專利名稱：聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信編碼領(lǐng)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(zhǎng)符號(hào)為T(mén)urbo碼輸入單元進(jìn)行編碼的聯(lián)合信源信道編譯碼方法。
背景技術(shù)：
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(guò)將信源編碼與信道編碼作為相互獨(dú)立的環(huán)節(jié)分開(kāi)設(shè)計(jì)獲得。在分離理論的基礎(chǔ)上，人們?cè)O(shè)計(jì)的經(jīng)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(jié)論，該理論假設(shè)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(cuò)。但是在實(shí)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(cuò)碼也不可能糾正所有差錯(cuò)，所以在實(shí)際中“分離理論”不實(shí)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定的JPEG、MPEG系列標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)制定的H.26X系列標(biāo)準(zhǔn)。上述國(guó)際壓縮標(biāo)準(zhǔn)對(duì)信源數(shù)據(jù)的處理過(guò)程一般包括變換編碼、系數(shù)量化和游長(zhǎng)與熵編碼等。其中，熵編碼過(guò)程采用可變長(zhǎng)編碼(Variable Length Coding，簡(jiǎn)稱VLC)方法，取得了較大的壓縮效率。可變長(zhǎng)編碼雖然可以能得到很好的壓縮效果，但是卻對(duì)信道差錯(cuò)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(guò)信道編碼加入糾錯(cuò)信息，以提高信息抗干擾和差錯(cuò)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(dòng)檢錯(cuò)重發(fā)機(jī)制或者前向糾錯(cuò)技術(shù)。Turbo碼是一種新型的前向糾錯(cuò)碼，取得了接近Shannon編碼理論極限的性能。Turbo的編碼結(jié)構(gòu)如圖2所示，該編碼器由兩個(gè)反饋系統(tǒng)卷積碼通過(guò)一個(gè)交織器并行級(jí)聯(lián)組成，因此又稱為并行級(jí)聯(lián)卷積碼。譯碼結(jié)構(gòu)如圖4所示，譯碼器將兩個(gè)最大后驗(yàn)概率(Maximum A Posteriori，簡(jiǎn)稱MAP)譯碼器串行級(jí)聯(lián)，通過(guò)在兩個(gè)MAP分量譯碼器之間傳遞外信息，實(shí)現(xiàn)了迭代譯碼。經(jīng)典Turbo編碼方法是脫離信源環(huán)節(jié)獨(dú)立設(shè)計(jì)的，一般以一個(gè)比特或者固定比特長(zhǎng)的符號(hào)為編碼器輸入單元進(jìn)行編碼。在實(shí)際中，信源編碼一般采用可變長(zhǎng)編碼，壓縮數(shù)據(jù)比特流是由可變長(zhǎng)符號(hào)組成的碼字序列，所以，經(jīng)典的以一個(gè)比特或定長(zhǎng)比特符號(hào)為T(mén)urbo碼輸入單元的編碼系統(tǒng)沒(méi)有結(jié)合信源比特流的先驗(yàn)特性，不適用于視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決分離編碼系統(tǒng)的性能受限和經(jīng)典Turbo編碼不適用于視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)的兩個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼方法。該方法設(shè)計(jì)了一種對(duì)可變長(zhǎng)VLC碼字符號(hào)序列實(shí)行不等差錯(cuò)保護(hù)的聯(lián)合信源信道編譯碼結(jié)構(gòu)，提出了一種可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是在編碼器端，對(duì)信源編碼器輸出的可變長(zhǎng)碼字序列按照碼字長(zhǎng)度進(jìn)行分類，較長(zhǎng)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(diào)整校驗(yàn)比特刪余矩陣實(shí)現(xiàn)碼率自適應(yīng)的特點(diǎn)進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)。碼字長(zhǎng)的分組序列出現(xiàn)概率小，級(jí)別較不重要，采用高碼率的Turbo碼進(jìn)行編碼，碼字短的分組序列出現(xiàn)概率較大，級(jí)別較重要，采用低碼率的Turbo碼進(jìn)行編碼。其中，對(duì)碼字序列進(jìn)行Turbo編碼采用的技術(shù)方案是可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法，即在編碼器端，以信源編碼器輸出的可變長(zhǎng)符號(hào)為T(mén)urbo碼編碼器的輸入單元，譯碼時(shí)，構(gòu)造反饋系統(tǒng)卷積碼的可變長(zhǎng)符號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)格圖，采用可變長(zhǎng)符號(hào)MAP算法進(jìn)行迭代譯碼，判決輸出可變長(zhǎng)符號(hào)碼字序列。
