專利名稱：信道編碼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及按照權(quán)利要求1前序部分所述在數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)中進行信道編碼的方法。
現(xiàn)代數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)規(guī)定對信號(例如話音)進行達到壓縮信號的源編碼，這樣采用比(原始)數(shù)字信號速率小很多的比特速率就足以進行傳輸。如此，按照眾所周知的GSM移動無線電系統(tǒng)的系統(tǒng)標準，在發(fā)端用每秒取樣值為8000的速率對話音信號進行取樣，其中取樣值具有13比特的分辨率。這相當(dāng)于每個話音信號有104kbit/s的比特速率。源編碼器或話音編碼器將這個話音信號壓縮成260比特長的和13kbit/s的比特速率的碼塊的源編碼話音信號。在此則將話音信號壓縮8倍。
在進行無線通信傳輸時，特別是在移動無線電系統(tǒng)所擁有的頻率范圍內(nèi)，在天然障礙產(chǎn)生多種多樣的散射和反射的陸地條件下，物理狀況將導(dǎo)致高的和相當(dāng)強變化的傳播損耗和由多徑傳播產(chǎn)生的衰落(快衰落)。在傳輸過程的各個時間段(時隙)中，根據(jù)其各個時間段傳輸會受到強干擾，甚或完全中斷，而其它時隙相反卻幾乎不受干擾。
因此，有用數(shù)據(jù)流包括幾個階段，這些階段或具有高的或具有低的比特誤碼率，也即誤差尤其會成簇地出現(xiàn)。
根據(jù)這種狀況，輕而易舉地按合格質(zhì)量進行由源編碼產(chǎn)生的高壓縮和冗余度低的話音信號的傳輸是不可能的。因此，可予料的比特誤碼率(數(shù)量級為10-3-10-1)可采用適當(dāng)?shù)恼`差糾錯方法降到可接受的值(數(shù)量級為10-3-10-6)。在此存在著基本上重新給源編碼信號補充“確定”的冗余度的信道編碼的任務(wù)，這確定的冗余度則可識別和糾正在傳輸線路(空中接口)上的傳輸誤差。
在所述類型的方法中，信道編碼包括誤差保護編碼(卷積編碼)和嵌入(交織，也可看作置亂)。緊接著經(jīng)卷積編碼和嵌入的碼塊被加密、以短脈沖成形、對載頻調(diào)制并傳輸。
對卷積編碼來說應(yīng)注意，源編碼的比特對譯碼后的話音質(zhì)量不是同等重要。一些比特的誤差會大大妨礙理解，相反，其它比特的誤差幾乎覺察不到。因此，源編碼的比特被分成規(guī)定不同誤差保護的級別。這樣，在GSM全速率編譯碼器(進行全速率傳輸?shù)木幋a器/譯碼器)上，采用的保護類型為1a、1b和2。
實現(xiàn)這種不同保護的常用方法是在進行誤差保護編碼(卷積碼)后，緊接著對保護編碼進行所謂的加點。簡單地說，按照規(guī)定的圖表(加點表格)從卷積編碼器產(chǎn)生的輸出比特流中，通過加點刪除一個或多個位置。加點的表格由單元0和1構(gòu)成，并周期性地進行處理，其中相當(dāng)0的比特在輸出比特流中不發(fā)射，相當(dāng)1的比特則發(fā)射。因此，編碼的序列縮短和誤差保護作用降低。顯然，加點的編碼具有實現(xiàn)不同編碼速率的優(yōu)點，其中基于速率1/n的母碼(Muttercode)通過周期性的加點生成了具有高碼率的編碼。
