一种低功耗二维FDCT变换方法技术

本发明专利技术公开了一种低功耗二维FDCT变换方法，适用于无线多媒体传感器网络(WMSNs)。本发明专利技术从低功耗的角度出发，消除传统DCT变换中的乘法操作，利用余弦因子的周期旋转特性，提出了一种基于共享乘积因子的移位累加单元的低功耗二维FDCT变换方法，该方法通过共享余弦系数矩阵中的乘积因子，最大限度的降低二维FDCT的运算量，实现功耗降低的目的。本文提出的DCT变换方法最终能在单个时钟内实现八位像素数据的编码操作，同时不要求数据同时输入，采用流水线思想大大提高了电路的性能。本发明专利技术拥有的低功耗及高性能的特点，使其非常适用于WMSNs网络节点中的专用图像处理器设计。

【技术实现步骤摘要】
一种低功耗二维FDCT变换方法
本专利技术涉及一种二维FDCT变换方法，具体涉及一种用于WMSNs等应用场景的低功 耗二维FDCT变换方法。
技术介绍
无线传感器网络在最近几年是一个相对比较新的研究领域，它被认为是21世纪 里最重要的一门技术，它是无线通信领域的研究焦点。它的应用吸引了军事、工业以及学术 领域的很大的关注。由于人类感知的信息是通过图像和声音来表达的，而市场上又出现了 CMOS摄像头和麦克风等低成本硬件，所以发展出了无线多媒体传感器网络。无线多媒体传 感器网络在传统的无线传感器网络中加入了音频和视频等多媒体信息，能广泛的用于媒体 监控网络、只能交通、环境监控等安全领域。 在无线多媒体传感器网络中，为了保证无线多媒体传感器网络采集到信息的正确 性、精确性和网络的容错性，无线传感器网络部署了大量的节点，系统的功耗会随着节点的 增多而增加。同时，无线多媒体传感器网络对多媒体信息的处理过程要更加复杂，运算量更 大，消耗的功耗更多，而在多数情况下，无线传感器网络是采用电池供电，电池的电量是有 限的，所以就要求要尽可能的降低系统的功耗来延长电池供电时间。 低功耗的设计是一个复杂的课题，就流程而言，包括功耗建模、评估以及优化等，就设 计抽象层次而言，包括工艺级、RTL级和算法级等所有抽象层次。在工艺级，优先考虑的是 减少I/O功耗。电路级的低功耗技术，主要是针对动态功耗而言，具体涉及的方面有电源电 压、物理电容、开关频率等方面，其中动态功耗与电源电压的平方成正比关系，通过降低电 源电压可以大幅降低动态功耗。在门级电路设计和综合阶段所采用的功耗优化技术有很多 种，主要包括：时序调整、公因子提取、工艺映射、门级尺寸优化、逻辑分解等。RTL级降低功 耗主要是采用减少寄存器不必要的跳变来完成，这种跳变并不会对电路逻辑功能的输出产 生影响，也就是输出值未改变而电路在跳变，从而导致了功耗的增加。常用的低功耗结构有 两种：并行结构和流水线结构，这两种结构不仅常用于高速电路中用来提高电路吞吐量，在 保持电路原有的吞吐量不变时，还可以用来作为降低功耗的手段。降低功耗在芯片的整个 设计流程中考虑得越早越好，这样可以最有效地降低功耗，避免反复设计造成的成本浪费。 算法级上的功耗对整个系统的功耗有重要的影响，采用的方式是使用低功耗的压 缩算法。在压缩算法中，JPEG编解码是最常用的压缩算法，而JPEG编解码电路中，功耗占 用比例最高的是DCT模块，所以如何改进DCT算法决定了整个无线传感器网络的功耗。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种用于无线多媒体传感器网络中的低功耗二维FDCT变换 方法，其在有效降低电路所需功耗的同时还具有高速率和高吞吐量的优点，只需一个周期 就能够完成和7个余弦系数的乘法运算，等同于把一个串行运算转换成7个并行运行，节省 了大量的运算时间，实现功耗的明显降低。非常适用于WMSNs的应用场合。 本专利技术的技术方案是： 一种低功耗二维FDCT变换方法，该方法包括以下步骤： (1) 将输入的像素数据先进行位数扩展操作，之后送入由寄存器和复选MUX构成的零 值旁路逻辑，避免对零值进行复杂的乘法运算； (2) 若输入值非零，则将该值送入七个乘积因子的移位累加单元，乘积因子的选择由状 态机控制； (3) 将像素数据与固定余弦因子的乘积结果，通过交叉选择逻辑，送入八个不同的累加 器； (4) 由控制信号控制累加寄存器累加的中间结果，在完成累加后，将最终的累加结果赋 给移位寄存器；8个移位寄存器从8个累加寄存器获取累加结果，然后在八个时钟周期内分 别移位输出到转置RAM中； (5) 在第一维变换按行/列方向结束后，对其结果再按列/行方向做第二维的变换；按 行扫描的地址顺序存入行变换后的数据，当写指针加到56时，开始按列扫描顺序读取数据 进行列变换，实现将一维FDCT的变换结果进行转置的功能； (6) 控制模块产生逻辑控制信号，协调整个变换过程中各模块的工作，保证模块的流水 线操作；在变换数据开始输出的前一个时钟周期，将ready信号保持一个时钟的高电平，提 示二维FDC变换结果的有效输出。 优选的，采用基于共享乘积因子的移位累加单元实现FDCT变换中的乘法操作。 优选的，优化出满足计算精度要求的最少共享乘积因子集合。 优选的，用带符号的二进制小数对固定余弦系数进行截断，在截断操作前去除矩 阵中的计算冗余。 优选的，设计交叉选择逻辑，对输入像素数据与固定余弦系数的机械相乘结果进 行调整排序，将每个时钟送入的像素数据与八个相应矩阵余弦因子的乘积结果分别送入正 确的累加器。 优选的，用状态机控制每级流水线中，共享乘积因子在系数矩阵中每行所对应的 符号。 优选的，平衡各个变换结果的计算路径，每个共享乘积因子通过2-3级加法器，实 现与固定余弦系数的乘法操作。 本专利技术的技术效果有： 本专利技术提供的基于共享乘积因子的移位累加单元实现FDCT变换中的乘法操作，避免 了传统FDCT变换中使用ROM形成的复杂查找表和直接使用占用面积很大的乘法器，有效降 低功耗的同时节省了所需的硬件资源。共享乘积因子的移位累加单元由预乘积单元和移 位累加单元构成。优化出满足计算精度要求的最小数目的共享乘积因子，通过预乘积单元 实现和像素数据的乘法操作。移位累加单元通过数据选择单元选择需要进行累加的数值， 经过8个时钟周期就能得到一维FDCT的变换结果，最后通过流水线寄存器将并行输出的 8个变换数据转化为串行输出，存储到转置RAM中。通过控制单元产生转置RAM的读地址 信号，以及乘累加单元和数据选择单元的控制信号。最后通过PTPX工具对低功耗二维DCT 变换器进行功耗测试，测试结果表明本专利提出的低功耗二维DCT变换器的整体功耗仅有 16. 639mW，占用的逻辑门数约为72583。 【附图说明】 图1为本专利技术实施例中低功耗二维FDCT变换器的离散余弦变换单元的结构图； 图2为本专利技术实施例中低功耗二维FDCT变换器的整体架构； 图3为本专利技术实施例中共享乘积因子阵列的实现方法示意图； 图4为本专利技术实施例中累加单元结构图； 图5为本专利技术实施例中控制单元的结构图； 图6为本专利技术实施例中双端口 RAM行变换写地址memh的具体实现过程； 图7为本专利技术实施例中双端口 RAM列变换读地址memv的具体实现过程。 【具体实施方式】 以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明 本专利技术而不限于限制本专利技术的范围。实施例中采用的实施条件可以根据具体厂家的条件做 进一步调整，未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。 实施例： 下面结合附图对专利技术的技术方案进行详细说明。本专利技术目的在于提供一种用于无线多 媒体传感器网络中的低功耗二维FDCT变换方法。该方法的具体实现如图2所示。图2为 二维FDCT的整体架构，从中可以看出，该方法由离散余弦变换单元、控制单元和转置RAM这 三部分构成。 图1显示了离散余弦变换单元的结构图。如图1所示，首先经过预处理单元通过 零值旁路逻辑避免对零值进行复杂的乘法运算，并将输入的图像数据减去128，使输入数据 的取值范围满本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低功耗二维FDCT变换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：（1）将输入的像素数据先进行位数扩展操作，之后送入由寄存器和复选MUX构成的零值旁路逻辑，避免对零值进行复杂的乘法运算；（2）若输入值非零，则将该值送入七个乘积因子的移位累加单元，乘积因子的选择由状态机控制；（3）将像素数据与固定余弦因子的乘积结果，通过交叉选择逻辑，送入八个不同的累加器； （4）由控制信号控制累加寄存器累加的中间结果，在完成累加后，将最终的累加结果赋给移位寄存器；8个移位寄存器从8个累加寄存器获取累加结果，然后在八个时钟周期内分别移位输出到转置RAM中；（5）在第一维变换按行/列方向结束后，对其结果再按列/行方向做第二维的变换；按行扫描的地址顺序存入行变换后的数据，当写指针加到56时，开始按列扫描顺序读取数据进行列变换，实现将一维FDCT的变换结果进行转置的功能；（6）控制模块产生逻辑控制信号，协调整个变换过程中各模块的工作，保证模块的流水线操作；在变换数据开始输出的前一个时钟周期，将ready信号保持一个时钟的高电平，提示二维FDC变换结果的有效输出。

