ＤＳＰ的算術(shù)編碼在小型通信系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

摘 要：本文著重闡述了一種數(shù)據(jù)壓縮方法——二進(jìn)制半自適應(yīng)數(shù)學(xué)編碼，對其基本原理、編碼算法和實(shí)現(xiàn)流程均做了詳細(xì)的闡述。同時，在DSP提供的開發(fā)平臺上，主要完成DCT變換，構(gòu)建一個小型的通信系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)壓縮 二進(jìn)制半自適應(yīng)算術(shù)編碼 DSP 通信系統(tǒng)

1. 前言

數(shù)字化的浪潮正在迅速地席卷全球。數(shù)字信號處理（DSP）技術(shù)作為數(shù)字化最重要的基礎(chǔ)技術(shù)之一，無論在其應(yīng)用的廣度和深度方面，都正以前所未有的速度向前發(fā)展。數(shù)字信號處理器（DSP器件）作為快速處理與實(shí)時處理最重要的載體之一，正日益受到科學(xué)技術(shù)界的關(guān)注。

信息時代的重要特征是信息的數(shù)字化。而數(shù)字化的音頻和視頻均含有大量的冗余信息；同時，信息的高速膨脹使得人們對信息的需求量不斷增大?；谶@種背景的考慮，我們在構(gòu)建該系統(tǒng)中采用了兩種數(shù)據(jù)壓縮方法：離散余弦變換和算術(shù)編碼，作為對數(shù)據(jù)壓縮方法的初步了解。

一個小型的通信系統(tǒng)的構(gòu)建，需要由DSP和數(shù)據(jù)壓縮算法才能實(shí)現(xiàn)。為此，我們在這里選DSP系列TMS320C54X系統(tǒng)入門套件DSK板，結(jié)合針對C5X系列DSP的集成開發(fā)環(huán)境CCS5000和有關(guān)數(shù)據(jù)壓縮算法，以達(dá)到了解DSP和數(shù)據(jù)壓縮的運(yùn)作過程。

2. DSP的硬件支持

自60年代以來，隨著計(jì)算機(jī)和信息科學(xué)的飛速發(fā)展，數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生并迅速發(fā)展。簡單地說，數(shù)字信號是利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ锰幚碓O(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對信號進(jìn)行采集、變換、綜合、估值與識別等加工處理，借以達(dá)到提取信息和便于應(yīng)用的目的。

為了加速DSP的普及和應(yīng)用，DSK就孕育而生了，它是由德州儀器公司特地為剛剛接觸DSP領(lǐng)域的初學(xué)者提供的價廉物美的DSP開發(fā)工具。在DSK上，擁有音頻處理器AC01、AI/AO及TMS320C5402等一些處理模塊。

（1）TLCAC01介紹

AC01時一個音頻處理器。在簡單的通信系統(tǒng)中，它主要完成A/D和D/A轉(zhuǎn)換。AC01有三種基本操作模式，并且通過軟件編程能實(shí)現(xiàn)對輸入模擬信號采樣頻率的控制。我們采用主控—受控模式，并使用AC01的缺省采樣頻率即15.4KHz作為模擬話音信號的采樣速率。

（2）TMS320C5402芯片介紹

TMS320C54X系列是一個優(yōu)秀的16bit定點(diǎn)DSP系列，在工程界得到廣泛應(yīng)用。TMS320C54X是一個可編程器件。在很多簡單通信系統(tǒng)中，算術(shù)編碼算法就是通過此芯片來實(shí)現(xiàn)的。

3. 系統(tǒng)模型及原理

（1）系統(tǒng)模型

（2）系統(tǒng)原理

輸入端從麥克風(fēng)得到一模擬語音信號，經(jīng)AC01采樣、量化后形成信息速率為64kbps的PCM碼流，結(jié)果存儲在輸入緩沖區(qū)中。為了能實(shí)現(xiàn)實(shí)時的編解碼，系統(tǒng)設(shè)置了兩個接受數(shù)據(jù)輸入緩沖區(qū)buffer1和buffer2。由于軟件設(shè)置時定時器中斷INT0，使其每Ti間隔時間產(chǎn)生一次中斷。中斷相應(yīng)完成以下兩方面工作：一方面轉(zhuǎn)換輸入緩存buffer1到buffer2，使buffer2接收PCM碼流，以次保證信號的不間斷采樣；另一方面對buffer1中的碼流進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮處理。編碼結(jié)果存儲在輸出緩沖區(qū)Out_Buffer中，再對其進(jìn)行相應(yīng)的反變換，然后驅(qū)動揚(yáng)聲器輸出所恢復(fù)的語音信號。如此每發(fā)生一次中斷，就進(jìn)行壓縮和解壓縮處理，直到模擬信號的采樣結(jié)束。為了防止數(shù)據(jù)丟失，必須保證數(shù)據(jù)壓縮處理時間Tc

