生物信号采集传输中的编解码电路研究

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1、生物信号采集传输中的编解码电路研究摘要：随着现代医疗水平的发展，植入式的生物信号采集系统越来越受到医学界重视。植入式系统体积小，往往采用无线方式来传输数据，对功耗要求很高。对采集的生物电信号，用适当的信源编码方式能够降低传输功耗，本论文采川无失真的信源编码方式-哈夫曼编码，并在FPGA实现响应的编码模块。词:信源编码哈夫曼编码VHDL1、引言随着微电子技术、微机技术与信息处理技术的飞速发展，近I•多年来，鲜为人知的若干微弱生物电信号由于其口益在临床医学屮显示了它们的重要意义而引起人们的同度重视。根据牛物电信号的性质、特点，植入式牛物信号采集系

2、统逐步在现代临床医学中得到应用，但是植入式采集系统通常不带电源，采用外界无线能量传输，低功耗的要求很高。因此本文就设计怎样的编解码电路来降低无线传输的功耗展开研究。2、信源编码度量通信技术的技术性能指标主要是从通信的数量和质量两个方而來讨论，数量是指通信的有效性，质量则是指通信的可靠性。如杲原來的信源不经过信源编码，信源会才在大量的多余成分，而这部分完全没有必要传送给接收端，因此信源编码的任务是在针対信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法进行压缩编码，去掉多余的成分，把信源输出的序列变为最短的码字序列，使后者的各码元的平均信息量最大，同吋乂

3、能保证无失真地恢复原来的序列；另外信源编码的作川还能降信源的模拟信号转为数字信号。一般，信源编码的过程包括•采样，量化，编码。常见的信源编码方式有HDB3编码、曼彻斯特编码、ASCII码、哈夫曼编码等。信源的编码方法分为定长编码和变长编码。定长编码要实现无失真需要的编码长度大，效率不高；变长编码的编码长度不盂要很大就可以达到相当高的编码效率，而II可以实现无失真编码。为了达到降低功耗，提扁传输的效率，我们要采取的是变长编码。香农编码、费诺编码和哈夫曼编码是常见的离散无记忆信源变长编码。香农码、费诺码、哈夫曼码都考虑了信源的统计特性，使经常出现

4、的信源符号对应较短的码字使信源的平均码长缩短，从而实现了对信源的床缩。香农码有系统的唯一•的编码方法，但在很多情况下编码效率不是很高；费诺码和哈夫曼码的编码方法都不唯一；费诺码比较适合于对分组概率相等或接近的信源编码；哈夫曼码对信源的统计特性没有特殊耍求编码效率比较扁，对编码设备的要求也比较简单因此综合性能优于香农码，应用比较广泛。3、哈夫曼编码哈夫曼编码-•种最佳变长编码，它的各个字符码组长度，与相应字符出现的概率相关。它的思想是，给高概率的码元赋予短码字，低概率的码元赋予长码字，使系统屮出现概率较窩信号的帧数据编码的位数减低，整体编码长度

5、可以减少，从而相应地降低系统功耗。甫T它突出的编码效率，凡焰时间费等概率出现而且有注重效率的领域，注入通信、中文信息处理、检索、电子计算机中对非线性数据结构的研究等，哈夫曼编码都有着着广泛的应川。哈夫曼编码过程大概如下：①将所有的符号按出现概率高低重新排列。②将出现概率最低的2个符号结合形成新的合成符号，并构成节点，2个概率Z和为节点的概率。该节点和尚未结合的其他概率再按上述规则结合形成新节点。如此可以形成一棵哈夫曼树。③从树根出发进到每个符号，每到一节点左边分支分配0,右边分支分配1,可获得每一符号对应的即时哈夫曼码。4、哈夫曼编码电路的V

6、HDL模块要实现哈夫曼编码，应先构造哈夫曼树，而在构造哈夫曼树Z前，必须由用户输入电文中字符的种类及各字符在电文中出现的次数，即需要用户提供哈夫曼树叶结点个数及各叶结点对应的权值。根据哈夫曼编码的原理，对本设计述行各个功能模块的划分：哈夫曼查找表模块（huff）、状态机模块（state）、控制模块（control）、顶层模块（Huffman）。顶层模块（Huffman）描述了一个从一个存储器模块变换8b数据的算法，然后把数据编码成存储在另一个存储器模块的可变长哈夫曼编码序列。哈夫曼查找表模块（huff）描述了一个8b输入的简单的部分哈夫曼査找

7、表，假如有一个8b的输入，传统的哈夫曼编码将产生一个可变长输出（一个8b的输入是“00010010”,编码的输出就是3位“110”），然而，在硬件中，数据输出是固定的而不是可变长的，因此，哈夫曼查找表模块（huff）使用一个8b的输出“DATAOUT”去描述传统的哈夫曼编码数据，“ENCODELENGTH”去描述编码长度，例如一个哈夫曼编码输出是“011”，则哈夫曼査找表模块（huff）将输出DATAOUT为“00000011”，ENCODELENGTH为“010”，看到编码的长度为2,根据这个规律，可得出哈夫曼编码表如表1所示。表1哈夫曼编

8、码表DATA1NDATAOLT000000000111100000(X)1101120000001001013000000110010400000100000150