本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)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(zhǎng)符號(hào)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(zhǎng)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(diào)制器，7.噪聲信道，8.解調(diào)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(jié)構(gòu)。
在圖2中，編碼器由兩個(gè)反饋系統(tǒng)卷積碼(RSC)通過(guò)交織器∏并行級(jí)聯(lián)而成，在RSC編碼器中，D表示移位寄存器，表示異或運(yùn)算(即模2加法運(yùn)算)。U表示輸入的系統(tǒng)信息，P和Q分別表示兩個(gè)編碼器輸出的校驗(yàn)比特。通過(guò)交替的刪余校驗(yàn)比特P和Q可自適應(yīng)調(diào)整編碼率。
圖3Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)。
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(gè)分量編碼器接收的校驗(yàn)序列，y2p為第二個(gè)分量譯碼器接收的校驗(yàn)序列， 為譯碼判決輸出。每個(gè)MAP譯碼器包含三路輸入信息，即先驗(yàn)信息，系統(tǒng)信息序列ys和校驗(yàn)序列yip(i＝1，2)，譯碼器輸出對(duì)數(shù)似然比信息和外信息，其中，外信息部分經(jīng)過(guò)交織變換傳送到另一個(gè)MAP譯碼器作為先驗(yàn)信息，而對(duì)數(shù)似然比通過(guò)硬判決可得到譯碼判決輸出 圖4聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼結(jié)構(gòu)。
圖中1.信源信息，2.信源編碼器，3.VLC碼字長(zhǎng)度判決器，4.數(shù)據(jù)分割器，5.可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編碼器碼率R1，6.可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編碼器碼率R2，7.可變長(zhǎng)Turbo編碼器碼率Rn，8.TCM編碼調(diào)制器，9.噪聲信道，10.串并轉(zhuǎn)換器，11.可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo譯碼器碼率R1，12.可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo譯碼器碼率R2，13.可變長(zhǎng)符號(hào)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(zhǎng)先驗(yàn)信息，18.數(shù)據(jù)分割控制信息，19.可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo碼不等差錯(cuò)保護(hù)模塊，20.可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo碼解碼模塊。
圖5是可變長(zhǎng)符號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)格圖例。
在圖5中，狀態(tài)用來(lái)表征移位寄存器的值。反饋系統(tǒng)卷積碼的移位寄存器長(zhǎng)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(zhǎng)碼符號(hào)集合的個(gè)數(shù)為3，選取變長(zhǎng)碼字集合{0，10，110}。每一列表示一個(gè)符號(hào)時(shí)間間隔，狀態(tài)之間的箭頭代表卷積碼可能的狀態(tài)轉(zhuǎn)移，箭頭上的碼字表示該狀態(tài)轉(zhuǎn)移對(duì)應(yīng)的輸入卷積編碼器的可變長(zhǎng)符號(hào)。
具體實(shí)施例方式
1.聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼結(jié)構(gòu)在圖4中，信源信息1首先輸入信源編碼器2進(jìn)行壓縮編碼，信源編碼器2輸出VLC變長(zhǎng)碼字序列。在視頻壓縮國(guó)際編碼標(biāo)準(zhǔn)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(jì)得出的，在一般情況下，出現(xiàn)概率大的信源符號(hào)采用了較短的變長(zhǎng)碼字編碼，出現(xiàn)概率小的信源符號(hào)采用了較長(zhǎng)的變長(zhǎng)碼字編碼。
