基于DSP的實(shí)時數(shù)據(jù)無損壓縮實(shí)現(xiàn)

1、基于dsp的實(shí)時數(shù)據(jù)無損壓縮實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)能削減傳輸所用的時光和存儲空間，在有限的信道容量內(nèi)傳輸更多的實(shí)用信息，有助于降低功率和帶寬要求，充實(shí)通信效率。反之，假如不舉行數(shù)據(jù)壓縮，則無論傳輸或存儲都很難有用化1。1 硬件及實(shí)現(xiàn)原理結(jié)合本設(shè)計(jì)的實(shí)際狀況，因?yàn)閴嚎s算法比較復(fù)雜，計(jì)算量大，在壓縮數(shù)據(jù)時必需采納浮點(diǎn)型運(yùn)算。另一方面，因?yàn)樘幚砭纫蟾?，所以需要挑選浮點(diǎn)型?；谏鲜隹紤]，選用ti公司的一款性價(jià)比十分高的浮點(diǎn)芯片tms320c6713。其主頻225mhz，每周期執(zhí)行8條32bit命令，最高定點(diǎn)運(yùn)算能力為 1800，浮點(diǎn)運(yùn)算能力為1350mflops，32位命令集，而且內(nèi)部自帶256kb的r

2、am，4kb程序緩沖器和4kb的數(shù)據(jù)緩沖器，可以通過外部存儲器接口emif(external memory inter faces)擴(kuò)展sdram和flash2。在本設(shè)計(jì)中，對原始數(shù)據(jù)根據(jù)每2 048b為一組舉行壓縮。壓縮的最小單位是2 048b，且壓縮率不固定，對于某組特定數(shù)據(jù)壓縮后可能比本來的數(shù)據(jù)還要大。壓縮前后的數(shù)據(jù)都需要放到dsp的ram中舉行處理，其256kb的ram不能滿足本設(shè)計(jì)存儲要求，需要通過emif擴(kuò)展存儲空間。sdram選用micron公司的mt48lc2m32b2。其數(shù)據(jù)為32位，存儲空間為 64mbit。工作為3.3v，內(nèi)部流水線結(jié)構(gòu)保證了芯片的高速運(yùn)行。sdram可以

3、與emif無縫接口。emif的ce0連入片選引腳cs，將 sdram映射到ce0地址空間（0x800000000x80800000）。flash是系統(tǒng)在斷電后用來保存程序和初始化數(shù)據(jù)的存儲器，系統(tǒng)上電時，由引導(dǎo)程序?qū)sp的應(yīng)用程序從該存儲器引導(dǎo)到系統(tǒng)的高速存儲器ram中。本設(shè)計(jì)用amd公司生產(chǎn)的1m×8bit/512k×16bit am29lv800-70 flash存儲器，其數(shù)據(jù)寬度為8位、16位可選，采納3.3v供電，拜訪時光僅70ns。emif的ce1連入片選引腳ce，將flash映射到ce1 地址空間地址范圍為0x900000000x90100000，尋址空間為1

4、mb3。通常在高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理速度及數(shù)據(jù)傳輸速度與前端a/d轉(zhuǎn)換器的采集速度不全都。為了協(xié)調(diào)它們之間工作，可以加入數(shù)據(jù)存儲器或者數(shù)據(jù)緩存器（fifo）舉行數(shù)據(jù)緩沖，使得前端數(shù)據(jù)采集和后級數(shù)據(jù)處理能夠協(xié)調(diào)工作。在本設(shè)計(jì)中，前端的采樣速度為27kb/s；且數(shù)據(jù)流是延續(xù)的。dsp的主頻為 225mhz，經(jīng)過鎖向環(huán)分頻后其讀取數(shù)據(jù)的速度為38mb/s左右。dsp若向來等待讀數(shù)據(jù)，會大大降低其數(shù)據(jù)的處理能力。dsp讀入數(shù)據(jù)后，馬上對數(shù)據(jù)舉行壓縮，壓縮后把相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫到輸出fifo。同理，發(fā)送模塊的處理速度為18kb/s。dsp寫輸出fifo的速度也在38mb/s左右。明顯，前端與dsp及ds

5、p與發(fā)送模塊的處理速度不是一個數(shù)量級。所以在前端與dsp之間，dsp與發(fā)送模塊間分離加了兩個fifo。本設(shè)計(jì)中fifo1、 fifo2均選用72v19160，其存儲空間為128kb，16位并行數(shù)據(jù)總線，可達(dá)到100mhz的操作時鐘。原理框圖1所示。前端通過16位數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)寫入到輸入fifo1中。在程序中通過控制其半滿（hf）信號，即當(dāng)數(shù)據(jù)超過32kb時（32768+1）， hf信號低電平有效，就會觸發(fā)一次中斷通知可編程規(guī)律和dsp，dsp進(jìn)入中斷后把2kb的數(shù)據(jù)從輸入fifo1中讀入到sbuf所指向的sdram空間中，在舉行高速壓縮以后，被壓縮的數(shù)據(jù)放到dbuf中。sbuf的數(shù)據(jù)要與dbu

