Turbo解碼器及其實現方法
2023-06-07 17:55:16
專利名稱：Turbo解碼器及其實現方法
技術領域：
本發明涉及一種高速數據信道上的糾錯編碼方式，尤其涉及碼分多路通訊系統(CDMA)中turbo解碼器及其實現方法的改進。
自從Shannon(香農)在1948年提出資訊理論以來，人們在不懈地努力企圖逼近信道容量的極限(Shannon限)。經眾多學者五十年的努力，提出了各種糾錯碼方案，但距Shannon限的實現還有一定的距離。從資訊理論的角度看，只要傳輸的信息速率小於信道容量，總存在使得錯誤概率任意小的編碼方法。
Turbo碼自1993年由C.Berrou等人提出後，通信學界掀起了研究Turbo碼的熱潮，當交織長度足夠長時，Turbo碼具有接近Shannon限的優越性能。大量的計算機仿真和不同碼結構研究表明，雖然Turbo碼解碼複雜度要大於傳統的卷積碼並具有較大的時延，但在無線信道信噪比較低的情況下，Turbo碼具有優異的性能，所以在第三代移動通信系統的開發中，Turbo碼被普遍用於話音和控制信道，其誤碼率可達到10-6，而傳統的卷積編碼誤碼率一般在10-3。
目前國內外對Turbo碼解碼的研究，主要集中在簡化MAP算法上，MAP算法使單個比特錯誤最小，其目的在於一、降低算法複雜度，減小Turbo碼固有的時間遲延；二、減小硬體實現時所需的資源，降低成本。其方法基本集中於定義MAP算法中的前、後向狀態度量，從而簡化MAP算法，但對Turbo解碼器結構則研究較少，如S.Pietrobon，「Implementation and Performance of a Turbo/MAP Decoder」，International Journal of Satellite Communications，21 February1997。又如美國專利US6,014,411(Repetitive turbo codingcommunication method)提出的一種重複Turbo碼編碼方案，均側重Turbo編碼方案的研究。
在CDMA2000通訊系統中需要對碼率為1/2、1/3和1/4的並行級聯卷積碼進行解碼。現有技術對碼率為1/2、1/3和1/4的Turbo碼採用不同結構的解碼器，需要較高的硬體實現成本。
圖1至圖3分別展示碼率為1/2、1/3和1/4Turbo碼的解碼器結構。在圖1中，編碼信號分別輸入兩個MAP解碼器。原始信息比特和先驗信息比特輸入第一MAP解碼器。第一MAP解碼器將更新後的外部信息比特經過Turbo交織器後，作為第二個MAP解碼器的先驗信息，送入第二個MAP解碼器。第二個MAP解碼器接收更新過的原始信息比特。第二個MAP解碼器軟判決輸出更新過的外部信息比特，作為第一個MAP解碼器的先驗信息，反饋到第一個MAP解碼器，此過程重複進行。1/3Turbo碼解碼器和1/4Turbo碼解碼器的工作原理與1/2Turbo碼解碼器相同，但具體實現結構不同。圖2是1/3Turbo碼解碼器示意圖，它與1/2Turbo碼解碼器的區別在於輸入不同。圖3是1/4Turbo碼解碼器示意圖，需要四個MAP解碼器。
本發明的目的在於提出一種Turbo解碼器及其實現方法，以相同的解碼器結構實現對碼率為1/2、1/3和1/4的並行級聯卷積碼的解碼。
