专利名称：高效率保精度抗误码的信号压缩方法
技术领域：
本发明是一种遥测信号采集中的数据压缩技术。尤其是一种高效率保精度抗误码的信号压缩方法。
信息时代各种信号的“数字化”加剧了“数据爆炸”，为了更经济有效地存储和传输数据，压缩技术就得到了高度重视。数据压缩技术在本质上可分为两大类一类是没有任何损失或可逆的无损压缩，另一类则是有信息丢失或不可逆的有损压缩。有损压缩通常以信号的波形失真为代价，因而可以得到更高的数据压缩比(CR)，在数字声音和影像的压缩中得到了广泛应用，并有一系列的国际标准算法可供选择。又由于音像信号主要是供人视听的，因此只要感觉上“无伤大雅”，就可以利用人的视觉或听觉生理心理效应来掩蔽数据压缩中的量化过程所造成的信号损伤。
可对于许多数据采集应用(如航天和石油地球物理勘探等)，人们一时还难以接受有损压缩，认为会影响测量精度。但无损压缩算法复杂、压缩比低(取决于实际信号)且原则上要采用长度不定的码字(变长码)进行熵编码，使得压缩码流对信道误码特别敏感(差错会向后扩散)，往往需要增加额外的纠错编码用于信道保护，以及增加额外的缓冲器用于信道适配，因此，尽管数据压缩技术有巨大的应用需求和经济效益，上述矛盾仍然制约了在许多遥测系统中的实际使用。
本发明的目的就是提供一种能利用输入噪声掩蔽效应来更有效地压缩信号，以便显著改进现有遥测系统的总体技术指标的高效率保精度抗误码的信号压缩方法。
本发明的高效率保精度抗误码的信号压缩方法是根据给定的设定精度要求采用有损压缩的方法对含有噪声信号进行压缩处理，使得实际精度不减，并采用定长码字来编码，使信号的传输方式为AD变换——定长码字高效压缩编码——至信道。对信号进行压缩和编码时采用相应的分段压缩编码，使各段的输出码字总长度一定。因而信道编码往往可以省去或减弱。
事实上，各种遥测系统的多数测量参数都是经放大调节后的传感器微弱信号，测量时难免有一定的背景噪声，有时输入信噪比还很低。而模数转换器(A/D)精度及有损压缩后的量化失真，均可等效为引入额外的量化噪声而使测量系统输出信噪比进一步恶化。但若因有损压缩而引入的量化噪声与输入噪声相比不那么显著时，有损压缩就应该是合理而可接受的了；特别是数据本身含有较大噪声时若允许有一定的量化失真，就可能在输出噪声无明显增加的前提下显著提高CR。我们通过定量模拟输入噪声对压缩比和输出信噪比关系的影响、输入噪声对输出误差和量化失真的影响，揭示了输入噪声对信号压缩失真的掩蔽效应(即抛开人的视觉、听觉生理心理上的主观感受后，常见信号中输入噪声对于量化噪声的实际客观影响)，发现在一定噪声背景下可用限失真压缩代替无损压缩来加大压缩力度，而不致影响恢复信号质量。利用该输入噪声掩蔽效应来更有效地压缩信号，以便显著改进现有遥测系统的总体经济技术指标。
根据对输入噪声的测量或估计可以得到相应的掩蔽度量，据此按给定的测量精度要求可以采用一定的有损压缩代替保持型编码来加大数据压缩力度(即所谓高效率)，使得实际精度(即有损压缩后测量数据的真实信噪比或有效精度)不减(即所谓保精度)，并采用定长码字(在每一分组内)来编码(即所谓抗误码)，从而不仅可以省去传统遥测系统的数据压缩传输方式中为适配恒定信道速率而必须的缓冲器，而且在一定程度上可以省去(或简化)信道编码器，得到本发明的遥测数据压缩传输系统。
定长压缩编码模块可以采用任何压缩比为定值的分块编码技术，如离散余弦变换(DCT)、矢量量化(VQ)、小波变换(WT)等，来保证较高的压缩效率和误码不扩散(只局限于分布在本分块内)，而通过编程改变变换域系数的选择方式和比特分配模式即可控制压缩比和失真度(或测量精度)。
本发明的优点在于1．压缩效率高。无失真压缩没有信息损失，但压缩比和可供选择的理论方法却非常有限。而实际信号为噪声“污染”在所难免，本发明提出利用输入噪声对于信号压缩失真的掩蔽效应作为“保真度准则”，在一定的噪声背景下用限失真压缩代替无损压缩来提高信号压缩比，从而在同等任务(或测量)条件下可成倍地增加测量参数或取样率；或者可降低发射功率和传输或记录带宽要求，减小有效载荷，改善通信效率，还是解决高速飞行体再入大气层时遥测的有效途径之一。
2．抗信道干扰(误码不扩散)。对于高误码率信道(如深空遥测)，通常要分配更多的码率用于检错和纠错，不仅使得信道利用率大打折扣，也严重抵消了采用数据压缩所得到的好处(而通常采用无损编码本身压缩能力就很有限)。本发明采用保证等效测量精度的有损压缩，可通过合理选择定长编码，使得即使有误码也可将其影响局限在有限的范围内(譬如变换编码或矢量量化的一个分块)而不向后续的遥测帧扩散。这样，通常无需专为遥测压缩数据再加纠错保护。另外，还可以在对信源信道联合编码理论研究的基础上，筛选构造出适用的编码方法，在压缩数据的同时使系统的抗干扰裕度进一步提高。