面對成簇方式出現(xiàn)的誤差，像它在移動無線電通信時出現(xiàn)的主要問題那樣，卷積編碼方法和譯碼方法的基本靈敏度，則通過加點增強了，這樣實際上只有與下面的嵌入或交織相聯(lián)系，才可使用加點的卷積編碼。在GSM系統(tǒng)中，具有TU(典型城市)和HT(丘陵地帶)輪廓圖的典型的移動無線電信道上或具有類似的輪廓圖的信道中，在一個時隙內(nèi)出現(xiàn)接近恒定的衰落幅度。如果對每個新的時隙都使用另一個信道(理想的跳頻)，則衰落幅度在統(tǒng)計上則可認為在2個時隙之間無關(guān)。對此，例如，作為嵌入方法，這種對專業(yè)人員都熟知的碼塊交織或隨機交織都屬于考慮之列。
同樣，確定良好的加點卷積編碼，像選擇和具體構(gòu)成按照誤差保護編碼應(yīng)采用的嵌入方法那樣，是上面所概述類型的數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)的一項重要的設(shè)計任務(wù)。對此，系統(tǒng)的設(shè)計方法尚不知曉，以致為找到良好的加點卷積編碼就嘗試計算機輔助的不同的編碼和加點，并且根據(jù)說明按預(yù)計的傳輸質(zhì)量確定的標準彼此進行比較。這時，通常假定交織器作為理想(“無限低”)的設(shè)備。
本發(fā)明的任務(wù)是提供可獲得傳輸質(zhì)量改進的信道編碼的方法。
這個任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的方法完成。
本發(fā)明包含的主要構(gòu)思是，在進行信道編碼時，使用一種相關(guān)的、在一種共同計算步驟中確定的加點和嵌入規(guī)則，對誤差保護編碼-母編碼進行加點和用于交織。當(dāng)確定這種相關(guān)的加點和嵌入規(guī)則時，放棄理想的交織器設(shè)想，并且從一開始就緊密結(jié)合尋找一種優(yōu)選的加點規(guī)則(生成矩陣或加點表格)提出嵌入步驟的結(jié)構(gòu)。
加點和嵌入規(guī)則被特別綜合成一個預(yù)定數(shù)量的子編碼或加點表格或也可綜合成一個合成的加點和嵌入矩陣或表格。在注意到碼距特性、特別是最小的自由碼距和/或中等碼距譜的最佳標準情況下，其發(fā)現(xiàn)是在計算機輔助下成功地實現(xiàn)的。這些概念可理解如下-編碼的最小自由碼距df是一個出現(xiàn)在分散的路徑之間的最小漢明距離。
-通過{ad}＝1/P∑∞d＝dfad產(chǎn)生平均碼距譜{ad}，其中ad系所有路徑數(shù)，這些所有路徑從P個相繼的節(jié)點開始離開0路徑，重新相交，并建立碼距d，并且P是加點矩陣P中的列的數(shù)量，以此給出了加點的周期長度。
-通過{cd}＝1/P∑∞d＝dfcd產(chǎn)生平均碼距譜{cd}，其中信息重量cd是沿所有路徑傳輸?shù)闹禐?的比特數(shù)，這些所有路徑從P個相繼的節(jié)點開始離開0路徑，重新相交，并建立碼距d。
從碼距譜中，對AWGN(附加白高斯噪聲)信道或全交織瑞利信道，評估比特誤碼概率。在碼率為1/2和存儲為2時，在上述信道上無須加點進行傳輸所用的最佳非系統(tǒng)非遞歸卷積編碼和系統(tǒng)的遞歸卷積編碼是已知的。
那么，在用計算機進行的多數(shù)計算步驟的實踐中，按照多數(shù)算法確定多數(shù)加點和嵌入矩陣或表格，在估值步驟中均可按照所說的分標準確定其碼距特性，并且這樣的加點和嵌入矩陣或表格在信道編碼器中被實現(xiàn)，該加點和嵌入矩陣或表格顯示出根據(jù)所希望的誤碼率得出的最佳結(jié)果。在上述提到的特性，也即在一個時隙內(nèi)具有接近恒定的衰落幅度的傳輸信道上，特別優(yōu)選使用建議的方法，并且特別優(yōu)選使用按給每個新的時隙分配另一個信道的傳輸方法。這種優(yōu)點在使用高傳輸速率的話音傳輸方法時特別有效。使用這種方法原因是，一個時隙失效是最常出現(xiàn)的誤差事件。研究也已證實這點。
