CN110808739A

CN110808739A - 一种信源符号概率分布未知的二元编码方法及装置

Info

Publication number: CN110808739A
Application number: CN201911011944.8A
Authority: CN
Inventors: 朱诗兵; 李迎春; 吕登龙; 李长青; 王宇; 高丽娟
Original assignee: Space Engineering University
Current assignee: Space Engineering University; Peoples Liberation Army Strategic Support Force Aerospace Engineering University
Priority date: 2019-10-23
Filing date: 2019-10-23
Publication date: 2020-02-18

Abstract

本发明公开了信源符号概率分布未知的二元编码方法，包括：获取信源符号集，计算基础码字长度；根据基础码字长度、扩展码字长度以及信源符号个数，计算码字长度等于基础码字长度的码字个数以及码字长度等于扩展码字长度的码字个数；根据基础码字长度的码字个数和扩展码字长度的码字个数对信源符号集进行树码图构造，得到编码序列以及存储编码序列，并发送编码序列。计算基础码字长度、扩展码字长度、基础码字长度的码字个数以及扩展码字长度的码字个数，即可进行编码，无需计算信源符号的概率分布，采用树码方法编码后所得码字集合为唯一可译码，且码字长度较为均匀,能够较好保证编码质量,相较于等长编码有较小的平均码长,能够提高编码效率。

Description

一种信源符号概率分布未知的二元编码方法及装置

技术领域

本发明涉及信息传输技术领域，特别是指一种信源符号概率分布未知的二元编码方法及装置。

背景技术

在通信系统中，为了保证信息的有效传输，需要编码器对信息进行编码后传输，这一过程被称为信源编码。信源中常常具有一定的冗余度，由于通信过程中并不希望传输冗余信息，因此，信息传输前需要消除冗余信息或对信息进行压缩；信源编码就是通过消除冗余信息或压缩信源的冗余度来提高通信效率，以保证通信的有效性。

目前，在对信源进行传输前，对信源进行编码的方法依赖于信源符号的概率分布，当信源符号的概率分布未知时，无法有效实现对信源的二元编码。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种能够高效率对信源符号概率分布未知的二元的信源编码方法及装置。

基于上述目的本发明提供的一种信源符号概率分布未知的二元编码方法，包括：

获取信源符号集，计算基础码字长度；

根据所述基础码字长度，计算扩展码字长度；

根据基础码字长度、扩展码字长度以及信源符号个数，分别计算码字长度等于基础码字长度的码字个数以及码字长度等于扩展码字长度的码字个数；

根据基础码字长度的码字个数和扩展码字长度的码字个数对信源符号集进行树码图构造，得到编码序列；

存储编码序列，并发送编码序列。

在其中一个实施例中，所述基础码字长度通过

计算，其中，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数，且q满足q≤r^l，其中，r为编码符号个数，l为码字长度。

在其中一个实施例中，所述扩展码字长度通过n’＝n+1计算，其中，n’为扩展码字长度。

在其中一个实施例中，所述基础码字长度的码字个数通过num_base＝2ⁿ⁺¹-q计算，其中，num_base为基础码字长度的码字个数；所述扩展码字长度的码字个数通过num_exp＝2×(q-2ⁿ⁺¹+2ⁿ)计算，其中，num_exp为扩展码字长度码字个数。

一种信源符号概率分布未知的二元编码装置，包括：

基础码字长度计算模块，用于计算基础码字长度；

扩展码字长度计算模块，用于根据所述基础码字长度，计算扩展码字长度；

码字个数计算模块，用于根据基础码字长度、扩展码字长度以及信源符号个数，计算码字长度等于基础码字长度的码字个数以及码字长度等于扩展码字长度的码字个数；

编码模块，用于根据码字长度等于基础码字长度的码字个数以及码字长度等于扩展码字长度的码字个数对信源符号集进行树码图构造，得到编码序列；

编码序列传输模块，用于存储编码序列，并发送编码序列。

在其中一个实施例中，所述基础码字长度计算模块，通过

计算基础码字长度，其中，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数，且q满足q≤r^l，其中，r为编码符号个数，l为码字长度。

