適用于暫態(tài)波形存儲(chǔ)的 “輕量級(jí)” 數(shù)據(jù)壓縮算法，核心判定標(biāo)準(zhǔn)是算法復(fù)雜度低（無(wú)復(fù)雜矩陣運(yùn)算 / 大窗口搜索）、硬件依賴?。ㄟm配 8/32 位 MCU、內(nèi)存占用≤10KB）、實(shí)時(shí)性強(qiáng)（單采樣點(diǎn)處理時(shí)延≤1μs），同時(shí)需保留暫態(tài)波形的關(guān)鍵特征（突變點(diǎn)、幅值變化）。以下是 4 類典型輕量級(jí)算法及應(yīng)用適配：

一、差分編碼（DPCM）及其簡(jiǎn)化變種：最基礎(chǔ)的輕量選擇

1. 基礎(chǔ) DPCM（差分脈沖編碼調(diào)制）

核心原理：利用暫態(tài)波形 “相鄰采樣點(diǎn)幅值相關(guān)性強(qiáng)” 的特點(diǎn)（如電壓平穩(wěn)段相鄰值差≤0.5V），僅存儲(chǔ) “當(dāng)前采樣值 - 前一采樣值的差值”，而非原始值。例：原始波形采樣值「220.0V、220.1V、220.05V、219.9V」，僅存儲(chǔ)「220.0V（基準(zhǔn)值）、+0.1V、-0.05V、-0.15V」，差值數(shù)據(jù)的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于原始值，自然實(shí)現(xiàn)壓縮。

輕量特性：

無(wú)復(fù)雜計(jì)算：僅需 1 次減法運(yùn)算，8 位 MCU 即可實(shí)時(shí)處理；

內(nèi)存占用：僅需保存 1 個(gè) “前一采樣值”（16 位整數(shù)，2 字節(jié)），無(wú)額外緩存需求；

處理時(shí)延：?jiǎn)尾蓸狱c(diǎn)處理≤0.1μs，完全適配每周波 256~1024 點(diǎn)的采樣需求。

壓縮比：1.5:1~2.5:1（暫態(tài)平穩(wěn)段壓縮比高，突變段稍低），適合電壓波動(dòng)、小幅值諧波等暫態(tài)場(chǎng)景。

應(yīng)用案例：安科瑞 APView500 的 “基礎(chǔ)壓縮模式”、經(jīng)濟(jì)型配電監(jiān)測(cè)裝置（如 ZR-WPQ 系列）。

2. 簡(jiǎn)化 ADPCM（自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制）

核心改進(jìn)：在 DPCM 基礎(chǔ)上，根據(jù) “差值大小動(dòng)態(tài)調(diào)整量化步長(zhǎng)”（差值小→小步長(zhǎng)，保留細(xì)節(jié)；差值大→大步長(zhǎng)，減少數(shù)據(jù)量），但僅保留 2~3 級(jí)固定步長(zhǎng)（而非動(dòng)態(tài)計(jì)算），降低復(fù)雜度。例：預(yù)設(shè)步長(zhǎng)「0.05V、0.2V、0.5V」，差值≤0.1V 用 0.05V 步長(zhǎng)量化，0.1V~0.3V 用 0.2V 步長(zhǎng)，＞0.3V 用 0.5V 步長(zhǎng)。

輕量特性：

無(wú)復(fù)雜步長(zhǎng)計(jì)算：僅通過(guò)預(yù)設(shè)閾值判斷步長(zhǎng)，無(wú)需乘法 / 除法；

內(nèi)存占用：額外保存 1 個(gè) “當(dāng)前步長(zhǎng)標(biāo)識(shí)”（2 位二進(jìn)制，可嵌入差值數(shù)據(jù)），總內(nèi)存≤4 字節(jié)。

壓縮比：2:1~3:1（比基礎(chǔ) DPCM 高 20%~30%），且能保留暫態(tài)突變點(diǎn)細(xì)節(jié)（如電壓暫降起始時(shí)的差值用小步長(zhǎng)量化）。

