超宽带通信系统和方法

专利名称：超宽带通信系统和方法
技术领域：
本发明一般涉及超宽带通信。更特别地，本发明涉及超宽带通 信信道上的数字视频数据传输。
背景技术：
我们正处在信息时代。通过多种不同的通信系统访问大量信息 正在改变着人们工作、自我娱乐以及相互交流的方式。
例如，由于1996电信改革法案(1996 Telecommunication Reform Act)，传统有线电视节目提供者商现在已经发展为用于家庭和商业 的高级视频、语音和数据服务的全面服务提供商。很多竟争中的有 线电视公司现在提供了通过单个宽带网络递送上述所有服务的有线 电牙见系统。
这些服务增加了对带宽的要求，其中带宽是每个单位时间所传 送或接收的数据量。随着数据传输大小的不断增长，更多的带宽已 经变得越发重要。例如家庭电影点播和视频电话会议之类的应用要 求高数据传输率。另 一 示例是家庭或办公室中的交互式视频。
其他工业也正在向互联网服务提供者商和其他数据提供商提出
带宽要求。例如，医院将X射线和CAT扫描的图像传送给位于远程 的医师。这种传送需要很大的带宽，以便在合理的时间量之中传送 大数据文件。在不增加系统带宽的情况下，这些大数据文件以及提 供实时家庭视频的大数据文件简直大到无法可行地进行传送。用户 对作为互联网过载症状的慢速互联网访问和掉线的数据链接的抱怨 证明了需要更多的带宽。
此外，无线设备工业最近取得了空前的增长。随着该工业的增 长，不同无线设备之间的通信已经变得越发重要。传统的射频(RF)
5技术作为无线通信的主导技术已有几十年。
传统RF技术使用连续的载波正弦波，通过对正弦波的幅度或频 率的调制来传送正弦波以及其上嵌入的数据。例如，传统的蜂窝电 话必须在全部频谙中特定宽度的特定频带上进行操作。特别地，在 美国，联邦通信委员会(FCC)已经将蜂窝电话通信分配在800 MHz 到900 MHz的频带中。 一般地，蜂窝电话运营商将所分配的频带划 分为25MHz的部分，利用选定的部分传送蜂窝电话信号，其他部分 接收蜂窝电话信号。
另一种类型的通信技术是超宽带(UWB)。 一种类型的超宽带 技术使用电磁能量的离散脉沖，此类型与传统的载波RF技术根本不 同。UWB可以使用"无载波"架构，其不需要使用高频载波产生硬 件、载波调制硬件、频率和相位鉴别硬件或传统频域通信系统中使 用的其他设备。
这种类型的UWB的一个特征是，UWB信号或脉沖可以占用非 常大量的RF频谱，例如， 一般是千兆赫级别的频带。目前，FCC 已经将位于3.1千兆赫到10.6千兆赫之间的RF频谱分配用于UWB 通信。FCC还规定，UWB信号或脉沖必须占用最小500兆赫的RF频语。
UWB通信设备的开发者已经提出了用于超宽带设备的不同架构 或通信方法。在一种方法中，将可用的RF频谱划分为若干离散的射 频频带或部分。UWB设备继而可以在这些离散频带的一个或多个中 传送信号。可选地，UWB通信设备可以占用分配给UWB通信的所 有或基本上所有的RF频谱。
然而，U WB通信技术和传统载波技术两者都受到当今消费者所 要求的带宽需求的不断挑战。
因此，需要克服上述现有技术中的一个或多个限制。


在附图中，以示例而非限制的方式示出了在此教导的本发明的各种实施方式，附图中相同的参考数字用来描述附图的若干视图中相同的、类似的或者相对应的部分 图1示出了不同的通信方法； 图2示出了两个超宽带脉冲；图3描绘了目前针对户外超宽带通信设备的美国规范的掩蔽 (mask )。图4示出了符合本发明一种实施方式的网络； 图5描述了本发明的一种实施方式使用的无损耗压缩技术； 图6A描述了本发明的一种实施方式使用的另一种无损耗压缩 技术；图6B从信号的角度描述了图6A中描述的无损耗压缩技术；图7示出了符合二维离散小波变换的滤波器组；图8示出了根据本发明一种实施方式的用以编码数据的判断树；图9示出了一种类型的无损耗压缩方法；图10示出了一种传送数据的方法；图11示出了传送数据的第二方法；以及图12示出了传送数据的第三方法。可以认识到， 一些或全部附图是用于说明目的的示意性表示， 并且无需描述所示元件实际的相对大小或位置。提供附图的目的是 说明本发明的一种或多种实施方式，应当清楚地理解，附图不是用 来限制权利要求的范围和含义。
具体实施方式
在以下段落中，将参考附图以示例的方式详细描述本发明。尽 管本发明可以具有多种不同形式的实施方式，但附图所示和将要在 此详细描述的都是特定的实施方式，应当理解，本公开应被认为是 本发明原理的示例，并且无意将本发明限制为所示和所描迷的特定 实施方式。换言之，在整个说明书中，应当将所示的实施方式和示 例视为范例，而不是对本发明的限制。省略了对公知的组件、方法不必要地模糊本发明。这里使用的"本 发明"是指在此描述的发明的任一实施方式以及任何等价实施方式。 此外，本文中对"本发明"各种特征的参考不表示所要求的所有实 施方式或方法必须包括所参考的特征。除非另外定义，否则在此所使用的所有技术术语和科学术语的 含义与本发明所属技术领域的技术人员的一般理解相同。当本部分 的定义与别处的定义不符时，以本部分中阐明的定义为准。本发明提供用于超宽带通信的通信装置和方法。该装置和方法 可以使用多个有损耗和无损耗压缩格式，以改善数字视频数据的带宽、服务质量(QoS)或吞吐量。在本发明的一种实施方式中，提供一种对数据进行编码的方法。一般地，该方法包括以下步骤计算数据变换，以第一编码率利用 前向纠错码对数据变换的第 一 部分进行编码，以及以第二编码率利 用前向纠错码对数据变换的第二部分进行编码。