在其中一个实施例中，所述扩展码字长度计算模块，通过n’＝n+1计算扩展码字长度，其中，n’为扩展码字长度。

在其中一个实施例中，所述码字个数计算模块包括：

基础码字长度的码字个数的计算单元，用于通过num_base＝2ⁿ⁺¹-q计算基础码字长度的码字个数的，其中，num_base为基础码字长度的码字个数；

扩展码字长度的码字个数的计算单元，用于通过num_exp＝2×(q-2ⁿ⁺¹+2ⁿ)计算扩展码字长度的码字个数的，其中，num_exp为扩展码字长度的码字个数。

一种电子设备，包括：处理器、存储器、总线及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；

其中，所述处理器，存储器通过所述总线完成相互间的通信；

所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法。

一种非暂态计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法。

从上面所述可以看出，本发明提供信源符号概率分布未知的二元编码方法、装置、设备及存储介质，通过计算基础码字长度、扩展码字长度、编码后的码字长度为基础码字长度的码字个数以及编码后的码字长度为扩展码字长度的码字个数，即可进行编码，无需计算信源符号的概率分布，且编码后所得码字集合为唯一可译码，具有较高的编码效率。

附图说明

图1为本发明实施例的信源编码过程的示意图；

图2为本发明实施例的信源符号概率分布未知的二元编码方法的流程图；

图3为本发明实施例的树码图构造过程的示意图；

图4为本发明实施例的信源符号概率分布未知的二元编码方法的树码图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在对信息传输前，对信源编码的过程，可以理解为将信息的原始符号按照一定的数据规则进行变换，使其映射为另一种符号，变换后的符号能够足够表示原始信息，并能够更有效地被机器解析与传输，如图1所示。其中，S＝{s₁,s₂,…,s_q}表示信源符号集合，q为信源符号集合中的信源符号的个数；X＝{x₁,x₂,…,x_r}表示编码所使用的符号集合，r为编码符号个数，称为r元编码，本申请中r为2；W＝{w₁,w₂,…,w_q}表示编码后生成的新的符号集合，被称为码字集合，其中，w_i是由l_i个编码符号x_j∈X组成的符号序列，l_i称为码字长度，简称为码长。应当说明的是，目前所涉及的编码多为二元编码，即采用二进制进行编码。

本申请的发明人发现常用的信源在传输前，对信元进行编码的编码方法，多取决于信源的概率分布，一般不能得到最佳码，且需要反复进行概率计算，实现过程较为繁琐；或采用信源符号概率排序与分组的方法对信源符号进行编码，实现过程较为简单，但仅当信源分组概率较为接近的情况下，才能达到最佳编码效率依赖与信源符号的概率分布；或由于码字长度分布的不均匀性，编译器设计较为复杂，难以应对信源符号多的情形。因此，现有的信源编码方法，当信源符号的概率分布未知时，无法有效实现对信源的编码。

为了解决上述问题，本发明提供了一种信源符号概率分布未知的二元编码方法、装置、设备及存储介质，通过计算基础码字长度、扩展码字长度、编码后的码字长度为基础码字长度的码字个数以及编码后的码字长度为扩展码字长度的码字个数，即可进行编码，无需计算信源符号的概率分布，且编码后所得码字集合为唯一可译码，具有较高的编码效率。

为了便于理解，下面结合附图对该信源符号概率分布未知的二元编码方法进行详细说明。

请参阅图2，为本发明提供的信源符号概率分布未知的二元编码方法的流程图，该方法包括：

S100，获取信源符号集，计算基础码字长度；

S200，根据所述基础码字长度，计算扩展码字长度；

S300，根据基础码字长度、扩展码字长度以及信源符号个数，分别计算码字长度等于基础码字长度的码字个数以及码字长度等于扩展码字长度的码字个数；

S400，根据基础码字长度的码字个数和扩展码字长度的码字个数对信源符号集进行树码图构造，得到编码序列；

S500，存储编码序列，并发送编码序列。

步骤S100中，基础码字长度通过式(I)进行计算。

其中，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数，且q满足q≤r^l，其中，r为编码符号个数，也即编码的元数，

