（电路与系统专业论文）压缩图像无线传输的信源信道联合编码研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

中文摘要 摘要 近年来，随着计算机、通信以及网络等关键技术的迅速发展，人们对多媒体 通信的需求也与f 1 俱增，图像( 视频) 通信作为多媒体通信中的一个基本组成部 分，得到了广泛的重视。在许多实际的通信系统中，基于香农分离原理的信源- 信 道编码分离设计方法往往导致图像( 视频) 传输应用的低效率，而信源信道联合 编码则可以获得更好的性能。该方法将通信系统作为一个整体来分析，综合考虑 信源和信道的特性，合理分配资源以提高系统的整体性能。因此信源信道联合编 码的研究具有十分重要的现实意义。 本文对信源信道联合编码技术在图像无线传输中的应用进行了研究，提出了 一种基于不等差错保护，并与码率的动态分配机制有机结合的信源信道联合编码 方案。本文的主要内容包括： 针对图像无线传输的背景，本文分析了无线衰落信道的特点，对几种主要 的信道模型加以分析，并通过仿真得出了在不同参数值下的信道特性。 本文在仔细分析了s p i h t 算法的基础上，针对联合编码的需要，通过对低 频单独处理( d p c m ) 和子树独立编码( 采用v i r t u a l z e i o t l e e 结构) 对其进行局部 改进，使其性能得到进一步优化。 本文将码率分配技术和不等差错保护技术( u e p ) 进行很好地融合，实现了 一种通用、有效的信源信道联合编码传输系统。在该系统中，本文针对改进的s p i h t 信源编码码流重要性的不同而进行三重不等差错保护。同时，根据无线信道的时 变特性自适应地调整信源和信道编码速率，从而在不增加额外带宽的前提下，系 统获得了优异的性能和较高的可靠性。通过几种不同的图像传输方案在无线衰落 信道上的仿真比较，实验表明本文所设计的方案在信道条件恶劣的情况下，能够 明显提高图像传输的质量。 关键词：无线衰落信道，图像通信，s p i h t ，r c p c ，信源信道联合编码 英文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fk e r n e lt e c h n i q u e ss u c h a sc o m p u t e r , c o m m u n i c a t i o na n dn e t w o r ke t c ，t h e r ei sa l li n c r e a s i n gd e m a n df o rm u l t i m e d i as e r v i c e w i r e l e s si m a g ea n dv i d e ot r a n s i m i s s i o n ，a ne s s e n t i a lc o m p o n e n to f w i r e l e s sm u l t i m e d i a , i ss t u d i e de x t e n s i v e l y i ti sw e l lk n o w nt h a ts h a n n o n ss e p a r a t i o nt h e o r e md o e sn o th o l d i nr e a l w o r l ds y s t e m s w h i l ej o i n ts o u r t ：e c h a n n e lc o d i n g ( j s c c ) 啪b es i g n i f i c a n t l y s u p e r i o rt oi te s p e c i a l l yf o ri m a g ea n dv e d i ot r a n s i m m i s s i o n c o n s i d e r i n gt h ep r o p e r t y o fs o u r c ea n dc h a n n e l ，t h ej s c cc o m b i n e st h es o u r c ec o d e ra n dc h a n n e lc o d e r r e a s o n a b l yt ob u i l da ni n t e g r a ls y s t e mi no r d e rt oo b t a i ns i g n i f i c a n ti m p r o v e m e n to f s y s t e mp e r f o r m a n c e t h u sj s c ci so f g r e a ti n t e r e s tf o rp r a c t i c a lr c a s o n s i nt h i st h e s i s ，w ep r e s e n taj s c cs c h e m et ot r a n s m i tc o m p r e s s e di m a g eo v e r w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l s ，w h i