信息論課程論文

1、課程：信息論與編碼 題目：信源信道聯(lián)合編碼方式及其應(yīng)用班級：14級電子信息工程班姓名：魏秀濤 學(xué)號：1401140108信源信道聯(lián)合編碼方式及其應(yīng)用摘要 本文主要從信源信道編碼的簡介、聯(lián)合編碼的提出、聯(lián)合編碼的具體設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)、聯(lián)合編碼的應(yīng)用環(huán)境及聯(lián)合編碼在實(shí)際系統(tǒng)中應(yīng)用等方面進(jìn)行論述。隨著多媒體無線通信日益發(fā)展。聯(lián)合信源信道編碼近幾年來日益受到通信界的廣泛重視。根據(jù)Shannon信息論原理，通信系統(tǒng)中信源編碼和信道編碼是分離的，然而，該定理假設(shè)信源編碼是最優(yōu)的，可以去掉所有冗余，并且假設(shè)當(dāng)比特率低于信道容量時(shí)可糾正所有誤碼。在不限制碼長的復(fù)雜性和時(shí)延的前提下，可以得到這樣的系統(tǒng)。而在實(shí)

2、際系統(tǒng)中又必須限制碼長的復(fù)雜性和時(shí)延，這必然會導(dǎo)致性能下降，這和香農(nóng)編碼定理的假設(shè)是相矛盾的。因此，在許多情況下，需要采用聯(lián)合信源信道編碼才能獲得滿意的效果。根據(jù)香農(nóng)信源和信道分離編碼理論進(jìn)行的分離信源和信道編碼在時(shí)變信道時(shí)不能充分利用系統(tǒng)資源。正是在這種情況下 ,提出了信源信道聯(lián)合編碼 ,可以跟隨信道的變化充分利用通信系統(tǒng)的資源 ,達(dá)到最好的端對端的通信效果。本文首先闡述了聯(lián)合信源信道編碼的原理 ,然后介紹了常用的實(shí)現(xiàn)方法 ,最后 ,提出了在設(shè)計(jì)聯(lián)合信源信道編碼系統(tǒng)時(shí)的改進(jìn)方法。關(guān)鍵詞 信源編碼，信道編碼，信源信道聯(lián)合編碼一、信源信道編碼的簡單介紹信源編碼： 一種以提高通信有效性為目的而對信

3、源符號進(jìn)行的變換；為了減少或消除信源剩余度而進(jìn)行的信源符號變換。為了減少信源輸出符號序列中的剩余度、提高符號的平均信息量，對信源輸出的符號序列所施行的變換。具體說，就是針對信源輸出符號序列的統(tǒng)計(jì)特性來尋找某種方法，把信源輸出符號序列變換為最短的碼字序列，使后者的各碼元所載荷的平均信息量最大，同時(shí)又能保證無失真地恢復(fù)原來的符號序列。信道編碼：數(shù)字信號在傳輸中往往由于各種原因，使得在傳送的數(shù)據(jù)流中產(chǎn)生誤碼，從而使接收端產(chǎn)生圖象跳躍、不連續(xù)、出現(xiàn)馬賽克等現(xiàn)象。所以通過信道編碼這一環(huán)節(jié)，對數(shù)碼流進(jìn)行相應(yīng)的處理，使系統(tǒng)具有一定的糾錯(cuò)能力和抗干擾能力，可極大地避免碼流傳送中誤碼的發(fā)生。誤碼的處理技術(shù)有糾錯(cuò)

4、、交織、線性內(nèi)插等。二、聯(lián)合信源信道編碼的提出經(jīng)典的無線通信系統(tǒng)是將信源編碼和信道編碼分別進(jìn)行的。信源編碼主要考慮信源的統(tǒng)計(jì)特性，信道編碼主要考慮信道的統(tǒng)計(jì)特性。 優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、通用性好，可以分別形成標(biāo)準(zhǔn)。 缺點(diǎn)是沒有充分利用各自的優(yōu)勢，因而不是最佳的。 無線系統(tǒng)的信源編碼由于壓縮比很高，對差錯(cuò)十分敏感；而信道編碼面臨十分惡劣的傳播環(huán)境，但提供的帶寬冗余度很小。 在這種背景下，需要將信源編碼和信道編碼綜合考慮。這就是聯(lián)合編碼的基本思路。 在無線多媒體通信中，聯(lián)合編碼是抗衰落的一種十分有效的措施。如圖：信道信源編碼信道編碼 輸入 輸出 信源碼率 信道碼率聯(lián)合最優(yōu)比特分配三、聯(lián)合編碼的具體設(shè)計(jì)方

