卷积编码解码

关键词：

卷积编码解码（精选三篇）

卷积编码解码 篇1

关键词：卷积码,Viterbi译码,误码率,FPGA

在现代通信系统中，信道编码技术得到了广泛的应用。卷积码结构简单，硬件实现容易，同时有着较好的查错纠错能力，因此在无线通信中经常使用，而其解码方式常用Viterbi译码。

1 卷积编码

卷积码(Convolutional Coding)是由PgElias于20世纪50年代提出的一种非分组码。它实现非常简单，将要发送的信息序列经过一个特定的线性移位寄存器，即完成了编码。

卷积编码常用(n,k,m)表示，一般n和k的值都比较小，其中m为编码约束长度，它表示编码时相应的信息比特在编码器中停留的时间。卷积编码是一种前后相关联的编码过程，编码后的码元和当前的k个比特位相关，同时也与前m-1个输入比特相关，使得相互关联的码元达到m×n个。衡量卷积码性能的两个重要参数是码率(k n)和约束长度。

2 卷积码的描述方法

卷积码的编码描述方法有很多，工程中最常用的是寄存器网络结构法、码多项式法和状态图形表示法。

如本系统中使用的(2,1,7)卷积编码，它的寄存器网络结构法表示如图1所示。

离散卷积法表示如下：

设输入信息序列为：μ=(μ0,μ1,μ2,⋯)则对应的输出为：C[1]=(C0[1],C1[1],C2[1],⋯),C[2]=(C0[2],C1[2],C2[2],⋯)。

其编码方程为：

其中卷积运算用*表示，g[1],g[2]为脉冲冲激响应。则如图1中可以表示为：

g1=(1 1 1 1 0 0 1),g2=(1 0 1 1 0 1 1);当μ=(1 1 0 1 1 0 0 0 0 0)时，则有：

多项式表示如下：

工程上用8进制表示编码方程为(171,133)。

3 卷积码的译码

由于卷积码自身没有严格的代数结构，其译码过程相对复杂。目前常用的方法有两类：

(1)代数解码。这种解码方式是利用编码本身的代数结构进行解码，但不考虑信道的统计特性;

(2)概率解码。这一解码方式则充分利用了信道的统计特性。目前常用的有Viterbi译码、最大后验概率译码(MAP)以及它的改进算法Max_log_MAP等。本文采用的是Viterbi译码简称(VB)。

对于(n,k,m)的二进制卷积码，编码输入的信息序列是独立等概率的，比较各种条件下的概率，即似然函数P(R|U(m))，选择其中概率最大的，所得就是译码值，它具有最小差错概率。其中R是实际接收到的序列，U(m)是可能的发送序列。当满足P(R|U(m′))=max P(R|U(m))条件时，U(m′)就是译码值。

假设加性高斯白噪声作为系统噪声，同时信道是无记忆性，则卷积码的似然函数为：

式中：Ri是接收序列R的第i个分支;Ui(m)是特定码字U(m)的第i个分支;rji是Ri的第j个码元;uji(m)是Ui(m)的第j个码元，每个分支由n个码元组成。在工程实践中通常用对最大似然函数取对数，以加法代替乘法。对数的最大似然函数定义为：

当log P(R|U(m))的值最大时，译码成功。Viterbi译码利用了编码网络图的特殊结构，降低了计算的复杂度，但它本质上仍然是最大似然译码。算法实际执行时，边接收边比较，同时去除不可能成为最大似然选择对象的路径，也就是说如果两条路径到达同一状态，被选中的是具有最佳量度的路径。这一路径称为幸存路径，对所有状态进行比较、选择，抛弃不可能的路径，从而降低了译码器的复杂性。译码从根本上说，也就是选择具有最小距离的码字或最大似然量度的码字

4 卷积码编码的工程实现

卷积码的编码在工程中比较简单，由移位寄存器和异或组成，系统中使用(2,1,7)编码，实现原理如图2所示。在FPGA中的仿真如图3所示。

5 卷积码译码——Viterbi译码的FPGA实现

Viterbi算法的基本实现方法如下：在不同时刻，按照最大似然准则将网格图中所有的路径进行比较，保留一条具有最大似然值的路径(幸存路径)，同时舍弃其他路径。每个时刻进行相同的操作，对每接收到的一段数据进行计算、比较并保存幸存路径，最后留下的路径就是所要求得的译码值。

对于卷积码(2,1,7)，其编码的状态数为2[6]，所以在译码时，译码器最多需要保留2[6]条幸存路径，和它所对应的路径度量值。由于是(2,1,7)编码每个节点将引出两条支路，但通过比较似然函数的累加值后，可以丢弃一半的路径，使得留存下来的路径总数保持不变。这样在具体实现时可以开辟固定大小的存储区，有利于硬件资源的估计。

