解碼數據信號的方法
2023-05-23 21:18:11
專利名稱：解碼數據信號的方法
技術領域：
本發明涉及一種解碼數據信號的方法，該數據信號通過無線電信道發送且是藉助於高速編碼(turbo code)的防差錯碼。
在通訊系統中，例如移動無線電系統中，發送的信號(例如語言信號)是以信道編碼單元的源編碼器為條件的。信道編碼單元使要發送的信號適合發送信道的性能。在這種情況下，一種有效的防差錯碼特別是通過引入冗餘碼到發送的信號中而獲得。
將二進位，平行-串聯的遞歸卷積碼設計為所謂的「高速編碼」，高速編碼建立防差錯碼的強大格式，特別是在大型數據塊的發送情況中。
為了解碼高速編碼，在接收器中使用高速編碼器。高速編碼器包括兩個單獨的卷積解碼器，這兩個解碼器以反饋的形式互相連接。
在卷積解碼器的情況下區別符號估計量-利用逐字運算-和順序估計量來操作。MAP符號估計量具有符號估計量的特殊形式。這就是使用所謂的MAP(最大後驗)算法來操作。MAP符號估計量具有能滿足你的儘可能低的誤碼率的優點。
具有兩個遞歸連接的MAP符號估計量的高速編碼器在書中已經公開，它代表最接近的現有技術，該書作者是P.Jung，Stuttgart，B.G.Teubner，題目為「Ahalyse und Entwurfdigitaler Mobilfunkesysteme」(「數位化移動無線電系統的分析和設計」)，1997年，343-368頁，特別是在附圖E.2中。高速編碼交織器設置在兩個MAP符號估計量之間。
在高速按組編碼解碼的情況下，解碼的數據符號根據比特的有限數字N的輸入序列來估計。N由塊的大小來表示。
為了計算解碼的數據值，在每個MAP符號估計量中使用遞歸方法。該遞歸方法包括一向前的遞歸和一向後的遞歸。兩個遞歸都在整個塊的長度(即從塊的第一個比特到塊的最後一個比特或從塊的最後一個比特到塊的第一個比特)上進行。
這將導致需要緩衝結果數據，該結果數據是從MAP符號估計量的遞歸中獲得。因此MAP符號估計量需要一存儲器，它的大小足夠能存儲根據至少一個數據塊的向前和向後遞歸的結果數據。
因此，在MAP符號估計量中具有大型存儲要求的需要(特別是在解碼大型數據塊的情況下，在這種情況中高速解碼具有特殊優點)。
因為在移動電臺中所需存儲器的大小是費用因素的基本組成部分，這是不利的。
本發明的目的是提供一種解碼數據信號的方法，該信號是藉助於高速編碼的防差錯碼，該方法需要儘可能少的存儲空間，也就是說可以實現高速解碼器的成本效益。
使用權利要求1的特徵來達到本發明的目的。
因此，根據本發明的方法，預先在分組模式中實現的向前遞歸運算和/或預先在分組模式中實現的向後遞歸運算由多個在逐段中實現的向前和向後遞歸運算來代替(根據所評價的數據塊)。計算所針對的MAP符號估計量的具體解碼數據值的入口是需要通過數據塊合適選擇的子區間的向前和/或向後遞歸來代替固定分組的遞歸。
在所針對的MAP符號估計量中，這基本上減少了要緩衝的結果數據的數量，即允許有較多成本效益的硬體結構。
特別地，限定遞歸區間範圍的最佳規定是因為每個向前遞歸的子區間指定為向後遞歸的子區間，該子區間包括向前遞歸的子區間，並且數據塊的第n個輸出值的計算僅僅是根據在包括第n個數據值的子區間上的向前遞歸，和在給定的子區間上的向後遞歸。
向前遞歸的子區間的長度最好是在10-30之間，特別是20。
