《移动多媒体技术基础 教学课件 ppt 作者 王波涛 第五章1》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动多媒体技术基础 教学课件 ppt 作者 王波涛 第五章1（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第五章 移动多媒体的信源信道联合编码技术,主要内容,概述 基本原理 研究进展 研究热点 应用范围, 概述,通信的目的是将消息有效而可靠地从信源传到信宿。,通信系统的物理模型,经典的移动（无线）通信系统将信源编码和信道编码分别进行 优点: 设计简单、通用性好，可分别形成标准。 缺点: 没有充分利用各自的优势，不是最佳。,移动多媒体业务要求: 对信源进行高效率的压缩以充分利用有限的带宽； 对压缩后的信息进行纠错保护以抗击信道或网络所带来的误码或数据丢失。 所要解决的问题相互矛盾: 信源编码压缩率的提高将导致码流抗误码能力的降低，对差错十分敏感； 提高码流的抗误码性能又要以牺牲编码效率为代价 将信源
2、和信道联合编码是行之有效的抗衰落、解决上述问题的编码技术。,2.基本原理,根据香农关于信源-信道编码的理论，信源编码和信道编码可以分开考虑是基于这样两个假设： 1.无限长的编码码长（意味着无限长的传输时延）； 2.点对点传输（不存在移动通信中常见的多径干扰）。,实际的通信系统，由于复杂性和实时系统的时延限制，无限长的编码码长不可能实现。 理论上的系统最优不可能在单独设计中到达 通过联合设计，可在有限复杂度和有限时延的条件下得到接近理论值的通信效果。 最通用的方法是把单独的信源和信道编码器有效的组合成一个信源-信道联合编码器，,信源信道联合编码技术(JSCC): Joint Source-Cha
3、nnel Coding C.Elience 1977年提出,联合信源信道匹配示意图（有限信道容量下）,左上图为一个典型的信源率-失真曲线，表明增加信源码率(降低压缩率)会降低解码端信息失真率；在给定了有限的信道容量，如何用尽可能高的码率来压缩数据信息? 目前大多数的数据压缩编码器的优化设计，都是在假定没有信道传输差错的情况下，即所有的编码比特都能够正确接收，在某一码率获得最佳性能(即最小的解码失真)。,使用了很多敏感数据类型，如标志字节，导致编码器对信道差错过于敏感，不够稳健。 人们做了大量的工作来开发信道稳健的信源编码器 例MPEG视频编码标准提出了各种各样的技术（数据分割和可逆变长编码等）
4、，用来减小压缩码流对信道差错的敏感度。,右上图为一个典型的信道编码器的性能曲线，表明当信道码率增加时，传输的差错概率就会减小。 给定足够的信道带宽，可在传输之前有效地保护所有的信息比特，从而避免信道差错，以确保端到端的失真仅仅是由于有损信源压缩产生的。,目前大多数信道编码器都是针对特定的信道和确定的误比特率进行设计的，没明确地考虑信源编码特性。,信源信道联合编码定义： 指在信道编码和信源编码的设计时考虑彼此特性而进行的联合编码设计方式。 根据当前信道的状态，权衡信源码率和信道码率对失真的影响，通过一种最优策略在这两种编码中分配合适的资源，从而使得端到端的失真达到最小。,允许信源编码改变编码参数
5、来适应时变的信道条件； 根据信源特性的不同，信道也可以自适应的调整编码或调制传输的模式，以适应不同的信源特性。,如果信源编码器分配了过多的带宽，将会导致信道保护不足而产生传输错误，这将降低端到端的传输性能； 如果为信道分配了太多容量，则虽然可能实现无差错传输，但由于信源信息被过分压缩而导致恢复消息时严重失真，同样会降低端到端传输效果。,全部带宽必须在信源和信道编码器之间进行合理分配,在两种之间存在一个基本的折中或平衡点，这样的配置使得整个系统获得最优性能（即最小失真）。,联合编码的系统框架,有限信道容量的联合编码的系统框架: S代表数字信源序列，为信源编码映射。信源编码的输出序列为U，它作为信