在工程实现中采用迭代的方法，在每个时刻，对进入每个状态的所有路径的量度值进行比较，同时把具有最大量度值的路径存储下来。具体步骤如下：

(1)初始化，从时刻t=n起，计算每个状态的路径和路径度量，并存储。

(2)在t+1时刻，接收新的一组数据，将当前的路径度量与前一时刻的度量相加，求得并保存最大度量并保存幸存路径，删除其余路径

(3)当t

由于软判决可以对信道噪声进行更好的估计，因此它比硬判决有着更好的译码性能。因此，本文Viterbi译码器采用软判决算法，同时对信号采用线性(均匀)八电平量化。其FPGA的实现图如图4所示。

6 系统应用

在一般的通信系统中卷积编码和Viterbi译码可以是连续的，但在实际系统的应用中由于系统采用PCM分帧的模式传送，因此卷积码编码和Viterbi译码也相应改成按帧传送模式。由于卷积码的编码是数据前后相关的一种编码模式，在按帧发送后设编码和解码的初始状态均为0，如(2,1,7)编码举例，从编码的原理图2中可以清楚的看到，在相同的信道状态和传输数据一定的条件下，每一帧都将影响最后6 b数据解码的正确性。为此可以有两种解决方式：

(1)为每帧数据添加固定的6 b数据，这种做法增加了系统的数据冗余;

(2)编码端不做任何处理，影响系统的误码率。

考虑到系统性能，由于系统传输能力还有剩余因此采用第一种处理方法。同时加入6 b数据全部为0，这样不仅解决了数据误码率的问题同时保持了解码初始状态的一致性，使解码能更好的同步，有效地提高解码的正确性。

分帧式卷积编码及Viterbi解码的FPGA实现的联合仿真如图5所示。

分帧式传输对系统的影响如图6所示。

7 结论

在实际通信系统中，通过测量比较，分帧式编解码和连续编解码相比，在信道传输中对系统影响不大，在某些情况下分帧式编解码甚至会优于连续编解码。

参考文献

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[5]黄赓,唐小明,李洪高.S模式应答信号多通道接收解码技术研究[J].现代电子技术,2012,35(23):6-9.

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数字视频信号源的编码器和解码器的设计

摘 要

数字视频/音频压缩编码是数字电视广播系统中非常重要的环节，主要解决电视信号数字化后所带来的海量数据量如何能够有效地存储和传输的问题。近20年来，视频/音频压缩编码技术一直处于快速发展之中，新技术和新标准不断涌现，现代视频/音频压缩编码技术已经比较成熟，可以在保持较好图像质量前提下，达到较高的压缩比。

近年来,卫星数字广播电视逐渐走进千家万户，受到大众的喜爱。与传统的模拟电视相比，卫星数字广播电视采用了全数字的图像/声音处理技术，MPEG-2这一数字视频音频编码标准被应用其中。MPEG-2采用的具有运动补偿的帧间压缩编码技术支持高图像分辨率，为数字广播电视行业带来了技术性的革命。本文主要针对数字视频信号源的编码器和解码器的研究。

关键词：视频/音频压缩编码技术，编码器，译码器

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目 录

1数字电视的优点和发展概况及其基本结构..........................................................................1 1.1数字电视的优点和发展概况.............................................................................................1 1.2数字电视的基本组成.........................................................................................................3 2视频压缩编码的方法..............................................................................................................3 2.1 AVI.......................................................................................................................................3 2.2运动补偿预测.....................................................................................................................5 2.3 预测编码基本原理.............................................................................................................5 2.4混合编码.............................................................................................................................7 3 MPEG-2编码器原理..............................................................................................................7 3.1MPEG-2标准的基本结构...................................................................................................7 3.2MPEG-2视频编码系统原理及关键技术...........................................................................8 4 MPEG-2解码器原理............................................................................................................10 总

结.......................................................................................................................................12 致

谢.......................................................................................................................................13 参考文献...................................................................................................................................14

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1数字电视的优点和发展概况及其基本结构

1.1数字电视的优点和发展概况

数字电视主要有清晰度高，音频效果好，抗干扰能力强，频道数量大增，可以支持500套数字频道，可开展多功能的交互式电视服务等优势，笔者将详细论述其多样的频道和人性化服务的优势，以及其特有的产品价值。

