（信号与信息处理专业论文）图像及视频的联合信源信道编码若干问题的研究.pdf

图像及视频的联合信源信道编码若干问题的研究 摘要 香农的信源信道分离理论是基于这样两个假设，信源信道编码的码字可以是无限长且 无限复杂度。这在实际应用中是不可能的，分离理论实际上限制了系统更优的性能。由 此，人们开始把眼光集中到了信源信道联合编码上，尝试设计能替代分离编码的性能更优 的系统 联合信源信道编码，就足综合考虑信源信道的特点，采用最优化的设计方法来提供更好 的错误保护和更高的带宽利用率。联合设计是一个很大的范畴，涉及到信源信道的方方面 面，也细化成了很多个不同的研究热点。 本文综合近年来联合信源信道编码方面的主要研究工作，成果以及重点和热点，对目 前联合信源信道编码方法进行了比较细致的分类及总结。然后再针对目前联合信源信道编 码方向的四个研究热点，分别进行了比较深入的探索，并尝试将其用于图像和视频的传输 中去。 首先设计了一个能利用可变长编码器输出码流中的残留冗余，在解码端将可变长解码和卷 积码解码联合到一起实现一体化解码的基于姒p 的解码器，该解码器不仅可以在解码过程中直 接删除i i ：v l c 码字，降低误码率，而且还可以利用信源编码器的输出序列中残留的冗余信息 来进一步提供差错保护最后将该联合解码算法应用到h 2 6 4 视频编码码流的运动矢量的解 码中去，仿真试验表明一体化解码器比起分离系统解码及其它联合解码器性能有较大的提 高。 其次先简要介绍了基于符号受限和比特受限的联合信源信道变长码解码器。在分析它们各 自优缺点的基础上，提出了改进算法j y l d ，同时给出了仿真结果，并与前两种算法做了性能比 较，得出结论改进的j v l d 优于其它算法然后在此基础上提出了一种新的信源信道联合迭代 解变长码( f l d 和低密度校验码( l d p c ) 的解码器该解码器主要由两个软输入，软输 出( s i s o ) 的模块组成，在迭代解码过程中信息交互传递，并能利用睨弼字结构和马尔可 夫信源之间的相关性来进一步纠正误码，提高解码性能最后将该算法应用于经过噪声信 捅要 道的图像码流和视频码流的信源信遭联合解码当中去，并给出了详细的仿真实验结果及结 论 之后，尝试设计能将两种非均衡错误保护方法结合到一起，在无线衰落信道上进行视 频传输的非均衡错误保护系统。首先针对平坦性衰落信道提出了信道自适应的 u e p b t c s t b c 系统，它能根据码流的重要性程度给予不同的保护。从而保证在相同的传输 条件下更高质量的视频传输。该系统将空时码( s t b c ) ，分组t u r b o 码( b t c ) 串连在一 起，能在较低的编码和解码复杂度下既具有b t c 的高的误码纠正能力，还能获得s t b c 的较 大的分集增益。同时，由于联合采用了不同的b t c 码和不同的调制方式，该系统可以根据 信道状况自适应调节传输机制，最大程度地获得端对端视频传输q o $ 。仿真试验将h 2 6 4 的编码码流通过数据分区( 识d a t al m r t t o n ) 分成重要性不同的码流，然后在该系统 下传输，结果表明相对均等保护系统，视频传输性能更优 然后又针对带有频率选择性衰落的发散信道提出了信道自适应的u e pb t cs t b c _ o f d m 系 统，在原有的b t c _ s t b c 系统的基础上加入o f d m 来对抗发散信道的衰落效应，提高视频传输 的鲁棒性。同时，该系统也可以根据信道状况自适应调节传输机制，最大程度地获得端对端 视频传输q o s 。仿真试验表明本系统视频重建质量有显著提高相对均等保护系统，具有更 好的视频传输性能。 最后，研究了噪声信道中矢量量化的联合信源信道编码技术。首先提出了一种用于矢 量量化索引值分配的免疫克隆算法，该算法借鉴了生物免疫系统中的克隆增殖和生物在免疫 过程中保持个体多样性的能力，能够很好地在群体的收敛性和个体多样性之间保持动态平 衡，从而极大地提高了搜索效率，实现索引值的最优分配。仿真结果表明，该算法在提高噪声 信道矢量量化器的性能方面比b s a 和e a i a a 有显著提高。同时收敛速度也得到了明显的改 善。其次，详细讨论了由矢量量化的高分辩率理论推导出来的渐近理论的核心部分一等误 差原则，然后将该原则作为矢量量化器设计的一个有力必要条件，提出了我们的信道优化 矢量量化器的设计方法该算法通过在子区域误差较大的矢量附近产生新的矢量来代替予 区域误差较小的矢量，从而逐渐平均各子区域误差，并同时使信道矢量量化器满足最近邻 条件和质心条件，求得最优码书采用该算法，在给定信道状态模型和信道噪声情况下， 可有效地提高矢量量化器的性能，仿真实验结果表明该算法可获得比传统算法更优的性能 增益。 菩警鼠： 信深信道联台编码非均衡错误保护信源信谴联合奄擎爵矢量萎化联台编码 s t u d i e so nj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g f o ri i a g ea n dv i d e ot r a n s m i s s i o n a b s t r a c t s h a a n o n ss o u r c e - c h a n n e ls e p a r a t i o nt h e o r e mh o l d so n l yu n d e ra s y m p t o t i cc o n d i t i o n s ，w h e r e b o t hs o u r c ea n dc h a n n e lc o d a sa r ea l l o w e di n f i n i t el e n g t ha n dc o m p l e x i t y ，w h i c hi sn o tp o s s m l ei n p r a c t i c ea n ds e p a r a t i o