通过对数据的不同 部分使用不同的编码率，极大地提高了接收更感兴趣数据的概率。 例如，可以使用有损耗或无损耗压缩技术对视频图像进行变换。经 过变换的视频图像现在包括较高值或低值的数据，接着可以以不同 的编码率对其编码。较高值的数据可以接收在接收器处提高接收概 率的编码率。本发明的 一个特征是，其提供了使用超宽带收发器以及有损耗 或无损耗压缩技术的网络通信。可以使用有损耗或无损耗压缩格式 将文件存储在物理存储介质中，收发器可以与该物理存储介质通信。 一些超宽带类型的极高的数据传输率(潜在地，千兆比特/秒，无线 地)支持经过有损耗或无损耗压缩的高清(HD)通信信号的无线传 输，其中高清通信信号例如HDTV或HD电影或其他类型的HD视 频或图像。未压缩的HD视频数据传输率大约为1.5千兆比特/秒。 一种类型的无损耗压缩可以将数据速率降低2/3,由此将HD信号降 低到500兆比特/秒。而且，没有传统载波无线通信技术能够以500 兆比特/秒的数据速率进行传送。本发明的 一个特征是使用超宽带技术来无线传送经过有损耗或无损耗压缩的HD信号，这种能力是传 统通信技术所不具备的。本发明的另 一特征提供了使用超宽带收发器以及使用基于小波 压缩方法的无损耗压缩的网络通信。可以在有线或无线网络中、或在同时^f吏用无线和有线介质的网 络中实践本发明。可以通过空中或通过任何有线或导向式媒介来传 送和接收超宽带信号。不失一般性，媒介可以是双绞线，同轴电缆， 光纤光缆，电力线介质或其他类型的导向式或有线介质。本发明的 一 种实施方式提供了提高超宽带通信网络的信息吞吐 量的方法。可以通过多个比特或比特流来表示一般为数字形式的信 息。使用有损耗或无损耗压缩技术，在通过媒介通信所有信息的同 时，减小了传递信息所需的比特流的大小。本发明的一个特征是，其提供了一种通信网络，该通信网络可 以通过实现超宽带通信信号在与传统通信信号相同的媒介上的同时 传送来提高已有网络的可用带宽或数据速率。下面所讨论的本发明的实施方式使用超宽带通信技术。参考图1 和图2，脉沖类型的超宽带(UWB)通信使用例如以纳秒或皮秒间 隔(一般持续几十皮秒到几百纳秒)发射的电磁能量的离散脉冲。 出于这个原因，经常将这种类型的超宽带称作"脉沖无线电"。换 言之，与传统载波通信技术相比，可以在无需调制到正弦波或正弦 曲线载波上的情况下传送脉冲类型的UWB脉冲。这种类型的UWB 一般既不需要已分配的频率也不需要功率放大器。图1中示出了传统载波通信技术的示例。IEEE 802.1 la是无线局 域网(LAN)协议，它以5 GHz中心频率传送正弦曲线的射频信号， 无线扩频约为5 MHz。在此定义，载波是为了携带信息而由无线传 送器发射的具有频率和幅度的电磁波。802.11协议是载波通信技术 的示例。载波包含具有持续时间可以从数秒到数分钟的特定窄射频 (5 MHz)的基本连续的正弦曲线波形。相反，如示出了两个典型脉冲UWB脉沖的图2所示，超宽带(UWB)脉冲可以具有大约2.0GHz的中心频率，扩频约为4GHz。 图2示出的是，UWB脉沖的时间越短，其频谱的扩展越宽。这是因 为带宽与脉冲持续时间成反比。600皮秒的UWB脉沖可以具有大约 1.8GHz的中心频率，扩频约为1.6 GHz, 300皮秒的UWB脉冲可以 具有大约3 GHz的中心频率，扩频约为3.3 GHz。因此，如图1所示， UWB脉冲 一 般并不在特定的频率上进行才喿作。例如可以使用外差法 对图2所示的任一脉冲均可进行频移，以具有基本相同、但是以任 意期待频率为中心的带宽。因为UWB脉沖在非常宽阔的频率范围内 扩展，所以UWB通信系统支持非常高数据速率的通信，例如每秒 100兆比特或更高。已经提出了若干不同的超宽带(UWB)通信方法。对于美国的 无线UWB通信来说，所有这些方法必须满足联邦通信委员会(FCC) 在其2002年4月22日发布的报告与命令(ET Docket 98-153 )中最 近建立的限制。目前，FCC允许有限的UWB通信，但由于部署了 UWB系统并获得了这种新技术的其他经验，FCC可能修改其目前的 限制并允许UWB通信技术的扩大使用。FCC 4月22日的报告与命令要求UWB脉沖或信号占用的带宽 大于20%分数带宽(fractional bandwidth )或500兆赫中较小的一个。 分数带宽被定义为2乘以高和低10 dB截止频率的差除以高和低10 dB截止频率的和。特别地，分数带宽公式是分数带宽=其中、是高10dB截止频率，并且力是低10dB截止频率。可以将分数带宽不同地声明为信号所占用的信号中心频率的百 分比。例如，具有10 MHz的中心频率和2 MHz的带宽(即，从9 到11 MHz)的信号具有20%分数带宽。也即，中心频率乂=仏+力)/2。 图3示出了 4月22日的报告与命令所要求的用于室内系统的超 宽带发射限制。该报告与命令将UWB通信限制为在3.1 GHz到10.6 GHz之间的频i普，企图的发射不能超过-41.3 dBm/MHz。该报告与命 令还建立了针对手持UWB系统、汽车雷达系统、医学成像系统、监视系统、穿墙成像系统、探地雷达以及其他UWB系统的发射限制。 可以理解，在此描述的发明可以在室内和/或室外使用，可以是固定 和/或移动的，并且可以使用用于通信信道的无线或有线介质。一般地，在无线通信的情况下，可以以相对较低的功率密度(纳 瓦或微瓦每兆赫)传送多个UWB信号。然而，位于美国之外的可选 UWB通信系统可以以较高的功率密度进行传送。例如，可以在30 dBm到-50 dBm之间传送UWB脉冲。然而，通过很多有线介质传送的UWB信号不会干扰无线射频传 输。