應(yīng)用案例：研華 UNO-2484G 邊緣網(wǎng)關(guān)的 “輕量壓縮”、工業(yè)級(jí)電流監(jiān)測(cè)裝置。

二、基礎(chǔ)熵編碼：霍夫曼編碼（靜態(tài)版）

1. 靜態(tài)霍夫曼編碼（預(yù)定義碼表）

核心原理：對(duì) “差分編碼后的差值” 或 “原始采樣值”，用預(yù)定義的霍夫曼碼表（基于暫態(tài)波形的統(tǒng)計(jì)規(guī)律，如額定值附近采樣點(diǎn)頻率高）分配短碼，無(wú)需實(shí)時(shí)構(gòu)建碼表（避免復(fù)雜計(jì)算）。例：預(yù)設(shè)碼表中，差值「0V」（平穩(wěn)段常見(jiàn)）用 2 位碼「00」，差值「±1V」（突變段）用 4 位碼「1010/1011」，高頻值用短碼減少數(shù)據(jù)量。

輕量特性：

無(wú)實(shí)時(shí)碼表構(gòu)建：碼表預(yù)先存儲(chǔ)在 ROM 中（16~32 字節(jié)即可覆蓋常見(jiàn)差值），無(wú)需占用 RAM；

編碼過(guò)程：僅需 “查表 + 位拼接”，無(wú)復(fù)雜概率計(jì)算，32 位 MCU 單采樣點(diǎn)處理≤0.5μs；

解碼簡(jiǎn)單：接收端用相同碼表反向查表，適合裝置本地存儲(chǔ) + 后期導(dǎo)出分析。

壓縮比：2:1~3.5:1（與 DPCM 結(jié)合時(shí)，壓縮比可達(dá) 3:1~4:1），適合采樣值分布集中的暫態(tài)場(chǎng)景（如電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)的小幅諧波）。

應(yīng)用案例：福祿克 1740 便攜式監(jiān)測(cè)儀、低端電能質(zhì)量分析儀（如橫河 WT210）。

2. 行程編碼（RLE）：與差分編碼組合

核心原理：對(duì) “連續(xù)相同的差值”（如暫態(tài)平穩(wěn)段，差值連續(xù)為 0V），僅存儲(chǔ) “差值 + 連續(xù)次數(shù)”，而非重復(fù)存儲(chǔ)每個(gè)差值。例：差分后的數(shù)據(jù)「0V、0V、0V、+0.1V、0V、0V」，用 RLE 編碼為「(0V,3)、(+0.1V,1)、(0V,2)」，減少重復(fù)數(shù)據(jù)量。

輕量特性：

僅需 1 個(gè) “計(jì)數(shù)器”（8 位整數(shù)，1 字節(jié)），記錄連續(xù)次數(shù)（最大 255 次，足夠覆蓋平穩(wěn)段）；

觸發(fā)條件簡(jiǎn)單：僅當(dāng)當(dāng)前差值與前一差值相同時(shí)計(jì)數(shù)，否則存儲(chǔ)并重置計(jì)數(shù)器，無(wú)額外計(jì)算。

壓縮比：平穩(wěn)段可達(dá) 5:1~10:1（如電壓穩(wěn)定時(shí)），突變段無(wú)壓縮效果，需與 DPCM 結(jié)合（先差分再 RLE），整體壓縮比 2.5:1~4:1。

應(yīng)用案例：居民配網(wǎng) C 級(jí)監(jiān)測(cè)裝置、光伏逆變器本地波形存儲(chǔ)。

三、簡(jiǎn)化 LZ77 算法（小窗口版）

1. 小窗口 LZ77（窗口大小≤128 字節(jié)）

核心原理：保留 LZ77 “尋找重復(fù)片段” 的核心邏輯，但將滑動(dòng)窗口大小設(shè)為 64~128 字節(jié)（常規(guī) LZ77 窗口為 4KB~64KB），減少內(nèi)存占用和查找時(shí)間，僅捕捉短重復(fù)片段（如暫態(tài)平穩(wěn)段的連續(xù)小幅波動(dòng)）。例：窗口內(nèi)找到 “220.0V、220.05V、219.95V” 的重復(fù)片段，用 “片段起始位置（4 字節(jié)）+ 長(zhǎng)度（2 字節(jié)）” 替代原始 3 個(gè)采樣值（6 字節(jié)），節(jié)省數(shù)據(jù)量。

