??? 摘? 要： 介紹了基于多路遙測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)過(guò)程中的特點(diǎn)，提出了數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，并基于該數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了低硬件復(fù)雜度的實(shí)時(shí)壓縮算法,。該數(shù)據(jù)壓縮算法已成功應(yīng)用于某艦船振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)中，仿真及實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明,，該算法在滿足數(shù)據(jù)處理精度要求的前提下,，可獲得較高的壓縮因子。?
??? 關(guān)鍵詞： 遙測(cè)數(shù)據(jù); 數(shù)據(jù)包; 實(shí)時(shí)壓縮
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??? 隨著遙感技術(shù)的飛速發(fā)展,，新型航天遙感器,、未來(lái)地球資源探測(cè)平臺(tái)以及用于軍事領(lǐng)域的各種傳感器所獲取的數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)。為了有效傳輸和存儲(chǔ)海量遙測(cè)數(shù)據(jù),，遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮已經(jīng)成為遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要課題[1],。?
??? 對(duì)于數(shù)據(jù)壓縮，根據(jù)失真率可分為無(wú)失真壓縮和失真壓縮兩大類(lèi),，無(wú)失真壓縮法有霍夫曼編碼,、算數(shù)編碼等。而對(duì)于允許一定失真率的遙測(cè)數(shù)據(jù)而言,，采用游程編碼可獲得較好的壓縮效果,。同時(shí)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)的信息熵也直接影響數(shù)據(jù)傳輸速度,、記錄器的容量以及邏輯的布局。為了對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效壓縮,，本文提出了數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，并在數(shù)據(jù)包的基礎(chǔ)上提出了基于改進(jìn)游程編碼、低硬件復(fù)雜度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)壓縮方法,。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn),，證明了該算法在處理特定遙測(cè)數(shù)據(jù)過(guò)程中具有良好的可靠性和有效性。?
1 多路遙測(cè)數(shù)據(jù)編幀結(jié)構(gòu)?
??? 彈上遙測(cè)系統(tǒng)將反映各分系統(tǒng)工作情況以及工作環(huán)境的各種電量,、非電量信號(hào)都轉(zhuǎn)化成在規(guī)定范圍內(nèi)變化的電信號(hào),，然后由彈上遙測(cè)系統(tǒng)采集、編碼,、調(diào)制后傳輸?shù)玫竭b測(cè)數(shù)據(jù),。遙測(cè)系統(tǒng)的幀格式是典型的PCM幀格式。每幀以一個(gè)特定的幀同步碼組開(kāi)始,，幀同步碼組之后排列著固定碼長(zhǎng)的各路數(shù)據(jù),，幀長(zhǎng)和幀結(jié)構(gòu)在飛行中是固定的。遙測(cè)系統(tǒng)以固定的采樣率對(duì)每路模擬量進(jìn)行采樣，并依次對(duì)每路信號(hào)進(jìn)行編碼,。為了既不丟失信號(hào)的信息又能合理利用信道,對(duì)于不同速率的參數(shù),應(yīng)在主幀基礎(chǔ)上用不同的副幀來(lái)實(shí)現(xiàn)[2],。一個(gè)主幀由若干個(gè)副幀構(gòu)成, 副幀分成多個(gè)波道, 存儲(chǔ)不同信息。?
??? 圖1所示為具體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),，其中包括N路速變信號(hào)和N+M路緩變信號(hào),，本實(shí)驗(yàn)采用16位的AD7667進(jìn)行采樣，其最高采樣率為1MS/s,信號(hào)采樣率遠(yuǎn)高于實(shí)際變化頻率,，從而使數(shù)據(jù)變化較為緩慢,，為數(shù)據(jù)壓縮提供了可行性。而一些緩變信號(hào),，當(dāng)沒(méi)有信號(hào)時(shí),，一般以固定值表示，這也為信息壓縮提供了方便,。?
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2 多路遙測(cè)數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)?
