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无损数据压缩与解压缩的软件及硬件实现

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第一章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 数据压缩领域的研究现状

1.3 本文主要研究内容

第二章 数据压缩的理论基础

2.1 信息论基础

2.2 数据压缩的标准

2.3 数据压缩的分类

2.4 常用无损压缩算法

2.5 小结

第三章 LZW算法的建模及优化

3.1 LZW算法压缩与解压过程

3.2 字典查询方式优化

3.3 字典管理策略优化

3.4 字典参数的优化

3.5 解压阶段的优化

3.6 Verilog功能仿真

3.7 小结

第四章 系统的硬件实现

4.1 系统实现方案

4.2 FPGA芯片选择

4.3 外围电路及接口设计

4.4 FPGA的JTAG设计

4.5 FPGA设计与实现

4.6 小结

第五章 仿真及测试

5.1 压缩模块功能仿真

5.2 解压模块功能仿真

5.3 系统综合仿真

5.4 硬件测试

5.5 系统潜在问题分析

5.6 本章小结

第六章 总结和展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的研究成果

附录 硬件电路实物图

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摘要

随着科技的发展,需要处理的数据信息也变得越来越庞大.海量的数据信息会占用大量存储空间,同时还会占据大量传输带宽,这给信息的存储和传输都带来不便.因此,数据压缩正逐步的体现着其独特的重要性。此外,仅采用软件压缩会大量占用系统资源,严重影响系统运行速度。本文的研究课题正是基于上述背景提出的。
  本课题在广为使用的LZW算法的基础上进行了一定的改进,最后用FPGA实现了整个系统。首先,本文对常用到的无损数据压缩方法进行了对比。在综合考虑了压缩算法用软件实现时的特性和硬件实现的难易程度,选定了LZW算法作为本文的基础算法。然后,本文使用C语言对数据的无损压缩和解压进行了基于LZW的建模和仿真,并针对压缩和解压阶段进行了优化。在压缩阶段,优化了字典更新方式。新的字典更新方式放弃了经典LZW算法在字典满后清空字典的方式,而是在字典满之后只选择性的清空其中的一部分词条,从而使新的字典更新方式不仅对压缩速率有所提升,同时让LZW算法优于其他无损压缩方法的自适应特性得到了提高。在解压阶段,本文对原有的词条形成方式进行了扩展,新词条能够在解压阶段减少查询字典的次数,从而提高解压速度。然后本文将系统划分为几个模块,使用Verilog对各模块进行描述并使用Modelsim对其进行了功能仿真。最后,本文选用XILINX公司的Spartan-3A系列的XC3S50AN芯片搭建了系统的硬件电路,并对硬件电路的功能进行了测试和分析。
  最后,对软件部分的仿真和硬件部分的测试表明,优化后的算法和经典LZW算相比压缩效率得到了提升,达到了研究课题的目的。

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