CN100517983C - 联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法 - Google Patents

Abstract

针对通信中分离编码系统的性能受限和经典Turbo编码不适用于视频压缩等变长编码传输系统的两个问题，提出了一种联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法。对信源编码输出的可变长码字序列按照码长和概率进行分类，进行不等差错保护，码字长的分组序列出现概率小，级别较不重要，采用高码率的Turbo码进行编码，码字短的分组序列出现概率较大，级别较重要，采用低码率的Turbo码进行编码。Turbo码采用可变长符号Turbo编译码算法，通过可变长符号编码和变长符号译码判决，能够提高通信系统传输的性能，又可以提高联合译码的效率。

Description

联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法

技术领域

本发明涉及通信编码领域的一种联合信源信道编译码方法，特别是涉及一种以可变长符号为Turbo码输入单元进行编码的联合信源信道编译码方法。

背景技术

1848年，通信编码理论的奠基人C.E.Shannon在他的论文“A Mathematical Theory OfCommunication.Bell System Technology Journal，27：379-423；623-656，1948.”中提出了著名的“分离理论”(Separation Theory)，即最佳的通信系统可通过将信源编码与信道编码作为相互独立的环节分开设计获得。在分离理论的基础上，人们设计的经典通信系统模型如图1所示。Shannon的“分离理论”是在理想条件下得到的结论，该理论假设信源编码是最佳压缩，能够去除信源信息中的全部冗余，信道编码也是最佳编码，能够纠正所有差错。但是在实际通信系统中，信源编码压缩的数据还包含有冗余，在衰落噪声信道环境下，信道分组码与卷积码等纠错码也不可能纠正所有差错，所以在实际中“分离理论”不实用，分离编码系统的性能受到了限制。

在图1的信源编码模块1中，目前广泛使用国际标准化组织(ISO)制定的JPEG、MPEzG系列标准和国际电信联盟(ITU)制定的H.26X系列标准。上述国际压缩标准对信源数据的处理过程一般包括变换编码、系数量化和游长与熵编码等。其中，熵编码过程采用可变长编码(Variable Length Coding，简称VLC)方法，取得了较大的压缩效率。可变长编码虽然可以能得到很好的压缩效果，但是却对信道差错非常敏感。所以，压缩数据在送入信道传输之前必须通过信道编码加入纠错信息，以提高信息抗干扰和差错控制的能力。

在图1所示的信道编码模块2中，主要采用自动检错重发机制或者前向纠错技术。Turbo码是一种新型的前向纠错码，取得了接近Shannon编码理论极限的性能。Turbo的编码结构如图2所示，该编码器由两个反馈系统卷积码通过一个交织器并行级联组成，因此又称为并行级联卷积码。译码结构如图3所示，译码器将两个最大后验概率(Maximum A Posteriori，简称MAP)译码器串行级联，通过在两个MAP分量译码器之间传递外信息，实现了迭代译码。经典Turbo编码方法是脱离信源环节独立设计的，一般以一个比特或者固定比特长的符号为编码器输入单元进行编码。在实际中，信源编码一般采用可变长编码，压缩数据比特流是由可变长符号组成的码字序列，所以，经典的以一个比特或定长比特符号为Turbo码输入单元的编码系统没有结合信源比特流的先验特性，不适用于视频压缩等变长编码传输系统。

发明内容

为了解决分离编码系统的性能受限和经典Turbo编码不适用于视频压缩等变长编码传输系统的两个问题，本发明提供了一种联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法。该方法设计了一种对可变长VLC码字符号序列实行不等差错保护的联合信源信道编译码结构，提出了一种可变长符号Turbo编译码算法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在编码器端，对信源编码器输出的可变长码字序列按照码字长度进行分类，较长的码字归为一组，较短的码字归为一组，码字组合成多路序列以后，利用Turbo码能够调整校验比特删余矩阵实现码率自适应的特点进行不等差错保护。码字长的分组序列出现概率小，级别较不重要，采用高码率的Turbo码进行编码，码字短的分组序列出现概率较大，级别较重要，采用低码率的Turbo码进行编码。其中，对码字序列进行Turbo编码采用的技术方案是可变长符号Turbo编译码算法，即在编码器端，以信源编码器输出的可变长符号为Turbo码编码器的输入单元，译码时，构造反馈系统卷积码的可变长符号状态转移网格图，采用可变长符号MAP算法进行迭代译码，判决输出可变长符号码字序列。

本发明的有益效果是，通过联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法，可以提高编码系统的误码率性能，采用可变长符号为编码单元的联合Turbo编译码算法，能够提高系统编译码处理的效率，适用于视频压缩等变长编码传输系统。

