TWI458272B

TWI458272B - 正交多重描述寫碼

Info

Publication number: TWI458272B
Application number: TW099147027A
Authority: TW
Inventors: Hong Jiang; Kim N Matthews; Zulfiquar Sayeed; Paul A Wilford; Lesley J Wu
Original assignee: Alcatel Lucent Usa Inc
Priority date: 2010-01-05
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2014-10-21
Also published as: US20110164672A1; JP5497917B2; TW201145850A; WO2011084908A2; CN103026636A; KR101527267B1; JP2013516905A; WO2011084908A9; CN103026636B; EP2522081A2; WO2011084908A3; KR20120091431A

Description

正交多重描述寫碼

本發明大體上係關於信號處理領域，且更特定而言，係關於經由一通信網路或其他類型之通信媒體傳輸之信號的多重描述寫碼。

在典型的多重描述寫碼配置中，待傳輸之一給定信號係在傳輸器中處理以產生該信號之多重描述，且接著多重描述經由一網路或其他通信媒體傳輸至一接收器。多重描述之每一者可視作相對應於具有不同損耗概率的不同傳輸通道。多重描述寫碼之目的通常是在接收器處提供隨著接收之描述數量增加而改良的一信號重建品質而無需在各種多重描述之間引入過多冗餘。

一已知多重描述寫碼技術通常稱作量化訊框擴展。待傳輸之信號可表示為N維符號向量x ={x ₁ ,x ₂ ,...,x _N }。符號向量乘以訊框擴展變換T以產生M維符號向量y =Tx ={y ₁ ,y ₂ ,...,y _M }，其中變換T係一MxN矩陣且M>N。接著對符號向量y進行量化運算以形成Y=Q(y)。前向誤差校正(FEC)及循環冗餘校驗(CRC)碼在經由一網路傳輸至接收器之前應用於Y。在接收器處，接收之信號受到FEC解碼且使用CRC以偵測符號誤差。使用不具有誤差之符號以重建x 之估計。對於關於此的額外細節及其他習知多重描述寫碼技術，參見2001年9月IEEE Signal Processing Magazine第74-93頁，Vivek K Goyal的「Multiple Description Coding: Compression Meets the Network」。

習知多重描述寫碼技術通常假設通道為所謂之「刪除」通道。利用此等通道，接收器可知道一給定符號或其他資料片段為正確或誤差，且需要給一些機制(諸如上文提及之FEC或CRC碼)提供此能力。但是，FEC或CRC碼僅對誤差偵測或校正有用，及在沒有誤差發生時無法以其他方式用來增強重建之信號的品質。因此，在任何沒有誤差之通道中使用此等碼表示頻寬浪費。

本發明之說明性實施例藉由提供本文稱作正交多重描述寫碼之技術來克服上文描述的習知多重描述寫碼之缺點。

根據本發明之一態樣，一正交多重描述編碼器包括正交多重描述產生電路，該正交多重描述產生電路經組態以藉由使用複數個正交矩陣之各自者處理一給定信號而產生該信號之多重描述。該多重描述之每一者係產生為該信號與該複數個正交矩陣之一相對應者的一函數。

根據本發明之另一態樣，一正交多重描述解碼器包括重建電路，該重建電路經組態以接收一給定信號之各自多重描述且藉由將正交矩陣應用於多重描述之各自者而產生該信號之一估計。

在說明性實施例之一者中，正交多重描述產生電路藉由根據以下方程式將正交矩陣之各自者應用於向量x而產生向量x的M個描述y ⁽ ⁱ ⁾ ：

y ⁽ ⁱ ⁾ =U ⁽ ⁱ ⁾ x ,i =1,...,M 。

意欲廣泛地解釋如本文在應用一矩陣之背景內容中使用之術語「應用」，以便如在利用矩陣之本實施例或其他處理中包括矩陣的乘法。

適於在說明性實施例中使用之一正交矩陣集合的一實例係藉由以下給定之正交矩陣集合：

其中r _i ,i =1,2,...,NM 係按一指定間隔之一隨機數序列，且

可在本發明之其他說明性實施例中使用其他類型之正交矩陣。例如，正交矩陣可藉由以下給定：

U =[u ⁽⁰⁾ ,u ⁽¹⁾ ,...,u ⁽ ^N ^-1) ]，

其中u ⁽ ⁱ ⁾ ,i =0,...,N -1係藉由將一正交化程序應用於分量為隨機數的長度N之向量序列v ⁽ ⁱ ⁾ ,i =0,1...,產生之正規正交向量集合。