c hi sb a s e do nu n e a q u le r r o rp r o t e c t i o n ( u e p ) a n d a d a p t i v er a t ea l l o c a t i o n t h em a i nc o n t e n t so f t h i st h e s i sa r ea sf o l l o w s w ea n a l y z et h e c h a r a c t e r i s t i c so fw i r e l e s s f a d i n g c h a n n e l sf o r i m a g e t r a n s m i s s i o no nt h e m s i m u l a t i o nh a sb e e nd o n et op r o v i d et h ec h a r a c t e r i s t i c so fs o m e m a i nw i r e l e s sc h a n n e lm o d e l sw i t hd i f f e r e n tp a r a m e t e r s t h i st h e s i si m p r o v e st h es p i h ta l g o r i t h mb ye n c o d i n gl o w f r e q u e n c y c o e f f i c i e n t so fad e c o m p o s e di m a g ew i t l ld p c mm e t h o da n de n c o d i n gs u b t r e ed a t a s u s i n gv i r t u a l z e r o t r e es t r u c t u r e ，r e s p e c t i v e l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h ei - s p i h t a l g o r i t h mc a r la c h i e v em o r ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c e i nt h i st h e s i s ，ag e n e r a la n de f f e c t i v ej s c cs c h e m ei sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e s a3 - g r a d eu e ps t r a t e g yf o ri - s p i h tb i ts t r e a m so fd i f f e r e n ti m p o r t a n c ea n da d j u s t st h e r a t e sa d a p t i v e l yb e t w e e ns o u r c ea n dc h a n n e le n e o d e ra c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t i m e v a r y i n gw i r e l e s sc h a n n e l s ，t h u sy i e l d sg o o dp e r f o r m a n c ea n dh i g hr e l i a b i l i t y w i t h o u ta d d i n ge x t r ab a n d w i t h e x p e r i m e n t a lr e s u l t so f d i e f f e r e n ts y s t e m ss h o wt h a tt h e p r o p o s e ds c h e m ec a l lo b v i o u s l yi m p r o v et h ei m a g eq u a l i t ya f t e rt r a n s m i t t i n ge v e ni ft h e c h a n n e l sa r ei nb a dc o n d i t i o n k e y w o r d s ：w i r e l e s sf a d i n gc h a n n e l s ，i m a g ec o m m u n i c a t i o n ，s p i h t , r c p c ，j o i n t s o u r c e - c h a n n e lc o d i n g ( j s c c ) 1 1 i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废盘堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签 签字日期：砂7 年多月罗f 日 i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重麽太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废太堂可以将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、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密() 。 ( 请只在上述一个括号内打“”) 学位论文作 签字日期：；旧 1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 1 1 1 研究背景 随着计算技术、现代通信技术、微电了技术、网络技术和信息处理技术的不 断发展，特别是i n t e m e t 和个人无线移动通信业务的飞速发展，人们对多媒体通信 的需求也同益增加，图像( 视频) 信息的处理、存储和传输( 有线和无线) 在社 会生产生活中的作用已越来越突出。其相关技术已成为当今通讯领域的研究重点 和热点，在无线多媒体通信、交互式多媒体、远程医疗、电子商务等应用中展现 了广阔的应用前景。其中，图像和视频流传输技术作为多媒体通信的一个基本的 组成部分，正日益受到重视，具体表现在以下几个方面 1 - 2 1 ： 社会对图像信息的处理、传输和交换的需求越来越迫切，这使图像通信技 术面临着一个巨大的市场需求，孕育着丰富的商业机会； 电子器件及设备处理能力和处理速度的大幅度提高，使图像的实时数字化 处理和传输成为可能，从而使以前提出的许多方法得以实现并有了实际用 途； 图像通信的关键技术，例如图像压缩编码技术、交换技术和现代数字调制 技术已成为异常活跃的研究课题，吸引了越来越多研究者和企业的兴趣， 基于小波变换、分形和模型的编码方法等相继问世，新理论、新方法和新 技术层出不穷； 由于数字化图像传输质量高、处理方便、频带利用率高且易于集成化，数 字化的图像通信己成为当前和未来图像通信的主要发展方向。特别是在移 动通信的3 g 以及未来的b 3 g 时代，数字图像和视频通信将是一项重要的 移动业务。 信息论中的编码主要分为信源编码和信道编码。信源编码的主要目标是降低 每个信源符号的平均比特数或信源的码率，以提高编码效率。信道编码的主要目 标是提高信息传送的可靠性，即尽量使处理过的信号在传输过程中不出错或少出 错，即使有错，也能自动检错和纠错。 在实际问题中，上述两类编码的目的往往是相互矛盾的。提高有效性必须去 掉信源符号中的冗余信息，此时信道误码会使接收端不能恢复原来的信息，有时 候一个比特的错误会造成重构图像的严重失真，这就要求相应提高传送的可靠性； 反之，为提高可靠性而采取信道编码，增加冗余校验比特，势必要增加比特率， 降低了有效性，在某种程度上失去了图像压缩的意义。所以，信源编码和信道编 重庆大学硕士学位论文 码是一对矛盾。从理论上说，若能将两种编码合二为一，即同时考虑有效性和可 靠性，可使编解码器更理想化，在经济上也可能更优越 2 1 。这种“二码合一”的设 想是众所关心的课题，但由于理论上和技术上的复杂性，要取得有效地结果，还 是相当困难的。因此，如何有效地联合信源编码和信道编码，提出一种兼顾压缩 比和抗噪性能的图像编码无线传输系统是本论文研究的核心。 本课题以压缩图像在无线信道中的传输为研究背景，探讨在通信系统资源限 制的条件下，综合考虑信源、信道的特性，采用优化的信源信道联合编码( j s c c ) 方案，得到最佳的端到端图像无线传输效果。 l 。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。正如g a l l a g e r1 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做法。 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：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；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。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。 图像的信源编码是为了压缩数据，减少数据冗余量。信道编码的作用在于保 护信源编码后的信号和图像数据，通过适当的增加冗余码，增加信号和图像数据 在信道传输中的抗噪声及其它不稳定因素的性能，在接收端先经过译码纠错后再 传给信源译码器重建图像。虽然信源与信道的编码思想与功能有严格的区别，但 是它们有一个共同的目标，就是使得图像更快的传输，使重建图像的质量尽可能 接近原始图像。因此如果将两者进行联合编码，能够更好地达到其共同目标。联 合信源信道编码的优越性在于使得信道编码只增加少量纠错码，就可以达到较好 的纠错性能，由此可以提高传输效率。 总之，信源信道联合编码研究的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、更加优化，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视，使之 成为编码理论研究中的一个重要领域。 