為了降低信號處理的費用，根據本發明的方法可有利地同計算符號估計量輸出值的計算方法相結合，該方法是基於次優MAP算法。次優MAP算法是降低費用的MAP算法形式(與MAP算法對比)，它不可能提供輸出值的任何最大誤碼率，但是具有較少的計算步驟，這是公認的。所述的結合(逐段遞歸，次優MAP算法)產生高速解碼的方法，在所需的存儲空間和計算費用之間折中，這在實際應用中確實是有利的。
本發明進一步的改進限定在從屬權利要求中。
附
圖1示意性地圖解了具有發送器和接收器的移動無線電系統的空中界面；附圖2示出了生成高速編碼的高速編碼器(turbo coder)的框附圖3示出了在附圖2中的RSC卷積編碼器的框圖；附圖4示出了在附圖1中的高速解碼器的框圖；附圖5示意性地圖解說明了根據本發明在計算高速解碼器符號估計量的可靠性信息的情況下的逐段向前和向後遞歸；和附圖6示意性地圖解說明了執行計算對數後驗概率的計算步驟。
附圖1示出了移動無線電系統的發送器S和接收器E。例如，發送器S包括在移動無線電系統的基地電臺，而接收器E在移動電臺。
發送器S具有一高速編碼器TCOD，一調製器MOD和一發送天線SA。
高速編碼器TCOD以數字符號(例如比特)u1，u2……的形式接收數字輸入信號，包括N個輸入信號數字符號(比特)Un，n＝1，2，..，N的有限序列U＝(U1，U2，..，UN)將在下面根據按組編碼進行評價。如前面所提到的，數字N按塊大小來表示。
輸入信號將一條有用的信號傳送給發送器，例如語言信息。例如可通過擴音器-放大器-模擬/數字轉換線路鏈(未示出)生成。
高速編碼器為防差錯碼增加冗餘碼到數字輸入信號中。以包括k個數據符號(比特)D＝(d1，d2，..，dk)的序列D為形式的防差錯碼數據信號在高速編碼器D中輸出。
比率N/K(輸入比特的數量/輸出比特的數量)指定為編碼器的編碼率RC。
調製器MOD調製防差錯碼數據信號到載波信號上。由防差錯碼數據信號調製的載波信號在通過發送天線SA以無線電信號FS發送以前，以未示出的方式由傳輸濾波器整形並由話筒放大器放大。
接收器E具有一接收天線EA，一解調器DMOD和一高速解碼器TDEC。
接收天線EA接收無線電信號FS並將它提供給解調器DMOD，該信號受環境和其它用戶無線電信號的幹擾。
考慮信道中信號的幹擾，解調器DMOD補償接收到的無線電信號FS。在解調器DMOD的輸出端提供的補償數據信號以符號序列 的形式存在，其元素 是防差錯碼數據信號序列D的數據符號 的連續估計值。
把補償數據信號發送到高速解碼器TDEC，在其輸出端輸出解碼輸出信號序列 。解碼輸出信號序列 的元素 假定是在發送端以輸入信號的符號庫存(例如0，1)中的離散值為形式的輸入信號數據符號u1，u2，..，uN。
誤碼率定義為錯估 n＝1，2，…的相對頻率。在移動無線電應用中它不能超過一特定的最大允許值。
為了更好地理解本發明，在根據本發明描述解碼方法的示範性實施例之前首先參照附圖2說明高速編碼的生成。
高速編碼器TCOD具有兩個相同的二進位遞歸系統卷積編碼器RSC1和RSC2，這在編碼技術中是公知的。連接到第二個遞歸系統卷積編碼器RSC2的輸入側上遊的是高速編碼交織器IL，該交織器以分組模式進行編碼。兩個卷積編碼器RSC1和RSC2分別通過擊穿器(puncturer)PKT1和PKT2連接到多路器MUX中。此外，將等同於數字輸入信號序列U的信號序列X提供給多路器MUX。
