基于Turbo码的联合信源信道编译码方法研究

论文摘要

随着移动通信和深空通信领域的迅速发展,在无线信道上传输多媒体数据的应用日趋广泛。下一代无线通信系统设计的目标是在高速移动环境下实现宽带的、高速的数据传输。由于无线信道带宽资源十分有限、差错率高、衰落显著,为多媒体数据的可靠传输带来了巨大的挑战。国际标准的图像、视频编码方法取得了较高的压缩比,由于采用可变长编码（Variable Length Coding, VLC）方法,导致码流对信道差错非常敏感。因此,迫切需要研究高可靠的信道差错保护技术,以提高端到端的传送质量。Turbo码作为一种新型的信道编码方法,取得了接近香农理论限的优异性能,得到了国际学术界的广泛关注,目前已经被第三代移动通信系统标准和深空通信标准采纳。另一方面,实际空间通信系统的时延和复杂度受到了严格限制,经典的香农分离编码系统不能达到性能最优,联合信源信道编译码技术成为当前国内外编码界研究的热点之一。基于以上考虑,本文选择基于Turbo码的联合信源信道编译码方法作为研究课题。本文在香农信息论的基础上,介绍了传统的信源压缩编码方法和信道纠错编码方法。研究了Turbo码的相关核心技术,包括Turbo码原理与应用、高带宽效率Turbo编码调制和基于Turbo码的联合信源信道编译码方法。提出了LCB迭代停止算法、适用于TTCM系统的符号级软输出维特比算法以及两种联合信源信道译码算法,探讨了新方法在图像数据传输中的应用。本文的主要工作和创新点包括:1.针对Turbo码译码时延大,提出了适用于流媒体传输的快速Turbo译码方法及LCB（LLR Characteristic Based）迭代停止算法,在不损失比特误码率（Bit Error Ratio, BER）性能的前提下,有效减小了平均译码迭代次数,为Turbo码应用于实时业务提供了解决方案。2.针对无线信道带宽资源受限、衰落显著等问题,研究了Turbo码与网格编码调制（Trellis Coded Modulation, TCM）技术相结合的高带宽效率编码调制方法。提出了适用于Turbo TCM系统的符号级软输出维特比算法,降低了译码的复杂度。3.基于可变长编码的剩余信源冗余,提出了一种利用信源先验知识的联合信源信道Turbo译码方法。构造了一种复合状态表示的比特级超格图,将VLC码树的比特转移概率结合到Turbo码迭代译码算法中,降低了变长编码数据传输的符号误码率。4.将可变长编码与Turbo编码相结合,提出了一种新型的信源信道混合级联编码模型,称为可变长Turbo码方法。通过子状态合并方法,构造了符号级的联合网格图,实现了变长符号级的后验概率译码算法（VLS-APP）,更加符合信源的先验特征。在译码器端,采用联合信源信道迭代译码结构,提高了编码系统的传输性能。5.基于CCSDS图像数据压缩标准,研究了适用于空间通信的高保真度可伸缩性压缩编码算法,将本文提出的可变长Turbo码方法应用于嵌入式图像码流传输,提高了图像重建质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 研究背景
• 1.2 论文研究内容
• 1.3 论文组织结构
• 第二章 信源编码及信道编码概述
• 2.1 通信系统编码模型
• 2.2 信息论基础
• 2.2.1 熵与互信息
• 2.2.2 香农信源编码定理
• 2.2.3 香农信道编码定理
• 2.2.4 熵编码理论
• 2.3 信源压缩编码
• 2.3.1 压缩编码概述
• 2.3.2 变换编码模型
• 2.3.3 图像变换
• 2.3.4 量化编码
• 2.3.5 系数VLC 编码
• 2.3.6 图像、视频压缩标准
• 2.4 信道纠错编码
• 2.4.1 信道编码的基本原理
• 2.4.2 信道编码的发展史
• 2.4.3 Turbo 码的提出
• 2.4.4 低密度奇偶校验码
• 2.5 联合信源信道编码
• 2.5.1 联合信源信道编译码基本原理
• 2.5.2 经典联合信源信道编译码方法
• 2.6 小结
• 第三章 Turbo 码原理及其应用
• 3.1 Turbo 码的编码结构
• 3.1.1 并行级联卷积编码
