（通信与信息系统专业论文）无线图像传输的信源信道联合编解码研究.pdf

原刨性声明 本人郑重声明：所里交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究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科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担 论文作者签名： 皂叠型 日 期：堡幺兰蔓 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：墨盘查导师签名：聋越! 坠日期：丛亚垄矿 山东大学硕士学位论文 中文摘要 香农定理的局限性，为信源信道联合编码解码提供了理论的依据本论文综 合阐述了无线图像传输的信源信道联合编解码的研究背景和意义，分析了本课题 的研究现状和应用前景，详细讨论了移动环境下频率选择性信道的建模和仿真， 从理论和实验两方面验证了本课题所用信道程序的严谨性和科学性另外，本论 文还分别提出了一种图像传输的联合编码和解码方案：在联合编码方案中，对原 始图像傲小波变换后，对于变换后的小波系数，采用一定的规则做分形提取，然 后再依次对分形的数据块做s p i h t 压缩编码，我们充分利用块状信道估计的特性 ( 估计精度不高) 和s p i h t 压缩图像逐步增强的特点，设计了一种不等错误方案， 实验结果证明，该方案较旧方案图像质量有了大幅度的提高；在联合解码的方案 中，我们提出了一种应用于矢量量化信源的信源信道联合解码的新方案该方案 在不改变原有传输系统中的t u r b ol o g 一姒p 译码器结构的情况下，通过重组图像 的错误检测，反馈信源的信息来改变译码过程中译码器间传递的外信息，从而提 高信道译码的纠错能力实验表明，通过应用这种联合解码方法，至少减少了一 个数量级的比特错误，而且使用较小的迭代次数就可以达到较高迭代次数的效果 这将大大减少译码的延迟，使得t u r b o 码的应用更为广泛 关键词：信源信道联合编码解码；t u r b o 码；矢量量化：s p i i t r ；信道估计 山东大学硕士学位论文 t h el i m i to fs h a n n o nt h e o m m p r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rj o i n ts o u r c e - - c h a n n e l d i l d e d i n g ( j s c c ，j s c d ) i nt h i st m p c r , t h er e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f j o i n t 恤c h a n n e l 如l d i n 罨i d 烈n d i n go v a w i r e l e s si m a g e 协a n s m i s s i o na 弛c l a b c 哟l e d ， t h e 弘穰自ls i t u a t i o na n da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do f t h i sr e s e a r c ht a s k 埘卸l a l y z e d ；t h e n w l td k 虬u s st h em o d c l i n ga n ds i m u l a t i o no f f r e q u e n c ys d c e t i v i t yc h a n n e lu n d e rm o b i l e c o n d i d o md 酏a i l e d o nt h i sb a s i s 。t h ec h a n n e lp r o g n m l 】m c si nt h i sp a p e r 雠v e r i f i e d s e r i o u s l ya n ds c i c n 垃f i c a l l yf i - o mt h e 跚g l eo ft h 一酷a n dp l 刹c a la 中a i m e n b f u r t h e r m o r e , 童n 唧p 啊e c lo fj o i ms o m e c 吣h a n n dc o d i n 出：c ，d i n gf o ri m a g e m m s m i s s i o ni sp r o p o s e d ：i nt h e s c cs c h c n 把, w h u s i n gt h eb l o c kt r a i n i n gb a s e d c h a n n e l 岱l i m a t i o n , o f d md a mb l o c k se x p e r i e n c eu n e q u a ld c c o d i n ge r