CN101040499A - 用于通信系统的涡轮网格编码调制方案的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

用于评估适合于VDSL2系统的涡轮编码方案的方法和系统。所述方案为涡轮网格编码调制TTCM，其使用并行链接卷积码(PCCC)，包括约2044位的内拉丁方/矩形矩阵的随机序列模式交错器。在外里德－索罗蒙码存在而没有外交错器(快速模式)的情况下，所述方法和系统提供7.1dB的平均净编码增益，即相对于当前ADSL2系统中使用的标准16态4维(4－D)网格码具有2.6dB的编码增益改善。通过所述方法和系统实现的基本的编码增益导致在6kft VDSL2速率增加了38％，对于本地交换载体例如具有约1.5ms的延迟的ILEC(SBC)状态。通过每音仅编码两位(即，每维度1位)，所述涡轮码实现的复杂度保持合理的。最后，所述编码调制方案支持很小的星座，这允许在很接近香农限的信噪比(SNR)通过二进制相移键控(BPSK)星座传送的谱效率低到0.5比特/秒/赫兹。

Description

用于通信系统的涡轮网格编码调制方案的方法和系统
相关申请的相互参照
本申请要求美国临时专利申请60/617,680的优先权，其于2004年10月13日提交，题目为“Turbo Trellis Coded Modulation for VDSL2”。
技术领域
本发明通常涉及离散多音(DMT)数据通信系统，更具体地为涉及用于实现例如使用在VDSL2和DMT系统中的涡轮网格调制(Turbo TrellisCoded Modulation)方案的系统和方法。
背景技术
互联网的剧增已使商业和住宅用户(SOHO-小型办公室/家庭办公室)产生对高数据速率的需要。由于双绞铜线普遍存在于现有的电话网，必需通过适合在这些标准模拟简易老式电话系统(POTS)线路上传输数据的数据通信协议来满足所述大部分需求。对于家庭和商业的高速接入的需要不断增长，部分是由于自环球网可获得信息、数据、高带宽视频等。由于这不断增长的需求，需要更高速度的调制解调器。
最初，使用语音/数据调制解调器实现在POTS线上的数据传输。这些设备调制如语音信号等的数据。因此，其理论的数据传送速度限制不足以传送宽带内容。当前的语音/数据调制解调器显示出已达到56.6千比特/秒(K bits/second)的最大的数据传送速度。
由于语音/数据调制解调器的不足，工业寻求在现有双绞铜线电话线上进行高速数据访问的新的解决方案。这些努力的一结果为数字用户线技术(DSL)的出现。通过使用双绞线的在语音通信使用的几千千赫之上的部分可用带宽，DSL提供在所述双绞线的相对短距离上的高速数据传输。由于带宽限制(4KHz)，以及电话网的功率限制，因此线路编码方案用于将数字信号编码成模拟信号，该模拟信号在模拟电话网上传送模拟信息。所述线路编码方案操纵模拟载波信号，其具有三个属性：振幅、相位和频率。这样的属性的一个或更多可由已知的调制技术操纵，其例如为正交幅度调制(QAM)，从而所述载波信号的相位和振幅被调制以在一频带宽度内编码更多数据。QAM调制系统的一例子发送每QAM符号两比特信息，其中可编码数字值，以及可使用星座(constellation)表示相应的振幅和相位。增加星座的尺寸，即点的数量(比特)，会导致每符号的比特密度增加，因此实现较高的数据速率。
星座映射过程的上限源于随着星座尺寸增加，不同星座点间的相位和振幅差异的粒度变小，这使得越来越难于解码星座点，特别是在出现噪声的情况下。防止此问题的一方式为通过使用网格编码来增加符号间的欧几里得距离。因为网格编码为带宽有效的，既然符号速率和所需带宽并不增加，因此所述网格编码特别适用于此。如上所述，随着星座尺寸变的越大，由于符号密度增加的越大，检测星座的问题增加。因此，反作用符号间的短的欧几里得距离效果的一方式为将正交幅度调制的信号分成子集，因此产生符号间的可接受的欧几里得距离。
在典型的DSL系统中，来自个人计算机或用户所在地(CPE)的其它装置的数据被发送到发送器，其将所述数据布置成帧包(frame packet)；然后使用网格编码对所分包的信号进行正交幅度调制编码和错误编码，以使用卷积编码器来改善噪声抗扰度，来在所分开的信号星座中选择一序列子集。数字符号矢量被网格编码。网格编码开始于最高有效符号，结束于所述矢量的最低有效符号，使用卷积编码的方法将输入符号转换成另外的符号，然后将所编码的符号映射到其相应的16QAM信号星座点。