(1)花样百出的付费频道

数字电视中的节目，尤其是付费频道的节目，是数字电视实现盖利之根本，要想使付费频道能被用户所接受，其节目的内容的品质需要更为上乘。首先，各地所开播的付费频道其有小众化、专业化、个性化、多元化、服务性的特点。如北广传媒开办的付费频道中有《考试在线》、《四海钓鱼》、《车迷》、《爱家购物》、《动感音乐》等。上海付费频道中视频节目有24套，音频节目10套。另外，从这几个频道的名称就可以看出，付费频道的钊一对性十分的强，基本都固定在一个小的专业领域里，这样就符合当今受众越来越突出个体的需要以及对快速获得所需信息的效率追求。另外，由于各类付费频道对于专业性的要求更高，所以只依靠节目制作者本身是不够的，那么就出现了与社会机构合作经营付费频道和引入海外节目的形式。如江苏《靓装频道》，为了强化其国际性，该频道投入大量资金，通过法国Fashion TV在国内的版权代理唐龙国际传媒公司购买节目版权，另外还与美国部分时尚媒体建立了合作关系。吉林电视台的《吉祥购物频道》是与上海合家购物有限公司合作推出，全部节目在上海制作完成，吉林电视台负责节目策划和播出，上海合家购物公司提供完善、丰富的物流保障。

(2)数字电视的人性化服务特质

首先，数字电视本身存在着众多的优点，从数字电视和模拟电视情况的比较就可以看出，数字电视无论从技术条件，还是内容结构，甚至是盖利方式，都可以促使其更加注重通过服务来赢得用户。所以，现今条件下，观众可以获得以下几种便利服务:一是数字增值服务，这类服务使电视成为了一种信息工其和娱乐工其。如电视节目指南(EGP)，这就类似于书本的目录一样，它可以把现在播放的各个电视台的节目列成一份节目单，用户可以根据自己的需求进行选 课程设计说明书

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择，节省了模拟电视中通过不断调台来选择节目的时间。另外，以上海数字付费电视和青岛模式为例，在上海数字付费电视中的数据增值服务共有7类，如《气象信息》、《新闻中心》、《坚果游戏》、《股票行情》等。而在青岛模式中，它为用户提供了海量信息，其搭建了电子政务平台、文化教育平台、生活信息平台，电子商务平台。这此平台随时为用户提供了最新的政府建设、居民生活、股市即时行情等信息。其实，这样的资讯平台，也是数字电视拓展外围业务的有利手段。如英国的B-SKY-B就有一个《Open》的购物频道，它上面销售的东西包括PC、电器、书和唱片等，更重要的是其便捷的交易方式，提高了“冲动型购买”的机会，由于B-SKY-B的机顶盒本身安装时就有加密系统，对于用户信息和地址十分清楚，所以用户根本不用敲自己的地址甚至是信用卡号，就可以实现交易。二是视频点播服务(VOD)，主要分为两类准视频点播，即“预先安排好节目菜单及电视节目播出时间表，将同一节目以一定的时间间隔安排在不同的数字频道内播出。”和真视频点播，它可以实现用户自行控制节目播放情况，如请进和后退。三是下载服务。如果用户想观看某个电视节目，却在节目播出的时段没有时间，那么就可以通过预订节目，让运营方把该节目下载到机顶盒中，让用户可以依据自己的时间观看该节目。四是互联网接入。用户可以用电视浏览网站，而且其速度比电脑更快。

(3)有别于传统电视的产品价值

由于传统电视媒体生产的节目是一种单纯的“灌输”式的“免费便餐”，电视上有什么节目，观众就被动的在现有的节目中进行选择，并且传统电视节目的价值只有拥有了广告时段，广告商的赞助，才会获得价值，所以节目被卖给了广告商，受众被卖给了广告，并不是一种不等价交换。因而，传统电视媒体的产品与商品从根本上违背了市场价值规律。“而数字电视媒体的产品是真正意义上的等价交换商品，它通过市场经济‘那只无形的手’，以付费电视收视点击次数和收视群体文化背景的统计信息，发挥按质论价、优胜劣汰的市场调节作用，客观地依据价值法规创造产品的增值与增量。”所以，数字电视的节目成为了一种单纯的商品，其价值本身就在于它所包含的信息，是否可以满足观众的需求，观众看电视就像是逛超级市场，面对明码标价的商品，自主选择各类商品。这种售出方式，才是以受众为本位，实现信息的有效获取。

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1.2数字电视的基本组成

交互式数字电视系统由三部分组成：数字前端系统、双向传输网络和用户终端系统[1]。

数字前端系统通常划分为信源处理、信息处理和传输处理三部分，完成节目的数字化、加扰、授权和认证等功能；双向传输网络主要通过卫星、Cable、地面发射、MMDS等方式将节目传送到用户家中，回传可采用HFC回传通道、PSTN和其它网络；用户终端系统采用机顶盒（STB）收看数字电视节目或实现交互式功能，如收看付费电视、实现Internet浏览、远程教育等。

