專利名稱：特博格柵編碼調(diào)制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域，具體涉及一種用于在例如離散多音調(diào)制系統(tǒng)中通過通信信道發(fā)送數(shù)據(jù)的調(diào)制方案。
為了提高通過通信信道的數(shù)據(jù)傳送效率，將數(shù)據(jù)作為碼元傳送，每個碼元代表多個比特。例如，在QAM(正交調(diào)幅)系統(tǒng)中，碼元由信號的幅度和相位代表。例如，十六個唯一的碼元(即幅度和相位的組合)代表時間上的四個比特。碼元在相位幅度圖上形成點的構(gòu)象(constellation)。隨著碼元數(shù)目的增加，傳輸差錯的可能性也增加。采用前向糾錯編碼方案，以允許接收機檢測差錯并恢復(fù)正確發(fā)送的碼元。
數(shù)據(jù)通信中的一種優(yōu)選編碼形式是卷積編碼，卷積編碼是依賴于在先比特序列的比特級編碼方案。在格柵編碼調(diào)制中，增加碼元數(shù)目以提供冗余。僅允許特定的變換(transition)。在發(fā)生差錯的情況下，接收機可以利用對所有可能的允許變換的知識來檢測最可能的正確變換。
與以預(yù)定塊發(fā)送數(shù)據(jù)的塊碼不同，卷積碼不善于應(yīng)付突發(fā)差錯。部分地為了解決這個問題，開發(fā)了turbo(特博)碼。本質(zhì)上，turbo碼包括由對第一編碼器的輸入序列操作的交織器分離的兩個或多個卷積碼。例如，參見AT&T Shannon實驗室的Hamid R.Sadjapour在1996發(fā)表的“離散多音調(diào)制的turbo碼應(yīng)用”。
由于turbo碼的高編碼增益，其受到越來越多的關(guān)注。在DSL(數(shù)字用戶線路)系統(tǒng)中，已經(jīng)使用turbo碼代替格柵碼，來獲得更好的誤碼率(BER)性能。但是，當(dāng)構(gòu)象尺寸增加時，turbo碼的編碼增益優(yōu)點開始變得多余。這是因為冗余比特使得構(gòu)象尺寸變得更大。
本發(fā)明的一個目的是增加例如DMT系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸速率。
根據(jù)本發(fā)明，提供一種通過通信信道發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，包括接收一輸入比特流；使至少一些所述比特通過turbo編碼器以產(chǎn)生turbo編碼輸出比特；以及使用通過所述turbo編碼器的至少所述比特，產(chǎn)生對應(yīng)于格柵碼調(diào)制方案中構(gòu)象上的碼元點的字。
在本發(fā)明中，最好使用turbo編碼器，來僅對構(gòu)象中的最低有效位(LSB)進行編碼，因為LSB對差錯最敏感。以這種方式可達到的數(shù)據(jù)率只與Shannon容量相差幾dB。本發(fā)明優(yōu)選地在DMT(離散多音)系統(tǒng)中將強大的turbo碼與格柵編碼調(diào)制方案組合起來以提高數(shù)據(jù)率。
在DMT系統(tǒng)中，使用多個子信道發(fā)送數(shù)據(jù)，每個子信道具有不同的載波和不同的QAM構(gòu)象，不同的QAM構(gòu)象包含每個構(gòu)象點上的不同數(shù)目的比特。通常，每個構(gòu)象點上的比特數(shù)目是一個整數(shù)，并且如果一個子信道不能支持一個數(shù)據(jù)比特，那么該子信道不可用。根據(jù)本發(fā)明，可以將擴展頻譜算法與turbo格柵編碼調(diào)制結(jié)合，使得承載少于一比特信息的信道也可以使用。結(jié)果，可以極大提高總信道容量。
下面將僅以例示方式參照附圖對本發(fā)明進行詳細(xì)說明，其中

圖1顯示x和y＞1時根據(jù)本發(fā)明原理的編碼器，其中x和y是每個構(gòu)象點(碼元)中的比特的數(shù)目；圖2顯示x＝1和y＞1時的編碼器結(jié)構(gòu)，其中turbo編碼率是2/3；圖3顯示y＝1和x＞1時的編碼器結(jié)構(gòu)；圖4顯示x＝y(tǒng)＝1時的編碼器，其中編碼率是1/2；圖5是解碼器的方框圖6顯示一個構(gòu)象，表示如何確定最終的三個比特；圖7顯示一個構(gòu)象，表示最高有效位的確定。