网格编码调制(TCM)在数字通信领域为充分承认的技术。涡轮码使用交错法组合二进制组元码(binary component code)(其一般包括网格码)。涡轮码主要包括并行链接卷积码(Parallel Concatenated ConvolutionalCode，PCCCs)，其由通过一或更多交错器连接的两或更多组分系统编码器来实现。输入信息位通过第一编码器供给，在已由交错器加扰(scramble)后，进入第二编码器。并行链接码的码字包括到第一编码器的输入位，接着为两编码器的奇偶校验位。用于这样的码的次最优迭代解码结构为模块化的，以及包括一组级联解码模块-每一组分码一个-通过交错器连接，其与编码器一侧的交错器相同。每一解码器执行输入序列的加权软解码。PCCCs以数据速率的降低和/或带宽的增加为代价产生很高的编码增益。用于涡轮码的迭代解码算法的收敛性分析最近已受到了很大的注意，这是由于其在预测码性能的有用性以及提供对编码器结构的洞察和帮助码设计的能力。涡轮网格编码调制(TTCM)结合昂格尔博克(Ungerboeck)的信号空间分隔与涡轮编码来实现显著的编码增益而不增加带宽。TTCM方案的执行依赖于符号序列间的欧几里得距离，而不是基本二进制码的汉明距离，TTCM方案的结构是更复杂的并难于分析。因此，收敛性分析对于TTCM甚至更重要，以帮助设计和方案的比较。
因为符号点间的欧几里得距离是QAM信号的最重要的特征，以及由于由一些高数据速率系统例如DSL所使用的离散多音调制方案需要发送每音至少三个DMT符号，因此需要在DMT中使用更有效的网格码。
发明内容
由于在DMT中需要使用更有效的网格码，因此本发明的多个实施方式可提供改善的涡轮网格编码调制，其使用并行链接卷积码，其包括内LRI交错器。
本发明的多个实施方式可提供一种方法和装置，其使用涡轮网格编码器编码DMT调制系统中的数据位，以通过使用适合于DMT调制的陪集分隔、位转换和星座编码来进一步实现对可实现的编码增益的改善。
本发明的至少一个实施方式可提供一种对DMT系统中的n位信息字执行涡轮网格编码调制(TTCM)的方法。根据此实施方式，对DMT系统中的n位信息字执行涡轮网格编码调制(TTCM)的方法包括下面的步骤：将所述n位信息字的至少一个最低有效位传送到冗余位涡轮机以产生m位码字，其中所述将一个或更多信息位传送到所述冗余位涡轮机(turbo-engine)的步骤包括下面的步骤，将所述至少一个最低有效位分成复制的第一和第二串行数据流，传送所述第一串行数据流通过第一系统递归编码器，以及传送所述第二串行数据流通过第二系统递归编码器，交错器在其之前，交替地自所述第一和第二系统递归编码器选择位输出以形成m位串行数据流，通过串行转并行的转换将所述m位串行数据流转换成所述m位码字，在所述最低有效位的位置对所述n位信息字附加所述m位码字以产生(n+m)位码字v，以及准备所述码字v以在通信信道上传送。
本发明的至少一个实施方式可提供一种冗余位涡轮机装置，其用于对DMT系统中的n位信息字执行涡轮网格编码调制(TTCM)。根据此实施方式，所述用于对DMT系统中的n位信息字执行涡轮网格编码调制(TTCM)的冗余位涡轮机装置可包括第一和第二串行数据通路，其每一个接收包括所述n位信息字的至少一个最低有效位的复制的串行数据流，其中所述第一串行数据通路包括第一系统递归编码器，以及所述第二串行数据通路包括第二系统递归编码器，交错器在其之前，以及交换机，其适合于交替地自所述第一和第二串行数据通路选择位输出以形成m位串行数据流。
附图说明
结合附图通过阅读下面的优选实施方式的详细说明，可更完全理解本发明。
图1为根据本发明的至少一个实施方式的一般的速率涡轮网格编码调制方案；
图2为根据本发明的至少一个实施方式的16态机器系统递归卷积编码器；
图3为根据本发明的至少一个实施方式的分成16陪集的2-D信号；
图4为根据本发明的至少一个实施方式的16正交幅度调制，其中b＝4；
图5为根据本发明的至少一个实施方式的4*4标记到16*16块标记的扩展；
图6为根据本发明的至少一个实施方式的用于b＝5的星座映射；
图7为根据本发明的至少一个实施方式的用于b＝6的星座映射；
图8为根据本发明的至少一个实施方式的用于b＝7、8和9的星座映射；
图9为根据本发明的至少一个实施方式的具有用于m＝1.5的半速率涡轮网格码的涡轮网格编码器；
图10为根据本发明的至少一个实施方式的4-D 8正交幅度调制星座映射和标记，其中b＝3。
图11为根据本发明的至少一个实施方式的具有用于m＝0.5和1的半速率涡轮网格码的涡轮网格编码器；
图12为根据本发明的至少一个实施方式的用于所有m的涡轮网格编码调制方案；
图13为根据本发明的至少一个实施方式的一进一出的冗余涡轮机；
图14为根据本发明的至少一个实施方式的对于m＝1、1.5、2、3、4和5比特/秒/赫兹用于BER特性的涡轮网格编码调制加里德-索罗蒙(ReedSolomon)码方案的比特误码率与信噪比曲线；
图15为根据本发明的至少一个实施方式的用于5比特/秒/赫兹谱效率的TTCM+RS对TCM+RS方案间的比较；
图16为根据本发明的至少一个实施方式的对于使用具有14.5dBm总功率的顶掩码(ceiling mask)的下游传输的频率与传输功率的关系图；
图17为一对图，其示出根据本发明的至少一个实施方式的在SBC条件下跨3千英尺环路(3K foot loop)的音谱的SNR和比特负载；
图18为一对图，其示出根据本发明的至少一个实施方式的在SBC条件下跨6千英尺环路(6K foot loop)的音谱的SNR和比特负载；
