（通信与信息系统专业论文）无线信道中联合信源信道编码的研究.pdf

火连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代移动通信领域的迅速发展，人们对在无线信道中传输多媒体数据( 包括语 音、数据和图像等) 日趋重视。无线信道具有时变性、衰减性、带宽资源有限、干扰很 大等特点，因此若想在无线信道中实现多媒体数据的鲁棒性传输是一个具有很大挑战性 的工作。要实现上述目标，必须考虑两个问题，第一，即是信源编码问题一目的在于尽 量减少信号的冗余，增加系统的有效性；第二，即信道编码问题，与信源编码相反，信 道编码是在信息序列中添加适当冗余，使系统能够纠正一定程度上的传输错误，增加系 统的可靠性。在这个意义上，信源编码和信道编码是相互矛盾的。因此，如何在这两者 之间进行权衡，设计有效的联合信源信道编码方案，使得图像或视频在无线信道中更可 靠的传输，已经成为当今人们研究的一大热点。 论文首先简要介绍了联合信源信道编码的背景知识和研究现状；其次，对信源编码 和信道编码的基本方法和原理进行了介绍；然后深入分析了基于不等错误保护的联合信 源信道编码方法；最后对信源和信道编码码率分配问题进行了详细研究，并找出了一种 快速分配方案。 不等错保护是在信源编码之后将码流按重要性程度重新排列，这样采用不同的信道 码率( 速率自适应码) 对其进行不同程度的保护。在不增加额外带宽条件下，提高了系 统的性能，实验表明相同条件下这种不等错保护( u e p ) 方案比等错保护( e e p ) 方案 恢复图像的质量更佳。 论文提出的最佳速率快速分配方案的主要思想是根据信道条件，由蒙特卡洛仿真找 出所有信道速率中的可用信道速率，然后根据确切的数学公式来计算应用同一种信道速 率( 可用信道速率中选取) 保护下所传输的信息包数从而达到速率的最优化快速分配， 信道采用二进制对称信道，信道编码采用两种编码r c p c 编码、r c p t 编码。实验表明 信道编解码为r c p c 时，本文方法比c h a n d e 和f a r v a r d i n 所提出的算法在传输速率变化 区间是0 2 5 b p p 到2 b p p 时快了0 6 7 5 m s 到4 4 7 6 m s ，信道编解码为r c p t 时，论文的方 法快了0 2 1 3 m s 到2 3 5 2 m s 。仿真结果表明信道编码为r c p c 时该方案恢复图像质量在 信道误码率变化区间是o 0 1 到0 0 5 时比在等错保护方法有0 0 7 2 d b 到0 3 3 d b 左右的性 能增益，信道编码为r c p t 时该方案恢复图像质量在信道误码率变化区间是o 0 5 到o 0 9 时也比在等错保护方法有0 2 3 7 d b 到o 515 d b 左右的性能增益。 关键词：联合信源信道编码；不等错误保护；r c p c ；r c p t ；速率最佳分配 无线信道中联合信源信道编码的研究 r e s e a r c h e so nj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n gi nw i r e l e s sc h a n n e l a b s t r a c t w i t ht h eh i s h - s p e e dd e v e l o p m e n to fm o d e r nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，w eb e c o m et op a y a t t e n t i o nt ot h ea p p l i c a t i o n so fm u l t i m e d i ad a t a ( v i d e o ，d a t a , i m a g e ) t r a n s m i s s i o no v e rt h e w i r e l e s sc h a n n e l b u tt h ew i r e l e s sc h a n n e l sl i m i t e db a n d w i d t hr e s o u r c e ，t i m e - v a r i a t i o n ，t h e s e v e r ef a d i n ga n dt h eh i g he r r o rr a t e s ，s ot h a ti sab i gc h a l l e n g ei no r d e rt oe n s u r et h er e l i a b l e m u l t i m e d i ad a t at r a n s m i s s i o n w em u s ts o v l et w op r o b l e m s o n ei ss o u r c ec o d i n gt h a tt r yt o c o m p r e s st h es o u r c ea st oi m p r o v et h eh i g l le f f i c i e n c eo ft h es y s t e m ；t h eo t