緒論

第一章 緒論

近年來科技進步，行動多媒體通訊的相關應用已成為關鍵服務，

例如無線上網、線上觀看影片…等等。由於多媒體資 料包括音樂、影 像、語音…等資料量都相當龐大，故需要完善的壓縮機制使資料量得 以縮減，進而減少硬體空間以及網 路頻寬的資源浪費，降低成本並使 傳輸更有效率。針對這樣的議題，現今的多媒體資料壓縮技術，一般 會將可變長度碼(variable-length code, VLC)作為編碼機制的標準選項。

因此可變長度碼之設計及其在無線網路強健性傳輸，將是一個重要的 研究議題。

所謂的可變長度碼，是基於具特定機率分佈的訊號源，針對 不同 發生機率的資料使用不同長度的碼字加以編碼。為了減少碼字的平均 位元長度，機率較大的資料使用長度較短的碼字，相對機率較小的資 料則使用長度較長的碼字加以編碼。針對 不同的資料型態及傳輸目的 而 有不 同的 編碼演 算 法 ，其 中較著 名 的 編碼 方式包 括 霍 夫曼 碼 (Huffman code) 、 LZ 編 碼 (Lempel-Ziv coding) 和 算 術 碼 (Arithmetic code)。這些編碼方式確實可以有效達到資料壓縮目的，卻也因為碼 字長度非固定，而衍生出如何具體實現其解碼同步的重要議題。除此 之外，受到雜訊干擾造成的位元錯誤，在碼字解碼過程中將造成連續

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性的誤判及索引失序問題，使得系統的解碼效益嚴重受損。因此理想 的可變長度碼，不僅需要具有維持同步的編碼設計，也需要強健的解 碼機制以減少位元錯誤，進一步使系統達到 更好的效能。

在傳統的通訊系統設計中，訊源編碼和通道編碼 兩個系統區塊往 往是分開考量而獨立設計的。其中訊源編碼專注於資料壓縮，而通道 編碼則致力於資料保護。這樣的設計概念源自於沈農(Shannon)的消 息理論，其相關理論是在個別的編碼器規劃時，假設另一個編碼器已 完成最佳化設計。然而實際的通訊環境，會因為訊號延遲及系統複雜 度的各種限制而造成其具體實現上的困難。根據前人實驗觀察，訊號 源經訊源編碼器處理後，量化索引序列之間存在著某種型式的非均勻 機率分佈或隱含相關性，而這些殘留的資訊稱為殘餘冗息(residual redundancy)。若能妥善運用，即可在不需提升通道頻寬的情形下，提 供通道編碼一些事前資訊(a priori information)以改善解碼運作的正確 性。而這些在接收端將訊源解碼器和通道環境之效應一併納入系統設 計考量的研究，一般稱為合併訊源通道解碼 (joint source-channel decoding, JSCD)。基於殘餘冗息的合併訊源通道解碼又可大致分為三 個 種類 ： 錯 誤 隱 藏 (error concealment) 、 訊 源 控 制 通 道 解 碼 機 制 (source-controlled channel decoding, SCCD)，以及疊代訊源通道解碼機 制(iterative source-channel decoding, ISCD)。在錯誤隱藏部分，殘餘冗

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息讓訊源解碼器得以隱藏通道解碼器所無法消除的殘餘錯誤。這樣的 解碼觀念在 [1]被提出，並稱之為軟性訊源解碼機制(soft-bit source decoding, SBSD)。而在[2]所提出的訊源控制通道解碼機制，則試圖 將殘餘冗息整合於通道解碼機制過程中。有別於傳統的通道解碼機制，

訊源控制通道解碼機制的輸入端也包括 了事前機率，大多來自於事先 統計訊源分佈的資訊。而疊代訊源通道解碼機制則合併 了以上兩者的 優點，比起單獨使用其中任何一項都達到 更好的效果。

渦輪碼(Turbo Code)[3][4]是通道解碼研究的重大突破。其傳送端 是由兩個迴旋編碼器串聯且配合中間串聯的交錯器所組成，而接收端 則是將個別解碼器輸出的額外訊息(extrinsic information)，相互交換作 為另一個解碼器的事前訊息，以期加強索引判斷的可靠 度。這樣的 疊 代架構，使渦輪解碼機制經證實能接近Shannon理論且具實用價值的 編碼技術。而疊代訊源解碼機制參考 了渦輪碼解碼的疊代解碼架構，

將通道解碼器與訊源解碼器作 連結，前者利用迴旋碼的錯誤檢查能力 得到額外訊息，而後者則 利用訊源的殘餘冗息作為加強解碼能力的依 據。相較於訊源編碼和通道編碼分開考 量的傳設計模式，基於渦輪原 理的疊代訊源解碼機制可以有效改善訊源的重建品質。

如前所述，可變長度碼是針對具特定機率分佈的訊源資料使用 長度不同的碼字加以編碼，而這樣的訊號源及編碼方式使殘餘冗息能

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提供更有利的資訊。因此疊代訊源解碼機制不僅廣泛應用於固定長度 碼，也被應用在可變長度碼的傳輸系統。前人研究[5]與[6]針對不相 關的訊號源，設計出可變長 度碼在索引層級的籬柵圖(trellis)，使其得 以運用BCJR演算法計算碼字的後驗機率。這種將訊源解碼的軟性輸 出運用在疊代解碼的模式，在[7]與[8]中進一步延伸應用在一階高斯 馬可夫訊號源，而訊號源之間強 烈的相關性使得殘餘冗息更具有解碼 效益，疊代解碼器運用這樣的資訊能達到更顯著的效果。然而在[7]

與[8]的疊代解碼機制中，只有訊源解碼運作於索引層級上，而通道 解碼則是基於位元層級運作。因此在疊代訊源通道解碼的過程中，有 助於解碼效能之額外訊息在兩個解碼器之間相互交換時，需要經過額 外的索引層級與位元層級間的轉換，而這個轉換破壞了一個索引內位 元間的相關性，因此降低了疊代解碼的效能。有鑑於此，我們提出將 通道解碼器運作提昇至索引層級之疊代訊源通道解碼機制，並參考[5]

與[6]之籬柵圖建構索引層級通道解碼所需的籬柵圖，而此疊代解碼 演算法之推導則源自於固定長度碼之碼字層級疊代解碼機制[9]。

本文首先在第二章介紹系統整體之傳輸架構與傳輸通道模型，並 說明將如何評估解碼效能。第三章介紹碼字層級之軟性通道解碼機制 及其籬柵圖之設計。第四章針對整體的疊代訊源通道解碼機制進行推 導，並說明其解碼步驟。第五章針對一階高斯馬可夫訊號及心電圖訊

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號，分別提供實驗數據及分析結果。最後第六章則提供結論與未來展 望。

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