專利名稱：可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制的編譯碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域的一種聯(lián)合編譯碼方法，具體涉及一種適用于可變長(zhǎng)符號(hào)的聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制編譯碼方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的無(wú)線通信系統(tǒng)中，信源編碼、信道編碼與調(diào)制通常是三個(gè)獨(dú)立環(huán)節(jié)，分別對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其中，信源編碼的目的是進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，通常采用壓縮效率較高的可變長(zhǎng)編碼(Variable Length Coding，簡(jiǎn)稱VLC)方法，但是VLC對(duì)信道差錯(cuò)非常敏感，較少的比特差錯(cuò)就能導(dǎo)致碼字序列失去同步，進(jìn)而產(chǎn)生錯(cuò)誤擴(kuò)散。信道編碼的目的是對(duì)信源編碼后的序列增加一些冗余信息，從而提高數(shù)據(jù)抗干擾和差錯(cuò)控制的能力，但是目前常用的信道編碼方案(如Turbo碼、LDPC碼等)都是比特級(jí)信道編碼方案，不能有效利用符號(hào)信源的冗余信息。調(diào)制的目的是在有限的帶寬和功率約束條件之下，將信源信息經(jīng)過(guò)特定信道傳輸出去。根據(jù)信道條件的不同，常采用不同的調(diào)制方式(如移動(dòng)通信中采用MPSK、深空通信中采用LD-MPSK等)，但是目前常用的調(diào)制方式主要是定長(zhǎng)比特級(jí)調(diào)制，且沒(méi)有糾錯(cuò)能力。經(jīng)典的圖像、視頻國(guó)際壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)(JPEG、H.264和MPEG-4等)都采用了可變長(zhǎng)信源編碼的方法。這種可變長(zhǎng)信源編碼比特流中一般還包含一部分剩余信源冗余，這些冗余可被用于差錯(cuò)控制，提高編碼系統(tǒng)的整體傳輸性能。符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道編碼方法就是根據(jù)這一思路發(fā)展出來(lái)的，根據(jù)實(shí)際通信系統(tǒng)的信道、噪聲等特點(diǎn)，對(duì)信源和信道編碼進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以獲得比分離系統(tǒng)更好的性能。近年來(lái)，對(duì)聯(lián)合信源信道編譯碼方法的研究越來(lái)越多，其中，利用可變長(zhǎng)信源編碼的剩余信源冗余進(jìn)行差錯(cuò)控制，并與接近香農(nóng)限的Turbo信道編碼相結(jié)合的聯(lián)合可變長(zhǎng)信源信道編譯碼方法，與傳統(tǒng)分離通信系統(tǒng)比較，編碼系統(tǒng)的整體傳輸性能得到了較大的提高，成為了編碼界的研究熱點(diǎn)。常用的調(diào)制技術(shù)都是基于比特級(jí)信息流進(jìn)行調(diào)制的，且不提供差錯(cuò)控制的能力。1982年，Ungerboeck提出了網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)技術(shù)，將網(wǎng)格編碼與調(diào)制相結(jié)合，利用星座點(diǎn)加倍和子集劃分的方法，增大調(diào)制星座點(diǎn)的最小歐式距離，在不增加信道帶寬的情況下，獲得3 6dB的編碼增益。在此基礎(chǔ)上，Pietrobon提出了多維TCM，將星座點(diǎn)映射到多個(gè)調(diào)制星座圖上，進(jìn)一步提聞?wù){(diào)制效率。綜合已有的聯(lián)合編譯碼方法，聯(lián)合信源信道的編譯碼方法可適用于可變長(zhǎng)符號(hào)，但是沒(méi)有與調(diào)制技術(shù)相結(jié)合；與調(diào)制相結(jié)合的聯(lián)合編譯碼方法只適用于定長(zhǎng)比特級(jí)信源。因此，針對(duì)可變長(zhǎng)符號(hào)，已有的聯(lián)合編譯碼方法不能達(dá)到最優(yōu)性能。