1、生物信號采集傳輸中的編解碼電路研究摘要：隨著現代醫療水平的發展，植入式的生物信號采集系統越來越受到醫學界重視。植入 式系統體積小，往往采用無線方式來傳輸數據，對功耗要求很高。對采集的生物電信號，用 適當的信源編碼方式能夠降低傳輸功耗，本論文采川無失真的信源編碼方式-哈夫曼編碼，并在fpga實現響應的編碼模塊。詞:信源編碼哈夫曼編碼vhdl1、引言隨著微電子技術、微機技術與信息處理技術的飛速發展，近i多年來，鮮為人知的若干 微弱生物電信號由于其口益在臨床醫學屮顯示了它們的重要意義而引起人們的同度重視。根 據牛物電信號的性質、特點，植入式牛物信號采集系統逐步在現代臨床醫學中得到應用，但是植入式采集

2、系統通常不帶電源，采用外界無線能量傳輸，低功耗的要求很高。因此本文就 設計怎樣的編解碼電路來降低無線傳輸的功耗展開研究。2、信源編碼度量通信技術的技術性能指標主要是從通信的數量和質量兩個方而來討論，數量是指通 信的有效性，質量則是指通信的可靠性。如杲原來的信源不經過信源編碼，信源會才在大量 的多余成分，而這部分完全沒有必要傳送給接收端，因此信源編碼的任務是在針対信源輸出 符號序列的統計特性來尋找某種方法進行壓縮編碼，去掉多余的成分，把信源輸出的序列變 為最短的碼字序列，使后者的各碼元的平均信息量最大，同吋乂能保證無失真地恢復原來的 序列；另外信源編碼的作川還能降信源的模擬信號轉為數字信號。一般

3、，信源編碼的過程包括采樣，量化，編碼。常見的信源編碼方式有hdb3編碼、曼徹斯特編碼、ascii碼、哈夫曼編碼等。信源的編碼方法分為定長編碼和變長編碼。定長編 碼要實現無失真需要的編碼長度大，效率不高；變長編碼的編碼長度不盂要很大就可以達到 相當高的編碼效率，而ii可以實現無失真編碼。為了達到降低功耗，提扁傳輸的效率，我們 要采取的是變長編碼。香農編碼、費諾編碼和哈夫曼編碼是常見的離散無記憶信源變長編碼。香農碼、費諾碼、哈夫曼碼都考慮了信源的統計特性，使經常出現的信源符號對應較短的碼 字使信源的平均碼長縮短，從而實現了對信源的床縮。香農碼有系統的唯一的編碼方法，但 在很多情況下編碼效率不是很高

4、；費諾碼和哈夫曼碼的編碼方法都不唯一；費諾碼比較適合于對分組概率相等或接近的信源編碼；哈夫曼碼對信源的統計特性沒有特殊耍求編碼效率比 較扁，對編碼設備的要求也比較簡單因此綜合性能優于香農碼，應用比較廣泛。3、哈夫曼編碼哈夫曼編碼-種最佳變長編碼，它的各個字符碼組長度，與相應字符出現的概率相關。 它的思想是，給高概率的碼元賦予短碼字，低概率的碼元賦予長碼字，使系統屮出現概率較 窩信號的幀數據編碼的位數減低，整體編碼長度可以減少，從而相應地降低系統功耗。甫t 它突出的編碼效率，凡焰時間費等概率出現而且有注重效率的領域，注入通信、中文信息處 理、檢索、電子計算機中對非線性數據結構的研究等，哈夫曼編碼

5、都有著著廣泛的應川。哈夫曼編碼過程大概如下：將所有的符號按出現概率高低重新排列。將出現概率最 低的2個符號結合形成新的合成符號，并構成節點，2個概率z和為節點的概率。該節點和 尚未結合的其他概率再按上述規則結合形成新節點。如此可以形成一棵哈夫曼樹。從樹根 出發進到每個符號，每到一節點左邊分支分配0,右邊分支分配1,可獲得每一符號對應的 即時哈夫曼碼。4、哈夫曼編碼電路的vhdl模塊要實現哈夫曼編碼，應先構造哈夫曼樹，而在構造哈夫曼樹z前，必須由用戶輸入電文 中字符的種類及各字符在電文中出現的次數，即需要用戶提供哈夫曼樹葉結點個數及各葉 結點對應的權值。根據哈夫曼編碼的原理，對本設計述行各個功能

6、模塊的劃分：哈夫曼查找表模塊 （huff）、狀態機模塊（state）、控制模塊（control）、頂層模塊（huffman）。頂層模 塊（huffman）描述了一個從一個存儲器模塊變換8b數據的算法，然后把數據編碼成存儲在 另一個存儲器模塊的可變長哈夫曼編碼序列。哈夫曼查找表模塊（huff）描述了一個8b輸入 的簡單的部分哈夫曼査找表，假如有一個8b的輸入，傳統的哈夫曼編碼將產生一個可變長 輸出（一個8b的輸入是“00010010”,編碼的輸出就是3位“110”），然而，在硬件中，數 據輸出是固定的而不是可變長的，因此，哈夫曼查找表模塊（huff）使用一個8 b的輸出“dataout”去描述傳

7、統的哈夫曼編碼數據，“encodelength”去描述編碼長度，例如一個哈 夫曼編碼輸出是“011”，則哈夫曼査找表模塊（huff）將輸出dataout為“00000011”， encodelength為“010”，看到編碼的長度為2,根據這個規律，可得出哈夫曼編碼表如表 1所示。表1哈夫曼編碼表data1ndataolt000000000111100000(x)1101 12000000100101300000011001040000010000015000001011 1001600000110ioc) 10700000 111ohio頂層編碼模塊:huffmanjclkresetn go

8、 datain(7.odone wen address 17. .0 dataout(7.,0>>entltyhuffmanlsport (clk: instdlogic;resetn: instd logic;go: instd_ logic;done: out std_ logic;wen: out std_ logic;address: out std logic vector(17downto 0);dataln: instd logic vector( 7downto 0);dataout: out std_logic_vector(7downto 0);end huff

9、man;clk為系統時鐘信號，resetn為系統復位信號,go為狀態轉換激勵信號，done為編碼完 成標志信號,wen為寫使能信號，address為地址信號，datain為數據輸入信號，dataout 為編碼數據輸出。頂層模塊外部結構如上圖所示。5、總結木文根據生物電信號的性質、特點，結合信源編碼方法的研究，設計一種編解碼電路，川于生物信號采集傳輸屮的編解碼，并hjij vhdl語言實現模塊化，在quartus軟件上仿真 驗證，最終滿足低功耗的要求。參考文獻：周炯盤，龐沁華，續人我，吳偉陵，楊鴻文通信原理m 北京郵電人學出版社.2008.266-2682張曉梅.常見離散信源編碼方法的比較j.福建電腦.2009 (5)： 64