r o rr a 地d u et o t h = i m p r i s i o no fc h a n n do 刮由n 撕锄唧l l s e 曲西p r o p e r t yt op r o v i d eu n e q u a le r r o r 芦o l e 蜥f o rt r a n s m i s s i o no fb i ts t r e a m sw h i c hi sg o t t e nb yp a n i a o n i n gt h e l l i n s f o n nw a v e l dc o e f f i c i m t si n t og r o u p sa n di n d e p e n d e n t l yp r o 渊i n s 鼬g r o u p u s i n gas p i h tc o d e r t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ni n d i e a l et h a ti n m g eq i l a l i t yi nt h i s s c h 豇n ei s i m p r o v e d1 1 1 0 1 1 g r e a t l yt h a n t h a li nt h eo l d ；i nt h ej s c dm e t h o d s , a n i n v e s t i g a t i o na p p l i e dt oav e d o fq u a n t i z a t i o n $ o l l r c ci sp r e s e n t e d t h ep r o p o s a l d e d i n g s c h e m e d 铭i 乎l e d af d b a e ka l g o r i t k m 曲ge r r o r - d e 嘲e d 踟 i n f o r m a t i o nt oi m p r o v et h e r l rc o r r e c t i o nc a p a b i l i t yo ft h et u r b ol o g - m a pd e c o d e r w i t h o u tc h a n g i d gi t sc o n s t i m e md o d e f ar e d u c t i o ni nb i tm r r 0 1 r a t e ( b e r ) o fa ll e a s t co r d e ro fm a g n i m d e 咖b ea c h i c y e db ye m p l o y i n gt h ep r o p o s e dj o i n td e c o d i n g t e c h n i q u e t h i sm a ys i g n i f i c a n t l yr e d u c ed e l a yo fd e c o d i n g , m 越n gt l 怕c o d e sm o 他 a p p e a l i n gi nm a n ya p p l i c a t i o n s 2 k e yw o r d s ：j s c c j s c d ，t u r b o ，v e c t o rq u a n t i z a t i o n , s p i h t ，c h a n n e le s t i m a t i o n 山东大学硕士学位论文 符号说明 a w g n 加性白高斯噪声服从正态分布，彼此相互独立，且独立于传输信号 b e rb i te r r o rr a t e 误比特率 b c y r提出b c j r 算法的四位学者的名字的开头字母 c d m ac o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s 码分复用 c s ic h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n 信道状态信息 d r d e c o d e rr c l i 如i h t yi n f o r m a t i o n 可靠译码器信息 e z we m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e tc o d i n g 小波零树编码 j s c cj o i n ts o u r c e - c h a n n e lc o d i i 培信源信道联合编码 j s c dj o u n ts o u r c e - c h a n n e ld e c o d i n g 信源信道联合解码 l o g - m a p 对数域最大后验概率 u 尽l o g - l i k e l i h o o dr a t i o 对数似然函数 m s em e a ns q u a r ee r r o r 均方误差 m a pm a x