6、f的數(shù)據(jù)舉行比較，若dbuf中存儲數(shù)據(jù)的容量小于sbuf中的存儲數(shù)據(jù)的容量，就把dbuf中相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫到dsp的軟fifo中，否則，就把sbuf中相應(yīng)的數(shù)據(jù)寫到dsp的軟fifo中。終于，dsp把壓縮后的數(shù)據(jù)通過其軟fifo寫入到輸出fifo2中，等待發(fā)送模塊把數(shù)據(jù)讀走。在上述過程中，假如dsp沒有等待到中斷信號，則返回繼續(xù)等待，直到檢測到中斷信號，才讀取fifo1中的數(shù)據(jù)。在dsp對sbuf中的數(shù)據(jù)幀壓縮的同時，前端以固定的采樣率對模擬信號舉行采樣，并寫入到輸入fifo1中。同時dsp把壓縮后的數(shù)據(jù)按每次小于2kb左右的速度寫入到輸出fifo2。當(dāng)輸出fifo2半滿，發(fā)送模塊控制器會把其hf

7、信號通過gpio口指向dsp。本設(shè)計(jì)中用gp10實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。dsp的gpio口可以設(shè)為輸入引腳，在中斷向量表中定義后，其本身可以當(dāng)作中斷用法。這樣dsp可以把采集到的實(shí)時數(shù)據(jù)綿綿不斷地寫入到fifo2。囫圇信號處理模塊的不同子模塊都處于并行工作狀態(tài)，較好地實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時壓縮，提高了壓縮效率。設(shè)備上電dsp復(fù)位后，由其內(nèi)部固化的自引導(dǎo)程序(boot)將存于flash存儲器的程序和數(shù)據(jù)搬移至內(nèi)部 ram中，然后dsp即可以開頭讀取壓縮算法的應(yīng)用程序，繼續(xù)運(yùn)行。dsp的工作流程圖2所示。上電以后，首先初始化dsp的csl函數(shù)庫，然后初始化pll、gpio及關(guān)中斷寄存器，等待中斷信號的來臨。2

8、算法的挑選無損壓縮就是對信源信息舉行壓縮編碼后在解壓縮時能夠徹低復(fù)原，也即在壓縮和解壓縮過程中對信源信息沒有絲毫損失。常用的無損壓縮辦法有shannon- fano編碼、huffman編碼、游程(run-length)編碼、lzw(lempel-ziv-welch)編碼和算術(shù)編碼(arc)等。對許多信息而言，沒須要徹低保留所有特征。在允許一定精度損失的狀況下，可以獲得更高的壓縮編碼效率。這類壓縮編碼辦法成為有損壓縮。本設(shè)計(jì)采納無損壓縮，不再研究有損壓縮。無損數(shù)據(jù)壓縮算法可以分為統(tǒng)計(jì)辦法和詞典編碼辦法。統(tǒng)計(jì)辦法當(dāng)以huffman編碼和算術(shù)編碼(arc)為代表。這種辦法需要統(tǒng)計(jì)信源符號的概率分布狀

9、況，并按照統(tǒng)計(jì)結(jié)果產(chǎn)生壓縮碼。算術(shù)編碼是一種高效清除字串冗余的算法。仙儂信息論把字符aj浮現(xiàn)的自信息量定義為i(aj)=-logpj i(aj)亦稱自信息函數(shù)，其含義實(shí)際是隨機(jī)變量x取值為aj時所攜帶信息的度量。自信息量的概率平均值，即隨機(jī)變量i(aj) 的數(shù)學(xué)期望值，稱做信息熵或簡稱熵。算術(shù)編碼從全序列動身，采納遞推形式延續(xù)編碼。它不是將單個的信源符號映射成一個碼字，而是將囫圇輸入符號序列映射為實(shí)數(shù)軸上0，1)區(qū)間內(nèi)的一個小區(qū)間，其長度等于該序列的概率，再在該小區(qū)間內(nèi)挑選一個有代表性的二進(jìn)制小數(shù)，而且是一個介于0和1之間的二進(jìn)制小數(shù)作為實(shí)際的編碼輸出，從而達(dá)到了高效編碼的目的。例如算術(shù)編碼對