因此，通过有线介质传送的UWB信号的功率(以单一频率进行 采样的)可以在大约+30dBm到大约-140dBm的范围内。FCC的4 月22日的报告与命令不适用于通过有线介质的通信。与国际电子电气工程师协会(IEEE)相关联的通信标准委员会 正在考虑多种符合FCC所建立的限制的超宽带(UWB)无线通信方 法。一种UWB通信方法可以传送占用7.5 GHzFCC分配(从3.1 GHz 到10.6 GHz)中500 MHz带宽的UWB脉冲。在这种通信方法的一 种实施方式中，UWB脉冲具有大约2纳秒的持续时间，其对应于大 约500 MHz带宽。可以改变UWB脉冲的中心频率，以将UWB脉沖 置于7.5 GHz分配中的任何期待位置。在这种通信方法的另一种实 施方式中，在并行数据上执行逆傅立叶变换(IFFT)以产生122个 载波，每个大约4.125 MHz宽。在这种也称为正交频分多路复用 (OFDM)的实施方式中，结果的UWB脉沖或信号大约506 MHz 宽，并具有大约242纳秒的持续时间。它符合FCC针对UWB通信 的规则，这是因为它是很多相对窄带的载波的聚集，而不是因为每 个脉冲的持续时间。IEEE标准委员会正在评估的另一种UWB通信方法包括传送占 用大于500 MHz频谱的离散UWB脉冲。例如，在这种通信方法的 一种实施方式中，UWB脉沖持续时间可以乂人2纳秒到大约133皮秒 变化，前者占用约500 MHz带宽，后者占用约7.5 GHz带宽。换言 之，单个UWB脉冲可以基本上占用用于通信的整个分配的全部(从ii3.1 GHz到10.6 GHz)。IEEE标准委员会正在评估的又一种UWB通信方法包括传送持 续时间可以大约为0.7纳秒或更小并且码片速率约为1.4千兆脉沖每 秒的脉冲序列。使用直接序列调制技术对该脉冲进行调制，在工业 上将该脉冲称为DS-UWB。期望在两个或更多频带中的"t喿作， 一个 频带以4 GHz附近为中心并具有1.4 GHz宽的信号，而第二频带以8 GHz附近为中心并具有2.8 GHz宽的UWB信号。操作可以在任一或 两个UWB频带中发生。期望数据速率在大约28兆比特/秒到大约 1320兆比特/秒之间。再一种UWB通信方法包括传送经过调制的连续载波，其中传送 信号占用的频率占用超过所要求的20%分数带宽。在这种方法中， 可以在产生频带占用的时间周期中对连续载波进行调制。例如，如 果使用具有750皮秒的数据时间周期的二进制相移键控(BPSK)对 4GHz载波进行调制，结果信号可以占用4GHz中心频率周围的1.3 GHz带宽。在这个示例中，分数带宽约为32.5%。可以将该信号视 为满足上述FCC标准的UWB。因此，上面描述的是四种不同的超宽带(UWB)通信方法。可 以理解，上述任何UWB方法或其他将被开发的UWB方法都可以使 用本发明。而且，由于UWB信号在极其宽阔的频率范围内扩展，因此在单 一或特定频率处采样的功率非常低。例如，UWB信号的功率谱密度 (PSD )充分位于传统载波信号的噪声平台之内，因此不会千扰介质 上存在的传统载波通信信号的解调和恢复。根据本发明的一种实施方式，可以将传送器配置为传送载波信 号和UWB信号两者。载波信号例如是符合IEEE 802.11标准或可选 地符合蓝牙标准的信号，该载波信号和UWB信号可以基本同时地传 送。传送器可以包括载波传送器部分，其支持对载波信号的传送。 可以使用单个天线或可选地多个天线来传送载波信号和UWB信号 两者。步描述
本发明的特定实施方式。所述示例只是为了帮助理解可以实践本发 明的方式，并进一步使本领域技术人员能够实践本发明。因此，不 应将所述示例当作对本发明范围的限制。
图4示出了通信网络中的两个通信设备。 一个设备可以包括存
储介质10和超宽带收发器20。存储介质10可以包括磁介质、光介 质和固态介质。在本发明的一种实施方式中，存储介质可以包含以 有损耗或无损耗格式压缩的数据。该有损耗或无损耗格式可以包括 基于小波变换的格式，例如JPEG 2000规范中所描述的格式。JPEG 2000规范的特定细节在本领域内是已知的，将不被包括在本讨论中。 为了说明和非限制性的目的，而包括了对小波变换的以下讨论。
数据表示的基本概念是可以使用比特流来表示信息。当把此比 特流视为符号序列时，它通常是以时间表示的。观察符号的可选方 法是在频域中。频域不是将符号表示为基于时间的序列，而是使它 关注逐个符号发生的跃迁(transition )。这些跃迁引出了频率的概念， 或者说，在符号序列中发生了多少以及多大数量的改变。传统上， 使用傅立叶变换将时域中的序列映射成频域中的数据集。
傅立叶变换所遇到的 一个困难是时间信息的丟失。这部分是由 用来计算变换的基函数造成的。在傅立叶分析中，基函数是正弦或 余弦。这些函数存在于从负无穷到正无穷。傅立叶变换可以表示为
傅立叶变换是被称为可逆变换的变换类型的一部分。可逆变换可以
其中,=cos(w的sin(—。
傅立叶变换在信号处理中的使用很多。很重要的是要注意这 种变换的基本性质来源于基函数的正交性。在信号处理中，傅立叶
表示为
2;r "变换的实现通常是通过被称为快速傅立叶变换(FFT)的算法来进行。 在信号处理中，FFT的一般实现需要将数据分割为长度为2的方幂 的离散块。连续地处理每个块。这种处理在时间或频率上都可能导 致块边界处的不连续并被限制为单一的分辨率。这种方法的另 一个 限制是，对于每个时间增量，频域中示出相同的分辨率。存在多个 可被用以通过类似方式变换数据的正交基函数。
可以按照类似方式使用其他变换来实践本发明。其他多分辨率 变换可以包括但不限于拉普拉斯金字塔，高斯金字塔，灰度级金 字塔，以及多分辨率Gabor滤波器。