2视频压缩编码的方法

压缩编码的方法有几十种之多，并在编码过程中涉及较深的的数学里理论基础问题，在此仅介绍几种常用的压缩编码方法[2]。2.1 AVI AVI（Audio Video Interleave）是一种音频视像交插记录的数字视频文件格式。1992年初Microsoft公司推出了AVI技术及其应用软件VFW（Video for Windows）。在AVI文件中，运动图像和伴音数据是以交织的方式存储，并独立于硬件设备。这种按交替方式组织音频和视像数据的方式可使得读取视频数据流时能更有效地从存储媒介得到连续的信息。构成一个AVI文件的主要参数包括视像参数、伴音参数和压缩参数等[3]。2.1.1视像参数

（1）、视窗尺寸（Video size）：根据不同的应用要求，AVI的视窗大小或分辨率可按4：3的比例或随意调整：大到全屏640×480，小到160×120甚至更低。窗口越大，视频文件的数据量越大。

（2）、帧率（Frames per second）：帧率也可以调整，而且与数据量成正比。不同的帧率会产生不同的画面连续效果。2.1.2伴音参数

在AVI文件中，视像和伴音是分别存储的，因此可以把一段视频中的视像与另一段视频中的伴音组合在一起。AVI 文件与WAV文件密切相关，因为WAV

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文件是AVI文件中伴音信号的来源。伴音的基本参数也即WAV文件格式的参数，除此以外，AVI文件还包括与音频有关的其他参数[4]：

（1）视像与伴音的交织参数（Interlace Audio Every X Frames）AVI格式中每X帧交织存储的音频信号，也即伴音和视像交替的频率X是可调参数，X的最小值是一帧，即每个视频帧与音频数据交织组织，这是CD－ROM上使用的默认值。交织参数越小，回放AVI文件时读到内存中的数据流越少，回放越容易连续。因此，如果AVI文件的存储平台的数据传输率较大，则交错参数可设置得高一些。当AVI文件存储在硬盘上时，也即从硬盘上读AVI文件进行播放时，可以使用大一些的交织频率，如几帧，甚至1秒[5]。

（2）同步控制（Synchronization）在AVI文件中，视像和伴音是同步得很好的。但在MPC中回放AVI文件时则有可能出现视像和伴音不同步的现象。

（3）压缩参数：在采集原始模拟视频时可以用不压缩的方式，这样可以获得最优秀的图像质量。编辑后应根据应用环境环择合适的压缩参数。2.1.3AVI数字视频的特点

提供无硬件视频回放功能：AVI格式和VFW软件虽然是为当前的MPC设计的，但它也可以不断提高以适应MPC的发展。根据AVI格式的参数，其视窗的大小和帧率可以根据播放环境的硬件能力和处理速度进行调整。在低档MPC机上或在网络上播放时，VFW的视窗可以很小，色彩数和帧率可以很低；而在Pentium级系统上，对于64K色、320×240的压缩视频数据可实现每秒25帧的回放速率。这样，VFW就可以适用于不同的硬件平台，使用户可以在普通的MPC上进行数字视频信息的编辑和重放，而不需要昂贵的专门硬件设备。

实现同步控制和实时播放：通过同步控制参数，AVI可以通过自调整来适应重放环境，如果MPC的处理能力不够高，而AVI文件的数据率又较大，在WINDOWS环境下播放该AVI文件时，播放器可以通过丢掉某些帧，调整AVI的实际播放数据率来达到视频、音频同步的效果。

可以高效地播放存储在硬盘和光盘上的AVI文件：由于AVI数据的交叉存储，VFW播放AVI数据时只需占用有限的内存空间，因为播放程序可以一边读取硬盘或光盘上的视频数据一边播放，而无需预先把容量很大的视频数据加载到内存中。在播放AVI视频数据时，只需在指定的时间内访问少量的视频图像

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和部分音频数据。这种方式不仅可以提高系统的工作效率，同时也可以实现迅速地加载和快速地启动播放程序，减少播放AVI视频数据时用户的等待时间。

提供了开放的AVI数字视频文件结构：AVI文件结构不仅解决了音频和视频的同步问题，而且具有通用和开放的特点。它可以在任何Windows环境下工作，而且还具有扩展环境的功能。用户可以开发自己的AVI视频文件，在Windows环境下可随时调用。

AVI文件可以再编辑：AVI一般采用帧内有损压缩，可以用一般的视频编辑软件如Adobe Premiere或Media Studio进行再编辑和处理。2.2运动补偿预测

