專利名稱：聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法
技術領域：
本發(fā)明涉及通信編碼領域的一種聯(lián)合信源信道編譯碼方法，特別是涉及一種以可變長符號為Turbo碼輸入單元進行編碼的聯(lián)合信源信道編譯碼方法。
背景技術：
1848年，通信編碼理論的奠基人C.E.Shannon在他的論文“A Mathematical Theory OfCommunication.Bell System Technology Journal，27379-423；623-656，1948.”中提出了著名的“分離理論”(Separation Theory)，即最佳的通信系統(tǒng)可通過將信源編碼與信道編碼作為相互獨立的環(huán)節(jié)分開設計獲得。在分離理論的基礎上，人們設計的經典通信系統(tǒng)模型如圖1所示。Shannon的“分離理論”是在理想條件下得到的結論，該理論假設信源編碼是最佳壓縮，能夠去除信源信息中的全部冗余，信道編碼也是最佳編碼，能夠糾正所有差錯。但是在實際通信系統(tǒng)中，信源編碼壓縮的數(shù)據(jù)還包含有冗余，在衰落噪聲信道環(huán)境下，信道分組碼與卷積碼等糾錯碼也不可能糾正所有差錯，所以在實際中“分離理論”不實用，分離編碼系統(tǒng)的性能受到了限制。
在圖1的信源編碼模塊1中，目前廣泛使用國際標準化組織(ISO)制定的JPEG、MPEG系列標準和國際電信聯(lián)盟(ITU)制定的H.26X系列標準。上述國際壓縮標準對信源數(shù)據(jù)的處理過程一般包括變換編碼、系數(shù)量化和游長與熵編碼等。其中，熵編碼過程采用可變長編碼(Variable Length Coding，簡稱VLC)方法，取得了較大的壓縮效率。可變長編碼雖然可以能得到很好的壓縮效果，但是卻對信道差錯非常敏感。所以，壓縮數(shù)據(jù)在送入信道傳輸之前必須通過信道編碼加入糾錯信息，以提高信息抗干擾和差錯控制的能力。
在圖1所示的信道編碼模塊2中，主要采用自動檢錯重發(fā)機制或者前向糾錯技術。Turbo碼是一種新型的前向糾錯碼，取得了接近Shannon編碼理論極限的性能。Turbo的編碼結構如圖2所示，該編碼器由兩個反饋系統(tǒng)卷積碼通過一個交織器并行級聯(lián)組成，因此又稱為并行級聯(lián)卷積碼。譯碼結構如圖4所示，譯碼器將兩個最大后驗概率(Maximum A Posteriori，簡稱MAP)譯碼器串行級聯(lián)，通過在兩個MAP分量譯碼器之間傳遞外信息，實現(xiàn)了迭代譯碼。經典Turbo編碼方法是脫離信源環(huán)節(jié)獨立設計的，一般以一個比特或者固定比特長的符號為編碼器輸入單元進行編碼。在實際中，信源編碼一般采用可變長編碼，壓縮數(shù)據(jù)比特流是由可變長符號組成的碼字序列，所以，經典的以一個比特或定長比特符號為Turbo碼輸入單元的編碼系統(tǒng)沒有結合信源比特流的先驗特性，不適用于視頻壓縮等變長編碼傳輸系統(tǒng)。

發(fā)明內容
為了解決分離編碼系統(tǒng)的性能受限和經典Turbo編碼不適用于視頻壓縮等變長編碼傳輸系統(tǒng)的兩個問題，本發(fā)明提供了一種聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法。該方法設計了一種對可變長VLC碼字符號序列實行不等差錯保護的聯(lián)合信源信道編譯碼結構，提出了一種可變長符號Turbo編譯碼算法。
本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是在編碼器端，對信源編碼器輸出的可變長碼字序列按照碼字長度進行分類，較長的碼字歸為一組，較短的碼字歸為一組，碼字組合成多路序列以后，利用Turbo碼能夠調整校驗比特刪余矩陣實現(xiàn)碼率自適應的特點進行不等差錯保護。碼字長的分組序列出現(xiàn)概率小，級別較不重要，采用高碼率的Turbo碼進行編碼，碼字短的分組序列出現(xiàn)概率較大，級別較重要，采用低碼率的Turbo碼進行編碼。其中，對碼字序列進行Turbo編碼采用的技術方案是可變長符號Turbo編譯碼算法，即在編碼器端，以信源編碼器輸出的可變長符號為Turbo碼編碼器的輸入單元，譯碼時，構造反饋系統(tǒng)卷積碼的可變長符號狀態(tài)轉移網(wǎng)格圖，采用可變長符號MAP算法進行迭代譯碼，判決輸出可變長符號碼字序列。