本课题的研究为在高误码率的无线信道上有效、可靠地传输图像信息提供了 个切实可行的解决方案，对于移动通信系统( 如3 g 、b 3 g ) 中的无线多媒体业 2 1 绪论 务( 包括数据、语音、图像和视频等) ，以及特定用途的无线通信系统图像信息传 输，具有重要的理论意义和实用价值。 1 2 信源信道联合编码的研究概况 1 2 1 国内外研究现状 1 9 7 7 年，e l i e n c e 首次提出了实现通信系统整体优化的“信源信道联合编码” 技术，之后，众多国内外研究者开始了这一领域的研究与探索。对于静止图像的 信源信道联合编码，最早的工作由m o d e s t i n o 等人在1 9 7 9 年提出【”。 对于信源控制的信道编解码( s o u r o b c o n t r o l e dc h a n n e lc o d e d e c o d e ) ，最早的 工作由s a y o o d ，b o r k e r t h a g e n | 4 】和s a v o o d 等人【5 】提出。这种信源控制的信道编解码 的主要思想是，信道译码器利用未压缩或部分压缩的信源数据中的冗余信息来提 高信道译码的性能。文献【6 】中表明在无线信道中对信源数据保留一定的冗余信息 可以提高信道译码的正确性。另一种信源信道联合编码的方法是根据信道优化的 信源编码。该方法的主要思想是信源编码根据信道模型设计自身的分级量化。该 方法最早由k u r t e n - b a c h 和w i n t z 提出 7 1 ，f a r v a r d i n 和v m s h a m p a y a n 对此做了进一步 的研究【8 】。 以上信源信道联合编码方法，根据信源编码的不同，可分为基于d c t 系统和 基于子带( 小波) 系统。对于基于d c t 系统的联合信源信道编码，最早的工作由 m o d e s t i n o 等人提出【9 】，他们对d c t 变换系数的索引值进行了不等错误保护( u e p ： u n e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) ，并指出随着信道误码率的增加，最好增加信道编码的冗 余而降低信源编码的码率。 除了以d c t 变换为基础的编码系统外，以小波变换为基础的子带信源编码已 经成为当今变换编码研究的另一大方向。s h a p i r o 提出了嵌入式小波零树( e z w ) 编 码算澍1 0 1 ，s a i d 和p e a r l m a n 对其进行了改进，并提出t s p i h t 算法【l l 】。他们的思想 是在对图像进行子带( 小波) 分解之后，将小波系数组织成树形结构，对重要的系 数进行量化和算术编码。这种算法能够提供渐进传输和可调的编码速率，对静止 图像的压缩可以提供很好的效果。对于基于小波系统的联合信源信道编码， s h e r w o o d _ 乖1 z e g e r l l 2 】将输出码流以2 0 0 比特为单位分成固定长度的数据包，之后加 上内码为r c p c 码，外码为c r c 校验码的级联信道编码，仿真结果表明该方法能取 得良好的图像传输效果。 除了上述方法外，近年来人们在信源信道联合编码方面又有了一些新的进展。 文献【1 3 l 提出了一种结合隐性马尔可夫信源( h i d d e nm a r k o vs o u r c e - h m s ) 【1 4 】和低密 度奇偶校验码( l o wd e n s i t yp a r i t yc h e e kc o d e s l d p c ) b s 的信源信道联合编码方 法，并在高斯信道下进行了仿真。文献 1 6 1 7 1 研究了近年来信源信道联合编码的 重庆大学硕士学位论文 新技术以及与现有视频压缩标准相结合的方法，文献【1 8 】讨论了第三代移动通信中 采用w c d m a 作为多址方式时视频传输的联合信源信道编码方法。 国内在这一领域的探索也取得了有效的进展，张豫伟博士对信源信道联合编 码的理论进行了深入的研究，分别对无失真和有失真信源信道联合编码从理论上 和数学推导上给予了充分的分析和论证【1 o 】。肖嵩、吴成柯等人对无线信道图像 的联合信源信道编码速率分配方案和基于s p i h t 的信源信道联合编码进行了深入 的研究 2 1 0 3 】。另外，上海交通大学图像通信与信息处理研究所作为国内在这一领 域研究最活跃的机构之一，其研究涉及到信源信道联合编码的许多关键技术与方 法，也取得了大量的成果“2 7 l 。 1 2 2 信源信道联合编码的应用范围 信源信道联合编码将通信系统的信源编码和信道编码联合考虑进行最优化设 计，并且允许用户根据信道或网络条件改变信源编码参数，或是根据信源特性选 择信道编码、调制及网络参数。这种方法适用于各种违背信源信道分离设计理论 前提条件的情况，尤其是在以下四种应用环境中： 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 是那样的限制。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。 