??? 遙測(cè)系統(tǒng)中相鄰幀之間即每通道間相鄰數(shù)據(jù)具有很強(qiáng)的相關(guān)性,，故設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)壓縮。打包法是將每通道數(shù)據(jù)單獨(dú)打包,。與編幀法相比,，數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的采集控制過(guò)程相同，但數(shù)據(jù)的組織方法不同[3],。?
??? 各個(gè)通道的輸入信號(hào)選用多選一電子開(kāi)關(guān)按時(shí)分方式依次采樣,，即相應(yīng)通道被選中，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，形成PCM輸出,。在采編器中開(kāi)設(shè)n個(gè)緩存區(qū)(一級(jí)緩存)，每個(gè)通道的緩存區(qū)為k字節(jié),，依次編號(hào)且與通道號(hào)對(duì)應(yīng),，對(duì)應(yīng)通道采集的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)存放到對(duì)應(yīng)的緩存區(qū)。當(dāng)緩存區(qū)滿后,，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到下一級(jí)存儲(chǔ)器(二級(jí)緩存),，二級(jí)緩存采用FIFO結(jié)構(gòu)。每組緩存區(qū)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)移時(shí),，都冠以通道號(hào)標(biāo)記和同步標(biāo)記,。當(dāng)二級(jí)緩存FIFO達(dá)到一定的深度時(shí)，將二級(jí)緩存中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到下一級(jí)存儲(chǔ)器（主存儲(chǔ)器）,。類(lèi)似于一級(jí)緩存到二級(jí)緩存的打包過(guò)程,，每組二級(jí)緩存的數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)移時(shí)，也要冠以時(shí)間標(biāo)記,、卡標(biāo)記和同步標(biāo)記,。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方式如圖2所示,。?
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??? 除了壓縮效率，數(shù)據(jù)壓縮所要考慮的另一個(gè)重要方面是算法執(zhí)行的復(fù)雜度,。通過(guò)上述分析可知,該硬件電路易于實(shí)現(xiàn)打包數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移,為打包壓縮算法的可行性提供了條件,。?
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析?
3.1壓縮/解壓算法設(shè)計(jì)?
??? 游程編碼的原理十分簡(jiǎn)單：將一行數(shù)據(jù)中數(shù)值相同或相近的相鄰點(diǎn)用一個(gè)計(jì)數(shù)字節(jié)和一個(gè)表示該數(shù)據(jù)值的數(shù)據(jù)字節(jié)來(lái)代替。然而該算法存在一個(gè)致命弱點(diǎn)：如果數(shù)據(jù)中每?jī)蓚€(gè)相鄰點(diǎn)的數(shù)值都不同,，用這種算法不但不能壓縮,，數(shù)據(jù)量反而增加一倍。為了避免上述病態(tài)數(shù)據(jù)的出現(xiàn),，在算法上對(duì)計(jì)數(shù)字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)進(jìn)行了區(qū)分,，本實(shí)驗(yàn)是以16位ADC數(shù)據(jù)為例，對(duì)進(jìn)入FPGA的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,。先將數(shù)據(jù)除以2,，然后加上8 000H,確保數(shù)據(jù)的最高位為1，而計(jì)數(shù)字節(jié)的最高位為0,。具體的壓縮編碼與解碼恢復(fù)的算法流程圖分別如圖3和圖4所示,。?
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??? 將16位ADC數(shù)據(jù)進(jìn)行有損壓縮后的數(shù)據(jù)格式如表1所示。用該壓縮算法,，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)同編幀法相比,由于各通道物理過(guò)程不盡相同,壓縮因子較大的通道在大包中出現(xiàn)的概率較小,，各通道壓縮因子介于[1，16 384]之間,。?
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3.2仿真結(jié)果?
??? 壓縮率與誤差參數(shù)△的關(guān)系仿真曲線如圖5所示,。
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3.3 實(shí)際測(cè)試結(jié)果?
