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1、信源编码及其发展动态班级：通信 112班姓名：学号：摘要：在传统通信系统中，信源编码与传输中抵抗信道损耗的保护技术(信道编码)是 分别考虑的。但是，在实际中发现，用某种特定方法连接起来的最优信源编码器和信道编码 器，并不一定能够成最佳通信系统。因此出现了实现通信系统整体优化的信源信道联合编码 理论。本文给出的信源信道编码理论及其发展动向。实验表明在高噪信道使用联合编码器进 行图像传输，性能改善效果非常明显。关键词：信源编码 发展 数字 信源与信道编码1引言为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息量，对信源输出的符号 序列所施行的变换。具体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻
2、找某种方法，把信 源输出符号序列变换为最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时又 能保证无失真地恢复原来的符号序列。2信源编码信源编码的作用信源编码的作用之一是设法减少码元数目和降低码元速率，即通常所说的数据压缩; 作用之二是将信源的模拟信号转化成数字信号，以实现模拟信号的数字化传输。信源编码方式最原始的信源编码就是莫尔斯电码，另外还有ASCII码和电报码都是信源编码。但现 代通信应用中常见的信源编码方式有：Huffman编码、算术编码、L-Z编码，这三种都是无 损编码，另外还有一些有损的编码方式。信源编码的目标就是使信源减少冗余，更加有效、 经济地传输，最常见的应用形式就是
3、压缩。另外，在数字电视领域，信源编码包括 通用的MPEG2编码和H.264(MPEGPartIO AVC)编码等相应地，信道编码是为了对抗信道中的噪音和衰减，通过增加冗余，如校验码等，来 提高抗干扰能力以及纠错能力。为了减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号的平均信息量，对所施行的变换。具 体说，就是针对信源输出符号序列的统计特性来寻找某种方法，把信源输出符号序列变换为 最短的码字序列，使后者的各码元所载荷的平均信息量最大，同时又能保证无失真地恢复原 来的符号序列。一般来说，减少信源输出符号序列中的剩余度、提高符号平均信息量的基本途径有两 个：使序列中的各个符号尽可能地互相独立；使序列中各个
4、符号的出现概率尽可能地相 等。前者称为解除相关性，后者称为概率均匀化。信源编码的一般问题可以表述如下：卩=(旳,損临3严=1,N若某信源的输出为长度等于M的符号序列集合式中符号A为信源符号表，它包含着 K个不同的符号，A=ak|k=1,K,这个信源至多可以输出KM个不同的符号序列。 记IIUII=KM。所谓对这个信源的输出Vk) Ira = ij-进行编码，就是用一个新的符号表B的符号序列集合V来表示信源输出的符号序列集 合U。若V的各个序列的长度等于N,即式中新的符号表B共含L个符号,B=bl|l=1,L。 它总共可以编出LN个不同的码字。类似地，记IIVII=LN。为了使信源的每个输出符号
5、序列都 能分配到一个独特的码字与之对应，至少应满足关系IM=LNnilUII=KM或者 N/MogK/ogL假若编码符号表B的符号数L与信源符号表A的符号数K相等，则编码后的码字序列 的长度N必须大于或等于信源输出符号序列的长度M；反之，若有N=M，则必须有LK. 只有满足这些条件，才能保证无差错地还原出原来的信源输出符号序列(称为码字的唯一可 译性)。可是，在这些条件下，码字序列的每个码元所载荷的平均信息量不但不能高于，反 而会低于信源输出序列的每个符号所载荷的平均信息量。这与编码的基本目标是直接相矛盾 的。下面的几个编码定理，提供了解决这个矛盾的方法。它们既能改善信息载荷效率，又能 保证码
6、字唯一可译。离散无记忆信源的定长编码定理对于任意给定的0，只要满足条件N/M(H(U)+e)/ogL那么，当M足够大时，上述编码几乎没有失真;反之，若这个条件不满足，就不可能实 现无失真的编码。式中H(U)是信源输出序列的符号熵。llir|2“勺3=1通常，信源的符号熵H(U)ogK，因此，上述条件还可以表示为【H(U)+C/ogLN/MlogK/ogL特别，若有K=L,那么，只要H(U)ogK,就可能有NvM,从而提高信息载荷的效率。由 上面这个条件可以看出，H(U)离logK越远，通过编码所能获得的效率改善就越显著。实质上， 定长编码方法提高信息载荷能力的关键是利用了渐近等分性，通过选择足
7、够大的M,把本 来各个符号概率不等因而H(U)ogK的信源输出符号序列变换为概率均匀的典型序列，而 码字的唯一可译性则由码字的定长性来解决。离散无记忆信源的变长编码定理变长编码是指V的各个码字的长度不相等。只要V中各个码字的长度N/(/=1,，IIVII) 满足克拉夫特不等式这IIVII个码字就能唯一地正确划分和译码。离散无记忆信源的变长编 码定理指出：若离散无记忆信源的输出符号序列为，式中A=ak|k=1,K,符号熵为H(U), 对U进行唯一可译的变长编码，编码字母表B的符号数为L,即B=bl|l=1,L，那么必定存 在一种编码方法，使编出的码字Vi=(vi1,.,viNi), (/=1,.
