CN1130838C - 对8移项键控格状调制的收缩卷积码的中间速率应用 - Google Patents
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Abstract
一种以5/8速率卷积码对数字数据作卷积编码的方法和设备。标准的1/2速率卷积码被利用收缩映射和八进制生成器133、171收缩到速率5/8，其中约束长K＝7。利用5/8速率代码处理输入数据。另一实施例中，利用收缩映射和八进制生成器117、135、161将1/3速率卷积码收缩到速率5/8，其中约束长K＝7。
Description
本发明是关于采用5/8速率的收缩卷积码的数字数据通信，较具体说是关于由收缩-“标准的”速率1/2或1/3的卷积码所得到的这样的代码。
实用的格状编码调制(TCM)是一种采用施加于M层相位键控(MPSK)或M层正交调幅(MQAM)符号映射的一定位(比特)的公知和“标准”的基础卷积码的组合前向纠错(FEC)编码和调制方案。其实效在于通过应用几乎是标准的现有的译码硬件，在带宽有限的信道得到提高的数据速率。Viterbi等提出这种方案并给出一示例，其中采用基础的标准速率1/2的约束长为K＝7的编码器的输出作为各个3位PSK符号的二最低位(LSB)和利用-未编码的、或并行分支位来选择此3位8 PSK符号的最高位(MSB)。Viterbi，Andrew等：“格状编码调制的实用方法”，IEEE Communications Magazine，July 1989，pp11～19。Viterbi的设计取2信息位来生成代码速率为2/3的三信道位即一8PSK符号(-并行的未编码位和一位被作1/2速率编码成二位)。这种代码已被应用作为Intersat卫星服务中的标准。Intelsas Earth Station Standards(IESS)Doc.IESS-310，“采用2/3速率TCM、8PSK和Reed-Solomon外编码的中间数据速率数字载波(TCM/IDR)的性能特征”，ApprovalDate：Sep 1996，16，pp14～22。
Wolf等的近期成果是将实用编码扩展到更高的速率，例如，以将“标准”的1/2速率K＝7的代码收缩到3/4速率和在二8PSK符号周期中连同二未编码的并行分支位一应用其输出来建立5/6速率的代码。Wolf，Jack，Keil和Zehavi，Ephraim的“P2代码：采用收缩卷积码的实用格状代码”，IEEE Commnications Magazine，Feb 1995，pp94～99。另外的有关参数文献包括有美国专利：No.5233629“采用格状编码QAM的数字数据通信的方法和设备”(Paik等)，No.5396518“采用带收缩卷积码的格状编码的数字数据通信的设备和方法”和No.5408502“采用带收缩卷积码的格状编码QAM的数字数据通信的设备和方法”(HOW)，和No.5511082“收缩卷积编码器”(How等)。
收缩一代码是一种以规律方式删除(即不传送)一定的编码器输出以使得代码仍然具有良好的间距特性的方法。这例如可以通过每隔一编码器周期删除此1/2速率编码器的二个输出中的一个来达到。在这种方式中，每二个输入信息位(即每二个编码器周期)形成三个输出代码位得到一2/3速率代码。对“标准”1/2速率、K＝7的代码加以收缩得到优良的汉明间距已广为公知。例如可参看Yasuda，Y等的“用于软判定Viterbi译码的高速率收缩卷积码”，IEEE Trans.On Communications，Vol.COM-32，1984，pp315～319。
格状编码调制(TCM)可被用来实现提高一给定的带宽有限的通信信道的吞吐量。2/3速率代码当被应用于波特率为30兆符号/秒(Msps)的8PSK符号时能传送60兆位/秒(Mbps)；5/6速率代码在30Msps的8PSK码中应用时能传送75Mbps。相比较，采用标准的7/8速率的非TCM方案，30Msps正交PSK(QPSK)信号传送52.5Mbps。相对于标准编码的QPSK，采用TCM技术而实现的增加的吞吐量也增加了一给定的误码率(BER)性能值(称之为“阈值”)条件下的信号-或载波噪声比(SNR或CNR)。2/3速率实用TCM的CNR阈值较之标准编码的7/8速率QPSK稍许恶化，但低于5/6速率实用TCM 3dB。