ns y s t e mh o l dt h ep e r f o r m a n c el i m i t t h i so b s e r v a t i o nh a sl e dt ot h e i n c r e a s i n g p o p u l a r i t y o fj o i n ts o u r c e - c h a n n e le n c o d i n ga n d d e c o d i n gs c h e m e s a sv i a b l e a l t e r n a t i v e sf o ra c h i e v i n gr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o no fs i g n a l sa c r o s sn o i s yc h a n n e l s j o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g ( j s c c ) i st od e s i g na l le n c o d e ro rd e c o d e r , w h i c hc a np r o v i d eb e t t e r e r r o r p r o t e c t i o n a n dh i g h e rb a n d w i d t he f f i c i e n c yc o n s i d e r i n gb o t ht h es o u r c ea n dc h a n n e l c h a r a c t e r i s t i c s j s c ci sab i gr e s e a r c hf i e l d ，i ti n c l u d e sm a n ym e t h o d sa n di ta l s oh a sm a n yh o t r e s e a r c hp o i n t s i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w ef i r s ti n t e g r a t e dt h ew o r k so nj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n gi nr e c e n ty e a r s a n dg i v eac a t a l o go ft h ew o r ko fj s c c t h e nw et r i e df o u ra l g o r i t h m so fj o i n ts o u r c ec h a n n e l c o d i n ga n da p p l i e dt h e s ea l g o r i t h m st ot h ei m a g ea n dv i d e ot r a n s m i s s i o n f i r s t l y ，w ed e s i g na l li n t e g r a t e dj o i n ts o u r c ec h a n n e ld e c o d e r ，w h i c hc o m b i n et h ev a r i a b l e l e n g t hd e c o d e ra n dc o n v o l u t i o n a ld e c o d e rt o g e t h e r , a n dc a nu t i l i z e st h er e s i d u a lr e d u n d a n c ya tt h e o u t p u to ft h es o u r c ec o d e rt op r o v i d ee r r o rp r o t e c t i o nb a s eo nm a p t h i sd e c o d e rc a n n o to n l y p r u n ei n v a l i dv l cc o d c ，b u ta l s oc 强e x p l o i tt h er e s i d u a ls o u r c er e d u n d a n c ya p p r o p r i a t e l y ，t h u si t s e r r o rc o r r e c t i o nc a p a b i l i t yi sg r e a t l yp r o m o t e d f i n a l l y ，w ea p p l yt h i sa l g o r i t h mt ot h ed e c o d i n go f t h em o t i o nv e c t o ri nh 2 6 4c o d e dv i d e os t r e a ma n de x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a to u rd e c o d e r a c h i e v e ds i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n tt h a ns e p a r a t es c h e m e s e c o n d l y ，w ed e s c r i b et h es y m b o lc o n s t r a i n e d j o i n ts o u r c ec h a n n e ld e c o d e ra n db i tc o n s t r a i n e d j o i n ts o u r c ec h a n n e ld e c o d e r a f t e ra n a l y