基于压缩感知和非对称Turbo码的联合信源信道编码

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随着移动通信技术的飞速发展以及大数据时代的到来,在无线信道上传输多媒体数据的应用日趋广泛,人们对多媒体数据传输的技术要求也越来越高。但由于无线信道带宽有限且衰落显著,使得多媒体的可靠传输受到了限制。而通信的目的是实现数据的可靠、快速的传输,这就要求数据既能实现高效的压缩比,也要能够在接收端很好的恢复信号,但这两个要求是一对矛盾体,压缩率越高,恢复质量越受影响,而想要好的恢复信号就必需使得传输的数据中带有足够多的信息,也就是减小压缩率,但同时也降低了传输的速率。因此传统的信源信道分离编码显然已经不适用这种情况,而联合信源信道编码则是综合考虑信源编码和信道编码的优势,来合理的分配资源,使得整个的传输系统的性能达到最优化。  压缩感知(CS)是近年来信号处理领域诞生的一种新兴的信号处理理论,它突破了传统采样定理的要求。在奈奎斯特定理中,要求采样的频率必须大于信号最高频率的两倍,才能准确的重构信号。而压缩感知则可以不在这个限制条件内,它能以不大于信号最高频率的两倍进行采样,依然能够以极大的概率来恢复信号。因此它的出现能够大大提高大数据在无线传输中的速率。  Turbo码是一种具有接近香农极限的优异性能的信道编码,它通过并行级联卷积编码和迭代译码,大大地降低了低信噪比区域的比特误码率。然而标准对称Turbo码在低信噪比下的误码性能和高信噪比下的错误平层之间很难达到很好的平衡,而根据其编码器特点进行改进构成的非对称Turbo码,则可以解决这个问题。  基于以上考虑,本文选择基于压缩感知和非对称Turbo码的联合信源信道编码作为研究课题。  本文首先介绍关于压缩感知理论的基本理论知识,对压缩感知的采样压缩过程以及恢复信号做了详细的讲解,重点介绍两种信号稀疏化的方法,以及两种具有代表性的重构算法。然后给出了非对称Turbo码的设计方法,以及实现了两类非对称Turbo码的设计,并且与标准对称Turbo码做了分析比较,实验结果表明非对称Turbo码在整个信噪比范围内的性能要优于标准对称Turbo码。最后提出了两种基于压缩感知与非对称Turbo码的联合信源信道编码的方案,探讨了这两种方案在图像压缩传输中的应用。  本文的主要工作和创新点包括:  1、研究了两种压缩感知的稀疏基——DCT变换和DWT变换,并通过数学模型和数学表达式详细地介绍了压缩感知的工作原理,同时介绍了两种具有代表性的压缩感知重构算法——NESTA算法和OMP算法。并通过基于DCT变换的压缩感知编码(DCT-CS)和基于离散小波变换的压缩感知编码(DWT-CS)实验仿真实验验证了压缩感知编码具有优异的压缩性能,且仅仅只用少量的观测值就能以很大的概率重构原始信号。  2、根据Turbo码的编码结构特点,设计了两类非对称Turbo码(ATC),并通过实验证明了非对称Turbo码在整个信噪比范围内比标准对称Turbo码的整体性能要好。  3、设计了两种基于压缩感知和非对称 Turbo码的联合信源信道编码方案,一种是基于DCT-CS和ATC的联合信源信道编码,另一种是基于DWT-CS和ATC的联合信源信道编码,两种方法分别使用两种不同的重构算法,并给出了两种方法的系统设计框图。仿真实验表明,这两种方法都能够通过信道估计来自适应地调整压缩感知的各项参数以及非对称Turbo码的编码类型,实现自适应的联合信源信道编码。
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