CN100356698C - Turbo乘积码三维级联NR码的信道编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种Turbo乘积码三维级联NR码的信道编码方法。输入TPC编码器的串行数据信息比特流按比特为单位，逐行进入TPC编码矩阵，经扩展汉明编码形成二维的TPC编码输出矩阵块，8个连续的TPC编码输出矩阵块形成一个三维数据块。对于第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码形成16个比特，依次排列在第三维。TPC码与NR编码都属于分组码，所以本发明易于实现。本发明可以为接收端均衡器提供更为可靠的软判决信息，来提高均衡器的性能，从而进一步降低系统的载噪比门限。在TPC与NR编码之间加入交织处理，还可以进一步提高系统抗突发错误的能力。
Description
技术领域 本发明属于数字信号传输领域，特别涉及数字信号传输中一种结合Turbo乘积码(简称TPC码)和Nordstrom-Robinson码(简称NR码)的信道编码方法。
背景技术 地面无线传输信道是一个非常复杂的传输信道，无论固定接收还是移动接收，都面临严重的多径干扰和其它衰落因素影响。所以，信号经过信道传输以后，将不可避免地出现错码现象。在恢复图象之前，必须将这些可能出现的错码纠正过来，信道纠错编译码就是非常有效的手段之一。信道编码实际上是通过加入一定的冗余信息作为传输的辅助信息，对抗信道衰落和其他干扰，来保证数据的可靠传输。
信道编码是反映系统纠错能力的一个技术核心，编码效率与纠错能力是一对需要统一的矛盾。根据不同的运营业务的需要，选择对应的数据码率，并对该业务流提供相应的信道编码保护。由于运营业务不同，相应的传输码率不同，对应的信道衰落情况也各不相同：比如高清视频固定接收业务的传输码率要求高，但固定接收的信道衰落不随时间变化，因此可以选择编码效率高、纠错性能相对要求较低的信道编码方式；而对应标清视频或数据的移动接收业务的传输码率不高，但移动接收情况下的信道非常恶劣，并且随时间和地点迅速变化，因此可以选择编码效率较低，纠错能力强的信道编码方式。
1993年，C.Berrou提出了经典“Turbo码”，即PCCC：由两个并行级联的子卷积码编码器以及伪随机交织器构成，并采用了迭代译码结构和针对子卷积码的MAP译码算法。PCCC是第一种出现的Turbo码，它的构造是信道编码领域的一次革命，并推动了其它一系列Turbo码的诞生与成熟。
Turbo码是至今为止最有效的信道纠错码：使传输可靠性提高；也使传输速率提高；具有很好的误码性能：十分接近香农界(Shannon)。现有大量的投资、人力正推动Turbo码在各种系统中得到广泛应用。对于传播环境恶劣的无线系统，采用Turbo码可以最大程度上提高未来系统的性能。目前Turbo码已经被广泛应用于从有线到无线的各种宽带数据通信应用场合，包括：蜂窝移动通信，已被选为WCDMA/cdma2000中，作为传输多媒体业务的信道编码标准；宽带卫星通信；数字电视广播DVB-RCT和DVB-RCS；无线局域网(IEEE 802.11)；宽带无线接入(IEEE 802.16)；以及其它如数据存储介质设备访问和有线调制解调器(CableModem)、DSL等。
Turbo乘积码(简称TPC码)，是采用软输入软输出(SISO)迭代译码的乘积码，是传统Turbo码技术(PCCC)的一种发展。与PCCC相比，TPC码可以在较高的编码效率情况下，比如R＞2/3，仍然保持相当强的纠错能力，有利于提高频谱利用率；可提供更好的抗衰落性能，并能较大的改善误比特率-信噪比(BER-SNR)性能曲线的误码平层效应，这些性能均优于传统的Turbo码，以及传统的卷积编码，包括TCM编码。
由于与传统的Turbo码相比，TPC具有更低的误码平层，更适合于高频谱效率、高数据速率通信场合。可能应用包括无线局域网(IEEE 802.11)、宽带无线接入(IEEE 802.16)、宽带卫星通信和3G+、4G移动通信系统等。