被称为小波的 一个基函数族展现了多个较之傅立叶变换的优 势。小波函数是"紧支撑"的，这表示它们不会在无穷的持续时间 (time duration )上存在。在简短的持续时间期间，小波对于多数时 间和振动是零值。使用这种类型的基函数得到的变换在变换数据中 具有一些时间感和频率感。而且，如图5所示，小波变换可以提供
多分辨率或多尺度的分析。 一些小波变换可以在线性相位有限脉冲 响应(FIR)滤波器组中实现。FIR滤波器是离散滤波器，其中，当 前所计算的输出值只依赖于数据和滤波器系数，而不依赖于通过反 馈回路的先前所计算的值。小波变换的一个特征是，实现小波变换
的计算复杂性小于傅立叶变换。
在离散小波变换(DWT)中使用小波基函数需要将其脉沖响应 用作完美重建滤波器组中的系数。在信号处理中使用的有两组小波 变换。第一组被称为标准正交的，第二组是双正交的。这些小波变 换组在本领域内是已知的，将不在这里详细讨论。标准正交小波导 致具有偶数个系数的滤波器，双正交小波导致具有奇数个系数的滤 波器。在多数信号处理应用中，小波函数本身并不重要。可以在不 考虑小波函数的解析描述的情况下直接产生系数。
DWT及其逆的计算可以利用FIR滤波器来进行。分析滤波器 Ho和H^执行DWT;综合滤波器FQ和F！计算逆变换。以这样的方式 选择滤波器H。和H"使其允许滤波器F。和F,重建输入信号。从综合低通滤波器H。以这样的方式产生分析高通滤波器Hp综合低通滤
波器Fo、以及综合高通滤波器F!:确保输出等于输入乘以时间延迟。 为了产生用于低通滤波器Ho的、将导致标准正交变换的系数，将以 下约束应用于滤波器系数
在双正交变换的情况中，低通分析滤波器和低通综合滤波器具
有不同的长度。在两个滤波器上都施加约束。这些约束是
》-iA- = o
可以看到，标准正交情况是更一般的双正交情况的子集。
应用这些约束将产生低通FIR滤波器的系数。继而可以推导相 应的滤波器，以确保该滤波器在综合滤波器组的输出处提供输入信 号的完美重建。
图6A示出了用以计算DWT及其逆的分析和综合滤波器组的使 用。利用低通滤波器H。和高通滤波器Hi应用DWT的第一分辨率尺度。接着由被示为丄2的因子"2"抽取(decimate)结果信号。在实 践应用中，计算每个其他输出可以合并滤波和抽取的步骤。接着， 通过低通滤波器Ho和高通滤波器&以及随后的抽取器对低频内容 进行第二次滤波和抽取，以提供低频内容的第二尺度或分辨率。此 过程可以针对任意期望数目的DWT尺度或分辨率继续。逆变换开始 于插值操作，其后利用综合低通滤波器F。和综合高通滤波器FJ寸信 号进行滤波。对输出求和，并将其发送至下一综合级，在那里重复 该过程。
图6B从实际信息信号的角度描述图6A的离散小波变换 (DWT)。在分辨率的第一尺度处，将信号分离为低频内容L和高 频内容H。在通过为2的因子抽取之后，再次将低频内容L分离为 较低的低频内容LL和较高的低频内容LH。在通过为2的因子进行 第二抽取之后，再次重复该过程。
如图7所示，当计算例如图像的DWT之类的二维变换时，计算 每行的变换，并且将低频内容存储在图像的第一半上，将高频内容 存储在另一半上。接着在结果图像的列上执行计算，将低频内容存 储在第一半上，并且将高频内容存储在另一半上。第一尺度变换的 结果是具有4个象限的图像。 一个象限包含行处理和列处理两者的 低频内容，表示为LL。另一象限包含是关于列处理的高频以及关于 行处理的低频的内容，表示为LH。第三象限包含是关于列处理的低 频和关于行处理的高频的内容，表示为HL。剩余一个象限包含行处 理和列处理两者的高频内容，表示为HH。如步骤3所描述的，然后 通过相同的步骤处理最低子频带LL的内容，直到达到期待尺度的分 辨率。
以类似的方式，可以通过在 一见频中的帧之间以时间的方式应用 变换来计算三维DWT。三维DWT具有以下优点允许在小波域中 进行例如压缩或编码的更多处理。三维DWT的计算比二维DWT的 计算更加复杂，因此可能导致更多的处理延迟。而且，在多媒体数 据的情况下，待传送的数据可能包括来自多于 一 个时间平面的信息。然而，任何所接收的帧内的错误都可能影响多于一个的时间平面。 相反，可以将二维变换系统的接收中的错误限制在单 一 时间平面内。 一旦经过了变换，可以对数据应用多个处理步骤。在本发明的
一种实施方式中，应用符合JPEG 2000的算法来压缩数据。在一些 压缩技术中， 一旦经过了变换，就对数据进行熵编码。熵编码是这 样的过程，其基于内容对经过变换的图像的不同区域应用不同的比 特分辨率。其他压缩技术在本领域是已知的，并且可以用来实践本 发明。例如，很多基于小波的压缩技术是基于在本领域内被公知为 零树压缩算法的算法。 一个这样的算法是嵌入式零树小波编码器 (EZW) 。 EZW编码器基于渐进编码，用以将图像压缩到具有递增 精度的比特流中。这意味着，当向流中添加了更多的比特时，解码 图像将包含更多的细节，这一性质与JPEG编码图像类似。 一种类比 是数字丌的表示。通常使用的是三位的近似，3.14,这对于一些应用 而言可能是足够的。我们添加的每个数位都提高了该数字的精度， 但是我们可以在我们希望的任何精度上停止。渐进编码也被称为嵌 入式编码，这解释了EZW中的E。 EZW编码可以导致有损耗压缩， 这使其能够支持很大范围的比特率和分辨率。