5、法和關(guān)鍵技術(shù)聯(lián)合編碼的具體設(shè)計(jì)方法：第一、信源-信道編碼器的聯(lián)合設(shè)計(jì)。該法側(cè)重與在發(fā)送端根據(jù)信源和信道的統(tǒng)計(jì)特性來完成設(shè)計(jì)，包括基于信源優(yōu)化的信道編碼和基于信道優(yōu)化的信源編碼。第二、信源-信道聯(lián)合解碼器設(shè)計(jì)。該法側(cè)重于在信宿端分析并利用信源編碼器輸出的殘存冗余信息來阻止傳輸比特差錯(cuò)的傳播，也可以作為先驗(yàn)知識用于信道譯碼器軟輸出譯碼的邊信息。第三、信源-信道碼率分配研究。它是在給定信道碼率下，信源和信道編碼率的最優(yōu)化分配策略。當(dāng)總比特率（=信源編碼速率+信道編碼速率）一定，信源編碼率增加，有損壓縮造成的失真減?。恍诺谰幋a速率減小，信道編碼冗余量減少，信道噪聲造成的失真提高。聯(lián)合編碼關(guān)鍵技術(shù)：殘留

6、冗余（額外比特率）技術(shù) 即在有噪信道且不額外增加傳輸比特條件下，調(diào)整編碼器以提高信道魯棒性。（由于香農(nóng)編碼理論存在：不能去除所有冗余問題；在有噪信道和衰落信道信道編碼方法不充分的局限。）不等差錯(cuò)保護(hù)技術(shù)（自適應(yīng)糾錯(cuò)技術(shù)） 即根據(jù)數(shù)據(jù)的重要性不同，信道編譯碼采用不同的糾錯(cuò)保護(hù)策略，使誤碼率降到最低。又稱分集接收技術(shù)7?；谲涊斎胲涊敵龅穆?lián)合譯碼技術(shù) 該法利用傳輸信道的狀態(tài)信息、信源的先驗(yàn)信息以及信道譯碼器的軟輸出來進(jìn)行軟信源譯碼。基于因子圖形的聯(lián)合譯碼技術(shù) 因子圖形是一種雙向圖形，是把一個(gè)全局變量，使用特定的方法變換成幾個(gè)局部函數(shù)乘積式子。傳遞算法描述：圖形中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可看作活動的處理單元，且能

7、執(zhí)行和該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的信息和局部函數(shù)的計(jì)算。節(jié)點(diǎn)間的連線完成信息的發(fā)送和接收。聯(lián)合優(yōu)化技術(shù) 該聯(lián)合編碼可被認(rèn)為是一種隱馬爾可夫過程模型（用狀態(tài)條件概率代替無記憶信道的轉(zhuǎn)移概率）。（包含狀態(tài)估計(jì)、最小均方差估計(jì)和信道狀態(tài)和參數(shù)估計(jì)）網(wǎng)格量化聯(lián)合優(yōu)化技術(shù) 網(wǎng)格量化編碼和網(wǎng)格編碼調(diào)制，可降低系統(tǒng)復(fù)雜性，改善失真性能，并且使信道噪聲有適中的魯棒性四、信源-信道聯(lián)合編碼適用環(huán)境資源受限的通信系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)資源最優(yōu)化。資源限制包括數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的速率和帶寬限制，系統(tǒng)復(fù)雜度限制，功率限制，延時(shí)限制。多用戶共享信道的通信系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)信道容量的利用最大化。如蜂窩移動通信系統(tǒng)。由于多個(gè)用戶是通過統(tǒng)計(jì)時(shí)分或者碼分等復(fù)用方式共享信