图19为根据本发明的至少一个实施方式的在AWGN信道上数据速率与环路长度的关系图。
详细说明
下面的说明旨在通过提供涉及用于进一步性能增强技术的DMT物理层中的网格码的许多具体的实施方式和细节来表达本发明的全面理解。对优选实施方式的多种改进和更改对于本领域的技术人员是明显的，以及在此定义的一般原理可应用于其它实施方式。因此，本发明并不局限于所示和所述的具体实施方式，而解释成符合在此所公开的新颖特征的更大的范围。
下面的表1.1为使用在本公开中的首字母缩写词列表
表1.1-所使用的首字母缩写词
  ADSL   非对称数字用户线路
  ASK   振幅偏移键控法
  AWGA   加性高斯白噪声
  TTCM   涡轮网格编码调制
  LRI   拉丁方/矩形矩阵的随机序列模式交错器
  PCCC   并行链接卷积码
  QAM   正交幅度调制
  LSB   最低有效位
  MSB   最高有效位
  SNR   信噪比
  S/P   串行转并行
  SRC   系统递归卷积
  MSED   最小平方欧几里得距离
  BPSK   二进制相移键控
  QPSK   正交相移键控
  BER   比特误码率
  VDSL   甚高(数据率)数字用户线路
如上所述，在本发明的至少一个实施方案中提供了一种具有可变速率的多级码的涡轮网格编码调制方案，其编码每音m信息位，其中m也定义为码的谱效率(比特/秒/赫兹)。根据此实施方式的TTCM方案设计成传送b位QAM信号，其中b为从1到15(或更大)变化的整数。因此，所述方案必须支持m到13(或更大)的所有整数值，以及两特定的谱效率m＝0.5和1.5。尽管使用同核涡轮码，其为二进制PCCC，然而关于谱效率设计了稍微不同的方案。对于每一特定情况：m＝0.5、m＝1、m＝1.5、和m≥2已优化了所述编码方案。出于简化，整个码的说明分成两步。对于m大于2定义了一般的多级方案。其余的值m＝0.5、1和1.5相应于3个特定的方案，其已被单独优化。
现在参考图1，一般的TTCM方案具有m≥2比特/秒/赫兹。对于m大于2，一般的TTCM方案为速率R＝m/(m+2)多级码，示出其将m位信息字u编码成(m+2)位码字v。如图1所示，u的两个最低有效位(LSB)(u1、u2)由速率2/4涡轮编码器编码成v的4个LSB(v1、v2、v3、v4)。其余的(m-2)位不编码(vi+2＝ui，对于2＜i＜m)。每一码字v被映射在2-D 2m+2点的QAM星座上。
根据本发明的另一实施方式，以及参考图2，显示出系统递归卷积编码器(SRC)的16态机。速率2/4涡轮码器是系统的，因此v3＝u1和v4＝u2。在多个实施方式中，两位v1和v2通过交错地编码两位u1和u2与速率1/2二进制PCCC来获得，其由被交错器分开的并行链接的两相同的速率1/2二进制系统递归卷积(SRC)编码器来形成。在多个实施方式中，每一组元编码器的生成矩阵可以表示为[1，g(D)]，其中g(D)＝n(D)/d(D)为16态卷积机的生成多项式(见图2)。在多个实施方式中，对于在高SNR的最低比特误差概率，可优化所述码，因此，选择多项式n(D)＝1+D2+D3+D4＝(27)8和d(D)＝1+D+D4＝(31)8。位u1和u2可串行化成流(u1、u2)，以及送给第一SRC编码器。第二编码器操作交错流(
Figure A20058003495000121
)。分别编码(u1、u2)和(
Figure A20058003495000122
)的各SRC编码器的输出由(y1、y2)和(
Figure A20058003495000123
)给出。整个码率在流(y1、y2)被降低y2，以及在流(
Figure A20058003495000124
)被降低
Figure A20058003495000125
在多个实施方式中，开关交错地选择位y1和 以形成降低的序列(y1、
Figure A20058003495000127
)。最后，串行转并行(S/P)转换器执行将流(y1、
Figure A20058003495000128
)转换成编码的位v1和v2，其分别对应于y1和
Figure A20058003495000129
。
在多个实施方式中，TTCM方案使用尺寸为N＝2044位的随机序列模式交错器的拉丁方/矩形矩阵(LRI)。LRI由原有的47×44＝2068位被减到2044位来获得。然而，应理解，交错器尺寸N的选择是完全任意的。当连接具有RS的TTCM，仅选择特定的交错器尺寸N＝2044以简化编程。使用接近于2044的N的任何其它值并不影响编码性能。此外，公知，交错器的尺寸驱动纠错性能(即，编码增益)以及码延迟：其都随N增加。尽管增加编码增益总是好的，然而延迟不可无限增加。因此，通过将码延迟限制到几个DMT符号，可使用约几千位的最大的交错器尺寸。此外，编码增益并不随N线性增加。例如，来自使用N＝4000代替N＝2000而可预料的编码增益改善并不与具有N＝2000和N＝1000的两方案间的增益那么大。因此，编码增益和延迟间的好的折衷产生包括约2000位的交错表。