本發明的目的通過以下技術方案實現一種Turbo解碼器，包括MAP解碼器、交織器和去交織器，尤其還包括解復用模塊，解碼器的輸入信號，即碼率為1/2、1/3或1/4的並行級聯卷積碼通過解復用模塊輸出五路信息比特，分別為未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k、Y1k、Y0k』、Y1k』；所述未編碼信息比特、編碼校驗比特Y0k、Y1k輸入第一MAP解碼器；第一MAP解碼器將更新後外部信息比特Zk』經過第二交織器後，作為第二MAP解碼器的先驗信息，送入第二MAP解碼器；第二MAP解碼器還接收經第一交織器模塊更新過的未編碼信息比特Xk』和編碼校驗比特Y0k』、Y1k』；從第二MAP解碼器的軟判決輸出經去第一去交織器更新的外部信息比特Zk，作為第一MAP解碼器的先驗信息，反饋到第一MAP解碼器，此過程可重複三至八次，最後從第二MAP解碼器輸出λk經第二去交織器更新後，輸入最後一級硬判決模塊輸出解碼信號。
MAP解碼器的輸入信號為四個未編碼信息比特Xk、編碼校驗比特Y0k、Y1k、先驗信息比特Zk。
一種Turbo解碼方法，包括以下步驟
①解碼器的輸入，即碼率為1/2、1/3或1/4的並行級聯卷積碼通過解復用方法分解輸出五路信息比特，分別為未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k、Y1k、Y0k』、Y1k』；②所述未編碼信息比特Xk、編碼校驗比特Y0k、Y1k和從第二MAP解碼器的軟判決輸出經去第一去交織器)更新的外部信息比特Zk，作為第一MAP解碼器的先驗信息，輸入第一MAP解碼器解碼，第一MAP解碼器更新後的外部信息比特Zk』經第二交織器後，作為第二個MAP解碼器的先驗信息，送入第二個MAP解碼器；③所述未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k』、Y1k』也輸入第二MAP解碼器，經第二MAP解碼器解碼的軟判決輸出並經第一去交織器更新過的外部信息比特Zk，作為第一MAP解碼器的先驗信息，反饋到第一MAP解碼器；④重複上述步驟②③共三至八次，最後第二MAP解碼器輸出λk送到去交織器，經硬判決模塊輸出。
上述步驟②中MAP解碼器的解碼包括以下步驟第一步設置初始值，迭代開始時，先驗信息取為零。以後為前一次解碼器的外部信息輸出，輸入為四個Xk、Y0k、Y1k、Zk，而不是傳統的三個Xk、Yk、Zk。
第二步對每一接收符號，計算分支度量，在計算分支度量時需利用兩個編碼比特C0k、C1k，而不是傳統的一個編碼比特Ck。
分支度量計算公式為δki，m＝χkξkiexp(Lc(xki＋y1kc1i，m＋y2kc2i，m))其中(xk，y1k，y2k)為時刻k的接收符號，定義為xk＝(2dk－1)＋pky1k＝(2c1k－1)＋qky2k＝(2c2k－1)＋okχk是一常數，Lc＝2/σ2ci，m是已知dk＝i，Sk＝m時的編碼比特，ξki＝Pr(dk＝i)。
第三步在全部N個符號序列接收後，對每一接收符號和所有狀態，利用第二步計算出的分支度量值，計算反向分支度量。
第四步對每一接收符號和所有狀態，利用第二步計算出的分支度量值，計算前向分支度量。
第五步計算傳遞給下一解碼器的外部信息。
第六步最後，利用計算出的分支度量值、反向分支度量值、前向分支度量值，計算似然比，進行判決。
本發明利用改進的MAP解碼器，實現了改進的MAP解碼算法，從而減少了Turbo解碼器中MAP解碼器的數量，在Turbo解碼器的輸入端增加解復用模塊，以相同的解碼器結構實現對碼率為1/2、1/3和1/4的並行級聯卷積碼的解碼，節省了硬體實現資源，降低了成本下面結合附圖對本發明的最佳實施例作進一步詳細說明圖1是1/2碼率Turbo解碼器結構圖；圖2是1/3碼率Turbo解碼器結構圖；圖3是1/4碼率Turbo解碼器結構圖；圖4是本發明所提出的Turbo解碼器結構框圖；圖5 Turbo編碼刪減圖案；圖6 Turbo編碼尾碼刪減和重複圖案；圖7解復用模塊設計框圖。
