專利名稱：Turbo碼譯碼器中的量化方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Turbo碼的譯碼，特別涉及碼分多址移動通信系統(tǒng)中Turbo碼編解碼協(xié)處理器中的量化方法。
背景技術(shù)：
信道編解碼技術(shù)在整個移動通信系統(tǒng)中具有相對獨立的地位，是其關(guān)鍵技術(shù)之一，決定著移動通信系統(tǒng)的性能。信道編解碼主要是降低信號傳播功率和解決信號在無線傳播環(huán)境中不可避免的衰落問題。編解碼技術(shù)結(jié)合交織技術(shù)的使用可以降低誤碼率性能，與無編碼情況相比，傳統(tǒng)的卷積碼可以將誤碼率降低兩個數(shù)量級達到10-3～10-4，而Turbo碼可以將誤碼率進一步降低到10-6。Turbo碼的優(yōu)點有性能接近香農(nóng)極限、譯碼算法的硬件實現(xiàn)較串行級聯(lián)碼簡單等。缺點是目前缺乏理論依據(jù)，它的性能分析都是建立在仿真的基礎(chǔ)上，有可能引入較大的時延。
Turbo碼最早是由韓國和北美的cdma2000標準提出，用于第三代移動通信系統(tǒng)的信道編碼方案，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)有較好的性能后，寬帶碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access，簡稱“WCDMA”)等其它標準也紛紛轉(zhuǎn)而采納。歐洲電信標準化協(xié)會(European TelecommunicationsStandards Institute，簡稱“ETSI”)將其指定為用于高數(shù)據(jù)率(32kbit/s以上)、高質(zhì)量業(yè)務(wù)的備選方案。
Turbo碼的原理是基于對傳統(tǒng)級聯(lián)碼的算法和結(jié)構(gòu)上的修正，內(nèi)交織器的引入使得迭代解碼的正反饋得到了很好的消除。Turbo碼因為編解碼性能能夠逼近Shannon極限而最后被采用作為第三代移動通信系統(tǒng)(3rdgeneration，簡稱“3G”)的數(shù)據(jù)編解碼技術(shù)。Turbo碼具有優(yōu)異的糾錯性能，適于高速率對譯碼時延要求不高的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，并可降低對發(fā)射功率的要求、增加系統(tǒng)容量。
Turbo編碼器由兩個RSC編碼器(卷積碼的一種)、交織器和刪除器組成。每個RSC編碼器有兩路校驗位輸出，兩個輸出經(jīng)刪除復(fù)用后形成Turbo碼。Turbo譯碼器由兩個軟輸入、軟輸出的譯碼器、交織器、去交織器構(gòu)成，經(jīng)對輸入信號交替譯碼、軟輸出多輪譯碼、過零判決后得到譯碼輸出。
Turbo碼編解碼技術(shù)應(yīng)用于WCDMA系統(tǒng)，是其關(guān)鍵技術(shù)之一，Turbo碼在其他移動通信系統(tǒng)中也被廣泛應(yīng)用，比如cdma2000-1X系統(tǒng)中被用于前向補充信道和反向補充信道。Turbo碼編解碼技術(shù)性能的提高直接影響了WCDMA系統(tǒng)以及其他一些3G移動通信系統(tǒng)性能的提高。
Turbo解碼算法實現(xiàn)的難點在于高速數(shù)據(jù)時的解碼速率和相應(yīng)的迭代次數(shù)，現(xiàn)有的數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor，簡稱“DSP”)都內(nèi)置了解碼器所需的基本算法，使得Turbo解碼可以依賴DSP芯片直接實現(xiàn)而無需采用專用集成電路(Application Specified Integrated Circuit，簡稱“ASIC”)。
美國德州儀器公司(Texas Instruments，簡稱“TI”)的TMS320C6416數(shù)字信號處理器，專門設(shè)計用于高性能、多信道的3G無線基站。該DSP芯片中集成了兩協(xié)處理器Turbo協(xié)處理器(Turbo Coprocessor，簡稱“TCP”)，用于完成無線數(shù)據(jù)信道的Turbo編解碼，和一個維特比(Viterbi)協(xié)處理器(Viterbi Coprocessor，簡稱“VCP”)，用于完成無線語音信道的卷積編解碼。