待传送的时变图像一般都包含几个具有不同运动队的物体。如果摄像机固定, 则景物静止;在摇镜头的情况下, 景物则以几乎均匀的速度移动。在任何一种情况下, 除由于运动而新增的背景和前景外, 奇遇像元都在前一帧出现过, 它的位置取决于所属物体的运动情况。因此, 如果图像的运动已知, 就可以通过对前一帧图像上的像元位移和插值来得到当前场像元的良好预测, 这正是运动补偿预测编码的基础, 其目的是使预测建立在更接近输入信号实际模型的基础上, 以获得比固定预测器更好的改进。其基本技术包含以下几部分: 1.图像位移场的估计:一个简单的方法是首先从图像中分出固定背景和具有不同但均匀位移的几个物体, 然后分别计算每个物体的位移量。

2.利用位移量产生运动补偿的预测(这包括前面场或帧的插值)。3.对预测误差及附带信息(分割和位移估计)进行编码。

对于固定物体和背景来说, 位移为零, 最佳预测就是前一帧的数据。对运动区域来说, 预测就是插值滤波器的输出, 滤波器的参数由位移估计决定。2.3 预测编码基本原理

由于语音信号的相邻抽样点之间有一定的幅度关联性，所以，可根据以前时刻的样值来预测现时刻的样值，只要传预测值和实际值之差，而不需要每个样值都传输。这种方法就是预测编码。

语音信号的样值可分为可预测和不可预测两部分。可预测部分(相关部分)是由过去的一些权值加权后得到的；不可预测的部分(非相关部分)可看成是预

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测误差。这样，在数字通信中，就不用直接传送原始话音信号序列，而只传送差值序列。因为差值序列的信息可以代替原始序列中的有效信息，而差值信号的能量远小于原样值，就可以使量化电平数减少，从而大大地压缩数码率。在接收端，只要把差值序列叠加到预测序列上，就可以恢复原始序列。

图1给出了差值脉码调制(DPCM)系统原理框图。图中输入样值信号接收端重建信号为后的差值，是，是输入信号与预测信号的差值，为量化

经编码后输出的数字码。

图1DPCM系统

编码器中的预测器与解码器中的预测器完全相同。因此，在无传输误码的情况下，解码器输出的重建信号化误差定义为输入信号

和编码器的完全相同。DPCM的总量的差值。即有

与解码器输出的重建信号

由上式可知，在这种DPCM系统中，总量化误差只和差值信号的量化误差有关。图2说明了预测的原理。

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图2 DPCM预测原理

由图2可见，预测值跟踪输入信号抽样值变化。DPCM的方框图如图2.3中，它是典型的线性预测方式。

设原始信号序列中是序列中现在的样值，而，并用

是的前

为，其

个样值。若选用的前N个样值来预测

其中，j为任意整数，表示预测值，则

数。为预测系数或加权系

是过去N个为预测阶数。由上式可见，线性预测中，第n个预测值样值的线性组合。2.4混合编码

将几种图像序列的压缩技术结合起来, 就构成了混合编码方法。不同的图像压缩技术有不同的优缺点。适当的结合有利于图像更好的压缩。MPEG-2编码器原理

3.1MPEG-2标准的基本结构

MPEG全名：Moving Pictures Experts Group，中文译名： 动态图像专家组。MPEG-2是该工作组于1994年发布的视频和音频压缩国际标准，正式名称

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为：活动图像及伴音信息的通用编码。MPEG-2标准分为9个部分，统称为ISO/IECI38l8国际标准。第一部分系统，这一部分对MPEG-2的系统层次结构进行了定义，描述这一标准是如何将多个视频，音频和数据的基本码流合成传输码流和节目码流的；第二部分视频，描述了视频的编码方法，目的在于使视频数据能够以计算机能够处理的形式在电视广播信道上进行传输；第三部分音频，是在MPEG-1基础上进行的改进，用于音频信号的编码和解码，与MPEG-1的音频编码音频标准是反向兼容的：第四部分符合测试，对每一个编码码流进行检验，判断其是否符合MPEG-2标准码流；第五部分软件，描述MPEG-2标准如何以软件形式将第一、二、三部分实现的方法；第六部分数字化存储媒体命令与控制部分，介绍了在交互式多媒体网络中服务器与用户之间会话指令的控制规范。这六个部分已经成为了国际编码的正式标准，在数字电视领域中得到了广泛的应用。MPEG-2标准的第七部分规定了多通道音频编码，与MPEG-1音频不存在反向兼容关系；第八部分目前已停止运作；第九部分规定了传送码流的实时接口。