z i n ge a c ha l g o r i t h m sc h a r a c t e r i s t i c s ，w ep r o p o s ea p r o m o t e da l g o r i t h mj v l d h it h es i m u l a t i o n ，w ec o m p a r et h et h r e ea l g o r i t h m s ，a n dg e tt h e i n c l u s i o nt h a to u rj v l d sp e r f o r m a n c ei st h eb e s t t h e n ，b a s e do nt h ej v l d ，w ep r o p o s ean e a v i t e r a t i v ej o i n ts o l l r c ac h a n n e ld e 矧3 d e r , w h i c hc a nc o m b i n et h ev a r i a b l el e n g t hc o d ea n dl o w - i l i a b s t r a c t d e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d et o g e t h e ri na l li t e r a t i v ed e c o d i n gp r o c e s s n cd e c o d e ri n c l u d e st w os o f t i ns o f to u tm o d u l e s w i t ht h i sd e c o d e r , r e d u n d a n c ya s s o c i a t e dt ob o t ht h ev l cs t r u c t u r ea n dt h e m a r k o vm o d e lo ft h es o u i c ：ct h a te x p l o i t st h ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt w os u c c e s s i v es o u r c es a m p l e s c o u l db eu s e dt or e d u c et h ee r r o rr a t e f i n a l l y ，w ea p p l yt h i ss c h e m et ot h ed e c o d i n go fi m a g ea n d v i d e ob i t s t r e a ma f t e rn o i s yc h a n n e l s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v es h o w nt h es u p e r i o rp e r f o r m a n c eo ft h e p r o p o s e dd e c o d i n gs c h e m e c o m p a r e dw i t i i t h ec l a s s i cs e p a r a t ed e c o d i n gs c h e m e t h i r d l y ，a na d a p t i v eu e p b t c s t b cs c h e m eo v e rf i a tf a d i n gc h a n n e li sp r o p o s e dt og u a r a n t e e t h er o b u s tv i d e ot r a n s m i s s i o n t h i ss c h e m ee n h a n c e ds t b c ( s p a c e - t i m eb l o c kc o d i n g ) b y c o n c a t e n a t i n gw r cc o d e ( b l o c kt u r b oc o d c ) ，b o t ht h eg o o de r r o rc o r r e c t i n gc a p a b i l i t yo fb t c a n d t h ec o n c m t o n tl a r g ed i v e r s i t y 萨i nc h a r a c t e r i s t i co fs t b cc a nb ea c h i e v e ds i m u l t a n e o u s l yw i t h l o w e n c o d i n ga n dd e c o d i n gc o m p l e x i t y f u r t h e r m o r e ，b ye m p l o y i n gd i f f e r e n tb t c c o d e st o g e t h e r w i t hd i f f e r e n tm o d u l a t i o na p p r o a c h e s ，t h es c h e m ei sa l s oc a p a b l eo fa d a p t i n gt oc h a n n e lc o n d i t i o n s a n dm a x i m i z ee n d - t o - e o dq o so fv i d e ot r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r o p o s e d a d a p t i v es c h e m ea c h i e v e ds i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n