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決聯(lián)合信源信道編碼系統(tǒng)性能受限和現(xiàn)有聯(lián)合編碼調(diào)制系統(tǒng)不適用于圖像、視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)這兩個(gè)問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制的編譯碼方法，該方法基于LD-MPSK調(diào)制技術(shù)，利用符號(hào)信源的冗余信息設(shè)計(jì)符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制規(guī)則，在不增加額外信道冗余的情況下能夠提高系統(tǒng)的整體傳輸性能。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:在編碼器端，首先對(duì)信源比特序列進(jìn)行符號(hào)級(jí)游程編碼，信源比特序列經(jīng)過(guò)符號(hào)級(jí)游程編碼后轉(zhuǎn)化為由N個(gè)符號(hào)組成的信源符號(hào)序列，然后對(duì)這個(gè)N符號(hào)的信源符號(hào)序列進(jìn)行符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制，最后將符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制信號(hào)發(fā)射到無(wú)線信道中。對(duì)N個(gè)符號(hào)組成的信源符號(hào)序列進(jìn)行符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制采用的技術(shù)方案是，首先對(duì)LD-MPSK多維調(diào)制星座圖中的星座點(diǎn)集合進(jìn)行子集劃分，然后利用非等概N符號(hào)信源的符號(hào)級(jí)先驗(yàn)概率，在多維調(diào)制星座子集中選取最優(yōu)的N個(gè)多維星座點(diǎn)與N個(gè)信源符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，從而得到信源符號(hào)與多維調(diào)制星座點(diǎn)的一一映射關(guān)系，最后按照這一映射關(guān)系對(duì)信源符號(hào)序列進(jìn)行LD-MPSK調(diào)制。在譯碼器端，進(jìn)行編碼的逆過(guò)程，對(duì)接收到的有噪調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)軟判決星座點(diǎn)信息，再對(duì)其進(jìn)行符號(hào)級(jí)多維星座點(diǎn)逆映射，最后經(jīng)過(guò)符號(hào)級(jí)游程譯碼器得到聯(lián)合譯碼后的比特序列。本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)符號(hào)級(jí)信源與多維調(diào)制的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制不但能夠提供信道編碼和調(diào)制的作用，并且在調(diào)制階段充分利用信源符號(hào)的冗余信息，同時(shí)增大信源符號(hào)的最小漢明距離和所對(duì)應(yīng)星座點(diǎn)的最小歐式距離，在不增加額外信道冗余的情況下能夠提高系統(tǒng)的整體傳輸性能，適用于圖像、視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)。


圖1.可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源與多維調(diào)制編譯碼系統(tǒng)。圖1中，1.可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制編碼模塊，2.無(wú)線信道，3.可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制譯碼模塊，4.信源比特序列S，5.符號(hào)級(jí)游程編碼器，6.信源符號(hào)序列S，7.符號(hào)級(jí)多維星座映射器T，8.符號(hào)星座點(diǎn) ，9.符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制器，10.調(diào)制信號(hào)，11.無(wú)線信道噪聲，12.有噪調(diào)制信號(hào)，13.符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維解調(diào)器，14.解調(diào)軟判決星座點(diǎn)信息C )，15.符號(hào)級(jí)多維星座逆映射器Γ1，16.軟判決符號(hào)信息Ldm(s)，17.符號(hào)級(jí)游程譯`碼器，18.聯(lián)合譯碼比特信息序列5。圖2中，19 26為8個(gè)幅度相同，相位不同的星座點(diǎn)，分別為19.(0/000),20.(1/001) ,21.(2/010) ,22.(3/011) ,23.(4/100) ,24.