Integrated vector encoding-decoding designs for non-stationary sources and noisy channels

Abstract

One of the most essential parts in the design of a digital communication system is the source and channel coding design. These designs are very challenging when they focus on non-stationary sources (for example speech or image) and noisy communication environments like the cellular radio channel. In this thesis the focus is on vector quantisation, a leading source coding technique, and on index assignment for vector quantisation, an error-protection operation specially designed for this source coding technique. These two operations form together a vector encoding/decoding pair. The objective of the thesis is the investigation of novel integrated vector encoding/decoding designs for non-stationary sources and noisy channels.The concept of Combined Source Adaptive and Channel Optimised Vector Quantisation (CSACOVQ) is presented in this thesis. This technique jointly adapts the vector encoder-decoder pair to the source statistics and optimises the pair for a noisy channel, while the index assignment remains constant and does not introduce any kind of redundancy into the system. In Chapter 3, the technique is presented for the case of a Binary Symmetric Channel (BSC) and is compared with Channel Optimised VectorQuantisation (COVQ) for the BSC. Simulation results for both design techniques andfor an artificial non-stationary source, the Wiener process, illustrate the superior signal to- noise ratio (SNR) performance achieved by the CSACOVQ technique compared to the COVQ technique.Subsequently, in Chapter 4, the CSACOVQ technique is presented for the Flat FadingRayleigh Channel (FFRC), a good approximation of the radio cellular environment. The FFRC has been modelled in the literature by a Markov finite-state machine, and in this thesis both the CSACOVQ technique and the reference COVQ technique are developed for this Markov model. Simulation results for the Wiener process also illustrate the superior SNR performance of the CSACOVQ compared to the COVQ for the FFRC.In Chapter 5, index assignment with embedded structural redundancy for vector quantisation of non-stationary sources is presented. This index assignment design is combined with vector quantisation design for noisy channels in a joint design, resulting to the (Combined) Vector Quantisation and Index Assignment with Embedded Redundancy (VQIAER) technique. The VQIAER and COVQ vector encoder-decoder design algorithms are simulated for the non-stationary Wiener process and the BSC.The VQIAER offers considerable SNR improvement compared to the COVQ at the expense of a slight rate increase. Even when the rate remains constant, the VQIAER still offers higher SNR performance compared to the COVQ.In Chapter 6, an integrated vector encoder-decoder design for non-stationary sources is developed, which combines source adaptive vector quantisation design and index assignment with structural embedded redundancy design for the BSC and the FFRC.This joint design is compared with the separate design of source adaptive vector quantisation and index assignment with embedded redundancy for the BSC and the FFRC. Simulation results show that the joint design offers overall SNR improvement compared with the separate design for both noisy channels.Finally, in Chapter 7, conclusions for every vector/encoder design technique are summarised and guidelines for further work are given.