ti nd e l i v e r e dv i d e oq u a l i t ya n dt h u sh a sb e t t e r p e r f o r m a n c eo f v i d e ot r a n s m i s s i o n a f t e rt h a t ，w ep r o p o s ea na d a p t i v eu e pb t cs t b c _ o f d ms y s t e mt op r o v i d er o b u s tv i d e o t r a n s m i s s i o no v e rd i s p e r s i v ef a d i n gc h a n n e l b a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k , a d dt h eo f d mm o d u l e t oc o m b a tt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n ga n de n h a n c et h er o b u s tv i d e ot r a n s m i s s i o n f u r t h e r m o r e ， t h es c h e m ei sc a p a b l eo fa d a p t i n gt oc h a n n e lc o n d i t i o n sa n dm a x i m i z ee n d t o - e n do o so fv i d e o t r a n s m i s s i o n s i m u l a t i o na l s oc o n f h m st h eb e t t e rp e r f o r m a n c eo fo u rs c h e m ec o m p a r i n gw i t h o t h e rs c h e m e s f i n a l l y ，w ei n v e s t i g a t e sv e c t o rq u a n t i z a t i o n b a s e dj s c ct e c h n i q u ei nn o i s yc h a n n e l s w i t ht w om e t h o d so fd e s i g n i n go p t i m a lv e c t o rq u a n t i z e ro v e rn o i s yc h a n n e l s ：v e c t o r q u a n t i z a t i o n i n d e xa s s i g n m e n ta n dc h a n n e l - o p t i m i z e dv e c t o r q u a n t i z e r ( c o v q ) e n l i g h t e n e db yt h ed e f e n c ea b i l i t yo fi m m u n es y s t e m , a l li m m u n ec o l o na l g o r i t h m ( m c i a a ) b a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) i sp r e s e n t e d t h en e wa l g o r i t h mh a sag o o de f f o r tt oa d j u s t t h ed y n a m i cb a l a n c eo fc o l o n y sc o n v e r g e n c ea n di n d i v i d u a l sd i v e r s i t y ，e f f e c t i v e l yo v e r c o m et h e p r o b l e mo ft r a d i t i o n a lg a sl o c a lo p t i m a lr e s o l u t i o n w ea p p l yt h sa l g o r i t h mo nt h ev e c t o r q u a n t i z a t i o n ( v o ) i n d e xa s s i g n m e n to v e rn o i s yc h a n n e l s i m u l a t i o nr e s u l tc o n f o r m st h a t t h e a l g o r i t h my i e l d sas i g n i f i c a n tr e d u c t i o ni na v e r a g ed i s t o r t i o na n dc o n v e r g e si nl e s ss h o r tt i m e c o m p a r e dt oo t h e ra l g o r i t h m s am e t h o do fp a r t i a ld i s t o r t i o nt h e o r e m - b a s e dc o v od e s i g ni s p r o p o s e d t h ec o r eo ft h ea s y m p t o t i ct h e o r yd e r i v e df r o mt h eh i g h - d e f i n i t i o nt h e o r yo fv q i v p a r t i a ld i s t o r t i o nt h e o r e m , w h i c