無線信道中的聯(lián)合信源信道編碼

1、無線信道中的聯(lián)合信源信道編碼【摘要】：本文提出了一種噪聲軎道下傳輸漸詩f17像的璇合緒源悟道編碼方法該方法根據(jù)信遺條件的好壞動態(tài)的礬整信源編碼速率和信道編碼速率，閣此極大地提高了系統(tǒng)的性能和編碼教率同時該方法還具有結構簡單，易于實現(xiàn)等優(yōu)點試驗證明本方法與以前文獻中提出的EEP打法以及UEP方法相比在信噪比低時即信道條件惡劣的情況下，能夠明顯提高恢復圖像的質量【關鍵詞】： 漸進，聯(lián)合信源信道編碼， SPlIHT，RCPC序 言隨著多媒體技術的發(fā)展，在無線信道中(包括個人通信系統(tǒng)及衛(wèi)星通信系統(tǒng))如何傳輸視頻和圖像已成為人們關注的一大焦點無線信道給人們帶來的巨大挑戰(zhàn)，就是其傳輸?shù)牟豢煽啃?極易出現(xiàn)誤

2、碼)這是由其固有的特點一即頻帶資源有限，傳輸信道時變的錯誤特性所決定的。以往的圖像姬信中，人們往往將信源編碼和信道編碼分開進行，遵循于香農(nóng)tSI-ail兒on)定理然而，由于無線信道車身特點造成的問題。照搬定律將不能獲得良好效果例如，香農(nóng)定理沒有對信道的錯誤特性做任何分析，并且沒有考慮信源、信道資源的充分利用問題等等近年來，將信源編碼與信道編碼相結合的思想受到了人們的日益重視已有許多文獻利用聯(lián)合信源信道編碼對無線唐道中的多媒體(圖像、視頻)傳輸做了研究。本文提出了一種無線信道中傳輸圖像的基于小波SPIHT的聯(lián)合信源信道編碼方法，主要思想是采用基f小波SPIHT的信源編碼，并對編碼后的比特流按其

3、重要性進行不等錯誤保護。由于小波SPIHT算法的內嵌編碼特性(漸進傳輸和碼率可調)，我們根據(jù)無線信道的時變特性自適應地改變信源編碼的速率，同時改變RCPG信道編碼速率，以達到既保證圖像的傳輸質量，又不增加額外的帶寬的目的即當信道環(huán)境惡劣時，我們通過少傳甚至不傳非重要部分(圖像的高頻分量)來降低信源編碼的編碼速率，同時增強對信源編碼后重要部分的信道編碼的保護強度；而當信道環(huán)境較好時我們通過適當增加非重要部分(圖像細節(jié)部分)的傳輸來提高信源編碼的編碼速率，同時減小信道編碼的保護強度。1基于小波SPIHT的圖像編碼算法SPIHT算法是由Said和Pearlnan提出的對Shapiro的內嵌零樹小波E

4、ZW算法的改進其顯著特點是極低的計算復雜度和高質量的恢復圖像，它打破了傳統(tǒng)編碼算法中編碼效率與復雜度同步增長的界限，并且合理利用了小波分解后的多分辨率特性，獲得了優(yōu)良的編碼性能同現(xiàn)有的其它編碼方法相比，它不僅在性能上具有很高的信噪比和較好的豐觀視覺質量，而且編譯碼速度快，同時具有內嵌編碼的特征，能夠終止千所需的碼率或圖像質量處，適合于逐漸浮現(xiàn)式的圖像傳輸。SPIHT繼承了如圖1所示的小波系數(shù)的零樹(空間定位樹)結構，該算法將某一樹結點及其所有后繼結點劃歸為同一集合，集合的分割過程是不斷地將一個集合分成4個子集再分別對每個子集進行重要性測試的過程重要性測試函數(shù)定義為其中Cij表示坐標為(i，j)

5、處的小波系數(shù)值，n表示第n層比特平面，r為某個子集如果集合中所有元素的幅值小于某閥值(即該集合是不重要的)，則使片j一個比特即可表示，這樣就大大簡化了集合的表示由于變換系數(shù)在空間定位樹結構中的相似性，使采用這種集合分割后的排序算法具有高效率的特點SPIHT算法分為4個步驟，即(1)初始化：(2)排序過程：(3)細化過程：(4)步長更新：n自減，跳回步驟（2）。從上述算法中可以看出；初始化過程與EZW完全相同，細化過程類似干EZW編碼的逐次逼近量化過程，而SPIHT改進了EZW的重要圖的表示方法，也就是重要像素在表中的排序信息，使得集合的表示更為精簡，從而提高了編碼效率2基于不等錯誤保護的RCP

6、C信道編碼RCPC碼是在增信刪余卷積碼的基礎上提出來的一種速率可變卷積碼它對一個速率為1N的碼字以周期P進行增信刪余，從而得到一組速率為P(P+l)的碼字，其中f可以是從l到1到（N-1）P中的任意一個整數(shù)RCPC碼的速率可變特性是由它的增信刪余碼表決定的在碼表中，所有高速率的碼字都包含在低速率的碼字中如果高速率的碼字的糾錯能力不夠強，我們只需增加先前刪余的碼字來降低信道編碼碼率，提高其糾錯能力。假設碼的自由距離為df，碼字中重量為d的碼序列數(shù)為ad，錯誤路徑距離為d的概率為Pd，則錯誤譯碼事件的概率的上界為：假設在一個增信刪余周期內所有重量為d的非零信息位總數(shù)為cd，則誤比特率的上界為：3聯(lián)