卷积码(n，k，m)是一种非常有效的编码，由于k和n通常很小，特别适合以串行形式进行传输，时延小。与分组码不同，卷积码编码后的n个码元不仅与当前段的k个信息有关，还与前面的N-1段信息有关，编码过程中互相关联的码元个数为nN。采用基于码的网图基础上的一种最大似然译码算法一维特比算法(viterbi)，是一种最佳的概率译码方法。在通信领域内被广为应用。现有的美国、日本和欧洲的数字电视地面传输标准都采用不同码率的卷积码进行内码编码。
Nordstrom-Robinson码(简称NR码)是一种高效实用的非线性分组码。NR(16，8，6)码字的码率为1/2，最小汉明距离为6(大于相同编码效率的卷积码(2，1，2)，自由距为5)，可以纠正2个错误。它的构成有多种方式，常采用是它的一种系统形式。NR(16，8，6)码具有较好的相关特性，码字集中的每一个码字与256个码字进行同步相关产生的256个相关输出中有1个最大相关输出16，1个最小相关输出-16，有30个相关输出为0，其他相关值为+4或-4。在接收端可以用相关译码，且每个比特的置信度一致。仿真结果表明，NR(16，8，6)比卷积码(2，1，2)具有更低的Eb/No门限，更快进入瀑布区。
对于单载波系统，信道编解码不仅通过自身的编解过程进行纠错，同时还与均衡器结合，为均衡器提供更为可靠的软判决信息，来提高均衡器的性能，从而进一步降低系统的载噪比门限。因此，在单载波系统选择编码时还需要考虑同均衡器结合的特点——更为可靠的软判决信息：1：更大的汉明距；2：更低的载噪比(Eb/No)门限；3：为均衡器提供置信度均匀的可靠信息。上述各种编码方法虽各具优点，但都不能单独很好地满足此要求。
发明内容 本发明的目的是提出一种结合Turbo乘积码和NR码的信道编码方法。该方法充分挖掘出两种编码之间的匹配优势以得到更强的纠错能力，可以进一步降低传输系统的载噪比门限。
本发明中的Turbo乘积码编码是这样的：输入的串行数据信息比特流按比特为单位，逐行进入TPC编码矩阵，每行M1比特，共N1行，形成一个N1行M1列的输入数据信息比特矩阵(N1*M1)；然后经扩展汉明编码形成N2行M2列的二维TPC(N2*M2)编码输出矩阵块。
本发明中的NR码采用具有较好相关特性的NR(16，8，6)码。码字集中的每一个码字与256个码字进行同步相关产生的256个相关输出中有1个最大相关输出16，1个最小相关输出-16，有30个相关输出为0，其他相关值为+4或-4。
在本发明设计的信道编码方法中，Turbo乘积码TPC(M2，M1；N2，N1)和NR(16，8，6)码的结合采用三维级联的方式，即：
输入TPC编码器的串行数据信息比特流按比特为单位，逐行进入TPC编码矩阵，每行M1比特，共N1行，形成一个N1行M1列的输入数据信息比特矩阵(N1*M1)；然后经扩展汉明编码形成N2行M2列的二维TPC(N2*M2)编码输出矩阵块。可以首先纵向逐列进行扩展汉明编码(N2，N1)，然后再横向逐行进行扩展汉明编码(M2，M1)；也可以首先横向逐行进行扩展汉明编码(M2，M1)，然后再纵向逐列进行扩展汉明编码(N2，N1)。这样的二维TPC(M2，M1；N2，N1)编码持续进行，连续的8个TPC编码输出矩阵块形成一个三维数据块(M2*N2*8)，第一维长度是M2，第二维长度是N2，第三维长度是8。
对于第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码，形成16个比特，依次排列在第三维，共进行M2*N2次NR编码，最终形成(M2*N2*16)的数据块。
考虑到进一步提高抗突发错误的能力，在TPC与NR编码之间可以增加比特交织处理。比特交织可以在单个二维TPC编码块的块内进行，也可以在8个连续的二维TPC编码块之间进行。块间交织输出时，按照TPC块的顺序(1～8)依次输出每个TPC块的相同位置上的1个比特数据，每个TPC块内的数据按对角线顺序输出。交织后的数据依然形成(M2*N2*8)的数据块。
此外，还可以考虑在NR编码之后增加符号交织处理。