在CDMA2000通訊系統中，Turbo編碼器包含兩個並行的遞歸卷積編碼器(Constituent Encoder)。設輸入Turbo編碼器的信息Bit長度為Nturbo，對於編碼器1，Nturbo個信息Bit直接輸入；對於編碼器2，Nturbo個信息Bit要經過一個Turbo交織器進行交織後再輸入。兩個遞歸的編碼器分別輸出碼X、Y0、Y1和X』、Y0』、Y1』，它們在作為編碼符號輸出之前要經過既定的圖案進行符號刪減或符號重複，使輸出符號的長度滿足Nturbo/R，其中R是該Turbo編碼器的編碼效率，R＝1/2或1/3或1/4。在Nturbo/R個Turbo碼之後，Turbo編碼器還生成6/R個尾符號，一起構成(Nturbo＋6)/R個完整的編碼符號輸出。
本發明所提出的Turbo解碼器內部功能模塊框圖如圖4所示，包括解復用模塊10、第一MAP解碼器21、第二MAP解碼器22、第一交織器模塊31、第二交織器模塊32和去交織器模塊(41、42)。從圖4可以看出只需兩個MAP解碼器，即可實現對碼率為1/2、1/3和1/4Turbo碼的解碼。
在圖4中，輸入信號首先送入解復用模塊10，該模塊實現解復用、解刪減算法，把解碼器的輸入信號解復用、解刪減後分別送給兩個MAP解碼器21、22。未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k和Y1k輸入到第一MAP解碼器21。第一MAP解碼器21將更新後的外部信息比特Zk經過第二Turbo交織器32後，作為第二個MAP解碼器22的先驗信息，送入第二個MAP解碼器22。第二個MAP解碼器22還接收經第一交織器模塊31更新過的未編碼信息比特Xk』。經去交織器模塊41更新過的外部信息比特λk，從第二個MAP解碼器22的軟判決輸出，作為第一個MAP解碼器21的先驗信息，反饋到第一個MAP解碼器21，重複此過程。此過程可重複3～8次，過多的迭代會造成輸出飽和，最後一級為硬判決輸出。
解復用模塊10實現解復用和解刪減算法，解刪減是刪減的逆過程。編碼器的刪減模式可以按照相應的系統標準如CDMA2000標準的規定。在輸出Nturbo/R個數據符號階段，用到符號刪減。符號刪減器將來自兩個編碼器的數據BitX、Y0、Y1和X』、Y0』、Y1』按照刪減圖案(Puncturing Patterns)進行刪除，刪減圖案如圖5所示，其中『0』代表刪除；『1』代表通過。讀出時先從上到下再從左到右。
對於R＝1/2，輸出X、Y0；X、Y0』；……對於R＝1/3，輸出X、Y0、Y0』；X、Y0、Y0』；……對於R＝1/4，輸出X、Y0、Y1、Y1』；X、Y0、Y0』、Y1』；……在Turbo編碼器輸出6/R個尾符號階段，用到符號刪減和符號重複。將來自編碼器1和編碼器2的尾Bit(先X、Y0、Y1，後X』、Y0』、Y1』)按照圖6所示的刪減和重複圖案進行刪減或重複。讀出時，對R＝1/2先從上到下再從左到右，前3次輸出X、Y0；X、Y0；X、Y0，後3次輸出X』、Y0』；X』、Y0』；X』、Y0』。
對於R＝1/3和R＝1/4，讀出時，從上到下再從左到右，但X和X』需重複一次，分別輸出如下R＝1/3前3次X、X、Y0；X、X、Y0；X、X、Y0，後3次X』、X』、Y0』；X』、X』、Y0』；X』、X』、Y0』。