下面按DMT(離散多音系統(tǒng))結(jié)構(gòu)來描述本發(fā)明，DMT系統(tǒng)通?？梢园?000個子信道，每個子信道能夠承載代表特定數(shù)目比特的不同數(shù)目碼元，即，每個子信道的構(gòu)象點數(shù)目可以變化，因此每個構(gòu)象點的比特數(shù)目也可以變化。編碼器如圖1所示，輸入比特流的一部分被饋送到編碼器數(shù)據(jù)塊10，編碼器數(shù)據(jù)塊10是一個可尋址存儲器。假設(shè)每個碼元有10比特，包括每兩個子信道的一個校驗比特，那么1000個信道一次可以承載9500比特。因此，通常將一輸入比特流的9500比特饋送到編碼器中。將這些比特的一小部分，通常是1500比特，饋送到編碼器數(shù)據(jù)塊10。
最好將編碼器實現(xiàn)為我們在2000年4月18日提交的英國申請No.0010330.9中描述的并行編碼器，該申請的全部內(nèi)容被引入本文，作為參考。
在所示例子中，從編碼器數(shù)據(jù)塊10順序地輸出三個比特u1，u2，u3，并輸出三個比特u’1，u’2，u’3作為交織數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)比特u2和u3形成第一輸出字v的分量v0，v1，比特u1形成第二輸出字w的比特w1。在通過各自的移位寄存器16，18后，利用遞歸系統(tǒng)卷積編碼器12，14對比特u1，u2，u3和u’1，u’2，u’3的組進行turbo編碼來形成比特w0。
所采用的構(gòu)象編碼器結(jié)構(gòu)與ADSL系統(tǒng)中所使用的相似。二進制字u＝(uz’，uz’-1，…，u’1)確定兩個二進制字V＝(Vz’-y，…，V0)和w＝(Wy-1，…，w0)(其中z’＝x＋y－1)，使用這兩個二進制字，在編碼器查找表中查找兩個構(gòu)象點(每個構(gòu)象點分別包含x和y個比特)。
圖1顯示x＞1和y＞1時的編碼器結(jié)構(gòu)，其中使用的turbo編碼器是以比率1/2穿孔的編碼率為3/4的系統(tǒng)編碼器。Turbo編碼器20包括兩個遞歸系統(tǒng)卷積編碼器12，14(RSC1和RSC2)。編碼器RSC1接收來自編碼器數(shù)據(jù)塊10的順序數(shù)據(jù)，編碼器RSC2接收來自相同數(shù)據(jù)塊10的交織數(shù)據(jù)。
數(shù)據(jù)塊的長度取決于每個信號幀中正被發(fā)送的數(shù)據(jù)的數(shù)量，上述例子中是9500比特。通常，每個信號幀中發(fā)送整數(shù)個數(shù)據(jù)塊。圖2到4顯示用于其它x和y值的編碼器結(jié)構(gòu)。
圖2顯示x＝1和y＞1時的編碼器結(jié)構(gòu)，其中turbo編碼率是2/3。在y＝1和x＞1時，如圖3所示的編碼器結(jié)構(gòu)與圖2所示的相似。
圖3顯示x＝y(tǒng)＝1時的編碼器結(jié)構(gòu)，其中編碼率是1/2。在y＜1(或x＜1)時，可以根據(jù)x(或y)的值使用與圖1到4相似的編碼器結(jié)構(gòu)。其差別僅在于將利用一擴展碼使用K個子信道發(fā)送一個比特，其中y＝1/K。
如果被使用的擴展碼是[b1，b2，…，bk]，那么0可以被發(fā)送為[b1，b2，…，bk]，其中(k＝1，2，…，K)，1可以被發(fā)送為[b1，b2，…，bk]。K子信道組中的每個子信道的構(gòu)象使用每信道構(gòu)象的一個比特，并且第k個信道發(fā)送比特bk?？傊?，需要K個子信道來發(fā)送一個數(shù)據(jù)比特。這種設(shè)置的優(yōu)點是，如果在相同纜芯中的不同調(diào)制解調(diào)器使用不同的擴展碼，那么可以極大減少自身的串?dāng)_。在R.V.Sonalkar和R.R.Shively在2000年3月在IEEE Communication Letters(vol.4，no.3，pp.80-82)中描述了合適的擴展碼。解碼器turbo格柵編碼調(diào)制的解碼程序包括以下步驟1)對最低有效位(LSB)進行軟解碼；
2)對最高有效位(MSB)進行硬解碼；3)使用turbo解碼器算法對LSB進行解碼；和4)確定所有數(shù)據(jù)比特。
如果一N比特構(gòu)象被用于一給定子信道中的數(shù)據(jù)傳輸，那么該構(gòu)象位置可以由二維矢量代表Xb＝[bxM，bx(M-1)，…，bx1，1]和Yb＝[byM，by(M- 1)，…，by1，1]，其中N為偶數(shù)時M＝N/2，N為奇數(shù)時M＝(N＋1)/2。解碼器對于Xb和Yb是相同的。
設(shè)所接收的數(shù)據(jù)是(X，Y)。如果(-2M＋1＋2k)＜X＜(-2M＋1＋2(k＋1))，其中k＝0，1，…，2M－1，并且保持X1＝(-2M＋1＋2k)和X2＝(-2M＋1＋2(k＋1))，那么最終的X是取X1還是取X2，取決于來自LSB的解碼器結(jié)果。對于N＞1，X中LSB的軟比特(沒有常數(shù)的對數(shù)概率)被確定為 其中σ2是噪聲功率。通過在上述公式中用Y代替X可以以相似方式獲得Y中LSB的軟比特。