6、道编码的输入，经信道编码后得到输出，然后送往信道进行传输。 信道的特征可以用衰落因子和噪声表征。在接收端，接收序列送往信道解码器，得到解码输出序列，然后送入信源解码器，得到最终的解码输出。,框架中，信源和信道编码、信道和信源解码之间不是简单的输入和输出的关系。 除了从信源编码模块得到输入外，信道编码还将从信源编码端得到信源的重要性信息（SSI），用以决定信道编码方案的选择。 信源编码可把信源的有关统计特性作为先验信息，和信源解码得到的后验信息一起，送给信道解码器，以提高系统抵抗噪声的能力。,除了为信源解码提供输入码流外，信道解码也可以把解码可靠性信息（DRI）传送给信源解码端，以降低信道误码对
7、信源解码的影响。 信道状态信息（CSI）也可以送到信道解码端，为信道解码提供依据。,信源信道联合优化的目标函数 D即通信系统端对端的失真,表示为若干个子信源的失真dk之和的形式,子信源: 系统中的最小编码单位，例如视频编码中的决定量化的最小单位宏块； 编码后码流的划分，比如分层视频编码中的不同层的码流。,其边界条件为:,边界条件亦即通信系统中的资源限制。 式(5-6-1) 为通信中的码率的限制 式中Rsk和Rck为每一子信源所分配到的信源编码和信道编码的码率 R为整个端对端系统的信源编码和信道编码的给定的总码率限制。,式(5-6-2) 是通信系统的功率限制,式中P为整个系统的总功率限制，psk
8、和pck为每个子信源的信源编解码和信道编解码上所耗费的功率 : 无线手持设备的功耗是系统设计中的一个重要因素。 功耗发生在各个环节，包括信源编解码、信道编解码和信号的发送接收。 如何在给定的功耗限制下，得到系统最小的失真，需要在系统的各个模块的设计上综合考虑。,系统的复杂度是通信系统的另一资源限制。 尽管许多信源编码和信道编码算法有良好的性能，但是由于过高的复杂度会使得系统电路规模不可接受，因此这也是编码设计中所不得不考虑的问题。 式(5-6-3)给出了这一限制，式中的cs()代表第k个子信源信源编码和信道编码的运算规模，它和子信源的信源编码算法和信道编码算法本身有关。,联合信源信道编码问题的
9、研究分类,（1）级联编码 如果(5-5)式中的优化变量空间局限为码率的分配或功率的分配，则问题将演变为如下形式:,信源编码和信道编码是独立进行的，二者之间为级联关系； 和转统的分离编码方式所不同的是，信源编码和信道编码不是独立设计的，而是考虑在给定资源限定条件下，在信源编码和信道编码间优化分配资源，以取得最小的端对端失真。,（2）信源信道合并编码,如将式（5-5）中的优化变量空间局限为信源编码的映射和信道编码的映射,将该两种映射合并起来优化，则问题转化为如下:,其系统模型包含功能: 针对原始信源的量化压缩 面向信道的差错保护。 该问题实际上是一噪声信道下的量化问题 :,（3）信源信道联合译(解
10、)码,仅在接收端将信道译码和信源译码结合起来:信源信道联合译（解）码。 此处的联合译码与发送端的编码方式基本上是独立的。,小结: 这里讨论中，都假设信源为单一的矢量信源，而没有涉及到式（5-5）中的多个子信源的问题。 实际上联合编码的一个重要内容就是如何在多个子信源上实现资源(码率、功率)等的优化分配。,3.研究进展,从应用联合编码思想的方式的角度： 基本理论的研究 设计方法的研究 实际应用方面的研究,（）信源信道联合编码基本理论研究 过去主要集中在它的存在性，即它存在与否及存在的条件的问题上。 目前对于较为简单的情况，如无记忆平稳信源、各态历经信源和离散无记忆信道，联合编码的“存在性”问题已
11、有了一定的结果 对于更加复杂的情况这个问题还有待研究。同时联合编码的性能极限也是需要研究的问题。,现在主要集中在以下两方面： 1）理解解码质量、延迟、计算复杂度、信道利用和消耗功率之间的关系。 质量指初始数据和还原后的数据之间的差异； 信道利用指的是每个数据样本用到的信道容量、信道带宽和信道的信噪比。 只有全面理解它们的关系，才能采用合适的编码方法，使系统在整体性能上达到最优；,2）是如何评估联合编码 需要明确理解对系统整体性能的要求 然后根据联合编码在各种情况下的性能极限，做出相应的性能判决。,(2)信源信道联合编码的具体设计方法 最受关注的问题 设计方法的研究大致有： 基于信源优化的信道编
