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1、信源信道联合编码原理及在无线通信中的应用摘 要： 根据香农信源和信道分离编码原理进行的分离信源编码和信道编 码在时变信道时不能充分利用系统资源，从而影响了系统整体性能。基于这种情 况，提出了信源信道联合编码，可以跟随信道变化而充分利用通信系统的资源， 使系统通信效果达到最佳。关键词： 信源信道联合编码；联合信道匹配Abstract ： According to Shannons separation source and channel coding separation principle of source coding and channel coding in the time-var
2、ying channel can not make full use of system resources, thus affecting the overall system performance. On this basis, proposed a joint source-channel coding, you can follow the changes in the channel system make full use of communication resources to the comm unication system to achieve the best res
3、ults.Keywords: Source-channel joint encoding； Joint channel matching信息论是运用概率论与数理统计的方法研究信息、信息熵、通信系统、数据 传输、密码学、数据压缩等问题的应用数学学科。通信的根本目的是将信息有效 而可靠的从信源传到信宿。长期以来，在香农信源信道分离理论的指导下，信源编码和信道编码理论都 取得了长足的发展。但是通信系统关心的是系统的整体最佳性。虽然信源编码与 信道编码的分离并不影响通信系统的基本性质，但并不能说明这是一种最经济的 做法。尤其在当前，随着无线通信的发展，图像和视频实时业务中，无线和 IP 网络信道的时变
4、性，原分离的信源信道理论已经无法满足实际通信的需求，因此 需要将信源编码和信道编码综合考虑。这就是联合编码的基本思路。一、信源信道联合编码的原理根据香农关于信源信道编码的理论，在保持通信系统总的性能条件下，信源 编码和信道编码可以分开考虑设计，基于此理论基础，信源编码的目的就是从数 据中除去冗余，获得最大的信息压缩率；信道编码则是在数据中加入冗余数据， 用来保护在噪声信道中传输的数据，得到最小的误码率。表面看，信源编码和信 道编码之间没有进行信息交流和最优化的必要。但是此理论仅适用于点对点通信 系统，并假定系统可以容忍无限长的传输时延。实际的通信系统，由于复杂性和 实时系统时延的限制，无限长编
5、码即无线时延是不可能实现的。理论上的最有效 果在分离考虑设计中不可能达到。因此，建立在香农全局率失真理论之上的信源信道联合编码理论应运而生。信源信道联合编码基本框图如下：所谓联合设计，就是综合考虑信源信道的特点，采用最优的设计方法得到最 好的传输效果。最通用的方法就是为心愿和信道编码配置最优的码长，即把单独 的信源和信道编码器有效地的组合成一个信源信道编码器。现在常用的信源编码 都是变换编码，而变换编码都是非信息保护型的。这样若用较多的bi t信源编码， 解码时就会有较小的失真。信道编码最常用的是RS等。每种纠错信道编码都有纠 错限度，如果用较多的符号来做信息保护，就可以纠错较多的符号错误，信
6、道失 真也就较小。信源信道联合编码就是根据信道的状态，权衡信源编码和信道编码 对失真的影响，通过联合策略，在两种编码中分配合适的资源，得到最佳的端对 端效果。二、信源信道联合编码的应用范围信源信道联合编码将通信系统的信源编码和信道编码联合考虑进行最优化 设计，并且允许用户根据信道或网络条件改变信源编码参数，或是根据信源特性 选择信道编码、调制及网络参数。这种方法适用于各种违背信源信道分离设计理 论前提条件的情况，尤其是在以下四种应用环境中:1. 资源受到限制的通信系统资源有限包括数据传输时的速率和带宽限制，低成本系统所要求的复杂度限 制，便携设备的功率限制，实时系统的延时限制。其实，实际环境总
7、是有这样或 是那样的限制。信源信道联合编码会从整体出发在各种资源之间进行最优分配， 从而获得端对端的系统性能的最佳。2. 多用户共享信道的通信系统比如包交换的数据网和蜂窝移动通信系统，用户共用有限的带宽资源竞争地 传输信息。在这种系统中，多个用户通过统计时分或者码分等复用方式共享信道， 一个用户的信源信息，可能就是其它用户信道中的噪声。在多用户接入的情况下， 信源编码和信道编码无法独立进行，信源信道联合编码可以用来减少用户间的干 扰，提高系统整体性能。3. 异质信源、异类信道、异种用户共存的通信系统 在这种通信系统中,信源、信道、用户或网络结构都可能具有异构性。信源的异构性体现在不同类型的信源