在該款DSP芯片的TCP采用迭代形式的最大后驗概率算法進行譯碼，為了降低算法復(fù)雜度，在對數(shù)域進行計算，即先對似然函數(shù)比取對數(shù)，對數(shù)運算結(jié)果的無窮精度使得數(shù)字精度不夠表示，于是需要對取對數(shù)后的待譯碼的數(shù)據(jù)進行量化。TCP采用的量化方法是，先通過對待譯碼數(shù)據(jù)進行飽和處理，然后取整，使量化后的數(shù)據(jù)等效地保留5位整數(shù)和3位小數(shù)，總共有8比特。這里采用的量化方法就是粗糙地將滿足精度以后的位數(shù)截斷，并且固定量化范圍。
在實際應(yīng)用中，上述方案存在以下問題量化精度低，動態(tài)范圍小，從而Turbo碼譯碼性能降低，影響整個移動通信系統(tǒng)的性能。
造成這種情況的一個主要原因在于，對量化數(shù)據(jù)采用了粗糙的截斷處理。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種Turbo碼譯碼器中的量化方法，使得量化精度提高，動態(tài)范圍增大，Turbo碼譯碼性能提高。
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種Turbo碼譯碼器中的量化方法，包含以下步驟求解本段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征參數(shù)；根據(jù)所述統(tǒng)計特征參數(shù)求解量化的左右邊界；根據(jù)所述左右邊界進行量化，計算量化結(jié)果。
其中，所述統(tǒng)計特征參數(shù)包含均值和均方差；所述均值的求解公式表示為μ=1MΣm=1M|L(Um)|;]]>所述均方差的求解公式為σ=1MΣm=1M(L(Um))2-μ2;]]>其中各個符號含義為μ為本段數(shù)據(jù)的均值，σ為本段數(shù)據(jù)的均方差，M為本段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)個數(shù)，Um為發(fā)送端發(fā)送的第m個比特，L(Um)為Um的對數(shù)似然比，第m個被量化的數(shù)據(jù)，∑表示求和運算，|·|表示取絕對值運算。
所述左右邊界的求解公式表示為TR＝μ+3σ；TL＝-μ-3σ；其中各個符號的含義為TR為右邊界，TL為左邊界，μ為所述均值，σ為所述均方差。
所述量化結(jié)果的計算公式表示為 其中各個符號的含義為Um為發(fā)送端發(fā)送的第m個比特，L(Um)為Um的對數(shù)似然比，第m個被量化的數(shù)據(jù)，YYm為第m個數(shù)據(jù)的量化結(jié)果，TR為所述右邊界，TL為所述左邊界，K為量化結(jié)果的比特數(shù)，[·]表示取整運算。
通過比較可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明的技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)的區(qū)別在于，本發(fā)明從概率分布的角度出發(fā)，根據(jù)局部數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征參數(shù)來自適應(yīng)地調(diào)整量化的左右邊界值，并根據(jù)左右邊界進行線性量化，并且簡化的某些量化步驟。
這種技術(shù)方案上的區(qū)別，帶來了較為明顯的有益效果，即本發(fā)明使得量化左右邊界更合理，減少截斷誤差，增大動態(tài)范圍，充分利用量化空間，并能適應(yīng)無線信道隨時間衰落變化，從而提高了量化方法的效率和精度，提高了Turbo碼譯碼器的性能和靈活性，提高了移動通信系統(tǒng)的性能。


圖1根據(jù)本發(fā)明的一個較佳實施例的量化方法流程圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
下面詳細闡述本發(fā)明一個實施例。
Turbo碼譯碼器實現(xiàn)的功能就是完成對輸入序列進行Turbo譯碼，如前所述，在譯碼之前，需要對取對數(shù)之后的系統(tǒng)比特和校驗比特的對數(shù)似然比進行量化，然后再將量化后的結(jié)果送給后面的譯碼器進行譯碼。
