It is well known that an efficient data compression system removes the redundancy in the source and retains the useful part in an effort to reduce the data rate. This removal of redundancy, in turn, can introduce a great deal of sensitivity to the transmission noise or the storage device errors. The transmission or storage noise, if not dealt with properly, can result in significant degradations in the performance of the compression scheme.
In this thesis we are concerned with nonredundant coding systems, i.e., coding without explicit error precaution. Several techniques are proposed to ensure robust transmission for digital communication over noisy channels.
First, we address the index-assignment problem which is important part of the proper VQ design. Here, we propose an index assignment algorithm for Classified VQ codebook, the algorithm is composed of two parts, Inner Index Assignment (IIA) and Cross Index Assignment (CIA). IIA can be considered as a simplified and advanced version of Binary Switching Algorithm (BSA) and can be used for ordinary VQ codebook. CIA modifies the indices of CVQ codebook, which have been assigned by IIA or BSA, in order to increase robustness for channel error that changes the class information of the transmitted codevector into others.
Second, a new fast clustering algorithm is proposed to speed up the design of the Channel-Optimized VQ (COVQ) codebook. The usefulness of the COVQ may be restricted due to the increased training time required for the design of the COVQ codebook. Starting with an initial codebook, the COVQ algorithm performs a partition of the training set, in which an exhaustive search procedure is required to map each training vector to its corresponding codevector in the current codebook. Hence, elevating the speed of searching codebook for the training vector set is one of the most effective ways of reducing the computation time of COVQ. The new algorithm is based on the use of the relation between codevector and indexvector and prepares some information which can be pre-calculated in each iteration.
Third, we propose an efficient algorithm to design a modulation signal set of QAM system over Rayleigh flat fading channel and AWGN channel, where the signals are optimized for general codevectors which are not equally probable. We will show that the equivalence of obtaining the optimal partition of the received signal space and constructing the optimal signal constellation.
Finally, we propose a design scheme which jointly optimizes the COVQ encoder and QAM signal to minimize end-to-end distortion. The design of the QAM signal constellation is matched to minimize the expected distortion of the COVQ. Likewise, the COVQ is optimized to the codevector crossover probabilities determined by the QAM signals. And we show that further distortion reduction can be achieved by using optimal mapping scheme between codevectors and modulation signals before we apply the proposed joint optimization algorithm for the COVQ codebook and QAM signals.
The joint optimization problem is also tackled for the binary symmetric channel. In the circumstance of BSC, the index assignment technique and the fast clustering algorithm for COVQ could be used.
효율적인 자료 압축 시스템은 소스 데이타에 존재하는 과잉 정보 (redundancy)를 제거하고 핵심 정보만을 유지함으로써 전송 또는 저장해야하는 비트율을 줄이게 된다. 이런 과잉정보의 제거는 전송하려는 정보를 채널 잡음 영향에 민감하게 하는 단점이 있다. 따라서 이런 압축 전송 시스템이 적절하게 설계되지 않는다면 채널 잡음에 의해 전체 시스템 성능을 떨어뜨릴 수 있다. 이 논문에서는 채널 부호화를 사용하지 않는 시스템에서 채널 잡음의 영향을 최소화하기 위한 여러가지 최적화 알고리즘들을 제안하고 있다.
첫째, 이진 대칭 채널에서 사용되는 분류벡터 양자화 부호책의 채널 잡음 영향을 최소화하기 위한 인덱스 배정 기법을 제안한다. 이 기법은 IIA (Inner Index Assignment)와 CIA (Cross Index Assignment)로 이루어져 있다. IIA는 기존의 BSA (Binary Switching Algorithm)의 개선된 형태로 단일 벡터 양자화 코드북의 인덱스 할당을 위해서 사용될 수 있다. CIA는 IIA나 BSA로 인덱스가 할당된 부코드북들 (Sub Codebooks)의 인덱스를 조정하는 알고리즘이다. 이로써 분류벡터 양자화 코드북을 이용한 통신 시스템에서 class정보나 order정보에 발생하는 잡음에 효과적으로 대처할 수 있게 된다.
둘째, 빠른 COVQ 코드북 제작 기법을 제안한다. 채널 잡음에 대항하기 위하여 근래에 제안된 COVQ은 제작 과정이 복잡하여 긴 학습과정(training procedure)를 갖는 단점이 있다. 이를 극복하기 위하여 인덱스 벡터와 코드벡터의 구조, 그리고 그들의 상관 관계를 이용하여 코드북 제작시간을 기존 알고리즘보다 상당히 줄이는 기법을 제안한다.
셋째, 덧셈 정규 잡음 (AWGN)과 레일리 감쇄 (Rayleigh fading)의 영향을 최소화 하기 위한 QAM 신호 최적화 기법을 제안한다. 이때, 기존의 방법들과는 달리 일반적인 확률 분포를 갖는 코드벡터를 대상으로 최적화 함으로써 주어진 통신 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 이 알고리즘에서는 QAM 변조신호의 최적화가 복조신호 영역의 최적분할과 일치한다는 점을 착안하여 제안되었다.
마지막으로, 앞서 제안된 부분 시스템 최적화 기법들을 이용하여 전체 통신 시스템을 최적화하는 방법에대하여 논한다. 기존의 방법들이 각각 부분 시스템의 채널 왜곡을 최소화하는 관점에서 연구된 것과 달리, 여기서는 전체 시스템의 동시 최적화를 지향하며 양자화 왜곡과 채널 잡음 왜곡을 동시에 최소화하는 기법을 제안한다. 또, 코드 벡터를 변조신호에 할당하는 기법을 사용함으로써 제안 시스템의 성능을 더욱 높일 수 있음을 보인다.