相較於習知方法，說明性實施例提供明顯優點。例如，在一或多個此等實施例中，正交矩陣按以下方式引入冗餘：冗餘不僅可用於改良信號重建品質，而且可偵測及校正接收之信號中的誤差。因此，多重描述具有內建於其中的誤差偵測及校正能力。此避免使額外頻寬專用於FEC及CRC之需要，藉此確保在不存在誤差時將不會浪費頻寬，且亦在存在誤差時提供平穩降級。

本發明之此等及其他特徵及優點將從附圖及以下詳細描述變得更清楚。

本文將連同例示性通信系統、處理器件及多重描述寫碼技術圖解說明本發明。但是應理解，本發明並不限於與揭示的特定類型之系統、器件及技術一起使用。例如，可使用除了連同說明性實施例描述之處理器件及程序步驟之外的處理器件及程序步驟，在各種其他通信系統組態中實施本發明之態樣。

圖1展示包括經由一網路105耦合至一接收器104之一傳輸器102的一通信系統100。傳輸器包含一正交多重描述編碼器112且接收器包含一正交多重描述解碼器114。同樣包含於傳輸器102中的是耦合至記憶體122之一處理器120。類似地，接收器104包括耦合至一記憶體132之一處理器130。

傳輸器102可包括適於經由網路105將信號供應至接收器104的一電腦、一伺服器或任何其他類型之處理器件的至少一部分。由傳輸器供應之信號可包括呈任一組合的資料、話音、影像、視訊、音訊或其他類型之信號。此等信號在經由網路傳輸之前係在正交多重描述編碼器112中進行寫碼。

接收器104可包括適於經由網路105從傳輸器102接收信號的一通信器件或任何其他類型之處理器件的至少一部分。例如，可在一可攜式或膝上型電腦、行動電話、個人數位助理(PDA)、無線電子郵件器件、電視視訊轉換器(STB)或其他通信器件中實施接收器。由正交多重描述解碼器114對經由網路105從傳輸器接收之信號解碼。

網路105可包括一廣域網路(諸如網際網路)、都會區域網路、一區域網路、一有線電視網路、一電話網路、一衛星網路以及此等或其他網路之部分或組合。

可使用記憶體122及132以儲存軟體程式，該等軟體程式係由其等相關聯之處理器120及130執行以實施本文描述之功能性。例如，運行於傳輸器102之處理器120上的軟體可用於實施正交多重描述編碼器112之至少一部分，而運行於接收器104之處理器130上的軟體可用於實施正交多重描述解碼器114之至少一部分。記憶體122及132之一給定者可為一電子記憶體，諸如隨機存取記憶體(RAM)、唯讀記憶體(ROM)或此等及其他類型之儲存器件的組合。此一記憶體係在本文中更常稱作一電腦程式產品或更常稱作具有體現於其中之可執行程式碼的一電腦可讀儲存媒體的一實例。電腦可讀儲存媒體之其他實例可包含呈任何組合的磁碟或其他類型之磁性媒體或光學媒體。

傳輸器102及接收器104之每一者可包含以習知方式組態之額外組件。例如，此等元件之每一者將通常包含用於與網路105介接的網路介面電路。

圖1之系統100中利用的正交多重描述寫碼使用正交矩陣產生多重描述。如下文更詳細地描述，正交矩陣按以下方式引入冗餘：冗餘不僅可用於改良信號重建品質，而且可偵測及校正接收之信號中的誤差。因此，多重描述具有內建於其中的誤差偵測及校正能力。因此，當使用如本文揭示之正交多重描述寫碼時，不需要額外及分離機制(諸如FEC及CRC)提供誤差偵測及校正，且在不存在誤差時不會浪費頻寬。每一傳輸之位元能夠用於品質增強及誤差防護二者，使得甚至在不存在誤差時，仍無傳輸之位元被浪費。還有，存在誤差時的降級比在基於FEC及CRC之習知方法的情況下更平穩。