如果N＝1，軟比特是P1=log(prob(bx1=1))=-((X+1)22σ2+(Y+1)22σ2)]]>P0=log(prob(bx1=0))=-((X-1)22σ2+(Y-1)22σ2)]]>如果N＜I并且擴展碼是[b1，b2，…，bk]，那么可以如下計算軟比特P1=log(prob(bx1=1))=-Σk=1K((X+(1-2bk)2)2σ2+(Y+(1-2bk)2)2σ2)]]>P0=log(prob(bx1=0))=-Σk=1K((X-(1-2bk)2)2σ2+(Y-(2bk)2)2σ2)]]>將軟比特輸出發(fā)送到如圖5所示的turbo解碼器電路。該turbo解碼器包括兩個LOG-MAP解碼器30，32。每個解碼器包含前向(α)迭代，后向(β)迭代，并且執(zhí)行最終軟比特輸出計算。唯一差別是該輸出不僅包含數(shù)據(jù)比特而且還包含其最后一次迭代的差錯校驗比特。
需要輸出該差錯校驗比特的原因是，需要LSB來從兩個可能的構(gòu)象點X1和X2(或Y1和Y2)中確定X(或Y)，而某些LSB是差錯校驗比特?？梢栽谇懊嬲劦降腟adjapour的文獻和C.Berrou and A.，在1996年10月發(fā)表的IEEE Trans.on Communications(Vol.44，No.10)的“近似最佳糾錯編碼和解碼Turbo碼”中找到turbo解碼器的詳細(xì)例子。
在時間k的軟輸出差錯校驗比特如下計算Pck1＝prob(bck＝1)＝MAX(s，s′)[γck1(Rk，s，s′)αk-1(s′)βk(s)]Pck0＝prob(bck＝0)＝MAX(s，s′)[γck0(Rk，s，s′)αk-1(s′)βk(s)]其中s是turbo編碼器在時間fk的狀態(tài)，s’是在時間k-1的狀態(tài)。Rk代表所接收數(shù)據(jù)。βk(s)是在狀態(tài)s(時間k)后向迭代的概率，ak-1(s’)代表在狀態(tài)s’(時間k－1)前向迭代的概率。γck0(Rk，s，s’)和γck1(Rk，s，s’)是在所接收數(shù)據(jù)是Rk并且差錯校驗比特分別是0和1時從狀態(tài)s’變換到s的概率。
在通過turbo解碼器后，確定LSB，并且如果N＞1，那么仍需從兩個可能的構(gòu)象點中確定MSB。以X為例，其具有兩個可能值X1或X2(它們是構(gòu)象中的兩個相鄰點)。對于兩個相鄰的構(gòu)象點，X1和X2的LSB必須不同。因此，通過檢查其LSB可以從X1和X2中確定Xb＝[bxM，bx(M-1)，…，bx1，1]。類似地，可以確定Yb＝[byM，by(M-1)，…，by1，1]。在確定了Xb和Yb后，對于以下三種情況獲得最終接收數(shù)據(jù)比特當(dāng)N是偶數(shù)時，最終比特是[bN，bN-1，…b1]＝[bxM，byM，bx(M-1)，by(M- 1)，…，bx1，by1]。如果N＝3，最終的三個比特由如圖6所示的構(gòu)象確定，如下表1所示。
如果N是奇數(shù)并且N＞3，那么可以以與偶數(shù)N情況相同的方式確定低比特(N－5)，即[bN-5，bN-6，…，b1]＝[bx(M-3)，by(M-3)，bx(M-4)，by(M-4)，…，bx1，by1]，根據(jù)圖7中的構(gòu)象確定5個MSB，如下表2所示。
應(yīng)該理解，將所述turbo碼與格柵碼結(jié)合使用可以比當(dāng)前使用的格柵碼獲得更好的性能。在將擴展頻譜算法與turbo-格柵編碼調(diào)制結(jié)合時，有可能使用承載少于一比特信息的信道，導(dǎo)致信道容量的極大增加。
可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的標(biāo)準(zhǔn)DSP技術(shù)在數(shù)字信號處理器中實現(xiàn)上述功能塊。
權(quán)利要求
1.一種通過通信信道發(fā)送數(shù)據(jù)的方法，包括接收一輸入比特流，使至少一些所述比特通過turbo編碼器以產(chǎn)生turbo編碼輸出比特，以及使用通過所述turbo編碼器的至少所述比特，產(chǎn)生對應(yīng)于格柵碼調(diào)制方案中構(gòu)象上的碼元點的字。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述通過turbo編碼器的比特是輸入數(shù)據(jù)的最低有效位(LSB)，最高有效位被直接傳遞到輸出字。