航天技術的發(fā)展對遙測系統(tǒng)提出了更高的要求,，測量參數(shù)種類增多,、數(shù)據量增大、測量實時性增強為有限的傳輸信道容量帶來巨大壓力,。為降低遙測系統(tǒng)對傳輸信道帶寬的要求,，采用數(shù)據壓縮技術，可以有效地提高信道利用率,，增強遙測數(shù)據的實時性和吞吐率,。世界上較為先進的航天數(shù)據壓縮技術被各國視為機密,。我國于2000年成功發(fā)射的“資源二號”衛(wèi)星采用DPCM編碼器，速率為102 Mb/s,，壓縮比為2:1,。填補了我國航天星載數(shù)據壓縮的空白[1-2]。對于較平穩(wěn)的數(shù)據,，包括DPCM在內大多數(shù)無損壓縮算法都可以達到2:1的壓縮比和較穩(wěn)定的壓縮時間,，但針對一些復雜情況下的數(shù)據，比如火箭飛行過程中的噪聲數(shù)據,，在信號活躍期,，其壓縮時間超出了實時壓縮的忍受極限。本文設計了一種以FPGA+DSP為實現(xiàn)平臺,，以具有一階差分預測的ARC編碼為壓縮算法的數(shù)據壓縮系統(tǒng),。

1 航天遙測數(shù)據實時壓縮的關鍵技術
    從算法方面考慮：評價一個壓縮算法的優(yōu)劣有兩個重要指標，即壓縮去除率和壓縮用時,，在實時系統(tǒng)中對時間的要求更為嚴格,，而在航天遙測系統(tǒng)這樣特殊的應用場合還必須考慮可靠性因素。壓縮去除率僅與算法有關,，而壓縮用時和可靠性因素不僅與算法相關,，還與硬件實現(xiàn)平臺密切相關[3]。
    從硬件實現(xiàn)方面考慮：成本和開發(fā)時間是需要考慮的首要條件,，由ASIC(專用集成電路)來實現(xiàn)壓縮算法可以滿足極為苛刻的時間要求和很高的可靠性要求,，但開發(fā)周期太長，開發(fā)成本過大,，不宜作為航天遙測這樣小批量生產的實現(xiàn)方案,；由FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)實現(xiàn)壓縮算法也可以達到很快的壓縮速度和很好的可靠性，但用硬件描述語言實現(xiàn)復雜的算法需要很長的開發(fā)周期,；單純用DSP(數(shù)字信號處理器)實現(xiàn)又很難保證數(shù)據采集,、壓縮和輸出的實時性要求[4]。因此,，由FPGA實現(xiàn)數(shù)據傳輸,、由DSP實現(xiàn)壓縮算法的FPGA+DSP結構是航天遙測數(shù)據壓縮較為理想的實現(xiàn)方案。
2 無損壓縮算法選擇
2.1 壓縮去除率
    定義1：設壓縮系統(tǒng)輸入的數(shù)據量為Ni,，壓縮編碼后輸出數(shù)據量為No,，則w=(1-No/Ni)稱之為壓縮去除率,，以表示壓縮系統(tǒng)的空間壓縮效率,。
    針對不同統(tǒng)計特性的數(shù)據，特定的算法表現(xiàn)出的壓縮去除率相差很大,，要根據數(shù)據的統(tǒng)計特性和應用場合才能選出合適的算法[5],。本文選用一段已測得的火箭飛行過程中的噪聲數(shù)據對算法進行比較,。由于實現(xiàn)平臺對算法的壓縮去除率沒有影響，因此選用易于算法實現(xiàn)的PC機作為實現(xiàn)平臺,。
    在航天領域,，對可靠性的要求尤為重要，對遙測領域代碼的共識是越小的代碼量具有越高的可靠性,，因此本文選用ARC,、LRice和LZARI三種壓縮算法進行比較。
    以上編碼方法都圍繞Shannon思想中信息量與信源分布的關系而展開,，這些編碼方法統(tǒng)稱為統(tǒng)計編碼,。在Shannon 框架下，除了統(tǒng)計編碼外還有預測編碼與變換編碼,，統(tǒng)稱三大經典編碼,。后兩種編碼本身不會改變數(shù)據量，但是在特定用途下可以降低平均碼長,，再與統(tǒng)計編碼(也稱為熵編碼)結合,，可以得到可觀的壓縮效果。正是基于這種原因,，可以把壓縮編碼分兩步完成,，第一步稱之為預變換編碼，第二步才是熵編碼[6],。熵編碼本身是可逆的,。如果第一步的變換編碼是可逆的，整個壓縮就是無損壓縮,；但如果第一步的變換是不可逆的,，那么整個壓縮就會是不可逆的，就是有損壓縮,。預變換編碼是通過去相關導致碼元表示位數(shù)降低來影響壓縮效果的,。

