CN109462400A - 一种基于浮动有效位元记数法的ad转换器编码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及编码方法相关领域，具体是一种基于浮动有效位元记数法的AD转换器编码方法，旨在解决现有AD转换器编码方法对于量值很小的数据编码精度过低的技术问题。本发明提供的一种AD转换器编码方法，采用高精度的AD转换器，将其转换后的数字信号作为编码器的输入数据，采用二进制浮动有效位元记数法，将数字信号的前端的无效的位元去除并且将去除的位数记录在位于后端的移位计数器里，然后传至信号传输通道进行后续传输，解决了由于AD转换器精度过高导致的字长过大的弊端，更重要的是对于数据量值很小的数据也可保持较多的有效位数，提高了量值较小的数据的编码精度。

Description

一种基于浮动有效位元记数法的AD转换器编码方法

技术领域

本发明涉及编码方法相关领域，具体是一种基于浮动有效位元记数法的AD转换器编码方法。

背景技术

传感器在测控系统中的作用和地位是非常重要的。在一些特殊场合，比如针对信号强度不确定且不可重复测试的情况下，传感器量程的选择是很大的问题。一个典型的传感器测量系统，物理量通过传感器转换为电平信号，再经过AD转换器量化为数字量，进而通过信道传递给数据处理器。该系统的性能设计很大程度上要依赖于对物理量的特性的了解。

一般的做法是为了保证能测量到有效信号，会尽量选择较大量程的传感器，但传感器量程相对于物理量变化范围选择过大，会导致实际测量时传感器输出的电平过小，AD转换后数据的有效位数较低，使得后续信道传输带宽被大量浪费。容易想到的一种改进方案是提高AD转换的精度，这样可以使得测量系统对小电平信号的分辨能力提高，一定程度上减弱量程选择过大的不足，但这种方案会增加AD转换器的输出字长，导致后续传输信道负荷加重。

在提高AD转换器的精度的基础上，现有技术为控制AD转换器的输出字长，避免后续传输信道负荷加重，编码采用的是高位截取的二进制数据表示法（简称BN，下同），在较长的变换结果中固定截取一定长度的高位数据，传递给信号通道，之后再解码进行计算。这种截取方法必须保证同一组数据的截取位置和长度保持一致才有意义，并且对于数据量值很小的转换结果的编码精度过低，无法满足要求。

发明内容

本发明旨在解决现有AD转换器编码方法对于量值很小的数据编码精度过低的技术问题。为此，本发明提出一种基于浮动有效位元记数法的AD转换器编码方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于浮动有效位元记数法的AD转换器编码方法，包括以下步骤：

S1、从AD转换器的转换结果中获得一个n位二进制的量化的数据D，作为编码器的输入数据，且将所述数据D的所有位元的位序从低到高依次标为0~n-1；

S2、根据后续信号传输带宽设定编码器的输出数据为m位二进制位，其中预留最低k位作为移位计数器，k=log₂m，编码器输出数据后需要进入信号传输通道，所以编码器输出数据的字长需根据信号传输带宽来设置，预留k位的移位计数器，用以后续左移位数的记录，k的值由m的值确定；

S3、将数据D循环左移，直至第n-1位和第n-2位不同或左移位数达到2^k-1，将此时的左移位数p记录在移位计数器中，第n-1位和第n-2位不同表示数据D的前端已经没有无意义的位数，左移位数达到2^k-1表示已经达到移位计数器能达到的最大浮点位数；

S4、将数据D左移后形成数据的最高（m-k）位二进制位作为高位，将记录了p的移位计数器的k位二进制位作为低位，组合成新的m位数据D＇，作为编码器的输出数据。

对应上述编码方法，解码方法如下：

S1、以m位的数据D＇作为解码器的输入数据；

S2、准备数值为0的的m-k+2^k-1位的二进制位的数据D＂；

S3、取出数据D＇的移位计数器记录的移位位数p；

S4、将数据D＇的最高（m-k）位复制到数据D＂的最高（m-k）位，将形成的数据持续右移p位，每次右移最高位填补次高位的值，最后输出m-k+2^k-1位的BN数;

S5、在输出的BN数的低位后补0，直至位数变为n位，然后最终将该n位的数作为解码器的输出数据。

本发明的有益效果是：本发明提供的一种AD转换器编码方法，采用高精度的AD转换器，将其转换后的数字信号作为编码器的输入数据，采用二进制浮动有效位元记数法，将数字信号的前端的无效的位元去除并且将去除的位数记录在位于后端的移位计数器里，然后传至信号传输通道进行后续传输，解决了由于AD转换器精度过高导致的字长过大的弊端，更重要的是对于数据量值很小的数据也可保持较多的有效位数，提高了量值较小的数据的编码精度。本发明提供的编码方法，当信号幅度较大时用较粗的粒度来表示，但当信号幅度较小时又具有更精细的描述能力，这正是在信号量化时所希望看到的。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的编码解码过程示意图；

图2是本发明的另一种实施例的编码解码过程示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明所述的编码方法进行进一步的解释说明。

