基于FPGA的并行可变长解码器的实现技术

可变长编码（VLC）是一种无损熵编码，它广泛应用于多媒体信息处理等诸多领域。在H.261/263、MPEG1/2/3等国际标准中，VLC占有重要地位。VLC的基本思想是对一组出现概率各不相同的信源符号，采用不同长度的码字表示，对出现概率高的信源符号采用短码字，对出现概率低的信源符号采用长码字。Huffman编码是一种典型的VLC，其编码码字的平均码长非常接近于数据压缩的理论极限——熵。

可变长解码（VLD）是VLC的逆过程，它从一组连续的码流中提取出可变长码字，并将之转换为对应的信源符号。由于在VLC过程中，码字之间通常不会加入任何分隔标识，这就造成了在解码过程中识别码字的困难。因此，在VLD过程中，变长码字必须逐一识别，只有码流中居前的码字被识别之后，才能定位后序码字的起始位置，这一点在很大程度上限制了VLD运行的效率。

本文讨论一种新型的VLD解码结构，它通过并行侦测多路码字，将Buffer中的多个可变长码一次读出，这将极大地提高VLD的吞吐量和执行效率。然后采用FPGA对这种并行VLD算法的结构进行验证，最终得出相应结论。

1 算法描述

由于码流中的可变长码之间具有前向依赖性，因此如何确定可变长码码字在连续码流中的起始位置是VLD的关键所在。传统的VLD解码方案主要为位串行解码方案和位并行解码方案两种。

在位串行解码方案中，码流逐位送入解码器，解码器通过逐位匹配实现可变长码的解码。这种过程实质上是一种建造Huffman树的反过程，从根节点出发，直至叶子节点为止。由于这种方式采用逐位操作方式，而可变长码的码长又各不相同，使得码字识别所需的运行周期也不相同。在解码长较短的码字时，其解码速度较快，而在解码长较长的码字时，其解码速度较慢。显然，位串行解码方案效率相对较低，解码速度因码字长度不同而不同，无法满足某些对实时性要求较高的应用场合。

针对位串行解码方案的不足，多种位并行解码方案被提出。位并行解码方案采用并行方式工作，通过对可变长码的码字进行排序（Ordering）、分割（Partitioning）和簇化（Clustering），采用基于逻辑块的匹配模式中其它树的匹配模式来实现。并行解码方案大大提高了可变长码的解码效率，而且可以确何每个运行周期输出一个解码码字，实现稳定的解码输出。在高级的位并行解码方案中，还可以将解码过程分解为若干阶段，引入流水线操作，进一步提高解码效率。

在传统的VLD解码方案的基础之上，采用并行操作方式，增加硬件资源和相应的控制逻辑，可实现一个运行周期输出多个解码码字，使可变长码的解码效率进一步得到提高。

由于可变长码长度不同，在解码过程中码字存在前向依赖性。如果采用多路并行操作方式，在所有可能成为可变长码码字的起始位置同时进行预测，然后通过后续控制筛选出合法的码字，就可以对多个可变长码实现同时解码。这就是多符号可变长并行解码方案的基本思想。

具体说明如下：假设某个信源符号集有K个符号，K个符号所对应的变长码字用Ck=（cok,…,cimk-1）|ckl∈{0,1},k=0,…,k-1表示，这些变长码的长度为集合L，其中最长的码长用ln表示，最短的码长用l1表示；具有相同码长的码字最多为dmax个。现采用分页方式重新组织这些可变长码，将具有相同码长的码字存入一个页内，那么易知一个页内最多可能拥有dmax个码字。为了识别一个页内的不同码字，还需要引入页内偏移量，然后采用线性结构将这些页面重新组合。

下面给出一个依据该思想重新组织信源符号的实例：

对于存储在Buffer中的等待解码的数据码流X，用滑动窗口从中截取前N位，这里的N应当大于或等于可变长码中最长码字的码长，即N≥ln。由于可变长码最短的码长为l1，因此在这N位码流中，最多可包含M=[N/l1]个可变长码。为了表示方便，这里用Wi(i=0,1,…，M-1)表示这M个可变长码。

虽然，对于W0，其起始位置必然为0；如果W0的码长为L0，那么W1的起始位置则为L0；如果W1的码长为L1，那么W2的起始位置为L0+L1，依此类推。由于在解码开始时，L0的取值无法明确，其可能取值范围是l1≤L0≤Ln，因此每个Wi的可能起始位置分别由一组值组成。

为了实现并行解码，采用多个可变长码检测单元从所有可能的起始位置同时侦测，一旦W0的码长L0被侦测出，就可以从所有已解码的可能的变长码中找出W1，并确定W1的码长L1，由此W2的起始位置也就得以确定。依此类推，最多可逐次将Wi(i=0,1,…,M-1)个变长码解出。

作者：蒋勇 罗玉平 来源：电子技术应用