hi san e c n s s a l yc o n d i t i o no fo p t i m a lv q , i ss t u d i e d t h ea l g o r i t h m c r e a t e sn 唧c o d e b o o kv e c t o r , w h i c hi si nt h en e a l p l a c eo ft h es u br e g i o nw i t ht h eb i g g e s ts u b - d i s t o r t i o na n dt h e nr e p l a c e st h ec o d e b o o kv e z c i o ro ft h es m a l l e s ts u bd i s t o r t i o nw i t l it h i sn e w c o d e b o o kv e c t o r ，t h e r e f o r et oe q u i l i b r a t es u b - d i s t o r t i o no fa l ls u br e g i o n s t h ea l g o r i t h ma c h i e v e s as i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to fc o v qp e r f o r m a n c ef o rag i v e nn o i s yc h a n n e ls t a t u sm o d e lo v e r o t h e rc o n v e n t i o n a lv q d e s i g nm e t h o d s ，a sc o n f i r m e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d s ：j o i n ts o u r c ec h a n n e le n c o d i n g , j o i n ts o u r c ec h a n n e l d e c o d i n g , u n e q u a l e r r o rp r o t e c t i o n , i n d e x a s s i g n m e n t , c h a n n e lo p t i m i z e dv e c t o rq u a n t i z e r v a n n a r q k 啦g r b c h b p b s a b s c b t c c a c c c c o v o c s i c r c d c t d p d p c m e e p e p e r e c f e c f l c f m o g a i a j s c d 英文缩略语表 a r t i f i d a ln e u r a ln e m o r k s a u t o m a t i cr e p e a tr e q u e s t a d d i f i v em i r eg a u s s i 卸n o i s e b o s e - c h a u d h u r i h o c h q u e n g h e nc o d e b a c kp r o p a g a t i o n b i n a r ys w i t c ha l g o r i t h m b i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e l b l o c k t u r b oc o d e c o n t e x t - b a s e da d a p t i v ev a r i a b l el e n g t hc o d i n g c o n v o l u t i o na lc o d e c h a n n e lo p t i m i z e dv e c t o rq u a n t z a t i o n c h a r m e ls t a t ei n f o r m a t i o n c o n v o l u t i o n a lt u r b oc o d e d i s c r e t ec o s i n et r a n s f o r m d a t ap a r t i t i o n d i f f e r e n t i a lp u l s ec o d em o d u l a t i o n e q u a le r r o r p r o t e c t i o n e v o l u t i o n a lp r o g r a m m i n g e r r o rrr e s i l i e n c ee n t r o p yc o d i n g f o r w a r de r r o rc o r r e x a i o n f l e x i b l el e n g t hc o d e f l e x i b l em a r c eb l o c k0 r d e r g e n e t i ca l g n h t h u r i n d e xa s s i g n m e n t j o i n ts o u r c ec h a n n e ld e c o d i n g 人工神经网络 自动重传请求 高斯白噪声信道 b c i 码 置信传播算法 二进制切换算法 二进制对称信道 分组t u r b o 码 基于内容的自适应变长编码 卷积码 信道优化矢量量化 信道状态信息 卷积t u r b o 码 离散余弦变换 数据分组 差分脉冲编码调制 均衡错误保护 进化规划 差错弹性熵编码 前向误码纠错 定长码 灵活的宏块排列次序 遗传算法 索引值分配 联合信源信道解码 j s c