i m u m a - p o s t e r i o r ip r o b a b i l i t y 最大后验概率 o f d m 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 正交频分复用 p s n r p e a ks i g 瑚lt on o i s ei 屯3 i i o 峰值信噪比 s p i h ts e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s 等级树集分割 s s is o u r c es i g n i f i c a n c ei n f o r m a t i o n 重要信源信息 s a is o u r c eap o s t e r i o r ii n f o r m a t i o n 信源后向信息 s i s os o f ti na n ds o f to u t 软输入软输出 v cv ( x z t o rq u a n t i z a t i o n 矢量量化 山东大学硕士学位论文 1 1 研究背景和意义 1 1 1 课题研究背景 第一章绪论 第一代移动通信系统是模拟式语音移动通信；第二代移动通信系统是数字语 音移动通信，目前广泛使用的g s m 、c d ) l a 就属于数字语音移动通信系统；第三代移 动通信系统是覆盖全球的多媒体移动通信系统。主要特点之一是可以实现全球漫 游，实现任意时间、任意地点、任意人之间的交流；第四代移动通信系统将是一 个全球众多不同网络和系统结合在一起的通信网络，对其而言，其挑战在于如何 构建一个灵巧可配置的优化q o s 和信道带宽的网络结构。 d i s t o r b o r ld i s o u r c er a t ec h a n n e lp r o t e c t io n 图1 1 信源压缩率和失真度的关系图1 2 信道保护和失真度的关系 图像编码与压缩从本质上来说就是对要处理的图像源数据用一定的规则进行 变换和组合，从而达到以尽可能少的代码( 符号) 来表示尽可能多的数据信息的目 的现有的图像压缩算法【l 】有很多，例如有腆，j p e g 2 0 0 0 ，e z w ，s p i e l 等， 但是，不管压缩的种类有多少，压缩的目的都是尽可能的去除掉冗余的图像信息 2 1 ， 提高压缩比，以此来节约存储空间或节约传输时间，其压缩图像重组失真度和压 缩比的关系如图1 1 所示 为了实现信息的可靠传输，常用信道保护码1 3 来加以实现，现有的信道保护编 码有卷积码，t u r i , l d p c 码等信道编码的规则不同，但是信道编码的目的都是 在原有的信源信息的基础上增加冗余信息增加的冗余信息越多。其保护信源的 4 山东大学硕士学位论文 能力就越强，其失真度和保护的关系如图1 2 所示 根据传统s h a n n o n 信息论，要实现有效可靠地传输信息，可以将传输系统 设计成信源编码部分和信道编码部分两个独立无关的组合然而s h a n n o n 信息论 是基于以下两个假设 一 假设1 ：假设允许编码数据块无限长，即对于信源和信道编码器，都假设可以 容忍无限长的时间延迟； 假设2 ：假设信道编码器精确地掌握传输信道的统计特性 显然，上述两条假设在实际的无线通信系统中是不成立的对于假设1 ，信源 编码不可能具有无限的存储空间，也不可以造成无限长的延时，因此信源编码效 率不可能达到s h a n n o n 定义的编码极限；对于假设2 ，即使是点对点的应用系统， 其信道状况也是时变的，统计特征也极为复杂；对于广播或组播等多用户应用， 信道统计特性将更加复杂，造成假设2 也难以成立。因此分别考虑信源编码器和信 道编码器，将无法达到高效可靠传输信息的目的解决这一问题的方法就是联合 考虑信源编码与信道编码或联合信源解码和信道解码，即信源信道联合编码解码 技术 1 1 2 研究意义 无论是s h a n n o n 信源信道分离编码，还是信源信道联合编码，其最终关心的都 是系统的整体最佳性信息处理定理指出，对于信息系统而言，对观测数据所作 的任何处理都会造成信息的损失这就是说，系统每增加一次处理，总要伴随着 一定的信息损失，信息总是不增的然而分离编码的结果并没有损失系统的最佳 性能，那么它必定要付出某种代价来作为补偿正如g a l l a g e r l 9 6 8 年指出的那样， 虽然信源编码与信道编码的分离并不影响通信系统的基本性质，但并不能说明这 是一种最经济的作法由分离最佳最终达到系统最佳，必然要以系统的复杂性为 代价分离设计通常遵循这样一种过程：1 ) 对一给定的失真要求，首先要找到一种 能达到这种失真度的信源编码方法即信源空间的划分方式2 ) 根据信道的情况， 选择一个合适的信道纠错码，有规律地增加一些冗余度来抗拒信道噪声的干扰 实际上，如果信道的情况太差，对信源空间划分的过细，反而是一种浪费拿 一个极端的情况来说，当信道容量为零时，即使对信源划分的再细，信道码的 冗余度再多，信宿也无法得到信源发送的任何信息此时，一切工作都是浪费， 