作為更特定之實例，網路105可包括用於將視訊從多媒體伺服器傳輸至多重用戶端器件之一多播或廣播網路。在此實例中，正交多重描述寫碼容許視訊位元串流按以下方式傳輸至各自用戶端器件：由用戶端器件的任何給定者所接收之位元串流中的所有位元可由實施於該用戶端器件中之視訊解碼器使用來改良重建之視訊品質。

圖2展示本發明之實施例的一更詳細視圖。在此實施例中，系統200包含一傳輸器，該傳輸器包括一正交多重描述產生器模組202、一純量量化模組204及一序列化及交錯模組206。傳輸器經由一網路210與包括一解交錯及平行化模組212、一誤差偵測及校正模組214及一重建模組216的一接收器通信。模組202、204及206可視作(例如)集體包括圖1之傳輸器102中之正交多重描述編碼器112的一實施方案。類似地，模組212、214及216可視作(例如)集體包括圖1之接收器104中之正交多重描述解碼器114的一實施方案。

圖2中所示之各種模組可視作用於實施相關聯功能性的電路之實例。此電路可包括經適當修改而以本文描述之方式操作的已知習知編碼及解碼電路。例如，此電路之部分可包括與圖1之處理器120、130及記憶體122、132相關聯的處理器及記憶體電路。其他實例包含矩陣乘法電路或其他類型之算術邏輯電路、數位信號處理器、收發器等。熟悉此項技術者熟知此電路之習知態樣且因此將不在本文中進行詳細描述。

在圖2實施例中，x 表示待傳輸之訊息，且更特定而言包括實數向量：

例如，x可為話音寫碼、影像壓縮或視訊壓縮程序中產生的變換係數集合。作為JPEG影像壓縮案例的更特定實例，x可為8x8 DCT係數，x可為一列或一行8x8 DCT係數，x可為一像素下Y、Cr、Cb之DCT係數，或x可為不同類型之此等係數的組合。當然，如先前所指示，可使用本文揭示之正交多重描述寫碼技術傳輸各種其他類型之資訊。

待傳輸之原始訊息x可應用於正交多重描述產生器202。自此原始訊息產生M個訊息。此等訊息稱作正交多重描述訊息。M個訊息之每一者係原始訊息x的描述。可使用任一正交多重描述訊息或此等訊息之任何子集來重建原始訊息的近似值。重建中使用越多訊息，重建之訊息就越精確地接近原始訊息。

在本實施例中，按以下方式在模組202中產生正交多重描述訊息。使M =2k +1為正整數，且使U ⁽ⁱ⁾ ,i =1,2,...,M 為維數N ×N 的正交矩陣：

(U ⁽ ⁱ ⁾ )^T U ⁽ ⁱ ⁾ =U ⁽ ⁱ ⁾ (U ⁽ ⁱ ⁾ )^T =I ,i =1,...,M ，

其中I為N ×N 單位矩陣，且T指示矩陣轉置運算。藉由將正交矩陣之各自者應用於原始訊息x而產生M個訊息：

y ⁽ ⁱ ⁾ =U ⁽ ⁱ ⁾ x ,i =1,...,M 。

在模組204中使用純量量化函數使所得訊息量化：

Y ⁽ ⁱ ⁾ =Q (y ⁽ ⁱ ⁾ )=Q (U ⁽ ⁱ ⁾ x ),i =1,...,M

量化訊息在模組206中被序列化及交錯，且經由網路210傳輸至包括模組212、214及216的接收器。

經由網路接收之資料在模組212中被解交錯及平行化以形成接收之訊息：

接收之訊息由於歸因於經由網路210傳輸的誤差而不同於各自傳輸之訊息Y ⁽ ⁱ ⁾ 。

在模組214中執行誤差偵測及校正以產生估計之訊息：

在重建模組216中使用估計之訊息,i =1,...,M 以產生接近原始訊息x的一估計。

現在將詳細描述用於在產生器202中產生多重描述之各自者的M個正交矩陣之一實例。若U ^T U =UU ^T =I ，則N ×N 矩陣U 為正交。使r _i ,i =1,2,...,NM 為按間隔[0,1]的隨機數序列。藉由以下定義每一者長度N的M個向量