h e ri sc h a n n e l c o d i n gw h a ti sc o n t r a r yt ot h es o u r c ec o d i n g ，t r yt op r o t e c tt h ec o m p r e s s e ds o u r c et h r o u g h a d d i n gs o m ec o n t r o l l a b l eb i t si no r d e rt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m i nt h i ss e n s e ， t h et w op r o b l e m sa r ec o n f l i c t s o ，w em u s tc o m b i n et h et w oc o d i n gt od e s i g na ne f f i c i e n t c o d i n gs y s t e mt oe n s u r ei m a g e s ，v i d e oo ro t h e rm u l t i m e d i ad a t ac a l lb et r a n s m i t t e dr e l i a b l y o v e rt h ew i r e l e s sc h a n n e f i r s t l y , t h i sp a p e rg i v e sab r i e fo v e r v i e wa b o u tt h eb a c k g r o u n da n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o n o ft h ej s c c ；s e c o n d l y ，t h es o u r c ec o d i n ga n dt h ec h a n n e lc o d i n ga r ei n t r o d u c e d ；t h i r d l y ，t h e u e pb a s e do nt h ej s c ci se m p h a s i z e d 1 1 1 el a s tb u tt h em o s ti m p o r t a n ti st h i sp a p e rd e e p l y i n v e s t i g a t e st h eo p t i m a lr a t ea l l o c a t i o ns c h e m ef o rj o i n ts o u r c ec h a n n e lc o d i n g ，a n dw e p r o p o s e daf a s ta l g o r i t h m b e c a u s et h es p m tb i ts t r e a mi sa r r a y e db yd i f f e r e n ti m p o r t a n c e s ow ep r o p o s e da n u e pf o rt h i ss o u r c ec o d i n g , a n da c c o r d i n gt ot h et i m ev a r y i n go fw i r e l e s sc h a n n e lt h es y s t e m w ep r o p o s ec a l la d a p t i v e l ya d j u s t st h es o u r c ea n dc h a n n e lc o d i n gr a t e s ，s ot h ep e r f o r m a n c e a n dt h er e l i a b i l i t ya r ee n h a n c e da tt h es a m et i m ew i t ht h es a m ec h a n n e lb a n d w i d t h t h em a i ni d e ai st of i n daf o r m u l af o rt h ea v a i l a b l ec h a n n e lc o d e sa n dt h en u m b e ro f p a c k sp r o t e c t e db yt h es a m ec h a n n e lc o d e s i m u l a t i o n si nab i n a r ys y m m e t r i cc h a n n e lw i t ht w o c h a n n e lc o d e r s r c p ca n dr c p ts h o w e dt h a tt h es p e e du pf a c t o ro v e rt h ep r o p o s i t i o no f c h a n d ea n df a r v a r d i nr a n g e df r o m0 6 7 5 m st o4 4 7 6 m sf o rt r a n s