8、道，這樣便造成一個(gè)用戶的信源信息，可能是另一個(gè)用戶的信道噪聲的問題。（不適用于多源接入信道）。異質(zhì)信源、異類信道或異種用戶共存通信系統(tǒng) 異質(zhì)信源指多媒體通信中，對于信道誤碼和傳輸延時(shí)要求不同的數(shù)據(jù)。異類信道指同一通信網(wǎng)下，包括信道的速率、誤碼率、時(shí)延或時(shí)延抖動在內(nèi)的信道質(zhì)量相差很大的信道。異種用戶指同一通信系統(tǒng)中，服務(wù)質(zhì)量要求不同的用戶。時(shí)變通信系統(tǒng) 由于時(shí)變系統(tǒng)的信源和信道的先驗(yàn)概率分布不可能準(zhǔn)確獲得，這樣便不可能實(shí)現(xiàn)，在分離方式下，系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)。五、信源編碼和信道編碼在現(xiàn)代社會的應(yīng)用在現(xiàn)代無線通信中的應(yīng)用： 通信的任務(wù)是由一整套技術(shù)設(shè)備和傳輸媒介所構(gòu)成的總體通信系統(tǒng)來完成的。電子通信根據(jù)信

9、道上傳輸信號的種類可分為模擬通信和數(shù)字通信。最簡單的數(shù)字通信系統(tǒng)模型由信源、信道和信宿三個(gè)基本部分組成。實(shí)際的數(shù)字通信系統(tǒng)模型要比簡單的數(shù)字通信系統(tǒng)模型復(fù)雜得多。數(shù)字通信系統(tǒng)設(shè)備多種多樣，綜合各種數(shù)字通信系統(tǒng).信源編碼是以提高通信有效性為目的的編碼。通常通過壓縮信源的冗余度來實(shí)現(xiàn)。采用的一般方法是壓縮每個(gè)信源符號的平均比特?cái)?shù)或信源的碼率。 信道，通俗地說是指以傳輸媒質(zhì)為基礎(chǔ)的信號通路。具體地說，信道是指由有線或無線電線路提供的信號通路。信道的作用是傳輸信號，它提供一段頻帶讓信號通過，同時(shí)又給信號加以限制和損害。 信道編碼是以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a。通常通過增加信源

10、的冗余度來實(shí)現(xiàn)。采用的一般方法是增大碼率或帶寬。與信源編碼正好相反。在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，信道編碼（channel code）被廣泛用作表示編碼錯(cuò)誤監(jiān)測和糾正的術(shù)語，有時(shí)候也可以在通信和存儲領(lǐng)域用作表示數(shù)字調(diào)制方式。信道編碼用來在數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)候保護(hù)數(shù)據(jù)，還可以在出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候來恢復(fù)數(shù)據(jù)。超寬帶(Ultra Wideband，以下簡稱UWB)，系統(tǒng)具有高傳輸速率、低功耗、低成本等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn),是下一代短距離無線通信系統(tǒng)的有力競爭者。它是指具有很高帶寬比射頻（帶寬與中心頻率之比）的無線電技術(shù)。近年來，超寬帶無線通信在圖像和視頻傳輸中獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，它具有極高的傳輸速率以及很寬的

11、傳輸頻帶，可以提供高達(dá)1Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，可用在數(shù)字家庭網(wǎng)絡(luò)或辦公網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)近距離、高速率數(shù)據(jù)傳輸。例如，利用UWB技術(shù)可以在家用電器設(shè)備之間提供高速的音頻、視頻業(yè)務(wù)傳輸，在數(shù)字辦公環(huán)境中，應(yīng)用UWB技術(shù)可以減少線纜布放的麻煩，提供無線高速互聯(lián)。六、總結(jié) 信源編碼是一種以提高通信的有效性為目的而對信源符號進(jìn)行的變換；為了減少或消除信源剩余度而進(jìn)行的信源符號變換。信道編碼為了與信道的統(tǒng)計(jì)特性相匹配，并區(qū)分通路和提高通信的可靠性，在信源編碼的基礎(chǔ)上進(jìn)行信道編碼更好的滿足通信系統(tǒng)的要求。參考文獻(xiàn)1周炯磐.信息理論基礎(chǔ).北京：人民郵電出版社，19832鐘義信.信息科學(xué)原理.北京：北京郵電大學(xué)出版社，19963王圣誼等編譯.信息工程.長沙：湖南大學(xué)出版社，19874姜丹，錢玉美.信息理論與編碼.合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，19925