由于大多数图像中的主导内容是低频的，因此DWT的较低子频 带包含主导能量，并因而具有最大的小波系数。可以看到，对应于 最低子频带的任意特定像素的小波系数直接与下 一个较高子频带中 的四个系数相关。另外，那个子频带中的每个系数与下一个较高子 频带中的四个系数相关。因此，可以认为低子频带中的系数好像在 下一个较高子频带中具有4个后代。可以将这种结构称为四叉树， 其中每个根节点具有4个叶节点。在EZW算法中，确定了初始阈值。 在变换中完成将系数值与阈值进行比较的多个迭代传递(pass)。如 果系数超过了阈值，则将其编码为正(P),如果系数没有超过阈值， 则将其编码为负(N)。将根节点系数编码为零树(T)。当根节点 系数没有超过阈值时，将其编码为孤立零点(Z)。在遍及经过变换 的图像的后续传递中，降低阈值，并针对系数重复该过程。编码方案可以是有损耗的或无损耗的。在无损耗编码方案中，迭代过程继 续，直到阈值小于经过变换的图像中存在的最小系数。如果期望有 损耗变换，则在高于最小小波系数的阔值水平处停止迭代过程。以 这种方式，可以根据应用来控制有损耗或无损耗压缩的压缩率。一 般地，为了使压缩最大化，有损耗压缩牺牲(也即，"丢失，，)了 一些细节。相反，无损耗压缩在不丢失信息的情况下减小图像大小。 本发明的 一 个特征是，其允许在增加的距离上通过通信信道流 式传送多媒体内容。传统视频压缩技术，例如那些使用来自运动图
像专家组(MPEG)的标准的技术，以拼贴的方式使用离散余弦变换 (DCT)。换言之，在较小的块中传送图像，块的大小通常是8x8 像素。对经过变换的块进行压缩，并可以将其以压缩模式存储在介 质上或是通过通信介质传送。解压过程对于比特错误非常敏感。在 一些MPEG压缩中，纠错之后所要求的残差误码率(BER)必须接 近1(T9。这种类型或者说限制在十亿比特中只允许一个比特错误。当 比特错误超过此门限时，在解压图像中可能出现坏块。而且，由于 大多数MPEG流在每个图像帧上按空间性进行操作，并且逐个帧的 按时间性进行操作，因此坏块可能遍及多个帧之间扩散错误，使得 观察者会看到错误。
相反，诸如基于DWT的算法之类的多分辨率压缩技术能够容忍 较大数量的比特错误。由于比特错误在数据或图像中随机发生，所 以部分错误将发生在重要性较小的尺度内。这些较高频尺度提供了 图像中的精致细节，而不是图像本身的全部内容。较不重要的尺度 中的残差比特错误可能导致图像中边缘的"软化"，而不是图像块 的丢失。而且，返回去参考图7，可以看出，在从1个到5个尺度的 变换过程中，较高频尺度中的图像区域主导着变换。由于残差比特 错误将在经过变换的数据中随机发生，所以大多数这些错误将位于 重要性较低的尺度中。这种对残差比特错误的附加容错使得多分辨 率压缩技术较之例如MPEG之类的基于DCT的传统算法能够更有效 地在较高的误码率(BER)下进行操作。这种容错的一个暗示是，
18与MPEG流相比可以更为有效地针对增加的通信距离交换BER。
本发明的一个特征是，它即使在遇到较高BER时也能够支持视 频的传送。本领域技术人员还了解，视频传送需要基本服务质量 (QoS)。很多不同的方法被用来测量QoS，误码率(BER)是其中 之 一 。本发明的方法甚至在产生较高误码率的情况或环境中支持视 频的传送。
目前标准化的基于小波的视频压缩算法，例如JPEG 2000,仅仅 空间地计算变换并压缩。仅针对空间的算法的一个优点是错误被 限制在单一图像帧中。时间DWT压缩技术是本领域已知的，并且可 以通过利用帧至'J帧之间的相似性来提供较高的压缩率。这些技术的 一个限制是残差比特错误可能扩散遍及多个帧。在本发明的一种 实施方式中，可以緩沖多个经过解压的图像帧，如果在这些帧中发 现残差错误，可以使用来自在前帧或随后帧的数据来提供对丢失数 据的估计。
而且，图像DWT的低频内容像"缩略图"(thumb-nail)图像 一样的类似于原始图像。这部分图像的丢失或损坏将使整个图像不 可恢复。在本发明的一种实施方式中，对这种重要的"縮略图"图 像的处理和传送可以不同于图像的其他部分。例如，可以对表示"缩 略图"图像的数据进行前向纠错(FEC)处理，和/或通过自适应的 或固定的扩展码对其进行处理。这些处理步骤(FEC以及自适应的 或固定的扩展)确保在其预期的目的地接收到重要的"缩略图"图 像。如下所述，FEC编码以及自适应的或固定的扩展增加了必须传 送的附加数据。然而，在一种实施方式中，通过利用FEC和/或自适 应的或固定的扩展而仅对"缩略图"图像进行处理，使所产生的附 加数据的总量最小化。在可以包括使传输变得困难的因素的通信环 境中使用的另一种实施方式中，还可以利用FEC和自适应的或固定 扩展来处理图像的其余部分。然而，如下所述，在一些实施方式中， 用于图像"缩略图，，部分的FEC率可以不同于图像的其余部分的FEC 率。这对于图像上执行的自适应的或固定的扩展处理同样成立。现在参考图8，在本发明的一种实施方式中，在步骤60对视频 流、图像或其他数据进行变换。该变换可以是包括小波变换、离散 余弦变换或上述任何多分辨率变换在内的二维或三维变换。在步骤 70中，对数据进行编码以用于压缩。多种压缩编码方法在本领域是 已知的并且可以用来实践本发明。作为示例而非限制，编码步骤70 可以包括渐进编码、熵编码、零树编码、Lemple-Ziv编码、霍夫 曼编码格式、算法术编码格式以及符合例如JPEG 2000的工业标准 的编码格式。如本领域已知的，熵编码是包括将码分配给符号的编 码方案，其分配方式是使码长与发生概率匹配。