8、,ll VII),具有平均长度 嚻：MH(U)/ogLMH(U)/ogL+1若L=K,则当H（SvlogK=logL时，必有嚻vM； H（U）离logK越远，则嚻越小于M。 具体实现唯一可译变长编码的方法很多，但比较经典的方法还是仙农编码法、费诺编码法和霍夫曼编码法。其他方法都是这些经典方法的变形和发展。所有这些经典编码方法, 都是通过以短码来表示常出现的符号这个原则来实现概率的均匀化，从而得到高的信息载荷 效率；同时，通过遵守克拉夫特不等式关系来实现码字的唯一可译。霍夫曼编码方法的具体过程是：首先把信源的各个输出符号序列按概率递降的顺序排 列起来，求其中概率最小的两个序列的概率之和，并把这个
9、概率之和看作是一个符号序列的 概率，再与其他序列依概率递降顺序排列（参与求概率之和的这两个序列不再出现在新的排 列之中），然后，对参与概率求和的两个符号序列分别赋予二进制数字0和1。继续这样的 操作，直到剩下一个以1为概率的符号序列。最后，按照与编码过程相反的顺序读出各个符 号序列所对应的二进制数字组，就可分别得到各该符号序列的码字。例如，某个离散无记忆信源的输出符号序列及其对应的概率分布为s Lii 近 5 耳 S 肌 5rlo.20 0.19 0.18 0.17 0.15 0.10 0.01对这些输出符号序列进行霍夫曼编码的具体步骤和结果如表。由表中可以看出，在码字序列中码元0和1的概率分
10、别为10/21和11/21,二者近乎 相等，实现了概率的均匀化。同时，由于码字序列长度满足克拉夫特不等式 2x2-2+3x2-3+2x2-4=1因而码字是唯一可译的，不会在长的码字序列中出现划错码字的情况。以上几个编码定理，在有记忆信源或连续信源的情形也有相应的类似结果。在实际工 程应用中，往往并不追求无差错的信源编码和译码，而是事先规定一个译码差错率的容许值, 只要实际的译码差错率不超过这个容许值即认为满意（见信息率 -失真理论和多用户信源编 码）。数字电视的信源编码一个完整的数字电视系统包括数字电视信号的产生、处理、传输、接收和重现等诸多环节。 数字电视信号在进入传输通道前的处理过程一般如
11、图1所示：电视信号在获取后经过的第一个处理环节就是信源编码。言源编码是通过压缩编码来去掉 信号源中的冗余成分，以达到压缩码率和带宽，实现信号有效传输的目的。信道编码是通过 按一定规则重新排列信号码元或加入辅助码的办法来防止码元在传输过程中出错，并进行检 错和纠错，以保证信号的可靠传输。信道编码后的基带信号经过调制，可送入各类通道中进 行传输。目前数字电视可能的传输通道包括卫星，地面无线传输和有线传输等。信源编码的目的是通过在编码过程中对原始信号冗余度的去除来压缩码率,因此压缩编码 的技术与标准成为信源编码的核心。九十年代以来，各种压缩编码的国际标准相继推出，其 中MPEG2是专为数字电视包括标