R＝1/4前3次X、X、Y0、Y1；X、X、Y0、Y1；X、X、Y0、Y1，後3次X』、X』、Y0』、Y1』；X』、X』、Y0』、Y1』；X』、X』、Y0』、Y1』。
解刪減是刪減的逆過程。圖7是解復用模塊10的結構框圖。在解復用模塊10中，輸入緩存於第二變換模塊14中。通過第一變換模塊12和第一計數器11查找刪減圖案相應位置上是0或是1，若為1，則從第二變換模塊14中取一個值，經復用模塊13輸出，同時第二計數器15加1。若刪減圖案相應位置上是0，則復用模塊13輸出0。這樣採用補零的做法實現了解刪減，把被刪減的比特補回去。
交織器模塊31、32是Turbo解碼器的一個重要模塊，其主要作用是將原始信息序列置亂，使得交織前後的信息序列的相關性減小，這樣可使突發錯誤隨機化。交織器越大，突發錯誤修正得越好。去交織是交織的逆過程。去交織器模塊41、42的主要作用是使信息序列以交織前的順序輸出。
MAP解碼器21、22實現MAP解碼算法。本發明提出一種新Turbo解碼器結構，為了實現這種解碼器結構，對MAP算法做了改進，根據本發明的MAP算法，MAP解碼器的輸入信號為時刻k、輸入dk的編碼比特c1k和c2k，增加了一路輸入信號，從而減少MAP解碼器的數量，簡化了Turbo解碼器結構。設v編碼器存儲單元數；Sk時刻k的編碼器狀態；dk時刻k的信息比特，與從時刻k到時刻k＋1的轉移有關，引起編碼器狀態從Sk到Sk＋1轉變。信息比特序列{dk}由N－ν個獨立的比特dk組成，取值0或1，具有先驗概率(APrP)ξk0和ξk1(ξk0＋ξk1＝1)；c1k時刻k、輸入dk的編碼比特1；c2k時刻k、輸入dk的編碼比特2；S1編碼器初始狀態，為0；SN＋1最後時刻N＋1的狀態，為0，輸入序列最後的v個信息比特(dN－v＋1到dN)將使其為0；R1N＝(R1，A，Rk，A，RN)接收到的序列，其中Rk＝(xk，y1k，y2k)為時刻k的接收符號，定義為xk＝(2dk－1)＋pky1k＝(2c1k－1)＋qky2k＝(2c2k－1)＋ok其中pk、qk和ok是三個獨立的服從正態分布的隨機變量，方差為σ2。
在本算法中，比特dk的似然比λk定義為k=Pr(dk=0|R1N)Pr(dk=1|R1N)---(1)]]>其中Pr(dk＝i|R1N)，i＝0，1是數據比特dk的後驗概率(APoP)。
定義聯合概率λki，m＝Pr(dk＝i，Sk＝m|R1N)(2)因此，解碼數據比特dk的APoP等於Pr(dk=i|R1N)=mki,m---(3)]]>其中i＝0，1，求和在所有的2v個狀態上進行。(1)式可重寫為k=mk0,mmk1,m---(4)]]>解碼器根據上式λk做出解碼判決d^k={1,k10,k1---(5)]]>α、β和δ的定義利用Bayes原理，(2)式的聯合概率可重寫為λki，m＝Pr(dk＝i，Sk＝m，R1N)/Pr(R1N)＝Pr(R1k-1|dk＝i，Sk＝m，RkN)Pr(Rk＋1N|dk＝i，Sk＝m，Rk)(6)×Pr(dk＝i，Sk＝m，Rk)/Pr(R1N)前向狀態度量、後向狀態度量定義為Pr(R1k-1|dk＝i，Sk＝m，RkN)＝Pr(R1k-1|Sk＝m)＝αkm(7)