10、某條信息的輸出為1010001111，它表示小數(shù)0.1010001111，也即十進(jìn)制數(shù) 0.64。不論是否為二元信源，也不論數(shù)據(jù)的概率分布如何，其平均碼長均能靠近信源的熵。算術(shù)編碼的過程事實(shí)上也就是信源編碼試圖將隨意的信息流與0、1 之間的間隔建立一一對應(yīng)關(guān)系的過程。這樣要表示的信息流越長，則表示它的間隔就越小，用于表示這一間隔所需的二進(jìn)制位就越多。算術(shù)編碼在編碼前要求預(yù)先統(tǒng)計(jì)各信源符號概率，但無須排序，只要編、解碼端用法相同的符號挨次即可。建立合理的信源概率模型是舉行算術(shù)編碼的關(guān)鍵。信源概率模型的建立辦法普通有兩種：一種是自適應(yīng)的模型，是在不斷輸入信源的過程中對信源符號浮現(xiàn)的概率舉行統(tǒng)計(jì)，模

11、型是在編碼過程中逐步建立起來并不斷更新；另一種是事先統(tǒng)計(jì)的模型，是在編碼前就對全部輸入信源符號的浮現(xiàn)頻率舉行事先統(tǒng)計(jì)，而編碼過程中模型不再轉(zhuǎn)變?；趦煞N模型算法的不同之處：事先統(tǒng)計(jì)模型在編碼之前就己經(jīng)建立，編碼過程中不再更新，故壓縮效率與輸入字節(jié)數(shù)關(guān)系不大；而自適應(yīng)模型是在編碼過程中建立并不斷更新，當(dāng)輸入信源的數(shù)據(jù)量較大時，浮現(xiàn)概率大的字符編碼位數(shù)較少的優(yōu)越性才干得以體現(xiàn)。在復(fù)雜度上，因?yàn)楹笳咝枰粩鄬δＰ团e行更新，故運(yùn)算量較大。詞典編碼辦法則是基于數(shù)據(jù)中許多結(jié)構(gòu)頻繁重復(fù)再現(xiàn)這一事實(shí)，人們可以對相同符號串分配同一碼字、通過索引或者其他諸如此類的辦法編碼。lzw算法可以在對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)特性一竅不通的

12、前提下，使壓縮率臨近己知統(tǒng)計(jì)特性時所能夠達(dá)到的壓縮率，其運(yùn)算速度快。lzw算法壓縮的原理在于用字典中詞條的編碼代替被壓縮數(shù)據(jù)中的字符串。字典中的詞條越長越多，壓縮率就越高。所以加大字典的容量可以提高壓縮率。但從字典中查找詞條是算法中最費(fèi)時的工作，其字典的容量受到計(jì)算機(jī)內(nèi)存限制，且字典也存在被填滿的可能。當(dāng)字典不能再加入新詞條后，過老的字典就不能保證高的壓縮率。不同的壓縮算法有不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，不同算法的復(fù)雜性對空間的要求及壓縮率也不同。壓縮算法不僅僅依靠于壓縮辦法本身，也依靠于被壓縮文本的特點(diǎn)。在本文中，因?yàn)槭菍?shí)時數(shù)據(jù)的壓縮，對壓縮過程的時光性能要求高，所以采納事先統(tǒng)計(jì)模型的arc。試驗(yàn)證實(shí)

13、，采納事先統(tǒng)計(jì)模型的arc，其運(yùn)算速度與lzw算法速度相近。而arc算法在壓縮速度和壓縮去除率上都優(yōu)于lzw算法。3 試驗(yàn)與結(jié)果在比較字典編碼lzw與算術(shù)編碼arc時，從壓縮速度和壓縮去除率上舉行比較。前端以27kb/s的速度實(shí)時采集8位的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)壓縮后通過發(fā)送模塊以18kb/s的速度數(shù)據(jù)傳到外界。對原始數(shù)據(jù)以2 048b作為分組長度考察其壓縮去除率及壓縮時光。壓縮去除率(原始數(shù)據(jù)量壓縮后數(shù)據(jù)量)/原始數(shù)據(jù)量這是從空間角度衡量。事實(shí)上，對壓縮效率而言還必需關(guān)注其時光效率，本文采納“壓縮速度”的概念，定義如下：壓縮速度原始數(shù)據(jù)量/壓縮所需要的時光以2 048b的數(shù)據(jù)分組舉行分析：1)從壓縮速度方面：完成2 048b的某噪聲數(shù)據(jù)，arc算法需要5.64ms來完成，而lzw算法需要6.6ms，可見arc算法的壓縮速度比較快。(2)從壓縮效率方面：將某數(shù)據(jù)根據(jù)2 048b的長度舉行分組并壓縮，從表1中可知arc算法針對不同分組段的數(shù)據(jù)壓縮去除率恒定在