[发明专利]一种基于极化码的信源编码方法

摘要

一种基于极化码的信源编码方法，先确定信源恢复信号的符号取值集合，再利用最佳的符号到比特的映射规则，将信源符号序列串行映射为比特软信息序列，再对该比特软信息序列进行极化码串行抵消编码，寻找可靠性数值最大的编码路径，并输出该编码路径对应的比特序列，最后利用可靠比特集合从该比特序列中，选取最重要的部分比特作为编码结果。本发明串行抵消编码方法通过扩大编码路径的搜索宽度，提高了正确编码路径的选中概率。且选择的可靠比特集合能帮助编码器区分编码中的哪些比特最重要，从而只要输出这部分比特，就实现压缩编码长度的目的。另外，本发明可灵活配置编码参数和符号到比特的映射规则，计算复杂度低，编码性能优异。

主权项

一种基于极化码的信源编码方法，其特征在于：首先确定信源恢复信号的符号取值集合，再利用最佳的符号到比特的映射规则，将信源符号序列串行地映射成比特软信息序列，再对该比特软信息序列进行极化码串行抵消编码，寻找可靠性数值最大的编码路径，并输出该编码路径对应的比特序列，最后利用可靠比特集合从该比特序列中，选取最重要的部分比特作为编码结果；所述方法包括下列操作步骤：步骤1，确定信源编码方法的各个参数：对序列长度为N的信源符号序列进行R比特量化，即将每个信源符号平均表示为R个比特；再分别设定极化码串行抵消编码装置的个数为m，每个极化码串行抵消编码装置的路径长度为N，以及极化码串行抵消编码装置的搜索宽度为L；其中，R是大于零的整数和小数，N、m和L都是正整数，且m＞R；步骤2，构建极化码串行抵消编码装置的结构：对每个串行抵消编码装置构建一个包含2×L条路径记录的列表，该列表中的每条路径记录分别用于存储一个最大长度为N的比特序列及其对应的可靠性数值；步骤3，利用均匀量化方法或最佳标量量化方法生成信源恢复信号的符号取值集合该符号取值集合中的符号个数为2m；而对于高斯分布信源，则利用几何类高斯量化方法生成信源恢复信号的符号取值集合；所述采用均匀量化方法或最佳标量量化方法生成信源恢复信号的符号取值集合前，还需首先对两个数组进行初始化设置：一个标记为大小为2m的量化电平数组，该量化电平数组的元素记为量化电平值；另一个标记为大小为2m+1的分层电平数组，该分层电平数组的元素记为分层电平值；步骤4，对符号到比特的映射规则进行优化，并确定可靠比特集合以及最优的符号到比特的映射规则；所述可靠比特集合以及最优的符号到比特的映射规则的确定方法包括以下操作内容：(4A)首先定义符号到比特的一对一映射规则为：式中，是信源恢复信号的符号取值集合，为构成信源恢复信号的符号的m个比特，即(b1,...,bm)；再定义2m进制输入信道为W:式中，为信源信号的 取值集合，其转移概率为PY|X(y|x)，其中x为信道的输入，y为信道的输出；输入信号的符号取值集合为信源恢复信号的符号取值集合，输出信号的符号取值集合为信源符号的取值集合，转移概率函数PY|X(y|x)是服从均值为x，和方差为δ2‑D分布的高斯函数；(4B)随机设定一个符号到比特的映射规则(4C)计算2m进制信道W:中第k个比特子信道的信道容量式中，自然数k是比特子信道的序号，其最大值为m；第k个比特子信道的输入为bk∈{0,1}，输出为信源符号和前k‑1个比特，{0,1}k‑1表示{0,1}的k‑1次笛卡尔乘积；(4D)将第k个比特子信道等效到与之容量相等的二进制输入高斯信道，并得到该高斯信道的转移概率分布；(4E)对N个2m进制信道W:的第k个比特子信道进行极化操作，得到N个极化比特信道；(4F)利用高斯近似的方法求解得到N个极化比特信道的差错概率，然后判断计算信道容量的比特子信道的序号是否到达其最大值m；若是，则执行后续步骤(4G)；否则，将比特子信道序号k的数值加1，并返回执行步骤(4C)；(4G)将得到的所有mN个极化比特信道的差错概率按照数值大小进行排序，再将其中差错概率数值最小的RN个比特子信道标记为可靠比特集合，剩余的比特子信道标记为固定集合；(4H)对可靠比特集合中的元素进行求和运算，并判断该运算结果的数值是否为全局最小值，若是，则执行后续步骤(4I)；否则，返回执行步骤(4B)；(4I)将全局最小值对应的符号到比特映射规则作为最优的映射规则，并记录相应的可靠比特集合与固定集合；步骤5，根据步骤4中确定的最优的符号到比特的映射规则，将信源符号序列串行地进行多层映射，映射成第i层比特软信息序列；式中，自然数i是比特软信息序列的层次序号，其最大值为m；步骤6，将第i层比特软信息序列送入第i个极化码串行抵消装置进行编码，完成串行抵消编码操作后，判断极化码的顺序号i是否达到其最大值m；若是， 则执行后续步骤7；否则，将极化码的顺序号i的数值加1，并返回执行步骤5；步骤7，寻找可靠性数值最大的路径及其对应的比特序列，然后根据可靠比特集合，从该比特序列中选取对恢复信源信号最重要的部分比特作为编码结果；该步骤包括下列操作内容：根据上述步骤5和步骤6得到的L条编码路径，每条编码路径都是由各层编码装置的编码路径级联而成，长度为mN；从中选取可靠性数值最大的编码路径及其相应的比特序列，再将该比特序列中的比特按照下标选取最重要的部分比特：将所有下标位于可靠比特集合中的比特全部都选取出来，作为最终的基于极化码的信源编码结果。