Ένα από τα πιο σημαντικά μέρη στον σχεδιασμό ενός ψηφιακού τηλεπικοινωνιακού συστήματος είναι ο σχεδιασμός της κωδικοποίησης πηγής και καναλιού. Αυτοί οι σχεδιασμοί είναι πολύ απαιτητικοί όταν αφορούν μη-στάσιμες πηγές (όπως π.χ. σήμα ομιλίας ή εικόνας) και ενθόρυβα κανάλια μετάδοσης τηλεπικοινωνιακών συστημάτων, όπως αυτό των κινητών επικοινωνιών. Σε αυτή την διατριβή το ενδιαφέρον εστιάζεται στην τεχνική ανυσματικού κβαντισμού, μία πρωτοπόρο τεχνική κωδικοποίησης πηγής, και στην τεχνική εκχώρησης δείκτη για ανυσμαντικό κβαντισμό, μία τεχνική προστασίας από λάθη μετάδοσης ειδικά σχεδιασμένη για αυτήν την τεχνική κωδικοποίησης πηγής. Αυτές οι δύο λειτουργίες σχηματίζουν μαζί ένα σύστημα ανυσμαντικής κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης. Ο σκοπός αυτής της διατριβής είναι η έρευνα καινοτόμων ενσωματωμένων σχεδιασμών ανυσματικής κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης για μη-στάσιμες πηγές και ενθόρυβα κανάλια.Η έννοια του συνδυασμένου, προσαρμοσμένου στην πηγή και βελτιστοποιημένου ως προς το κανάλι μετάδοσης, ανυσματικού κβαντισμού (Combined Source Adaptive and Channel Optimised Vector Quantisation - CSACOVQ) παρουσιάζεται σε αυτή την διατριβή. Αυτή η τεχνική ενιαία προσαρμόζει τον ανυσματικό κωδικοποιητή/αποκωδικοποιητή στα στατιστικά της πηγής και τον βελτιστοποιεί για το ενθόρυβο κανάλι μετάδοσης, ενώ η τεχνική εκχώρησης δείκτη παραμένει αμετάβλητη και δεν εισάγει επιπλέον πληροφορία στο σύστημα. Στο Κεφάλαιο 3 η προτεινόμενη τεχνική παρουσιάζεται για την περίπτωση του Ψηφιακού Συμμετρικού Καναλιού (Binary Symmetric Channel – BSC) και συγκρίνεται με την τεχνική αναφοράς του βελτιστοποιημένου για το κανάλι μετάδοσης ανυσματικού κβαντισμού (Channel Optimised Vector Quantisation-COVQ). Αποτελέσματα προσομοιώσεων για τις δύο αυτές τεχνικές εφαρμοζόμενες για μία τεχνητή μη-στάσιμη πηγή, την Wiener διαδικασία, δείχνουν την υπέρτερη απόδοση σηματοθορυβικού λόγου της προτεινόμενης τεχνικής σε σχέση με την τεχνική αναφοράς για το κανάλι μετάδοσης BSC.Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 4, η τεχνική CSACOVQ παρουσιάζεται για την περίπτωση του καναλιού Rayleigh μη επιλεκτικών διαλείψεων (Flat Fading Rayleigh Channel - FFRC), μία καλή προσέγγιση του καναλιού κινητών επικοινωνιών. Το κανάλι αυτό μοντελοποιείται στην βιβλιογραφία από ένα μοντέλο Markov πεπερασμένων καταστάσεων (Markov finite-state machine) και σε αυτήν την διατριβή οι τεχνικές CSACOVQ και COVQ σχεδιάζονται για αυτό το μοντέλο Markov. Αποτελέσματα προσομοιώσεων για τις δύο αυτές τεχνικές εφαρμοζόμενες για την Wiener διαδικασία και δείχνουν την υπέρτερη απόδοση σηματοθορυβικού λόγου της προτεινόμενης τεχνικής σε σχέση με την τεχνική αναφοράς για το κανάλι μετάδοσης FFRC.Στο Κεφάλαιο 5, παρουσιάζεται η τεχνική εκχώρησης δείκτη με ενσωματωμένο δομικό πλεονασμό πληροφορίας για ανυσματικό κβαντισμό. Αυτή η τεχνική συνδυάζεται με τον ανυσματικό σχεδιασμό για ενθόρυβα κανάλια σε μία ενιαία καινοτόμο τεχνική, τον συνδυασμένο ανυσματικό κβαντισμό με τεχνική εκχώρησης δείκτη και με ενσωματωμένο δομικό πλεονασμό πληροφορίας (VQIAER). Οι τεχνικές VQIAER και COVQ προσομοιώνονται για την Wiener διαδικασία και το το κανάλι μετάδοσης BSC. Η τεχνική VQIAER προσφέρει αξιοσημείωτη βελτίωση σηματοθορυβικού λόγου (SNR) σε σύγκριση με την τεχνική COVQ σε αντιδιαστολή μίας μικρής αύξησης του ρυθμού μετάδοσης. Ακόμα και όταν ο ρυθμός μετάδοσης παραμένει σταθερός, παρατηρείται υψηλότερη απόδοση σηματοθορυβικού λόγου (SNR) της τεχνικής VQIAER σε σχέση με την τεχνική COVQ.Στο Κεφάλαιο 6, αναπτύσσεται ένας ενσωματωμένος σχεδιασμός ανυσματικής κωδικοποίησης/αποκωδικοποίησης για μη στάσιμες πηγές, που συνδυάζει την τεχνική CSACOVQ με την τεχνική VQIAER για τις περιπτώσεις των καναλιών μετάδοσης BSC και FFRC. Αυτός ο ενιαίος σχεδιασμός συγκρίνεται με την απόδοση ενός συστήματος που χρησιμοποιεί τις τεχνικές CSACOVQ και VQIAER, στο οποίο αυτές έχουν σχεδιαστεί ανεξάρτητα η μία από την άλλη. Αποτελέσματα προσομοίωσης δείχνουν την ανώτερη απόδοση σηματοθορυβικού λόγου (SNR) της ενιαίας σε σχέση με την διακριτή σχεδίαση και για τα δύο κανάλια μετάδοσης.Τέλος, στο Κεφάλαιο 7, παρουσιάζονται τα συμπεράσματα για όλες τις προτεινόμενες τεχνικές και δίνονται προτάσεις για περαιτέρω έρευνα.