在包括前向纠错(FEC)的实施方式中，步骤80确定FEC是否 是自适应的。FEC是本领域已知的可以4全测和纠正错误的方法。在 FEC算法中，在编码步骤中向待发送的数据中添加大量的冗余或其 他附加比特。在接收时，可以使用解码步骤来检测和纠正接收数据 中出现的任何错误。可以以分数的形式来表示添加到原始数据中的 附加或冗余比特的数目。例如，在1/2速率编码中，使原始数据加倍， 在l/4速率编码中，结果数据集是原始大小的4倍。通常的编码速率 包括1/8速率编码、1/4速率编码、3/8速率编码、1/2速率编码、 5/8速率编码、3/4速率编码以及7/8速率编码。实际上，任何分数 速率编码都是可能的，并且本发明不受限于所使用的特定编码率。 解码器的纠错能力是数据中附加比特数量的函数。以不同地方式来 来陈述，使用1/4速率编码的系统能够比使用1/2速率的系统检测和 纠正更多的错误。
返回去参考图7中所示的多分辨率示例，特别是对DWT的讨论，
可以看到，最低频率的子频带对于在接收器处恢复数据是必需的。 在包括自适应FEC的实施方式中，可以利用不同的FEC率对不同的 数据子频带进行编码。在这种实施方式中，可以以高于其他子频带 的速率对与最小子频带图像对应的数据进行编码。FEC编码中的这 种增加将提高FEC解码器检测和纠正这个图像区域中错误的能力。 在DWT中，其他子频带提供了精致细节，如果破坏的是这些子频带，则对图像恢复的影响可被最小化。因此，应用自适应FEC的判断步 骤80暗示了整体通信系统的可靠性。
再次参考图8,如果判断步骤80是肯定的，则在步骤90中应用 自适应FEC编码。如果判断步骤80是否定的，则必须在步骤100 中做出关于自适应扩展的判断。利用扩展码对数据信号进行扩展提 高了可靠性，并允许接收器实现扩展增益。扩展是诸如直接序列扩 展频谱(DSSS)之类的一些扩频技术中使用的已知技术，其中，扩 展码与每个数据比特相乘。结果的乘积或者说扩展数据将大于原始 数据。尽管传送和接收该信号需要较高的数据速率，但在接收器处 检测信号时可以实现改进。不同长度的码提供了不同级别的扩展增 益。较长的码提供较多的编码增益，但是需要较高的数据速率来传
低频子频带进行编码，可以赋予对于成功的信息恢复可能是必需的 数据以较高级别的可靠性。扩展码族包括但不限于分组码、分级 码、沃尔什(Walsh)码、戈雷(Golay)码以及三进制码，这些在 通信领域是已知的，可以用来实践本发明的这个方面。
如果判断步骤100是肯定的，则在步骤IIO应用自适应扩展码。 如果判断步骤100是否定的，则该过程可以前进至步骤120，该步骤 将固定FEC编码应用于数据。在步骤130,利用固定扩展对数据进 行编码。接着可以将数据发送到步骤140,并在超宽带通信信道上传 送。
可选地，如果判断步骤80是肯定的，则在步骤90中应用自适 应FEC编码，接着在步骤100进行关于自适应扩展的判断。以类似 于上面所讨论的方式，如果将要使用自适应扩展，则在步骤110中 对数据进行自适应扩展。如果不使用自适应扩展，则在步骤130中 通过定长码对数据进行扩展。继而可以在步骤140中通过超宽带通 信信道传送数据。应当理解，自适应和/或固定扩展和FEC编码是可 选的实施方式，而不限制本发明的范围。多分辨率变换增强了处理 的灵活性，但是，也可以将在此描述的自适应FEC编码和自适应扩展的4支术应用于其他类型的压缩，例如类似于MPEG和JPEG的基 于离散余弦变换的压縮技术。
可以通过数据丢失来表征图像和数据压缩。保证逐个比特的对 文件、图像或多媒体流进行精确重建的压缩技术称为无损耗的。从 文件、图像或多媒体流中消除冗余的或较不重要的比特的压缩通常 称为有损耗的。多种无损耗压缩技术是已知的，并且很多是基于上 文描述的熵编码技术。
参考图9，示出了一种类型的无损耗压缩技术。所示的示例被公 知为霍夫曼算法，它是作为示例而不是对本发明的限制而提供的。 霍夫曼编码器接受具有固定长度的输入字符块，并产生可变长度的 输出比特块。它是不定长(fixed-to-variable length )码。假设事先知 道源统计，则霍夫曼码的设计(对于固定块长度)是最优的。霍夫 曼编码的基本思想是将短码字分配给那些具有高概率的输入块， 将长码字分配给那些具有低概率的输入块。霍夫曼码的设计是将两 个最小概率的字符合并到码树55中，并重复该过程，直到只剩下一 个字符为止。由此生成了码树55,并从码树55的标记处获得霍夫曼 码。在这个示例中，两个最小概率的字符是"b"和"j"。将它们组 合以提供0.033的组合概率。接下来两个最小概率的字符是"g"以 及"b"和"j"的组合。它们的组合概率是0.075。将字符"c"和"f， 组合以提供0.109的概率。以类似的方式在整个集合中形成剩余的组 合，直到码树55达到1.00的概率。接着，如所示的为码树55的分 支给出比特分配("a"是比特OO， "e，，是比特10，等等)。继而 可以根据该树生成字符编码。结果的码依赖于每个字符出现的概率， 较短的码分配给了较高概率的字符。霍夫曼和算术编码是熵编码的 示例，因为码分配是根据符号出现的概率进行传递的。包括 Lempel-Ziv算法在内的其他无损耗压缩算法在本领域是已知的，并 且可以用来实践本发明。
本发明的 一 个特征是提供使用超宽带收发器和无损耗压缩技术 的网络通信。可以使用无损耗压缩格式将文件存储在物理存储介质中，收发器可以与该物理存储介质通信。 一些超宽带类型的极高的 数据传送速率(潜在地，千兆比特/秒，无线地)支持经过无损耗压
