论文研究-低信噪比下图像传输的纠错编码方法 .pdf

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低信噪比下图像传输的纠错编码方法,胡星,马林华,针对数字图像无线通信系统中低信噪比(如2dB)下图像质量的“门限效应”,提出了一种基于tent map混沌系统的高阶量纠错编码方法。仿真��
国武花论又在统 0.8 0.2 024 1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81 图 映射曲线 若把信息位作为系统的初始状态 由 映射得到的后续状态 作为冗余位,有: 这种动态系统的 指数λ 大于零,满足混沌的基本性质。这种对 初始状态的敏感特性,使相似的信息经过映射成为不同的状态,在接收端可根据这种巸离特 性实巩纠错。 木文基于 的混沌系统,结合实际应用,提出了一种基于 的高阶量纠错 编码方法。以阶的灰度图像传输为例,将像素点的高阶量 作为信息位 首先将信息位经 变换到集合 中。其中,改进后的 为 1其中 然后再根据改进的 把作为初始状态 由映射得到的 作为校验位完成高阶量的纠错编码,有: 其中∈ 本文中的=,因此,编码的码率达到。 混沌系统的纠错编码的基本原理 是基于对初始状态的敏感性,经过混沌系统编码的码字的码间距离会越来越大。正是基于这 种距离原理,在接收端才能将信息区分开来,达到纠错的目的。 2高阶量纠错译码方法 本文提岀的高阶量纠错码借鉴模拟量的梯度下降最快准则进行详码,可有效解决非二进 制译码复杂度高的问题。码字 通过加性高斯白噪声信道,得到 有 国武花论又在统 式中 …是独立的髙斯白噪声序列。借鉴梯度最快下降准则,结合数学求极值 的方法,可以得到信息位的近似估计值,其推导过程为: 本文中,=,高阶量纠错编码的码率为。码字为 ,其译码过程为: 式中 将 代入到式 中,利用梯度下降最快准则,求导得到近似值~的值,有: 式中 为接收到的的符号,即 3编译码复杂度比较 文献详绀给出了镜像 码的编译码方法,每位信息完成编码需要次乘法运算 次加法运算和符号判断运算。对于如式所示的高阶量纠错编码方法,每位信息位完成编 码需要次加法运算、次乘汯运算和次绝对值运算与符号判断运算相当,编码复杂度 大大降低。另外,镜像码的码率最大达到,而高阶量纠错码则可以达到,编码 的有效性得到很大的提高。 根据镜像码的译码算法,当码率为,即=时,迭代一次,其译码的每位信 息位一共需要次乘法运算和次加法运算。而对于如式和所示的高阶量编码的泽 码结果,每位信息位一共需要次加法运算、次乘法运算和次符号判断运算。由此可以 看出,本文提出的高阶量纠错编码可降低整体的编译码复杂度。 4仿真比较 为了进一步仿真说明传统数字纠错编码方法存在的“门限效应”问题,并与模拟量纠错编 码方法相比较,本文选取 像素点的灰度图像进行处理。 详码性能的比较以均方误差为标准,对于原始的×像素的灰度图像和经过处 理恢复的图像,有 ∑∑ 国武花论又在统 式也可以表示为图像的峰值信噪比 即: 另外,本文中的 考虑了高阶量纠错编码的高阶调制与 调制的不同, 高阶量的每符号包含的能量,即 ,其中,为高阶量纠错编码的调制 阶数,用分只表小为 再考虑到编码的码率的因素,其每比特的信噪比为: 对 码“门限效应”的仿真分析 提出的码是一种性能接近 极限且可以实现的编码方案,其性能甚 至可以超过码。木文选取的度序列为λ 十 通过 算法构造出 非规则码,并采用最小和译码算法进行译码,其计算比算法及对数形式 的算法都简单。最大译码迭代次以卜, 非规则码的译码性能如图 所示 10 (512,104DP們 10 10 10 1.21.41.61.822.22.42.62.83 Eb/n0 (dB) 码误码率曲线 对于数字通信系统,以 码作为编码保扩,将其应用于图像无线传输, 经仿真实验,得到其在图像无线传输巾的纠错性能,并与高阶量纠错码的纠错性能相比较, 具体参数如下。 在数字通信系统中,对于压缩的 的图像压缩比为,将量化后的二 进制比特数据 经 码编码后得到 的码流,再通 过 调制 个符号后,在高斯信道中传输;在接收端经 解调、 译码后,恢复出图像。 