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，用户共用有限的带宽资源竞争地 传输信息。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， 一个用户的信源信息，可能就是其它用户信道中的噪声。在多用户接入的情况下， 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间的干 扰，提高系统整体性能。 异质信源、异类信道、异种用户或拓扑结构共存的通信系统 在这种通信系统中，信源、信道、用户或网络结构都可能具有异构性。信源 的异构性体现在不同类型的信源对数据丢失、数据错误以及时延具有不同的敏感 特性；信道的异构性体现在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；用户的异构性指的是各种用户 的自身系统计算能力、可获得的带宽需求以及对服务质量( q u a l i t y o f s e r v i c e o o s ) 的要求不同；网络的异构性体现在相同的网络可以同时应用于点对点通信系统、 广播系统、多接入系统等等。 4 1 绪论 针对不同种类的异构特性，可以设计不同意义上的联合信源信道编码方法。 对于信源异构特性，可以对重要的信息或时延敏感的信息进行不等错误保护，必 要时可以重传；对于信道或用户异构性，可以对信源进行分层或时域、频域、空 域分级编码，从而在不同信道上传输不同速率的信源，满足用户的不同分辨率的 需要；网络异构性会影响信源和信道编码的选择，可以通过改变信源编码的参数 来适应不同的信道或网络，或是根据信源编码参数来调整信道编码、调制以及网 络协议。 信源和( 或) 信道具有不确定性或者较大波动范围的通信系统 在这种情况下，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实现不了的。而如果在编码设计时采用最 保守的方法，即确保在最坏的情况下正常通信，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，系统性能随时间波动小，从而提高系统的稳定性能。 具有上述特点的系统很多，联合信源信道编码技术已在很多方面得到了实际 应用。例如在第二代基于语音通信的移动电话系统中，集成了严格的资源约束( 包 括手机的功耗限制，实时语音通信的时延约束) ，共享的信道环境( 多个用户竞争 使用频带资源) 以及随时间和空间变化的信道条件( 各个用户离基站距离不等，用 户之间共道干扰不同，阴影、衰落效应不同) 。将这些因素综合考虑进行信源信道 联合编码设计，才取得了相对稳定的系统性能。例如在北美和欧洲的基于t d m a 标准的二代( 2 g ) 移动通信中对音频进行不等错误保护( u n e q u a le r r o r p r o t e c t i o n u e p ) 来确保语音的最优通话质量，同时通过插值算法进行错误隐藏。通 过不等错误保护方法的设计，在保证信息的传输质量的同时，还节省了2 0 一4 0 的比特率。 此外，信源信道联合编码还有一些应用实例。例如，视频点播系统( v i d e oo l l d e m a n d v o d ) 中，通过自动重发请求a r q 方法，使得信道条件差时，丢弃相对 优先级低的视频信息来保证相对优先级高的音频信息。而在视频广播系统中，通 常使用分层编码方法，来为不同用户提供不同质量及分辨率的数据等等。这些技 术都属于信源信道联合编码的范畴。 1 3 本文的主要工作内容 本文结合重庆市自然科学基金项目“多速率交通路况视频监控无线传输系统 关键技术研究”( 项目编号：c s t c 2 0 0 5 b b 2 2 0 6 ) ，主要研究了信源信道联合编码的 基础理论以及设计方法，并重点针对压缩图像( 视频) 在无线信道传输中的信源信 道联合编码设计进行了深入的研究，设计了一种既基于不等差错保护( u e p ) ，同 重庆大学硕士学位论文 时又与码率的动态分配机制有机结合的信源信道联合编码方案。本文的主要工作 内容及章节安排如下： 第一章主要论述了该课题的研究背景和意义，以及近年来国内外研究动态和 取得的研究成果，并指出了信源信道联合编码的适用范围。 第二章首先阐述了联合编码的基本理论和系统框架，以及目前几种主要的联 合编码方法；其次，对图像无线传输的信道模型进行了仿真分析，为论证本论文 提出的新方案和其他方案的对比结果提供了科学的保证，确保实验结果的真实可 靠；最后，介绍了图像质量的评价标准。 第三章首先阐明了图像信源编码的必要性和变换编码的一般步骤；接着，介 绍了小波变换编码在图像编码领域中的应用，并选定a n t o n i n i9 - 7 小波对输入图像 进行小波分解。在此基础上，重点对论文中用到的信源编码算法s p i h t 进行了分 析，根据联合编码的需要，通过对低频单独处理( d p c m ) 和子树独立编码( 采用 虚拟零树v i r t u a l z e l o t r e e 结构) 对其作了一定的改进( i s p m t ) ，实验结果表明 改进后的算法能有效提高码流的容错性能，在恢复图像主观质量上更好，更加适 合图像的无线传输。 