5 山东大掌硕士学位论文 最简单的莫过于对信源不作任何划分由此可见，如果不综合地考虑信源、信 道的因素，对通信系统的设计势必要付出一些不必要的代价 综上所述，可以给信源信道联合编码解码下这样一个简单的定义：所谓信源 信道联合编码解码，顾名思义就是一种综合考虑信源、信道因素的编码设计方法 其主要目的在于使通信系统的设计与实现更加简单、更加经济，这也正是联合编 码解码理论研究的意义所在，正是处于这种原因，近年来，对联合编码解码的 研究逐渐受到了人们的广泛重视，使之成为编码理论研究中的一个重要课题 1 2 信源信道联合编码，解码理论 1 2 1 预计4 g 系统框图 文献 5 给出t 4 g 系统中信源编解码，信道编解码的和调制解调的信息交 换系统框图由图1 3 中可以看出，j s c c j s c d 方案将联合优化信源编码，信道编 码，调制和网络的参数，综合考虑无线信道和时延的限制，剔除香农定理中无限 码长实现无错误传输的理论局限性，实现信源世界和信道世界的对话，从而实现 整个系统的最优化 图l j 信源编j g g ，信道编解码的和调制解调的系统信息交换关系 s s i ：s o u r c es i g n i f i c a n c ei n f o r m a t i o n s a hs o u r c eap o s t c r i o r ii n f o r m 血o n - c s i ：c h a n n e ls t a t ei n f o r m a t i o n d r j ：d o d 盯r e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o n 山东大学硕士学位论文 1 2 2 国内外研究现状 目前，国内外对于信源信道联合编码研究分为好多方向，归纳起来，主要包 含以下三个方面：基本理论的研究，设计方法和编码器结构的研究和实际应用方面 的研究其研究框图如图1 4 圈1 _ 4 田内外研究的主要内容 方向1 ：信源信道联合编码基本理论研究 过去对信源信道联合编码的理论研究主要集中在它的存在性，即它存在与否 及存在的条件的问题上目前，对于较为简单的情况，如无记忆平稳信源，各态 历经信源和离散无记忆信道，联合编码的“存在性“问题已有了一定结果嘲。但对 于更加复杂的情况这个闯题还有待研究，同时联合编码的性能极限也是需要研究 的问题 现在信源信道联合编码的理论研究主要集中在两方面：一是理解质量、延迟、 计算复杂度、信道利用和消耗功率之间的关系质量指初始数据和还原后的数据 之间的差异；信道利用指的是每个数据样本用到的信道数量，信道带宽和信道的 信噪比只有全面理解它们的关系，才能给出目标函数，进而采用合适的编码方 7 山东大学硕士学位论文 _ _ _ 一i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 法。使系统在整体性能上达到最优；二是如何评估联合编码对联合编码进行评 估。需要明确理解对系统整体性能的要求，然后根据联合编码在各种情况下的性 能极限，作出相应的性能判决 方向2 ：信源信道联合编码的具体设计方法和编码器结构 信源信道联合编码的具体设计方法是这个研究领域中最受关注的问题，很多 学者在这方面做了大量工作当前关于信源和信道联合编码的设计方法的研究大 致有以下几种：基于信源优化的信道编码设计，基于信道优化信源编码，迭代优化 信源和信道编码以及信源信道的联合译码 ( 1 ) 基于信源优化的信道编码设计 在基于信源优化的联合编码设计中，信源编码设计时并不考虑传输错误，而 是在设计信道编码或调制方案时针对该信源编码和信道特征进行优化，以减小端 对端的失真在这一方面，先导性的工作是由m o d e s t i n o 和d a u t 对图像的d p c 编码 来优化设计卷积信道编码开始的娜随后针对图像的分块余弦变换，k o d e s t i n o 等 提出了对交换系数中具有较高重要性的系数单独加差错保护的方法咖在文献 9 中，提出了针对图像子带编码优化信道编码的方法 ( 2 ) 基于信道优化的信源编码设计 与基于信源优化信道编码不同，在基于信道优化的信源编码设计中，信源编 码器将源字( 由源字符组成的矢量或标量) 映射到有待传输的二进制字符串上，使 得信源编码本身对信道错误具有一定的抵抗力“1 ( 3 ) 迭代优化信源和信道编码 迭代优化信源和信道编码是将信源优化设计信道编码或调制与信道优化设计 信源编码通过迭代算法结合起来，从而获得编码方案联合优化的第三种方法m “” ( 4 ) 信源信道联合译码 按照香农的信息理论，信源端的任何冗余度都可以在解码端利用来抵抗噪声， 这也正是信源和信道联合译码的理论基础。