Turbo乘積碼串行級聯NR碼的信道編碼方法

2023-05-10 08:58:21 2

專利名稱：Turbo乘積碼串行級聯NR碼的信道編碼方法
技術領域：
本發明屬於數位訊號傳輸領域，特別涉及數位訊號傳輸中一種結合Turbo乘積碼(簡稱TPC碼)和Nordstrom-Robinson碼(簡稱NR碼)的信道編碼方法。
背景技術：
地面無線傳輸信道是一個非常複雜的傳輸信道，無論固定接收還是移動接收，都面臨嚴重的多徑幹擾和其它衰落因素影響。所以，信號經過信道傳輸以後，將不可避免地出現錯碼現象。在恢復圖象之前，必須將這些可能出現的錯碼糾正過來，信道糾錯編解碼就是非常有效的手段之一。信道編碼實際上是通過加入一定的冗餘信息作為傳輸的輔助信息，對抗信道衰落和其他幹擾，來保證數據的可靠傳輸。
信道編碼是反映系統糾錯能力的一個技術核心，編碼效率與糾錯能力是一對需要統一的矛盾。根據不同的運營業務的需要，選擇對應的數據碼率，並對該業務流提供相應的信道編碼保護。由於運營業務不同，相應的傳輸碼率不同，對應的信道衰落情況也各不相同比如高清視頻固定接收業務的傳輸碼率要求高，但固定接收的信道衰落不隨時間變化，因此可以選擇編碼效率高、糾錯性能相對要求較低的信道編碼方式；而對應標清視頻或數據的移動接收業務的傳輸碼率不高，但移動接收情況下的信道非常惡劣，並且隨時間和地點迅速變化，因此可以選擇編碼效率較低，糾錯能力強的信道編碼方式。
1993年，C.Berrou提出了經典「Turbo碼」，即PCCC由兩個並行級聯的子卷積碼編碼器以及偽隨機交織器構成，並採用了迭代解碼結構和針對子卷積碼的MAP解碼算法。PCCC是第一種出現的Turbo碼，它的構造是信道編碼領域的一次革命，並推動了其它一系列Turbo碼的誕生與成熟。
Turbo碼是至今為止最有效的信道糾錯碼使傳輸可靠性提高；也使傳輸速率提高；具有很好的誤碼性能十分接近香農界(Shannon)。現有大量的投資、人力正推動Turbo碼在各種系統中得到廣泛應用。對於傳播環境惡劣的無線系統，採用Turbo碼可以最大程度上提高未來系統的性能。目前Turbo碼已經被廣泛應用於從有線到無線的各種寬帶數據通信應用場合，包括蜂窩移動通信，已被選為WCDMA/cdma2000中，作為傳輸多媒體業務的信道編碼標準；寬帶衛星通信；數位電視廣播DVB-RCT和DVB-RCS；無線區域網(IEEE 802.11)；寬帶無線接入(IEEE 802.16)；以及其它如數據存儲介質設備訪問和有線數據機(CableModem)、DSL等。
Turbo乘積碼(簡稱TPC碼)，是採用軟輸入軟輸出(SISO)迭代解碼的乘積碼，是傳統Turbo碼技術(PCCC)的一種發展。與PCCC相比，TPC碼可以在較高的編碼效率情況下，比如R＞2/3，仍然保持相當強的糾錯能力，有利於提高頻譜利用率；可提供更好的抗衰落性能，並能較大的改善誤比特率一信噪比(BER-SNR)性能曲線的誤碼平層效應，這些性能均優於傳統的Turbo碼，以及傳統的卷積編碼，包括TCM編碼。
由於與傳統的Turbo碼相比，TPC具有更低的誤碼平層，更適合於高頻譜效率、高數據速率通信場合。可能應用包括無線區域網(IEEE 802.11)、寬帶無線接入(IEEE 802.16)、寬帶衛星通信和3G+、4G移動通信系統等。
卷積碼(n，k，m)是一種非常有效的編碼，由於k和n通常很小，特別適合以串行形式進行傳輸，時延小。與分組碼不同，卷積碼編碼後的n個碼元不僅與當前段的k個信息有關，還與前面的N-1段信息有關，編碼過程中互相關聯的碼元個數為nN。採用基於碼的網圖基礎上的一種最大似然解碼算法—維特比算法(viterbi)，是一種最佳的概率解碼方法。在通信領域內被廣為應用。現有的美國、日本和歐洲的數位電視地面傳輸標準都採用不同碼率的卷積碼進行內碼編碼。
Nordstrom-Robinson碼(簡稱NR碼)是一種高效實用的非線性分組碼。NR(16，8，6)碼字的碼率為1/2，最小漢明距離為6(大於相同編碼效率的卷積碼(2，1，2)，自由距為5)，可以糾正2個錯誤。它的構成有多種方式，常採用是它的一種系統形式。NR(16，8，6)碼具有較好的相關特性，碼字集中的每一個碼字與256個碼字進行同步相關產生的256個相關輸出中有1個最大相關輸出16，1個最小相關輸出-16，有30個相關輸出為0，其他相關值為+4或-4。在接收端可以用相關解碼，且每個比特的置信度一致。仿真結果表明，NR(16，8，6)比卷積碼(2，1，2)具有更低的Eb/No門限，更快進入瀑布區。
對於單載波系統，信道編解碼不僅通過自身的編解過程進行糾錯，同時還與均衡器結合，為均衡器提供更為可靠的軟判決信息，來提高均衡器的性能，從而進一步降低系統的載噪比門限。因此，在單載波系統選擇編碼時還需要考慮同均衡器結合的特點——更為可靠的軟判決信息1更大的漢明距；2更低的載噪比(Eb/No)門限；3為均衡器提供置信度均勻的可靠信息。上述各種編碼方法雖各具優點，但都不能單獨很好地滿足此要求。

