基于自适应不等差错保护和码率优化分配的联合信源信道编码研究

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无线通信和多媒体通信技术的发展改变了人类的生活,下一代移动通信的目标是实现无所不在的高速率、高质量的多媒体移动传输。然而无线信道中有限的带宽、恶劣的信道条件以及各种终端(尤其是便携式移动设备)对复杂度、能耗等资源的苛刻限制,使传统上依据香农分离定理,将信源和信道作为两个独立模块分别设计的思想逐渐显露出了局限性。在实际系统中,一方面由于压缩方法与信号冗余的匹配程度不同,加上系统对编码复杂度、延时的限制,同时为了提高系统的鲁棒性,信源编码输出中仍留下一定的冗余;另一方面由于带宽有限和无线信道中的衰落、噪声等因素使信道编码无法提供充足的保护,传输中的差错难以避免。因此突破常规的系统设计方法,在信源编码和信道编码之间进行联合码率分配,以寻求更大的编码增益是一个必然趋势。   本文对图像传输的信源信道联合编码方法的两个主要研究方向--不等差错保护、信源编码和信道编码的码率优化分配进行了研究,主要工作包括:   1.剖析了SPIHT(Set Partitioning In Hierarchical Trees)信源编码和LDPC信道编码的实现原理。首先研究了小波分解级数对SPIHT编码器性能的影响,分析了SPIHT码流特性,综合考虑编解码延时和重建图像的质量,给出了小波分解最佳级数的确定方法,对最重要的SPIHT码流前端的比特,形成了使用自适应不等差错保护方法的构想。其次使用随机构造的方法实现了LDPC信道码,并分析了其不同参数对纠错性能的影响。   2.根据SPIHT信源编码嵌入式码流各个码段重要性不同的特点,提出了一种基于保护等级可调和码率索引更新的自适应不等差错保护方案。针对同等差错保护方案在低信噪比时对重要比特保护不足,而不重要比特占用过多资源的弱点,以及非自适应调节的不等差错保护方案在高信噪比时传输性能不佳的缺点,通过自动调整传送的信源分组数来自适应地调节各个部分的不等差错保护等级,从而加强对编码后码流重要部分的保护。在AWGN信道下的仿真结果表明,本文的自适应方案不仅能在不增加信道带宽的前提下有效地提高了系统的性能和可靠性,而且其根据解码反馈结果自动调节各比特段保护等级的自适应特性,可以很好地匹配无线信道的时变特性。   3.在分析了SPIHT编码器率失真特性的基础上,提出了一个基于分段二次函数的SPIHT对数率失真模型,用于建立SPIHT率失真性能最优约束下的一个以端到端失真最小为目标的信源信道码率分配模型,通过理论和实验证明了该码率分配模型的有效性,依据这一模型,我们提出一种无线信道下传输渐进图像的联合信源信道编码的速率分配方案,该方案能够根据当前信道状况(信道带宽、信噪比等)寻找能使失真达到最小的信源编码速率R*S和信道编码速率R℃,从而实现了码率的优化分配。实验证明,所提出的联合信源信道编码的速率优化分配方案,其传输性能无论从客观质量指标上还是主观感官质量上都明显优于固定信源信道码率分配方案。
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