此二实用TCM示例设计(2/3和5/6速率8PSK)已被推荐用作为卫星传送数字电视(DTV)信号中的标准。通过计算机模拟发现现有的这些实用方案在阈值BER下运行，要求在CNR中有3dB的差距。CNR直接关系到所需的接收器天线的大小、接收器的噪声指数，和卫星的发射功率。
况且，过去的实用TCM技术已经应用于采用“标准”收缩映射的“标准”1/2速率、K＝7的卷积码，该“标准”收缩映射被认为是在汉明间距方面对这种代码是理想的(亦即，用于其中进行编码是与调制方案分离而不是作为集中在TCM中那样的方案中)。例如可参看以只所引用的Yasuda等的论文。
获得2/3和5/6之间及以上的其他代码速率是有利的，能提供对阈值CNR和位速率吞吐量上的不同需求以便能提供各种不同通信信道中运行中的灵活性。而收缩“标准”代码和其他代码来达到，例如，在30Msps波特率上能传送67.5Mbps并具有位于2/3与5/6速率的实用设计之间的阈值CNR的全部3/4速率8PSK代码将更有利。
本发明提供具有上述的和其他优点的格状编码调制方案。
按照本发明提供一种用5/8速率卷积码对数字数据作卷积编码的方法。5/8速率的代码通过采用收缩映射
对基于八进制生成器133、171的1/2速率卷积码进行收缩来得到。1/2速率代码的约束长K为7(K＝7)。如本技术领域的熟悉人员将会理解的，此1/2速率代码是一64状态码，因为状态数被定义为2K-1。
有效的总体编码器速率3/4由如下组合得到：
(i)由所述5/8速率代码从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
还揭示了-5/8速率卷积编码器。此5/8速率编码器包括用于收缩八进制生成器133、171的1/2速率卷积码并具有约束长K＝7的装置。此收缩装置采用
的收缩映射。有效编码器速率3/4由作如下组合得到：
(i)由所述5/8速率编码器从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
还提供采用基本的1/3速率卷积码以5/8速率卷积码对数字数据作卷积编码的方法。此1/3速率卷积码基于具有约束长K＝7的八进制生成器117、135、161，并采用收缩映射
被收缩到5/8速率。输入数据流按照5/8速率码进行处理。有效全译码器速率3/4由作以下组合得到：
(i)由所述5/8速率代码从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
对应的5/8速率卷积编码器包括一基于八进制生成器117、135、161并具有一用于接收欲予编码的数据流的输入端的1/3速率卷积编码器。提供了利用
的收缩映射将从1/3速率卷积编码器得到的代码收缩到5/8速率的装置，其中约束长K＝7。有效编码器速率3/4由作如下组合得到：
(i)由所述5/8速率码从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
图1为按照本发明的前向纠错(FEC)译码器的方框图；
图2为按照本发明的对未收缩的分支间距的分支量度计算的图解；
图3为按照本发明的对X0X、X1X收缩的分支间距的分支量度计算的图解；
图4为按照本发明的对XX0、XX1收缩的分支间距的分支量度计算的图解；
图5为按照本发明的3/4速率8PSK格状编码器的方框图；
图6为一可用来实现图5的编码器的由1/3速率、K＝7的代码收缩的基础5/8速率代码的图解；
图7为一可用来实现图5的编码器的由1/2速率、K＝7的代码收缩的基础5/8速率代码的图解；和
图8为不同代码的误码率-载波噪声比(Es/No)曲线图。
本发明采用收缩卷积码在格状编码调制方案中提供灵活的编码和传送速率，以便优化卫星通信链接性能。具体说，通过将1/2速率标准代码收缩到速率5/8和在4个8PSK符号周期内组合一未编码位与二编码器输出位来形成3/4速率的“实用”代码。按照本发明的代码例如说采用4×2＝8的信号维数可传送2.25bps(3×3/4)。
图1为可以被本发明的代码所采用的FEC译码器的方框图。此编码方案采用具有例如匹配由运动图形专家组(MPEG)所公布的标准传输码组大小的(204，188)Reed-Solomon外分组码的链接码。解随机化和去交错可如在公知的DigiCipher(General Instrument Corparation的专利，Horsham，Pennsylvanin，USA)或数字视频广播(DVB)方案中那样进行。在选择内部码上有一些灵活性，但这种选择对内部译码器的设计具有很大影响。