(5/101) ,25.(6/110) ,26.(7/111)。27表示8PSK星座圖中兩個(gè)星座點(diǎn)間的最小均方歐式距離。圖3，2D-8PSK 星座圖。圖3為2D-8PSK多維調(diào)制的星座圖，其中30 93分別代表2D-8PSK的64個(gè)二維星座點(diǎn)。每個(gè)二維星座點(diǎn)由兩個(gè)一維8PSK星座點(diǎn)組合而成，以這兩個(gè)一維8PSK星座點(diǎn)集合作為坐標(biāo)系，組成8X8個(gè)2D-8PSK星座點(diǎn)，每個(gè)2D-8PSK星座點(diǎn)以兩個(gè)八進(jìn)制數(shù)表示，30.(00) ,31.(01) ,32.(02)，—,37.(07) ；38.(10) ,39.(11)，—,45.(17) ；...；86.(71)，87(72),…,93(77)。圖3中每行的8個(gè)二維星座點(diǎn)的第一維坐標(biāo)相同,例如,94表不第一維坐標(biāo)均為O的8個(gè)2D-8PSK星座點(diǎn)；每列的8個(gè)二維星座點(diǎn)的第二維坐標(biāo)相同，例如，95表示第二維坐標(biāo)均為O的8個(gè)2D-8PSK星座點(diǎn)。計(jì)算2D-8PSK星座圖中兩個(gè)星座點(diǎn)之間的均方歐式距離，Cpm =^SPSKl + ^%PSK2。
96表示2D-8PSK星座點(diǎn)間的最小均方歐式距離。圖4，2D-8PSK星座子集劃分結(jié)果。
圖4為對(duì)2D-8PSK星座點(diǎn)經(jīng)過(guò)兩次二維子集劃分之后的星座子集之一。子集劃分的原則是使每個(gè)子集中的星座點(diǎn)間歐式距離盡量大。這個(gè)子集中的二維星座點(diǎn)，每一維度分別取自圖2中一維8PSK星座點(diǎn)的子集28 (即虛線方框連接的4個(gè)星座點(diǎn))，以子集29的4個(gè)星座點(diǎn)為二維坐標(biāo)，可以組成另外一個(gè)二維星座子集。97表示圖4這個(gè)子集中兩個(gè)星座點(diǎn)之間的最小均方歐式距離。圖5，12符號(hào)星座映射關(guān)系。圖5中，12個(gè)星座點(diǎn)與12個(gè)游程符號(hào)對(duì)應(yīng),30.符號(hào)1,34.符號(hào)4,48.符號(hào)10，50.符號(hào)7，52.符號(hào)12，62.符號(hào)6，64.符號(hào)5，66.符號(hào)2，68.符號(hào)8，80.符號(hào)11，82.符號(hào)9，84.符號(hào)3。
具體實(shí)施例方式1、符號(hào)級(jí)游程編碼游程編碼需要按順序給出具有相同值的連續(xù)串的數(shù)值和個(gè)數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，在大部分信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)(JPEG、H.264和MPEG-4等)所產(chǎn)生的碼流中，連“O”串中“O”的個(gè)數(shù)和連“I”串中“I”的個(gè)數(shù)一般都是有限的。因此，針對(duì)不同的信源編碼方法，將連“O”串中“O”的個(gè)數(shù)和連“I”串中“I”的個(gè)數(shù)映射為一個(gè)數(shù)值小于預(yù)先統(tǒng)計(jì)長(zhǎng)度L的串長(zhǎng)度N (N ( L)，串長(zhǎng)度N代表連續(xù)且交錯(cuò)出現(xiàn)的連“O”串或連“I”串的游程長(zhǎng)度。最終得到游程編碼之后的游程長(zhǎng)度數(shù)據(jù)串，即游程符號(hào)序列，該符號(hào)序列為連續(xù)且交錯(cuò)出現(xiàn)的連“O”串或連“I”串的游程長(zhǎng)度數(shù)據(jù)串，符號(hào)個(gè)數(shù)即為預(yù)先設(shè)定的游程長(zhǎng)度N。

采用符號(hào)級(jí)游程編碼之后所得到的游程長(zhǎng)度的個(gè)數(shù)是很少的，因此游程符號(hào)序列的符號(hào)個(gè)數(shù)N也很少，并且這N個(gè)符號(hào)是非等概出現(xiàn)的。利用這N個(gè)符號(hào)的非等概特性，對(duì)其進(jìn)行符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制，選取最優(yōu)的星座映射規(guī)則，可以進(jìn)一步增大調(diào)制后星座點(diǎn)間的最小歐式距離，從而提升系統(tǒng)的整體傳輸性能。2、2D_8PSK的子集劃分本發(fā)明采用的LD-MPSK多維調(diào)制方案是2D-8PSK調(diào)制。圖3是2D-8PSK的星座圖，這個(gè)星座圖由64對(duì)二維星座點(diǎn)組成，每對(duì)二維星座點(diǎn)的兩個(gè)元素分別取自一維8PSK星座集合中的一個(gè)點(diǎn)，如圖2所示，假設(shè)圓的半徑為1，則8PSK星座圖中兩點(diǎn)間的最小均方歐式距離MSED為