Pr(Rk＋1N|dk＝i，Sk＝m，Rk)＝Pr(Rk＋1N|Sk＋1＝f(i，m))＝βkf(i，m)(8)其中f(i，m)是已知輸入i和狀態m時的下一狀態。分支度量定義為δki，m＝Pr(dk＝i，Sk＝m，Rk)(9)則聯合概率(6)式變為λki，m＝αkm·δki，m·βk＋1f(i，m)/Pr(R1N)因此，似然比變為k=mkmk0,mk+1f(0,m)mkmk1,mk+1f(1,m)---(10)]]>其中求和在所有的2v個狀態上進行。α、β和δ的計算這裡，α，β可如下簡單地遞推計算km=j=01k-1b(j,m)k-1j,b(j,m)---(11)]]>其中b(j，m)是在對應輸入為j的分支上從狀態m回溯到達的狀態。類似地，有km=j=01kj,mk+1f(j,m)---(12)]]>對於零均值，方差為σ2的AWGN信道，則δki，m＝χkξkiexp(Lc(xki＋y1kc1i，m＋y2kc2i，m))(13)其中χk是一常數，Lc＝2/σ2，ci，m是已知dk＝i，Sk＝m時的編碼比特，ξki＝Pr(dk＝i)。因為上式中的χk並不影響(10)式中的λk，通常忽略。
似然比為k=k0k1exp(-Lcxk)mkmexp(Lc(y1kc10,m+y2kc20,m))k+1f(0,m)mkmexp(Lc(y1kc10,m+y2kc20,m))k+1f(1,m)---(14)]]>＝ξkexp(-Lcxk)ξk″其中ξk＝ξk0/ξk1是輸入的APrP比，ξk″是輸出外部信息。初始條件α10＝1，α1m＝0 m≠0(15a)βN＋10＝1，βN＋1m＝0 m≠0(15b)迭代解碼算法步驟第一步對i＝0，1，初始化下列概率α10＝1；α1m＝0，m≠0βN＋10＝1；βN＋1m＝0，m≠0迭代開始時，外部輸入信息ξk″＝1。以後為前一次解碼器的外部信息輸出。
第二步從k＝1開始，對每一接收符號Rk，由(13)式計算分支度量δki，m。
第三步在全部N個符號序列接收後，從k＝N開始，對每一接收符號Rk和所有狀態m，由(12)式計算反向分支度量βkm。
第四步對每一接收符號Rk和所有狀態m，從k＝1開始，由(11)式計算前向分支度量αkm。
第五步計算傳遞給下一解碼器的外部信息。k=mkmexp(Lcykc0,m)k+1f(0,m)mkmexp(Lcykc1,m)k+1f(1,m)]]>第六步最後，由(14)式計算似然比，進行判決。k=k0k1exp(-Lcxk)mkmexp(Lc(y1kc10,m+y2kc20,m))k+1f(0,m)mkmexp(Lc(y1kc10,m+y2kc20,m))k+1f(1,m)]]>＝ξkexp(-Lcxk)ξk″
權利要求
1.一種Turbo解碼器，包括MAP解碼器、交織器和去交織器，其特徵在於還包括解復用模塊(10)，解碼器的輸入信號，即碼率為1/2、1/3或1/4的並行級聯卷積碼通過解復用模塊(10)輸出五路信息比特，分別為未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k、Y1k、Y0k』、Y1k』；所述未編碼信息比特、編碼校驗比特Y0k、Y1k輸入第一MAP解碼器(21)；第一MAP解碼器將更新後外部信息比特Zk』經過第二交織器(32)後，作為第二MAP解碼器的先驗信息(22)，送入第二MAP解碼器(22)；第二MAP解碼器(22)還接收經第一交織器模塊(31)更新過的未編碼信息比特Xk』和編碼校驗比特Y0k』、Y1k』；從第二MAP解碼器(22)的軟判決輸出經去第一交織器(41)更新的外部信息比特Zk，作為第一MAP解碼器(21)的先驗信息，反饋到第一MAP解碼器(21)，此過程可重複三至八次，最後從第二MAP解碼器(22)輸出λk經第二去交織器更新後，輸入最後一級硬判決模塊輸出解碼信號。
