一种基于哈夫曼与AMI的编码系统

李宏基

黑龙江大学电子工程学院 黑龙江 哈尔滨 150000

引言

在进行通信的过程中,文本数据是现代人们用各种自然语言进行交流和信息通讯的必然结果，而且相比于非文本的数据来说,文本的数据更加直接地描述和表达了信息，而编码系统可以方便完成文本信息的编码，以及文字出现频率的统计以及分类和压缩所以设计出一种通用方便的编码系统具有重要意义。本文的研究目的是对通信过程中编码系统进行探究，并结合各个理论点，达到以哈夫曼编码与双极性码（AMI码）相合的方式完成对系统的编码，采用合理的编码方式，对于通信信源和信道编码的最优化具有重要意义。

1 系统总体架构

哈夫曼编码是一种典型的无失真编码，所采用的是最佳编码定理，该计算方法是完全根据一个字符号在平均上表示的概率而设计的，它是一种平均上表示长度最短的数字。适用于无损耗的数据压缩[1]。

AMI编码方式是目前移动通信两种编码方式中的一种，为了达到使两个码的极性可以进行交替且可翻转的编码，分别决定采用一个码的高电平和一个码的低电平来分别表示这两个码的极性，其中消息源代码符号中的0使用消息传递码符号中的0来进行表示，消息源码的代码符号中的1使用消息传递码中+1、-1交替来用的表示[2]。

以英文短文中的26个字母为例，通常这些字符在文本中出现的概率是不相等的。对某一文本中字符出现的频率进行统计可以发现空格、a、e、t是最常用的。运用matlab软件[3]求出文本中字母出现的概率（不区分大小写）。系统的整体架构结构如图1所示，主要可以分为信源编码和信道编码，在开始进行信源编码前，需要对文本信息做一定的预处理，即字符统计。

图1 整体框架

2 信源编码

信源有效编码就是以持续改善和不断增强无线通信的信源有效性来作为主要技术目的。通常来说是要依靠信源压缩率和信源冗余可用程度提高来进行完成的。采用的普遍压缩方法主要是对每一个平均信源中的符号比特进行平均压缩，使用平均信源比特量或平均信源符号码率。它的作用之一就是可以大幅减少码元的运行数目并且这样可以大幅降低码元的实际运行编码速率，通常是我们所说的码元压缩。其主要作用之二是，当语音信息源中用户给出的数字信号更像是一种模拟式的数字语音传输信号时，信源中的编码器将其转化成一种模拟数字信号，以便用户实现对模拟信号的一种数字化语音传输。

当希望信道以平均码长的速率传输变长码时，编码器需要有容量足够大的缓冲器调节码流速率，使送入信道的码流不致过快或中断。综上为了压缩数据，常采用变长码，以求获得高的压缩效果。本文采用哈夫曼编码，其二进制哈夫曼编码如表1所示。

表1 二进制哈夫曼编码

图2 哈夫曼编码的码树图

由于采用的是单符号二进制哈夫曼编码，所以L=1，m=2。

其哈夫曼编码的平均信息量为：

平均码长为：

信息率：

编码效率为：

哈夫曼编码在对数字信源的综合统计学编码特性上并不是无任何特别的技术要求，编码处理效率比较好，且它在综合编码处理器设计方面的编码技术性能要求也简单得多。

3 信道编码

在编码系统中，传输码的编码属于信道层次，具有一定的纠检错能力。编码类型的选择必须遵循以下基本原则：①对于相应的基带信号没有高频和低频的分量，而且高频信号的分量较小；②便于从信号中提取定时信息；③在数据传送中，可有效节省数据的传输频带并且可以减少编码之间的串扰。

AMI码具有上述大部分的特征，其优点之一是，由于+1和-1交替，AMI码中的功率光谱中并没有任何直流元素，高、低频的分量较少，能量主要集中在频率1/2码速的地方。AMI码的缺陷之一是，当信码中出现一个相连“0”字符串时，信码的输入电平会不断地发生跳变，导致提取到定时信号的困难。

将一片英语文章（无符号）中的字符先被转换成ASC编码，利用哈夫曼编码得到二进制形式并翻译成消息码，再按AMI规则转换成AMI码。

使用matlab编写m文件程序的方法实现对AMI码的仿真，其输出波形如图3所示。

图3 AMI输出波形

4 结束语

信号信息编码处理系统主要技术包括消息信源信号编码和信道编码两部分，其作用之一：为满足所有用户需求，传输的通道信息尽量与其他信道信息进行准确匹配。

信源编码的目的之一是为了大大提高网络信息快速传递的实时有效性；信道编码的基本目标是为了大大增强对网络信号的实时抵抗，并提高抵抗干扰的能力，提高网络信号实时传输的可靠度。