基于符号级超格图的联合信源信道解码新算法

摘要

针对无线通信编码领域中分离编码系统的性能受限和传统比特级网格解码方法不能充分利用信源变长编码的剩余冗余两个问题，提出了一种基于符号级超格图的联合信源信道解码新算法。通过信源变长编码和信道Turbo编码的联合优化设计，构造了一种信源变长编码与信道Turbo编码的并行级联编码模型及其迭代解码模型。以符号级变长信源码网格图和符号级变长卷积码网格图为基础进行状态合并，得到了一种具有复合状态表示的符号级超格型图，基于该图采用变长符号最大后验概率译码算法进行联合解码，利用信源变长编码的剩余冗余降低数据传输的符号错误率，提高了编码系统的整体性能。适用于无线通信系统中图像、视频压缩等变长编码传输系统。

说明书

技术领域

本发明涉及无线通信编码领域的一种联合信源信道编解码方法，特别是涉及一种基于符号级超格图进行译码的联合信源信道解码新算法。

背景技术

在现有的无线通信系统中，一般将信源编码和信道编码两个环节分开优化设计，独立进行编码。其中，信源编码的目的是进行数据压缩，提高数据传输的效率，通常采用可变长编码(Variable Length Coding，简称VLC)方法。可变长编码压缩效率高，但是对信道差错非常敏感，较少的比特差错就能导致码字序列失去同步，进而产生错误扩散。因此，压缩数据在送入无线信道传输之前必须进行信道编码，信道编码的目的是在信息序列中加入校验比特，提高数据抗干扰和差错控制的能力。上述信源信道分离编解码模型是建立在香农“分离理论”(Separation Theory)的基础上的，该理论证明，将信源编码和信道编码分离优化设计可以获得最佳的编码性能，前提条件是信源编码和信道编码都允许采用无限码长。实际通信系统都受到复杂度和时延的严格约束，香农“分离理论”的前提条件无法满足，所以分离编解码系统的性能受到了一定的限制。

经典的图像、视频国际压缩编码标准(例如JPEG、H.261、H.263和MPEG-4标准等)都采用了可变长编码方法。实际上，变长编码的比特流中一般还包含一部分剩余信源冗余，信道编解码器可以利用这种剩余信源冗余进行差错控制，在增加较少的信道冗余的前提下，提高编码系统的整体传输性能，这就是联合信源信道编解码方法的基本原理。

信道编码多采用前向纠错机制，其中，Turbo码取得了接近香农编码理论极限的性能，被深空通信系统和第三代移动通信系统广泛采用。近年来，信源可变长编码和信道Turbo编码的联合优化设计问题也成为编码界的研究热点，学者们提出了几种联合信源信道Turbo编解码方法，但现有的联合解码算法都是以比特级的网格图为基础进行解码的。由于压缩数据比特流是由可变长码字组成的符号序列，经典的分离编解码方法不能结合信源比特流的变长先验特性，传统的比特级网格解码算法也无法充分利用信源变长编码的剩余冗余。

发明内容

为了解决通信中分离编码系统的性能受限和传统比特级网格解码方法不能充分利用信源变长编码的剩余冗余两个问题，本发明提出了一种基于符号级超格图的联合信源信道解码新算法。该方法设计了一种信源变长码和信道Turbo码的联合信源信道编译码模型，提出了一种符号级超格图的构造方法及其解码算法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：在编码器端，信源可变长编码器和Turbo码的第一个反馈系统卷积码(Recursive Systematic Convolutional Codes，简称RSC)串行级联，作为联合编码器的水平分量码，再通过一个量化器和比特交织器并联Turbo码的第二个反馈系统卷积码，作为联合编码器的垂直分量码。在解码器端，采用两个软输入、软输出(Soft Input/Soft Output，简称SISO)译码模块实现迭代解码，其中一个SISO译码模块对应联合编码器的水平分量码，基于符号级超格图采用符号级算法解码，另一个SISO译码模块对应联合编码器的垂直分量码，采用比特级算法解码。水平分量译码器对接收的码字序列进行解码判决时采用了符号级新算法，以符号级变长信源码网格图和符号级变长卷积码网格图为基础进行状态合并，得到了一种具有复合状态表示的符号级超格型图，能够基于该超格型图采用变长符号最大后验概率(Maximum A Posteriori Probability，简称MAP)译码算法进行联合解码。