8、对数据丢失、数据错误以及时延具有不同的敏感 特性:信道的异构性体现在同一通信网下的不同信道可能具有不同的信道质量， 它们的速率、误码率、时延或时延抖动相差很大;用户的异构性指的是各种用户 的自身系统计算能力、可获得的带宽需求以及对服务质量(Quality of Service -QoS)的要求不同;网络的异构性体现在相同的网络可以同时应用于点对点通信 系统、广播系统、多接入系统等等。4. 时变通信系统,_ _得，也就不可变通信系统下的最优化。信逍通信模型框图在这种通信系统中,由于时变系统的信源和信道的先验概率不可能准确的获 现在分离方式下的逊最优化。这时，可以用联合编码实现时三、信源信道联合编
9、码研究方向及研究热点基本理论研究：一方面要理解质量、延迟、信道利用率和消耗功率间的关系； 另一方面要研究联合编码评估方法具体设计方法研究1. 信源信道编码器的设计。侧重于在发送端根据信源和信道统计特性设计。2. 信源信道联合解码器设计。侧重于信宿端分析利用信源编码器输出的残留 冗余信息阻止传输比特差错的传播，也可以作为先验知识用于信道译码器软输出 译码的边信息。3. 信源信道码率分配研究。给定信道码率下，信源信道最优化分配策略。当总比热率一定，信源编码率提高，有损压缩造成的失真减小；信道编码速率减 小，信道编码冗余量减小，信道噪声造成的是真提高。目前信源信道联合编码的研究热点分层编码：即基于信
10、源优化信道设计编码。它把信道编码分成包含图像中的 粗糙的但对于识别重要的信息和包含提高图像质量要求的更精细的信息。Turbo 码：并行卷积码，是信道纠错码的一种，实现卷积码和随机交织器的 结合，达到课随机编码的效果。多描述码：新远端产生若干独立码流即为信源的一种描述；信宿端课通过不 同信道接收到一个或多个描述，中央解码器根据描述的多少不同恢复信源的精细 程度。四、信源信道联合编码的关键技术残留冗余技术：即在有噪声且不额外增加传输比特条件下，调整编码器提高 信道鲁棒性。由于香农编码理论的存在：不能取出所有冗余，在有噪信道和衰落 信道，信道编码方法不一样。自适应纠错技术：即根据数据的重要性不同，信
11、道编译码采用不同的纠错保 护策略，是误码率见到最低。联合优化技术：该联合编码被认为是一种马尔科夫过程模型，用状态条件概率代替无记忆信道的转移概率。网格量化联合技术：网格量化编码和网格编码调制，可以降低系统复杂性， 改善失真性能。五、两步编码与一步编码用尽可能少的信道符号来表达信源，以减少编码后的数据的剩余度。信源信源编码示意图J信涯译码器天*匚一一-一信源编码器信源编码后的数据适当增加一些剩余度，使能纠正和克服信道中引起的错误 和干扰.六、两步编码与一步编码优缺点经典的无线通信系统是将信源编码和信道编码分别进行的。信源编码主要考 虑信源的统计特性，信道编码主要考虑信道的统计特性。优点是设计简单
12、、通用性好，可以分别形成标准。缺点是没有充分利用各自的优势，因而不是最佳的。七、结束语通信系统中，分离编码通常遵循这样一种过程:1.对一给定的失真要求，首 先要找到一种能达到这种失真度的信源编码方法，即信源空间的划分方法 2.根 据信道的情况，选择一个合适的信道纠错码，有规律地增加一些冗余度来抗拒信 道噪声的干扰。实际上，如果信道的情况太差，对信源空间划分的过细，反而是 一种浪费。拿一个极端的情况来说，当信道容量为零时，即使对信源划分的再细， 信道码的冗余度再多，信宿也无法得到信源发送的任何信息，此时，一切工作都 是浪费。由此可见，如果不综合地考虑信源、信道的因素，对通信系统的设计势 必要付出
13、一些不必要的代价。图像的信源编码是为了压缩数据，减少数据冗余量。信道编码的作用在于保 护信源编码后的信号和图像数据，通过适当的增加冗余码，增加信号和图像数据 在信道传输中的抗噪声及其它不稳定因素的性能，在接收端先经过译码纠错后再 传给信源译码器重建图像。虽然信源与信道的编码思想与功能有严格的区别，但 是它们有一个共同的目标，就是使得图像更快的传输，使重建图像的质量尽可能 接近原始图像。因此如果将两者进行联合编码，能够更好地达到其共同目标。联 合信源信道编码的优越性在于使得信道编码只增加少量纠错码，就可以达到较好 的纠错性能，由此可以提高传输效率。总之,信源信道联合编码研究的主要目的在于使通信系统的设计与实现更加 简单、更加经济、更加优化，这也正是联合编码解码理论研究的意义所在，正是 处于这种原因，近年来，对联合编码/解码的研究逐渐受到了人们的广泛视，使 之成为编码理论研究中的一个重要领域。参考文献1 陈运，信息理论与编码.成都:电子科技大学2 马仲华，余松馒，一种基于数据分类和不对称保护的视频流信源信道联合编码算法.上 海交通大学学报3 R.W.汉明著，朱雪译编码和信息理论