??? 在硬件電路設(shè)計(jì)中采用16位的AD7667進(jìn)行采樣，則系統(tǒng)理論上的最高分辨率為2.5/216,。從上述流程中可知：AD連續(xù)兩次采樣的差值小于△時(shí),，便認(rèn)為這兩次的值是一致的，取前一個(gè)值,，因此△的不同,，使得AD的分辨率也跟著變化?！髋cAD分辨率的關(guān)系如表2所示。?
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??? 由表2得出：△值越小,，經(jīng)壓縮后其分辨率越高,；反之，△值越大,，經(jīng)壓縮后其分辨率越低,。?
??? 在艦船振動(dòng)的檢測(cè)過(guò)程中，要求艦船振動(dòng)加速度超過(guò)100g,，記錄器就能識(shí)別出來(lái),。振動(dòng)傳感器的靈敏度約為0.5pc/g,。?
??? 最小輸入電荷量為：?
??? Q=100g×0.5pc/g=50pc?
??? 電荷經(jīng)過(guò)放大器，輸出電壓Vo為：?
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??? AD7667的采集電壓范圍為0～2.5V,，所以AD的最小分辨率為0.005V,。當(dāng)△=64，其數(shù)據(jù)壓縮以后的分辨率為
其數(shù)據(jù)壓縮以后的分辨率為
通過(guò)以上分析,，將△值確定在{0,，64}。?
??? 設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)實(shí)際需要改變△來(lái)改變算法的壓縮比,，△值越小,，壓縮比越低，波形失真越??；△值越大，壓縮比越高,，波形失真越嚴(yán)重,。因此，在保證精度的條件下,，△值越大壓縮比越高,。?
??? 根據(jù)以上的分析，此算法屬于有損壓縮算法,，在應(yīng)用中,，設(shè)定不同的△值 ，對(duì)于差值小于△時(shí)的冗余數(shù)據(jù),，都認(rèn)為是同一個(gè)數(shù)據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)如圖6所示,。?
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??? 由于采集系統(tǒng)會(huì)受到系統(tǒng)、外界和本身的紋波干擾,，若△選得太小,，則壓縮效果不明顯，如上表中的△為64的壓縮數(shù)據(jù)所示：AD的編碼值為1000 0000 0100 110X(80 4X),，經(jīng)過(guò)移位以后,，編碼變?yōu)?100 0000 0001 0011(40 13)，緊接著為計(jì)數(shù)器1111 1111 1111 1111(FFFF),，最高位“1”代表計(jì)數(shù)器,，其余15位代表計(jì)數(shù)值(7FFF)，每隔一秒鐘寫(xiě)入一個(gè)幀標(biāo)志XX XX XX EB 90,；已知AD的采樣率為200KS/s,，綜上，在無(wú)突變信號(hào)的情況下本算法的壓縮比為：?
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??? 通過(guò)以上理論分析,、仿真結(jié)果及硬件實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可知,，采用數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)可以減少多余數(shù)據(jù),，從而在有限的存儲(chǔ)容量下獲得盡可能多的非多余數(shù)據(jù)。算法硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,，采用低功耗的FPGA實(shí)現(xiàn)硬件壓縮,，對(duì)所采集數(shù)據(jù)的壓縮和解壓時(shí)間短，在符合系統(tǒng)精度要求的前提下,，采用該壓縮算法,，可以獲得較高的壓縮比。?
參考文獻(xiàn)?
[1] 王崛.遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮算法的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 遙測(cè)遙控,2002,，23(2):16-22.?
[2] 馬寧,，朱福蔭，尹志軍,，等.改進(jìn)游程編碼在天氣雷達(dá)數(shù)據(jù)壓縮中的應(yīng)用.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào),2004,，5(6):88-90.?
[3] 賈緯敏.一種可編程PCM遙測(cè)編碼器的設(shè)計(jì).電子工程師,2004，30(5)：71-73.