接著正交矩陣計算為如下：

此等例示性正交矩陣應為圖2之系統200中的傳輸器及接收器二者所知。

應注意，可使用許多其他技術來產生用於在本發明之實施例中的正交多重描述寫碼中使用之正交矩陣。現在將描述用於產生正交矩陣之另一例示性技術。

使v ⁽ ⁱ ⁾ ,i =0,1...,係分量為隨機數的長度N之向量序列。可使用正交化程序(諸如熟悉此項技術者熟知的Gram-Schmidt 程序)來建立N個正規正交向量集合u ⁽ ⁱ ⁾ ,i =0,...,N -1。正規正交向量具有以下性質：

在建立正規正交向量之後，可使用其等來形成如下的正交矩陣行：

U =[u ⁽⁰⁾ ,u ⁽¹⁾ ,...,u ⁽ ^N ^-1) ]。

可藉由使用具有隨機分量的更多向量序列v ⁽ ⁱ ⁾ ,i =0,1...,來產生更多此等正交矩陣。

再次，僅藉由說明性實例呈現用於產生正交矩陣的前述技術，且在實施本發明中可使用許多其他正交矩陣產生技術。

如上文所提及，對於每一正交矩陣U ⁽ ⁱ ⁾ ，吾等產生y ⁽ ⁱ ⁾ =U ⁽ ⁱ ⁾ x ，且使用純量量化使y ⁽ ⁱ ⁾ 量化以產生傳輸之訊息。傳輸之訊息為

Y ⁽ ⁱ ⁾ =Q (y ⁽ ⁱ ⁾ )=Q (U ⁽ ⁱ ⁾ x )=U ⁽ ⁱ ⁾ x +Δ⁽ ⁱ ⁾ ,i =1,...,M

其中Δ⁽ ⁱ ⁾ =為量化誤差。假設：,,i ≠j 或p ≠q 係按具有均勻分佈的互相獨立隨機變量。使每一訊息中之量化誤差變異數為

其中E (‧)表示期望值。

不存在誤差時的重建如下進行。可使用任何數量的傳輸之訊息來重建原始訊息x。使為p 個傳輸之訊息。在模組216中重建原始訊息之方式的一實例係如下：

此實例中的重建之訊息中的誤差變異數為

因此，在此實例中，隨著p 變大，誤差變異數變小。此意味著在重建中使用越多無誤差訊息，重建就變得越精確。

現在將更詳細地描述在模組214中實施之誤差偵測及校正。若產生及傳輸M =2k +1之正交訊息，且若至多k個接收之訊息含有誤差，則可偵測及校正含有大誤差之訊息。可在O (M ² )運算中實現誤差偵測及校正，即運算數量具有在計算上易操縱的約M ² 之大小。將接收之訊息中的通道誤差定義為e ⁽ ⁱ ⁾ =-Y ⁽ ⁱ ⁾ ，其中係傳輸之Y ⁽ ⁱ ⁾ 的接收訊息。將通道誤差範數定義為。將最大量化誤差定義為δ=max{∥Δ⁽ ⁱ ⁾ ∥,i =1,..,M }。若∥e ⁽ ⁱ ⁾ ∥>4δ，則接收之誤差定義為大。同樣將誤差校驗子定義為