m i s s i o nr a t e sb e t w e e n0 2 5 b p p a n d2 b p pw h e nt h ec h a n n e lc o d i n gi sr c p c 0 213 m st o2 35 2 m sw h e nt h ec h a n n e lc o d i n gi s r c p ta n dt h es c h e m ec a ni m p r o v et h ep e r f o r m a n c ef r o m0 0 7 2 d bt o0 ，3 3 d bf o rb e rb e t w e e n 0 0 1a n d0 0 5w h e nt h ec h a n n e lc o d i n gi sr c p ca n d0 2 3 7 d bt o0 515 d bw h e nt h ec h a n n e l c o d i n gi sr c p tf o rb e rb e t w e e n0 0 5a n d0 0 9c o m p a r e dw i t ht h eo p t i m a lu e ps c h e m e k e yw o r d s ：j s c c ；u e p ；r c p c ；r c p t ；o p t i m a l r a t ea l l o c a t i o n 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：元遮至圭邀璇泣 磕迫堡幽! 叁 作者签名：j 垡垫一日期：上牛年旦月耸日 大连理t 火学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目：宣监渔主亟鳢逼垡堂益堡垒盟 作者签名：鳖些 日期：二竺l 年生月! l 日 导师签名：- = 毳擘兰曼l 日期：耳年丝月卑日 大连理工大学硕十学位论文 1绪论 1 1信源信道联合编码的研究背景 通信的目的是传输消息。不同的通信系统，无论是传输语音，还是传输图像都有共 同的模型，一个完整的数字通信系统的框图如图1 1 所示【1 1 。 图1 1 完整的数字通信系统框图 f i g 1 1 t h eg e n e r a lm o d e lo fd i g i t a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m 图1 1 中发送端模块的作用是产生通信信号。信源编码是将上述信号转化为二进制 序列，目的在于尽量减少信号的冗余，让通信能够以更少的开销传输更多的信息，增加 系统的有效性。信道编码的作用正好与信源编码相反，它是在信息序列中添加适当冗余， 使系统能够纠正一定程度上的传输错误，增加系统的可靠性。调制将数字信号以一定的 形式发送出去。本文研究的信道为无线信道，它的主要特点就是带宽有限，是时变的， 衰减性的，同时又有很大的干扰【2 】。图中信号的解调、信道解码、信源解码模块分别是 调制、信道编码、信源编码模块的逆过程。 由此可见，对通信系统的研究应主要研究信源编码、信道编码和调制三个部分。所 有的多媒体信源信息，无论是声音、文本、数据、图像、视频都包含很大的冗余信息。 无线信道的一个重要特点就是带宽有限，这就需要对这些多媒体信息进行压缩，更有效 的利用有限的带宽资源，信源去除的冗余信息越多，系统的有效性也就越高。香农的信 源编码定理，定义了信源的率失真函数来描述失真与信源编码码率的关系【3 1 。 但是无线信道的另一个重要特点是有很大的干扰，冗余很少或者是没有冗余的信息 通过信道时，就很容易受到噪声的干扰，即使单个比特的错误也可能会使整个码流不可 恢复。这就需要进行信道编码，采用适当的措施在所需传输的信息中添加一些受控冗余 信息，增加其抗噪声性能。信息论中的香农信道编码定理指出，当信息量低于信道容量 时，可以通过信道编码获得任意小的错误概率。 无线信道中联合信源信道编码的研究 根据上述分析可知，信源编码和信道编码要解决的问题是矛盾的。因此，就需要在 这两者之间进行权衡，设计一套有效的联合信源信道编码方案，使得多媒体数据在无线 信道中能够更可靠的传输。 根据香农的信源信道编码原理【3 】，信源编码和信道编码可以分开设计分别达到最优， 即将信源编码设计成具有最高压缩比，而信道编码设计成在一定传输速率下误码率最 小，两个独立的最优系统级联之后的系统也是最优的。但是上面的理论是在一定得假设 基础上成立的。首先，要求无限长的编码码长；其次，要求为点对点传输，对有多径衰 落的信道是不适用的；再次，分离定理只是针对无记忆平稳信源和信道，并不适用于所 有的信源和信道。实际的通信系统，由于复杂性和实时系统的时延限制，不可能允许存 在无限长的时延，也不仅仅存在单发射机、单接收机的系统【3 】。因此，理论上的最优在 单独设计中不可能达到。因此需要进行联合设计，联合信源信道编码将信源编码和信道 编码结合起来考虑。实践证明，在一定的带宽条件下，通过联合策略在两种编码中分配 合适的资源，进而可以得到最好的端对端通信效果，要比上述最优的级联系统更加有效。 因此，信源信道联合编码最关键的一点就是信源信道的匹配策吲4 1 。 