基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法
2023-09-17 22:27:30 2
專利名稱：基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法
技術領域：
本發明涉及通信編解碼領域的一種聯合信源信道編解碼方法，特別是涉及ー種基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法。
背景技術：
在目前的通信系統中，一般都遵循香農的「分離理論」(S^aration Theory)，即將 信源編碼和信道編碼分別獨立優化設計，可以使通信系統獲得最佳編碼性能。但是，「分離理論」的前提是無論信源編碼，還是信道編碼，假定可以容忍無限長的時延(允許編碼塊長無限)；預先掌握傳輸信道的統計特性。在現實中，編解碼的複雜度、軟硬體的資源和通信時延等約束使得實際通信系統無法滿足這一條件，信源編碼和信道編碼無法分別獲得最優編碼性能，因此分離系統的性能受到限制。為此，人們提出了聯合信源信道編解碼方法，其主要思想是利用信源編碼後碼字中殘留的冗餘信息進行信道編碼，將信源信道編碼聯合設計。近年來，信源可變長編碼和信道Turbo編碼的聯合優化設計問題成為編碼界研究的熱點，學者們提出了幾種聯合信源信道Turbo編解碼算法，但現有算法都是以比特級的網格圖為基礎進行解碼的。比特級網格圖解碼算法不能充分利用信源變長編碼的剩餘冗餘特性，不能達到最優的編碼效果，同時與現有的圖像和視頻信源編碼標準採用可變長符號不兼容。該網格圖中倖存路徑多，為獲得良好的抗幹擾性能需多次迭代，解碼端計算量大，複雜度高。事實上，根據最佳編碼定理，信源變長編碼器輸出的ニ進位序列是由若干個可變長編碼VLC (Variable Length Coding，簡稱VLC)碼字符號級聯組成的，以VLC碼字符號作為信道解碼的處理單元，更加符合信源的可變長編碼方法，可實現聯合信源信道可變長解碼，提高編解碼性能。
發明內容
為了解決傳統變長信源碼平面網格圖中狀態轉移分支多、計算複雜度高的問題，本發明通過構建一種新的可變長符號網格圖和編解碼結構，提出了一種基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法，該方法設計了一種空間網格圖的構造方法及相應的編解碼方法。本發明解決其技術問題所採用的技術方案是在基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼系統中，給信源集合中的每個符號賦予ー個與該符號概率相關的權重，稱為「符號權重」。在編碼端，符號序列經可變長編碼後有「累計符號數」、「累計比特數」以及「累計符號權重」三個約束值，在解碼端利用這三個約束值構造空間網格圖，根據空間網格圖，採用符號級最大後驗概率解碼算法，實現低複雜度聯合信源信道編解碼方法。空間網格圖的三維坐標分別表示「符號個數索引」、「比特狀態索引」和「權重狀態索引」。先將空間網格圖上的冗餘狀態轉移路徑去掉，再將空間網格圖上的狀態節點和狀態轉移分支投影到「符號個數索引」和「比特狀態索引」的ニ維平面上，保持圖中狀態節點之間的轉移關係不變，生成簡化的可變長信源碼網格圖，根據簡化的可變長信源碼網格圖，採用符號級最大後驗概率解碼算法，實現聯合信源信道解碼。相對於平面網格圖，空間網格圖為每個符號賦予了權值，為解碼端在構建網格圖時增加了一個約束條件，這使得網格圖中的狀態轉移分支減少。較優的「符號權重」設置能夠較大程度地簡化變長信源碼網格圖，進而較大程度地降低變長符號級最大後驗概率解碼算法的複雜度和誤符號率，可以通過對來自同一信源集合的不同符號序列進行實驗來獲得較優的符號權重設置。
基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法可以應用在可變長Turbo碼聯合編解碼系統以及可變長碼與卷積碼分離編碼、聯合解碼的系統中。本發明的有益效果是，通過給信源集合中的每個符號賦予ー個與該符號概率相關的權重構建空間網格圖，減少了符號級最大後驗概率解碼時使用的可變長信源碼網格圖中的狀態轉移分支數量，從而減少了符號級最大後驗概率解碼的計算量，同時降低了誤符號率，提高了聯合信源信道編解碼性能，適用於圖像、視頻壓縮等可變長編解碼傳輸系統。