從概率統(tǒng)計(jì)的角度考慮，符號(hào)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(hào)重要級(jí)別比較高，出現(xiàn)概率小的碼字重要級(jí)別一般比較低。所以，對(duì)于變長(zhǎng)碼字序列，短的符號(hào)碼字出現(xiàn)概率大，重要級(jí)別較高，而長(zhǎng)的符號(hào)碼字出現(xiàn)概率小，重要級(jí)別相對(duì)較低。依據(jù)此原理，在信源編碼器2之后加入VLC碼字長(zhǎng)度判決器3，對(duì)VLC碼字序列的每一個(gè)變長(zhǎng)碼進(jìn)行碼長(zhǎng)判決，再依據(jù)設(shè)定的碼長(zhǎng)門(mén)限范圍對(duì)變長(zhǎng)碼字符號(hào)進(jìn)行歸類，將碼長(zhǎng)處于同一個(gè)閾值范圍的VLC碼字歸為一組。在同一個(gè)分組內(nèi)，碼字應(yīng)嚴(yán)格按照在比特流中出現(xiàn)的先后順序排序。假設(shè)碼字按照碼長(zhǎng)一共分成n組，數(shù)據(jù)分割控制信息18需要記錄每一個(gè)變長(zhǎng)碼符號(hào)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(fù)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，它必須作為信源邊信息SSI被無(wú)失真的傳送到接收端。
數(shù)據(jù)分割器4對(duì)碼字序列進(jìn)行分組，分組后的n組序列按照重要性程度不同輸入n個(gè)Turbo編碼器，每個(gè)Turbo編碼器根據(jù)碼長(zhǎng)先驗(yàn)信息17進(jìn)行碼率控制，通過(guò)比特刪余技術(shù)獲得不同的碼率R1，R2，…，Rn，以實(shí)現(xiàn)信息的不等差錯(cuò)保護(hù)。對(duì)重要級(jí)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(duì)重要級(jí)別較低的長(zhǎng)碼字分組，采用較高碼率來(lái)提高傳輸?shù)乃俣取８鞣纸M編碼完畢以后，通過(guò)TCM編碼調(diào)整器8進(jìn)行調(diào)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(shù)。接收到的噪聲實(shí)值序列首先經(jīng)過(guò)串并轉(zhuǎn)換器10分離到n個(gè)Turbo譯碼器，每個(gè)譯碼器分別與一個(gè)Turbo編碼器對(duì)應(yīng)，它對(duì)該分組接收的實(shí)值序列進(jìn)行迭代譯碼。譯碼后得到n組二進(jìn)制變長(zhǎng)碼字符號(hào)序列。由于n組碼字序列中的變長(zhǎng)碼符號(hào)是交替排列的，所以必須重新排序。假設(shè)信源邊信息SSI可以無(wú)失真的到達(dá)接收端，利用SSI信息作為符號(hào)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(zhǎng)碼字序列再經(jīng)過(guò)信源VLC譯碼器15進(jìn)行信源解碼，最后得到重構(gòu)的接收信息16。
通過(guò)上述編解碼結(jié)構(gòu)的不等差錯(cuò)保護(hù)機(jī)制，在相同的比特率和帶寬條件下，為相對(duì)重要的信源信息分配了較多的比特，而為重要程度相對(duì)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(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法圖4中的聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼結(jié)構(gòu)的重要部分是可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo碼不等差錯(cuò)保護(hù)模塊19和可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo碼解碼模塊20。傳統(tǒng)的Turbo譯碼編譯碼方法直接以二進(jìn)制比特流的形式逐比特進(jìn)行編碼，即每次輸入Turbo編碼器一個(gè)“0”比特或者“1”比特，沒(méi)有考慮與信源信息的相關(guān)性，是獨(dú)立的進(jìn)行信道編譯碼。為了提高帶寬傳輸效率，也經(jīng)常使用非二進(jìn)制Turbo編碼與多級(jí)調(diào)制技術(shù)相結(jié)合的方法，即將信源壓縮比特流按照等長(zhǎng)符號(hào)分段，每次輸入Turbo編碼器一個(gè)固定比特長(zhǎng)度的符號(hào)進(jìn)行非二進(jìn)制編碼。
信源編碼通常采用可變長(zhǎng)VLC編碼，輸出的壓縮比特流都是可變長(zhǎng)碼字符號(hào)，固定長(zhǎng)符號(hào)編碼沒(méi)有結(jié)合VLC碼的變長(zhǎng)特性。發(fā)明中提出了一種可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法，在圖4的可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo碼不等差錯(cuò)保護(hù)模塊19中，輸入Turbo編碼器的碼字序列一般只包含有限個(gè)變長(zhǎng)碼字。以可變長(zhǎng)碼字符號(hào)作為編碼的輸入單元，則有效地利用了信源VLC變長(zhǎng)編碼的先驗(yàn)特性，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合信源信道Turbo編碼。
