一種並行級聯碼的編解碼方法
2023-06-11 23:44:56 2
專利名稱：一種並行級聯碼的編解碼方法
技術領域：
本發明涉及數字通信系統中的糾錯編解碼方法，更具體的說，涉及在第三代移動通信系統中的的並行級聯碼(Turbo Code簡稱TC)的編解碼方法。
香農(shannon)資訊理論指出，在有噪聲的信道上使用分組糾錯編碼或卷積碼等時，只有當分組長度或卷積編碼的約束長度n趨於無窮大時，糾錯編碼的性能才能接近香農的理論極限，如利用隨機碼平均性能可以達到理論值，但實際上卻很難實現。最常用的解碼方法是極大似然算法(ML Maximum Likelihood)，但該算法的複雜性卻隨n的增加而指數增加，直到實際上不可能實現的程度。因此很久以來人們一直在尋找碼率接近香農理論值，誤碼率小，解碼複雜度低的好碼，並提出了許多構造好碼的方法。1993年Berrou等人提出的並行級聯碼實際上是前人工作的巧妙綜合和發展，最初的報告成果表明其解碼性能可以接近香農理論值，如利用兩個碼率為1/2的卷積碼並行級聯而成的並行級聯碼，在信噪比為0.7dB時，誤比特率可達10-5，許多理論和實際的應用，表明並行級聯碼確實提供了構造好碼的途徑，因此並行級聯碼很快成為國際資訊理論和編碼理論界的研究熱點，並試圖應用到各種通信系統中。
在第三代移動通信系統中，包括WCDMA，碼分多址(CDMA2000 CodeDivision Multiple Access)，時分方式的同步碼分多址(TD-SCDMA TimeDivision-Synchronization Code Division Multiple Access)系統都採用並行級聯碼(Turbo Code)作為數據信道的編解碼方式，並行級聯碼解碼性能明顯優於卷積碼，分組越長，性能提高越明顯，非常適合於數據信道大分組的編解碼。但現有的並行級聯碼編解碼方法還存在兩個明顯的缺點1、由於解碼採用的是迭代算法，解碼算法複雜，現有編解碼方法中解碼器的時延長、速度慢；2、在低信噪比下，現有編解碼方法的解碼效果不穩定，常出現迭代失敗或解碼性能差的情況。
本發明的主要思想是在現有並行級聯碼編解碼方法的基礎上，在發送端的信息比特流中插入已知比特，並在接收端通過利用已知插入比特信號極高的能量，來提高解碼的性能。
本發明的技術方案如下一種並行級聯碼的編解碼方法，包括如下步驟第一步 在發送端的信息比特流中插入一定比例的已知比特；第二步 並行級聯編碼器將已含有插入比特信息的比特碼流進行編碼；第三步 刪除編碼後的比特碼流中的已知插入比特；第四步 以一定的編碼速率通過信道進行傳送；第五步 對接收到的碼流在已知位置上恢復插入賦予適當能量的比特；第六步 並行級聯解碼器對恢復插入比特的碼流進行解碼。
其中第一步中的已知比特為全「1」、全「0」或者「0」、「1」交替的比特流。
第四步中一定的編碼速率可以採用1/3編碼速率，也可以採用1/2或1/4編碼速率。
第一步中在發送端的信息比特流中插入一定比例的已知比特是通過復用器實現的。第五步中對接收到的碼流在已知位置上恢復插入賦予適當能量的比特是通過解復用器實現的。
第四步中的信道可以是高斯信道、瑞利衰落信道，車載信道和室內信道。
第一步中插入一定比例的已知比特的比例範圍為1/3～/9之間。
第五步中的賦予適當能量的比特採用的插入比特功率為10dB。
本發明在現有並行級聯碼編解碼方法的基礎上，在發送端的信息比特流中插入已知比特，在接收端通過利用已知插入比特信號極高的能量，大大提高了解碼大性能。採用本發明提出的編解碼方可以明顯減小迭代次數，減少解碼器的時延，提高解碼的速度；同時還提高了解碼器的穩定性，使得在低信噪比的情況下解碼器仍能保持穩定的解碼性能，因此本發明在第三代移動通信系統中有良好的應用前景。