附圖3示出了在RSC1例子中的遞歸卷積編碼器的設計。卷積編碼器RSC1在輸入側具有第一加法器ADD1和一移位寄存器，例如把第一加法器ADD1的下遊同三個存儲單元T連接。在它的輸出端，卷積編碼器RSC1提供一由第二加法器ADD2形成的冗餘碼數據序列Y1＝(y11，y12，..，y1N)。
在輸出端具體時刻的冗餘碼數據符號y1n(n＝1，2..，N)是輸入信號序列U的當前輸入數據符號Un和移位寄存器狀態的函數。移位寄存器的狀態又是最後3個輸入數據符號的函數。將數據符號(二元字符)的數量指定為低效運行深度L，可以在用於合併的加法器ADD1中使用，也就是說在這裡L＝4。
第二卷積編碼器RSC2的設計與第一卷積編碼器RSC1的設計是一樣的；RSC2在輸出端提供冗餘碼數據序列Y2＝(y21，y22，..，y2N)。
把不變的輸入信號序列U作為第一卷積編碼器RSC1的第二輸出端，也就是說從這個觀點看，第一卷積編碼器RSC1包括第二輸出端，在第二輸出端輸出數據序列X，該序列的元素X1，X2，..，XN與輸入信號序列U的元素U1，U2，..，UN相同。相似的敘述適合第二卷積編碼器RSC2且在後的第二輸出端，與交織輸入信號序列U相同。通常將具有這種性質的編碼器指定為系統編碼器。
確切地說，兩個輸出數據符號Xn和y1n或xn和y2n由每個卷積編碼器RSC1和RSC2輸出各自的輸入數據符號Un。因此每個卷積編碼器RSC1和RSC2具有一編碼率Rc＝0.5。
多路器MUX用作設置高速編碼器TCOD的編碼率。也為了達到這個編碼率，例如TCOD的Rc＝0.5，兩個冗餘碼序列Y1和Y2交替擊穿(punctured)並多路傳輸。導致這種情況的冗餘碼數據序列Y＝(Y11，Y22，Y13，Y24，..，y1N，Y2N)隨後交替地多路使用系統數據序列X。在這種高速編碼形式的情況中產生防差錯碼數據信號，因此該信號具有D＝(x1，y11，x2，y22，x3，y13，x4，y24，..，XN，y2N)的形式(N假定為平均數字)。
卷積編碼器RSC1可以認為是有限的，自動定時的並通過具有M個可能狀態的所謂格構圖來描述。具有3個單元移位寄存器的卷積編碼器RSC1的格構圖有M＝23＝8個節點，該節點相當於移位寄存器的可能狀態。通過輸入一輸入比特(un＝0或1)進入第二狀態m』的第一(任意)狀態m在格構圖中通過一連接線連接。每個冗餘碼Y1相當於沿著通過RSC1編碼器的格構圖連接線的具體通道。
圖解編碼器狀態的格構圖是公知的，在後面將不再說明。
下面將參照示出在附圖4中的高速解碼器TDEC，解釋根據本發明的解碼方法。
高速編碼器TDEC包括第一和第二多路分解器DMUX1和DMUX2，一存儲MEM，第一和第二卷積解碼器DEC1和DEC2，一交織器IL和第一和第二去交織器DIL1和DIL2，和一判定邏輯(判定元件的閾值)TL。
卷積解碼器DEC1和DEC2是符號估計量。
通過解調器DMOD供給高速解碼器TDEC的補償數據序列 通過第一多路分解器DMUX1分解成補償系統數據序列 (輸入信號序列U(＝X)的檢測形式)和補償冗餘碼序列 (冗餘碼Y的檢測形式)。
第二多路分解器DMUX2分解補償冗餘碼序列 為兩個補償冗餘碼序列 和 (冗餘碼序列Y1和Y2的檢測形式)。出現在發送端的數據符號xn，y1n，y2n的補償形式由 (n＝1，2，..，n)來表示。
從序列 和反饋序列Z開始，第一解碼器DEC1計算可靠性信息Λ1＝(Λ1(u1)，Λ1(u2)，…，Λ1(uN))的序列。