总的TTCM方案设计成装载所有类型的b位QAM星座，其中b为整数以及从1位到15位(或更大)变化。由于所述一般的方案支持的最小的谱效率为m＝2比特/秒/赫兹，这需要使用4位QAM星座。在本发明的一实施方式中，使用b≥4的星座。参考图3，码字v被映射到2-D信号集，其被分成16子集(称作陪集)，由4位(v1、v2、v3、v4)标记，其由速率2/4涡轮码编码。在相同陪集的点间的最小平方欧几里得距离(Minimum Square Euclidean Distance，MSED)为16d0 2，其中d0 2为未分隔的星座中的点间的MSED。图3所示的陪集标记通过使用灰色标记连接两ASK信号来获得。
现在参考图4，作为一例子，图4表示由两4-ASK信号形成的16-QAM的标记。在此情况下，每一陪集包括仅一个点。位(v1、v2)被映射到y轴，以及位(v3、v4)被映射到x轴。使用此分隔简化解码器的复杂性，这是由于度量计算可简化到仅1-D距离的计算。对于b＞4，未编码的位(v5、v6、...)的标记不是灰色：使用标记与ADSL[2]有关。
图5示出递归构造大b位星座的过程，其自8位星座开始。4×4块被定义，具有与2-D信号集合的子集相同MSB标记，其包括标记有相同的MSB(vb-2、...、v5)的所有16个信号以及LSB(v4、v3、v2、v1)的16个可能的组合。如图5的左部分所示以及根据图3表示的集分隔，具有相同MSB标记的子集实际上为4×4标记的2-D方块。所述块可分成两子块“n”和“LSB”，其分别包括MSB和LSB。知道n和LSB，原来的4×4块可容易地通过对于每一标记在一矢量(vb-2、...、v1)组合LSB和MSB来恢复，其相当于计算LSB+16×n。对于b为偶数且b≥8，或对于奇数b且b≥11，通过用具有新标记的16×16块来取代具有相同MSB标记的每一4×4块可自(b-2)位星座获得b位星座，所述新标记通过遵守图5中给出的过程从原来的4×4块的标记产生。
用于较高有效位“n”的递归模式与使用在ADSL中的递归模式相同，因此b位星座的形状类似于G.992.1(b-4)位星座的形状。在ADSL中，用于产生较大的星座的递归公式对于b为偶数且b≥4是有效的，或对于b为奇数且b≥7是有效的，然而一些特定的映射用于b＝2、3和5。因此，在TTCM方案中，对于b为偶数，递归公式对b≥8是有效的，即256-QAM可自64-QAM星座产生等等。相似地，对于b为奇数，递归公式对b≥11是有效的，即，2048-QAM可分别自512-QAM星座产生。
在本发明的另一实施方式中，以及参考图6，对于b＝5，32-QAM星座的形状由G.992.18-QAM星座的形状产生，其被参考引入，此星座的形状已被选择用于保持MSED内陪集等于16d0 2。所述成形的性能相比于G.992.1 5位星座的成形。考虑所有星座归一化为单位能，在G.992.1 5位信号集中的点间的距离明显大于图6所示的32-QAM星座中的点间的距离。然而，使用G.992.1 5位星座需要通过具有等于8d0 2的MSED内陪集分隔来改变图3中的陪集分隔。具有两映射的编码方案的错误特性评估推断出图6中所提出的映射的选择。
对于b＜10，由于星座不能被递归构造(除了b＝8外)，星座在图4、6、7和8中给出。在图6到8中，为了简化附图，星座仅标记MSB。对于b＝6、8和9(以及更大)，通过用单个标记(如图8中所示)替代具有相同MSB标记的每一4×4块，b位星座与G.992.1(b-4)位星座相同。例如，在图8中，9位星座图的MSB块标记完全与使用在G.992.1网格码中的5位星座的标记相同。
如以上图1所示的一般方案并不适合于具有低于6.81dB的SNR的编码音(AWGN噪声假定+无容限)，其代表SNR需要装载m＝2比特/秒/赫兹的(见表2)。因此，本发明的方法和系统建议了方案范围，其适合于特定的谱效率m＝0.5、1和1.5比特/秒/赫兹，允许装载具有SNR达到8.72dB的音，其低于所述一般方案的6.81dB的限制。这些特定的方案使用与所述一般TTCM方案相同的组元涡轮编码器，以编码“所有的”位。然而，所述编码调制方案不同且对于每一特定的m值进行了优化。下面分别详述两种情况m＝1.5和m＝{0.5、1}。
对于m＝1.5比特/秒/赫兹的情况，由于m不是整数，因此TTCM方案使用4-D编码调制。如图9所示，所述方案使用与图1中所述的一般方案相同的组元涡轮编码器(虚线框中)、速率1/2涡轮编码器将3信息位(u1、u2、u3)编码成6位(v1、...、v6)，其映射在由两相同2-D 8-QAM星座形成的4-D信号集上。然后，对两不同的音装载所述一对2-D QAM。8-QAM星座的形状以及4-D信号集的标记在图10中详述出。
对于m＝0.5和1比特/秒/赫兹的情况，如图11示出，用于发送0.5和1比特/秒/赫兹的编码器专有地包括定义在2.1.1中的速率1/2组元涡轮编码器(虚线框)。所述两方案的唯一差异在于用于传送v1和v2的星座映射：