缩的高清(HD )通信信号的无线传输，其中高清通信信号例如HD T V 或HD电影或其他类型的HD视频或图像。未压缩的HD视频数据压 缩速率是大约1.5千兆比特/秒。 一种类型的无损耗压缩可以将数据 速率降低2/3,由此将HD信号降低到500兆比特/秒。而且，没有传 统载波无线通信技术能够以500兆比特/秒的数据速率进行传送。本 发明的一个特征是使用超宽带技术来无线传送经过无损耗压缩的 HD信号，这种能力是传统通信技术所不具备的。
本发明的另 一特征是提供使用超宽带收发器以及有损耗压缩的 网络通信，该优选压缩使用基于小波的压缩方法。
本领域技术人员可以理解，传送视频图像所需的数据速率随着 视频图像的分辨率而变化。例如，标准清晰度电视(SDTV)的分辨 率低于HDTV。例如， 一种类型的SDTV可以以704像素x48(M亍或 640像素x 480行被广播。相反， 一种类型的HDTV可以具有1080 行的垂直分辨率，通常具有1920像素的水平分辨率以及16:9的长宽 比。而且，还存在1080行分辨率的渐近扫描版本，但是由于传统广 播频率的带宽限制，实际上它只能以24、 25和30帧每秒(1080p24、 1080p25、 1080p30)来^f吏用它们。只能通过4交高带宽的信道来发送 以50和60赫兹的较高帧速率渐进扫描的材料，并且该材料不是广 播标准的一部分。然而，超宽带通信技术可以无线地传送这些HDTV 信号。可以理解，本发明还可以使用未来的HDTV标准。
本发明可以在无线、有线、有线介质和无线组件的混合等任意 类型的网络中使用。换言之，网络可以同时使用例如同轴电缆的有 线介质以及例如卫星、蜂窝天线的无线设备。在此定义，网络是由 通信路径连接的点或节点的群组。通信路径可以使用线路，或者可 以是无线的。在此所定义的网络可以与其他网络互连并包含子网。 可以以空间距离来表征在此定义的网络，例如，局域网(LAN)、 个人区域网络(PAN)、城域网(MAN)、广域网(WAN)以及无
23线个人区域网络(WPAN)等。还可以通过网络所使用的数据传送
技术的类型来表征在此定义的网络，例如，传输控制协议/互联网协
议(TCP/IP)网络、系统网络架构网络等。还可以通过网络是否携 带语音、数据或者同时这两种类型的信号来表征在此定义的网络。 还可以通过网络的用户来表征在此定义的网络，例如，公共交换电 话网(PSTN)或其他类型的/>共网络以及(例如单个房间或家庭中 的)私有网络等的用户。还可以通过网络连接的通常特性来表征在 此定义的网络，例如，拨号网络、交换网络、专用网络、非交换网 络等。还可以通过网络所使用的物理链路的类型来表征在此定义的 网络，例如，光纤、同轴电缆、两者的混合、非屏蔽双绞线、屏蔽 双绞线等。
现在返回去参考图4，其示出了包括两个超宽带收发器20的网 络。传送超宽带收发器20 (其可以是任一收发器)与存储介质10 通信，从存储介质10中取回以无损耗压缩格式存储的数据。该超宽 带收发器20通过通信媒介40将该数据传送至接收超宽带收发器20。 这里描述的介质可以包括诸如电力线或同轴电缆之类的导电线介质 50,或例如光纤光缆的光通信媒介。可选地，可以使用无线通信媒 介，在这种情况下，每个超宽带收发器可以包括一个或多个天线35。 接收超宽带收发器20从通信媒介40处接收超宽带信号，并将数据 显示在显示设备30上。
图10示出了符合本发明一种实施方式的通信方法。在步骤160 中，从存储介质中读取经过无损耗压缩的数据。在步骤170中，超 宽带收发器通过通信媒介传送数据。在步骤180中，第二超宽带收 发器从通信媒介接收数据。然后在步骤190中将数据显示在显示设 备上。
图11所示的本发明的另一实施方式提供了一种通信网络，其中， 在超宽带收发器20处从数据源150以无损耗压缩的格式接收数据。 该数据源可以是存储介质或通信媒介。第 一超宽带收发器20通过通 信媒介40将数据传送至第二超宽带收发器20。该超宽带收发器从通信媒介接收数据，并通过第二通信媒介将其再次传送至第三超宽带 收发器20。在这个示例中，第一通信媒介40可以是有线介质，并且
第二通信媒介40可以是空中。在这种实施方式中，与在此描述的其
他实施方式类似，通信介质可以是导电线介质、无线介质和光纤介质。
第三超宽带收发器20将数据显示在显示设备30上。显示设备 30可以是固定电子设备，例如电视或个人计算机，或者可以是便携 式电子设备，例如移动电话或个人数字助理。 一般而言，显示设备 30可以是适于数据显示的任何设备。
本发明的一个特征是，通过使用无损耗压缩格式，较之未压缩 格式而言，明显提高了对于相同通信比特率的未压缩格式的信息吞 吐量。本发明的另一特征是，通过将有线介质用于通信媒介，较之 纯粹的无线超宽带(UWB)网络，明显扩展了超宽带网络的范围。 例如，无线UWB的一些实现已经被称为能够支持无线个人区域网络 (WPAN)。典型的WPAN—4殳在IO米以下。可以将例如同轴电缆
的有线介质上的UWB信号路由至结构的不同部分，接着在那个房间 中将其作为无线信号传送。
图12示出了符合本发明的一种实施方式的又一方法。在步骤 200，以无损耗压缩格式接收数据。在步骤170中，将数据作为超宽 带信号通过第一通信媒介进行传送。在步骤180中接收数据，并在 步骤170中将该数据作为超宽带信号通过第二通信媒介进行转发。 在步骤180中从第二通信媒介接收数据，并在步骤190中显示。
由此，提供了超宽带通信网络和通信方法。本领域技术人员将
说明书和附图不旨在限制本专利文本的排他范围。应当指出，本描 述中所讨论的特定实施方式的各种等价实施方式同样可以实践本发 明。换言之，尽管本发明是结合特定实施方式描述的，但显然的是， 根据上述描述，很多替换、修改、置换以及变型对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。相应地，本发明意在包括所附权利要 求范围内的所有这些替换、修改和变型。事实上，展现出与一个或 多个上述实施方式差异的产品、过程或方法并不表示该产品或过程 在所附权利要求的范围(文字上的范围和/或其他法律认可的范围) 之外。