此处的信源端的冗余度，可以指实际 信源的某种特性，也可能指信源编码后码流中的相关性前者比如图像中的邻域 相关性，或者是人的视觉和听觉系统的特性：后者主要指编码输出码字的不均匀分 布和记忆性文献 1 4 【1 5 在分析了静止图像d p c i i 编码方式后残留冗余度的基础 上，提出了利用该冗余度进行鲁棒解码的方案文献 1 6 利用算术编码中为一个 符号保留空间可提供极好的差错检测能力的特性，提出了采用两个连续解码器的 i 山东大学硕士学位论文 结构，可获得很好的包丢失数据恢复能力 以上是从应用联合编码的思想方式的角度来说的，从具体的编码器的结构来 说，联合编码的编码器有两种一种是合并式编码器这种编码器的信源和信道 编解码器是真正集成在一起进行的，表面看来省略了信道编码器，但信源编码中 己包含了信道编码的功能。这一类编码器设计起来较为复杂，目前已不是研究的 重点另一种是级联编码器，它与传统编码器结构类似，将信源编码器和信道编 码器串联起来这类编码器的设计问题简单来说就是比特分配问题给定总的比 特率震= 太，+ 足( 五，是信源编码速率，r 。是信道编码速) 和系统的情况及要求，在 且，和疋中进行最优化的比特分配“r 2 1 1 大部分联合编码的设计方法是以这种编码 器结构为基础进行设计的 方向3 ：信源信道联合编码在实际中的应用 联合编码研究的最终目的还是为了在实际系统中获得应用，用信源信道联合 编码理论和设计技术来解决实际问题完成这个目标的一个难题是网络协议是把 链路层和应用层分开的一一这是一种独立形式的方法与此相反，信源信道联合 编码本质上涉及到链路层和应用层的相互关系信源信道联合编码需解决的一个 问题就是找到一些方法让应用层通过网络到达链路层，另一个挑战就是用信源信 道联合编码来改变协议设计 1 2 3 信源信道联合编码的适用范围 随着通信网络的发展，信源信道联合编码应用的范围越来越广泛，几乎在现 实中的通信都可以应用到它，现在对于它的适用范围作以归纳，其中，在以下四 种情况下，应用信源信道联合编码的系统可以得到更好的效果嘲 情况1 ：资源受到限制的通信系统 资源有限包括数据传输时的速率和带宽限制，低成本系统所要求的复杂度 限制，便携设备的功率限制，实时系统的延时限制其实，实际环境总是有这 样或那样的限制信源信道联合编码会从整体出发在各种资源之间进行最优分 配，从而获得端对端的系统性能的最佳 情况2 ：多用户共享信道的通信系统，比如包交换的数据网和蜂窝移动通信系 统 在这种系统中，多个用户通过统计时分或者码分等复用方式共享信道，一个 9 山东大学硕士学位论文 用户的信源信息，可能就是另一个用户的信道噪声在多用户接入下信源编码和 信道编码无法独立进行，信源信道联合编码可以用来减少用户问的干扰，提高系 统整体性能同时，信道容量的充分利用可以在信源编码和信道编码分别独立进 行的情况下实现但在多源接入信道下这一结论不成立 情况3 ：异质信源、异类信道或异种用户共存的通信系统 异质信源产生于多媒体通信，在这里指不同种类的数据它们对于信道误码 和传输延时的要求很不一样，此时应当对不同的信源采用不同的差错保护方式 异类信道是指同一通信网下的不同信道可能具有不同的信道质量。它们的速率、 误码率、时延或时延抖动相差很大，此时根据信道的特性采用分层编码或多分辨 率方式的信源编码有可能取得较好的效果异种用户是指同一通信系统中的不同 用户的服务质量要求不同此时也需要对多个用户的信源和信道编码折衷考虑， 优化资源分配，以满足所有用户的服务质量要求 情况4 ：信源、信道具有时变特性的通信系统 此时由于不太可能获得信源和信道的先验概率分布，分离方式下最佳的信源 编码和信道编码设计可能是不可实现的而如果在编码设计时采用最保守的方法。 即确保在最坏情况下的正常通信，又会给通信资源带来很大的浪费，而采用自适 应联合优化的方法，使得信源编码和信道编码与信源和信道特性相匹配，有可能 提高系统的容量 1 3 论文安排及实验综述 本论文共分五部分第一部分主要论述了该课题的研究背景和意义，以及该 课题的国内外研究状况和适用范围；第二部分主要从理论和仿真结果上论证了频 率选择行信道的建模和仿真，为论证本论文提出的新方案和原有方案的对比结果 提供了科学的保证，确保实验结果的真实和可靠；第三部分提出一种新的依托分 形思想和信道估计相结合的不等错误保护方案，实验结果在频率选择性信道，不 同的多普勒频移下与原有方案傲了对比，实验结果表明新方案具有较好的性能， 图像质量得到了较好的提高第四部分完善了一种应用于矢量量化信源的信源信 道联合解码的新方案该方案在不改变原有传输系统中的t u r b ol o g m a p 译码器 结构的情况下，通过重组图像的错误检测，反馈信源的信息来改变译码过程中译 码器间传递的外信息，从而提高信道译码的纠错能力；最后一部分介绍了为完成 i o 山东大学硕士学位论文 论文所作的主要工作以及结论和尚待研究的问题 在该课题的仿真实验研究中，为提高编程效率和运行效率，主程序在m a r l a b 调试环境中完成，但是其中频率选择性信道，矢量量化和s p i h t 压缩用c 语言实 现，在m a t l a b 中以接口的形式调用 山东大学硕士学位论文 第二章移动通信环境实验仿真研究 2 1 频率选择性信道的理论建模 2 1 1 频率选择性信道仿真的理论分析 多径传播信道的信道脉冲响应模式是模拟一个离散的广义平稳非相关散射模 型( f f s s u s ) ，图2 1 给出了多经信道的结构嘲在这样的频率选择性衰落信道中， 接受信号可以表示为输入信号的延时分量和独立零平均复高斯时间变化过程乘积 的和这样的信道应满足两个假设条件： 1 ) 时间t ( 可能是几个码元长度) 内，衰落的统计特性是平稳的，只有多普 勒频移的影响： 2 ) 电波到达角口和传播时延是统计独立变量。 