对于1比特/秒/赫兹，两编码的位v1和v1映射在2-D QPSK星座上，其通过一音传送。
对于0.5比特/秒/赫兹，编码的位v1和v1映射在两单独的BPSK星座上，其通过两不同的音传送。因此考虑每音2维度，使用4-D BPSK调制用于传送0.5比特/秒/赫兹。
图11中使用的PCCC架构与Berrou和Glavieux在C.Berrou、A.Glavieux和P.Thitimajshima的“Near Shannon limit error-correcting codingand decoding：Turbo-codes，”，Proc.IEEE ICC，pp.1064-1070，1993年五月，中提议的原来的涡轮码相同，因此从接近香农限的特征性继承下来。对于10-7的BER，所述码操作在1.55dB的香农限内。
如在用于ADSL的G.bis标准，“ITU-T RecommendationG.992.3(07/2002)-非对称数字用户线路收发器2(ADSL2)”，所述方案支持b＝1位的星座(对于m＝0.5)。因此，通过使用传送BPSK星座的4-D编码调制，可装载具有3dB SNR的音，其低于用于传送QPSK星座所需的SNR。对于此从缺点为谱效率被因子二除。
用于所有m≥0.5的整个TTCM方案被描述如下：综合图1、9和11的总方案在图12中给出。来自外部RS码的位流被分成两个流(未编码的和涡轮编码的)。对于每一音(或若m＝0.5或1.5的音对)，根据音的谱效率m(已知每音的SNR，确定其)，通过自每一流选择位，位转符号转换器形成符号v。符号v被映射到b位星座，其中b依赖于m(见表1.2)。所述方案使用图13给出的相同的一进一出冗余位涡轮机设备，以及其在图1、9和11中以虚线框显示出。因此，无论什么m值，都可使用相同的编码器-解码器。对于m，星座映射使用每符号v1或2音。对于每一m值，表1给出星座映射以及用于映射一个符号v的音的数量。
        表1.2-星座映射
  谱效率(比特/秒/赫兹)   星座映射   每符号v所装载的音#
  0.5   BPSK   2
  1   QPSK   1
  1.5   8QAM   2
  M≥2   2m+2QAM   1
对于m＜6的所有可能的谱效率，对加性高斯白噪声(AWGN)信道模拟整个编码方案(外RS码+内TTCM)的错误特性。在表1.3中给出模拟参数。注意所有的模拟考虑两码间没有外交错。
表1.3-模拟参数
  FEC类型   所建议的TTCM+RS
  外码   (255，239)RS码
  外交错器   无
  内码   TTCM
  内交错器   LRI(2044位)
  内解码器   MAP(8迭代)
  编码调制   QAM(1到15位)
  信道模式   AWGN
为了比较所建议的TTCM方案与在ADSL中所使用的当前16态4-D网格码的性能，模拟由外RS码和内16态TCM(没有外交错)的连接形成的TCM编码方案。
图14表示对于具有m等于1、1.5、2、3、4和5的TTCM+RS方案的BER与SNR的关系曲线。注意，通过将用于m＝13dB的特性曲线向左移，可获得用于m＝0.5的特性曲线。16态TCM+RS和TTCM+RS方案，用于传输具有BER等于10-7的位所需要的SNR界定在表1.4中。根据香农理论，在大SNR情况下，可每当SNR双倍(即，增加了3dB)时传送一额外的位。对于m＞5，认为SNR足够大足以应用此规律。
表1.4-在10-7BER(m＜6)TCM和TTCM的装载SNR
  谱效率(比特/秒/赫兹)   TCM+RS装载SNR(dB)   TTCM+RS装载SNR(dB)
  0.5   -   -1.46
  0.75   3.70   -
  1   -   1.55
  1.5   6.71   4.67
  2   -   6.81
  2.5   11.69   -
  3   -   11.27
  3.5   14.50   -
  4   -   14.03
  4.5   17.88   -
  5   -   17.22
  5.5   21.14   -
如对于所述编码增益，以及如表1.4所示，TCM和TTCM方案并不提供传送相同谱效率的可能(除了m＝1.5)。因此，不能直接获得所述两方案间的净编码增益。然而，当使用由一对2-D b位以及(b+1)位星座形成的4-D星座时，TCM方案可支持整数谱效率。作为一例子，图15显示对于m＝5的比特/秒/赫兹谱效率，四个不同编码方案的所模拟的比特错误特性。下面的说明用于解释在此附图中所显示的结果。
1.未编码的32-QAM调制(虚线)；
2.标准16态网格码(实线)；
3.与外(255，239)RS码连接的标准16态网格码(实线+三角形)；
以及
4.与外(255，239)RS码连接的涡轮网格码(实线+菱形)。