從以上定義明白

可知若具有指數p 的接收之訊息含有大誤差(即，若∥e ⁽ ^p ⁾ ∥>4δ)，則至少存在具有指數i 的k +1個訊息，其中∥ε(i ,p )∥>2δ。此在本文中稱作性質1，且可按以下方式展示。具有指數p 的訊息中之誤差由e ⁽ ^p ⁾ =-Y ⁽ ^p ⁾ 給定。因為至多存在k 個含有誤差的訊息，所以至少存在k +1個並不含有誤差的訊息。將含有接收為不具有錯誤之訊息的所有指數之集合定義為

接著為S _c 中之指數數量的S _c 之基數滿足|S _c | k +1。使i S _c ，則

以上展示，S _c 中之任一指數具有性質∥ε(i ,p )∥>2δ。因為在S _c 中存在至少k +1個指數，此證明性質1。

再次假設M =2k +1且假設至多k 個接收之訊息含有誤差。若具有指數p 的接收之訊息不含有誤差，則至多存在k 個具有指數i 的訊息，其中∥ε(i ,p )∥>2δ。此在本文中稱作性質2，且可按以下方式展示。因為具有指數p 的訊息不具有誤差，所以=Y ⁽ ^p ⁾ 。使i S _c ，則

因此，至少存在k +1個具有指數i 的訊息，其中∥ε(i ,p )∥2δ。因為總共存在2k +1個訊息，所以至多存在k 個具有指數i 的訊息，其中∥ε(i ,p )∥>2δ。此證明性質2。

如下，在模組214中實施基於以上原理的誤差偵測。對於M =2k +1個接收之訊息,i =1,...,M ，計算校驗子∥ε(i ,j )∥,i ,j =1,...,M 。應注意對稱性∥ε(i ,j )∥=∥ε(j ,i )∥。因此，僅需要計算總共M (M +1)/2個校驗子。接著，找到具有指數p 的所有訊息，使得至少存在k +1個具有∥ε(i ,p )∥>2δ的校驗子。具有大誤差的任一訊息根據性質1必須為此等訊息之一者。此外，任一此信息必須含有誤差，因為根據性質2，沒有誤差的訊息可至多具有k個具∥ε(i ,p )∥>2δ的校驗子。正式定義

S _L ={p |至少存在k +1個具有指數i 的訊息，使得∥ε(i ,p )∥>2δ}。

接著，集合S _L 及S _c 不具有交集，即S _L S _c =φ。具有大誤差之所有訊息的其等指數必須在S _L 中，即，若∥e ⁽ ⁱ ⁾ ∥>4δ，則i S _L 。同樣，具有不在S _L 中的指數之所有訊息不具有誤差，或具有小誤差，因為若i S _L ，則∥e ⁽ ⁱ ⁾ ∥4δ。

使用先前演算法偵測具有大誤差的接收之訊息且其等指數集中在集合S _L 中。可使用以下演算法校正此等訊息，此亦在模組214中實施。

使P =|S _L |(S _L 中的指數數量)。對於具有指數p S _L 的每一偵測之訊息，校正之訊息由以下定義

以上校正之訊息可不精確等於傳輸之訊息Y ⁽ ^p ⁾ ，但是目的不是找到傳輸之訊息，而是重建原始訊息。

相較於原始訊息，校正之訊息中的誤差為

可藉由增加k 使以上誤差成為任意小。

在誤差偵測之後，可藉由重建接近原始訊息：

以上重建之訊息可不等於原始訊息x ，但是該重建之訊息為原始訊息的充分近似值。相較於原始訊息x ，重建之訊息中的誤差與先前給定的相同，即

可再次藉由增加k 使此成為任意小。

應注意，對於上文描述之例示性重建及誤差校正技術，使用校正之訊息,i S _L 來替代估計之訊息,i S _L 不會增加精確度。但是，亦可使用其他重建技術(諸如上文引述的V. Goyal參考文獻中的該等重建技術)，且可藉由使用此重建中的校正之訊息額外增加精確度。

如先前所提及，上文描述之正交多重描述寫碼技術很有利，原因在於因使用產生多重描述之正交矩陣所引入之冗餘不僅可用於改良信號重建品質，而且可偵測及校正接收之信號中的誤差。此避免使額外頻寬專用於FEC及CRC之需要，藉此確保在不存在誤差時將不會浪費頻寬，且亦在存在誤差時提供平穩降級。