散射体i 圈2 1 多经信道结构 在连续时间域中，假定x ( t ) 和y c t ) 分别代表信道输入和输出的复数低通样值， h ( r ，f ) 是关于时间和时延的多径传播信道的冲激响应，它对应的日r ) 是关于频率 和时间的信道传输函数，坂f ，f ) 和日u ：r ) 是复低通函数对于一个特定的f ，h ( r ，r ) 是具有平坦衰落特性的冲激响应 ( f ) 的平均复高斯时间变化的过程对于不同的 f ，h ( r , t ) 彼此是不相关的由l 个多径信道组合而成的时变冲激响应为： h ( r , o ；- i 尻( f r f ，) i - 0 ( 2 1 ) 式中，只为第，个时延时问的功率；霸( r ) 为第，个时廷分量，是复高斯过程， 它的功率谱就是第，个路径的多普勒频谱，它控制了第，个路径的衰落率：q 为抽头 1 2 姆j j 多 山东大学硕士学位论文 时延这样经过信道后的信号可以表示为： 加) ；艺- g ，o ) 川一r 1 ) 扣d ( 2 2 ) 在实际通信仿真过程中，我们必须用离散的信道模型其中，离散信道模型 可以通过对连续信道模型进行抽样获得，即乃一，x ( t ) 呻砭) ， 加) _ y ( k r ：) ，g l ( f ) 一g l ( 圮) 这里z 和c 都是抽样间隔c 的选择决定于时 延差= 巧一f ，即一c 正和z 可以互不相同，且存在关系lt 朋7 ：，这 里m 是抽样率抽样率越高，要求的仿真速度越快，离散信道精确度越高，它的 选择是一个仿真速度和精确度的折中，且对予一个码元周期丁，应该满足条件 cs ls k 仿真频率选择性衰落信道分为以下两个步骤： 步骤l ：仿真出多个可分辨径信道( 要保证各个可分辨径之间的相互独立) 主要方法有：等距离法( 眶d ) 、等面积法( 此 ) 、m o n t ec a r l o 法、最小均方误差 法( 峪蹦) 、精确多普勒扩展法( 虹d s ) 、j a k e s 仿真法 步骤2 ：再在各个可分辨路径上乘以相应的复增益系数，加上相应的离散传播 时延f ，。它们的共同作用就是频率选择性衰落信道 图2 2 给出了抽头式信道仿真模型。 l 一灭r ) 图2 2 抽头式信道仿真模型 2 1 0j 址复增益产生器设计 复增益产生器产生的增益系数必须具备以下的条件舢： 山东大学硕士学位论文 ) 时延分量的实部和虚部必须是独立高斯过程，有相同的自相关函数 b ) 不同传播路径对应的之间互不相关 c ) 自相关函数必须是如公式2 3 所示 渺等。南 ( 2 3 ) 本论文中，我们采用j a k e 的方法产生增益系数，j a k e s 的方法是通过模拟一 个等散射体模型来实现的，它假定有n 个等均匀分布的散射体分布在移动载体的 周围，它们的相位到达角服从随机分布， 卯，= 赤薯+ 聊州x 公式2 4 给出了产生复增益系数的公式 ( 2 4 ) 其中： 为随机相位；p 为到达角 j a k e s 方法产生的复增益系数，完全满足上述条件中的 ) ，c ) ，对于b ) 我们 采用如下的方法来保证： 因为不同传播路径对应的复增益系数之间互不相关，所以要保证它们不采用 相同的到达角只又因为到达角服从均匀分布，初始到达角为随机产生，所以我 们只要保证不同传播路径之间的初始相位角吼不要太接近就可以满足b ) 在这里， 我们可以采用一个非常小的门限数值来衡量，其具体实现如同下面的条件3 ) 的方 法 另外，为了保证产生复增益系数的过程是平稳的，j a k e s 仿真产生器使用以下 的两个标准： i m ( 散射体的数目) 应该为奇数 i i 到达角不应该为要 为了保证上述条件中标准i i 的条件能够实现，在编程仿真过程中我们采用如 下循环步骤： 1 ) 岛为 0 , 2 1 r ) 闻的随机角 2 ) 只t 岛害川e 【l ，i ) 山东大学硕士学位论文 3 ) 如果j 只三峰r ，那么重新产生岛其中，r 为非常小的一个门限数值 2 2 验证实验仿真 在实验仿真的过程中，复增益系数是最为关键的部分，所以我们首先设计验 证了复增益系数产生的可靠性，然后验证了衰落对于信号的影响复增益点验证 中，采用的多径信道能量分配如图2 3 所示 圈2 3 多径信道能量分配 2 2 1j a k u 方法产生复增益点验证 表2 1 给出了实验中程序中的各参数值设定 表2 1j a k e s 方法产生复增益参数设定 教值 散射体个数2 5 f d2 0 0 f s粕啦i 亿 抽样点个赣l , 0 0 0 , 0 0 0 在具体的验证过程中，我们设计的实验验证步骤分为以下四步： 置击l葛-，& 山东大学硕士学位论文 2 2 1 1步骤一：均值和方差 表2 2 显示了实验产生复增益数值的均值和方差，均值和方差是计算了 l ，0 0 0 ，1 ：) 0 0 个抽样点后得到的 衰2 2 统计计算健论的复增益系数均值和方差 2 2 2 2 步骤二：密度概率函数 按照频率选择性信道的特性。