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(wú)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(wú)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(gè)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(jì)的，并且適合于單個(gè)發(fā)送端接收端對(duì)通過(guò)一個(gè)靜態(tài)的信道上的通信的場(chǎng)景。但是，對(duì)于時(shí)變的信道，當(dāng)信道質(zhì)量低于目標(biāo)信道質(zhì)量時(shí)，由于信道編碼的崩潰，分離編碼則無(wú)法解碼任何信息;而當(dāng)信道質(zhì)量高于目標(biāo)質(zhì)量時(shí)，由于

2、使用量化編碼，分離編碼則無(wú)法再進(jìn)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(dòng)視頻通信和視頻廣播通信場(chǎng)景。因此，針對(duì)移動(dòng)視頻通信和視頻廣播通信設(shè)計(jì)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(duì)于廣播通信場(chǎng)景，給定平均信道代價(jià)（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(duì)無(wú)記憶信源通過(guò)無(wú)記憶點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信道通信，我們給出了HDA編碼可達(dá)的性能范圍（信道代價(jià)信源失真度范圍），并設(shè)計(jì)了計(jì)算最優(yōu)HDA編碼及其性能的數(shù)值算法。其次，我們將點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dá)的性能區(qū)域。接下來(lái)，我們將前面理論的結(jié)果應(yīng)用到無(wú)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(chǎng)景。論文主要?jiǎng)?chuàng)新及貢獻(xiàn)如下。

4、r>　　(1)關(guān)于聯(lián)合信源信道編碼的理論有很多開(kāi)放性問(wèn)題，很多基本的問(wèn)題都有待解決，如對(duì)于給定的任意信源信道對(duì)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信問(wèn)題，除了數(shù)字分離編碼以外還存不存在達(dá)到Shannon極限的最優(yōu)編碼方案?又如對(duì)于給定的任意信源信道對(duì)的多用戶通信問(wèn)題，最優(yōu)的信道代價(jià)信源失真度區(qū)域是什么?由于求解這些問(wèn)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(jiǎn)化到用單字符的計(jì)算式（熵、交互信息量等）表達(dá)，因而回答這些問(wèn)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?yàn)橐环矫鍴DA編碼設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(chǎng)景下，HDA編碼方案被證明出是確實(shí)達(dá)到了最優(yōu)的編碼性能界。在本文中，我們對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(dá)信道代價(jià)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(jiǎn)化到用單字符的計(jì)算式表達(dá)，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(jì)算的。進(jìn)而，相關(guān)的結(jié)論可以應(yīng)用到實(shí)際的通信中，如視頻通信。
　　(2)本文進(jìn)一步將前面關(guān)于HDA編碼的理論研究結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際的無(wú)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(diǎn)——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(shí)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(duì)于目前最先進(jìn)的大多數(shù)視頻廣播方案，我們?cè)O(shè)計(jì)的WSVC方案在質(zhì)量可伸縮性、多播效率和時(shí)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(wú)線視頻廣播/多播和移動(dòng)視頻通信場(chǎng)景。另外，質(zhì)量可伸縮性和時(shí)空可伸縮性等可伸縮性概念通常是對(duì)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(wú)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(gè)實(shí)現(xiàn)時(shí)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(jìn)一步將HDA編碼思想應(yīng)用到基于合作的無(wú)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(diǎn)——高編碼效率和高質(zhì)量可伸縮性。相對(duì)于大多數(shù)視頻傳輸方案，WCVC方案在質(zhì)量可伸縮