7、合信源信道編碼原始圖像經(jīng)過信源SPIHT圖像編碼器)編碼，產(chǎn)生的碼流被打包分成長度固定的數(shù)據(jù)塊對每個數(shù)據(jù)塊加以16bit的循環(huán)冗余校驗(CRC)后，碼流將通過RCPC信道編碼器。經(jīng)過信道傳輸后，接收端將首先經(jīng)過RCPC解碼器，再經(jīng)過CRC解碼和解分組當CRC解碼發(fā)現(xiàn)了RCPC未能糾正的錯誤時，為了防止錯誤傳播，解分組將結束，該錯誤所在數(shù)據(jù)塊之后的所有碼流將被丟棄SPIHT信源編碼器只利用接收到的正確數(shù)據(jù)恢復原始圖像RCPC編碼器對不同的比特段給予不等錯誤保護，其初始的保護等級足預先確定好的并且對解碼端是已知的開始傳輸后，系統(tǒng)將根據(jù)解碼端的反饋參數(shù)來實時的調節(jié)-信源編碼的傳輸速率以及各比特段的錯

8、誤保護等級，并將新的RCPC編碼參數(shù)放在碼流頭部，傳輸給解碼端。當信道條件惡劣時。系統(tǒng)將減少傳輸信源編碼產(chǎn)生的碼流的分組數(shù)，并且增加對碼流的保護，而當信道條件好時。系統(tǒng)將增加信源的傳輸分組數(shù)同時降低對碼流的保護實際上，總的傳輸速率是不變的信道條件差時增加對信源保護的冗余比特是以減少的傳輸分組數(shù)為代價的即原本為了提高恢復圖像而傳輸?shù)膱D像細節(jié)部分變成來保護前面圖像主體部分的冗余比特系統(tǒng)所要解決的關鍵問題就在于，如何動態(tài)地調整信源的傳輸分組數(shù)以及各分組的錯誤保護等級下面我們將對此問題做洋細討論假設將SPIHT編碼器以編碼速率Rsbpp產(chǎn)生的比特分成N組，每組k個比特則一幅圖像所包含的總比特數(shù)為總比特

9、數(shù)： (1)其中Ns表示該圖像的總樣點數(shù)： (2)如果有i個分組被正確接收則圖像就以速率（ik/Ns）bpp重建，因此我們定義rs=k/Nsbpp為每個分組的編碼速率這樣，Rs即為所有的分組都被正確接收時的信源編碼速率； (3)假設信道編碼分配策略將速率分配給第i個信源分組，則分配策略集合即表示為一系列信道編碼速率的集合那么對應于策略的系統(tǒng)傳輸速率Rt(信道符號數(shù)像素數(shù))為 (4)式中Rc為總信道編碼速率，表示第i個信源分組的信道編碼速率由于信源采用SPIHT算法，編碼出來的比特的重要性幾碼流呈遞減的趨勢，即越靠前的比特越重要，因此我們對各分組的保護等級應滿足以下關系： (5)為了便于分析，假

10、設將信源分組進行三等分，并對這三部份分別進行不等錯誤保護則分配策略即為,這里L1+L2+L3=N(),且L1=L2=L3如圖3所示為了在信道惡劣的條件下仍保持較好恢復質量的圖像，系統(tǒng)將根據(jù)接收端反饋的參數(shù)來動態(tài)調節(jié)信源的傳輸分組數(shù)和RCPC對備分組段的錯誤保護等級我們選擇變量分組丟棄率(plf)為接收端反饋的參數(shù)，并將其定義為接收端在CRC發(fā)現(xiàn)錯誤后丟棄的信源分組數(shù)與SPIHT編碼器產(chǎn)生的總的信源分組數(shù)的比值系統(tǒng)編碼端將根據(jù)此參數(shù)來確定信源的傳輸分組數(shù)以及RCPC對各分組的錯誤保護等級根據(jù)plf的不同取值系統(tǒng)將采用不同的選擇策略(1)如果23<plf<1，系統(tǒng)將增加對第三部分的保護

11、等級，即降低，并且將L3減少Ld則分配策略變?yōu)橛捎赗T恒定，則有（4）式可得：由（5）式可知，Ld應滿足(2)當13<plf<23時，系統(tǒng)將增加對第二部分的保護強度，即降低，并將L3減少Ld，則策略變?yōu)椋c第一種情況類似，由（4）式可得，選擇Ld時應滿足(3)如果o<plf<l3，則系統(tǒng)增加對第一部分的保護等級即降低，并將L3減少Ld，此策略變?yōu)橥砜傻?，選擇Ld時應滿足條件由于系統(tǒng)動態(tài)凋整信道編碼策略，因此需要將信源各分組的錯誤保護等級做為附加信息傳遞給解碼端又由于率系統(tǒng)采用RCPC編碼，編譯碼器可預知供選擇的RCPC速率值，這樣我們僅需傳送RCPC的速率索引序號即可

12、。對于三重不等錯誤保護，最多只需傳送3lg9 =12bit(例如分辨率為512×512，信源編碼速率為0.5bpp的圖像，系統(tǒng)僅增加了0.009bpp的附加速率。)可見。附加信息對丁系統(tǒng)的傳輸速率膨響很小。6結論本文提出了一種噪聲信道下傳輸漸進圖像的聯(lián)合信源信遭編碼方法該方法根據(jù)信道條件的好壞動態(tài)地調整信源編碼速率和信道編碼速率，因此極大地提高了系統(tǒng)的性能和編碼效率與以前提Hl的各方法相比，本文的方法具有以下優(yōu)點：(1)許多文獻提出的方法在設計信道編碼時，為保證一定的傳輸質量，總是為最差的j占遵情況設計保護策略，這樣當信道條件好時，編碼的效率將降低因為過量的比特用丁做保護，而過少的比特用于信源編碼而本文提出的方法能夠根據(jù)信道條件的不同而自適應地調整信道和信源速率，既提高了編碼效率，又提高了圖像質量(2)本文提出的