3．系统简化。由于数据压缩比为定值，尤为适宜与恒速信道相匹配，可以彻底革除在变长编码时为进行压缩码率调整而不得不设置的信道缓冲存储器及其繁琐的反馈控制策略，也便于接口和硬件实现的规范化。
4．适应面宽。长期以来在遥测系统中，许多指标对于应用的要求相互矛盾而只能加以折衷，譬如信源编码和信道编码，压缩比和测量精度(量化误差)，算法通用性和压缩效率，处理方式(集中压缩或分布压缩)的复杂度和遥测体制，等等，这些要求将有可能通过本发明而加以较好地统一或折衷。譬如通过将现有的一次量比改为由高精度A/D(譬如16位的∑-Δ过采样廉价A/D)和有损压缩的二次量比来统一较高的压缩比和必要的等效测量精度；通过单片数字信号处理器(DSP)、单片微机或单片专用集成电路(ASIC)芯片完成可编程测量参数采集和压缩编码的主要工作，便于适配各种传感器且具有规范化的可编程接口；可按分包遥测系统的要求组织帧格式，并可兼容图像与视频。采样速率、量化精度(等效A/D位数)、压缩比、压缩方式、包格式及文件信息等均可事先编程设定或在线动态重组。
5．便于扩展。基于各种总线或计算机网络的分布式数据采集与处理(或集散控制)系统已成为各种自动测量、监视、控制与制造系统的一个重要发展方向，而在本发明基础上可构思出一种新型的具有信号压缩功能和规范化接口的通用一体化可编程测量模块，可大量压缩冗余数据而提高网络运行效率和反应速度，加之集成度高、可靠性好、组网灵活、性能先进，容易被其它领域接受。若配置不同的总线接口、通信速率及分包格式(均可通过编程实现)，则可能形成具有我国特色的各部门通用的标准数据采集单元，并据此设计具有我国独立知识产权的专用集成电路芯片。它可充分发挥现有遥测链路潜力，适合多型号多部门应用并可能促成一个统一标准，节省低水平、不兼容、重复开发的费用，促进技术和工业进步，经济效益、社会效益难以限量。
图1是本发明总体结构框图。其中有A/D转换1、定长压缩编码2、信噪比、压缩比设定3，“IN”为输入信号，“OUT”为压缩码流至信道。
图2为传统遥测系统的数据压缩传输方式。
图3是本发明针对DPCM的信号压缩系统的实例结构示意图。
图4是本发明针对DCT的信号压缩系统实例结构示意图。
本发明的实施方案如下以海洋石油地球物理勘探过程中所得到的实际声波反射信号为例，我们给出两个具体的实施例子。该信号的采样频率为1KHz，每信号样本(xk)量化为16位，原始记录长度为2500点。
例1，采用图3所示的典型差分脉冲编码调制(DPCM)信号压缩系统，如果去掉其中的量化器，则失真为0，但压缩比不超过1.7；如果保留量化器，就会有失真。现取最大绝对误差分别为2、8和16的均匀量化器，则压缩比可分别超过2、2.7和3。但只要输入信噪比低于50dB(对应输入噪声方差大于20dB)，则其输出信噪比基本不变，并近似等于输入信噪比(即无失真压缩时的输出信噪比)。因此，本例在利用输入噪声掩蔽量化失真的同时，能够精确控制每一数据样本的最大绝对误差和实际精度，而只要最大误差满足要求，便可利用带量化器的DPCM系统取代不带量化器的系统，也就是说，此时可用限失真压缩代替无失真压缩(因为量化失真已被输入噪声掩蔽)。
例2，采用图4所示的典型分段离散余弦变换(DCT)信号压缩系统，信号同例1，但截取有效记录长度为2048点。将数据分为32段，每段长度为64点，进行DCT后采用均匀量化和定长(即每一段的总码长相等)编码。则当压缩比和输入信噪比低于一定程度时，可保证输出信噪比不低于输入信噪比，具体数值如下
因此，本例表明如果限制输出信噪比不低于输入信噪比，则输入噪声越大，能够掩蔽的量化失真也越大(或能够允许的压缩比也越高)。只要知道输入信噪比(利用先验估计或在线测量得到)即可给出能够接受的更高的压缩比，而且抗误码性能也优于未加纠错保护的变长编码。
权利要求
1．一种高效率保精度抗误码的信号压缩方法，其特征在于其方法是根据给定的设定精度要求采用有损压缩的方法对含有噪声信号进行压缩处理，使得实际精度不减，并采用定长码字来编码，使信号的传输方式为AD变换——定长码字高效压缩编码——至信道。
2．根据权利要求1所述的高效率保精度抗误码的信号压缩方法，其特征在于对信号进行压缩和编码时采用相应的分段压缩编码，使各段的输出码字总长度一定。
全文摘要
高效率保精度抗误码的信号压缩方法是一种遥测信号采集中的数据压缩传输技术,该技术是根据给定的设定精度要求采用有损压缩的方法对含有噪声信号进行压缩处理,使得实际精度不减,并采用定长码字来编码,使信号的传输方式为:AD变换——定长码字高效压缩编码——至信道。对信号进行压缩和编码时采用相应的分段压缩编码,使各段的输出码字总长度一定。只要输入信号含有噪声,就可以利用来加大压缩比,无须设置缓冲存贮器。
文档编号H03M7/30GK1319837SQ0111353
公开日2001年10月31日 申请日期2001年4月16日 优先权日2001年4月16日
发明者吴乐南 申请人:东南大学