序列Λ1的每個元素Λ1(un)是輸入信號序列U未編碼的數據符號un的連續估計對數概率，1=ln{P(un=1|X^1,Y^1,Z)P(un=0|)X^1,Y^1,Z)}.....(1)]]> 和 各自指定條件概率，如果遵守序列 則數據符號un等於1或等於0。這些條件概率是「後驗概率」，因為根據已經出現的事件(檢測序列 )的未編碼數據符號(這裡是比特)u1到UN的概率從此事件中推導出來。
將可靠性信息序列Λ1的元素Λ1(un)指定為LLRs(對數似然比)。
可靠性信息序列Λ1通過交織器IL交織使用並作為可靠性信息交織序列Λ1I提供給第二卷積解碼器DEC2。第二卷積解碼器DEC2計算來自可靠性信息交織序列Λ1I和序列 中的交織反饋序列ZI和交織序列Λ1I。
通過第一去交織器DIL1將交織反饋序列ZI去交織，並生成反饋序列Z。序列Λ2I的元素Λ2I(un)同樣是輸入信號序列U的未編碼數據符號u1到UN的連續估計後驗概率，即2I(un)=ln{P(un=1|1I,Y^2)P(un=0|1I,Y^2)}.......(2)]]>這些符號已經在使用中說明。
通過第二去交織器DIL2將序列Λ2I去交織，並作為去交織序列Λ2提供給判定邏輯TL。判定邏輯TL為值≤0的序列Λ2的每個元素Λ2(un)確定重構的數據符號 和為值＞0的序列Λ2的每個元素確定重構的數據符號(比特) 。
LLRsΛ2(un)和Λ2I(un)的計算模式表徵了高速的解碼方法。下面解釋Λ1的遞歸計算。
卷積編碼器RSC1在時刻n(即在輸入數據符號un的情況下)的狀態通過SN表示。
等於1的後驗條件概率是編碼器RSC1的M個可能狀態的單個後驗概率的總和1(un)=ln{m=1MP(un=1,Sn=m|X^,Y1^,Z)m=1MP(un=0,Sn=m|X^,Y1^,Z)}......(3)]]>單個的概率寫成下面的形式P(un=i,Sn=m|X^,Y1^,Z)=ni(m)n(m)i=0,1]]>其中ni(m)=P(un=i,Sn=m|R1n)]]>n(m)=p(Rn+1N|Sn=m)p(Rn+1N|R1N).......(4)]]>序列Rv=(Rv,..,R),1vN.....(5)]]>為了表示的簡單化，定義構成系統信息，冗餘碼信息和遞歸信息的三部分合成的值Rn＝(xn，y1n，zn)。
表達式 通過向前遞歸來計算，而表達式βn(m)通過向後遞歸來計算。因此將這些表達式指定為向前和向後的度量標準。遞歸(使用(最優的)MAP符號估計量)的詳細描述在作者為P.Jung，書名為「Rekursive MAP-Symbol schatzung」(遞歸MAP符號估計量)，353-361頁，第E.3.3章中給出。遞歸運行整個塊，即向前遞歸開始於時刻1(序列 的第一比特)，在時刻N結束(序列 的最後比特)並且向後遞歸在時刻N開始而在時刻1結束。
根據本發明方法的示範性實施例和用於從公式(1)，(3)中計算LLRs在多個子區間上的遞歸運算將在下面參照附圖5來說明。
例如讓N＝300。從n＝0開始，例如首先，在第一向前遞歸運算VR1中計算最初20個值 並在卷積解碼器DEC1的向前遞歸存儲區域(未示出)中分配緩衝區。
與之關聯的最初向後遞歸RR1從此開始，例如在n＝79開始並直到n＝0。計算βn(m)的對應值並在卷積解碼器DEC1的向後遞歸存儲區域(未示出)中分配緩衝區。
為了在塊段n＝0，1，..，19中計算LLRs，使用 的所有20個計算出來的值和βn(m)最後20個計算出來的值。
