本FPGA(如Cyclone III系列)的優(yōu)點是能以ASIC的價格提供DSP性能、高度靈活性和更快的上市速度。Cyclone III系列中成本最低的是EP3C5器件，它擁有的嵌入式乘法器和邏輯資源足以在HDTV 1080p視頻應用中完成實時7x7像素濾波功能。面向更高端產(chǎn)品的Stratix III FPGA中所包含的DSP模塊可以提供600MHz以上性能的18x18乘法器。Stratix III DSP模塊還能以9x9、36x36和新的12x12模式支持可變比特寬度。該DSP模塊可以為每個18x18乘法器提供兩個9x9或一個半12x12乘法器。如圖1所示，級聯(lián)模式可以把一個DSP模塊的輸入傳送到下一級，進而實現(xiàn)更為卓越的整體性能。Stratix III FPGA的邏輯和存儲器結構還針對DSP應用進行了優(yōu)化，可以用MLAB模塊構成抽頭延遲線，用ALM(自適應邏輯模塊)中的快速3輸入加法器構成高效快速的加法器樹。

圖1：采用級聯(lián)模式的Stratix III DSP模塊。

隨著圖像捕捉、顯示器分辯率、高級壓縮技術和視頻智能方面不斷取得重大進展，視頻應用所要求的處理帶寬也在不斷增長。而標準的快速變化和更高的分辨率也促使設計者遠離現(xiàn)成技術。用可編程邏輯實現(xiàn)的模塊化可編程視頻和圖像處理方案具有性能高、靈活、升級方便、開發(fā)成本低等優(yōu)點，當產(chǎn)品成熟和生產(chǎn)批量攀升時，可編程邏輯還可提供轉(zhuǎn)移到更低成本的途徑。

FPGA內(nèi)部的嵌入式數(shù)字信號處理知識產(chǎn)權(IP)可以作為單獨的系統(tǒng)方案，也可以與標準的數(shù)字信號處理器一起作為協(xié)處理器使用。與標準的數(shù)字信號處理器相比，F(xiàn)PGA的主要優(yōu)點是內(nèi)建有高水平的并行處理機制，如圖2所示。而專用的RISC處理器無法滿足許多視頻和成像應用的所有處理要求。

圖2：DSP和FPGA并行處理方案的對比。

由于可以把繁重的計算任務交給FPGA協(xié)處理器來完成，F(xiàn)PGA方案改善了性價比，見圖3。例如，同使用多達8個到10個DSP器件的方案相比，用一個DSP器件和一個FPGA實現(xiàn)的高清方案成本效益更高。ASSP無力支持快速改變和不斷發(fā)展的視頻和成像標準。由于可以方便地通過升級來支持更高的分辨率和最新引入的視頻標準，F(xiàn)PGA可以用作視頻方案的通用平臺。

圖3：DSP與用作協(xié)處理器的FPGA一起使用。

FPGA的可重新編程能力也消除了設計過時的風險。ASIC需要較長的開發(fā)時間，基于ASIC的方案不能像FPGA方案那樣方便高效地進行修改。FPGA縮短了上市時間，消除了NRE(非重復工程)成本，可以通過實時改進來支持新興的標準、新的功能要求或?qū)Ω偁幷甙l(fā)布的新功能做出回應。

一個常見的設計挑戰(zhàn)是視頻分配通道受到帶寬限制。如果利用不同的視頻壓縮算法限制數(shù)字域中的可用帶寬，那么在顯示經(jīng)過解碼的數(shù)據(jù)流時將有不同的表現(xiàn)方式。如果提高視頻壓縮器的壓縮比，模塊式CODEC的離散余弦變換將產(chǎn)生馬賽克噪聲或干擾。使用FPGA對視頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)預壓縮和后壓縮可使編碼器更容易實現(xiàn)視頻壓縮，并可進一步改進圖像質(zhì)量，降低傳輸帶寬要求。對于有線、衛(wèi)星、電信和IPTV廣播業(yè)務模型來說，由于必須在狹窄的帶寬條件下滿足高質(zhì)量要求，這種功能的意義更為重大。

預處理可在視頻數(shù)據(jù)進入編碼器之前用2D濾波平滑掉一些高頻成分，從而降低馬賽克噪聲。2D FIR濾波器和中值濾波器功能可以利用3x3、5x5或7x7恒定系數(shù)矩陣提供靈活和高效的2D FIR濾波實現(xiàn)方式。