4. 算術(shù)編碼的實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)壓縮的必要性

信息時代的重要特征是信息的數(shù)字化，而數(shù)字化的視頻和音頻信息其數(shù)據(jù)之大是驚人的。這將給存儲器的存儲容量、通信主干信道的傳輸率以及計(jì)算機(jī)的處理速度帶來極大的壓力?？紤]到技術(shù)與成本諸多因素，單純用擴(kuò)大存儲器的容量，增加通信干線的傳輸率以及提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度等辦法是不現(xiàn)實(shí)的。數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)是一個行之有效的方法。

（2）語音信號壓縮的可能性

聲音信號能進(jìn)行壓縮編碼的依據(jù)有兩個：第一，聲音信號中存在著很大的冗余度，通過識別和去除這些冗余信息，便能達(dá)到壓縮的目的。第二，人耳聽覺中有一個重要的特點(diǎn)，即聽覺的“掩蔽效應(yīng)”。它是指一個強(qiáng)音能抑制一個同時存在的弱音。利用該性質(zhì)，可以抑制與信號同時存在量化噪音。所以，采用DCT變換和算術(shù)編碼方法。

（3）算術(shù)編碼算法的基本思路

按照概率的基本理論，對一個獨(dú)立信源，任一由信源符號組成的長度為N的序列，其發(fā)生概率可由其中各個符號的概率求得，并且所有長度為N的可能序列的發(fā)生概率之和為1。為此，我們將［0，1）按照一定的順序劃分為若干個子區(qū)間，使每個子區(qū)間對應(yīng)一個長度為N的可能序列，各子區(qū)間互不重疊且寬度等于序列的發(fā)生概率。這樣，每個子區(qū)間有一個唯一的起始值或左端點(diǎn)，只要知道了該點(diǎn)，也就能確定具體的符號序列了。由于編碼輸入信號是PCM的二源信號，所以采用二進(jìn)制算術(shù)編碼方法。

（4）二進(jìn)制算術(shù)編碼算法

算術(shù)編碼初始化，可設(shè)置兩個參數(shù)，Pe和Qe。Pe代表大概率，Qe代表小概率。

算術(shù)編碼的第一步，據(jù)概率Pe和Qe值，將［0，1）分割成兩個子區(qū)間，如圖所示，Qe為小概率，從0算起，那么，Pe=1-Qe，隨后，當(dāng)編碼輸入符號流中的是“0”，其輸出碼字應(yīng)落在0~Qe區(qū)間內(nèi)，在此區(qū)間內(nèi)的一個最短二進(jìn)制碼作為輸出；如果符號流中第一個符號來的是“1”，那么其輸出碼字應(yīng)落在Pe中，即Qe~1內(nèi)。

解碼是編碼的逆過程。在解碼過程中，當(dāng)C′落如0~QeA區(qū)間，解碼符號賦予“0”，當(dāng)C′落如QeA~A區(qū)間，解碼符號賦予“1”。具體算法如下：編碼時設(shè)置兩個專用寄存器，A寄存器和C寄存器。設(shè)C寄存器內(nèi)的數(shù)值為子區(qū)間的起始位置，A寄存器內(nèi)的數(shù)值為子區(qū)間的寬度，該寬度正好是已輸入符號串的概率（初始化時C=0，A=1）。

當(dāng)?shù)透怕史朙PS到來時

C=CA=AQe

當(dāng)高概率符號MPS到來時

C=C+AQeA=Ape=A(1-Qe)

以C寄存器中的數(shù)為下限，以C+A數(shù)值為上限的某個二進(jìn)制小數(shù)即所求結(jié)果。

解碼是編碼的逆過程。同樣設(shè)置兩個寄存器C′和寄存器A′。C′寄存器和A′寄存器中的內(nèi)容要根據(jù)每次符號“1”或“0”按照以下公式修改。

當(dāng)C′落如0~QeA區(qū)間內(nèi)，解碼符號賦予“0”這時

C′=C′A′=QeA′

當(dāng)C′落如QeA~A區(qū)間內(nèi)，解碼符號賦予“1”這時

C′=C′-QeA′A′=A′(1-QeA′)

利用上述公社多次重復(fù)計(jì)算，求得與解碼輸入字符串所對應(yīng)的解碼輸出。

5. 小結(jié)

AC01的采樣頻率本可編程實(shí)現(xiàn)為8KHz或16KHz，8KHz和16KHz是語音信號標(biāo)準(zhǔn)采樣頻率，算術(shù)編碼本身是一個日趨完善的算法。所以對于一個小型的通信系統(tǒng)而言，隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代通信系統(tǒng)也將日趨先進(jìn)化。

參考文獻(xiàn)：

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>