下面將借助實施例詳細說明本發(fā)明，其中將本發(fā)明與常規(guī)解決方案進行比較。從結(jié)合作為比較圖說明傳輸特性獲得的改進的

圖1和2的這種說明中可以看出，本發(fā)明的其它優(yōu)點和目的是明顯的。
通過對碼率為1/2和存儲m＝4的母編碼加點，用生成多項式(3.1)，G=[1D4+D2+D+1D4+D3+1]----(3.1)]]>形成碼率為R＝11/16的系統(tǒng)的加點編碼。具有最佳碼距特性的利用計算機搜索獲得的加點矩陣為P=1111111111110101010100----(3.2)]]>在這個例子中，周期長度P為11。選擇加點的編碼時，應(yīng)注意加點矩陣中1的個數(shù)Z是時隙的整數(shù)倍數(shù)，以便給每個時隙分配相同數(shù)量的比特。交織給時隙分配矩陣P的比特。在本例中，假定為半碼率信道，并且以將Z＝16比特分配到F＝4個時隙。如果使用碼塊交織(通常為獨立交織器)，那么，可得到如下組合的加點矩陣和交織矩陣P=1342312413420104030200----(3.3)]]>值為0的矩陣元是加點的比特，值為1..4則給相對應(yīng)的時隙分配單個比特。
現(xiàn)在，可把一個碼塊出錯(Ausfall)看成像另一個加點那樣，也即，這個碼塊的所有比特都略去不計。在一個碼塊出錯時，損失的比特數(shù)為B＝Z/F。這就形成一個碼率為Ru＝P/Z-b的新的子編碼，其中P為加點矩陣P中列的數(shù)量，并給出了加點的周期長度。
交織器通過分配比特給信道碼塊來確定子編碼的構(gòu)成。必須這樣選擇交織器，以至由于碼塊出錯形成的子編碼按照所說明的碼距標準是最佳的。在用計算機輔助的搜索碼率為1/2的母編碼和碼率為11/16的加點編碼后，再進行第三次搜索。必須搜索用于子編碼的F個良好的加點矩陣，其矩陣元總是0，當(dāng)母編碼的加點矩陣在這個矩陣元的位置上包含一個0時，只有當(dāng)子編碼的其他矩陣在這個位置上不是0時，則在其它位置上才允許包含一個0。每個比特都必須準確地分配一個時隙。
為將碼率11/16的編碼分配給4個時隙，得到下面碼率為Ru＝11/12的最佳子編碼。Pu1=x11111x1x1110x01010100]]>Pu2=111x1x11111x01010x0100]]>Pu3=1x11x11111x10101010x00]]>Pu4=11x1111x1x11010x010100]]>這些子矩陣可被組合成合并的加點矩陣和交織矩陣P*=1342321414320104020300]]>這個矩陣不同于(3.3)式的碼塊交織矩陣。碼距特性比碼塊交織矩陣更好。子編碼的單個加點矩陣的碼距譜被相加，以求出最佳編碼。
表3.1碼率為11/16的加點編碼的自由碼距和碼距譜。
df＝4 a4＝6 c4＝18 a5＝34 c5＝132表3.2碼率為11/12的子編碼的自由碼距和碼距譜。
用Pu1得出的編碼df＝2 a2＝6 c2＝21 a3＝112 c3＝556用Pu2得出的編碼df＝2 a2＝4 c2＝15 a3＝78 c3＝441用Pu3得出的編碼df＝2 a2＝4 c2＝16 a3＝106 c3＝661用Pu4得出的編碼df＝2 a2＝6 c2＝26 a3＝132 c3＝807和2078 428 2465在與此比較中，碼塊交織器具有最小碼距df＝1的子編碼。這將導(dǎo)致產(chǎn)生較高的誤碼率。