本发明的有益效果是，通过信源可变长编码和信道Turbo码的联合优化设计，可以提高无线通信系统的传输性能。基于新的符号级超格图采用变长符号后验概率译码算法进行解码，能够充分利用信源变长编码的剩余冗余特性，进一步降低传输的符号错误率，适用于无线通信系统中图像、视频压缩等变长编码传输系统。

附图说明

图1.联合信源信道变长Turbo编解码系统。

图1中，1.联合信源信道变长Turbo编码模块，2.无线信道，3.联合信源信道迭代解码模块，4.信源符号序列U，5.信源变长编码器，6.二状态反馈系统卷积码(RSC1)，7.异或运算器(模2加法运算器)，8.移位寄存器D，9.码字信息序列W_s，10.码字校验序列W_p，11.量化器Q，12.比特交织器∏，13.反馈系统卷积码(RSC2)，14.码字校验序列V_p，15.数据复合器，16.接收序列，17.联合信源信道解码器，18.符号序列估计

图2.联合信源信道迭代解码模型。

图2中，12.比特交织器∏，16.接收序列，17.联合信源信道解码器，18.符号序列估计，19.加法运算器，20.解复用器，21.接收的校验序列，22.接收的码字序列23.RSC2对应的比特级MAP译码器，24.变长编码器和RSC1对应的联合符号级MAP译码器，25.比特先验信息L_a2，26.比特对数似然比L₂，27.比特外信息L_e2，28.解交织器∏^-1，29.比特/符号转换器T^-1，30.符号先验信息L_a1，31.符号对数似然比L₁，32.符号系统-外信息L_s&e1，33.符号/比特转换器T，34.符号判决器。

图3.符号级变长信源码网格图。

图3为符号级变长信源码网格图的例子：其中，横坐标35表示编码符号索引k，纵坐标36表示变长码字序列比特索引n，即该网格的状态，每一列表示一个符号时间间隔，网格图中的小黑点表示状态节点，状态节点间的箭头代表可能的状态转移。37表示网格初始状态(n₀＝0)，从初始状态出发，有四种可能的变长码字，分别为：38.C(0)＝1，39.C(1)＝01，40.C(2)＝000，41.C(3)＝001，对应四条状态转移路径。42表示k＝3符号时刻的状态子集R₃，43表示网格终止状态(n₅＝10)。

图4.符号级变长信源码网格图的变型。

图4为图3的变型，其中，横坐标35表示编码符号索引k，纵坐标44为变型网格的状态索引v，每一列表示一个符号时间间隔，网格图中的小黑点表示状态节点，状态节点间的箭头代表可能的状态转移。45为网格初始状态(v₀＝0)，从初始状态出发，有四种可能的变长码字，分别为：38.C(0)＝1，39.C(1)＝01，40.C(2)＝000，41.C(3)＝001，对应四条状态转移路径。42表示k＝3符号时刻的状态子集R₃，46为网格终止状态(v₅＝5)。

图5.二状态卷积码网格图。

图5为经典的二状态卷积码网格图的例子，其中，47表示RSC1的移位寄存器状态S₀＝0，48表示RSC1的移位寄存器状态S₁＝1，网格图中的小黑点表示状态节点，状态节点间的箭头代表可能的状态转移，实线对应的输入比特为0，虚线对应的输入比特为1，箭头上的码字表示状态转移对应的四种可能的输入/输出码字对，分别为：49.(0/00)，50.(1/10)，51.(0/01)，52.(1/11)。