第四章首先介绍了信道编码的概况及图像无线传输中的差错控制；然后，大 致介绍了几种常用的信道编码；最后，对论文中用到的信道编码一循环余校验码 ( c r c ) 和码率兼容删余卷积码( r c p c ) 作了深入的介绍，分析构成原理，并给 出实例予以阐释。与此同时，结合r c p c 码的特性指出它非常适合对图像基于 s p i h t 算法编码的信源数据流实现不等差错保护( u e p ) 。 第五章对基于不等差错保护的信源信道联合编码图像无线传输方案进行了较 为全面深入的研究。该方案是将联合编码码率分配技术与u e p 技术进行很好地融 合，充分利用了信源重要性信息( s s d 和信道状态信息( c s i ) ，动态地分配信源信道 码率，从而获得较好的系统性能增益。在本章的仿真研究部分，首先，研究了图 像的不同部分对重建图像质量的影响；接着，论及了联合编码码率对图像质量的 影响；然后，又给出了联合编码码率的分配准则和方案；最后，通过对几种不同 图像传输方案的仿真，在n a k a g a m i 和g e 信道下的实验结果表明，本论文所设计 的方案能够提供较高质量的传输图像，具有较好的性能和实际可行性。 6 2 信源信道联合编码理论及相关知识 2 信源信道联合编码理论及相关知识 2 1 信源信道联合编码( j s c c ) 2 1 1j s c c 基本原理 根据香农关于信源一信道编码的理论，在保持通信系统总的性能条件下，信源 编码和信道编码可以分开考虑。在这个理论基础上，信源编码( 或称压缩编码) 的目标就是从数据中去除冗余，获得最大的信息压缩率；而信道编码( 或称为差 错控制编码) 则是在数据中加入冗余，用来保护在噪声信道中传输的数据，得到 最小的误码率，这是我们都很熟悉的原理。从这里看上去信源编码和信道编码之 间似乎没有进行信息交换和优化的必要，但是我们忽略了上面的理论是基于这样 两个假设：无限长的编码码长( 意味着无限长的传输时延) ；点对点传输( 不 存在移动通信中常见的多径干扰) 。而我们实际的通信系统，由于复杂性和实时系 统的时延限制，无限长的编码码长不可能实现，因此，理论上的系统最优不可能 在单独设计中到达，通过联合设计，我们可以在有限复杂度和有限时延的条件下 得到接近理论值的通信效果。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得到最好的传输效果。最通用的方法就是为信源和信道编 码配置出最优的码长，也就是把单独的信源和信道编码器有效的组合成一个信源- 信道联合编码器，这里我们采用联合信源一信道匹配策略j s c m ( j o i n t s o u r c e c h a n n e lm a t c h i n g ) ，下面用图示来加以阐释。 端到端失真 蛊 图2 1 联合信源信道匹配示意图( 有限信道容量) f i g 2 1j o i n ts o u r c e - c h a n n e lm a t c h i n gs k e t c h ( f i n i t ec h a n n e lc a p a c i t y ) 7 重庆大学硕上学位论文 如图2 1 ，左上图所示为一个典型的信源率失真( r d ，r a t e - d i s t o r t i o n ) 曲线 d ( 足) ，通常用来刻画一个图像( 视频) 信源编码器的特性。该曲线表明增加信源 码率( 降低压缩率) 会降低解码端信息失真率；因此，在给定了有限的信道容量，我 们感兴趣的是如何用尽可能高的码率来压缩图像信息。目前大多数的图像( 视频) 编码器的优化设计，都是在假定没有信道传输差错的情况下，即所有的编码比特 都能够正确接收，在某一码率获得最佳性能( 即，最小的解码失真) 。然而，这样的 编码器使用了很多敏感数据类型，如标志字节，这就导致了这一类编码器对信道 差错过于敏感，不够稳健。人们做了大量的工作来开发信道稳健的图像( 视频) 信源编码器，例如m p e g 视频编码标准提出了各种各样的技术( 数据分割和可逆 变长编码等) ，用来减小压缩码流对信道差错的敏感度。 右上图所示为一个典型的信道编码器的性能曲线( 兄) ，它表明当信道码 率增加时，传输的差错概率就会减小。也就是说，给定足够的信道带宽，我们可 以在传输之前有效地保护所有的信息比特，从而避免信道差错，以确保端到端的 失真仅仅是由于有损信源压缩产生的。与信源编码器类似，目前大多数信道编码 器都是针对特定的信道和确定的误比特率进行设计的，而没有明确地考虑信源编 码特性。 最下图所示为一个具有有限信道容量的j s c c 系统，全部带宽必须在信源 和信道编码器之间进行合理分配。如果信源编码器分配了过多的带宽，将会导致 信道保护不足而产生传输错误，这将降低端到端的传输性能：而如果为信道分配 了太多容量，则虽然可能实现无差错传输，但由于信源信息被过分压缩而导致恢 复消息时严重失真，同样会降低端到端传输效果。因此，在两种之间存在一个基 本的折中或平衡点( 冠，r ) ，这样的配置使得整个系统获得最优性能( 即最小失 真) 。 