圖I基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼系統。圖I中，I.可變長編碼模塊，2.符號序列邊信息計算模塊，3.聯合信源信道編碼模塊，4.信道，5.基於空間網格圖的聯合信源信道解碼模塊，6.信源符號序列U，7.可變長編碼輸出碼流，8.符號序列邊信息，9.聯合信源信道編碼輸出碼流，10.解碼端接收到的碼字序列，11.經聯合信源信道解碼後得到的符號序列估計ゥ。圖2基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道解碼方法流程圖。圖2是圖I中模塊5的細化。圖2中，10.解碼端接收到的碼字序列，11.經聯合信源信道解碼後得到的符號序列估計12.根據邊信息構造空間網格圖，13.構造簡化的變長信源碼網格圖，14.符號級最大後驗概率聯合信源信道解碼。圖3空間網格圖。圖3中15.表示Z坐標「比特狀態索引v」；16.表示Y坐標「權重狀態索引w」；17.表示X坐標「符號個數索引k」，每ー個刻度代表ー個符號時間間隔，圖中黒色圓圈代表狀態節點，狀態節點間的線段代表可能的狀態轉移；18.表示網格圖初始狀態(k = 0,v0 =0，W0 = 0) ;20、21、22、23、24表示k = 0時的五條可能的狀態轉移分支(此圖為空間網格圖的實例，所用的信源集合及其參數見表I) ;29、30、31、32表示為中間狀態節點；19.表示網格圖終止狀態(k = 5, v5 = 5, W5 = 7);圖中20、25、26、27、28表示一條完整的倖存的符號序列路徑，表明從網格圖的初始狀態18開始，依次編碼信源集合中的符號經中間狀態節點29、30、31、32到達網格圖的終止狀態19。表I可變長碼字和權重值表
權利要求
1.一種基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法，其特徵是在符號級可變長碼聯合信源信道編解碼系統中，給信源集合中的每個符號賦予一個與該符號概率相關的符號權重，在編碼端，符號序列經可變長編碼後有累計符號數、累計比特數以及累計符號權重三個約束值，在解碼端利用這三個約束值構造空間網格圖，空間網格圖的三維坐標分別表示符號個數索引、比特狀態索引和權重狀態索引，根據空間網格圖，採用符號級最大後驗概率解碼算法，實現低複雜度聯合信源信道編解碼方法。
2.根據權利要求I所述的基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法，其特徵還在於相對於平面網格圖，空間網格圖為每個符號賦予了權值，較優的符號權重設置可將空間網格圖上的冗餘狀態轉移路徑去掉，再將空間網格圖上的狀態節點和狀態轉移分支投影到符號個數索引和比特狀態索引的二維平面上，保持圖中狀態節點之間的轉移關係不變，生成簡化的可變長信源碼網格圖，根據簡化的可變長信源碼網格圖，可降低變長符號級最大後驗概率解碼算法的複雜度和誤符號率，實現低複雜度聯合信源信道解碼。
3.根據權利要求I或2所述的基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法，其特徵還在於應用在可變長Turbo碼聯合編解碼系統以及可變長碼與卷積碼分離編碼、聯合解碼的系統中。
全文摘要
本發明涉及一種基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼方法。在基於空間網格圖的低複雜度聯合信源信道編解碼系統中，給信源集合中的每個符號賦予一個與該符號概率相關的權重，稱為「符號權重」。在編碼端，符號序列經可變長編碼後有「累計符號數」、「累計比特數」以及「累計符號權重」三個約束值，在解碼端利用這三個約束值構造空間網格圖，空間網格圖的三維坐標分別表示「符號個數索引」、「比特狀態索引」和「權重狀態索引」。先將空間網格圖上的冗餘狀態轉移路徑去掉，再將空間網格圖上的狀態節點和狀態轉移分支投影到二維平面上，生成簡化的可變長信源碼網格圖，採用符號級最大後驗概率解碼算法，實現低複雜度聯合信源信道編解碼方法。
文檔編號H03M13/29GK102651653SQ20111004709
公開日2012年8月29日 申請日期2011年2月28日 優先權日2011年2月28日
發明者凃國防, 張燦, 霍嶽恆 申請人:中國科學院研究生院