在譯碼器端進(jìn)行Turbo譯碼時(shí)，在每一個(gè)符號(hào)時(shí)間間隔，以可變長(zhǎng)碼字符號(hào)作為譯碼判決輸出。構(gòu)造如圖5所示的可變長(zhǎng)符號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)格圖，基于此網(wǎng)格圖可實(shí)現(xiàn)可變長(zhǎng)符號(hào)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(zhǎng)碼符號(hào)集合的元素個(gè)數(shù)為3個(gè){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(zhǎng)度的增大，網(wǎng)格圖狀態(tài)數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)。從某個(gè)狀態(tài)出發(fā)的路徑分支數(shù)等于輸入的變長(zhǎng)碼符號(hào)集合的元素個(gè)數(shù)，并隨之線性增長(zhǎng)。圖5中網(wǎng)格的狀態(tài)轉(zhuǎn)移是以符號(hào)時(shí)間間隔為單位索引的，由于每條分支對(duì)應(yīng)的輸入可變長(zhǎng)碼字的長(zhǎng)度不同，因此可能出現(xiàn)并行轉(zhuǎn)移路徑。
基于圖5的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，就可以利用最大后驗(yàn)概率算法(Maximum A posteriori，簡(jiǎn)稱MAP)或者軟輸出維特比算法(Soft Output Viterbi Decoding，簡(jiǎn)稱SOVA)的原理進(jìn)行分量碼的譯碼。MAP算法譯碼的路徑具有最大符號(hào)后驗(yàn)概率，采用SOVA算法時(shí)，譯碼器獲得的是最大似然路徑，具有最大序列后驗(yàn)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(gè)分量譯碼器的之間的反饋傳遞，可以實(shí)現(xiàn)迭代譯碼，從而降低誤比特率。譯碼是基于新的可變長(zhǎng)符號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)格圖，在譯碼的具體形式和數(shù)學(xué)表述上與經(jīng)典譯碼算法不同。
采用可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法，使得編碼和譯碼過(guò)程直接以可變長(zhǎng)符號(hào)為處理對(duì)象，加快了聯(lián)合譯碼的速度。譯碼輸出的可變長(zhǎng)符號(hào)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(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼方法，編碼系統(tǒng)中信源可變長(zhǎng)編碼器與信道Turbo編碼器級(jí)聯(lián)編碼，其特征是信道編碼器利用了可變長(zhǎng)編碼的碼長(zhǎng)先驗(yàn)信息進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合信源信道編碼，信道編碼器采用可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼方法，其特征是在編碼器端，對(duì)信源編碼器輸出的可變長(zhǎng)碼字序列按照碼字長(zhǎng)度進(jìn)行分組和不等差錯(cuò)保護(hù)，較長(zhǎng)的碼字歸為一組，較短的碼字歸為一組，碼字長(zhǎng)的分組序列出現(xiàn)概率小，級(jí)別較不重要，采用高碼率的Turbo碼進(jìn)行編碼，碼字短的分組序列出現(xiàn)概率較大，級(jí)別較重要，采用低碼率的Turbo碼進(jìn)行編碼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼方法，其特征是對(duì)碼字序列進(jìn)行Turbo編碼采用了可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法，即在編碼器端，以信源編碼器輸出的可變長(zhǎng)符號(hào)為T(mén)urbo碼編碼器的輸入單元，譯碼時(shí)，構(gòu)造反饋系統(tǒng)卷積碼的可變長(zhǎng)符號(hào)狀態(tài)轉(zhuǎn)移網(wǎng)格圖，采用可變長(zhǎng)符號(hào)MAP算法進(jìn)行迭代譯碼，判決輸出可變長(zhǎng)符號(hào)碼字序列。
全文摘要
針對(duì)通信中分離編碼系統(tǒng)的性能受限和經(jīng)典Turbo編碼不適用于視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)的兩個(gè)問(wèn)題，提出了一種聯(lián)合信源信道可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼方法。對(duì)信源編碼輸出的可變長(zhǎng)碼字序列按照碼長(zhǎng)和概率進(jìn)行分類，進(jìn)行不等差錯(cuò)保護(hù)，碼字長(zhǎng)的分組序列出現(xiàn)概率小，級(jí)別較不重要，采用高碼率的Turbo碼進(jìn)行編碼，碼字短的分組序列出現(xiàn)概率較大，級(jí)別較重要，采用低碼率的Turbo碼進(jìn)行編碼。Turbo碼采用可變長(zhǎng)符號(hào)Turbo編譯碼算法，通過(guò)可變長(zhǎng)符號(hào)編碼和變長(zhǎng)符號(hào)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(hào)H03M13/00GK1794590SQ20051011475
公開(kāi)日2006年6月28日 申請(qǐng)日期2005年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月27日
發(fā)明者凃國(guó)防, 劉建軍, 張燦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院研究生院