e l d p c l l r l a _ p m m s e n a l o f d m p s k p s n r q a m o o s r c p c r s r v l c s i s o s s c d m c t p c u e p i ，v i c v a l v l c j 0 i i i ts o u r c ec h a n n e le n c o d i n g l o w d e n s i t yp a r i t yc h e c kc o d e l o g l i k e l i h o o dr a t i o s m a x i m u ma p r i o rp r o b a b i l i t y m i n i m u mm e a ns q u a r ee r r o r n e t w o r ka d a p t a t i o nl a y e r o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g p h a s e - s h i f tk e y i n g p o w e rs i g n a lt on o i s er a t i o q u a d r a t u r ea m p l i t u d em o d u l a t i o n o u a l i t yo fs e r v i c e r a t ec o m p a t i b l ep u n c t u r e dc o n v o l u t i o nc o d e s r e e ds o l o m o nc o d e s r e v e r s i b l ev a r i a b l el e n g t hc o d e s o f t i n s o f t o u t s e p e r a t es o u r c ec h a n n e ld e c o d i n g s p a c et i m eb l o c kc o d e t u r b op r o d u c tc o d e u n e q u a le r r o r p r o t e c t i o n u n i v e r s a lv a r i a b l e - l e n g t hc o d e s v i d e oc o d i n gl a y e r v a r i a b l el e n g t hc o d e x 联合信源信道编码 低密度奇偶校验码 对数似然比率 最大后验概率 最小均方误差估计法 网络适配层 正交频分复用 移相键控 信噪功率比 正交调幅调制 服务质量 速率兼容的收缩卷积码 瑞得所罗门码 可逆变长码 软输入软输出 信源信道分离解码 分组空时码 t u r b o 乘积码 非均衡错误保护 统一变长码 视频编码层 变长码 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： z 墨 日期：2 叼苫年妒月衄日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： 王粤 指导教师签名： 日期：2 嘭年月2 9 日 日期：年 月 日 。，：。，。，些堡垒堑堡篓堡垒童：，。：。：。一 1 1 引言 第一章绪论 随着i p 网络，第三代移动通信系统( 3 g ) ，第四代宽带移动通信系统( 4 g ) f l l ，以 及超宽带无线通信技术( u w b ) 【2 】的发展，以图像和视频作为主要传输对象的多媒体通信越 来越成为当今通信领域的研究重点和热点同时这也是一个非常有挑战性的工作，这是由 于图像与视频传输需要比其他信息源，如语音和数据，更多的传输带宽，同时由于图像和 视频在编码过程中进行了数据压缩，信息冗余度大大减少，从而在传输过程中对信道误码 变得非常敏感，如何提高图像及视频的数据传输质量，降低误码的影响就成为多媒体通信 技术的关键问题。 在通信理论中一个基本的问题是，在传输端的信源和接受端的重建数据之间给定了某 一种可靠度评价的时候，如何实现从一点到另一点的可靠的数据传输。香农在1 9 4 8 年指 出，一个离散无记忆信道具有一个最大的信息量容限，称为该信道的容量0 1 。该容限的信 息可以无差错地在该信道中进行传输，即不会引起失真。随后，香农在1 9 5 9 年又指出，在 给定了一个离散的，稳定的，备态历经的信源和一个单字符失真测度时，存在一个率一失真 函数，可以认为是对于一给定失真度的信源的最小信息率“1 。这两个结论就建立了通讯研 究领域中的两个主要分支：信源编码和信道编码。通常可以将信息与通信中的基本问题归 纳为两性：有效性( v a l i d i t y ) 和可靠性( r o l i a m l i t y ) 有效性就是使在信道中传输的 每一个码符号能携带尽量多的信息量。可靠性就是使在信道中传输的每一个码符号尽量少 发生错误。 信源编码的目的是解决信息传输的有效性问题，尽量压缩信源中的冗余度但是在实 际的信道中，总是存在噪声的随机干扰。若直接把信源编码所得的码字接入有噪信道，因 噪声的随机干扰，信道输出端的接收序列与信道输入端的输入序列之间发生某些差错，不 可能实施无失真传输信源发出的消息。而且有效性较高的信源编码，因其平均码长较短， 在噪声的随机干扰下引发的差错将会增多，使其通信的可靠性下降。通信的有效性和可靠 性是两个既矛盾、又统一的两个方面。 1 第一章绪论 信道编码是解决信息传输的可靠性问题。它的基本思路就是根据一定的规律在待发送 的信息码中加入一些冗余码元，以保证传输过程的可靠性，信道编码的目标就是构造出以 最小的冗余度代价换取最大的抗干扰能力的“好码”信源和信道编码最终目标就是在保 持一定有效性的基础上，提高其抗干扰能力，使通信的有效性和可靠性在一定程度上达到 辩证的统一 在过去的5 0 年中，通信的发展一直基于下面的假设，即通信系统中的信源编码和信道 编码可以分别独立设计优化，而系统的性能没有任何的损失，这就是分离j 毵醪( s e p a r a t e t h e o r e m ) 1 5 1 。