2.根據權利要求1所述的Turbo解碼器，其特徵在於所述解復用模塊(10)包括第一計數器(11)和第二計數器(15)、第一變換模塊(12)和第二變換模塊(14)以及復用模塊(13)，第一計數器(11)、第一變換模塊(12)和復用模塊(13)順序相聯，第二計數器(15)和第二變換模塊(14)相聯後再輸入復用模塊(13)，解碼器的輸入信號緩存於第二變換模塊(14)中，通過第一變換模塊(12)和第一計數器(11)查找刪減圖案相應位置上是0或是1，若為1，則從第二變換模塊14中取一個值，經復用模塊13輸出，同時第二計數器15加1。若刪減圖案相應位置上是0，則復用模塊13輸出0。
3.如權利要求2所述的Turbo解碼器，其特徵在於所述MAP解碼器(21、22)的輸入信號為四個未編碼信息比特Xk、編碼校驗比特Y0k、Y1k、先驗信息比特Zk。
4.一種Turbo解碼方法，其特徵在於包括以下步驟①解碼器的輸入，即碼率為1/2、1/3或1/4的並行級聯卷積碼通過解復用方法分解輸出五路信息比特，分別為未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k、Y1k、Y0k』、Y1k』；②所述未編碼信息比特Xk、編碼校驗比特Y0k、Y1k和從第二MAP解碼器(22)的軟判決輸出經去第一去交織器(41)更新的外部信息比特Zk，作為第一MAP解碼器(21)的先驗信息，輸入第一MAP解碼器(21)解碼，第一MAP解碼器更新後的外部信息比特Zk』經第二交織器(32)後，作為第二個MAP解碼器(22)的先驗信息，送入第二個MAP解碼器(22)；③所述未編碼信息比特Xk和編碼校驗比特Y0k』、Y1k』也輸入第二MAP解碼器(22)，經第二MAP解碼器解碼的軟判決輸出並經第一去交織器(41)更新過的外部信息比特Zk，作為作為第一MAP解碼器(21)的先驗信息，反饋到第一MAP解碼器(21)；④重複上述步驟2、3共三至八次，最後第二MAP解碼器(22)的輸出λk送到去交織器(42)，然後經硬判決模塊輸出。
5.如權利要求4所述的Turbo解碼方法，其特徵在於所述步驟②中MAP解碼器的解碼包括以下步驟第一步設置初始值，迭代開始時，外部輸入信息取為零。以後為前一次解碼器的外部信息輸出，輸入為四個Xk、Y0k、Y1k、Zk，而不是傳統的三個Xk、Yk、Zk。第二步對每一接收符號，計算分支度量，在計算分支度量時需利用兩個編碼比特C0k、C1k，而不是傳統的一個編碼比特Ck，分支度量計算公式為δki，m＝χkξkiexp(Lc(xki＋y1kc1i，m＋y2kc2i，m))其中(xk，y1k，y2k)為時刻k的接收符號，定義為xk＝(2dk－1)＋pky1k＝(2c1k－1)＋qky2k＝(2c2k－1)＋okχk是一常數，Lc＝2/σ2，ci，m是已知dk＝i，Sk＝m時的編碼比特，ξk1＝Pr(dk＝i)。第三步在全部N個符號序列接收後，對每一接收符號和所有狀態，利用第二步計算出的分支度量值，計算反向分支度量。第四步對每一接收符號和所有狀態，利用第二步計算出的分支度量值，計算前向分支度量。第五步計算傳遞給下一解碼器的外部信息。第六步最後，利用計算出的分支度量值、反向分支度量值、前向分支度量值，計算似然比，進行判決。
全文摘要
一種Turbo解碼器,包括改進的MAP解碼器、交織器和去交織器,還包括解復用模塊,將碼率為1/2、1/3或1/4的並行級聯卷積碼分解輸出五路信息比特,未編碼信息比特、編碼校驗比特Y
文檔編號H03M13/23GK1328384SQ0110746
公開日2001年12月26日 申請日期2001年1月18日 優先權日2001年1月18日
發明者王錦山 申請人:深圳市中興集成電路設計有限責任公司