輕量特性：

內(nèi)存占用：窗口 + 歷史緩沖區(qū)共≤256 字節(jié)（遠(yuǎn)低于常規(guī) LZ77），適合 8 位 MCU；

查找邏輯簡(jiǎn)化：僅遍歷窗口內(nèi)前 16 個(gè)字節(jié)（而非全窗口），減少比較次數(shù)，單片段處理≤1μs。

壓縮比：2.5:1~3.5:1（適合含短重復(fù)片段的暫態(tài)，如周期性小幅諧波），不適合無(wú)重復(fù)的突發(fā)暫態(tài)（如雷擊電壓沖擊）。

應(yīng)用案例：工業(yè)級(jí)邊緣傳感器（如 ME2021 的 “快速壓縮模式”）、低功耗監(jiān)測(cè)裝置。

四、輕量級(jí)量化編碼（固定步長(zhǎng)量化）

1. 固定步長(zhǎng)量化編碼

核心原理：對(duì)采樣值或差分差值，用固定步長(zhǎng)量化（如 0.1V / 步），僅存儲(chǔ) “量化后的整數(shù)索引”（而非原始浮點(diǎn)值），實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，且量化步長(zhǎng)可通過(guò)配置調(diào)整（兼顧精度與壓縮比）。例：原始差值「0.08V、0.12V、-0.05V」，用 0.1V 步長(zhǎng)量化為「1、1、0」（索引 = 差值 / 步長(zhǎng) + 偏移），每個(gè)索引用 4 位二進(jìn)制存儲(chǔ)（原始差值需 16 位）。

輕量特性：

僅需 1 次除法（可簡(jiǎn)化為移位運(yùn)算，如 0.1V 步長(zhǎng)對(duì)應(yīng) ×10 后取整），無(wú)復(fù)雜計(jì)算；

內(nèi)存占用：僅需保存量化步長(zhǎng)（16 位整數(shù)，2 字節(jié)），無(wú)額外緩存；

誤差可控：步長(zhǎng)設(shè)為 0.05V~0.2V 時(shí)，暫態(tài)幅值誤差≤5%，滿足常規(guī)監(jiān)測(cè)需求。

壓縮比：3:1~4:1（原始 16 位采樣值→量化后 4~5 位索引），適合對(duì)精度要求不高的暫態(tài)統(tǒng)計(jì)場(chǎng)景（如電壓波動(dòng)頻次統(tǒng)計(jì)）。

應(yīng)用案例：低端配電監(jiān)測(cè)模塊（如安科瑞 PZ72L-E4）、物聯(lián)網(wǎng)低功耗監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

輕量級(jí)算法對(duì)比與選擇建議

總結(jié)

輕量級(jí)算法的核心是 “夠用即好”—— 以最低的硬件成本實(shí)現(xiàn) “關(guān)鍵特征不丟、誤差可控” 的壓縮。選擇建議：

極致輕量（8 位 MCU / 低功耗）：優(yōu)先選「基礎(chǔ) DPCM」或「DPCM+RLE」，適合居民配網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)；

平衡壓縮比與精度（32 位 MCU）：選「簡(jiǎn)化 ADPCM」或「靜態(tài)霍夫曼 + DPCM」，適合工業(yè)車間、光伏逆變器；

統(tǒng)計(jì)類場(chǎng)景（精度要求低）：選「固定步長(zhǎng)量化」，適合電壓波動(dòng)、諧波頻次統(tǒng)計(jì)。

所有輕量級(jí)算法均建議與 “事件觸發(fā)存儲(chǔ)” 結(jié)合（僅存儲(chǔ)異常暫態(tài)，不存儲(chǔ)平穩(wěn)段），進(jìn)一步降低存儲(chǔ)壓力，確保暫態(tài)波形 “存得下、用得上”。

審核編輯 黃宇