[发明专利]一种结点可扩展的哈夫曼编码的实现方法及电路结构

说明书

本发明公开了一种结点可扩展的哈夫曼编码的实现方法及电路结构，该方法的步骤为：S1：以统计好的n个权重值作为叶子结点的权重值，并对结点权重值按从小到大的顺序排序；S2：排序完成后开始生成哈夫曼树，每次取出两个权重值最小的结点，生成父结点，直到生成n‑1个父结点；S3：哈夫曼树生成后采用自顶向下的方式对结点进行编码，叶子结点编码即为哈夫曼编码。该电路结构用来实现上述方法。本发明具有结点可扩展、易于硬件实现且编码效率高等优点。

技术领域

本发明主要涉及到数字信号处理领域，具体涉及一种结点可扩展的哈夫曼编码的实现方法及电路结构。

背景技术

随着互联网、移动计算等应用需求的急剧增长，全世界的数据信息量约每20个月就会增加1倍。在无线通信中常需传输大量音频、视频等流媒体数据，尤其在远程通信中，海量数据的传输和实时处理需求，与通讯线路的传输延迟和带宽形成了尖锐的矛盾。解决这一矛盾的有效方法就是使用数据压缩处理技术。

数据压缩是一种通过去除数据冗余信息以减少数据存储空间的技术，被广泛用于文件存储、图像处理和数字通信当中。数据压缩技术的方法多种多样，本质无非有两种：一种以信息论为基础的冗余位消除法；一种是引进某些特殊算法，像哈夫曼算法、正交变换等。冗余位消除法由于误差限制，总要丢失一部分信息，而特殊算法采用全信息的压缩方式，能够保证信息的完整性。

哈夫曼编码(Huffman Coding)由David Huffman在1952年提出，是一种基于概率统计原理的变长无损压缩编码，其软件实现一直是研究热点。有学者提出了一种快速自适应哈夫曼编码算法，对传输数据进行处理，提高了编码效率。Schwartz在1964年提出了一种改进的范式哈夫曼编码，该编码有助于降低编码过程中的存储空间开销。还有研究者提出用一维数组来建立哈夫曼树各结点之间的关系，使得任何编程语言都可实现哈夫曼编码。吴晨辉等人提出了一种自顶向下的哈夫曼编码方法，编码时对哈夫曼树的每个结点进行一次扫描，就可得到各叶子结点的哈夫曼编码，解决了原编码过程中大量指针移动的问题。但以上研究都是基于软件方法实现的，其运算速度慢，难以满足日益增长的数字信号处理需求，采用硬件电路实现则能明显提高哈夫曼编码的性能。

对于一组确定权重的叶子结点，构造出的不同二叉树的带权路径长度各不相同，把具有最短带权路径长度的二叉树称为最优二叉树，最优二叉树也称哈夫曼树。根据哈夫曼树的定义，要使二叉树的带权路径长度最短，必须使权重值越大的叶子结点越靠近根结点，而权值越小的叶子结点越远离根结点。根据这一思想构造最优树的算法，即哈夫曼算法，原理及过程如下：

(1)根据n个统计权重值{w₁，w₂，...w_n}构造包含n个二叉树的集合F＝{T₁，T₂，...T_n}，其中每棵二叉树T_i只包含权重为w_i的结点，且其左、右子树为空。

(2)从集合F中选两棵根结点权重值最小的二叉树T_i和T_j作为左、右子树构造一棵新的二叉树T_k，新二叉树T_k根结点权重值为其左、右子树根结点权重值之和。

(3)从集合F中删除新二叉树的左、右子树，将新的二叉树T_k加入F。

(4)重复(2)和(3)，直到F中只有一棵树为止，这棵树即为哈夫曼树。

(5)对哈夫曼树的各分支编码，左、右分支可分别用0、1编码，根结点到所有叶子结点路径的二进制编码即为各叶子结点的哈夫曼编码。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结点可扩展、易于硬件实现且编码效率高的结点可扩展的哈夫曼编码的实现方法及电路结构。