根据图15，在BER为10-7，与未编码的32-QAM相比，TTCM+RS方案的净编码增益为7.1dB，其对于TCM+RS方案具有2.6dB的编码增益。
本发明的另一方面涉及速率改善。所述以上处理错误特性和编码增益的部分比较TCM和TTCM在AWGN信道上的性能。此比较提供对平均净编码增益的好的估计，这可帮助计算可通过使用TTCM代替当前的TCM来获得的最大的速率改善。在多个实施方式中，TTCM方案的平均净编码增益为7.1dB，即对于当前的TCM 16+RS码具有2.6dB编码增益，其相应于每音装载额外的0.8信息位的可能性。
然而，考虑到每一音可增加0.8位是太粗略的近似。实际上，每音可装载的编码位的当前最大数量是受限的(在ADSL中为15位)。因此，当每音的SNR远大于用于装载最大的星座所需的SNR时，这发生在低频，一些音不可能受益于0.8位的扩展，这是因为没有TTCM所使用的星座的尺寸已饱和。相反地，对于小的谱效率，相对于TCM，TTCM的编码增益大于2.6dB，因此一些具有低SNR的音可受益于超过0.8位的扩展。
在此部分，为了得到对可通过自TCM转换到TTCM编码方案获得的改善速率的更实际的估计，当前发明的一实施方式根据每音的SNR，对装载不同尺寸的星座的DMT信道计算两方案的位装载(即，速率特性)。在所有的模拟中，考虑6dB的SNR容限。分析两例子，其考虑在3kft和6kft环路上的特定VDSL传送(图17和18)。VDSL 2传送使用达30MHz的频率范围，然而，装载所述带宽的方式对于高于12MHz的频率仍然并没有确定地定义。低于12MHz，带宽分隔类似于VDSL。因此，实验结果集中在使用达12MHz的VDSL传送的码的特性上。针对交换SBC要求研究了下游传输，其为LB-023.SBD，“VDSL 2 Service Provider Requirements”，Leuven，Belgium，2004年6月14日，LB-097R2.Ad Hoc Convenor，“G.vdsl2：Add-hoc session report”，Leuven，Belgium，2004年6月17日，以及T1.PP.424-2004，“Interface between Networks and Customer InstallationVery-high-bit-rate Digital Subscriber Lines(VDSL)MetallicInterface(DMT-based)”，即，使用总功率为14.5dBm的顶掩码，其在图16中给出。在此情况下，总带宽被分成2784音，每一音4.3125kHz宽。1438音被装载用于下游，这导致具有0.8×1483×4＝4.6兆比特/秒(Mbits/sec)的最大的速率改善。图17和18显示在示例性源提供者的规格下的3千英尺环路和6千英尺环路的SNR和位装载，其例如使用图16中给出的顶掩码的SBC(ILEC)定义的条件。根据表1.5，在TTCM和TCM间的速率改善在3kft达到3.4兆比特/秒。在6kft，速率改善为1兆比特/秒，其与相对TCM的38％的速率改善相应。
表1.5-在SBC条件下3千英尺和6千英尺环路的位速率
  环路长度   TCM+RS   TTCM+RS
  3kft   16.6兆比特/秒   20兆比特/秒
  6kft   2.6兆比特/秒   3.6兆比特/秒
就速率与达到的性能而言，图19显示速率与达到的性能，其通过在AWGN信道上使用图16给出的顶掩码传送VDSL信号来获得。对从1km到2.75km变化的环路长度给出了所述性能。在给定的速率，通过本发明的多个实施方式，实现了长于2.5km的所达到的环路的约100米的增益。
就延迟而言，下面的表1.6表示在AWGN信道上使用图16给出的顶掩码传送下游信号的TTCM方案的延迟。内交错器尺寸保持2044位。对于短于1km的环路，超过1022音被装载。在此情况下，由于每音可装载达到2位，其由涡轮组元编码器编码，涡轮编码块包括在1DMT符号中，即，延迟降到0.5ms。
表1.6-在AWGN信道上具有顶掩码的VDSL D/S的延迟
  环路长度   所装载的符号的#   延迟
  ＜1km   1   0.5ms
  从1km到2km   2   1ms
  ＞2.5km   3或更多   ＞1.5ms
因此，在本发明的至少一个实施方式中，介绍和评估用于VDSL 2的统一TTCM方案，其基于TTCM以前提议的最有效项，例如CatenaNetworks，Inc，“G.gen.bis：A Turbo TCM scheme with low decodingcomplexity，”ITUstandard contribution，Study Group 15 Question 4/15，BI-090，Bangalore，India，2000年10月，Vocal Technologies Ltd，ITU standardcontribution，Study Group 15Question4/15，Documents BA-020R1和HC-073，2000，以及Mitsubishi Electric Co，“G.gen：Proposal forinner-interleaver of TTCM(PCCC)，”ITUstandard contribution，StudyGroup15Question4/15，BA-088R1，Antwerp，Belgium，2000年6月，用于ADSL和ADSL2。