为数学符号下取整，l为码字长度。

为码字集合对应的码字长度集，表示为L＝{l₁,l₂,…,l_q}。

通过式(I)计算基础码字长度，能够使得q(信源符号的个数)、r(编码符号个数)以及l_i(码字长度)三者的关系满足式(Ⅱ)，

即满足唯一可译码存在的充要条件。同时，通过构造码树实现编码，从而使得编码后所得码字集W中的各个码字与信源符号集S中的各个信源符号分别存在一一对应的关系，因此，码字集W为信源符号集S的唯一可译码。

进一步地，通过式(I)计算基础码字长度，可以使得进行等长编码时的编码错误概率尽可能小，同时又不需信源序列长度大到难以实现的程度。等长编码时编码效率

其中，η为等长编码的编码效率，H(S)为信源熵，N为信源序列长度，l为对信源序列进行等长编码时的码字长度。基础码字长度通过式(I)计算时，可以使信源序列长度N满足(IV)。其中，D[I(s_i)]为信源自信息方差，δ∈R⁺为编码允许的错误概率，H(S)为信源熵，η为编码效率。因此，通过式(I)计算基础码字长度，可以使得信源序列的长度满足式(IV)，从而使得进行编码时的编码错误概率δ尽可能小，同时又不需信源序列长度N大到难以实现的程度，最大化的减少编码造成的失真和错误，进而提高了编码效率。

步骤S200中，扩展码字长度可以通过式(Ⅲ)计算。n’＝n+1(Ⅲ)，其中，n’为扩展码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数，且q满足q≤r^l，其中，r为编码符号个数，l为码字长度。

通过式(I)和式(Ⅲ)计算基础码字长度及扩展码字长度，可以使得进行变长编码时，编码后所得码字集相较于等长编码有较小的平均码字长度，从而能够提高编码效率。

步骤S300中，还包括对信源符号集中的信源符号进行分类，将信源符号分为编码后具有基础码字长度的信源符号和编码后具有扩展码字长度的信源符号。

具体地，基础码字长度的码字个数可以通过式(V)计算。num_base＝2ⁿ⁺¹-q(V)，其中，num_base为基础码字长度的码字个数，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数。

具体地，扩展码字长度的码字个数可以通过式(VI)计算。num_exp＝2×(q-2ⁿ⁺¹+2ⁿ)(VI)，其中，num_exp为扩展码字长度的码字个数，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数。

通过式(V)和式(VI)计算基础码字长度的码字个数和扩展码字长度的码字个数，可以使得信源符号编码后所得码字的长度、信源符号的个数以及编码的符号个数三者的关系满足式(VII)。因此，通过式(V)和式(VI)，可以保证编码方法能够得到唯一可译码。

进一步地，通过式(V)和式(VI)计算基础码字长度的码字个数和扩展码字长度的码字个数，可以使得对于任意长度为q的信源符号集合进行变长编码后，存在唯一可译码。编码之后的平均码字长度如式(VIII)所示，其中，

为平均码字长度，n为基础码字长度，

q为信源符号集中信源符号的个数。

满足

即

也就是说平均码字长度存在下界；同时，

还满足

即

也就是说平均码字长度存在上界。因此，

对信源符号集进行编码后所得码字集合具有唯一可译码。

步骤S400中，数码图构造时，采用基于二叉树的方法，按照当后一位编码位的值为0时为左子树，当后一位编码位的值为1时为右子树的方式来进行构造。如图3所示，为二元树码图，树图由树根出发向下延伸出2条树枝，每条树枝标记码符号，树枝尽头称为节点，由每个节点再延伸出2条树枝；当节点为码字节点时，不再向下延伸，图中黑色实心节点为码字节点。

对于数码图的构造，通过下述实施例进行说明。当信源符号集中信源符号的个数q为7时，通过式(I)、式(V)和式(VI)计算可得num_base＝1，num_exp＝6，构造2元树码图，见图4，可得，编码序列为00,010,011,100,101,110,111。

