數(shù)據(jù)壓縮課程論文

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1、初玄隹加Z兌/哆數(shù)據(jù)壓縮課程論文題目基于單片機(jī)的ADPCM的實(shí)現(xiàn)學(xué)牛姓名曲振林學(xué)號(hào)20111227365院系電子與信息工程學(xué)院專業(yè)信號(hào)與信息處理任課教師何軍二o—二年五月三■*—日ADPCM壓縮算法的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)摘要：提出一種基于單片機(jī)的數(shù)據(jù)圧縮算法。該算法采用自適應(yīng)差分預(yù)測編碼,需要運(yùn)算址小，便于單片機(jī)實(shí)時(shí)壓縮。并提供過零檢測功能來抑制誤差傳播效應(yīng)。關(guān)鍵詞：單片機(jī)；自適應(yīng)差分預(yù)測編碼；過零檢測1概述在聲波石汕測井屮，地層屮的測井儀需要向地面?zhèn)魉腿肆康穆暡y井?dāng)?shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)所占的時(shí)間成為影響測速的主要因

2、素，由于井下電纜采集的數(shù)據(jù)竝和數(shù)據(jù)傳輸速率和對(duì)固定，因此要想提高測速從而降低測井成木，盂要采用合適的數(shù)據(jù)壓縮算法，將聲波數(shù)據(jù)壓縮后再傳往地面C本文提出i種能夠在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)的壓縮算法，即具有過零檢測功能的口適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制（ADPCM）壓縮算法。該算法在滿足性能要求的前提下，僅需要較小的運(yùn)算量，能夠在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)壓縮，并能抑制ADPCM壓縮算法所帶來的謀差傳播現(xiàn)象。2帶過零檢測的ADPCM壓縮算法2.1聲波數(shù)據(jù)的特點(diǎn)到達(dá)測井儀接收端的聲波信號(hào)頻率大約為20kHz,持續(xù)吋間達(dá)幾毫秒。一般波形如圖

3、1所示。根據(jù)用戶要求，測井儀以高采樣率（通常為200RH刁以上，最高1MH力采集聲波信號(hào)，采集得到的波形數(shù)據(jù)字長為12位。2.2壓縮算法的選擇從頻率上看，聲波頻率約為20kllz,而采樣頻率通常為l.Mllz（用戶要求），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于聲波的頻率。札I對(duì)于采樣脈沖來說，聲波的幅度變化較平緩，所以相鄰采樣脈沖采得的值差別不人,存在著較強(qiáng)的相關(guān)性。我們采用ADPCM編碼進(jìn)行壓縮。2.3誤差傳播的抑制ADPCM編碼存在誤差傳播現(xiàn)象。因?yàn)榻獯a時(shí)毎一點(diǎn)都依照英前血的點(diǎn)來恢復(fù)自己的幅度,如果在數(shù)據(jù)傳輸屮一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)牛錯(cuò)謀

4、，則具后的各點(diǎn)都會(huì)受到影響，錯(cuò)誤就會(huì)一直傳播F去。而井下與地面Z間信道的干擾比較大，誤碼是實(shí)際存在的。對(duì)于編解碼時(shí)產(chǎn)生的過載噪聲，同樣也冇這種現(xiàn)象。如果不解決這個(gè)問題,ADPCM編碼就不具冇實(shí)用性。圖2ADPCM編碼程序流程圖通過分析可以發(fā)現(xiàn)：聲波信號(hào)是不斷通過零點(diǎn)的。因此，我們設(shè)想，可以利用過零信息對(duì)誤差進(jìn)行校正。具休方法如卜1在原有壓縮編碼的基礎(chǔ)上，增加一位符號(hào)位，表明信號(hào)此時(shí)的絕對(duì)電平極性:如果是疋電平，就為（），如果是負(fù)電平，就為1。當(dāng)該位發(fā)生變化時(shí)，表明在兩個(gè)采樣點(diǎn)Z間信號(hào)經(jīng)過一次零點(diǎn)，或由

5、正變負(fù),或由負(fù)變正。發(fā)現(xiàn)該位變化后，檢查解碼得出的當(dāng)前點(diǎn)和解碼得出的上一點(diǎn)Z間是否也存在著同樣的過零情況。如果兩者情況相同，且都是由正變負(fù)或由負(fù)變正，說明解碼正常；否則，說明有誤碼產(chǎn)生，令當(dāng)前點(diǎn)為零電位，予以糾正。這樣誤差傳播一般只能在相鄰兩次過零點(diǎn)Z間存在，從而冇效地抑制誤差傳播。3帶過零檢測的ADPCM編譯碼程序流程圖圖2為6bit帶過零檢測功能的ADPCM編碼程序流程圖。^H'Sample(i)為笫i個(gè)數(shù)據(jù)采樣值,D(i)為相鄰采樣值之間的差值，bit5~bitO為編碼輸出比特。圖3為6bit帶

6、過零檢測功能的ADPCM譯碼程序流程圖。其中D(i)為地面接收的第i個(gè)編碼數(shù)據(jù),zero.bit為過零標(biāo)志,Sample(i)為地面恢復(fù)的賀個(gè)采些值。＜開始〉圖3為6bit帶過零檢測功能的ADPCM譯碼程序流程圖。其屮D.(i)為地而接收的第i個(gè)編碼數(shù)據(jù)，zero_bit為過零標(biāo)志，Sample(i)為地面恢復(fù)的第i個(gè)采樣值。開始4.1壓縮比該算法將12bit的波形采樣數(shù)據(jù)壓縮為6bi,t壓縮比為2。4.2壓縮時(shí)間測井儀采用AT89C52單片機(jī),工作頻率為16MHz,單字節(jié)指令運(yùn)行時(shí)間為（1/16）@

7、12=0.75Ls。工作時(shí)，單片機(jī)在發(fā)送一個(gè)字的時(shí)間內(nèi)，大約可以執(zhí)行230條指令。除去發(fā)送和讀數(shù)的開銷，還有160條指令的空余度。使用上述編碼壓縮一個(gè)字約需要130條單字節(jié)指令（僅考慮壓縮和數(shù)據(jù)整理的開銷），滿足單片機(jī)的運(yùn)算能力要求，能夠完成實(shí)時(shí)壓縮的要求。4.3失真度的要求通過對(duì)采集的多個(gè)數(shù)據(jù)樣木進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，使用木壓縮算法而造成的失真數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)小于7.62%。由圖4的誤差曲線觀察（上面兩個(gè)波形分別為原始波形和解壓縮后的波形，下面的波形為誤差曲線），失真度很小。從圖5對(duì)以看到普通的ADPCM編碼無法阻止誤

8、差的傳播（上面兩個(gè)波形為原始波形和解壓縮示的波形，下血'的波形為課差曲線。為了能在圖屮突出體現(xiàn)傳播效應(yīng)，加入課碼時(shí)采取極端措施,在某一點(diǎn)處連續(xù)加入大雖的大數(shù)值誤碼），圖6采用過零檢測后可以使誤差的傳播限制在一個(gè)很小的區(qū)間里，但這是以犧牲壓縮率（增加一位極性位）為代價(jià)的。綜上，釆用過零檢測技術(shù)的6bitADPCM（包括一位極性位）碼能夠?qū)崟r(shí)有效壓縮測井?dāng)?shù)據(jù)，并能夠抑制ADPCM編碼的課差傳播現(xiàn)象。5總結(jié)：通過本文對(duì)ADPCM編碼技術(shù)的研究，及其在單片機(jī)上的