联合信源信道编码能在同样复杂度的情况下获得更好的系统的性能，或者在系统性 能相同的前提下能大大降低系统设计的复杂度。联合信源信道编码主要适用于以下几种 环境【4 】： ( 1 ) 恶劣信道。 ( 2 ) 对于通信资源约束苛刻的应用环境。 ( 3 ) 共享信道的多用户系统。 ( 4 ) 非平稳的随机信源、信道或者网络。 1 9 9 9 年1 1 月1 2 日，来自于不同领域的2 2 位专家在加利福利亚的s a nd i g e o 参加 了由美国国家自然科学基金资助的工作会议，目的是提供一个j s c c 能够并且必须发挥 重要作用的环境，评估j s c c 在这些应用中的性能。随后，在欧洲由p h i l i p s 、s i e m e n s 及u n i v e r s i t yo fs o u t h a m p t o n 等多家公司和研究单位发起成立了j o c o 联盟，致力于证 实未来4 g 系统中，基于j s c c 整体网络结构的有效性【4 1 。 1 2 信源信道联合编码的研究现状 联合信源信道方法的研究总体上可以分成四个大类： ( 1 ) 一体式的联合信源信道编码【5 1 。 ( 2 ) 级联的联合信源信道编码。 大连理工大学硕十学位论文 ( 3 ) 不等错保护。 ( 4 ) 受限的联合信源信道编码。 一体式的联合信源信道编码方法中信源编码和信道编码真正的结合在一起，通信系 统不再分为信源和信道编码【5 】。此时，信源输出序列将直接被映射到一个信道传输码字。 相对于其他结构而言，该结构的复杂度比较高，但是信源和信道之间做到了真正的结合。 级联的联合信源信道编码算法中信源编码器和信道编码器为级联结构，固定的比特 率在信源编码器和信道编码器之间进行最优分配，以使系统的整体性能最佳。在带宽有 限的条件下，如果给信源编码器分配太多比特，将导致信道保护不足而产生传输错误； 而如果信道编码分配太多比特，则信源信息就会被过分压缩而导致严重失真。因此，在 信源编码器和信道编码器之间存在一个最佳平衡点，使整个系统获得最佳性能，即最小 失真。1 9 7 9 年m o d e s t i n o 等人【6 】针对2 d d p c m 图像编码和约束长度较短的卷积码在高 斯信道传输提出的联合编码方法，在总的传输速率一定的情况下，通过调整信源编码 d p c m 差值量化的编码比特位数和信道编码码率，伎接收端恢复图像的性能达到最好。 h o c h w a l d 等人【7 】针对信源编码用矢量量化编码、信道编码、二进制对称信道提出了联合 编码的方法，并且从理论上得出了系统整体性能最优时信源信道编码的最佳折中点。对 于渐进图像编码中s p i h t 图像编码算法，在二进制对称信道，该类方法中性能最好的是 s h e r w o o d 等人【8 】提出的方法，该方法中信道编码采用卷积码作为纠错码，c r c 作为检 错码。对于衰落信道，s h e r w o o d 等人【9 】提出的采用r s 码和c r c 作为纠错和检错码的 编码方法性能最好。 不等错保护是在图像和视频的通信系统中，图像和视频编码后的数据码流的不同部 分对噪声的敏感程度不同，不同部分发生错误，对接收端图像或者视频的恢复质量的影 响不同。影响越大，说明该部分重要性越大。不等错保护就是根据信源编码后的重要程 度进行不同程度的保护，越重要的部分采用的信道编码的码率低，保护的越好。c o m s t o c k 等人在文献【lo 】中提出了计算基于离散余弦变化的图像编码的重要比特的方法，并且用汉 明码对不同重要性的比特进行不同程度的保护。s h a p i r o 于1 9 9 3 年提出了基于小波零数 的嵌入式图像编码，s a i d 等人【1 1 】提出了s p i h t 算法对其编码进行改进。自此之后较为 多的学者针对基于s p i h t 算法的嵌入式图像编码展开不等错保护的研究。c h a n d e 、 f a r v a r d i n 最早提出了基于失真的和基于速率的最优不等错保护的数学描述【1 2 】。h e d a y a t 等人【1 3 】证明了基于速率的最优不等错保护与基于失真的最优不等错保护在一些假设的 前提下性能相近，为以后基于速率的码率分配算法提供了依据。 受限的联合信源信道编码方法最早是由k y c h a n g 等人【1 4 】提出了在有噪声信道 中，通过优化量化器、预测系数、抽样率来最大化接收端的信噪比。n r y d b e c k 等人【”】 无线信道中联合信源信道编码的研究 分析了在任意信道的情况下，非线性p c m 系统中，信道误码的影响，给出了一种对信 道误码不敏感的p c m 编码方法。 1 3 本文的主要工作及内容安排 本文针对联合信源信道编码的不等错保护问题，在文献 1 2 的基础上对信源和信道 的速率分配问题进行了深入研究，提出了一种基于速率的最优化不等错误保护方案，仿 真结果表明，此方案在与文献 1 2 1 性能相当的情况下，提高了系统分配最佳速率的速度， 节省了分配时间，更适用于实时性要求高的系统。 