( γdlPSK = 2 sin— = 0.586
V8)即星座點(diǎn)19與20之間的均方歐式距離27。2D-8PSK星座圖中星座點(diǎn)間的均方歐式距離是對(duì)應(yīng)維度的一維星座點(diǎn)間均方歐式距離的加和，因此2D-8PSK星座圖中兩個(gè)星座點(diǎn)間的最小均方歐式距離MSED為
(.π\(zhòng)2^2D-&PSK ~ ^SPSKl ^iPSK 2 =+0 = 0.586即圖3中92與93間的均方歐式距離96。對(duì)2D-8PSK星座圖中的64個(gè)二維星座點(diǎn)進(jìn)行二維子集劃分，使得每個(gè)子集中的星座點(diǎn)間的最小均方歐式距 離盡量大。圖4所示是經(jīng)過(guò)子集劃分后的一個(gè)星座子集，由16個(gè)二維星座點(diǎn)組成，則該星座子集中兩點(diǎn)間的最小均方歐式距離為
權(quán)利要求
1.一種可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制的編譯碼方法，其特征是:在編碼器端，首先對(duì)信源比特序列進(jìn)行符號(hào)級(jí)游程編碼，信源比特序列經(jīng)過(guò)符號(hào)級(jí)游程編碼后轉(zhuǎn)化為由N個(gè)符號(hào)組成的信源符號(hào)序列，然后對(duì)這個(gè)N符號(hào)的信源符號(hào)序列進(jìn)行符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制，最后將符號(hào)級(jí)多維調(diào)制信號(hào)發(fā)射到無(wú)線信道中，在譯碼器端，進(jìn)行編碼的逆過(guò)程，對(duì)接收到的有噪調(diào)制信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到解調(diào)軟判決星座點(diǎn)信息，再對(duì)其進(jìn)行符號(hào)級(jí)多維星座點(diǎn)逆映射，最后經(jīng)過(guò)符號(hào)級(jí)游程譯碼器得到聯(lián)合譯碼后的比特序列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制方法，其特征還在于:首先對(duì)LD-MPSK多維調(diào)制星座圖中的星座點(diǎn)集合進(jìn)行子集劃分，然后利用非等概N符號(hào)信源的符號(hào)級(jí)先驗(yàn)概率，在多維調(diào)制星座子集中選取最優(yōu)的N個(gè)多維星座點(diǎn)與N個(gè)信源符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，從而得到信源符號(hào)與多維調(diào)制星座點(diǎn)的一一映射關(guān)系，最后按照這一映射關(guān)系對(duì)信源符號(hào)序列進(jìn)行LD-MPSK調(diào)制。
全文摘要
本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域的聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制的編譯碼方法。針對(duì)現(xiàn)有聯(lián)合信源信道編碼系統(tǒng)性能受限和聯(lián)合編碼調(diào)制系統(tǒng)不適用于圖像、視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)這兩個(gè)問(wèn)題，提出了一種可變長(zhǎng)符號(hào)級(jí)聯(lián)合信源信道與多維調(diào)制的編譯碼方法。該方法基于LD-MPSK調(diào)制技術(shù)，利用符號(hào)信源的冗余信息設(shè)計(jì)符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制規(guī)則，使得符號(hào)級(jí)LD-MPSK多維調(diào)制不但能夠提供信道編碼和調(diào)制的作用，并且在調(diào)制階段充分利用信源符號(hào)的冗余信息，同時(shí)增大信源符號(hào)的最小漢明距離和所對(duì)應(yīng)星座點(diǎn)的最小歐式距離，在不增加額外信道冗余的情況下能夠提高系統(tǒng)的整體傳輸性能，適用于圖像、視頻壓縮等變長(zhǎng)編碼傳輸系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H04L1/00GK103107858SQ20111036061
公開(kāi)日2013年5月15日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者凃國(guó)防, 程晨, 張燦 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院研究生院