在計算最初的20個LLRs之後，兩個遞歸區間(遞歸窗口)分別由20個值取代。因此第二向前遞歸VR2在n＝20開始並運行到n＝39。當為值 分配緩衝區時，在第一向前遞歸VR1中獲得的結果數據被覆蓋。與之相關聯的第二向後遞歸RR2在n＝99時開始並向後運行到n＝20。在第一向後遞歸RR1中計算出的結果數據也被新數據值βn(m)，n＝99-20覆蓋。為了計算在塊段n＝20，21，..，39中的LLRs，一旦開始，將所有20個計算出來的值用於 且將最後20個計算出來的值用於βn(m)。
具有不定的向前和向後遞歸窗口的LLRs的逐段計算以所描述的方式繼續直到數據塊的所有LLRs都計算出來。由於逐段計算，在塊段處理中必須分配緩衝區的數據集與在先技術中使用多塊遞歸運算相比被簡化。
而且，從節省存儲空間需要的觀點來看，可以優選處理沒有向後遞歸的存儲區域。在這種硬體設置中，各個塊段的LLRs從所存儲的向前遞歸值和當前所計算的向後遞歸值中直接(即後者沒有緩衝區)計算出來。
示出在附圖5中的向前和向後遞歸總的來說具有以下優點向前遞歸窗口的長度(這裡＝20)通過D(VR)表示，且向後遞歸窗口(這裡80)的長度通過D(RR)表示。向後遞歸窗口的長度最好是根據關係式D(RR)＝L×D(VR)來確定，L是低效運行深度(在這個例子中，L＝4)。
計算向前和向後遞歸表達式 βn(m)的概率將在下面給定。
根據最初在P.Jung的上述書名為「Rekursive MAP-Symbolschatzung」(「遞歸MAP符號估計量」)，353-361頁，第E.3.3章中詳細描述的已知概率，該概率在這方面結合引用該文件的主題來實現MAP符號估計量，結果是ni(m)=m'=1Mj=01ni(Rn,m',m)n-1j(m')m-1Mm'=1Mk=01j=01nk(Rn,m',m)n-1j(m'),.....(6)]]>i＝0，1n＝1，..，N用於向前遞歸，並且在n(m)=m'=1Mj=01n+1j(Rn+1,m,m')n+1(m')m=1Mm'=1Mk=01j=01n+1k(Rn+1,m',m)nj(m'),.......(7)]]>m＝1，..，M n＝1，..，N用於向後遞歸。
表達式 是在格構圖中編碼器RSC1從第一狀態Sn-1＝m』進入到第二狀態Sn＝m的轉移概率，即ni(Rn,m',m)=P(un=i,Sn=m,Rn|Sn-1=m')......(8)]]>用於計算向前和向後遞歸表達式 βn(m)的第二概率在下面給定。如同從下面等式中所看到的，與第一概率相比，基本上降低了在第二概率中的計算費用。ni(m)=m'=0Mj=01n-1j(m')ni(Rn,m',m),...(9)]]>i＝0，1 n＝1，..，Nn(m)=m'=1Mj=01n+1(m')n+1j(Rn+1,m,m'),.....(10)]]>這裡m＝1，..，Mn＝1..，N通過對比使用公式6和7(與公式1，3和4一起使用)計算的LLRs(第一概率)，使用公式9和10(第二概率)除了它們自己的概率在遞歸中直接計算外，是不可能有概率的。這可能導致計算精度的降低，但是基本上減少了計算步驟，這是有利的。因此也將第二概率指定為次優MAP符號估計量。
附圖6示出了編碼器RSC1的M個狀態的總和，這是為了根據向前遞歸公式(6)或(9)和向後遞歸公式(7)或(10)，計算從n＝k到n＝k+19延續的塊段的20個LLRS所必須執行的。
