混合數(shù)字模擬的聯(lián)合信源信道編碼研究.pdf

1、從模擬電視年代到數(shù)字電視年代，無線視頻傳輸系統(tǒng)經(jīng)歷了重大技術(shù)革新。傳統(tǒng)的數(shù)字的無線視頻傳輸方案通常由分離的數(shù)字視頻壓縮編碼部分（如量化編碼、熵編碼等）和數(shù)字信道編碼部分組成。這樣一個分離的數(shù)字編碼框架是基于Shannon的信源信道分離定理設(shè)計的，并且適合于單個發(fā)送端接收端對通過一個靜態(tài)的信道上的通信的場景。但是，對于時變的信道，當(dāng)信道質(zhì)量低于目標信道質(zhì)量時，由于信道編碼的崩潰，分離編碼則無法解碼任何信息;而當(dāng)信道質(zhì)量高于目標質(zhì)量時，由于

2、使用量化編碼，分離編碼則無法再進一步提高重建質(zhì)量。這就是著名的懸崖效應(yīng)(cliffeffect)。由于懸崖效應(yīng)，分離編碼并不適用于移動視頻通信和視頻廣播通信場景。因此，針對移動視頻通信和視頻廣播通信設(shè)計聯(lián)合信源信道編碼方案是十分必要的。另外，聯(lián)合信源信道編碼理論方面，還存在很多空白，例如對于廣播通信場景，給定平均信道代價（如發(fā)送功率）條件下，所有接收端可獲得的失真度范圍是什么?
　　本文側(cè)重研究基于混合數(shù)模(HDA)的聯(lián)合信源信道

3、編碼的相關(guān)理論，以及在視頻通信中的應(yīng)用。首先，針對無記憶信源通過無記憶點對點信道通信，我們給出了HDA編碼可達的性能范圍（信道代價信源失真度范圍），并設(shè)計了計算最優(yōu)HDA編碼及其性能的數(shù)值算法。其次，我們將點對點通信的相關(guān)結(jié)論推廣到廣播通信以及其他網(wǎng)絡(luò)通信的情況，同樣地，我們也推導(dǎo)出HDA編碼可達的性能區(qū)域。接下來，我們將前面理論的結(jié)果應(yīng)用到無線視頻傳輸中。最后，我們還將HDA編碼結(jié)構(gòu)應(yīng)用到合作視頻通信場景。論文主要創(chuàng)新及貢獻如下。

4、r>　　(1)關(guān)于聯(lián)合信源信道編碼的理論有很多開放性問題，很多基本的問題都有待解決，如對于給定的任意信源信道對的點對點通信問題，除了數(shù)字分離編碼以外還存不存在達到Shannon極限的最優(yōu)編碼方案?又如對于給定的任意信源信道對的多用戶通信問題，最優(yōu)的信道代價信源失真度區(qū)域是什么?由于求解這些問題通常涉及高維度的信源信道編碼，并且這些高維度的編碼卻不像分離的信源信道編碼那樣可以簡化到用單字符的計算式（熵、交互信息量等）表達，因而回答這些問題

5、是非常困難的。而本文研究了一種特殊編碼結(jié)構(gòu)的信源信道碼——HDA編碼。之所以考慮HDA編碼是因為一方面HDA編碼設(shè)計簡單、易于分析，并且獲得了目前已知的最優(yōu)編碼性能;另一方面，許多通信場景下，HDA編碼方案被證明出是確實達到了最優(yōu)的編碼性能界。在本文中，我們對點對點通信、廣播通信、以及其他網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，給出了HDA編碼可達信道代價信源失真度區(qū)域以及相應(yīng)的HDA編碼方案。從推導(dǎo)的結(jié)果可以看出，最優(yōu)的HDA編碼方案的數(shù)字部分可以像分離的信源

6、信道編碼一樣簡化到用單字符的計算式表達，而模擬部分可以采用較低維度的映射，因此HDA編碼性能就是可以計算的。進而，相關(guān)的結(jié)論可以應(yīng)用到實際的通信中，如視頻通信。
　　(2)本文進一步將前面關(guān)于HDA編碼的理論研究結(jié)果應(yīng)用到實際的無線視頻通信中，提出了一種混合數(shù)模的聯(lián)合信源信道編碼方案WSVC。傳統(tǒng)的視頻傳輸方案主要是模擬編碼方案和數(shù)字編碼方案，而本文提出的HDA編碼方案是一種全新的、高效的視頻傳輸方案。這種方案集成數(shù)字編碼和模擬編

7、碼的優(yōu)點——高編碼效率和連續(xù)的質(zhì)量可伸縮性（隨著信道變化，視頻質(zhì)量平緩地變化）;此外，它還實現(xiàn)了廣播不同的分辨率的同一視頻，以適應(yīng)不同的具有不同顯示分辨率的接收端。相對于目前最先進的大多數(shù)視頻廣播方案，我們設(shè)計的WSVC方案在質(zhì)量可伸縮性、多播效率和時空可伸縮性上有著顯著的性能提升。因此，它是非常適合于無線視頻廣播/多播和移動視頻通信場景。另外，質(zhì)量可伸縮性和時空可伸縮性等可伸縮性概念通常是對于視頻的信源編碼（或有線視頻通信）而言的，而

8、我們也是首次在無線視頻通信中，提出這些可伸縮性概念。據(jù)我們所知，我們的WSVC方案也是首個實現(xiàn)時空可伸縮性和連續(xù)的質(zhì)量可伸縮性的視頻編碼方案。
　　(3)本文進一步將HDA編碼思想應(yīng)用到基于合作的無線視頻通信中，首次提出了一種全新的基于合作通信的混合數(shù)模聯(lián)合信源信道編碼方案WCVC。與WSVC方案一致，這樣的編碼結(jié)構(gòu)集成了數(shù)字編碼和模擬編碼各自的優(yōu)點——高編碼效率和高質(zhì)量可伸縮性。相對于大多數(shù)視頻傳輸方案，WCVC方案在質(zhì)量可伸縮