圖2系統之各種替代實施例為可行。例如，一個此種實施例可僅包含模組202、204、214及216，其中排除序列化及交錯功能性。在此一配置中，可經由各自分離之平行通道(而非序列化及交錯地)傳輸量化器204之輸出處的多重描述。

一給定實施例亦可僅包含誤差偵測能力，而不是如圖2實施例中的誤差偵測及誤差校正能力二者。大體上相對應於模組214但是經組態僅偵測誤差之一模組係在本文中更常稱作「誤差防護電路」的一實例。此電路亦意欲包括模組214。

圖3展示包括實施正交多重描述寫碼之一多媒體伺服器302的一通信系統300之另一實例。伺服器302被假設包含包括如上文描述之模組202、204及206的一正交多重描述編碼器。可藉由修改另外習知視訊編碼器以併入模組202、204及206來實施正交多重描述編碼器。多媒體伺服器利用此編碼器以按先前描述之方式產生一視訊信號之多重描述。此等描述係經由一網路305傳輸至在此實例中包含器件304-1、304-2、304-3及304-4的行動用戶端器件。每一此器件被假設為包含包括模組212、214、216的一正交多重描述解碼器。可藉由修改另外習知視訊解碼器以併入模組212、214及216來實施此等解碼器之每一者。網路305可包括用於將視訊從多媒體伺服器302傳輸至多重用戶端器件304的一多播或廣播網路。

系統300亦可或者使用正交多重描述寫碼以傳輸影像、語音、音訊、資料或任何其他類型之信號。

如先前所指示，可至少部分以儲存於一通信系統之傳輸器或接收器的一記憶體或其他電腦可讀媒體中的一或多個軟體程式之形式實施本發明之實施例。可至少部分使用軟體程式實施系統組件，諸如模組202、204、206、212、214及216。當然，可在實施根據本發明實施例之此等及其他系統元件中利用呈任一組合之硬體、軟體或韌體的許多替代配置。例如，可在呈任一組合的一或多個場可程式化閘陣列(FPGA)、特殊應用積體電路(ASIC)或其他類型之積體電路器件中實施本發明之實施例。此等積體電路器件以及其等之部分或組合係如本文使用之「特殊應用積體電路(ASIC)」術語之「電路」的實例。

應再次強調，上文描述之實施例僅為了說明之目的，且不應解釋為以任何方式作出限制。其他實施例可取決於特定多重描述寫碼應用之需要使用不同類型之通信系統組件、器件組態及通信媒體。因此，替代實施例可利用本文在其中期望實施有效多重描述寫碼之其他背景內容中描述的技術。同樣，亦應注意，描述說明性實施例之背景內容中所作之特定假設不應視作本發明之必要條件。可在其中並不應用此等特定假設之其他實施例中實施本發明。熟悉此項技術者將易於瞭解隨附申請專利範圍之範疇內的此等及許多其他替代實施例。

100．．．通信系統

102．．．傳輸器

104．．．接收器

105．．．網路

112．．．正交多重描述編碼器

114．．．正交多重描述解碼器

120．．．處理器

122．．．記憶體

130．．．處理器

132．．．記憶體

200．．．系統

202．．．正交多重描述產生器模組

204．．．純量量化模組

206．．．序列化及交錯模組

210．．．網路

212．．．解交錯及平行化模組

214．．．誤差偵測及校正模組

216．．．重建模組

300．．．通信系統

302．．．多媒體伺服器

304-1、304-2、304-3至304-n．．．器件

305．．．網路

圖1係實施本發明之說明性實施例中之正交多重描述寫碼的一通信系統之方塊圖。

圖2展示實施本發明之另一實施例中之正交多重描述寫碼的一通信系統之更詳細視圖。

圖3係包括實施本發明之另一實施例中之多重描述寫碼的一多媒體伺服器之一通信系統的方塊圖。