圖1是現有並行級聯碼編碼器的原理框圖。如圖1所示，現有並行級聯碼編碼器由並行的兩個遞歸卷積編碼器101、102及在第二遞歸卷積編碼器前的交織器103(稱為「Turbo interleaver″)組成。這兩個遞歸卷積編碼器稱為並行級聯碼的組成編碼器，信息比特由這兩個編碼器編碼，第一個遞歸卷積編碼器101按照輸入原始順序編碼，第二個遞歸卷積編碼器102按照交織器103改變順序後的信息比特順序編碼。根據所設定的碼率，分別從原信息比特和兩個遞歸卷積編碼器的奇偶位輸出。結合圖1進行進一步說明系統碼從X端輸出，遞歸卷積編碼器101輸出校驗碼Y1，原始信息比特經過交織器103後，打亂了次序，經過遞歸卷積編碼器102後輸出校驗碼Y2。可以看出經過並行級聯碼編碼器後，信息比特增加了2倍的冗餘校驗比特，編碼速率為1/3。並行級聯碼可以有更高的編碼速率，可以通過增加遞歸卷積編碼器和交織器的數量來增加冗餘比特來提高解碼性能。
圖2是現有並行級聯碼解碼器的原理框圖。如圖2所示，並行級聯碼解碼器由第一解碼器201、交織器202、第二解碼器203、解交織器204、解交織器205、和交織器206組成。其工作過程如下第一個組成碼的系統和奇偶比特軟判決(最大似然)信息Y1輸入到第一解碼器201，第一解碼器將更新後的軟判決似然值經過交織器202後送入第二解碼器203。另外，第二解碼器還接收經過交織器206後的原始信息比特X，以及相應於奇偶比特信道軟判決信息Y2。更新過的似然信息，從第二解碼器203的軟判決輸出，經過解交織器205反饋到第一解碼器，然後重複此過程。此過程可重複任意多次，但在實際應用中只需要有限幾次循環就可以，過多的迭代有時反而會造成輸出飽和。最後一級經過解交織器204後進行硬判決輸出。
圖3是本發明提出的編解碼方法的流程圖。如圖3所示，本發明提出的編解碼方法包括下列步驟1、插入已知比特。在發送端的信息比特流中插入一定比例的已知比特，插入比特可以是全「1」、全「0」，或者交替插入「1」、「0」，這個插入過程可以通過一個復用器根據一定的比例進行。此時，插入了一定比例的已知比特點比特碼流為301。2、並行級聯編碼，並行級聯編碼器將已含有插入比特信息的比特碼流301進行編碼。經過編碼後的比特碼流為302。3、刪除插入比特，即刪除編碼後的比特碼流302中的已知插入比特。刪除插入比特後的碼流為303。4、通過信道傳送，以一定的編碼速率通過信道進行傳送。這裡的編碼速率可以採用1/3編碼速率，也可以採用1/2或1/4編碼速率；進行傳送到信道可以是高斯信道、瑞利衰落信道，車載信道或室內信道，此處所述的高斯信道為純噪聲信道，瑞利衰落信道為無線多徑衰落信道，車載信道和室內信道是典型的衰落信道測試環境。5、恢復插入適當能量的比特。對接收到的碼流303在已知位置上恢復插入賦予適當能量的比特，這一步可以通過一個解復用器來完成。恢復插入適當能量的比特的比特碼流為304。6、並行級聯解碼，並行級聯解碼器對恢復插入比特的碼流304進行解碼。並行級聯碼採用的是迭代解碼算法，通常採用的是BCJR(Bahl，Cocke，Jelinek and Rajiv Algorithm)和MAP(Maximum a posteriori)算法。迭代解碼算法的基本原理是解碼算法不僅與需要解碼的比特位附近的軟判決信息有關，而且與整個解碼分組都有關係，所以因為插入比特被賦予了極高的能量可以分配到每個解碼位置上，從而提高了整個編碼分組的解碼性能，因此採用插入已知比特道方法可以在不明顯增加冗餘比特的情況下明顯提高並行級聯碼的編解碼性能。
圖4是當採用1/3編碼速率時，比特碼流在處理流程中的變化示意圖。如圖4所示，圖4-a表示的是比特碼流301的示意圖，在信息比特流中均勻插入了部分已知比特。圖4-b表示的是比特碼流302的示意圖，信息比特和已知的插入比特都進行了編碼，成為編碼速率為1/3的系統碼和校驗碼的碼流。圖4-c表示的是比特碼流303的示意圖，虛線部分的插入比特被刪除以減小冗餘提高編碼的效率。圖4-d表示的是比特碼流304的示意圖，對接收到的碼流303在已知位置上恢復插入比特，並賦予很高的能量，隨後進入解碼器進行正常的解碼。
圖5是在不同分組長度下，採用本發明提出的方法的解碼性能與傳統編解碼方法下解碼性能的比較示意圖。如圖5所示，因為並行級聯碼採用的是迭代逐比特解碼方法，分組長度越長，解碼性能越好。圖5是要觀察在不同分組長度下的插入比特性能，信息比特的分組長度有三種，100，800和4800。插入比特比例為1/9，即9個信息比特插入一個已知比特。從圖中可看出，分組越長，本發明提出的編解碼方法的解碼性能越好，當分組長度N＝4800時，性能提高有1.7dB；而N＝800時，性能提高有1.0dB；N＝100時，性能提高只有0.7dB，說明插入比特方法對較長的分組作用更大。