• 3.1.2 非系统卷积码和反馈系统卷积码
• 3.1.3 交织器
• 3.1.4 校验删余
• 3.2 Turbo 码的译码结构
• 3.2.1 Turbo 码迭代译码
• 3.2.2 MAP（BCJR）算法
• 3.2.3 Max-Log-MAP 算法
• 3.2.4 Log-MAP 算法
• 3.2.5 Log-MAP 简化算法
• 3.2.6 SOVA 算法
• 3.3 Turbo 码的交织器
• 3.3.1 分组型交织器
• 3.3.2 随机型交织器
• 3.3.3 CCSDS 交织器
• 3.4 Turbo 码的参数分析
• 3.4.1 迭代译码性能
• 3.4.2 分量编码器选择
• 3.4.3 帧长对性能的影响
• 3.4.4 译码算法性能比较
• 3.4.5 交织器性能比较
• 3.5 Turbo 码迭代停止准则
• 3.5.1 经典迭代停止准则
• 3.5.2 LCB 算法
• 3.5.3 仿真验证
• 3.6 Turbo 码的应用
• 3.7 小结
• 第四章 高带宽效率Turbo 网格编码调制
• 4.1 无线信道带宽问题
• 4.2 网格编码调制（TCM）
• 4.2.1 数字调制及星座图表示
• 4.2.2 TCM 结构与分集映射
• 4.2.3 非二进制卷积码和Turbo 码
• 4.3 基于Turbo 码的TCM
• 4.3.1 二进制Turbo 编码调制
• 4.3.2 多级Turbo 编码调制
• 4.3.3 并行级联网格编码调制（PCTCM）
• 4.4 Turbo-TCM（TTCM）技术
• 4.4.1 TTCM 编码结构
• 4.4.2 TTCM 译码结构
• 4.4.3 符号级MAP 算法
• 4.5 符号级SOVA 算法
• 4.5.1 SOVA 算法路径分支度量
• 4.5.2 符号级对数似然比（LLR）
• 4.5.3 迭代更新算子
• 4.5.4 性能仿真和复杂度分析
• 4.6 小结
• 第五章 联合信源信道Turbo 译码
• 5.1 可变长编码（VLC）的剩余冗余
• 5.2 变长码与卷积码的JSCD 方法
• 5.2.1 非迭代形式的联合译码
• 5.2.1.1 比特级非迭代译码算法
• 5.2.1.2 符号级非迭代译码算法
• 5.2.2 迭代形式的联合译码
• 5.2.2.1 比特级迭代译码算法
• 5.2.2.2 符号级迭代译码算法
• 5.3 变长码与Turbo 码的JSCD 方法
• 5.3.1 外信息反馈加权
• 5.3.2 比特级超格图译码
• 5.3.3 利用VLC 码字转移概率
• 5.3.4 Three-SISO 迭代译码
• 5.4 利用VLC 先验知识的联合Turbo 译码
• 5.4.1 复合状态超格图构造
• 5.4.2 APP 译码算法
• 5.4.3 VLC 序列估计算法
• 5.4.4 符号错误率与Levenshtein 距离
• 5.4.5 性能仿真和复杂度分析
• 5.5 小结
• 第六章 可变长Turbo 编译码方法
• 6.1 方法提出的背景
• 6.2 方法的描述
• 6.2.1 混合级联编码模型
• 6.2.2 联合信源信道迭代译码模型
• 6.3 编码过程的网格图表示
• 6.3.1 符号级VLC 网格图
• 6.3.2 变长卷积码网格图
• 6.3.3 复合状态联合网格图
• 6.4 变长符号级APP 译码算法
• 6.4.1 VLS-APP 算法描述
• 6.4.2 外信息传递方法
• 6.5 降状态符号级Max-Log-MAP 算法
• 6.5.1 符号级Max-Log-MAP 算法的物理意义
• 6.5.2 降状态符号级简化算法
• 6.5.3 性能仿真和复杂度分析
• 6.6 可变长Turbo 码在CCSDS 图像传输中的应用
• 6.6.1 CCSDS 图像数据压缩标准
• 6.6.2 可变长Turbo 码应用实例
• 6.7 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 论文工作总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