在高阶量通信系统中,对于木压缩的 图像,将其像素点 高阶量通过 变换后,经码率为的高阶量纠错码编码得到 的高阶量符 号与数字通信系统的压缩图像编码后的数据量相当,经连续量调制 个符 国武花论又在统 号后通过高斯信道;在接收端,将译码后的属于 范围的高阶量经+ 变换成 集合内的像素点,并还原出图像。 比较不同信噪比下 码和高阶量纠错码的纠错性能,以及噪声条件下的恢复 图像,结果分别如图,以及图和图所示。 日1/2吗率鬲阶量纠错码 70 一(512,1024)LDPC码 20 10 0 1-0.500.511 SNR( Eb/n0)(dB 图高阶量纠错编码与码图像纠错性能比较 噪声下高阶量纠错码恢复图像 图 噪声下码恢复压缩图像 由图可知,在传统的数字通信系统中,压缩后的图像经 码编码处理后存在 “门限效应”,即在信噪比低于 误码率高于ˉ时,因存在“误码扩散”,导致图像 急剧下降,图像无法恢复:而木文提出的高阶量纠错码图像的 随着信噪比呈近似线性 变化,避免了因“误码扩散”引起的“门限效应”问题。 由图和图可知,在噪声下,经髙阶量编码处理后恢复的图像仍比较清晰, 而压缩后的图像经码处理后在噪声下由于误码扩散等原因,图像已无法正确恢 复 与镜像 码的纠错性能比较 文献提出的镜像码是基」 Baker'smap混沌系统的非线性的模拟量纠错编码 方法,具有良好的纠错性能。本文将其应用于图像无线传输中,与扃阶量纠错码进行比较。 在模拟通信系统中,将 的图像像素点经 变换成-之问的 小数,通过码率的镜像码编码得到 的模拟量符号,然后通过连续量 国武花论又在统 调制 个符号后,通过加性高斯信道;在接收端,将译码后的-范围内的模拟 量经×+变换成~之间的像素点,并还原出图像,与以高阶量纠错码作为编 码保护的高阶量通信系统的图像纠错性能进行对比。 通过仿真,得到高阶量纠错码和镜像码在不同信道卜的 曲线,并对 高斯信道卜的高阶量纠错码和镜像码的恢复图像进行比较,结果分别如图、图 和图所示。 1/2码率高阶量纠码 资14倡率镜像k码 535 SNR(Eb/n0)(dB) 图高阶量纠错編码与镜像 码图像纠错性能比绞 噪声下高阶量纠错编码恢复图像 噪声下镜像码恢复图像 由图可知,在高斯信道中,高阶量纠错码和镜像码的图像 随呈近 似线性变化:与镜像码相比,本文提出的高阶量纠错码的图像有以上的 增益,码率提高一倍,即在一定的传输时间內,其带宽也仅为镜像码的 由图和可知,在噪声下,经高阶量编码处理后恢复的图像仍比较清晰,能 够满足低信噪比下图像传输的要求;而经镜像码处理后的图像噪声点较多。 5结论 针对传统的数字图像无线通信系统在低信噪比如下存在的“门限效应”问题,本文 提出了一种基于 的高阶量纠错编码方法和梯度下降最快准则译码方法。在高斯信道 图像的无线传输应用中,仿真比较」高阶量纠错码 码及镜像码的纠错性能。 仿真结果表明,与镜像码性能相比,本文提出的高阶量编码方法的图像 有 山国武武论文在线 增益,并且码率提高倍,同时降低了编译码的复杂度;传统的数字通信系统,压缩图像经 码处理后,图像存在“门限效应”,在信噪比低于时吋,图像不能正桷解码, 而髙阶量纠错码的图像 随着近似呈线性变化,避免出现图像质量的“门限效应 髙阶量通信系统具有对噪声线性退化的特性,并且系统的前端设计简单,在低信噪比图 像无线传输中具冇实际应用价值。另外,本文提出的高阶量纠错码也是对现有的信道纠错编 码方法的补充和扩展 参考文献 傅祖芸信息论:基础理论与应用北京:电子工业出版社, 贺鹤云 码基础与应用北京人民邮电出版社 郭凯 中帧抗误码应用研究北京北京邮电大学 黄新林王钢刘春刚基于 的失真模型吉林大学学报工学版 冯久超混沌信号与信息处理北京清华大学出版社 s: The mirrored bakers codes [C]/IEEE global 张嵩马林华唐红等具有低编码复杂度准循环扩展 码的构造方法电光与控制

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