【技术特征摘要】
1. 一种低功耗二维FDCT变换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1) 将输入的像素数据先进行位数扩展操作，之后送入由寄存器和复选MUX构成的零 值旁路逻辑，避免对零值进行复杂的乘法运算； (2) 若输入值非零，则将该值送入七个乘积因子的移位累加单元，乘积因子的选择由状 态机控制； (3) 将像素数据与固定余弦因子的乘积结果，通过交叉选择逻辑，送入八个不同的累加 器； (4) 由控制信号控制累加寄存器累加的中间结果，在完成累加后，将最终的累加结果赋 给移位寄存器；8个移位寄存器从8个累加寄存器获取累加结果，然后在八个时钟周期内分 别移位输出到转置RAM中； (5) 在第一维变换按行/列方向结束后，对其结果再按列/行方向做第二维的变换；按 行扫描的地址顺序存入行变换后的数据，当写指针加到56时，开始按列扫描顺序读取数据 进行列变换，实现将一维FDCT的变换结果进行转置的功能； (6) 控制模块产生逻辑控制信号，协调整个变换过程中各模块的工作，保证模块的流水 线操作；在变换数据开始输出的前一个时钟周期，将ready信号保持一个时...

【专利技术属性】
技术研发人员：周晓明，王薇，归成希，张燕，陈玲，
申请(专利权)人：苏州博联科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32