在信息论的发展历史中，信源编码和信道编码各自独立分开进行的分离理论之 所以可能并得到迅速的发展有其内在的原因，分离理论把一个复杂问题分成两个更简单的问 题，使得通信理论和技术产生了长足的发展，产生了很多性能优良的信源编码和信道编码 以及快速实现算法，促进了诸如磁盘存储器，调制解调器，无线通信，i n t e r n e t 等在内的 许多科技发展。当信道是平稳信道时，香农分离原理证明在无限长延时和复杂度情况下， 分开设计信源编码和信道编码可以实现系统的最佳性能。但是，在实际通信系统中，特别 是i n t e r n e t 和无线通信系统中，受到复杂性、延时、功耗限制，多种信源、信道、用户、 网络拓扑结构并存，或者系统具有未知和时变参数，分离信源信道编码的通信系统不再有 最优的性能而在另一方面，联合信源信道编码系统可以综合考虑信源统计特性、信道编 码和信道特性，从系统的角度合理地在信源编码和信道编码之间寻求最佳平衡，对编码、 调制、译码各个部分进行优化。近年来对联合信源信道编码的研究已受到了人f f 】的广泛重 视。 1 2 信源信道编码定理与分离原理 渐进均布性质a e p ( a s y m p t o t i ce q u i p a r t i t i o np r o p e r t y ) f 6 ：如果一个集合爿p 的序列 ( 畸，屯，) x 对应的概率p o ) 有 2 。怛j + p ( ，屯，) 2 8 日工卜 ( 1 1 ) 就称集合4 帕具有渐进均布性质。 信息论中的a e p 实际上类似概率统计的大数定理。它具有下面的性质： 如果墨，石：是独立同分布随机变量，那么有 2 一二l o g p ( x 1 ，x 2 ，置) 上一日( x ) ( 1 2 ) 香农在渐进均布特性假设下，给出了无失真信源信道编码定理 香农无失真信源信道编码定理飞五，工2 ，置是一个有限符号的随机过程，并且满足渐 - 进均布性质如果日( z ) c c ，( c 为信道容量，日( 工) 为信源x 的信息熵) ，那么存在 一种信源信道编码，在n 一* 时，使平均错误译码概率p 帕一0 。相反地，对于任何一种 随机分布五，x ：，墨，如果h ( x ) c ，那么差错概率将不趋于0 ，即不可能以任意小的 差错概率在信道中进行传输 我们给出一种更加直观的说明根据无失真信源编码定理，如果速率r2 日( x ) ( 比特信 源符号) ，那么当信源序列长度k 足够长时，总可以找到一种无失真信源编码再 根据抗干扰信道编码定理，当信道编码序列长度n 足够长时，总可以找到一种信道编码， 使得当速率r s c ( 比特码符号) 时，译码差错任意小。 香农无失真信源信道编码定理，并未对信源编码器或信道编码器提出特殊的要求因 此信源编码器和信道编码器可以单独设计，使得在总体上达到要求，这样可以将复杂的问 题简单化这个思想就是信源信道分离原理( s o u r c e c h a n n e s e p a r a t i o nt h e o r e m ) 信源一信道分离原理】分别对信源编码器和信道编码器进行设计和优化，在系统的性能上 与联合设计信源编码和信道编码相比，没有任何的性能损失，如图卜1 所示。 分离原理把一个单独的复杂问题分解为两个简单问题，极大地促进了通信理论和信息 技术的发展和革新在过去的5 0 多年中，逐渐形成了信源压缩编码和信道纠错编码两个研 究领域。 l审 图1 - 1 分离原理通信系统框图 f i g1 - 1c o m m u n i c a t i o ns y s t e md i a g r a mu n d e rs e p a r a t et h e o r e m 3 第一章绪论 但是，分离原理是在理想假设的条件下得到的，即无限长码字和点对点的传输路径 在实际中这些理想条件不可能得到满足，所以分离信源编码和信道编码的系统不可能得到 最佳的性能刚。具体说，分离原理在实际通信系统中有以下几点问题： 1 ) 分离原理忽视了信源编码和信道编码的缺陷。在设计信源编码时，假设信道编码可 以纠正由于信道干扰引起的全部错误；而在设计信道编码时，假设信源编码的输出序列具 有同等的重要性但是在实际通信中，信道译码不可避免地存在无法纠正的错误，也就足 门限效应，此时信道编码不能完全纠错，系统会趋于瘫痪。另一方面，实际信源编码输出 的比特序列并不是同等重要的，分离原理下的信道编码将造成严重的性能损失 2 ) 分离原理只考虑了信息传输的有效性和可靠性，并没有考虑实际系统中的复杂性和 时延问题。所以分离信源编码和信道编码的通信系统可能比联合设计的系统需要更多的运 算资源，而且延时更大。 3 ) 分离原理认为系统足单发射机、单接收机的点对点传输系统，并且假设信源和信道 的概率特性已知但是在实际情况中，特别是现在多用户网络和移动通信的时变信道，使 得分离原理不再满足成立假设。 分离信源编码和信道编码造成的性能损失，可以通过联合设计信源信道编码来克服。 信源信道联合编码在理论上已经研究了很多年，具有很高的理论价值，但是直到近几年才 较多地应用到实际系统中。举个例子，由于无线信道的多径衰落，强干扰，时变及频带受 限的特性，传输环境较为恶劣，误码率一般都很高，这就要求图像，视频编解码和传输系 统能够联合起来考虑克服信道的高误码率以提供高的数据传输质量保证。由此，也可以看 出，图像和视频的联合信源信道编码的研究和应用除了具有很高的理论价值，同时还为多 媒体通信提供了一条更实用。更有效的路径，因此也具有重要的现实意义 1 3 目前的信源信道联合编码研究现状 所谓的联合设计，就是综合考虑信源信道的特点，采用最优化的设计方法来提供更好的 错误保护和更高的带宽利用率。联合设计是一个很大的范