設(shè)發(fā)送端發(fā)送的第m個比特表示為Um，取值1或0，經(jīng)過加性高斯衰落信道之后，接收端得到的符號ym可以表示為式一 ym＝amxm+n其中，am為傳送第m個比特時信道的乘性失真系數(shù)；xm為第m個比特經(jīng)過調(diào)制以后的符號，這里簡單的取值為+1(當Um＝1)或-1(當Um＝0)；n為加性高斯白噪聲，服從正態(tài)分布N(0，σ2)，其均值為0，σ為均方差，且σ2=N02,]]>N0為噪聲功率譜密度。
這里，正態(tài)分布的n的概率密度函數(shù)為式二f(x)=12πσexp(-x22σ2)]]>其中，f為概率密度值，x為取值變量，exp(·)代表自然常數(shù)e的指數(shù)運算。
式一可以物理解釋為當符號xm從發(fā)送端發(fā)出經(jīng)過信道到達接收端，信道使得該符號產(chǎn)生信道衰落的乘性失真(第一項)和高斯白噪聲的加性失真(第二項)。這是一個公用的信道模型。
根據(jù)最大后驗概率算法的原理，對數(shù)似然比L(Um)定義為L(Um)=lnP{ym|xm=-1}P{ym|xm=+1}]]>=lnf-1(ym)f+1(ym)]]>其中P{·}表示括號內(nèi)的概率函數(shù)值；ln(·)表示取自然對數(shù)運算；f+1(y)=12πσexp(-(y-am)22σ2);]]>f-1(y)=12πσexp(-(y+am)22σ2).]]>從定義式可以看出，對數(shù)似然比反應(yīng)的是在當前收到的信號值已知的情況下，推測發(fā)送的符號是-1或+1的可能性比值，可以用來判決發(fā)送符號值。
將以上函數(shù)代入并化簡，可以得到對數(shù)似然比的表達式為式三L(Um)=-4amymN0=-2ymSIRam]]>其中，SIR=2am2N0,]]>即信號干擾比(Signal to Interference Ratio，簡稱“SIR”)，該值可以由SIR估計方法得到。SIR由乘性干擾失真系數(shù)的平方和信道噪聲功率的一半的比值構(gòu)成，由該信道的特性決定，反映信道的失真關(guān)系。
在所述TI的DSP芯片中TCP采用的量化方法可以簡單描述如下，先對對數(shù)似然比進行飽和處理，即將小數(shù)點往后移動3位，使得進行截斷處理時，保留一定的精度；然后將該值取整，取整的方法可以是舍入法，若該值超出所能表示的范圍則用最大值表示，即兩端截斷。用公式描述如下先由飽和處理得到Y(jié)m=8L(Um)=-16ymSIRam;]]>于是量化結(jié)果為 其中[·]表示取整運算。
這樣得到的二進制量化結(jié)果剛好為8比特，其中后3比特代表小數(shù)部分，前5比特代表整數(shù)部分。
在此量化方法的基礎(chǔ)上，本發(fā)明從概率論的角度出發(fā)，將量化的范圍隨著被量化數(shù)據(jù)值的分布動態(tài)的改變，使得絕大部分的被量化數(shù)據(jù)落在量化范圍之內(nèi)，大大減少截斷誤差，增大量化的動態(tài)范圍。
在本發(fā)明的一個較佳實施例中，以一段數(shù)據(jù)為單位進行統(tǒng)計特征參數(shù)的提取，設(shè)M個比特為一段數(shù)據(jù)，則對這M個比特產(chǎn)生的對數(shù)似然比L(Um)求均值μ和均方差σ，表達式如下式四μ=1MΣm=1M|L(Um)|]]>式五σ=1MΣm=1M(L(Um))2-μ2]]>其中，∑表示求和運算，式五中的μ即為式四所求得的均值。
式四和式五均是根據(jù)統(tǒng)計理論推得的，從所得樣本提取概率分布的數(shù)字特征。
然后根據(jù)求得的均值和均方差取量化的左右邊界為式六 TR＝μ+3σ式七 TL＝-μ-3σ最后量化結(jié)果為式八 其中，K為量化精度，即量化結(jié)果的比特數(shù)，根據(jù)實際情況給定，所以量化的范圍為[-2K-1，2K-1]，量化所得數(shù)據(jù)在此范圍內(nèi)等間距分布。
根據(jù)概率論對于正態(tài)分布的隨機變量的3σ規(guī)則，服從N(0，σ2)分布的隨機變量值落在區(qū)域[-3σ，+3σ]內(nèi)的概率是0.9974，幾乎是肯定的事。而為了滿足量化的正值和負值空間相等，我們?nèi)×炕吔鐬閇TL，TR]，根據(jù)3σ規(guī)則，這樣保證了所有被量化數(shù)據(jù)的值幾乎都落在量化范圍之內(nèi)，使得由于被量化的值超出量化范圍而被截斷的情況大大減少，因之產(chǎn)生的截斷誤差也大大減少。
而且量化邊界隨著通信數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特性的變化自適應(yīng)地調(diào)整，使得量化方法既能滿足減少截斷誤差，而且可以使得量化空間充分被利用，提高資源利用率。