本TTCM编码每音2位，如在Catena参考中，以限制复杂性。本发明的多个实施方式还使用LRI交错器，例如如Mitsubishi和Vocal参考所建议的。由于以前TTCM文献并未明确地处理奇的星座，因此本发明的多个实施提议有效3、5、7和9位星座架构用于TTCM。此外，本发明的多个实施方式提议与ADSL范例有关的递归构造算法用于更高的偶和奇的星座(支持超过8位)。多个实施方式还提出用于通过在接近香农限的信噪比支持0.5位/秒/赫兹的谱效率来得益于尽可能多的可装载的带宽的方式。
在(255，239)外里德索罗蒙码出现但没有外交错器(快模式)的情况下，已显示根据本发明的多个实施方式的本TTCM方案提供7.1dB的平均净编码增益，即相对于标准16态4-D网格码，2.6dB的编码增益改善，所述标准16态4-D网格码使用于当前ADSL2系统，国际电信同盟(International Telecommunication Union(ITU))，“Draft new recommendationG.992.1：Asymmetrical digital subscriber line(ADSL)transceivers”，1999年7月。此基本的编码增益导致在6kft VDSL2速率增加了38％，对于具有～1.5ms延迟的SBC条件，LB-023.SBC，“VDSL2 Service ProviderRequirements”，Leuven，Belgium，2004年6月14日，LB-097R2.Ad HocConvenor，“G.vdsl2：Add-hoc session report”，Leuven，Belgium，2004年6月17日，以及T1.PP.424-2004，“Interface between Networks and CustomerInstallation Very-high-bit-rate Digital Subscriber Lines(VDSL)MetallicInterface(DMT-based)”。
本发明的实施方式并不局限于在此所描述的具体实施方式的范围。例如，尽管在此所公开的许多实施方式描述为是关于在xDSL收发器中执行涡轮网格编码调制(TTCM)的系统和方法，然而在此的原理可等同地用于信号处理的其它方面。实际上，除了在此所描述实施方式外，本发明的实施方式的多个修改因前面的说明和附图将对于本领域的普通技术人员变得显而易见。因此，这样的修改旨在落在下面的所附权利要求的范围内。此外，尽管在用于特定目的的特定环境、在特定实现的背景中在此已描述了本发明的一些实施方式，然而本领域的普通技术人员应认识到，其的用途并不局限于此，以及本发明的实施方式可有利地在用于许多目的的许多环境中实现。因此，应考虑到在此所公开的本发明的实施方式的整个精神和主旨来解释下面所陈述的权利要求。

Claims (30)

1.一种对DMT系统中的n位信息字执行涡轮网格编码调制(TTCM)的方法，包括下面的步骤：
将所述n位信息字的至少一个最低有效位传送到冗余位涡轮机以产生m位码字，其中将所述至少一个信息位传送到所述冗余位涡轮机的所述步骤包括下面的步骤，将所述至少一个最低有效位分成复制的第一和第二串行数据流，传送所述第一串行数据流通过第一系统递归编码器，以及传送所述第二串行数据流通过有交错器在其之前的第二系统递归编码器；
交替地自所述第一和第二系统递归编码器选择位输出以形成m位串行数据流；
通过串行转并行的转换将所述m位串行数据流转换成所述m位码字；
在所述最低有效位的位置对所述n位信息字附加所述m位码字以产生(n+m)位码字v；以及
准备所述码字v用于在通信信道上传送。
2.根据权利要求1所述的方法，其中n还是所述涡轮网格编码调制的谱效率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中n≥2。
4.根据权利要求3所述的方法，其中2个最低有效位被传送给所述冗余位涡轮机以产生2位码字，以及所述2位码字附加到所述n位信息字的所述最低有效位的位置以产生2+n位码字v。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述准备所述码字v用于在通信信道上传送的步骤包括将所述码字v映射到2维2n+2个点的QAM星座。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述交错器为拉丁方/矩形矩阵的随机序列模式交错器(LRI)，其具有的尺寸＝2044位。
7.根据权利要求5所述的方法，其中所述星座映射包括到至少4位QAM星座的映射。
