本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于采樣數(shù)據(jù)幅頻特性的壓縮算法。

背景技術(shù)：

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于橋梁健康診斷，電能質(zhì)量分析，身體健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。通常情況下，前端采集的數(shù)據(jù)量非常大。為實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與傳輸，對(duì)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要解決帶寬受限下的高效數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。通過(guò)對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，最大程度的降低數(shù)據(jù)流的長(zhǎng)度，可減少對(duì)有限帶寬的占用，提高通信系統(tǒng)的傳輸效率。

從實(shí)際應(yīng)用角度進(jìn)行分析，首先，前端的數(shù)據(jù)采集與處理設(shè)備一般采用處理能力有限的嵌入式處理器，復(fù)雜的壓縮算法會(huì)導(dǎo)致處理器的負(fù)荷過(guò)重，無(wú)法保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。其次，增加系統(tǒng)通信帶寬的方案會(huì)帶來(lái)成本以及功耗方面的問(wèn)題。再次，適配無(wú)操作系統(tǒng)嵌入式設(shè)備的壓縮算法很少，多數(shù)的壓縮算法需要較大的字典集以及循環(huán)迭代操作，很難處理大量實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)。另外，為了減少待傳輸或者存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)總量，某些算法采用降低采樣頻率的方法，這樣處理的副作用就是信號(hào)的失真，甚至可能導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正確恢復(fù)。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，感知終端采集的信號(hào)中，包含大量在實(shí)際分析處理過(guò)程中無(wú)用的冗余信息，這些無(wú)效的信息耗費(fèi)了大量的傳輸帶寬與存儲(chǔ)資源。因此，在充分考慮到嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)與待采集信號(hào)的特征后，本發(fā)明提出了一種基于采樣數(shù)據(jù)幅頻特性的壓縮算法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于提供一種保證原始數(shù)據(jù)信息完整性、提高帶寬利用率、提高網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性的基于采樣數(shù)據(jù)幅頻特性的壓縮算法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用了以下技術(shù)方案：本發(fā)明主要包括前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、嵌入式處理器，所述算法是原始采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分段數(shù)據(jù)重采樣，并使用可變長(zhǎng)度重新表示的壓縮算法；所述算法從網(wǎng)絡(luò)感知層前端節(jié)點(diǎn)入手，利用信源編碼的方式，對(duì)采樣得到的信號(hào)進(jìn)行時(shí)域上的劃分，實(shí)時(shí)分析各個(gè)時(shí)間段的頻率分布，抽取其中的關(guān)鍵特征點(diǎn)，減少采樣點(diǎn)；對(duì)于各個(gè)時(shí)間段內(nèi)部的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析采樣數(shù)據(jù)的數(shù)值，進(jìn)行二進(jìn)制表示，找到可以完全覆蓋此數(shù)據(jù)段內(nèi)數(shù)據(jù)表示的最小數(shù)據(jù)位數(shù)，在傳輸?shù)倪^(guò)程當(dāng)中只傳輸去除冗余數(shù)據(jù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流，減少通信信道的占用。

進(jìn)一步的，所述算法包括以下步驟：

步驟1，確定重采樣頻率，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)篩選；

步驟2，確定段內(nèi)數(shù)據(jù)表示的位數(shù)，進(jìn)行幅值壓縮；

步驟3，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行規(guī)則定義。

進(jìn)一步的，步驟1中，當(dāng)原始信號(hào)變化不大、較為平坦時(shí)，在不影響對(duì)原始信號(hào)的特征分析的前提下，可以采用較低的采樣頻率進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，以盡量減少處理器以及帶寬的占用；

步驟1.1，根據(jù)分段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)特征，計(jì)算相應(yīng)的數(shù)據(jù)變化率的最大值，通過(guò)得出的變化率最大值來(lái)確定重采樣的頻率f_rs；

步驟1.2，重采樣頻率需≤AD芯片所允許的最大采樣率；

步驟1.3，通過(guò)構(gòu)造重采樣頻率與信號(hào)變化率的關(guān)系，得出實(shí)際執(zhí)行的采樣頻率f_rs；

其中，重采樣頻率f_rs和AD芯片所允許正常工作的最大采樣率f_as關(guān)系須滿足下式：

f_rs＝f_as/2^x,x∈N (1)

式中，x為正整數(shù)；完成數(shù)據(jù)提取。

進(jìn)一步的，步驟2的具體內(nèi)容為：

步驟2.1，將各段數(shù)據(jù)進(jìn)行二進(jìn)制表示，找出各個(gè)數(shù)據(jù)段中數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的最大值；對(duì)采樣信號(hào)的幅值進(jìn)行處理，記H為采樣數(shù)據(jù)集合，將H等數(shù)量分為子集S₁,S₂……S_i，且S₁＝{s₀,…，s_(N-1)},S₂＝{s_N,...，s_2N}……S_i＝{s_(i-1)N,...，s_iN}，s_i為采樣信號(hào)值，取0≤k_i≤1,i∈N^*，當(dāng)數(shù)據(jù)集滿足關(guān)系式且時(shí)，則認(rèn)為采樣數(shù)據(jù)可以在該分段集合下分段進(jìn)行壓縮；

