联合信源信道编码在超宽带信道中的应用1杨晏鸷，蒋挺，周正北京邮电大学无线网络实验室，泛网无线通信教育部重点实验室，北京（100876）E-mail：buptyyz@摘要：本文将联合信源信道编码应用于超宽带(UWB)信道中，信源编码采用基于层次树的集分割算法(SPIHT)嵌入式码流编码，信道编码采用码率兼容截短卷积(RCPC)编码，研究了在直接序列超宽带(DS-UWB)方案中图像传输采用不等差错保护(UEP)方案相对于同等差错保护(EEP)方案所带来的性能提升，并基于UWB信道的特性提出了双重不等差错保护方案，给出了基于IEEE802.15.3a UWB信道模型的仿真结果，从仿真实验结果可以看出双重不等差错保护方案比传统的不等差错保护方案给重建图像带来更大的性能提升。
关键词：超宽带技术，联合信源信道编码，双重不等差错保护，基于层次树的集分割算法1．引言超宽带(Ultra Wideband，以下简称UWB) [1][2]系统具有高传输速率、低功耗、低成本等独特优点,是下一代短距离无线通信系统的有力竞争者。
它是指具有很高带宽比射频（带宽与中心频率之比）的无线电技术。
近年来，超宽带无线通信在图像和视频传输中获得了越来越广泛的应用，它具有极高的传输速率以及很宽的传输频带，可以提供高达1Gbit/s的数据传输速率，可用在数字家庭网络或办公网络中，实现近距离、高速率数据传输。
例如，利用UWB技术可以在家用电器设备之间提供高速的音频、视频业务传输，在数字办公环境中，应用UWB技术可以减少线缆布放的麻烦，提供无线高速互联。
联合信源信道编码(Joint Source Channel Coding,以下简称JSCC)[3][4]近几年来日益受到通信界的广泛重视，主要原因是多媒体无线通信变得更加重要。
根据Shannon信息论原理，通信系统中信源编码和信道编码是分离的[5]，然而，该定理假设信源编码是最优的，可以去掉所有冗余，并且假设当比特率低于信道容量时可纠正所有误码。
在不限制码长的复杂性和时延的前提下，可以得到这样的系统。
而在实际系统中又必须限制码长的复杂性和时延，这必然会导致性能下降，这和香农编码定理的假设是相矛盾的。
因此，在许多情况下，采用独立编码技术并不能获得满意的效果，例如有严重噪声的衰落信道和（移动通信信道），采用独立编码技术不能满足要求。
因此需要将信源编码和信道编码联合考虑，在实际的信道条件中获得比信源和信道单独进行编码更好的效果。
其中不等差错保护是联合信源信道编码的一种, 是相对于同等差错保护而言的。
在网络资源有限的情况下,同等差错保护方案使得重要信息得不到足够的保护而使解码质量严重下降。
而不等差错保护根据码流的不同部分对图像重建质量的重要性不同, 而采用不同的信道保护机制, 是信源信道联合编码的一个重要应用。
不等差错保护（Unequal Error Protection，以下简称UEP）的信源编码主要采用嵌入式信源编码,如SPIHT(Set Partitioning In Hierarchical Trees) [6],EZW,JPEG2000等,信源输出码流具有渐进特性,信道编码采用RCPC[7],RCPT等码率可变的信道编码。
文章[8]中研究了在AWGN 信道下的不等差错保护的性能；文章[9]中研究了有反馈的移动信道下的多分辨率联合信源信道编码；文章[10]研究了无线信道下的图像传输，信源编码采用SPIHT,信道编码采用多码率Turbo coder的不等差错保护方案；文章[11]中研究了DS-CDMA多径衰落信道下信源编码为1本课题得到国家自然科学基金项目(60432040,60772021), 教育部博士点基金项目(20060013008), 韩国仁荷大学IT研究中心项目(INHA UWB-ITRC)的资助。
分层视频图像编码，信道编码采用RCPC ，解决了在信源编码，信道编码以及各个层之间的码率最优分配； 文章[12]研究了3G 网络下MPEG-4视频流的传输，信道编码采用 Turbo 编码，提出了用TCP 传输非常重要的MPEG-4流，而用UDP 传输MPEG-4 audio/video ES (Elementary Streams)，并且对UDP 传输的码流进行UEP 的方案；文章[13]研究在无线频率选择性衰落信道中将MIMO-OFDM 和adaptive wavelet pretreatment （自适应小波预处理）结合在一起的联合信源信道编码图像传输。
据我们的了解, 现在并无文章研究超宽带无线信道下不等差错保护方案,本文将不等差错保护联合信源信道编码应用于超宽带无线通信中, 信源部分采用基于小波SPIHT 的编码方法,而信道部分采用RCPC 编码( Rate Compatible Punctured Convolutional codes) 对SPIHT 输出码流按重要程度进行不等错误保护,并基于DS-UWB [14]方案提出双重不等差错保护方案, 研究了不等差错保护给图像在超宽带无线通信中的图像传输所带来性能增益。
2．联合信源信道编码原理2.1 SPIHT 信源编码基于层次树的集分割(SPIHT)信源编码方法是基于EZW(embedded zerotree wavelet) 而改进的算法，它是有效利用了图像小波分解后的多分辨率特性,根据重要性生成比特流的一个渐进式编码。
