一種基于哈夫曼與AMI的編碼系統(tǒng)

李宏基

黑龍江大學電子工程學院 黑龍江 哈爾濱 150000

引言

在進行通信的過程中,文本數(shù)據是現(xiàn)代人們用各種自然語言進行交流和信息通訊的必然結果，而且相比于非文本的數(shù)據來說,文本的數(shù)據更加直接地描述和表達了信息，而編碼系統(tǒng)可以方便完成文本信息的編碼，以及文字出現(xiàn)頻率的統(tǒng)計以及分類和壓縮所以設計出一種通用方便的編碼系統(tǒng)具有重要意義。本文的研究目的是對通信過程中編碼系統(tǒng)進行探究，并結合各個理論點，達到以哈夫曼編碼與雙極性碼（AMI碼）相合的方式完成對系統(tǒng)的編碼，采用合理的編碼方式，對于通信信源和信道編碼的最優(yōu)化具有重要意義。

1 系統(tǒng)總體架構

哈夫曼編碼是一種典型的無失真編碼，所采用的是最佳編碼定理，該計算方法是完全根據一個字符號在平均上表示的概率而設計的，它是一種平均上表示長度最短的數(shù)字。適用于無損耗的數(shù)據壓縮[1]。

AMI編碼方式是目前移動通信兩種編碼方式中的一種，為了達到使兩個碼的極性可以進行交替且可翻轉的編碼，分別決定采用一個碼的高電平和一個碼的低電平來分別表示這兩個碼的極性，其中消息源代碼符號中的0使用消息傳遞碼符號中的0來進行表示，消息源碼的代碼符號中的1使用消息傳遞碼中+1、-1交替來用的表示[2]。

以英文短文中的26個字母為例，通常這些字符在文本中出現(xiàn)的概率是不相等的。對某一文本中字符出現(xiàn)的頻率進行統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)空格、a、e、t是最常用的。運用matlab軟件[3]求出文本中字母出現(xiàn)的概率（不區(qū)分大小寫）。系統(tǒng)的整體架構結構如圖1所示，主要可以分為信源編碼和信道編碼，在開始進行信源編碼前，需要對文本信息做一定的預處理，即字符統(tǒng)計。

圖1 整體框架

2 信源編碼

信源有效編碼就是以持續(xù)改善和不斷增強無線通信的信源有效性來作為主要技術目的。通常來說是要依靠信源壓縮率和信源冗余可用程度提高來進行完成的。采用的普遍壓縮方法主要是對每一個平均信源中的符號比特進行平均壓縮，使用平均信源比特量或平均信源符號碼率。它的作用之一就是可以大幅減少碼元的運行數(shù)目并且這樣可以大幅降低碼元的實際運行編碼速率，通常是我們所說的碼元壓縮。其主要作用之二是，當語音信息源中用戶給出的數(shù)字信號更像是一種模擬式的數(shù)字語音傳輸信號時，信源中的編碼器將其轉化成一種模擬數(shù)字信號，以便用戶實現(xiàn)對模擬信號的一種數(shù)字化語音傳輸。

當希望信道以平均碼長的速率傳輸變長碼時，編碼器需要有容量足夠大的緩沖器調節(jié)碼流速率，使送入信道的碼流不致過快或中斷。綜上為了壓縮數(shù)據，常采用變長碼，以求獲得高的壓縮效果。本文采用哈夫曼編碼，其二進制哈夫曼編碼如表1所示。

表1 二進制哈夫曼編碼

圖2 哈夫曼編碼的碼樹圖

由于采用的是單符號二進制哈夫曼編碼，所以L=1，m=2。

其哈夫曼編碼的平均信息量為：

平均碼長為：

信息率：

編碼效率為：

哈夫曼編碼在對數(shù)字信源的綜合統(tǒng)計學編碼特性上并不是無任何特別的技術要求，編碼處理效率比較好，且它在綜合編碼處理器設計方面的編碼技術性能要求也簡單得多。

3 信道編碼

在編碼系統(tǒng)中，傳輸碼的編碼屬于信道層次，具有一定的糾檢錯能力。編碼類型的選擇必須遵循以下基本原則：①對于相應的基帶信號沒有高頻和低頻的分量，而且高頻信號的分量較小；②便于從信號中提取定時信息；③在數(shù)據傳送中，可有效節(jié)省數(shù)據的傳輸頻帶并且可以減少編碼之間的串擾。

AMI碼具有上述大部分的特征，其優(yōu)點之一是，由于+1和-1交替，AMI碼中的功率光譜中并沒有任何直流元素，高、低頻的分量較少，能量主要集中在頻率1/2碼速的地方。AMI碼的缺陷之一是，當信碼中出現(xiàn)一個相連“0”字符串時，信碼的輸入電平會不斷地發(fā)生跳變，導致提取到定時信號的困難。

將一片英語文章（無符號）中的字符先被轉換成ASC編碼，利用哈夫曼編碼得到二進制形式并翻譯成消息碼，再按AMI規(guī)則轉換成AMI碼。

使用matlab編寫m文件程序的方法實現(xiàn)對AMI碼的仿真，其輸出波形如圖3所示。

圖3 AMI輸出波形

4 結束語

信號信息編碼處理系統(tǒng)主要技術包括消息信源信號編碼和信道編碼兩部分，其作用之一：為滿足所有用戶需求，傳輸?shù)耐ǖ佬畔⒈M量與其他信道信息進行準確匹配。

信源編碼的目的之一是為了大大提高網絡信息快速傳遞的實時有效性；信道編碼的基本目標是為了大大增強對網絡信號的實時抵抗，并提高抵抗干擾的能力，提高網絡信號實時傳輸?shù)目煽慷取?/p>