發明內容
本發明的目的是提出一種結合Turbo乘積碼和NR碼的信道編碼方法。該方法充分挖掘出兩種編碼之間的匹配優勢以得到更強的糾錯能力，可以進一步降低傳輸系統的載噪比門限。
本發明中的Turbo乘積碼編碼是這樣的輸入的串行數據信息比特流按比特為單位，逐行進入TPC編碼矩陣，每行M1比特，共N1行，形成一個N1行M1列的輸入數據信息比特矩陣(M1*N1)；然後經擴展漢明編碼形成N2行M2列的二維TPC(M2*N2)編碼輸出矩陣塊。
本發明中的NR碼採用具有較好相關特性的NR(16，8，6)碼。碼字集中的每一個碼字與256個碼字進行同步相關產生的256個相關輸出中有1個最大相關輸出16，1個最小相關輸出-16，有30個相關輸出為0，其他相關值為+4或-4。
在本發明設計的信道編碼方法中，Turbo乘積碼TPC(M2，M1；N2，N1)和NR(16，8，6)碼的結合採用串行級聯的方式，即輸入的串行數據信息比特流按比特為單位，逐行進入TPC編碼矩陣，每行M1比特，共N1行，形成一個N1行M1列的輸入數據信息比特矩陣(M1*N1)；然後經擴展漢明編碼形成N2行M2列的二維TPC(M2*N2)編碼輸出矩陣塊。可以首先縱向逐列進行擴展漢明編碼(N2，N1)，然後再橫向逐行進行擴展漢明編碼(M2，M1)；也可以首先橫向逐行進行擴展漢明編碼(M2，M1)，然後再縱向逐列進行擴展漢明編碼(N2，N1)。從TPC編碼器輸出的串行比特流再進行NR(16，8，6)編碼。
考慮到進一步提高抗突發錯誤的能力，在TPC與NR編碼之間可以增加比特交織處理。比特交織可以在K個二維TPC編碼塊之間進行，K取為1、4、8、16、32或64。交織輸出時，按照TPC塊的順序(1～K)依次輸出每個TPC塊的相同位置上的1個比特數據，每個TPC塊內的數據按對角線順序輸出。交織後輸出的串行比特流再進行NR(16，8，6)編碼。
此外，還可以考慮在NR編碼之後增加符號交織處理。
本發明提出一種新的信道編碼結合方式。TPC碼與NR編碼都屬於分組碼，其結合易於實現。TPC碼與NR編碼結合可以為接收端均衡器提供更為可靠的軟判決信息，來提高均衡器的性能，從而進一步降低系統的載噪比門限，特別適用於單載波傳輸系統。在TPC與NR編碼之間加入交織處理，還可以進一步提高系統抗突發錯誤的能力。
以下結合附圖和實施例進一步描述本發明。


圖1為本發明TPC編碼與NR編碼的串行級聯方式。
圖2為本發明實施例採用的TPC(128，120；128，120)編碼。
具體實施例方式
圖1給出了本發明TPC(M2，M1；N2，N1)和NR(16，8，6)碼的結合的實現方式，其中M2＝N2＝128，M1＝N1＝120。
輸入TPC編碼器的串行數據信息比特流按比特為單位，逐行進入TPC編碼矩陣，每行120比特，共120行，形成一個120行120列的輸入數據信息比特矩陣(120*120)，參見圖2。然後首先縱向逐列(120列)進行擴展漢明編碼(128，120)，再橫向逐行(128行)進行擴展漢明編碼(128，120)，最後形成二維的TPC(128*128)編碼輸出矩陣塊。
該TPC編碼器同時支持多種擴展漢明碼或者擴展BCH碼。表1列出了所支持的漢明碼或者BCH碼的生成多項式。擴展漢明碼或者擴展BCH碼，就是在漢明碼或者BCH碼的基礎上，再增加一位奇偶交驗位。該奇偶交驗位對整個碼字進行奇偶交驗。
表1碼字與生成多項式