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中將輸入比特流的一部分饋送到一存儲器，并且將來自所述存儲器的交織比特組饋送到遞歸系統(tǒng)卷積編碼器以產(chǎn)生所述turbo編碼輸出比特。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在離散多音(DMT)系統(tǒng)中的多個子信道上承載所述碼元。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中對于至少一些所述子信道來說，構(gòu)象碼元點包含少于一比特，并且對于這些子信道，使用擴展碼在K個子信道上發(fā)送一整個比特。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中任何一個的方法，其中所述字包括差錯校驗比特。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述字被用于從編碼器查找表中獲得構(gòu)象點。
8.一種用于對輸入數(shù)據(jù)流進行編碼以通過通信信道傳輸?shù)木幋a器，包括編碼器數(shù)據(jù)塊，用于存儲輸入數(shù)據(jù)流的一部分；第一遞歸系統(tǒng)卷積編碼器，用于接收來自編碼器數(shù)據(jù)塊的順序數(shù)據(jù)；以及第二遞歸系統(tǒng)卷積編碼器，用于接收來自編碼器數(shù)據(jù)塊的交織數(shù)據(jù)，所述卷積編碼器至少輸出一輸出數(shù)據(jù)字的最低有效位，該輸出數(shù)據(jù)字形成格柵碼調(diào)制方案中構(gòu)象上的碼元點。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的編碼器，還包括連接到每個遞歸系統(tǒng)卷積編碼器的輸入端的移位寄存器，所述移位寄存器的每個單元接收來自所述編碼器數(shù)據(jù)塊的相應(yīng)比特。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的編碼器，其中當(dāng)x＝y(tǒng)＝1時，其中x和y是兩個構(gòu)象中的比特數(shù)目，所述遞歸系統(tǒng)卷積編碼器的輸入被直接連接到所述編碼器數(shù)據(jù)塊。
11.一種對turbo格柵碼調(diào)制信號進行解碼的方法，包括(i)對所接收信號的最低有效位進行軟解碼；(ii)對輸入信號的最高有效位進行硬解碼；(iii)使用turbo解碼器算法對最低有效位進行解碼；(iv)確定所有數(shù)據(jù)比特。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中如下處理所接收信號以確定LSB的軟比特(沒有常數(shù)的對數(shù)概率) 其中σ2是噪聲功率。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中將軟比特傳送到turbo解碼器以產(chǎn)生數(shù)據(jù)比特和差錯校驗比特。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在確定LSB后，通過檢查LSB從可能的構(gòu)象點中確定MSB。
15.根據(jù)權(quán)利要求11的方法，其中結(jié)合一LSM和MSB解碼器以用于不同的構(gòu)象。
16.一種用于對接收的turbo格柵碼調(diào)制信號進行解碼的解碼器裝置，包括被連接來接收軟輸入比特的一對解碼器，一交織器，一解交織器，并且所述解碼器從所述軟輸入比特導(dǎo)出一數(shù)據(jù)比特和至少一校驗比特。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的解碼器裝置，其中每個解碼器執(zhí)行前向和后向迭代和最終軟比特輸出的計算。
18.根據(jù)權(quán)利要求16的解碼器裝置，其中所述解碼器是LOG-MAP解碼器。
全文摘要
在一種通過通信信道發(fā)送數(shù)據(jù)的方法中,使輸入比特流的至少一些比特通過turbo編碼器以產(chǎn)生turbo編碼的輸出比特,并且至少使用通過turbo編碼器的比特來產(chǎn)生對應(yīng)于格柵碼調(diào)制方案中構(gòu)象上的碼元點的字,也可能結(jié)合沒有通過turbo編碼器的其它比特來產(chǎn)生這些字。通常,turbo編碼的比特是最低有效位。
文檔編號H03M13/25GK1330454SQ01115659
公開日2002年1月9日 申請日期2001年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月28日
發(fā)明者靳取 申請人:米特爾公司