图6.二状态卷积码网格图的扩展形式。

图6为图5按照3个比特时间进行扩展得到的网格形式，每一列表示一个比特时间间隔。其中，47表示RSC1的移位寄存器状态S₀＝0，48表示RSC1的移位寄存器状态S₁＝1，网格图中的小黑点表示状态节点，状态节点间的箭头代表可能的状态转移，实线对应的输入比特为0，虚线对应的输入比特为1，箭头上的码字表示状态转移对应的四种可能的输入/输出码字对，分别为：49.(0/00)，50.(1/10)，51.(0/01)，52.(1/11)。

图7.符号级变长卷积码网格图。

图7中，网格图中的小黑点表示RSC1的移位寄存器的状态节点，47表示RSC1的移位寄存器状态S₀＝0，48表示RSC1的移位寄存器状态S₁＝1，从状态47、48出发，各有四条状态转移路径，用节点间的箭头表示，每条路径对应的输入码字均为变长码表中的一个码字符号，分别为：38.C(0)＝1，39.C(1)＝01，40.C(2)＝000，41.C(3)＝001。

图8.联合信源信道符号级超格图。

图8中，横坐标35表示编码符号索引k，纵坐标53表示复合状态索引t＝(v，S)，即该超格图的状态，其中，v为图4的子状态，S为图7的子状态。每一列表示一个符号时间间隔，网格图中的小黑点表示状态节点，状态节点间的箭头代表可能的状态转移。54表示超格图的初始状态(t₀＝0)，从初始状态出发，有四种可能的变长码字，分别为：38.C(0)＝1，39.C(1)＝01，40.C(2)＝000，41.C(3)＝001，对应四条状态转移路径。42表示k＝3符号时刻的状态子集R₃，55和56分别表示超格图可能的两种终止状态(t₅＝11)和(t₅＝10)。

具体实施方式

1.联合信源信道可变长符号Turbo编译码结构

联合信源信道变长Turbo编解码系统如图1所示，其特点是将原本分离的信源变长编码和信道Turbo编码联合在一起进行设计，采用了一种新颖的并行式编码结构。信源符号序列4经过信源变长编码器5编码以后，输出变长码字信息序列9，由于码字信息序列9对信道差错非常敏感，有必要对其进行校验保护，使用一个二状态反馈系统卷积码6(RSC1)进行校验编码，产生一路码字校验序列10。

由于二状态反馈系统卷积码6(RSC1)的移位寄存器8记忆长度为1，抗差错性能受到了限制，有必要再并联另一路反馈系统卷积码13(RSC2)。方法是引入一个量化器11和一个比特交织器12，量化器11将k时刻的信源符号u_k量化为一个Q比特的定长码字u′_k＝(u′_k1，u′_k2，...，u′_kQ)，交织器12对量化后的序列进行交织编码，得到一个随机性较强的序列，这个被打乱了的随机序列送入另一个反馈系统卷积编码器13(RSC2)进行编码，产生第二路码字校验序列14，编码校验序列10和14的目的都是为了保护码字信息序列9。码字序列9，10和14通过数据复合器15复合在一起，送入无线信道2传输，信号在信道中将受到衰落和噪声的影响，产生失真。联合信源信道解码器17接收到序列16以后进行译码，输出符号序列估计18。

在进行解码处理时，把信源变长编码器5和二状态反馈系统卷积编码器6看成一个整体，采用两个SISO模块进行迭代解码，联合信源信道迭代解码模型如图2所示。其中一个SISO模块为RSC2对应的比特级MAP译码器23，采用传统的比特级MAP译码算法进行解码；另一个SISO模块为变长编码器和RSC1对应的联合符号级MAP译码器24，采用变长符号级的MAP译码算法进行解码，迭代译码过程在这两个SISO模块之间交换外信息。