这种编码方法，编码器能够在任意位置终止编码,因此能够精确实现一定目标速率或目标失真度。
同样,对于给定的比特流，解码器可以在任意位置停止解码,而仍然能够恢复由截断的比特流编码的图像。
而实现这一优越性能并不需要事先的训练和预存表或码本,也不需要任何关于图像源的先验知识。
2.2 RCPC 信道编码码率兼容截短卷积（RCPC ）信道编码，就是一类采用周期性删除比特的方法来获得高码率的卷积码，它具有以下几个特点:(1 ) 截短卷积码也可以用生成矩阵表示，它是一种特殊的卷积码；(2) 截短卷积码的限制长度与原码相同，具有与原码同等级别的纠错能力；(3) 截短卷积码具有原码的隐含结构，译码复杂度降低；(4) 改变比特删除模式，可以实现变码率的编码和译码。
2.3 不等差错保护由于信源编码输出时嵌入式的，而且输出的码流首部对重建图像的质量具有重要作用，一旦译码错误整个图像就不可重现，后续输出的码流对重建图像质量影响较小，因此对前面的码流需要加入最高级别的保护，即加入最多信道编码冗余[15]，对中间的码流加入中等级别的保护，即加入适当的信道编码冗余，对后面的码流加入最低级别的保护，即加入最少信道编码冗余。
2.4 IEEE802.15.3a UWB 信道模型IEEE802.15.3a 模型的UWB 信道冲激响应可以表示为[16]：()11()()K n N nk n nk n k h t X t T αδτ===−−∑∑其中X 是对数正太随机变量，代表信道的幅度增益；N 是观测到的簇的数目，K(n)是第n 簇内接收到的多径数目，nk α是第n 簇第k 条路径的系数，n T 是第n 簇到达时间，nk τ是第n 簇中第k条路径的时延。
3．系统设计方案图1 系统框图图1给出了系统设计框图。
原始图像经过SPIHT信源编码, 编码器输出码流为嵌入式码流，其重要性大致由高到低排列，即码流对恢复图像质量影响的重要性由大到小排列，码流将通过RCPC信道编码器，并根据输出码流对图像重建质量重要程度不同进行不等差错保护。
信道编码器输出码流再经过重复编码器，其中重复编码周期Ns根据码流重要性不同而改变，码流越重要Ns越大，从而实现对图像的双重不等差错保护。
再用伪随机DS码序列对重复编码器输出码流进行编码，之后进行PAM调制和脉冲成形，从而形成DS-UWB信号，再经过IEEE802.15.3a UWB信道传输，低频信息集中了图像的大部分信息, 考虑到图像低频信息对重建图像的重要性, 一旦重要信息出现错误, 会导致重建图像质量急剧下降, 甚至根本无法重建图像。
而图像在采用改进后的SPIHT算法进行信源编码后, 重要信息集中在数据流前面, 这使得在对其进行信道纠错编码时很容易对重要信息与非重要信息进行不等差错保护。
4．改进的不等差错保护方案基于超宽带系统具有高传输速率、高带宽的特点，我们提出了不等差错保护在超宽带信道中传输的改进方案。
传统的方案利用信道编码加入不同程度的冗余从而实现不等差错保护，在DS-UWB超宽带传输方案中，我们不仅通过改变信道编码码率实现不等差错保护，而且通过改变重复编码器编码周期Ns从而实现两重不等差错保护。
通过牺牲一定的带宽，换来了图像质量的提升。
具体步骤如下：1.根据重要信息长度, 首先对位于数据流前面的重要信息进行码率为1/3的信道编码，重复编码器周期Ns取为30；2.对数据流中间的次要信息进行码率为1/2的信道编码，重复编码器周期Ns取为20；3.对数据流后面的非重要信息不进行信道编码，重复编码器周期Ns取为10。
5．实验仿真结果采用标准LENA256×256图像进行仿真实验, 信源编码采用SPIHT算法，SPIHT 编码速率为0.5bpp, 信道编码采用码率自适应截短卷积码RCPC, 对实验图像进行同等差错保护信道编码( EEP) 和不等差错保护信道编码(UEP), 对于EEP编码采用1/ 2 码率;对于UEP 编码,其重要信息(包括头部语法及图像重要数据) 采用1/ 3码率,对图像次重要数据采用1/ 2码率进行编码,对图像非重要数据不进行编码。
信道编码输出码流经过一个(Ns,1)重复编码器，对重要信息Ns取30，次重要数据Ns取20，非重要数据Ns取为10，再用一个周期为Np=Ns的伪随机DS码序列对重复编码器输出序列进行编码，最后对编码输出进行PAM调制和脉冲成形从而形成DS-UWB发送信号波形，其中脉冲参数设置为平均发射功率为-30，抽样频率为50e9，平均脉冲重复时间为2e-9，冲激响应持续时间为0.5e-9，脉冲波形形成因子为0.25e-9。
DS-UWB信号经过IEEE802.15.3a CM1信道模型，接收端采用Rake接收机对接收信号进行解调，解调后的码流经过RCPC信道译码和SPIHT信源译码恢复出原始图像。
图2 IEEE802.15.3a CM1信道模型下Double-UEP与UEP,EEP的性能比较图2中给出了IEEE802.15.3a CM1信道模型下双重不等差错保护(Double-UEP)与传统不等差错保护(UEP)与同等差错保护(EEP)的性能比较,其中横轴为超宽带信道中的信噪比Eb/N0,纵轴为重建图像的峰值信噪比PSNR(Peek Signal Noise Ratio)。