3.2MPEG-2视频编码系统原理及关键技术

MPEG-2图像压缩的原理利用了图像的空间相关性和时间相关性。图像的空间相关性是指在一帧图像内每一个场景都是由数以亿计的像素点构成的，通常状况下一个像素与其周围的一些像素在亮度、色度上存在的特定关系； 图像的时间相关性是因为一个节目是由若干个情节构成，一个情节包含众多的图像序列，而图像序列是由许多帧连续的图像组成的，在任何一个图像序列中，前后帧的图像存在一定的相关性。

在卫星数字广播电视的传输过程中，在卫星数字广播电视的传输过程中，如果将所得有信息都以编码形式进行传输就会影响传输速率，加大系统负担。因而，问题的关键就在于如何剔除图像中由于时间相关性和空间相关性造成的冗余信息，通过保留非相关信息的传输以节省传输占用的频带，接收机再按照特定的解码方法，利用传出过去的非相关信息恢复成原始图像，同时需要确保图像质量使画面尽可能的清晰连贯。

MPEG-2标准的视频压缩编码技术与传统技术相比能够在相同画面质量的前提下更大的限度上去除图像中存在的冗余信息。MPEG-2标准利用了具有运

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动补偿特点的帧间压缩编码技术、DCT技术、熵编码减少了视频传输的时间冗余度、空间冗余度，信息表示上的统计冗余度，从而极大地增强了压缩性能，节省了视频传输占用的频带。

(一)帧间压缩编码技术

MPEG-2中的编码图像由I帧，P帧、B帧三类构成。I帧图像采用了帧内编码的方式，压缩的倍数较低。通过减少单帧图像内的空间相关性而暂时忽略时间相关性在接收机初始化、信道获取、节目的切换和插入上减少了视频冗余。通过编码器对I帧图像出现频率的选择使其周期性地出现于图像序列中。P帧和B帧图像都采用了帧间编码的方式，利用空间相关性的同时利用了时间相关性。P帧图像采用的前向时间预测提高了视频压缩的效率和图像的质量。B帧图像采用了未来帧作为参考，将图像帧于帧之间的传输顺序和显示顺序打乱进行传输，通过双向时间预测大大地提高了视频压缩倍数。

(二)DCT技术

DCT技术实际上是空间变换技术的一种，在MPEG-2标准中DCT的基本单位是8x8的像块。

DCT变换通过设置像块能量的位置，DCT变换通过设置像块能量的位置，将图像的能量集中在少数几个低频的DCT系数上，在新生成的8x8的DCT系数块中，左上角少量低频系数被赋予较大的数值，其余系数被赋予较小的数值，这样就可以在只编码和传输几个少数系数的同时对图像质量不造成破坏。虽然DCT技术没有对图像直接进行压缩，但通过对图像能量的集中为下一步的压缩奠定了基础。量化过程实际上就是以某个量化步长去除DCT系数。量化的步长越小，包含的视频信息越多，量化精度也就越细，但是所需要的传输频带也就高。由于人类的视觉对低频系数感应更为明显，因而在DCT变换系数中，对越低频系数分配的量化精度越细，对越高频系数分配的量化精度越粗，一般情况下，大多数的高频系数在量化之后都会转变为零。通过这一方式，在量化精度不严重超过需要的前提下，尽可能多地涵盖了DCT空间的频率信息。量化后，8x8二维矩阵中大多数的非零DCT系数位于左上角，通过之型扫描将原来的二维数组转换为一维数组后，这些系数集中在数组的前部，量化结果为零的DCT系数则位于数组键字、所用技术、应用领域、所属领域、经费数量等因素，通

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过对数据库中已有项目的遍历对比，来寻找与目标项目接近的项目，当存在某因素交集时记为1，无交集记为0，并做出累加，最后选取总得分最高的项目作为最佳参考项目。在找到接近项目后，调用对比项目的经费使用情况来判断。从理论上讲，应着重研究项目相似度的计算理论，通过对项目间进行全面的相似度分析，可以作为后续课题展开研究。MPEG-2解码器原理

解码器的工作原理如图3所示

图3解码器的工作原理

解码器中有一个频率为27 MHz左右的压控振荡器(VCO-Voltage Controlled Oscillator)，VCO输出信号作为解码器系统时钟送人计数器中，产生当前STC样值，它与PCR一样也是42 bit数值，其中高33 bit是以27MHz经过300分频后的时钟为单位计数值PCR_ Base，其作用是在解码器切换节目时，提供对解码器PCR计数器的初始值，以让该PCR值与PTS, DTS最大可能地达到相同的时间起点。低9 bit是以27 MHz时钟为单位的计数值PCR Extension ,它的作用是通过解码器端的锁相环电路修正解码器的系统时钟，使其达到和编码器一致的27MHz。从接收到的码流中依次获得各帧的PTS和DTS值，将其和当前STC值的高33 bit位作比较。如果DTS大于STC值，则对码流进行缓存，同时监测