权利要求
1. 一种对数据进行编码的方法，所述方法包括以下步骤计算所述数据的数据变换；以第一编码率利用前向纠错码对所述数据变换的第一部分进行编码；以及以第二编码率利用前向纠错码对所述数据变换的第二部分进行编码。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述数据变换选自由离 散余弦变换、离散小波变换、快速傅立叶变换、Gabor变换、拉普拉 斯金字塔变换、高斯金字塔变换以及多分辨率变换构成的组。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二编码率 不同。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一和第二编码率 选自由l/8速率编码、1/4速率编码、3/8速率编码、1/2速率编码、 5/8速率编码、3/4速率编码、7/8速率编码以及1速率编码构成的组。
5. 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤利用扩展码 对所述编码数据进行扩展，所述扩展码选自由分组码、分级码、沃 尔什码、戈雷码以及三进制码构成的组。
6. 根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤使用通过通 信媒介传送的超宽带信号来传送所述经过变换的数据。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述超宽带信号占用单 个射频频带，或者所述超宽带信号占用多个射频频带。
8. 根据权利要求6所述的方法，其中，所述超宽带信号使用的 技术选自由脉冲技术、直接序列扩频技术、连续波技术以及正交频 分多路复用技术构成的组。
9. 根据权利要求6所述的方法，其中，所示通信媒介选自由导 电线介质、无线介质以及光介质构成的组。
10. 根据权利要求6所述的方法，还包括以下步骤接收所述传送的数据并将所述数据显示在显示设备上。
11. 根据权利要求10所述的方法，其中，所述显示设备选自由 静态电子设备、便携式电子设备以及个人计算机构成的组。
12. —种对数据进行通信的方法，所述方法包括以下步骤 计算所述数据的数据变换；利用具有第一长度的第一扩展码扩展所述数据变换的第一部 分；以及利用具有第二长度的第二扩展码扩展所述数据变换的第二部分。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述数据变换选自由 离散余弦变换、离散小波变换、快速傅立叶变换、Gabor变换、拉普 拉斯金字塔变换、高斯金字塔变换以及多分辨率变换构成的组。
14. 根据权利要求12所述的方法，其中，所述第一和第二扩展 码选自由分组码、分级码、沃尔什码、戈雷码以及三进制码构成的 组。
15. 根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤利用具有 编码率的前向纠错码对所述经过变换的数据进行编码，所述编码率 选自由l/8速率编码、1/4速率编码、3/8速率编码、1/2速率编码、 5/8速率编码、/4速率编码、7/8速率编码以及1速率编码构成的组。
16. 根据权利要求12所述的方法，还包括以下步骤使用通过 通信媒介传送的超宽带信号来传送所述经过变换的数据。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述超宽带信号占用 单个射频频带，或者所述超宽带信号占用多个射频频带。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述超宽带信号使用 的技术选自由脉冲技术、直接序列扩频技术、连续波技术以及正交 频分多路复用技术构成的组。
19. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述通信媒介选自由 导电线介质、无线介质以及光介质构成的组。
20. 根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤接收所述传送的数据并将所述数据显示在显示设备上。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述显示设备选自由 固定电子设备、便携式电子设备以及个人计算机构成的组。
全文摘要
提供了一种超宽带通信网络以及用于通信的方法。在本发明的一种实施方式中，提供了一种对数据进行编码的方法。一般地，该方法包括以下步骤计算数据变换，以第一编码率利用第一前向纠错码对数据变换的第一部分进行编码，以及以第二编码率利用第二前向纠错码对数据变换的第二部分进行编码。提供本摘要的唯一目的是遵循摘要要求规则，使读者能够很快确定在此包含的公开的主题。应当清楚地理解，提交本摘要不是用来解释或限制权利要求的范围和含义。
文档编号H04B1/69GK101523740SQ200680031122
公开日2009年9月2日 申请日期2006年7月10日 优先权日2005年7月12日
发明者A·玛查斯, J·埃尔登, S·穆尔 申请人:脉冲互联有限公司