本發(fā)明的有益效果是，通過聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法，可以提高編碼系統(tǒng)的誤碼率性能，采用可變長符號為編碼單元的聯(lián)合Turbo編譯碼算法，能夠提高系統(tǒng)編譯碼處理的效率，適用于視頻壓縮等變長編碼傳輸系統(tǒng)。


圖1通信系統(tǒng)的分離編解碼模型。
圖中1.信源編碼模塊，2.信道編碼模塊，3.信源信息，4.信源編碼器，5.信道編碼器，6.調制器，7.噪聲信道，8.解調器，9.信道譯碼器 10.信源譯碼器 11.接收信息。
圖2Turbo碼編碼器結構。
在圖2中，編碼器由兩個反饋系統(tǒng)卷積碼(RSC)通過交織器∏并行級聯(lián)而成，在RSC編碼器中，D表示移位寄存器，表示異或運算(即模2加法運算)。U表示輸入的系統(tǒng)信息，P和Q分別表示兩個編碼器輸出的校驗比特。通過交替的刪余校驗比特P和Q可自適應調整編碼率。
圖3Turbo碼譯碼器結構。
圖中1.MAP譯碼器，2.交織器，3.交織器，4.硬判決器，5.解交織器，6.MAP譯碼器，7.解交織器，8.硬判決器。
在圖3中ys表示接收的系統(tǒng)信息序列，y1p為第一個分量編碼器接收的校驗序列，y2p為第二個分量譯碼器接收的校驗序列， 為譯碼判決輸出。每個MAP譯碼器包含三路輸入信息，即先驗信息，系統(tǒng)信息序列ys和校驗序列yip(i＝1，2)，譯碼器輸出對數(shù)似然比信息和外信息，其中，外信息部分經過交織變換傳送到另一個MAP譯碼器作為先驗信息，而對數(shù)似然比通過硬判決可得到譯碼判決輸出 圖4聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼結構。
圖中1.信源信息，2.信源編碼器，3.VLC碼字長度判決器，4.數(shù)據(jù)分割器，5.可變長符號Turbo編碼器碼率R1，6.可變長符號Turbo編碼器碼率R2，7.可變長Turbo編碼器碼率Rn，8.TCM編碼調制器，9.噪聲信道，10.串并轉換器，11.可變長符號Turbo譯碼器碼率R1，12.可變長符號Turbo譯碼器碼率R2，13.可變長符號Turbo譯碼器碼率Rn，14.數(shù)據(jù)合成器，15.信源譯碼器，16.接收信息，17.碼長先驗信息，18.數(shù)據(jù)分割控制信息，19.可變長符號Turbo碼不等差錯保護模塊，20.可變長符號Turbo碼解碼模塊。
圖5是可變長符號狀態(tài)轉移網(wǎng)格圖例。
在圖5中，狀態(tài)用來表征移位寄存器的值。反饋系統(tǒng)卷積碼的移位寄存器長度為2，網(wǎng)格圖的狀態(tài)數(shù)為22＝4，S1，S2，S3，S4分別表示卷積碼的四種可能的狀態(tài)。輸入的可變長碼符號集合的個數(shù)為3，選取變長碼字集合{0，10，110}。每一列表示一個符號時間間隔，狀態(tài)之間的箭頭代表卷積碼可能的狀態(tài)轉移，箭頭上的碼字表示該狀態(tài)轉移對應的輸入卷積編碼器的可變長符號。
具體實施例方式
1.聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼結構在圖4中，信源信息1首先輸入信源編碼器2進行壓縮編碼，信源編碼器2輸出VLC變長碼字序列。在視頻壓縮國際編碼標準中(例如MPEG或H.26x系列)，VLC編碼通常使用了高效的算數(shù)編碼(Arithmetic Coding)或哈夫曼編碼(Huffman Coding)方法，VLC碼字序列具有單向可譯碼性。Huffman編碼的碼字集合是由概率統(tǒng)計得出的，在一般情況下，出現(xiàn)概率大的信源符號采用了較短的變長碼字編碼，出現(xiàn)概率小的信源符號采用了較長的變長碼字編碼。