在图1中所示的执行过程中，如本领域所公知的，将被译码的信号的同相(I)输入和正交(Q)输入被输入到一同步逻辑电路12，如本技术领域内所公知的。分支量度利用一分支量度只读存储器(ROM)14来确定，它输出对应的分支量度到一Viterbi译码器16。此Viterbi译码器的输出被提供给一Reed-Solomon 8位符号重组和去交错同步电路18。所得的输出分别在解随机化器和去交错器电路20、22中作解随机化和去交错处理，供输入到一提供例如与MPEG兼容的数据流的Reed-Solomon译码器24。
本发明采用的一实用代码，需要上面提到的同步和分支量度逻辑电路以及图1中以引用号10所总体指明的附加组分。具体说，此实用代码要求一采样延迟存储器11，卷积再编码器13和未编码位校正逻辑15。
实用译码器利用标准1/2速率、K＝7代码(八进制生成器133和171)作为编码一8PSK符号的二最低位(LSB)的基础代码。这一代码具有良好的汉明间距特性，并且到8PSK陪集的映射也为1/2速率代码保留Euclidean间距的良好特性。收缩这一代码生成也具有良好汉明间距特性的其他更高速率的代码。在本发明的优选实施例中，代码被收缩到用于实现3/4速率的格状代码的5/8速率。进行了探索以寻求便于作8PSK符号的LSB的格状编码的具有良好间距特性的5/8速率收缩。二个良好的5/8代码如下：
G1＝133g P1＝11111
G0＝171g P0＝11100
和
G1＝133g P1＝11111
G0＝171g P0＝11010
其中后一型式提供稍好的汉明间距。第一收缩方式表现好因为此收缩方式的最后二相被收缩并可在收缩周期中被用来映射成第4个8PSK符号的二LSB。此二个5/8收缩码处于受联合约束的QPSK误码率(BER)性能中相互0.1dB之内。
另一有关的5/8速率编码是：
G2＝117g P2＝00000
G1＝135g P0＝11101
G0＝161g P1＝11110
这一代码对于实现应用于本申请受让人General Instrument Gorp.的专利DigicipherII数字卫星通信系统的由1/3速率、K＝7代码收缩的5/8代码特别有用。
图2～4中说明对收缩和非收缩分支的分支量度计算。对于图2中30表明的非收缩分支(例如正常的1/2速率运行)，间距在于所接收点与一对陪集的最接近组成之间(亦即，对X00，X01，X10和X11，其中X表示8PSK符号中的非编码位)。对于图3中40表示的X0X和X1X收缩分支和图4中50表明的XX0和XX1收缩分支，到8PSK符号的第二和第三LSB存在有最小Euclidean间距，取决于这些位的位置中的“0”或“1”。图3和4中所用的标记中，d[ijk]为理想构象中由所接收信号到第ijk个8PSK符号的间距。应指出的是图3的计算中，对第二位的计算的间距d[-0X]、d[-1X]要取决于是G0还是G1被收缩从而被不同地应用到分支量度。同样，在图4中，对第三位的计算的间距d[-X0]、d[-X1]取决于G0还是G1被收缩从而被不同地应用于分支量度。
图5表明按照本发明的3/4速率8 PSK格状编码器。未编码位(并行分支位)通过一4位长度的先入先出(FIFO)寄存器54输入到一8PSK符号映射器和调制器58。编码位被一采用收缩到5/8速率的一1/2或1/3速率卷积码(K＝7)的5/8速率卷积编码器52加以收缩。此收缩技术是本技术领域中所公知的，在下列文献中有详细解释：J.B.Cain，G.C.Clark，Jr.，和J.M.Geist的“(n-1)/n速率的收缩卷积码和简化的最大似然译码”，IEEE Trans.Info.Theory，Vol.IT-25，pp97～100，1979年1月；和Y.Yasuda，K.Kashusi，和Y.Hirata的“用于软判定Viterbi译码的高速率收缩卷积码”，IEEE Trans.On Commun.，Vol.COM-32，pp315～319，March1984。在此收缩技术中，由1/2速率代码所产生的部分符号被删除。在译码器中，此被删除符号由擦除部分替换。收缩技术的一种应用是使得一单个基础代码能被用于功率有限的和带宽有限的两种信道。收缩的主要优点是可应用高代码速率(n-1)/n，和应用仅在分支量度发生器中修改的实际1/n速率译码器加以译码，其中对于分支收缩要插入擦除部分。