8.根据权利要求5所述的方法，其中所述将所述码字v映射到2维2n+2个点的QAM星座的步骤包括将所述码字v映射到2维信号集，所述2维信号集分成16陪集，其由所述码字v的所述四个最低有效位标记。
9.根据权利要求7所述的方法，其中相同陪集中的点间的MSED为16d0 2，其中d0 2为所述未分隔的星座中的点间的MSED。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述星座为b＝4位QAM(16QAM)，以及每一陪集由单个星座点形成。
11.根据权利要求8所述的方法，其中所述星座为b＞4位QAM星座，每一陪集由2b-4个点形成以及仅由所述涡轮编码位确定，以及所述陪集标记从点间具有MSED d0 2的方点阵获得，所述方点阵通过复制4×4模式构造，当所述星座为4位QAM时获得其，从而具有相同标记的所述点间的MSED保持等于16d0 2。
12.根据权利要求2所述的方法，其中n＝1.5。
13.根据权利要求12所述的方法，其中3个最低有效位被传送到所述冗余位涡轮机以产生3位码字，以及所述3位码字被附加到所述3位信息字的所述最低有效位的位置以产生6位码字。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述准备所述(n+m)位码字用于在通信信道上传送的步骤包括将所述(n+m)位码字映射到两相同的2维8-QAM星座图，以及将所述两2维8-QAM星座图装载到两不同的音上，从而所述8星座映射点000、100、110、010、011、111、101和001分别在x-y位置{2，1}、{1，2}、{-1，2}、{-2，1}、{-2，-1}、{-1，-2}、{1，-2}和{2，-1}。
15.根据权利要求2所述的方法，其中n等于1或1/2。
16.根据权利要求15所述的方法，其中所述一个最低有效位被传送到所述冗余位涡轮机以产生1位码字，以及所述1位码字被附加到所述1位信息字的所述最低有效位的位置以产生2位码字。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述准备所述(n+m)位码字用于在通信信道上传送的步骤包括，若n＝1/2，那么执行所述(n+m)位码字到两不同音上的两单独的BPSK星座的4维(两2-D)映射，否则，若n＝1，那么执行所述(n+m)位码字到单音上的2维QPSK星座的2维映射。
18.一种冗余位涡轮机装置，其用于对DMT系统中的n位信息字执行涡轮网格编码调制(TTCM)，包括：
第一和第二串行数据通路，其每一个接收包括所述n位信息字的至少一个最低有效位的复制的串行数据流，其中所述第一串行数据通路包括第一系统递归编码器，以及所述第二串行数据通路包括有交错器在其之前的第二系统递归编码器；以及
交换机，其适合于交替地自所述第一和第二串行数据通路选择位输出以形成m位串行数据流。
19.根据权利要求18所述的装置，进一步包括：
串行转并行转换器，其用于将所述m位串行数据流转换成m位码字；
附加电路，其适合于在所述最低有效位的位置对所述n位信息字附加所述m位码字以产生(n+m)位码字；以及
星座映射器，其用于将所述(n+m)位码字映射到至少一个音上，以准备所述(n+m)位码字用于在通信信道上传送。
20.根据权利要求19所述的装置，其中n还是所述涡轮网格编码调制的谱效率。
21.根据权利要求20所述的装置，其中n≥2。
22.根据权利要求21所述的装置，其中所述第一和第二串行数据通路适合于接收包括所述n位信息字的2个最低有效位的复制的串行数据流。
23.根据权利要求22所述的装置，其中所述星座映射器适合于将所述(n+m)位码字映射到单音上的2维2n+2个点的QAM星座上。
24.根据权利要求18所述的装置，其中所述交错器为拉丁方/矩形矩阵的随机序列模式交错器(LRI)，其具有的尺寸＝2044位。
25.根据权利要求20所述的装置，其中n＝1.5。
26.根据权利要求25所述的装置，其中所述第一和第二串行数据通路适合于接收包括所述n位信息字的3个最低有效位的复制的串行数据流，以及每一个产生3位串行化的码字。
27.根据权利要求25所述的装置，其中所述星座映射器适合于将所述(n+m)位码映射到两相同的2维8-QAM星座映射上，以及将所述两对2维8-QAM星座装载到两不同的音上。
28.根据权利要求20所述的装置，其中n等于1或1/2。
29.根据权利要求28所述的装置，其中所述第一和第二串行数据通路适合于接收包括一个最低有效位的复制的串行数据流，以及每一个产生1位码字。
30.根据权利要求20所述的装置，其中所述星座映射器适合于若n＝1/2，执行所述(n+m)位码字到两不同音上的两单独的BPSK星座的4维(两2-D)映射，以及若n＝1，执行所述(n+m)位码字到单音上的2维QPSK星座的2维映射。
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