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STC值的变化，当STC值增大到与DTS值相等时，对该帧码流进行解码，播放该帧;如果由于传输网络的缓冲延时抖动，当码流到达解码器时，其PTS值已经小于STC值，则解码器跳过这一帧，丢弃该帧数据。由于PTS和DTS是根据PCR值产生的，因此必须将获得的第一个PCR值作为初始值去置位解码器的STC计数器，使它们的值一样，否则将导致时基不同，从而解码出错。音频与视频的处理相似，只是不存在时序重排的问题。

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总

结

通过这次数字视频信号源的编码器和解码器的研究的课程设计让我学到了许多知识，不仅给我开阔了思路，而且还让我认识到了自己对以前所学过知识的不足。

在这次课程设计当中我碰到了许多问题，我曾经接触过这方面的书籍和实物，也对其有一些简单的了解。但是却不知道具体的工作原理，当我拿到课程设计的题名后完全不知道该怎么办好，好在有同学们和老师的帮助使我明白了其中的道理，于此同时我通过大量地阅读和查阅相关的资料，最终此次课程设计才得以完成。

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致

谢

课程设计是在大学生活中必须经历的过程，从设计之初的无从下手到设计工作的圆满完成，期间遇到了诸多的问题和困难。但最终在同学们的热心帮助的老师细心指导下，通过自己的努力，最终这些问题与困难都得到了圆满解决。

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参考文献

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[4].刘达.数字电视技术 [M].北京：电子工业出版社，2007．P45~88

卷积编码解码 篇3

扩频通信由于其抗干扰能力强,可以在强噪声环境下进行通信,功率谱密度低,具有隐蔽性和低的截获率等优点,因而获得了广泛的应用。但扩频通信抗干扰能力的获得是以扩展信号带宽为代价的,在带宽受限的环境中,由于不能提供较宽的频带,因而其应用受到了限制。为了解决在带宽受限的环境中既保持扩频通信抗干扰等优点,又能传输较高速率的数据,采用多进制正交码扩频技术是一种行之有效的办法。

所谓多进制正交码扩频,即m个信息比特(j=0,1,2,3,…,m-1;dj∈(0,1))选出一组正交扩频码字作为扩频信号进行传输。其优点是:每个扩频序列传送了m个信息比特,提高了传输效率;而系统带宽仅为具有相同处理增益的传统扩频系统的1/m,特别适合于带宽有严格限制的环境,因而日益受到重视。

多进制正交码扩频实际上是一种(N,m)编码,即m位信息码由长为N的伪随机码来代表。m位信息码有M=2m个状态,则该多进制扩频系统称为M进制扩频系统。M进制扩频系统需要M条长为N的相互正交的伪随机码ci,i=0,1,2,3,……,M-1来代表m位信息码的M个状态,M条长为N的伪随机码与m位信息码的M个状态是一一对应关系。多进制扩频系统在获得扩频增益的同时,又获得了编码增益,因而在一定的条件下,多进制扩频系统比传统的扩频系统有更好的误比特性能。

1多进制正交扩频和解扩原理

多进制正交扩频系统的发射端将要传输的信息经串并转换成m路的并行数据,然后利用m个信息比特从M路正交码选出一路作为扩频信号传输(M=2m)。接收端采用非相干接收机对扩频信号进行解扩处理,将接收到的扩频信号与本地的一组扩频序列进行相关运算来实现最大似然译码。多进制正交扩频加卷积编码系统的发射端和接收端模型如图1所示。图1(a)是发射端模型,图1(b)是接收端模型。

通常的系统多与信道编译码技术结合以提高性能,假设调制方式为BPSK,设信号幅度为1,则可得发送的信号s(t)为:

undefined。 (1)

假设无线信道为AWGN信道(无衰落和多径效应),同时,假设系统化中有K个用户同时进行通信,则接收信号为:

r(t)=s(t)+n(t)+s′(t)。 (2)

式中,s(t)为要接收用户的信号;s′(t)为系统中其他K-1用户的信号对信号s(t)形成的多址干扰;n(t)为双边带功率谱密度为N0/2的高斯白噪声。

文献[1]给出了考虑高斯白噪声(AWGN)和多址干扰(MAI)时,M进制扩频系统的误码率公式,该公式假设系统中的K个用户的信号功率相等,并且多个用户的信号之间有随机的时间延迟。

undefined。 (3)

式中,K为用户数;N为伪码的长度Es表示多进制符号的能量,可表示Es=Eblog2M;Eb为信息比特的能量;undefined;Ms为码片波形的自相关函数的平方[0,Tc]上的积分,当码片波形为门函数时,可以求得式(3)为:

undefined。 (4)