综上所述，可以给信源一信道联合编码下这样一个简单的定义：所谓信源信道 联合编码，顾名思义就是一种综合考虑信源、信道特性的编码设计方法，根据信 道的状态，权衡信源码率和信道码率对失真的影响，通过一种联合策略在这两种 编码中分配合适的资源，从而得到最好的端对端效果。 2 1 2j s c c 的系统框架 信源信道联合编码方式允许信源编码改变编码参数来适应时变的信道条件； 同样，根据信源特性的不同，信道也可以自适应的调整编码或调制传输的模式， 以适应不同的信源特性。图2 _ 2 给出了联合编码的系统框架。图中的s 代表数字信 源序列，矽为信源编码映射。信源编码的输出序列为u ，它作为信道编码妒的输入， 经过信道编码后得到输出x ，然后送往信道进行传输。信道的特征可以用衰落因 子和噪声0 表征。在接收端，接收序列】，送往信道解码器伊一，得到解码输出序 2 信源信道联合编码理论及相关知识 列u ，然后送入信源解码器西，得到最终的解码输出。 信源重要信息信道状态信息 译码可靠信息 图2 2 联合编码的系统框架 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f j s c cs y s t e m 从图2 2 中可以看出，和分离编码方式不同，在联合编码的系统框架中，信源 编码和信道编码，以及信源解码和信道解码之间不是简单的输入和输出的关系。 除了从信源编码模块得到输入外，信道编码还将从信源编码端得到信源重要信息 ( 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 ) ，用以决定信道编码方案的选择。同时，信 源编码可以把信源的有关统计特性作为先验信息，和信源解码得到的后验信息 ( s a i ：s o u r c eap o s t e r i o r ii n f o r m a t i o n ) 以及信道状态信息( c s i ：c h a n n e ls t a t e i n f o r m a t i o n ) 一起，送给信道解码器，以提高系统抵抗噪声的能力。 在接收端，当信道译码器产生错误时，而这些错误能通过c r c 或其他方法检 测时，利用当前比特和可靠性判决来删除错误。信道解码可以把译码可靠性信息 r i ：d e c o d e rr e l i a b i l i t yi n f o r m a t i o n ) 传送给信源解码端，以降低信道误码对信源 解码的影响。信源编码也可以和信道编码联合起来设计，即将映射和妒合并设计 得到一个既负责信源压缩，同时又负责信道差错保护的联合编码器。这样，在接 收瑞，信道解码和信源解码也可以合二为一，进行信源信道联合译码。 2 1 3 目前主要的信源信道联合编码技术 残留冗余技术 基于残留冗余的技术是在实际应用中考虑到香农编码理论的下列缺陷而提出 的：1 ) 信源编码不能去除所有冗余；2 ) 传统信道编码方法的不充分性。信源编 码往往假设信道编码会纠正所有错误，这就使得信源编码变得非常脆弱，特别是 关于有噪信道和衰落信道。基于残留冗余的联合编码技术就是受上述两个方面的 启发，在没有额外增加传输比特率和在有噪信道上调整编码器的前提下提高传输 的鲁棒性，这种方法在数字视频或音频广播传输中效果很好。k s a y o o d 2 s 等人通 过使用关于信源信息位的先验信息和后验信息来实现信源控制信道译码即是基于 9 重庆大学硕士学位论文 残留冗余技术，这种技术不要求发送端作任何改变。 自适应不等差错保护技术 一般来说，在许多数字通信系统中传输的数据码流对噪声的敏感度是不一样 的，有些数据对噪声相当敏感，而有些数据对噪声的影响几乎可以不计。例如， 嵌入式小波零树编码( e z w ) 、基于层次树的集分割( s p i h t ) 编码数据是按重要 性排序的，前面的数据对恢复图像的影响远远大于后面的数据，少数几个比特错 误就可能破坏整个码流的质量。基于此，根据信源码流的不等重要性，通常在发 送端将信源分成不同的分组，对不同的分组采用不同的信道保护，即信道编码采 取不同的编码策略( 变码率策略) 。而在接收端，可以根据信道编码的不同进行相应 的译码策略( 根据数据重要性，改变迭代译码次数) ，使误码率降低到最低。 c g u i s e p p e 2 9 】等人就是通过这种方法实现联合编码技术的，本文提出的方案也采用 了该技术。 基于软输入软输出的联合译码技术 软输入软输出( s l s o ) 技术利用来自传输信道的信道状态信息和来自信源的先 验信息及信道译码器的软输出来进行软信源译码。最近，软信源译码愈来愈引起 人们的关注，不仅信道译码需要可靠的比特信息，而且信源译码也需要可靠的比 特信息，j h a g e n a u e r t 3 0 j 等人提出了变长软译码算法，与变长标准的译码算法相比， 性能得到明显改善。 基于t c q t c m 的联合编码技术 网格量化编码( t c q ) 和网格编码调制( t c m ) 旨在降低系统的复杂性，信源网格 量化编码在性能上比标量量化( s q ) 和矢量量化( v q ) 优越，可大大改善率失真性能， 并且对信道噪声有适中的鲁棒性。