在圖1中，對按通常方法確定的交織器(虛線，標有“常規(guī)”)或最佳化的，通過合并的加點矩陣和交織矩陣按公式(3.5)說明的交織器(實線，標有“最佳”)的半碼率信道碼塊誤碼率進行對比。就在這個簡單的例子中，得到增益為0.3dB，這個增益無須在譯碼器一端附加付出代價就可實現(xiàn)。
圖2示出了通常的交織器(碼塊交織器，參見圖中用“舊編碼”標明的曲線)和最佳化的交織器(參見圖中標有“新碼”的曲線)的比特誤碼率的對比。該圖涉及到速率為8.1kbit/s(“3H模式”)的半碼率信道和在方框圖中給出的碼率，以及按比特標號給出誤碼率曲線。
在此，為獲得不等的誤差保護，用下面表格1的碼率進行編碼本發(fā)明人研究結(jié)果得出，用建議的方法碼率越高，獲得的增益越大。還有，提高綜合在一起的比特數(shù)Z可導(dǎo)致改進碼距特性，并且這樣可降低所予料的誤碼率。
表格1用碼塊交織器和最佳交織器得出的3H模式的碼率
權(quán)利要求
1.在數(shù)字通信系統(tǒng)中，尤其在移動無線電系統(tǒng)中對話音信號進行話音傳輸實施信道編碼的方法，其中這種方法具有誤差保護編碼和嵌入，其特征在于，在一種共同的計算步驟中確定的相關(guān)的加點規(guī)則和嵌入規(guī)則被應(yīng)用于一種預(yù)定的誤差保護編碼-母編碼進行加點，和用于交織這些規(guī)則是在使用一種使碼距特性最佳化的標準情況下在嵌入后被確定的。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，以一組子編碼或加點表格的形式，應(yīng)用加點和嵌入規(guī)則。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，以組合的加點矩陣和嵌入矩陣或表格的形式，應(yīng)用加點和嵌入規(guī)則。
4.按上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，(a)按多個預(yù)定算法進行多個計算步驟，確定多個相關(guān)的加點和嵌入規(guī)則，(b)在分析處理步驟中通過確定自由碼距和/或平均碼距譜，求出其碼距特性，并且(c)在進行信道編碼時，應(yīng)用那些相關(guān)的加點和嵌入規(guī)則，該規(guī)則提供最佳自由碼距和/或最佳碼距譜。
5.按上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，應(yīng)用于具有在一個時隙內(nèi)接近恒定的衰落幅度的傳輸信道，和給每個新的時間間隔分配其它信道的傳輸方法。
6.按上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，應(yīng)用于具有碼塊方式編碼的和將幀分到很少的幾個時隙的話音傳輸方法。
7.按上述權(quán)利要求之一所述的方法，其特征在于，應(yīng)用于具有在一個時隙內(nèi)消除主要誤差事件的傳輸信道。
全文摘要
本發(fā)明涉及在數(shù)字通信傳輸系統(tǒng)中進行信道編碼的方法,該方法具有誤差保護編碼和嵌入,其中一種在一種共同的計算步驟中確定的相關(guān)的加點規(guī)則和嵌入規(guī)則被應(yīng)用于一種對預(yù)定的誤差保護編碼一母編碼進行加點和交織,這些規(guī)則是在使用一種使碼距特性最佳化的標準情況下在嵌入后被確定的。
文檔編號G06F11/10GK1346543SQ00805972
公開日2002年4月24日 申請日期2000年4月5日 優(yōu)先權(quán)日1999年4月7日
發(fā)明者T·欣德朗, T·斯托克哈默, W·徐 申請人:西門子公司