附图说明

图1通信系统的分离编解码模型：

图中1.信源编码模块，2.信道编码模块，3.信源信息，4.信源编码器，5.信道编码器，6.调制器，7.噪声信道，8.解调器，9.信道译码器 10.信源译码器 11.接收信息。

图2 Turbo码编码器结构：

在图2中，编码器由两个反馈系统卷积码(RSC)通过交织器12并行级联而成，在RSC编码器中，13表示移位寄存器，14表示异或运算(即模2加法运算)。15表示输入的系统信息，16和17分别表示两个编码器输出的校验比特。通过交替的删余校验比特16和17可自适应调整编码率。

图3 Turbo码译码器结构：

图中18.MAP译码器，19.交织器，20.解交织器，21.硬判决器。

在图3中22表示接收的系统信息序列y_s，23为第一个分量编码器接收的校验序列y_1p，24为第二个分量译码器接收的校验序列y_2p，25为译码判决输出

。每个MAP译码器包含三路输入信息，即先验信息，系统信息序列y_s和校验序列y_ip(i＝1，2)，译码器输出对数似然比信息和外信息，其中，外信息部分经过交织变换传送到另一个MAP译码器作为先验信息，而对数似然比通过硬判决可得到译码判决输出

。

图4联合信源信道可变长符号Turbo编译码结构：

图中26.信源信息，27.信源编码器，28.VLC码字长度判决器，29.数据分割器，30.可变长符号Turbo编码器，31.TCM编码调制器，32.噪声信道，33.串并转换器，34.可变长符号Turbo译码器，35.数据合成器，36.信源译码器，37.接收信息。

图中38.码长先验信息，39.数据分割控制信息，40.信源边信息(Source SideInformation，简称SSI)，41.可变长符号Turbo码不等差错保护模块，42.可变长符号Turbo码解码模块。

图5是可变长符号状态转移网格图例：

在图5中，状态用来表征移位寄存器的值。反馈系统卷积码的移位寄存器长度为2，网格图的状态数为2²＝4，标记43、44、45、46分别表示卷积码的四种可能的状态S₁，S₂，S₃，S₄。输入的可变长码符号集合的个数为3，选取变长码字集合{0，10，110}。每一列表示一个符号时间间隔，状态之间的箭头代表卷积码可能的状态转移，箭头上的码字表示该状态转移对应的输入卷积编码器的可变长符号。

具体实施方式

1.联合信源信道可变长符号Turbo编译码结构

在图4中，信源信息26首先输入信源编码器27进行压缩编码，信源编码器27输出VLC变长码字序列。在视频压缩国际编码标准中(例如MPEG或H.26x系列)，VLC编码通常使用了高效的算数编码(Arithmetic Coding)或哈夫曼编码(Huffman Coding)方法，VLC码字序列具有单向可译码性。Huffman编码的码字集合是由概率统计得出的，在一般情况下，出现概率大的信源符号采用了较短的变长码字编码，出现概率小的信源符号采用了较长的变长码字编码。

从概率统计的角度考虑，符号出现的概率与其数据的重要性存在直接的联系，出现概率大的符号重要级别比较高，出现概率小的码字重要级别一般比较低。所以，对于变长码字序列，短的符号码字出现概率大，重要级别较高，而长的符号码字出现概率小，重要级别相对较低。依据此原理，在信源编码器27之后加入VLC码字长度判决器28，对VLC码字序列的每一个变长码进行码长判决，再依据设定的码长门限范围对变长码字符号进行归类，将码长处于同一个阈值范围的VLC码字归为一组。在同一个分组内，码字应严格按照在比特流中出现的先后顺序排序。假设码字按照码长一共分成n组，数据分割控制信息39需要记录每一个变长码符号在码流中的确切位置。数据分割控制信息39在信息的恢复过程中起着至关重要的作用，它必须作为信源边信息SSI被无失真的传送到接收端。

数据分割器29对码字序列进行分组，分组后的n组序列按照重要性程度不同输入n个Turbo编码器，每个Turbo编码器根据码长先验信息38进行码率控制，通过比特删余技术获得不同的码率R₁，R₂，…，R_n，以实现信息的不等差错保护。对重要级别高的短码字分组，采用低码率的Turbo编码，降低该组信息的误比特率，对重要级别较低的长码字分组，采用较高码率来提高传输的速度。各分组编码完毕以后，通过TCM编码调制器31进行调制后发送至噪声信道32传输。