复增益系数的实部和虚部的概率密度函数应当 分别满足高斯分布，图2 4 显示了1 ，0 0 0 ，0 0 0 个复增益系数实部的分布情况，图 2 5 显示了理论高斯分布函数( 均值为0 ，方差为0 5 ) ，对于虚部的情况与此类似 一- _ t 圈2 4 实验复增益系数实部概论分布 _ _ - _ - - 图2 5 理论高斯分布 2 2 2 3 步骤三；自相关函数 产生的复增益的实部和虚部各自的自相关函数必须服从公式( 2 3 ) 所示的分 布，圈2 6 实线显示了1 ，0 0 0 ，0 0 0 个抽样点实部自相关函数值和公式( 2 3 ) 的差 值( 为了能清楚的看出实验的结果，图2 6 中仅取了两者差值中间的2 0 0 0 个抽样 点) 誊1。l1，三o，土l 牟龟-。-，：tltoit毒 山东大学硕士学位论文 j ，j 一e l 融岫鹏嘶o m 哪 一七 f 、 l j1 f i f 、f， 、，u | 旬点00 511 点22 5 协棚) 圈2 6 实部和理论自相关的差值 其中两者差值的统计均值为0 0 0 0 6 2 0 ，方差为0 0 0 6 2 9 5 该值可以明显的表 明，仿真程序所产生的复增益的实部自相关函数和理论的分布几乎完全一致 2 2 2 4 步骤四：实部和虚部互相关函数 理论上，复增益系数的实部和虚部之间没有互相关性圈2 7 实线显示了 1 ，0 0 0 ，0 0 0 个抽样点实部和虚部点的互相关性由图中也可以看出，编程所产生的 复增益点的实部和虚部问无相关性 c r e s l c e m c a h f l 州_ o q 嗍呻 ip o 。r 。- - - 1 - 1 _ - - - 1 = = = = ! ! ：! ! ! ! 芒 - 0 500 51 j22 5 岫1 ) 图2 7 复增益系数实部和虚部点互相关性 另外，实验中互相关函数的统计特性中其均值为0 0 0 0 0 0 4 ，方差为0 0 0 1 9 5 3 ， 1 7 山东大学硕士学位论文 _ _ i ii i i _ _ l 由此也可以看出程序所产生的复增益系数的实部和虚部之间不具有相关性，也即 两者互不相关。 2 2 2 衰落信道中衰落现象实例验证 在验证的过程中，输入信号为对公式( 2 5 ) 进行抽样，表2 3 给出了输入信号 的抽样参数以及实验参数的设定，图2 8 显示了抽样的结果，图2 9 显示了实验 过程中多经信道的能量分布 s ( t ) = 疗。删眦州2 疟厶( 2 5 ) 表2 3 实验参数设定 参数数值 抽样频率 3 2 0 k h z 抽头数 8 时延扩展2 5 0 u s 散射体数目 2 5 - _ x i 嗣g r s l t ) 图2 8 输入信号示意 山东大学硕士学位论文 图2 9 多径信道能量分配 图2 1 0 多径信道能量分配 图2 1 l 时延扩展为2 5 0 m 的输出信号分布 图2 1 1 给出了在表2 3 参数条件下的输出信号分布，另外，为了比较，我们采用 了更小的时延扩展( 1 2 5 u s ) ，使用了更小的抽头( 4 个) ，其能量分布变为如图2 1 0 所示正像我们所企盼的一样，图2 1 2 显示了在更小的时延条件下，该信道的仿 真对原始信号的破坏要比时延大的时候小的多 山东大学硕士学位论文 2 2 , 3 结论 图2 1 2 时延扩展为1 2 5 u s 的输出信号分布 信道建模和仿真的正确与否，将直接关系到所提出方案验证的科学性和真实 性，通过以上的理论分析和实验结果，可以得出本论文所采用的频率性选择信道 的仿真结论如下： 在本论文的信道仿真理论分析中，提出了为实现频率选择性信道所必须具备 的条件，以及为实现该条件所采用的方法，使信道软件仿真更加具有科学性，更 加接近于实际的移动通信环境 信道建模和软件编程中j a k e s 方法所产生的复增益系数其实部和虚部统计结 果显示其概率密度函数服从于高斯分布，其自相关函数服从理论结果，实部和虚 部间无相关性 实例仿真中。结果显示所编制的程序能够符合频率选择性信道的特性，从而 也即证明了该程序实现的结果符合于该信道的理论要求 山东大学硕士学位论文 第三章s p i h t 压缩图像的信源信道联合编码 3 1s p i h t 压缩和信道估计理论 气s a i d 和w a p e a r l m a n 根据s h a p i r o 零树编码的基本思想，提出了一种 新的且性能更优的实现方法，即s p i h t ( s e tp a r t i t i o n i n gi nh i e r a r c h i c a lt r e e s ) 的编码算法嘲这是一种非常实用有效的高性能图像压缩编码算法，其显著特点 是极低的计算复杂度和高质量的恢复图像，它打破了传统编码算法中编码效率与 复杂度同步增长的界限，并且合理利用了小波分解后的多分辨率特性，获得了优 良的编码性能同现有的其它编码方法相比，它不仅在性能上具有很高的信噪比 和较好的主观视觉质量，而且编译码速度快，同时具有嵌入式编码的特征，能够 终止于所需的码率或图像质量处，适合于逐渐浮现式的图像传输 3 1 i 1 空间方向树 s p i h t 算法是e 拥( e m b e d d e dz e r o t r e ew a v e l e tc o d i n g ) 算法的改进，它继 承了小波系数的零树结构，这里称作。