在图5中所表明的5/8速率收缩编码器52中，5个源位(编码位)被编码成8位。此8位被暂时存储(缓存)在FIFO寄存器56中。相继的三位的符号由寄存器54、56提供给8PSK符号映射器和调制器58。较具体说，输入到映射器和调制器58的每个三位符号包括来自寄存器54的一未编码位和来自寄存器56的二编码位。由图5可看到，寄存器54、56一齐共有4个符号的总长度L。这样，此编码器即具有效速率3/4，因为对9个输入位(4个未编码的加5个编码的)具有总共12个输出位(4个未编码的加8个编码的)。换句话说，对于一9位输入对12位输出的比例(9/12＝3/4)，为填充由寄存器54、56提供的12寄存器单元仅需取9输入位。应当理解，图5中描述的具体实施仅只是示例目的，不脱离本发明的教导和后面所列权利要求的范围可构成其他的实现方案。
如上面指出的，5/8速率代码可由一1/2或1/3卷积码收缩得到。图6表明一用于由1/3速率K＝7代码提供5/8速率代码的编码器60。如所示这一编码器的收缩映射为：
G0＝11110
G1＝11101
G2＝00000
图7说明一用于由一1/2速率K＝7代码提供5/8速率代码的编码器70。如所示这一编码器的收缩映射为：
G0＝11100
G1＝11111
在所用的标记中，“1”指明该位被传送，“0”指明该位不传送。
图8说明对上述收缩码所进行计算的8PSK格状编码位的误码率(BER)。图8中示出BER与以dB表示的8PSK 3位的符号载波噪声比(Es/No)相对照。曲线80表示每秒2位时的理论未编码正交相位键控(QPSK)信号的BER。曲线86表示标准2/3速率代码的BER。曲线84表明由图7的编码器得到的本发明的3/4速率8PSK格状调制码的BER。曲线82表明由图6的编码器得到的本发明的3/4速率8PSK格状调制码的结果。曲线88表示标准5/6速率码的BER，仅只在此用于对照。
由图8可看出，图6和图7的编码器实现的BER性能(曲线82和84)非常接近。具体说，性能上的差别小于0.1dB。而且，本发明实现的性能大约处于分别为曲线86与88所表明的2/3与5/6速率的实用码的中央。
现在可理解，本发明提出的方法是以收缩“标准”1/2速率卷积码和其他代码(例如DigicipherII 1/3速率码)来满足不同通信信道所提出的阈值CNR和位速率吞吐量方面的各种不同需求。具体说，揭示了在30Msps波特率上传送67.5Mbps的二个可替换的完全3/4速率8PSKTCM代码。这些代码具有位于公知的2/3与5/6速率实现的中央的阈值CNR。
Claims (8)
1、一种以5/8速率卷积码对数字数据作卷积编码的方法，包括步骤：利用收缩映射：
将基于八进制生成器133、171的1/2速率卷积码收缩到5/8速率，其中约束长K＝7；和
利用所述5/8速率代码处理输入数据流。
2、按照权利要求1的方法，其中一有效编码器速率3/4由以下组合得到：
(i)由5/8速率码从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
3、5/8速率卷积编码器，包括：
具有用于接收欲加编码的数据流的输入端的基于八进制生成器133、171的1/2速率卷积编码器；和
利用映射：
将所述1/2速率卷积编码器的代码收缩到5/8速率的装置，其中约束长K＝7。
4、按照权利要求3的5/8速率卷积编码器，其中有效编码器速率3/4由以下组合得到：
(i)由所述5/8速率编码器从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
5、一种以5/8速率卷积码对数字数据作卷积编码的方法，包括步骤：
利用收缩映射：
将基于八进制生成器117、135、161的1/3速率卷积码收缩到速率5/8，其中约束长K＝7；和
利用所述速率5/8代码处理输入数据流。
6、按照权利要求5的方法，其中由以下组合得到有效编码器速率3/4：
(i)由所述5/8速率代码从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
7、5/8速率卷积编码器，包括：
具有用于接收欲加编码的数据流的输入端的基于八进制生成器117、135、161的1/3速率卷积编码器；和
用于利用收缩映射：
收缩来自所述i/3速率卷积编码器的代码到速率5/8的装置，其中约束长K＝7。
8、按照权利要求7的5/8速率卷积编码器，其中由以下组合得到有效编码器速率3/4：
(i)由所述5/8速率代码从5个输入位产生的8个编码位；与
(ii)4个未编码位。
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