实施例一：

参照图1，编码步骤如下：

S1、从AD转换器的转换结果中获取n=32的量化数据0xFCCFAE15，记为数据D，将D的所有位元的位序从低到高依次标为0~31；

S2、选取m=16，k= log₂16=4，即编码后输出数据为16位二进制位，其中预留最低4位作为移位计数器；

S3、将数据D循环左移，当左移5位时，第31位和第30位不同，满足“第（n-1）位和第（n-2）位不同”的情况，停止左移，此时得到数据0x99F5C2BF，左移位数p=5记录在移位计数器中；

S4、将数据D左移后形成数据0x99F5C2BF的最高12位二进制位作为高位，将记录了p=5的移位计数器的4位二进制位作为低位，组合成新的16位数据0x99F5，记为D＇，作为编码器的输出数据。

解码步骤如下：

S1、以D＇作为解码器的输入数据；

S2、准备数值为0的m-k+2^k-1=27位二进制位的数据D＂；

S3、取出D＇的移位计数器记录的移位位数p=5；

S4、将数据D＇的最高12位复制到数据D＂的最高12位，将形成的数据持续右移p=5位，每次右移最高位填补次高位的值，输出27位的BN数0x7E67C00；

S5、在0x7E67C00的低位后补5个0，使其位数变为32位，即：0xFCCF8000，作为解码器的输出数据进行后续运算。

实施例二：

参照图2，编码步骤如下：

S1、从AD转换器的转换结果中获取n=32的量化数据0xFFFF9514，记为数据D，将D的所有位元的位序从低到高依次标为0~31；

S2、选取m=16，k= log₂16=4，即编码后输出数据为16位二进制位，其中预留最低4位作为移位计数器（参数的选取后续会论述）；

S3、将数据D循环左移，当左移15位时，满足“左移位数达到2^k-1”的情况，停止左移，此时得到数据0xCA8A7FFF，左移位数p=15记录在移位计数器中；

S4、将数据D左移后形成数据0xCA8A7FFF的最高12位二进制位作为高位，将记录了p=15的移位计数器的4位二进制位作为低位，组合成新的16位数据0xCA85，记为D＇，作为编码器的输出数据。

解码步骤如下：

S1、以D＇作为解码器的输入数据；

S2、准备数值为0的m-k+2^k-1=27位二进制位的数据D＂；

S3、取出D＇的移位计数器记录的移位位数p=15；

S4、将数据D＇的最高12位复制到数据D＂的最高12位，将形成的数据循环右移p=15位，每次右移最高位填补次高位的值，输出27位的BN数0x7FFFCA8;

S5、在0x7FFFCA8的低位后补5个0，使其位数变为32位，即：0xFFFF9500，作为解码器的输出数据进行后续运算。最后输出32位的解码数0xFFFF9500，进行后续运算。

下面将采用本发明所述的基于有效位元记数法（FSBN，后同）与同字长的BN记数法进行比较，结果如下：

	BN	FSBN
			误差
范围	~
			单步增量	1	1~2<sup>k</sup>

从上表可看出， FSBN的取值范围、误差等特性与k和p的取值密切相关。P的取值范围是0~2^k-1，可以远远大于k，所以FSBN的取值范围可以扩展到很大；但是不可忽略的是，FSBN的变化步长是不均匀的。这里，一组FSBN数规定被解码为m-k+2^k-1位的BN数，其中m和k是提前设计好的，当p=0时，即对应大信号时，有效位域数增加1将引起整个数据变化2^k；当p=2^K-1时，即对应小信号时，整个数据的单步增量将是1。在FSBN的整个取值范围内，数据变化增量表现为两头大，中间小。这意味着在中间的数将会被表述得更加精确，但这种精确是以损失两边的精度换来的。

参数设计：FSBN的主要参数是n、m、k，其中n是由所选用的A/D转换器的量化精度等指标决定的；m是测量系统输出的数据字长，受后续信道传输带宽决定；k是包含在m中的浮点计数域。通常情况下，m会被设计为8、10、12、16位等偶数位。在满足信道传输带宽要求的前提下，尽量设计大一点。而FSBN中数据的精度主要是靠有效位的数量决定的，FSBN数据最终会被解码为m-k+2^k-1位的BN数，然后才参与运算。增加k值可以增加解码后的总字长，增加零位附近数据的描述能力，但k值过大会减少数据的有效位，反而降低数据精度。本申请中设计k=log₂m，这样能够最大程度地发挥有效位浮动范围，保证对零位附近数据的描述能力。

以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (1)

1.一种基于浮动有效位元记数法的AD转换器编码方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、从AD转换器的转换结果中获得一个n位二进制的量化的数据D，作为编码器输入数据，且将所述数据D的所有位元的位序从低到高依次标为0~n-1；

S2、根据后续信号传输带宽设定编码器输出数据为m位二进制位，其中预留最低k位作为移位计数器，k=log₂m；

S3、将数据D循环左移，直至第n-1位和第n-2位不同或左移位数达到2^k-1，将此时的左移位数p记录在移位计数器中；

S4、将数据D左移后形成数据的最高（m-k）位二进制位作为高位，将记录了p的移位计数器的k位二进制位作为低位，组合成新的m位数据D＇，作为编码器的输出数据。