本文主要内容安排如下： 绪论，系统介绍了联合信源信道编码提出的背景，研究意义和研究现状；第二章介 绍了信源和信道编码的基本方法的原理；第三章介绍了联合信源信道编码的基本原理和 经典的编译码方法；第四章研究了基于不等错误保护的联合信源信道编码方法，其中信 源编码为小波变换编码中的s p i h t 编码，信道码采用两种编码r c p c 和r c p t 码，信 道为b s c 信道模型；第五章深入研究了信源和信道编码速率分配问题，提出了一种快 速分配算法，仿真结果表明本方法比c h a n d e 和f a r v a r d i n 所提出的算法在时间上要快， 而且该方案恢复图像质量优于等错保护方法。最后在结论部分，对全文进行了总结，并 对未来发展进行了展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 信源编码及信道编码概述 2 1 信源压缩编码 一 信源编码的核心问题就是编码效率，即为压缩效率。衡量信源编码的标准是编码效 率( 压缩比) 和重建失真。 香农信源编码定理【1 6 】描述了离散信源实现无失真编码的条件，即每一个符号的平均 码长度的下限为信源熵，并且存在任意接近该下限的编码方法。在多媒体信源中，特别 是图像和视频中，存在大量的冗余信息，这些冗余信息可以分为几类，主要有： ( 1 ) 空间冗余：由一幅图像中的空间相似性形成的冗余。 ( 2 ) 时间冗余：主要存在于相邻的帧间，相邻的帧间往往包含相同的物体或者是 背景，不同的只是移动物体的位置有所不同，存在很大的相关性。 ( 3 ) 信息熵冗刽1 7 】：即编码冗余，对于图像数据的每一个像素，很难得到它的信 息熵，因此在用数字化方式表示一幅图像时，对每一个像素是用相同的比特数表示的， 这样必然存在冗余。 ( 4 ) 结构冗剁1 1 7 】：有的图像的部分区域中有非常强的纹理结构，或是在图像的各 个部分之间存在着某种相似性。 ( 5 ) 知识冗余：在一些图像中包含的信息与某一些先验的信息有关，例如在人脸 图像中，人脸的各个器官的相互位置等信息即是一些先验信息。 ( 6 ) 视觉冗余t 一般情况下，重建图像是以人眼为接收者。因次，在达到最高压 缩比的同时，可以利用人眼的视觉特性。人眼的视觉系统对于图像的感知是非均匀的和 非线性的，并不能感知图像的任何变化。因此，编码如果能够很好的利用人眼的视觉系 统的这些特点，那就会得到很高的压缩比。 上述冗余中，信息熵冗余、时间冗余还有空间冗余统称为统计冗余，它们决定了图 像的统计特性。上面这些冗余，是压缩图像和视频等多媒体信源数据的出发点。编码要 尽量消除这些冗余，以降低表示图像与视频所需的数据量，来达到高压缩的目的。 综上，图像和视频编码的目的是在保证一定重建质量的前提下，以尽量少的比特来 表征图像和视频信息。 2 1 1 信源压缩编码方法 关于图像编码的方法有很多，也有很多分类方法，最常用的分类方法是将编码方法 分为无损编码( l o s s l e s sc o d i n g ) 和有损编码( l o s s yc o d i n g ) 。其中无损压缩编码方法能 无线信道中联合信源信道编码的研究 够精确地重建原始图像，重建图像并不会引入任何误差；有损压缩编码则会引入误差， 但尽量使失真不明显。 传统的压缩编码以香农信息论为基础，是以概率的统计模型来描述信源。根据香农 的不定长编码定理，当平均码长任意接近信源熵，通过合理的编码，给每一信源符号分 配不等长的码字，可以不产生任何失真，随之产生了几种无损压缩编码，即无失真压缩 编码方法，主要有游程编码( r u n - l e n g t hc o d i n g ) 、霍夫曼编码( h u f f m a nc o d i n g ) 、算 术编码( a r i t h m e t i cc o d i n g ) 等。 ( 1 ) 游程编码主要是用于量化后有大量的零系数出现的情形，利用游程来表示连 零码，进而降低表示零码所用的数据量。 ( 2 ) 霍夫曼编码的码长是变化的，对于出现频率高的信息，编码的长度较短；而 对于出现频率低的信息，编码长度较长。这样，处理全部信息的总码长一定小于实际信 息的符号长度。霍夫曼编码【18 】是一种最佳的不等长编码方法，“最佳 即指它的平均码 长对相同的概率分布的信源是所有有效编码方法中最短的，它必须预先知道信源的概率 分布，但是这对于实际的信源是很难做到的，经常是以对大量数据进行统计后得到的近 似分布来代替，这就导致在实际应用中不可能达到最佳。 ( 3 ) 算术编码 硌】是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种熵编码方法。它的基本原理是 任何一个数据序列均可以表示成o 和1 之间的一个间隔，该间隔的位置与输入数据的概 率分布有关。可以根据信源的统计特性来设计具体的编码器，也可以针对未知概率的信 源来设计能够自适应地适配其分布的算术编码器。 这些无失真编码的压缩比一般不会超过2 ，显然，这很难满足大多数的应用场合， 要进一步的压缩图像和视频数据，就必须考虑人眼的视觉特性，实现信源的有失真冗余 压缩，人眼是允许信源存在一定的失真的。 传统的有失真压缩编码主要包括有变换编码( t r a n s f 0 1 t nc o d i n g ) 、预测编码 ( p r e d i c t i v ec o d i n g ) 、矢量量化编码( v q ：v e c t o rq u a n t i z a t i o n ) 等编码方法。