本发明提出的高效率信源符号概率分布未知的二元编码方法，实现前提仅依赖于信源符号个数和编码符号个数，通过计算基础码字长度、扩展码字长度，以及基础码字长度对应的码字个数，扩展码字长度对应的码字个数，能够提高码字长度分布的均匀性，能够保证编码质量，由于平均码长相较于等长编码时较小,因此有较高的编码效率。

本发明还提供一种信源符号概率分布未知的二元编码装置，包括：

基础码字长度计算模块，用于获取信源符号集，计算基础码字长度；

编码序列传输模块，用于存储编码序列，并发送编码序列。

其中，基础码字长度计算模块，通过式(I)计算基础码字长度。

其中，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数，且q满足q≤r^l，其中，r为编码符号个数，

为数学符号下取整，l为码字长度。

为码字集合对应的码字长度集，表示为L＝{l₁,l₂,…,l_q}。

扩展码字长度计算模块，通过式(Ⅲ)计算扩展码字长度。n’＝n+1(Ⅲ)，其中，n’为扩展码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数，且q满足q≤r^l，其中，r为编码符号个数，本申请中编码符号个数为2，l为码字长度。

所述码字个数计算模块，包括：

基础码字长度的码字个数的计算单元，用于通过式(V)计算基础码字长度的码字个数的。num_base＝2ⁿ⁺¹-q(V)，其中，num_base为第一个数，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数；

扩展码字长度的码字个数的计算单元，用于通过式(VI)计算扩展码字长度的码字个数的。num_exp＝2×(q-2ⁿ⁺¹+2ⁿ)(VI)，其中，num_exp为第二个数，n为基础码字长度，q为信源符号集中信源符号的个数。

在本发明的一个实施例中，还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行所述程序时实现上述任一信源符号概率分布未知的二元编码方法。

在本发明的一个实施例中，还提供了一种非暂态计算机可读存储介质，非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，计算机指令用于使计算机执行上述任一信源符号概率分布未知的二元编码方法。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。

此外，可以以框图的形式示出装置，以便避免使本发明难以理解，并且这也考虑了以下事实，即关于这些框图装置的实施方式的细节是高度取决于将要实施本发明的平台的(即，这些细节应当完全处于本领域技术人员的理解范围内)。在阐述了具体细节(例如，电路)以描述本发明的示例性实施例的情况下，对本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下或者这些具体细节有变化的情况下实施本发明。因此，这些描述应被认为是说明性的而不是限制性的。

尽管已经结合了本发明的具体实施例对本发明进行了描述，但是根据前面的描述，这些实施例的很多替换、修改和变型对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。例如，其它存储器架构可以使用所讨论的实施例。

本发明的实施例旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种信源符号概率分布未知的二元编码方法，其特征在于，包括：

获取信源符号集，计算基础码字长度；

根据所述基础码字长度，计算扩展码字长度；

存储编码序列，并发送编码序列。

2.根据权利要求1所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法，其特征在于，所述基础码字长度通过

3.根据权利要求2所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法，其特征在于，所述扩展码字长度通过n’＝n+1计算，其中，n’为扩展码字长度。

4.根据权利要求3所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法，其特征在于，所述基础码字长度的码字个数通过num_base＝2ⁿ⁺¹-q计算，其中，num_base为所述基础码字长度的码字个数；所述扩展码字长度的码字个数通过num_exp＝2×(q-2ⁿ⁺¹+2ⁿ)计算，其中，num_exp为扩展码字长度的码字个数。

5.一种信源符号概率分布未知的二元编码装置，其特征在于，包括：

编码序列传输模块，用于存储编码序列，并发送编码序列。

6.根据权利要求5所述的信源符号概率分布未知的二元编码装置，其特征在于，所述基础码字长度计算模块，通过

7.根据权利要求6所述的信源符号概率分布未知的二元编码装置，其特征在于，所述扩展码字长度计算模块，通过n’＝n+1计算扩展码字长度，其中，n’为扩展码字长度。

8.根据权利要求7所述的信源符号概率分布未知的二元编码装置，其特征在于，所述码字个数计算模块包括：

9.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器、存储器、总线及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序；

所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-4中任一项所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法。

10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-4中任一项所述的信源符号概率分布未知的二元编码方法。