本发明提出一种新的信道编码结合方式。TPC码与NR编码都属于分组码，其结合易于实现。TPC码与NR编码结合可以为接收端均衡器提供更为可靠的软判决信息，来提高均衡器的性能，从而进一步降低系统的载噪比门限，特别适用于单载波传输系统。在TPC与NR编码之间加入交织处理，还可以进一步提高系统抗突发错误的能力。
以下结合附图和实施例进一步描述本发明。
附图说明 图1为本发明信道编码方法的第一实施例。
图2为本发明信道编码方法的第二实施例。
具体实施方式 图1给出了本发明方法的一种实现方式，其中M2＝N2＝128，M1＝N1＝120。
输入TPC编码器的串行数据信息比特流按比特为单位，逐行进入TPC编码矩阵，每行120比特，共120行，形成一个120行120列的输入数据信息比特矩阵(120*120)。然后首先纵向逐列(120列)进行扩展汉明编码(128，120)，再横向逐行(128行)进行扩展汉明编码(128，120)，从而形成128行128列的二维TPC(128*128)编码输出矩阵块。这样的二维TPC(128，120；128，120)编码持续进行，连续的8个TPC编码输出矩阵块形成如图1所示的三维数据块(128*128*8)。可以看出，第一维和第二维长度都是128，第三维长度是8。
扩展汉明码是在汉明码的基础上，再增加一位奇偶交验位。该奇偶交验位对整个码字进行奇偶交验。本发明TPC编码器支持多种扩展汉明码。
对于第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码，形成16个比特，依次排列在第三维。从图1可以看出，共进行16384(即128*128)次NR编码，形成编码后的三维数据块(128*128*16)。
考虑到进一步提高抗突发错误的能力，在TPC与NR编码之间可以增加比特交织处理。本实施例中，比特交织在二维TPC编码块的块内进行。对8个二维TPC编码块独立进行块内交织，每一个TPC编码块通过对角线比特交织后的数据依次排列成128行128列的正方形数据块(128*128)。8个连续的二维TPC编码块交织后的数据仍然形成一个三维数据块(128*128*8)。然后，对于第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码，形成16个比特，依次排列在第三维。共进行16384(即128*128)次NR编码，形成编码后的三维数据块(128*128*16)，完成编码过程。
NR(16，8，6)编码输出可以再进行J个NR编码输出块的块间符号交织，J可以为0、1、2、4、8、16、32、64或128。
图2给出了本发明方法的另一种实现方式，其中M2＝N2＝128，M1＝N1＝120。
输入TPC编码器的串行数据信息比特流按比特为单位，逐行进入TPC编码矩阵，每行120比特，共120行，形成一个120行120列的输入数据信息比特矩阵(120*120)。然后首先横向逐行(120行)进行扩展汉明编码(128，120)，再纵向逐列(128列)进行扩展汉明编码(128，120)，从而形成128行128列的二维TPC(128*128)编码输出矩阵块。这样的二维TPC(128，120；128，120)编码持续进行，连续的8个TPC编码输出矩阵块形成如图2所示的三维数据块(128*128*8)。可以看出，第一维和第二维长度都是128，第三维长度是8。
对于第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码，形成16个比特，依次排列在第三维。从图2可以看出，共进行16384(即128*128)次NR编码，形成编码后的三维数据块(128*128*16)。