这类压缩编码 是以去除信源中的冗余信息和对人眼视觉不重要的信息。 预测编码和变换编码是当前图像编码器最常用的技术。预测和变换的目的是降低图 像在空间域的强相关性，使得预测或者是变换后的数据阵变为弱相关的矩阵。 ( 1 ) 预测编码【1 8 】既可以在一幅图像内进行帧内预测编码，也可以在多幅图像之间 进行帧间预测编码，预测编码是基于图像数据的空间和时间冗余特性，用相邻的己知像 素或像素块来预测当前像素或像素块的取值，然后再对预测误差进行量化和编码。帧内 预测编码一般是用d p c m ，帧间预测编码主要是利用视频序列相邻帧之间的相关性，也 大连理工火学硕十学位论文 就是图像数据的时间冗余来压缩，它获得的压缩比要比帧内预测高很多。帧间预测编码 常采用的技术为阈值法、帧内插法、运动补偿法。这类编码一般要对图像进行分块再预 测，易造成分块边缘的不连续。 ( 2 ) 变换编码使得图像在变换域上最大限度的不相关，通常是将空间域相关的像 素通过变换映射到另一个变换域上，使得变换之后的系数相关性降低。虽然变换编码本 身不对数据进行压缩，但是它是通过变换来消除图像数据空间的相关性，这样使得图像 中的大部分能量集中到少数几个变换系数上，采用适当的量化和熵编码就可以有效地压 缩图像的数据量。而且图像经过变换后，系数的空间分布和频率特性可能与人眼的视觉 特性匹配，因此可以利用人眼的视觉系统的生理和心理特点来设计需要的编码系统【1 9 】。 变换编码会出现恢复图像的边缘轮廓模糊现象，会出现块效应。 ( 3 ) 矢量量化编码是利用相邻图像数据之间的高度相关性来实现压缩。矢量量化 的好处是引入了多个决定输出的因素，并且使用了概率的方法，一般会比标量量化效率 更高。矢量量化编码的关键技术是码书的设计【1 9 】。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，相继出现许多新型的图像压缩编码方法。k u n tm 于1 9 8 5 年提出了利用人眼视觉特性的第二代图像编码新思想，1 9 8 8 年b a r n s l e y 提出了分行编 码技术，1 9 8 5 年m a l l r a t 、d a u b e c h i e s 将小波理论应用于图像编码。 第二代图像编码【i8 】针对传统编码方法中没有参考人眼对边缘、轮廓的特殊敏感性和 方向的感知特性提出的。它不再局限于香农信息论的框架，要求充分利用人眼的视觉系 统的生理和心理特性来获得高的压缩比。需要首先对图像进行预处理，把图像根据视觉 的敏感性进行分割。它对静止图像而言，可以获得3 0 6 0 倍的压缩比，但是恢复的原图 质量效果不好。 小波变换应用于图像压缩领域的出发点就是多尺度分析信号和基于小波正交族的 图像分解。小波变换属于时频分析的一种，是一种信号的空间一频率( 时间一频率) 分 析方法，它在时频两域都具有表征信号局部特征的能力，是一种窗口大小固定不变但形 状可改变，时间窗和频率窗都可以改变的时频局部化分析方法。即在低频部分具有较高 的频率分辨率和较低的时间分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分 辨率。图像经过小波变换以后的能量集中在少数变换系数上，另外小波变换能保持原始 图像在各种分辨率下的精细结构。小波分解的多分辨率特点与人眼由粗到细，由局部到 细节的观察习惯一致。用小波变换代替d c t 并合理利用变换系数的特点，可以克服d c t 方法产生的方块效应，获得很好的压缩效果。 无线信道中联合信源信道编码的研究 2 1 2 图像压缩编码标准 近十几年来，图像编码技术取得了飞速的发展和普遍的应用，并日趋走向成熟，其 最重要的标志就是几个图像编码的国际标准的制纠1 8 】，即国际标准化组织( i s o ：i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d i z a t i o no r g a n i z a t i o n ) 和国际电工委员会( i e c - i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) 关于静止图像的编码标准j p e g 和j p e g 2 0 0 0 ，国际电信联盟电信标准化 部门( i t u t ：i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n t e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z a t i o n s e c t o r ) 关于电视电话会议电视的视频编码标准h 2 6 1 、h 2 6 3 、h 2 6 4 ，以及i s o i e c 中的运动图像专家组( m p e g ：m o v i n g p i c t u r ee x p e r tg r o u p ) 制定的关于活动图像的编码 标准m p e g 1 、m p e g 2 和m p e g 4 等【1 8 】。