在塊的第一向前遞歸的情況下(即k＝0)，除了初始狀態m＝1的向前遞歸表達式外，所有向前遞歸表達式 的初始值為0。初始狀態m＝1通過事先協定為接收器所知，並被正確地初始化。在塊的第一向後遞歸(k＝0)的情況下，向後遞歸的初始化狀態中沒有可用的知識，即每個可能狀態有相同的可能性。因此，所有的初始值β80(m)都設置為1/M。
在第二和所有隨後的向前遞歸的情況下，將在各自前面向前遞歸中獲得的向前遞歸表達式標準化，然後作為當前向前遞歸的開始值。即向前遞歸表達式在一個遞歸窗口中不是互相弧立的，而是根據下一個遞歸窗口。相反，在向後遞歸的情況下(從最後的向後遞歸中分離)，開始狀態總是未知的，即用於向後遞歸的開始值總是設置為1/M。在塊中只有最後的向後遞歸式例外，因為這裡在格構圖中最後的狀態是已知的。
與格構圖中整個可能長度比較，由於向後遞歸窗口相對較小的尺寸，向後遞歸表達式的標準化(作為從此開始向後遞歸的開始值)是不需要的。根據附圖6在計算LLRs時考慮編碼器RSC1的所有可能狀態是清楚的。
權利要求
1.一種數據信號 按組解碼的方法，該數據信號在發送端是藉助於高速編碼的防差錯碼，通過無線電信道發送並藉助於高速解碼器(TDEC)在接收器(E)被檢測，該解碼器包括兩個反饋符號估計量(DEC1，DEC2)，在這種方法中，為了計算輸出值(LLR)，至少有一個符號估計量(DEC1；DEC2)執行向前和向後的遞歸，其特徵在於為了計算數據塊的輸出值(LLR)，該符號估計量(DEC1，DEC2)執行在數據塊子區間(VR1，VR2；RR1，RR2)上的多個向前和/或向後的遞歸。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於用於向前遞歸的子區間(VR1，VR2)覆蓋了整個數據塊且沒有重疊。
3.如權利要求1或2所述的方法，其特徵在於將向前遞歸的每個子區間(VR1，VR2)指定為向後遞歸的子區間(RR1，RR2)，該向後遞歸的子區間包括向前遞歸子區間(VR1，VR2)，且數據塊的第n個輸出值的計算僅僅是根據在包括第n個數據值的子區間上的向前遞歸，和在給定子區間上的向後遞歸。
4.如權利要求2所述的方法，其特徵在於向前遞歸的子區間(VR1，VR2)是D(VR)數據值長，向後遞歸的子區間(RR1，RR2)是D(RR)數據值長，和D(RR)＝D(VR)×L成立，L是在編碼中使用的卷積編碼器(RSC1，RSC2)的低效運行深度。
5.如前面任何一個權利要求中的方法，其特徵在於D(VR)在10-30之間，特別是20。
6.如前面任何一個權利要求中的方法，其特徵在於在子區間(VR1，VR2)上遞歸的情況下，高速編碼的計算尺度用作在相同方向的隨後遞歸(VR2，RR2)中的開始值。
7.如前面任何一個權利要求中的方法，其特徵在於次優MAP算法用於計算所針對的符號估算量(DEC1)的輸出值(LLR)。
全文摘要
一種用在數據信號按組解碼方法中的高速解碼器，該信號在發送端是防差錯碼且在接收器被檢測，高速解碼器包括兩個反饋符號估計量。為了計算它的輸出值，根據所針對的數據塊，至少一個符號估計量執行在數據塊子區間(VR1，VR2；RR1，RR2)上的多個向前和/或向後遞歸。
文檔編號H04L1/00GK1395761SQ01803812
公開日2003年2月5日 申請日期2001年1月15日 優先權日2000年1月18日
發明者B·貝克爾, M·多伊奇, P·榮格, T·凱拉, J·普萊欽格, P·施米特, M·施奈德 申請人:因芬尼昂技術股份公司