在v q 编码中，单个信道误差可能破坏整个1 组数据，而1 位误码对网格量化编码码流的影响不会f 墨 x t _ 1 + l o g ，n ，n 表示网格 状态数。文献 3 1 】提出基于信道特性优化网格量化的图像编码技术提高了传输信号 对信道噪声的鲁棒性，特别适合在多媒体无线通信中应用。 基于多描述的联合编码技术 多描述编码p 司( m d c ：m u l t i p l ed e s c r i p t i o nc o d i n g ) 是一种新的源编码方法，它 把一个信号源编码成多个比特流( 称为多描述) ，任一个描述都可以提供被用户接 受的信号还原质量，更多的描述组合在一起可以提供一个更好的信号还原质量。 各个描述独立的进行信道编码和传输，这样，在信道没有丢失或较少丢失数据包 时，可以提供最优的信号还原，并且收到的描述越多，重建质量越好；在信道丢 失较多的数据包时，由于多描述独立的信道编码和传输，至少有部分描述数据块 被正确接收，接收端仍能获得可以接受的信号还原质量。这样，不仅利用了信道 编码的纠错能力，又利用了m d c 的鲁棒性弥补了由于移动通信的延时限制所引起 1 0 2 信源信道联合编码理论及相关知识 的信道纠错能力的不足。图2 3 为典型的双多描述编解码器框图。 x ( 七) 匣j l 厂 蒜。譬船， 一怔乎 图2 3 典型的双多描述编解码器框图 f i g 2 3r e p r e s e n t a t i v eb l o c kd i a g r a mo f m d c 、i t l lt w od e s c r i p t i o n s 2 2 图像无线传输的信道模型 通常人们所说的信道是指信号的传输媒介，例如架空明线、电缆、电磁波等 等，这种仅包括传输媒介的信道称为狭义信道。虽然这种定义非常直观易懂，但 是在通信系统的分析研究中，为了简化系统模型和突出重点，常常根据研究的问 题，把信道范围适当扩大，除传输媒介外，还包含有关的部件和电路，如天线与 馈线、滤波器、调制与解调器等。我们把这种扩大范围的信道称为广义信道。在 模拟通信系统中，研究的重点是调制与解调的基本原理，其传输信道可以用调制 信道来定义。在数字通信系统中，我们关心的是编码和译码的问题，可以定义编 码信道来突出研究重点。 狭义信道( 传输媒介) 是广义信道中十分重要的组成部分。实际上，通信效 果的好坏，在很大程度上依赖于狭义信道的特性。然而，在狭义信道中，尤其以 无线信道的环境最为复杂( 多径干扰和各种衰落) 。本文基于信源信道联合编码的 图像无线传输就是在这样一个背景下，因此，为了能够准确地表示实际中所遇到 的大多数无线衰落环境，有必要对几种主要的无线信道模型进行仿真分析。 2 2 1 几种主要的无线信道模型 瑞币) j ( a a y l e i g h ) 模型 根据高斯随机过程的理论，假设输入是功率为p 的未调制正弦波，则输出便 是窄带高斯随机过程，且输出的复包络i ( f ) = p 玎口( f ) + p ”艘( f ) 可表示为下述形 式【”1 ： 产( f ) = ，( f ) e x p ，目m ( f ) ( 2 1 ) 重庆大学硕七学位论文 其中，脚( f ) = 石4 n 且2 ( t ) + n f q 2 ( t ) ，9 铆( f ) = a r c t a i l n 加( f ) ( f ) 。任意时 刻相位的概率密度记作p 。( p ) ，服从( o ，2 ，c 】上的均匀分布，包络r r 。( f ) 的概率密度 记为( ， ，当多径条数专o o 时，服从瑞利分布，则有 p o ( o ) = 云1 o p l 表示轻微衰落，反之若k 三h 加 ( 2 9 ) 式中，r ( ) 为伽马( g a m m a ) 函数，m 为n a k a g a m i 衰落指数，描述由于散射过 程和多径干涉过程造成的传播场的衰落程度：q 表示多径散射场的平均功率。m 和 q 由下式给“3 4 】： q = e 2 ( f ) ( 2 1 0 ) 卅= q 弘峨( f ) 2 一q 2 ) 同理有( f ) a 的概率为： p ( f ) a = f ( m x1 0 - x l o , 用) ( 2 1 1 ) m 圭 ( 2 1 2 ) 其中，r ( x ，n ) 为不完全伽马函数。与前面讨论的不同在于：n a k a g a m i 分布并 不事先假定镜像分量是否存在，而是采用伽马分布来拟和实验数据，得到近似分 布，因而更具有一般性。由于该分布中同时包含了r a y l e i 曲和r i e i a n 分布，且在 各种无线通信环境下都非常接近实测结果，因而该衰落模型在理解和设计无线通 信系统时起着重要的作用。 2 2 2 信道模型的仿真分析 仿真时，首先生成一个白噪声，然后通过滤波器产生两个具有合适功率谱的 高斯独立随机过程代表”。( f ) 和行。( f ) 。一般而言，大多数情况都使用经典j a k e s 多 普勒“【，型”谱( 本文采用，因为文本课题交通路况视频监控无线传输系统属于城市 环境) ，由式( 2 1 3 ) 定义【3 引。当然也可根据实际的多径环境做适当修改，如在乡村环 境中，由于存在一个强的直接视距路径，可采用莱斯频谱，具有如式( 2 1 4 ) 的形式【