12、码设计 基于信道优化信源编码 迭代优化信源和信道编码 信源信道的联合译码,1)基于信源优化的信道编码设计 信源编码设计时并不考虑传输错误，而是在设计信道编码或调制方案时针对该信源编码和信道特征进行优化，以减小端对端的失真。,对图像的DPCM编码来优化设计卷积信道编码。 针对图像的分块余弦变换，对变换系数中具有较高重要性的系数加差错保护。 有文献提出了针对图像子带编码优化信道编码的方法。,2)基于信道优化的信源编码设计 信源编码器将源字（由源字符组成的矢量或标量）映射到有待传输的二进制字符串上，使得信源编码本身对信道错误具有一定的抵抗力。,3)迭代优化信源和信道编码 将信源优化设计信道编码或调制
13、与信道优化设计信源编码通过迭代算法结合起来，从而获得编码方案联合优化。,4)信源信道联合解码 按照香农的信息理论，信源端的任何冗余度都可以在解码端用来抵抗噪声。 信源端的冗余度 可指实际信源的某种特性，如图像中的邻域相关性，或是人的视觉和听觉系统的特性 也可能指信源编码后码流中的相关性,后者主要指编码输出码字的不均匀分布和记忆性。,静止图像DPCM编码方式后残留冗余度的基础上，利用该冗余度进行鲁棒解码。 利用算术编码中为一个符号保留空间可提供极好的差错检测能力的特性，采用两个连续解码器的结构，可获得很好的包丢失数据恢复能力。,(3) 编码器结构 从具体的编码器的结构角度: 1)合并式编码器 信
14、源和信道编解码器是真正集成在一起进行的，表面看来省略了信道编码器，但信源编码中已包含了信道编码的功能。 设计较为复杂，已不是研究重点。,2)级联编码器 与传统编码器结构类似，将信源编码器和信道编码器串联起来。 设计问题简单来说就是比特分配问题。 给定总的比特率R=RS+RC（RS是信源编码速率，RC是信道编码速率）和系统的情况及要求 在RS和RC中进行最优化的比特分配。 大部分联合编码是以这种编码器结构为基础进行设计的。,(4) 信源信道联合编码在实际中的应用 用信源信道联合编码理论和设计技术来解决实际问题 但是网络协议把链路层和应用层分开,这是一种独立形式的方法。 联合编码本质上涉及到链路层
15、和应用层的相互关系。 找到方法让应用层通过网络到达链路层,挑战: 用信源信道联合编码来改变协议设计。,4 研究热点,无线网络是一种多用户共享的网络，具有资源有限、时变、异质、易受干扰、误码率高等特点，图像、视频的信息量又非常大。 基于分离原则的编码绝对无法适用无线视频编码的复杂情况，而联合编码在这方面则大有可为。 近年来，针对在无线信道上图像和视频的传输来展开的的一些研究热点。,(1)分层编码 目前较受关注,相当于基于信源优化信道设计编码。 在分离原则中信道编码不考虑信源编码的意义，信道编码对信源编码器送出的码流进行同等保护。 把信源编码分成几个部分：最重要的部分（MSP，Most Signi
16、ficant Part）和次重要的部分（LSP，Less Significant Part）。,MSP包含图像中粗糙的但对于识别图像很重要的信息,LSP部分包含提高图像质量所要求的更精细的信息，在信道中可以对MSP部分重点保护。 不仅可以提高图像传输对信道的适应力，还可以适应网络的QoS要求，对不同用户实行不同质量的传送。,图像分解多采用小波变换: 一级小波变换把图像分解成一个近似子图像和包含水平、垂直和对角线细节的子图像。 近似子图像或细节子图像可以用小波变换被进一步分解。 经过小波变换分解后，图像被分成几个层次，这些层次对应着不同的频率范围，人眼对这些不同的频率范围有不同的敏感度。 近似子图像的编码信息包含了原始图像最重要的能量，把它放入MSP包中，细节编码放入LSP包中。,分层信源编码所产生的多个码流的特点：每一个码流都可以根据前面已经接收到的码流对原始信源形成更为细致的描述。 分层编码又被称为渐进精细编码(Successive refinement coding） 分层编码的思想在实际的多媒体编码中有很多应用: 如图像编码的渐进编码（progressive cod