空间方向树”结构一般来说，图像经小 波变换后大部分能量集中在低频成分中，从而当我们从子带金字塔的最高层到最 低层观察小波系数时，发现小波系数间的变化越来越小，而且子带之间的小波系 数存在着自相似性因此如果我们沿着相同的空间方向在子带金字塔上移动，小 波系数将很好的按幅值排列( 注意系数值渐进传输中对排序的需要) 空间方向树定义了等级金字塔的空间关系，图3 1 显示了由递推的4 子带分 裂构成的金字塔形成了全向方向树由图可知精度高的予带相应于金字塔的低层， 而精度低的子带相应于金字塔的高层树的每一个节点对应与一个像素，由像素 的坐标标识同一空间方向上下一精细级的像素是该节点的直接子孙，构成一组 2 x 2 的相邻像素高层的每个像素点在低层的相同方向会有4 个孩子存在，而这4 个孩子在其低层的相同方向也会有4 个孩子存在图3 1 的箭头由父节点指向它 的4 个子节点在金字塔最高一级的像素是树根，也分成2 x 2 相邻像素构成的组 山东大学硕士学位论文 倒3 1 至同万向树中父子之同的关系 现在定义符号如下： o ( i ，力：节点( i ，_ ，) 的所有直接子孙( 儿子) ； 讹刀：节点瓴力的所有子孙，包括直接子孙和间接子孙： 工o ，d 。d ( i ，d d ( f 力：节点( i ，力的间接子孙； 日：空间方向树的根的集合，即金字塔最高级的像素 图3 2 直观的显示了上述集合的定义 j 鲫 - 兮、o ( i ，j ) - 7 j 、，j ) ：一0 、 毗j ) ，、i 、专、l j 0 ，j 广 ， 、o u ， i i i r n 3 2s p i h t 算法中符号定义的直观表示 3 1 1 2s p i h t 编码算法 s p i h t 算法将某一树节点及其所有后继节点划归为同一集合，机会的分割过程 是不断的将一个集合分为4 个子集再分别对每个子集进行重要性测试重要性测 试函数定义为： 驰一i i 。, ，m a x c 一毫c 曲坐 ， 如果集合中所有元素的幅值小于菜阈值( 即该集合是不重要的) ，则使用一个 山东大学硕士掌位论文 比特即可表示，这样就大大简化了集合的表示由于变换系数在空间方向树结构 中的相似性，使采用这种集合分割后的排序算法具有高效率的特点 由于子集进行重要性测试的顺序很重要，在实际算法中重要性信息被储存在3 个表中，即不重要像素集表l i s ( 1 i s to fi n s i g n i f i c a n ts e t s ) ，不重要像素表 l i p ( 1 i s to fi n s i g n i f i c a n tp i x e l s ) 和重要像素表l s p ( 1 i s to fs i s n i f i c a n t p i x e l s ) 所有表中的项用坐标( f 力标识，l i p 和l s p 由单个像素构成，而l i s 由 集合d ( ，j ) 或( i ，) 构成，为了便于区分，l i s 中由d ( j ，) 表示的项记为类型 ， 由l ( i ，力表示的项记作类型占 排序过程中，在上一回循环中不重要的l i p 中的像素将重新被测试，检测出 的重要像素将被移到l s p 同样地，按顺序依次检测l i s 中的项，将发现的重要结 合从l i s 表中移出并分割，新得到的拥有不止一个元素的子集将被加回到l i s 中， 而单个像素根据它们各自的重要性被加到l i p 或l s p 的末尾。l s p 包含下一高精度 循环中要访问的像素点的坐标 完整的编码算法如下所示( 解码算法只要将所有的输出改为输入即可) ： 1 初始化：输出万= l o g ：( m a x o j ) c i 阋；令l s p 为空，将o ，力e 日的坐标加 到l i p 中，同时那些具有后代的点还加到l i s 中，并标为a 类 2 排序过程： 2 1 对l i p 中的每个元素( f ，d 作： 2 1 1 输出最以d ； 2 1 - 2 如果s 。( j ，d - l ，则将( i ，力移到l s p 中并输出c 。的符号； 2 2 对l i s 中的每个元素( f ，力作： 2 2 1 如果该元素为a 类，则 输出瓯( d ( f ，力) ； 如果只( d ( f 朋= l ，则 对每个( 七，) e o ( t ，力，作： 输出瓦( 七，) ； 宰如果s 。( 七，) = l ，则将( 七，d 加到l s p 中，并输出。u 的符号； 如果墨( 七，) = 0 ，则将( 七，) 加到l i p 的末尾； 如果l ( i ，力o ，则将( f ，d 移到的末尾，并标为b 类，转到2 2 2 执行；否 则将( f ，力从l i s