这些标准代表了目前图像视频编码的发展水 平。 j p e g 标准是i s o i e c 联合图像专家组制定的静止图像压缩标准，是适用于连续色 调的静止图像压缩的国际标准。它有四种模式：一种是基于d p c m 的无损压缩，另外 三种是基于d c t 的有损压缩【l8 1 。 j p e g 2 0 0 0 标准采用以小波变换为主的多分辨率编码，它的压缩比比j p e g 提高了 1 0 0 o - - , 3 0 ，同时支持有损和无损压缩，不像j p e g 一样仅支持有损压缩，所以可以适用 于许多进行无损压缩的场合，例如医学图像，文物照片等。j p e g 2 0 0 0 最重要的特征是 能实现渐进传输，即可以先传输图像的轮廓，再传输图像的其他细节数据，不断提高图 像的质量，来满足用户的需要，这一点对于网络传输的意义重大。j p e g 2 0 0 0 可以让用 户对处理的图像指定感兴趣区域，并且对这些区域压缩可以指定压缩质量，或者是在恢 复图像的时候指定解压要求。j p e g 2 0 0 0 充分考虑了人眼的视觉特性，增加了视觉权重 和掩模，在不损害视觉效果的情况下，大大的提高了压缩效率【l8 1 。 2 2信道编码 2 2 1 信道编码概述 随着信息时代的到来，纠错码已经成为现代通信领域中不可缺少的一项技术。现代 通信系统越来越复杂，通信业务也随之越加具有多样化，都要求通信系统能够对话音、 数据、图像以及视频等大量的多媒体数据信息实现实时高速传输，并且对通信质量的要 求也在不断地提高。但是信号在信道中传输的时候，由于通信固有的噪声和衰落特性， 不可避免的会受到噪声的干扰，或多或少的失真。因此需要采用信道编码技术，即差错 控制码实现对传输信号的检错和纠错，提高系统的性能。 自2 0 世纪4 0 年代以来，人们在纠错码技术领域取得了许多成果。先后提出的编码 大连理工人学硕十学位论文 方法有乘积码、代数几何码、分组卷积级联码、低密度校验码和t u r b o 码等，提出的译 码方法有序列译码、维特比译码、迭代译码和软判决译码【2 0 1 。 根据香农信道编码定理 2 h ，若要信道传输速率r 接近信道容量c ，只有在码组长度 无限长的码集合中随机选择编码码字并且在接收端采用最大似然译码算法，才能使误码 率任意小。但是最大似然译码的复杂性会随着码长的增加而呈现指数的增长，当编码长 度为无限长时，最大似然译码是不可能实现的。所以，上述所有的编译码方法的性能始 终与香农理论极限有差距，在实际的编码中，香农极限是不现实的。在1 9 9 3 年的国际 通信会议上【2 1 1 ，法国不列颠通信大学的c l a u d eb e r r o u 教授等人提出的t u r b o 码方案很 好的应用了香农信道编码定理中的随机性编码译码条件而得到了接近香农极限的译码 性能。仿真结果表明，在参数一定的件条下，t u r b o 码可以达到与香农极限仅差0 7 d b 的优异性能【2 1 1 。到现在为止，在现有的编码方案中t u r b o 码是性能最好的信道编码，已 经成为自信息论提出以来最重大的成就。 2 2 2 常用的差错控制技术 信号在信道的传输过程中不可避免的会受到噪声的干扰，在干扰严重的情况下，就 使得接收端可能无法恢复原始信息。通常，在设计通信系统时，除了考虑采用合理的调 制解调制度、解调方法以及发送功率外，还要考虑差错控制技术。 从差错控制的角度看，按加性干扰引起的误码分布规律，信道可以分为三类，即随 机信道、突发信道和混合信道【i 】。在随机信道中，会随机的出现错码，并且错码是统计 独立的，例如，正态分布的白噪声。在突发信道中，错码的出现是成串的，集中的，就 是会在短时间内出现大量的错码，在这些短时间区间之间又有较长的无错码区域。产生 突发错码的主要原因是脉冲干扰，或者是信道中的衰落现象。混合信道，是既有随机错 码又有突发错码的信道。对于不同的信道应该采用不同的差错控制技术。常用的差错控 制方法主要有以下三种： ( 1 ) 检错重发( a r q ) ：当接收端检测到接收的信息序列中有错误，但是不知道 出错的具体位置，设法通知发送端重发，直到正确收到为止。这种方法需要在发端与接 收端之间有一个反馈信道，时延大，但是实现简单。 ( 2 ) 前向纠错( f e c ) ：这种差错控制技术不但能在接收的序列中发现出错，而且 能纠正错误，相对于检错重发技术不需要反馈信道，也不存在重发导致的时延，实时性 好，但是系统实现复杂。 ( 3 ) 反馈校验( h a r q ) ：接收端将接收的序列原封不动的传回发送端，在发送 端与原码相比较，有错的话重发。这种方法需要双向信道，并且每一个序列相当于至少 无线信道中联合信源信道编码的研究 发送两次，传输效率低，但是原理和现都较简单。 更多的将这三种方法结合使用，例如，可以设计检错纠错码，当出现的错误比较少， 就直接在接收端纠正，即用前向纠错法；当错码比较多，超出其纠正能力但能检测出错 误的时候，就用检错重发法。当信息中含有的冗余信息很多的情况下，可以用检错删除 法，即在接收端发现错误，将其中错误的部分码元删除，不送到输出端。 在前两种方法中，都要识别错码，如何去识别错码，可以由发送端的信道编码器在 信息序列中加入一些监督码元，这些监督码元和信息序列之间有一定的关系，这样接收 端就可以利用这些关系由信道译码器来发现并纠正错码。