TPC編碼器對行或列提供9種可能的碼型，也即提供81種可能的乘積碼字。
從TPC編碼器輸出的串行比特流再進行NR(16，8，6)編碼。本發明使用的是NR編碼的一種系統形式，每個碼字長16比特，共有256個碼字。假設系統形式的NR(16，8，6)碼字為{X0，X1，…，X7，Y0，Y1，…Y7}，其中X0，X1，…，X7是8位信息比特，Y0，Y1，…，Y7是8位校驗比特。每個校驗位Y都是信息位X的布爾函數。計算方法如下Y0＝X7_X6_X0_X1_X3_(X0_X4)(X1_X2_X3_X5)_(X1_X2)(X3_X5)，其中的_表示模二加，所有的X和Y都是0，1取值。其餘的Yi(i＝1，…，6)可以通過對式中的X0到X6循環移位得到，X7保持不變，即對於Yi將式中的Xj替換為X(i+j)mod7，其中i＝0，…，6且j＝0，…，6。
最後一位校驗位Y7進行奇偶校驗Y7＝X0_X1_…_X7_Y0_Y1_…_Y6為了進一步提高抗突發錯誤的能力，在TPC與NR編碼之間還可以增加塊間比特對角線交織處理。交織在K個二維TPC編碼塊之間進行，K取為1、4、8、16、32或64。交織輸出時，按照TPC塊的順序(1～K)依次輸出每個TPC塊的相同位置上的1個比特數據，每個TPC塊內的數據按對角線順序輸出。以K取8為例，交織輸出時，按照TPC塊的順序(1～8)，依次輸出第1個塊的(0，0)、第2個塊的(0，0)、...一直到第8個塊的(0，0)，然後輸出第1個塊的(1，1)、第2個塊的(1，1)、...一直到第8個塊的(1，1)，...，然後輸出第1個塊的(127，127)、第2個塊的(127，127)、...一直到第8個塊的(127，127)，然後輸出第1個TPC塊的(0，1)、第2個TPC塊的(0，1)、...一直到第8個塊的(0，1)，然後輸出第1個TPC塊的(1，2)、第2個TPC塊的(1，2)、...一直到第8個塊的(1，2)，...，然後輸出第1個TPC塊的(127，0)、第2個TPC塊的(127，0)、...一直到第8個塊的(127，0)，...，最後輸出第1個TPC塊的(127，126)、第2個TPC塊的(127，126)、...一直到第8個塊的(127，126)。
交織後輸出的串行比特流再進行NR(16，8，6)編碼。
NR(16，8，6)編碼輸出可以再進行J個NR編碼輸出塊的塊間符號交織，J可以為0、1、2、4、8、16、32、64或者128。
本發明實施例以M2＝N2＝128，M1＝N1＝120為例進行了說明。但本發明顯然還適用於其他TPC編碼與NR(16，8，6)編碼的串行級聯。
權利要求
1.一種Turbo乘積碼串行級聯NR碼的信道編碼方法，其特徵在於包括以下步驟(1)輸入TPC編碼器的串行數據信息比特流按比特為單位，逐行進入TPC編碼矩陣，每行M1比特，共N1行，形成一個N1行M1列的輸入數據信息比特矩陣；然後經擴展漢明編碼形成N2行M2列的二維TPC(M2*N2)編碼輸出矩陣塊；(2)從TPC編碼器輸出的串行比特流再進行NR(16，8，6)編碼。
2.根據權利要求1所述的信道編碼方法，其特徵在於在所述步驟(1)和步驟(2)之間還包括一個比特交織處理步驟；比特交織在K個二維TPC編碼塊之間進行，K取為1、4、8、16、32或者64；交織輸出時，按照TPC塊的順序(1～K)依次輸出每個TPC塊的相同位置上的1個比特數據，每個TPC塊內的數據按對角線順序輸出；交織後輸出的串行比特流再進行NR(16，8，6)編碼。
3.根據權利要求2所述的信道編碼方法，其特徵在於TPC編碼器支持以下漢明碼或者BCH碼的生成多項式
4.根據權利要求1或2或3所述的信道編碼方法，其特徵在於M2＝N2＝128；M1＝N1＝120。
5.根據權利要求1或2或3所述的信道編碼方法，其特徵在於在NR編碼之後，還進行塊間符號交織處理；交織深度為J個NR編碼輸出數據塊。
6.根據權利要求4所述的信道編碼方法，其特徵在於在NR編碼之後，還進行塊間符號交織處理；交織深度為J個NR編碼輸出數據塊。
7.根據權利要求6所述的信道編碼方法，其特徵在於交織深度參數J取為1、2、4、8、16、32、64或者128。
全文摘要
本發明公開了一種結合Turbo乘積碼和Nordstrom－Robinson碼(簡稱NR碼)的信道編碼方法，採用TPC(M
文檔編號H03M13/00GK1642019SQ200410006170
公開日2005年7月20日 申請日期2004年3月5日 優先權日2004年3月5日
發明者張文軍, 徐友雲, 歸琳, 管雲峰, 陳超 申請人:上海交通大學