在接收端，采用了软译码技术。接收到的噪声实值序列首先经过串并转换器33分离到n个Turbo译码器，每个译码器分别与一个Turbo编码器对应，它对该分组接收的实值序列进行迭代译码。译码后得到n组二进制变长码字符号序列。由于n组码字序列中的变长码符号是交替排列的，所以必须重新排序。假设信源边信息SSI可以无失真的到达接收端，利用SSI信息作为符号排序控制信息，数据合成器35可以将n组码字重新排列为正常顺序。正常排序以后的VLC可变长码字序列再经过信源VLC译码器36进行信源解码，最后得到重构的接收信息37。

通过上述编解码结构的不等差错保护机制，在相同的比特率和带宽条件下，为相对重要的信源信息分配了较多的比特，而为重要程度相对较低的信源信息分配了较少的比特，有助于提高通信系统信息传输的平均误比特率性能。

2.可变长符号Turbo编译码算法

图4中的联合信源信道可变长符号Turbo编译码结构的重要部分是可变长符号Turbo码不等差错保护模块41和可变长符号Turbo码解码模块42。传统Turbo码的编译码方法直接以二进制比特流的形式逐比特进行编码，即每次输入Turbo编码器一个“0”比特或者“1”比特，没有考虑与信源信息的相关性，是独立的进行信道编译码。为了提高带宽传输效率，也经常使用非二进制Turbo编码与多级调制技术相结合的方法，即将信源压缩比特流按照等长符号分段，每次输入Turbo编码器一个固定比特长度的符号进行非二进制编码。

信源编码通常采用可变长VLC编码，输出的压缩比特流都是可变长码字符号，固定长符号编码没有结合VLC码的变长特性。发明中提出了一种可变长符号Turbo编译码算法，在图4的可变长符号Turbo码不等差错保护模块41中，输入Turbo编码器的码字序列一般只包含有限个变长码字。以可变长码字符号作为编码的输入单元，则有效地利用了信源VLC变长编码的先验特性，实现了联合信源信道Turbo编码。

在译码器端进行Turbo译码时，在每一个符号时间间隔，以可变长码字符号作为译码判决输出。构造如图5所示的可变长符号状态转移网格图，基于此网格图可实现可变长符号Turbo迭代译码。图5给出了反馈系统卷积码的状态数为4，输入的可变长码符号集合的元素个数为3个{0，10，110}的译码网格图例。从图例看出，随着卷积码移位寄存器的长度的增大，网格图状态数呈现指数增长。从某个状态出发的路径分支数等于输入的变长码符号集合的元素个数，并随之线性增长。图5中网格的状态转移是以符号时间间隔为单位索引的，由于每条分支对应的输入可变长码字的长度不同，因此可能出现并行转移路径。

基于图5的状态转移图，就可以利用最大后验概率算法(Maximum A posteriori，简称MAP)或者软输出维特比算法(Soft Output Viterbi Decoding，简称SOVA)的原理进行分量码的译码。MAP算法译码的路径具有最大符号后验概率，采用SOVA算法时，译码器获得的是最大似然路径，具有最大序列后验概率，例如图5中的粗线表示一条可能的译码路径。利用外信息在两个分量译码器的之间的反馈传递，可以实现迭代译码，从而降低误比特率。译码是基于新的可变长符号状态转移网格图，在译码的具体形式和数学表述上与经典译码算法不同。

采用可变长符号Turbo编译码算法，使得编码和译码过程直接以可变长符号为处理对象，加快了联合译码的速度。译码输出的可变长符号序列送入信源译码器后更易于信源译码器的解码，提高了系统信息传输的效率，适用于视频压缩等变长编码传输系统。

Claims (2)

1.一种联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法，编码系统中将信源可变长编码器与信道Turbo编码器串行级联编码，其特征是：信道Turbo编码器利用了信源可变长编码的码长先验信息进行不等差错保护以实现联合信源信道编码，信道Turbo编码器中采用可变长符号Turbo编译码算法，即在编码器端，以信源可变长编码器输出的符号作为信道Turbo编码器的输入单元，译码时，构造反馈系统卷积码的可变长符号状态转移网格图，采用可变长符号最大后验概率MAP算法进行迭代译码，判决输出可变长符号码字序列。

2.根据权利要求1所述的联合信源信道可变长符号Turbo编译码方法，其特征是：在编码器端，对信源可变长编码器输出的码字序列按照码字长度进行分组和不等差错保护，较长的码字归为一组，较短的码字归为一组，码字长的分组序列出现概率小，级别较不重要，采用高码率的Turbo码进行编码，码字短的分组序列出现概率较大，级别较重要，采用低码率的Turbo码进行编码。

Images