12、准数字电视和数字高清晰度电视制定的压缩编码标 准。MPEG2压缩编码输出的码流作为数字电视信源编码的标准输出码流已被广泛认可。 目前数字电视系统中信源编码以外的其他部分，包括信道编码，调制器，解调器等，大都以 MPEG2码流作为与之适配的标准数字信号码流。信源编码的第一步首先要对模拟电视信号进行取样和模数变换，相应的需要一个统一的标 准。数字演播室标准ITU R601正是为此制定的国际标准。早在七十年代末，英国广播公司和索尼公司就分别展示了其各自开发的彩色数字录像机， 成为最早的数字电视编录产品，由此促成了电视信号模数转换规范的产生。1980年，国际 无线电咨询委员会CCIR提出了电视信号模数
13、转换标准的建议，即称为数字演播室标准的C CIR601。后来CCIR成为国际电信联盟的无线电委员会，称为ITU R，相应的CCIR601 也改称ITU R601，成为模拟电视向数字电视转变过程中的第一个标准规范，其分量编码 标准如表1所示。表1 ITU R601数字演播室分量编码标准4：厶2参数电视制式PAL NTSC每行取样数亮度信号每个色差信号864 858 432 429取样结构正交取样，色差信号与亮度信号的奇次样值同位取样频率亮度信号每个色差信号13.5兆赫6.75兆赫编码方式亮度和色差信号均采用线性PCM，8比特量化每数字有效行取样数亮度信号每个色差信号720 360量化级数亮度信号
14、每个色差信号220 224参数说明:1取样频率：根据奈奎斯特定理，取样频率应至少不低于信号最高频率的2倍。其次，为 便于进行信源编码，取样结构最好为正交结构，即每个取样点应与其相邻行和相邻帧对齐。 为此取样频率必须为行频的整数倍。要同时满足PAL与NTSC的正交取样，取样频率应为 两者行频的公倍数。同时，取样频率的选取还必须兼顾码率和带宽。综合考虑上述因素，亮 度信号的取样频率定为13.5兆赫。在4： 2： 2格式中，每个色差信号取样数为亮度信号的 一半，取样频率定为6.75兆赫；2每行取样数：由取样频率除以行频得到每行取样数。为提高编码效率，去掉行场逆程的 取样，得到降低了的每数字有效行取样
15、数；3编码方式：采用简单的线性PCM编码。量化比特数为8比特，这是一个由实验决定的 结果。具体实验显示，8比特量化产生的256级量化级，已完全能满足人眼对亮度与色度层 次分辨的需要。ITU-R601主要是一种取样标准。模拟电视信号据此取样后进行8比特量化和线性PCM 编码，即可得到符合数字演播室标准的基带数字信号。但是，由此得到的数字电视信号具有 非常高的码率和带宽，难以进入实用。虽然ITU-R601建议早在1980年已经制定，但直 到九十年代一系列有效的图像数码压缩技术及相应的国际标准出现以后，数字电视才得到了 迅速的发展。图像数据的压缩主要基于对各种图像数据冗余度及视觉冗余度的压缩，包括如下一些方 法：1统计冗余度的压缩：对于一串由许多数值构成的数据来说，如果其中某些值经常出现， 而另外一些值很少出现，则这种由取值上的统计不均匀性就构成了统计冗余度，可以对之进 行压缩。具体方法是对那些经常出现的值用短的码组来表示，对不经常出现的值用长的码组 来表示，因而最终用于表示这一串数据的总的码位，相对于用定长码组来表示的码位而言得 到了降低,这就是熵编码的思想。目前用于图像压缩的具体的熵编码方法主要是霍夫曼编码， 即一个数值的编码长度与此数值出现的概率尽可能地成反比。霍夫曼编码虽然压缩比不高， 约为1.6： 1,但好处是无损压缩，目前在图像压缩编码中