     一階多項式預測編碼就是一階差分編碼。根據參考文獻[8]的研究,，編碼效率隨著預測階數(shù)的增高而增大,，然而，二階以上的預測編碼對編碼效率的改善已經很小,。對于變化較平穩(wěn)的數(shù)據流,，采用一階差分就可達到很高的編碼效率；對于變化較大的數(shù)據流,，其數(shù)據相關性本來就很小,，預測編碼對數(shù)據的分布不會有明顯改善。顯然,，預測階數(shù)越高,，編碼過程中的計算量就越大,，在DSP中的執(zhí)行時間也就越長，在火箭這種高可靠性要求的應用場合,，為了甚微的壓縮空間改進而占用較多的時間顯然是不可取的,。表1是在PC機上對不同算法的壓縮去除率的比較。
    從表1可以看出LZARI算法具有最好的壓縮去除率,，LRice在數(shù)據相關性好時（正弦波）壓縮去除率較高,，在數(shù)據相關性較差時（噪聲）壓縮去除較低，可靠性較差,，經一階差分處理后,，各算法對正弦波壓縮去除率改善較大，而對噪聲數(shù)據的改善很小,。

2.2 壓縮用時
    算法邏輯是決定其時間效率的根本所在,，評價其執(zhí)行效率可以有兩種手段：一種是通過算法機理建模分析，另一種是直接通過外部數(shù)據測試,。由于大部分算法的邏輯模型難以建立,，通過模型進行準確、定量的比較就難以實現(xiàn),。在實際應用環(huán)境中,，更關注一個算法的使用性能。一組既定的算法的復雜度是確定的,，可以弱化其內部工作機理,，直接從外部施加一定的條件進行精確測試。
    對一個壓縮系統(tǒng)而言,，其壓縮時間與實現(xiàn)平臺,、壓縮算法和待壓縮數(shù)據三者相關。實現(xiàn)平臺從處理器結構進行分類,，可以分為指令型和邏輯型兩種,。計算機、DSP,、ARM 平臺都屬于指令結構,，而專用集成電路平臺屬于邏輯型結構。由于專用集成電路采用硬件電路邏輯實現(xiàn),，可以達到很高的壓縮速度,，通常可以滿足實時性要求,。本文只針對指令結構平臺進行壓縮速度分析,。
    經過對不同類型數(shù)據的多次壓縮比較，在PC機上仿真的壓縮速度大小依次是LRice>ARC> LZARI，而在DSP上的效果是ARC>LRice>LZARI,。這種變化產生的根源主要是DSP 處理器的并行指令執(zhí)行能力使得ARC較LRice反而更快。固定數(shù)據的一階差分預測在相同實現(xiàn)平臺上的運行時間是一定的,，因此帶一階差分預測的壓縮算法用時比較同上,。
    考慮航天設備對運行環(huán)境、壓縮比,、壓縮速度等方面的要求,，DSP相比于PC是一種可行的算法實現(xiàn)平臺，因而用ARC算法實現(xiàn)遙測數(shù)據無損壓縮就更有優(yōu)勢, 本文采用一階差分編碼改進的ARC算法對火箭遙測數(shù)據進行無損壓縮,。
3 數(shù)據壓縮系統(tǒng)的實現(xiàn)
    遙測數(shù)據采集系統(tǒng)的工作流程分為采集—壓縮—輸出3個主要步驟,。本文利用FPGA+DSP架構作為硬件平臺，將待壓縮的6路模擬噪聲信號經電壓跟隨后輸入給A/D轉換器進行量化,，量化結果寫入到FPGA內部FIFO數(shù)據緩沖器中,。DSP通過FPGA內部FIFO半滿信號讀取數(shù)據，通過識別通道號把數(shù)據流分配到6個分組緩沖區(qū),，其中某一分組緩沖區(qū)滿2 KB就進行一次壓縮,，壓縮后的數(shù)據被存入緩沖器SDRAM中。當緩沖器半滿時,，DSP將壓縮后數(shù)據串行發(fā)送至FPGA,，然后FPGA根據接口協(xié)議發(fā)送給數(shù)據接收器，保證壓縮數(shù)據傳輸?shù)膶崟r性,。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