從概率統(tǒng)計的角度考慮，符號出現(xiàn)的概率與其數(shù)據(jù)的重要性存在直接的聯(lián)系，出現(xiàn)概率大的符號重要級別比較高，出現(xiàn)概率小的碼字重要級別一般比較低。所以，對于變長碼字序列，短的符號碼字出現(xiàn)概率大，重要級別較高，而長的符號碼字出現(xiàn)概率小，重要級別相對較低。依據(jù)此原理，在信源編碼器2之后加入VLC碼字長度判決器3，對VLC碼字序列的每一個變長碼進行碼長判決，再依據(jù)設定的碼長門限范圍對變長碼字符號進行歸類，將碼長處于同一個閾值范圍的VLC碼字歸為一組。在同一個分組內，碼字應嚴格按照在比特流中出現(xiàn)的先后順序排序。假設碼字按照碼長一共分成n組，數(shù)據(jù)分割控制信息18需要記錄每一個變長碼符號在碼流中的確切位置。數(shù)據(jù)分割控制信息18在信息的恢復過程中起著至關重要的作用，它必須作為信源邊信息SSI被無失真的傳送到接收端。
數(shù)據(jù)分割器4對碼字序列進行分組，分組后的n組序列按照重要性程度不同輸入n個Turbo編碼器，每個Turbo編碼器根據(jù)碼長先驗信息17進行碼率控制，通過比特刪余技術獲得不同的碼率R1，R2，…，Rn，以實現(xiàn)信息的不等差錯保護。對重要級別高的短碼字分組，采用低碼率的Turbo編碼，降低該組信息的誤比特率，對重要級別較低的長碼字分組，采用較高碼率來提高傳輸?shù)乃俣取８鞣纸M編碼完畢以后，通過TCM編碼調整器8進行調制后發(fā)送至噪聲信道9傳輸。
在接收端，采用了軟譯碼技術。接收到的噪聲實值序列首先經過串并轉換器10分離到n個Turbo譯碼器，每個譯碼器分別與一個Turbo編碼器對應，它對該分組接收的實值序列進行迭代譯碼。譯碼后得到n組二進制變長碼字符號序列。由于n組碼字序列中的變長碼符號是交替排列的，所以必須重新排序。假設信源邊信息SSI可以無失真的到達接收端，利用SSI信息作為符號排序控制信息，數(shù)據(jù)合成器14可以將n組碼字重新排列為正常順序。正常排序以后的VLC可變長碼字序列再經過信源VLC譯碼器15進行信源解碼，最后得到重構的接收信息16。
通過上述編解碼結構的不等差錯保護機制，在相同的比特率和帶寬條件下，為相對重要的信源信息分配了較多的比特，而為重要程度相對較低的信源信息分配了較少的比特，有助于提高通信系統(tǒng)信息傳輸?shù)钠骄`比特率性能。
2.可變長符號Turbo編譯碼算法圖4中的聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼結構的重要部分是可變長符號Turbo碼不等差錯保護模塊19和可變長符號Turbo碼解碼模塊20。傳統(tǒng)的Turbo譯碼編譯碼方法直接以二進制比特流的形式逐比特進行編碼，即每次輸入Turbo編碼器一個“0”比特或者“1”比特，沒有考慮與信源信息的相關性，是獨立的進行信道編譯碼。為了提高帶寬傳輸效率，也經常使用非二進制Turbo編碼與多級調制技術相結合的方法，即將信源壓縮比特流按照等長符號分段，每次輸入Turbo編碼器一個固定比特長度的符號進行非二進制編碼。
信源編碼通常采用可變長VLC編碼，輸出的壓縮比特流都是可變長碼字符號，固定長符號編碼沒有結合VLC碼的變長特性。發(fā)明中提出了一種可變長符號Turbo編譯碼算法，在圖4的可變長符號Turbo碼不等差錯保護模塊19中，輸入Turbo編碼器的碼字序列一般只包含有限個變長碼字。以可變長碼字符號作為編碼的輸入單元，則有效地利用了信源VLC變長編碼的先驗特性，實現(xiàn)了聯(lián)合信源信道Turbo編碼。