误比特率为:

undefined。 (5)

接收端对多路匹配滤波器输出信号进行最大值判决,最大相关输出对应着信息比特序列的判决结果。这种解调方法的一大缺点是判决结果属于硬判决,不利于卷积码、Turbo码等信道编码的软输入软输出译码。当译码器的输入包含能表示解调判决结果可信度的额外信息,即软判决信息时,译码性能会优于硬判决译码。为单用户多进制扩频系统的理论误比特率曲线如图2所示。

从图2可以看出:对10-5误比特率,8进制:Eb/N0=8.4 dB;16进制:Eb/N0=7.4 dB;32进制:Eb/N0=6.7 dB;64进制:Eb/N0=6.2 dB。可见,随着进制数的增加,所获得增益的增加值在减少,64进制只比32进制性能改善0.5 dB。

2对数似然比软信息提取方案

设发送码字是等概率的,Gundefined表示那些dj=0的码字{Ci}的集合,记作Cundefined∈Gundefined,Gundefined表示那些dj=1的码字{Ci}的集合,记作Cundefined∈Gundefined,则关于比特dj的对数似然比(LLR)可以写为:

undefined。 (6)

式中,

undefined。 (7)

对数似然比软信息提取算法计算复杂[2],不利于电路实现。

针对上述判决情况提出了一种次最优的计算软信息的方法,可以极大地减少运算复杂度,利于电路实现。利用如下的近似关系[3]:

undefined。 (8)

式(6)变为:

undefined。 (9)

将式(7)代入式(9)得:

undefined

式(10)中,undefined为常数;undefined。

在AWGN信道直接中,若每路信号Cundefined和Cundefined具有相同的能量,即|Cundefined|2=|Cundefined|2,则

undefined。 (11)

式(11)中,R·Cundefined,R·Cundefined分别为码字D的第j位为1或0的相关匹配滤波器输出。

设γi=R·Ci,其中i=D,i∈(0,1,2,3,…,M-1)。根据码字D中第j比特dj的取值对D进行如下分组:

则第j比特的软判决信息输出为:

undefined。 (13)

可以归一化为:

undefined。 (14)

式中,

undefined。 (15)

3仿真结果

利用MATLAB仿真软件对在AWGN信道中多进制正交扩频系统的性能进行了仿真,分别仿真了8进制和16进制正交扩频无卷积编码和加卷积编码的性能、加卷积编码后的硬判决和软判决的性能。多进制扩频系统的仿真误比特率曲线如图3所示。

从图3的仿真结果可以看到,16进制正交扩频系统比8进制正交扩频系统的性能(无卷积)改善了0.9 dB;8进制正交扩频系统软判决译码比硬判决译码有约1 dB的增益;16进制正交扩频不加卷积编码的系统性能与直扩系统相比有2.5 dB的增益,这种增益可以理解为编码增益;16进制正交扩频加(2,1,7)卷积编码软判决译码系统在10-5误码率时对应Eb/N0=3.7 dB,与BPSK直扩系统的Eb/N0=10 dB相比有6.3 dB的增益,而卷积编码的增益约为5 dB,如前述16进制正交扩频的增益为2.5 dB,16进制正交扩频与卷积编码复合的增益为6.3 dB。可见,多进制正交扩频与卷积编码复合系统可以获得比直扩系统加卷积编码更高的增益。

4结束语

在带宽受限的环境中既保持扩频通信抗干扰等优点,又能传输较高速率的数据,采用多进制正交码扩频技术是一种行之有效的办法。本文介绍了多进制正交扩频和解扩的原理,并且从对数似然比(LLR)出发,提出了一种适用于多进制正交扩频系统的次最优的软信息提取方法。对在AWGN信道中多进制正交扩频加卷积编码体制的性能进行了MATLAB仿真。结果表明,随着进制数的增加,能获得编码增益,对卷积编码的软判决译码比硬判决译码有约1 dB的增益,多进制正交扩频与卷积编码复合系统可以获得比直扩系统加卷积编码更高的增益。

参考文献

[1]李栋.多进制扩频系统的关键技术的研究[D].陕西:西安电子科技大学硕士论文,2001:4-9.

[2]PYNDIAHR M.Near-Optimum Decoding of Product Codes:Block Turbo Codes[J].IEEE Trans.On Communications,1998,46(8):1003-1010.

[3]FOSSORIER MP C,BURKERTF,SHUL.Onthe Equivalence Between SOVA and Max-Log-MAP Decodings[J].IEEE Communications Letters,1998,2(5):137-139.