考虑到进一步提高抗突发错误的能力，在TPC与NR编码之间可以增加块间比特交织处理。本实施例中，比特交织在8个二维TPC编码块之间进行。交织输出时，按照TPC块的顺序(1～8)依次输出每个TPC块的相同位置上的1个比特数据，每个TPC块内的数据按对角线顺序输出。具体地说，依次输出第1个块的(0，0)、第2个块的(0，0)、...一直到第8个块的(0，0)，然后输出第1个块的(1，1)、第2个块的(1，1)、...一直到第8个块的(1，1)，...，然后输出第1个块的(127，127)、第2个块的(127，127)、...一直到第8个块的(127，127)，然后输出第1个TPC块的(0，1)、第2个TPC块的(0，1)、...一直到第8个块的(0，1)，然后输出第1个TPC块的(1，2)、第2个TPC块的(1，2)、...一直到第8个块的(1，2)，...，然后输出第1个TPC块的(127，0)、第2个TPC块的(127，0)、...一直到第8个块的(127，0)，...，最后输出第1个TPC块的(127，126)、第2个TPC块的(127，126)、...一直到第8个块的(127，126)。
8个连续的二维TPC编码块交织后的数据仍然形成一个三维数据块(128*128*8)。然后，对于第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码，形成16个比特，依次排列在第三维。共进行16384(即128*128)次NR编码，形成编码后的三维数据块(128*128*16)，完成编码过程。
通过该实施例，可以提高交织深度，有助于在第一个实施例的基础上进一步提高系统的抗突发性错误性能。
NR(16，8，6)编码输出可以再进行J个NR编码输出块的块间符号交织，J可以为0、1、2、4、8、16、32、64或128。
本发明实施例以M2＝N2＝128，M1＝N1＝120为例进行了说明。但本发明显然还适用于其他TPC编码与NR(16，8，6)编码的三维级联。
Claims (7)
1.一种Turbo乘积码三维级联NR码的信道编码方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)输入TPC编码器的串行数据信息比特流按比特为单位，逐行进入TPC编码矩阵，每行M1比特，共N1行，形成一个N1行M1列的输入数据信息比特矩阵；然后经扩展汉明编码形成N2行M2列的二维TPC(N2*M2)编码输出矩阵块；
(2)步骤(1)的二维TPC编码持续进行，连续的8个TPC(N2*M2)编码输出矩阵块形成一个三维数据块(M2*N2*8)，第一维长度是M2，第二维长度是N2，第三维长度是8；
(3)对于步骤(2)形成的三维数据块(M2*N2*8)第三维的8个比特，通过NR(16，8，6)编码，形成16个比特，依次排列在第三维，共进行M2*N2次NR编码，最终形成编码后的数据块(M2*N2*16)，完成编码过程；
上述(1)至(3)中，M1等于N1，M2等于N2。
2.根据权利要求1所述的信道编码方法，其特征在于：在所述步骤(2)和步骤(3)之间还包括一个比特交织处理步骤，交织后连续的8个TPC(N2*M2)编码输出矩阵块仍然形成一个三维数据块(M2*N2*8)，第一维长度是M2，第二维长度是N2，第三维长度是8。
3.根据权利要求2所述的信道编码方法，其特征在于：所述比特交织在单个二维TPC编码块的块内进行；交织输出时，TPC编码块内的数据按对角线顺序输出。
4.根据权利要求2所述的信道编码方法，其特征在于：所述比特交织在8个连续的二维TPC编码块之间进行；交织输出时，按照TPC块的顺序依次输出每个TPC块的相同位置上的1个比特数据，每个TPC块内的数据按对角线顺序输出。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的信道编码方法，其特征在于：M2＝N2＝128；M1＝N1＝120。
6.根据权利要求5所述的信道编码方法，其特征在于：在NR编码之后，还进行块间符号交织处理；交织深度为J个NR编码输出数据块。
7.根据权利要求6所述的信道编码方法，其特征在于：交织深度参数J取为1、2、4、8、16、32、64或者128。
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