在譯碼器端進行Turbo譯碼時，在每一個符號時間間隔，以可變長碼字符號作為譯碼判決輸出。構造如圖5所示的可變長符號狀態(tài)轉移網(wǎng)格圖，基于此網(wǎng)格圖可實現(xiàn)可變長符號Turbo迭代譯碼。圖5給出了反饋系統(tǒng)卷積碼的狀態(tài)數(shù)為4，輸入的可變長碼符號集合的元素個數(shù)為3個{0，10，110}的譯碼網(wǎng)格圖例。從圖例看出，隨著卷積碼移位寄存器的長度的增大，網(wǎng)格圖狀態(tài)數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長。從某個狀態(tài)出發(fā)的路徑分支數(shù)等于輸入的變長碼符號集合的元素個數(shù)，并隨之線性增長。圖5中網(wǎng)格的狀態(tài)轉移是以符號時間間隔為單位索引的，由于每條分支對應的輸入可變長碼字的長度不同，因此可能出現(xiàn)并行轉移路徑。
基于圖5的狀態(tài)轉移圖，就可以利用最大后驗概率算法(Maximum A posteriori，簡稱MAP)或者軟輸出維特比算法(Soft Output Viterbi Decoding，簡稱SOVA)的原理進行分量碼的譯碼。MAP算法譯碼的路徑具有最大符號后驗概率，采用SOVA算法時，譯碼器獲得的是最大似然路徑，具有最大序列后驗概率，例如圖5中的粗線表示一條可能的譯碼路徑。利用外信息在兩個分量譯碼器的之間的反饋傳遞，可以實現(xiàn)迭代譯碼，從而降低誤比特率。譯碼是基于新的可變長符號狀態(tài)轉移網(wǎng)格圖，在譯碼的具體形式和數(shù)學表述上與經典譯碼算法不同。
采用可變長符號Turbo編譯碼算法，使得編碼和譯碼過程直接以可變長符號為處理對象，加快了聯(lián)合譯碼的速度。譯碼輸出的可變長符號序列送入信源譯碼器后更易于信源譯碼器的解碼，提高了系統(tǒng)信息傳輸?shù)男?，適用于視頻壓縮等變長編碼傳輸系統(tǒng)。
權利要求
1.一種聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法，編碼系統(tǒng)中信源可變長編碼器與信道Turbo編碼器級聯(lián)編碼，其特征是信道編碼器利用了可變長編碼的碼長先驗信息進行不等差錯保護以實現(xiàn)聯(lián)合信源信道編碼，信道編碼器采用可變長符號Turbo編譯碼算法。
2.根據(jù)權利要求1所述的聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法，其特征是在編碼器端，對信源編碼器輸出的可變長碼字序列按照碼字長度進行分組和不等差錯保護，較長的碼字歸為一組，較短的碼字歸為一組，碼字長的分組序列出現(xiàn)概率小，級別較不重要，采用高碼率的Turbo碼進行編碼，碼字短的分組序列出現(xiàn)概率較大，級別較重要，采用低碼率的Turbo碼進行編碼。
3.根據(jù)權利要求1所述的聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法，其特征是對碼字序列進行Turbo編碼采用了可變長符號Turbo編譯碼算法，即在編碼器端，以信源編碼器輸出的可變長符號為Turbo碼編碼器的輸入單元，譯碼時，構造反饋系統(tǒng)卷積碼的可變長符號狀態(tài)轉移網(wǎng)格圖，采用可變長符號MAP算法進行迭代譯碼，判決輸出可變長符號碼字序列。
全文摘要
針對通信中分離編碼系統(tǒng)的性能受限和經典Turbo編碼不適用于視頻壓縮等變長編碼傳輸系統(tǒng)的兩個問題，提出了一種聯(lián)合信源信道可變長符號Turbo編譯碼方法。對信源編碼輸出的可變長碼字序列按照碼長和概率進行分類，進行不等差錯保護，碼字長的分組序列出現(xiàn)概率小，級別較不重要，采用高碼率的Turbo碼進行編碼，碼字短的分組序列出現(xiàn)概率較大，級別較重要，采用低碼率的Turbo碼進行編碼。Turbo碼采用可變長符號Turbo編譯碼算法，通過可變長符號編碼和變長符號譯碼判決，能夠提高通信系統(tǒng)傳輸?shù)男阅?，又可以提高?lián)合譯碼的效率。
文檔編號H03M13/00GK1794590SQ20051011475
公開日2006年6月28日 申請日期2005年10月27日 優(yōu)先權日2005年10月27日
發(fā)明者凃國防, 劉建軍, 張燦 申請人:中國科學院研究生院