步驟2.2，確定本段數(shù)據(jù)的表示集合參數(shù)以及數(shù)據(jù)位數(shù)A_r；

步驟2.3，完成數(shù)據(jù)壓縮。

進(jìn)一步的，步驟3中，在數(shù)據(jù)幀中加入時(shí)間信息，以保證多源數(shù)據(jù)的同步性；引入與壓縮處理相關(guān)的參數(shù)變量，以保證在終端可以正確的恢復(fù)原始數(shù)據(jù)；將時(shí)間戳信息和壓縮參數(shù)合并組成參數(shù)標(biāo)記域；

其相關(guān)參數(shù)信息與數(shù)據(jù)位數(shù)的關(guān)系表示如表1：

表1數(shù)據(jù)幀頭與壓縮參數(shù)對(duì)應(yīng)表

所述的參數(shù)標(biāo)記域?yàn)?位變量，高4位用來(lái)表示時(shí)間序列信息，低4位用來(lái)表示與壓縮算法相關(guān)的參數(shù)信息。

進(jìn)一步的，所述算法壓縮率小于1的條件：

式中，T_i表示分段數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間信息；m代表待處理的數(shù)據(jù)集合中數(shù)據(jù)段的總數(shù)量；L_i代表各個(gè)數(shù)據(jù)段處理后的數(shù)據(jù)位數(shù)；N_i為各個(gè)數(shù)據(jù)段集合的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

進(jìn)一步的，所述算法進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)壓縮有效性分析的公式為：

式中，f_i為各段數(shù)據(jù)中的重采樣頻率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明算法的復(fù)雜度適中，可以滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際需求?？勺畲蟪潭壬侠迷夹盘?hào)的特征，通過(guò)優(yōu)化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，減少傳輸過(guò)程中的數(shù)據(jù)比特流，能有效減少數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的網(wǎng)絡(luò)沖突，提高傳輸效率。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中f_rs與|ds/dt|的關(guān)系圖。

圖2為幅值壓縮示意圖。

圖3為一個(gè)典型的振動(dòng)信號(hào)圖。

圖4為取不同的采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)壓縮率n與斜率k的關(guān)系圖。

圖5為取不同的采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)誤差與k的關(guān)系圖。

圖6為取不同的采樣點(diǎn)數(shù)時(shí)消耗時(shí)間與k的關(guān)系圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說(shuō)明：

步驟1，確定重采樣頻率，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)篩選。

對(duì)原始數(shù)據(jù)以AD轉(zhuǎn)換芯片所允許的最大采樣頻率進(jìn)行采樣，將采樣的信號(hào)進(jìn)行分段處理，分成不同的數(shù)據(jù)集合。

對(duì)集合內(nèi)部的采樣點(diǎn)進(jìn)行分析，確定重采樣的頻率，最終采用的頻率記為f_rs。對(duì)于各個(gè)數(shù)據(jù)集合來(lái)說(shuō)，通過(guò)構(gòu)造采樣頻率與數(shù)據(jù)變化率的關(guān)系來(lái)確定重采樣頻率。

如圖1所示，當(dāng)選定采樣AD芯片之后，系統(tǒng)的f_as為固定值，定義斜率為k，過(guò)原點(diǎn)的直線與f_as的交點(diǎn)作為參數(shù)選取的臨界點(diǎn)。當(dāng)數(shù)據(jù)變化率的最大值大于等于d_s時(shí)，以f_as對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，即不進(jìn)行數(shù)據(jù)抽取操作。當(dāng)數(shù)據(jù)變化率的最大值小于d_s時(shí)，根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出重采樣頻率f_rs?？芍瑪?shù)據(jù)變化率越大則相應(yīng)的重采樣頻率就越大，得出的數(shù)據(jù)量就越大；反之，則重采樣頻率就越小，得出的數(shù)據(jù)量就越小，壓縮效果越明顯。

考慮到系統(tǒng)的實(shí)際情況，抽取的采樣頻率不能是任意數(shù)，f_as和f_rs關(guān)系須滿足下式：

f_rs＝f_as/2^x,x∈N (1)

步驟2，確定段內(nèi)數(shù)據(jù)的表示位數(shù)，進(jìn)行幅值壓縮。

對(duì)采樣信號(hào)的幅值進(jìn)行處理，記H為采樣數(shù)據(jù)集合，將H等數(shù)量分為子集S₁,S₂……S_i，且S₁＝{s₀,...，s_(N-1)},S₂＝{s_N,...，s_2N}……S_i＝{s_(i-1)N,...，s_iN}，s_i為采樣信號(hào)值，取0≤k_i≤1,i∈N^*，當(dāng)數(shù)據(jù)集滿足關(guān)系式且時(shí)，則認(rèn)為采樣數(shù)據(jù)可以在該分段集合下分段進(jìn)行壓縮。