而且此處并未進行飽和處理，簡化了現(xiàn)有技術(shù)的某些步驟，使得方法更加簡單于實現(xiàn)。
熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，所述一段數(shù)據(jù)的長度可以根據(jù)實際應(yīng)用情況方便地設(shè)定，比如為一幀或一個數(shù)據(jù)包等，而不影響本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，所述量化邊界可以根據(jù)精度要求和資源的充裕狀況適當增減，而不影響本發(fā)明的實質(zhì)和范圍。
綜合起來可以參照圖1將本發(fā)明的一個較佳實施例描述為以下步驟首先進入步驟11，求解該段M個數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征參數(shù)均值μ和均方差σ，求解的公式即式四和式五；接著進入步驟12，根據(jù)統(tǒng)計特征參數(shù)求解量化的左右邊界TR和TL，求解的公式即式六和式七；接著進入步驟13，根據(jù)左右邊界進行量化，量化的公式即式八。
雖然通過參照本發(fā)明的某些優(yōu)選實施例，已經(jīng)對本發(fā)明進行了圖示和描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，可以在形式上和細節(jié)上對其作各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種Turbo碼譯碼器中的量化方法，其特征在于，包含以下步驟求解本段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征參數(shù)；根據(jù)所述統(tǒng)計特征參數(shù)求解量化的左右邊界；根據(jù)所述左右邊界進行量化，計算量化結(jié)果。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的Turbo碼譯碼器中的量化方法，其特征在于，所述統(tǒng)計特征參數(shù)包含均值和均方差；所述均值的求解公式表示為μ=1MΣm=1M|L(Um)|;]]>所述均方差的求解公式為σ=1MΣm=1M(L(Um))2-μ2;]]>其中各個符號含義為μ為本段數(shù)據(jù)的均值，σ為本段數(shù)據(jù)的均方差，M為本段數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)個數(shù)，Um為發(fā)送端發(fā)送的第m個比特，L(Um)為Um的對數(shù)似然比，第m個被量化的數(shù)據(jù)，∑表示求和運算，|·|表示取絕對值運算。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的Turbo碼譯碼器中的量化方法，其特征在于，所述左右邊界的求解公式表示為TR＝μ+3σ；TL＝-μ-3σ；其中各個符號的含義為TR為右邊界，TL為左邊界，μ為所述均值，σ為所述均方差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的Turbo碼譯碼器中的量化方法，其特征在于，所述量化結(jié)果的計算公式表示為 其中各個符號的含義為Um為發(fā)送端發(fā)送的第m個比特，L(Um)為Um的對數(shù)似然比，第m個被量化的數(shù)據(jù)，YYm為第m個數(shù)據(jù)的量化結(jié)果，TR為所述右邊界，TL為所述左邊界，K為量化結(jié)果的比特數(shù)，[·]表示取整運算。
全文摘要
本發(fā)明涉及Turbo碼的譯碼，公開了一種Turbo碼譯碼器中的量化方法，使得量化精度提高，動態(tài)范圍增大，Turbo碼譯碼性能提高。這種Turbo碼譯碼器中的量化方法包含以下步驟求解本段數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征參數(shù)；根據(jù)所述統(tǒng)計特征參數(shù)求解量化的左右邊界；根據(jù)所述左右邊界進行量化，計算量化結(jié)果。
文檔編號H03M13/00GK1607733SQ200310104528
公開日2005年4月20日 申請日期2003年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月16日
發(fā)明者魏立梅 申請人:華為技術(shù)有限公司