圖6是在不同的插入比特功率賦值的情況下，採用本發明提出的編解碼方法的解碼性能與傳統編解碼方法下解碼性能的比較示意圖。如圖6所示，當對插入比特功率賦值增加時，本發明提出的方法的解碼性能提高趨於飽和，在圖6中，插入比特功率與信息比特比較，取了四種功率，0dB 6dB，9.5dB，19.5dB，從圖6中可以看出，當提高功率達到9.5dB時，性能提高已經極為有限，與19.5dB比較，只有0.2dB的差別，由此看出，選擇10dB左右的功率提升比較合理。
圖7是在不同插入比特比例下，採用本發明提出的方法的解碼性能與傳統編解碼方法下解碼性能的比較示意圖。如圖7所示，本發明提出的編解碼方法的解碼性能隨著插入比特比例的增加而逐漸達到飽和，主要原因在於插入比特比例增加，冗餘比特也增加，所以編碼速率在減小，在相同編碼速率下，性能提升有限。從圖7可看出，插入比特比例1/3的性能反而不如插入比例1/9的性能，由此可見插入比特比例選擇在1/3到1/9之間是比較合適的。
權利要求
1.一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於包括如下步驟第一步 在發送端的信息比特流中插入一定比例的已知比特；第二步 並行級聯編碼器將已含有插入比特信息的比特碼流進行編碼；第三步 刪除編碼後的比特碼流中的已知插入比特；第四步 以一定的編碼速率通過信道進行傳送；第五步 對接收到的碼流在已知位置上恢復插入賦予適當能量的比特；第六步 並行級聯解碼器對恢復插入比特的碼流進行解碼。
2.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第一步中的已知比特為全「1」、全「0」或者「0」、「1」交替的比特流。
3.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第四步中一定的編碼速率可以採用1/3編碼速率，也可以採用1/2或1/4編碼速率。
4.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第一步中在發送端的信息比特流中插入一定比例的已知比特是通過復用器實現的。
5.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第五步中對接收到的碼流在已知位置上恢復插入賦予適當能量的比特是通過解復用器實現的。
6.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第四步中的信道可以是高斯信道、瑞利衰落信道，車載信道或室內信道。
7.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第一步中插入一定比例的已知比特的比例範圍為1/3～1/9之間。
8.如權利要求1所述的一種並行級聯碼的編解碼方法，其特徵在於所述第五步中的賦予適當能量的比特採用的插入比特功率為10dB。
全文摘要
本發明提出了一種並行級聯碼的編解碼方法,其思想是在發送端的信息比特流中插入已知比特,並在接收端通過利用已知插入比特信號極高的能量,來提高解碼的性能。該方法的步驟如下:1.插入已知比特；2.並行級聯編碼；3.刪除插入比特；4.通過信道傳送；5.恢復插入適當能量的比特；6.並行級聯解碼。採用本發明提出的編解碼方可以明顯減小迭代次數,減少解碼器的時延,提高解碼的速度；同時還提高了解碼器的穩定性,使得在低信噪比的情況下解碼器仍能保持穩定的解碼性能。
文檔編號H03M13/31GK1423421SQ01139028
公開日2003年6月11日 申請日期2001年11月30日 優先權日2001年11月30日
發明者孫毅 申請人:深圳市中興通訊股份有限公司上海第二研究所