在信息序列中加入监督码元就 称为差错控制编码，也就是纠错编码。 2 2 3 常用的信道编码方法 自1 9 8 4 年香农提出有噪信道编码定理之后，人们就一直致力于研究纠错能力强， 编译码复杂度简单的编码方法。纠错码主要可以分为两类：分组码和卷积码。后来，人 们又相继提出了级联码和格型编码调制等方法。在不同的传输信道模型中，信道码的性 能也随之有所差异，因此针对不同的信道模型，要设计不同的信道码。对于随机信道， 由于错码是随机产生的，可以采用分组码纠正。对于突发信道，它的错误时成串出现的， 可以采用交织编码纠j 下。 信道编码按照检错纠错能力主要可以分为三类： ( 1 ) 检错码：如c r c 码、a r q 等。 ( 2 ) 纠错码：如分组码、卷积码、1 、曲o 码、l d p c 码。 ( 3 ) 检错纠错码：如h a r q 。 以下介绍几种通信系统中主要的信道编码方法： ( 1 )线性分组码【l 】：线性码是由一些线性代数方程联系着它的信息位和监督位， 一般来说，若码组长度为n ，信息位数为k ，则监督位数为r = n - k 。在线性分组码中，循 环码是一种很重要的码，它是在严格的代数学理论上建立起来的。编解码设备都不复杂， 并且检错纠错能力强。循环码除了具有线性码的一般性质外，还具有循环性，即循环码 中任意码组循环一位，仍为该码中的一个码组。r s 码、b c h 码都属于循环码。 ( 2 ) 卷积码【1 】：是一种非分组码。分组码编码时，各个n 长码组分别编码，各码 组之间没有联系，译码时，各个码组也是独立译码的。卷积码则不同，卷积编码器把k 比特信息段编成n 比特码组，所编的刀长码组不仅与当前的k 比特信息段有关，还与前 面的( - 1 ) 个( 胗1 ) 信息段有关。这个信息段中的码元数目为n n 为该卷积码的约 束长度。卷积码( 以、k 、) ，编码效率为r e = k i n 。 大连理：1 = 大学硕十学位论文 ( 3 ) 网格编码调制( t c m ) 技术：1 9 7 4 年m a s s e y 和s h a n n o n 信息论证明了将编 码和调制作为一个整体考虑的最佳设计，可以大大改善系统性能。1 9 8 2 年，u n g e r b o c k s 首次提出了网格编码调制的概念。设计的格状码( t r e l l i sc o d e s ) 码率为m ( m + 1 ) ，并将 每一码段映射为2 埘+ 1 个调制信号点的集合中的一个信号的联合编码调制方案，在接收端 解调之后在经过反映射变换为卷积码，利用v i t e r b i 进行译码，获得了3 - - 6 d b 的增益【2 0 1 。 ( 4 ) t u r b o 码：t u r b o 码的最大特点是它通过在编译码器中随机交织器和解交织 器的使用，有效实现了随机性编译码的思想，并通过短码的有效结合实现了长码，达到 了香农理论极限的性能【l9 1 。文献 2 0 中的仿真结果表明，如果采用交织长度为6 5 5 3 5 的 随机交织器，迭代次数为1 8 次，在信噪比为e b n o = o 7 d b 的a w g n 信道上传输的码率 为1 2 时，误比特率( b e r ) 1 0 一，它大大接近了香农极限( 相同码率条件下香农极限 为0 d b ) 。t u r b o 码是现代发现的性能最好的编码方法，已经被应用到第三代移动通信 系统中。 无线信道中联合信源信道编码的研究 3 信源信道联合编码 3 1信源信道联合编码的原理 由于分离编码的局限性，在很多现实的场合分离编码的最佳效果是不可能实现的， 有必要对信源编码和信道编码联合考虑，进行联合信源信道编码设计。在无线多媒体通 信中，联合信源信道编码是抗衰落的一种十分有效的措施。在第一章中已经详细介绍了 关于联合信源信道编码提出的背景，这里不再赘述。下面简要介绍一下联合编码的基本 原理。 信源信道联合编码的示意图如图3 1 【l8 】所示。 图3 1 信源信道联合编码示意图 f i g 3 1 t h em o d e lo f j s c c 比较第一章中的图1 1 可发现联合信源信道编码的原理示意图较一般通信系统多了 了一个带反馈的联合优化算法模块。这个反馈可以是信道的状态信息，也可以是信道解 码之后根据正确解码的包数的信息。在信道条件好或者是信道解码端正确解码的包数多 的情况下，就可以用较多的比特来传输信源比特信息，即增大信源编码码率，对信道码 流降低其保护强度，即增大信道码率。相反地，当信道条件差或者是信道解码端正确解 码的包数少的时候，可以减少对信源比特信息的传输，减小信源编码码率，同时减小信 道编码码率，即增强对码流信息的保护强度。这样就在总的信道传输速率一定的情况下， 即不增加信道带宽的情况下，提高了整个系统的性能。并且这个带反馈的系统可以根据 信道状态信息或解码信息实时的调整信源信道编码码率，实现自适应的传输方式。其中 增强对信道码率信息的保护强度，是以减少信息传输比特为代价的。 信源信道编码的联合优化算法有很多的实现方式，一种是充分利用信源中的冗余优 化信道编码来实现【1 8 】。另一种是通过在给定的信道特征下设计信源编码，