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1、生物信號采集傳輸中的編解碼電路研究摘要：隨著現(xiàn)代醫(yī)療水平的發(fā)展，植入式的生物信號采集系統(tǒng)越來越受到醫(yī)學(xué)界重視。植入式系統(tǒng)體積小，往往采用無線方式來傳輸數(shù)據(jù)，對功耗要求很高。對采集的生物電信號，用適當(dāng)?shù)男旁淳幋a方式能夠降低傳輸功耗，本論文采川無失真的信源編碼方式-哈夫曼編碼，并在FPGA實(shí)現(xiàn)響應(yīng)的編碼模塊。詞:信源編碼哈夫曼編碼VHDL1、引言隨著微電子技術(shù)、微機(jī)技術(shù)與信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，近I?多年來，鮮為人知的若干微弱生物電信號由于其口益在臨床醫(yī)學(xué)屮顯示了它們的重要意義而引起人們的同度重視。根據(jù)牛物電信號的性質(zhì)、特點(diǎn)，植入式牛物信號采集系
2、統(tǒng)逐步在現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)中得到應(yīng)用，但是植入式采集系統(tǒng)通常不帶電源，采用外界無線能量傳輸，低功耗的要求很高。因此本文就設(shè)計(jì)怎樣的編解碼電路來降低無線傳輸?shù)墓恼归_研究。2、信源編碼度量通信技術(shù)的技術(shù)性能指標(biāo)主要是從通信的數(shù)量和質(zhì)量兩個(gè)方而來討論，數(shù)量是指通信的有效性，質(zhì)量則是指通信的可靠性。如杲原來的信源不經(jīng)過信源編碼，信源會才在大量的多余成分，而這部分完全沒有必要傳送給接收端，因此信源編碼的任務(wù)是在針対信源輸出符號序列的統(tǒng)計(jì)特性來尋找某種方法進(jìn)行壓縮編碼，去掉多余的成分，把信源輸出的序列變?yōu)樽疃痰拇a字序列，使后者的各碼元的平均信息量最大，同吋乂
3、能保證無失真地恢復(fù)原來的序列；另外信源編碼的作川還能降信源的模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號。一般，信源編碼的過程包括?采樣，量化，編碼。常見的信源編碼方式有HDB3編碼、曼徹斯特編碼、ASCII碼、哈夫曼編碼等。信源的編碼方法分為定長編碼和變長編碼。定長編碼要實(shí)現(xiàn)無失真需要的編碼長度大，效率不高；變長編碼的編碼長度不盂要很大就可以達(dá)到相當(dāng)高的編碼效率，而II可以實(shí)現(xiàn)無失真編碼。為了達(dá)到降低功耗，提扁傳輸?shù)男?，我們要采取的是變長編碼。香農(nóng)編碼、費(fèi)諾編碼和哈夫曼編碼是常見的離散無記憶信源變長編碼。香農(nóng)碼、費(fèi)諾碼、哈夫曼碼都考慮了信源的統(tǒng)計(jì)特性，使經(jīng)常出現(xiàn)
4、的信源符號對應(yīng)較短的碼字使信源的平均碼長縮短，從而實(shí)現(xiàn)了對信源的床縮。香農(nóng)碼有系統(tǒng)的唯一?的編碼方法，但在很多情況下編碼效率不是很高；費(fèi)諾碼和哈夫曼碼的編碼方法都不唯一；費(fèi)諾碼比較適合于對分組概率相等或接近的信源編碼；哈夫曼碼對信源的統(tǒng)計(jì)特性沒有特殊耍求編碼效率比較扁，對編碼設(shè)備的要求也比較簡單因此綜合性能優(yōu)于香農(nóng)碼，應(yīng)用比較廣泛。3、哈夫曼編碼哈夫曼編碼-?種最佳變長編碼，它的各個(gè)字符碼組長度，與相應(yīng)字符出現(xiàn)的概率相關(guān)。它的思想是，給高概率的碼元賦予短碼字，低概率的碼元賦予長碼字，使系統(tǒng)屮出現(xiàn)概率較窩信號的幀數(shù)據(jù)編碼的位數(shù)減低，整體編碼長度
5、可以減少，從而相應(yīng)地降低系統(tǒng)功耗。甫T它突出的編碼效率，凡焰時(shí)間費(fèi)等概率出現(xiàn)而且有注重效率的領(lǐng)域，注入通信、中文信息處理、檢索、電子計(jì)算機(jī)中對非線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的研究等，哈夫曼編碼都有著著廣泛的應(yīng)川。哈夫曼編碼過程大概如下：①將所有的符號按出現(xiàn)概率高低重新排列。②將出現(xiàn)概率最低的2個(gè)符號結(jié)合形成新的合成符號，并構(gòu)成節(jié)點(diǎn)，2個(gè)概率Z和為節(jié)點(diǎn)的概率。該節(jié)點(diǎn)和尚未結(jié)合的其他概率再按上述規(guī)則結(jié)合形成新節(jié)點(diǎn)。如此可以形成一棵哈夫曼樹。③從樹根出發(fā)進(jìn)到每個(gè)符號，每到一節(jié)點(diǎn)左邊分支分配0,右邊分支分配1,可獲得每一符號對應(yīng)的即時(shí)哈夫曼碼。4、哈夫曼編碼電路的V
6、HDL模塊要實(shí)現(xiàn)哈夫曼編碼，應(yīng)先構(gòu)造哈夫曼樹，而在構(gòu)造哈夫曼樹Z前，必須由用戶輸入電文中字符的種類及各字符在電文中出現(xiàn)的次數(shù)，即需要用戶提供哈夫曼樹葉結(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)及各葉結(jié)點(diǎn)對應(yīng)的權(quán)值。根據(jù)哈夫曼編碼的原理，對本設(shè)計(jì)述行各個(gè)功能模塊的劃分：哈夫曼查找表模塊（huff）、狀態(tài)機(jī)模塊（state）、控制模塊（control）、頂層模塊（Huffman）。頂層模塊（Huffman）描述了一個(gè)從一個(gè)存儲器模塊變換8b數(shù)據(jù)的算法，然后把數(shù)據(jù)編碼成存儲在另一個(gè)存儲器模塊的可變長哈夫曼編碼序列。哈夫曼查找表模塊（huff）描述了一個(gè)8b輸入的簡單的部分哈夫曼査找
7、表，假如有一個(gè)8b的輸入，傳統(tǒng)的哈夫曼編碼將產(chǎn)生一個(gè)可變長輸出（一個(gè)8b的輸入是“00010010”,編碼的輸出就是3位“110”），然而，在硬件中，數(shù)據(jù)輸出是固定的而不是可變長的，因此，哈夫曼查找表模塊（huff）使用一個(gè)8b的輸出“DATAOUT”去描述傳統(tǒng)的哈夫曼編碼數(shù)據(jù)，“ENCODELENGTH”去描述編碼長度，例如一個(gè)哈夫曼編碼輸出是“011”，則哈夫曼査找表模塊（huff）將輸出DATAOUT為“00000011”，ENCODELENGTH為“010”，看到編碼的長度為2,根據(jù)這個(gè)規(guī)律，可得出哈夫曼編碼表如表1所示。表1哈夫曼編
8、碼表DATA1NDATAOLT000000000111100000(X)1101120000001001013000000110010400000100000150