解码端接收到序列16之后，通过解复用器20分离成两个部分21和22，RSC2对应的比特级MAP译码器23首先利用接收的校验序列21和比特先验信息25进行比特级解码，获得比特对数似然比26，比特对数似然比26减去比特先验信息25后，剩余的比特外信息27经过解交织器28(∏^-1)和比特/符号转换器29(T^-1)，变换为符号先验信息30。联合符号级MAP译码器24利用符号先验信息30和接收的码字序列22进行变长符号级的MAP译码，输出符号对数似然比31，符号对数似然比31减去符号先验信息30后，剩余的符号系统-外信息32先通过符号/比特转换器33(T)变换为比特级信息，再通过比特交织器12(∏)，反馈回RSC2译码器，作为下一次迭代过程的比特先验信息25。经过若干次迭代后，将解码器输出的符号对数似然比31送入符号判决器34进行符号判决，输出符号序列估计18。

2.基于符号级超格图的联合信源信道解码新算法

联合符号级MAP译码器24要实现以变长码字符号作为解码单元，必须首先建立以编码符号个数k进行索引的状态转移网格图，进而利用符号级后验概率译码算法进行解码。一种符号级变长信源码网格图如图3所示，横坐标索引35表示编码符号的个数k，纵坐标索引36表示码字序列累计比特长度n(称为这个网格图的状态)。该网格图对应了4符号变长码表C＝{c(0)＝1，c(1)＝01，c(2)＝000，c(3)＝001}，编码K＝5个符号，变长码字序列累计比特长度N＝10的例子。一个可能的状态转移(n_k-1＝n₁→n_k＝n₂)对应了一个长度为(n₂-n₁)的变长码字c_k，c_k∈{c(0)，c(1)，c(2)，c(3)}。所有网格路径由原点初始状态37(n₀＝0)出发，汇聚于唯一的终止状态43(n₅＝10)。为了降低解码时延，引入数学变换：

v＝n-k×l_min(l_min为变长码表的最小码字长度)

将图3的纵坐标索引用v值代替，可得到如图4所示的变型网格。

传统的卷积码解码是在经典的二进制卷积码网格图基础上进行的，二进制网格图的状态数固定，每个状态转移对应了一个输入比特和一个固定长的输出码字。图5表示卷积码生成多项式为G＝[3，1]，移位寄存器长度为1的二进制状态转移网格图。对图5中的经典二进制网格图，按照变长码表C＝{c(0)＝1，c(1)＝01，c(2)＝000，c(3)＝001}中最长的码字符号长度进行时间扩展(例如l_max＝3)，可得到如图6所示的时间扩展网格图。

对经典二进制卷积码网格图进行时间扩展的目的是为了构造如图7所示的符号级变长卷积码网格图，使得卷积码网格图中的分支输入码字与变长码表中的码字一一对应。图7中，符号级变长卷积码网格图分支上的每一个输入码字都是变长码表中的一个码字。例如，从状态47(S₀)出发，编码一个变长码字41(c(3)＝001)，码字在如图6所示的扩展网格图上走过的路径为47、47、47、48(即S₀、S₀、S₀、S₁)，则图7中的网格状态也将从47(S₀)转移到48(S₁)，这一编码过程用虚线表示。

以符号级变长信源码网格图4和符号级变长卷积码网格图7为基础进行状态合并，可进一步构造一种复合状态表示的符号级超格图，如图8所示。超格图中的每一个状态t由图4的变型网格图中的一个子状态v和图7的变长卷积码网格中的一个子状态S复合组成，即t＝(v，S)。如果在(k-1)符号时刻，从复合状态t_k-1＝(v_k-1，S_k-1)开始，编码一个变长码字c(i)，图4的变型网格从v_k-1子状态转移到v_k子状态，而图7的变长卷积码网格从S_k-1子状态转移到S_k子状态，则对图8所示的超格图，从复合状态t_k-1＝(v_k-1，S_k-1)开始，编码c(i)码字，复合状态将转移到t_k＝(v_k，S_k)。

基于图8的符号级超格图，可以在经典MAP算法的基础上进行变型，实现变长符号级后验概率译码算法。图8中，复合状态表示的超格型图消除了相同长度的变长码字造成的相邻状态节点间的并行转移路径，增大了码字自由距离，提高了联合解码器的性能。