示例性的，如圖2所示，該圖表示一個(gè)典型的振動(dòng)信號(hào)波形。從時(shí)域上考慮，將此信號(hào)分為4個(gè)數(shù)據(jù)段segment 1、segment 2、segment 3、segment 4，壓縮處理的過(guò)程中，AD芯片的位數(shù)決定了數(shù)據(jù)范圍(H)的取值大小，由系統(tǒng)采用16位精度的芯片，可得H的兩個(gè)數(shù)據(jù)子集sH和nH，各個(gè)子數(shù)據(jù)集合的A_r通過(guò)相應(yīng)的最大值得到，由上可知，segment 1可以用H域進(jìn)行表示，segment 2可以用nH域進(jìn)行表示，而segment2和segment4則可以用sH表示。當(dāng)s＝1/3，n＝2/3時(shí)，對(duì)小數(shù)位進(jìn)位取整之后，sH和nH分別表示6位數(shù)集和11位數(shù)集，即可以被sH表示的數(shù)據(jù)段可以采用6位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行完整表示，可以被nH表示的數(shù)據(jù)段可以采用11位二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行完整表示。因此，通過(guò)該數(shù)據(jù)壓縮算法對(duì)數(shù)據(jù)處理之后，數(shù)據(jù)壓縮率計(jì)算如下：

步驟3，對(duì)數(shù)據(jù)幀進(jìn)行規(guī)則定義。

在數(shù)據(jù)幀中加入相關(guān)參數(shù)，以避免數(shù)據(jù)亂序。所述的相關(guān)參數(shù)包括：時(shí)間戳信息及壓縮參數(shù)，用以標(biāo)識(shí)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)間序列，恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。本發(fā)明中將時(shí)間戳信息和壓縮參數(shù)合并組成參數(shù)標(biāo)記域，所述的參數(shù)標(biāo)記域?yàn)?位變量，其中高4位用來(lái)表示時(shí)間序列信息，低4位用來(lái)表示與壓縮算法相關(guān)的參數(shù)信息。其相關(guān)參數(shù)信息與數(shù)據(jù)位數(shù)的關(guān)系表示如表1。

定義T_i表示分段數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間信息，m代表待處理的數(shù)據(jù)集合中數(shù)據(jù)段的總數(shù)量，L_i代表各個(gè)數(shù)據(jù)段處理后的數(shù)據(jù)位數(shù)，N_i為各個(gè)數(shù)據(jù)段集合的采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮后的數(shù)據(jù)流以及參數(shù)標(biāo)記域位數(shù)之和為：

式中m×8代表參數(shù)標(biāo)記域的位數(shù)總和。

若式(2)成立，則壓縮算法的壓縮率小于1。

考慮到實(shí)際情況，可采用式(3)進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)壓縮有效性的分析。

式中，f_i為各段數(shù)據(jù)中的重采樣頻率。

為驗(yàn)證本發(fā)明具體的壓縮效果，本發(fā)明對(duì)一組典型的振動(dòng)信號(hào)(圖3)進(jìn)行處理，并對(duì)其壓縮結(jié)果進(jìn)行分析，其中：

圖4為取不同的數(shù)據(jù)段采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理時(shí)，數(shù)據(jù)壓縮率和k的關(guān)系，圖5為取不同的數(shù)據(jù)段采樣點(diǎn)數(shù)進(jìn)行處理時(shí)，相對(duì)誤差和k的關(guān)系。由圖可知，當(dāng)m的值確定時(shí)，隨著斜率k的取值的增大，數(shù)據(jù)的壓縮效果越差，相對(duì)誤差減小。因此，在保證精度的前提下如果要獲得較好的壓縮效果，k的值要滿足一定的條件。例如，當(dāng)m＝128時(shí)，k的值可以在7～11的范圍內(nèi)選取。通過(guò)對(duì)上述效果圖的分析，系統(tǒng)就可以按照實(shí)際需求選取合適的參數(shù)進(jìn)行壓縮處理。

對(duì)于實(shí)際的嵌入式系統(tǒng)，處理器對(duì)算法的復(fù)雜度也提出了一定的要求，需要保證對(duì)采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理壓縮，以避免數(shù)據(jù)阻塞溢出。系統(tǒng)對(duì)算法的基本要求為，發(fā)送數(shù)據(jù)流所需要的時(shí)間要小于算法處理的時(shí)間，同時(shí)采集新的數(shù)據(jù)集的時(shí)間要大于數(shù)據(jù)處理的時(shí)間消耗。本發(fā)明中處理不同的采樣點(diǎn)數(shù)量所需時(shí)間與斜率k的關(guān)系如圖6所示，從圖中可以看出，當(dāng)m值一定時(shí)，隨著k值的逐漸增加，壓縮算法的處理時(shí)間也會(huì)增大，但壓縮數(shù)據(jù)需要的平均處理時(shí)間小于50us，完全可以滿足嵌入式系統(tǒng)的實(shí)際需求。

以上所述的實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)確定的保護(hù)范圍內(nèi)。