基于多DSP+FPGA的卫星遥感图像压缩系统设计

　　2.3 接口设计

　　线阵CCD相机图像灰度数据以串行方式及LVDS信号电平输出。为了便于DSP串口接收，由FPGA进行电平转换，并依据相关串行协议进行时序转换。而压缩图像编码则经DSP串口输出，由FPGA进行电平转换，并依据压缩机输出接口时序进行相应的转换。

　　遥控机输出线有指令线、地线，在使用端上拉。指令整形输出后如需要负脉冲可再外加一级反相器或在FPGA内部实现。遥测接口分为模拟遥测、数字遥测和数据遥测三部分，模拟遥测主要针对电源(5V、1.5V、1.4V等)进行遥测，遥测输出电平为0～5V;数字遥测主要对分机中关键器件工作状态进行遥测，遥测输出电平为TTL电平;数据遥测主要对内部运行状态进行遥测。

　　3 压缩算法在DSP实现中的关键技术及并行处理

　　3.1 C6000系列CPU结构与流水线

　　C6000系列CPU采用哈佛结构，指令取指与执行可以并行运行。程序总线宽度为256bit，每一次取指操作都是取8条指令，成为一个取指包。取指、指令分配和指令译码都具备每周期读取并传递8条32位指令的能力。C64xx系列CPU有两个数据通路A和B，每个通路有4个功能单元(.L、.S、.M和.D)，不同的8个功能单元中的指令均可并行执行。

　　现代微处理器把指令分成几个子操作，每个子操作在微处理器内部可由不同的部件来完成。在同一时间内，可有多条指令交迭地在不同部件内处理，这种工作方式就是“流水线”(pipeline)工作方式。TMS320C6000的特殊结构可使多个指令包(每包最多8条指令)交迭地在不同部件内处理，大大提高了微处理器的吞吐量。

　　3.2 数据类型转换与数据溢出问题

　　TMS320C6000系列DSP的数据打包处理技术，可以使用宽长度的存储器对短字长的数据访问，这样可使编译出的代码性能显著提高。压缩算法在DSP实现中，采用short代替int来存储图像像素值和变换后的系数，并确保不会产生数据溢出。

　　对|T|的每一行求和，最大为2.8284。进行行列两次变换，最终变换系数最大为图像像素值的8倍。当图像像素占8位或10位时，包括符号位1位，16位存储变换系数不会溢出。

　　3.3 并行计算

　　压缩算法核心软件结构如图4所示。

　　各子函数采用汇编语言编写，在C6000系列DSP中优化代码的关键是如何实现代码的并行。针对C64XX系列处理器的指令特点，采取以下并行处理措施：

　　(1)双通路。处理系数平均安排，分别分布在A、B两通路;

　　(2)数据打包处理技术。用LDW和STW一次读取和存储两个16位系数;

　　(3)半字操作指令。每条指令处理两个16位系数;

　　(4)多功能单元。两通路内各8个系数的计算充分利用L、S、M和D四个功能单元。

　　4 实验结果与结论

　　以一组40幅中科院遥感所提供的1024×1024×8图像为样本，用4：1和8：1两种压缩比，对遥感图像压缩系统样机进行测试。测试结果如下：

　　(1)压缩比为4：1时，PSNR平均40dB以上，最低38dB;压缩比为8：1时，PSNR平均35dB以上，最低32dB。

　　(2)对1024×1024×8图像，压缩比为4：1时，单DSP处理时间在64ms以下;压缩比为8：1时，单DSP处理时间在48ms以下，为优化前时间的1/30。

　　(3)单DSP内部RAM能满足2路相机数据及中间系数缓存要求;

　　(4)单路功耗在0.5W以下，整机功耗不足15W。

　　结果表明，数据压缩系统设计合理，实际工作能满足图像质量和高速实时处理要求。但从人工判图的结果看，8：1压缩时，算法小目标保持情况不如JPEG2000。系统目前已进入初样阶段，希望在算法尤其是编码算法上继续研究并优化，进一步提高图像质量。