    由于遙測系統(tǒng)的各功能單元相互獨立，相互通信時需要數(shù)據緩存進行協(xié)調,，為此,，本設計多處使用由FPGA內核構建的FIFO(先進先出)暫存器，在保證系統(tǒng)可靠性的同時降低了開發(fā)難度,。
    考慮遙測系統(tǒng)的整體環(huán)境,，數(shù)據壓縮系統(tǒng)采用固定格式的數(shù)據流輸出壓縮后數(shù)據，如果壓縮數(shù)據的產生速率低于數(shù)據輸出速率,，數(shù)據可完整發(fā)送,。由表1可以看出，在強噪聲數(shù)據階段,，數(shù)據的壓縮去除率很低,，剩余數(shù)據量較大，無法滿足數(shù)據的即時發(fā)送,，產生數(shù)據積累,，必須采用數(shù)據緩沖單元。數(shù)據緩沖單元容量大小如下：
  
其中t1,、t2分別為數(shù)據積累的開始和結束時間,，vi,、vo分別為壓縮數(shù)據的產生和發(fā)送速率。航天器實際飛行過程中,，強噪聲數(shù)據階段僅為幾分鐘左右,，其余時間段都可達到較高的數(shù)據壓縮去除率。由此估算出緩沖器的容量為1 MB左右,，采用容量為8 MB的SDRAM,，保證數(shù)據的完整輸出。
4 實驗及結果分析
    火箭飛行過程中的噪聲數(shù)據是一種典型的航天遙測數(shù)據,，火箭上的噪聲在飛行過程中的大部分時間是平穩(wěn)的,，在小部分時間內是劇烈變化的。數(shù)據壓縮系統(tǒng)要保證壓縮用時和壓縮去除率兩方面都滿足要求,。表2是一段實測噪聲數(shù)據以各種壓縮算法在DSP平臺上壓縮效果比較,。
    從表2可以看出，ARC算法具有較快的壓縮速度和較高的壓縮去除率,。加入一階差分預測后帶來的時間延遲并不是很明顯,，卻明顯改善了壓縮去除率。結合各算法表現(xiàn)出的壓縮去除率,，具有一階差分的ARC算法在航天遙測這種應用場合表現(xiàn)出了最佳性能,。

    采用FPGA+DSP結構和用一階差分優(yōu)化的ARC算法對火箭遙測數(shù)據進行無損壓縮，達到了較高的壓縮去除率和可靠性,，減輕了遙測系統(tǒng)的信道傳輸壓力,，提高了數(shù)據的傳輸效率，是航天遙測數(shù)據壓縮較為理想的實現(xiàn)方案,。
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