CN1149741C - 用于卷积码的基于校正子的软判决解码器和软判决方法 - Google Patents

Abstract

软判决解码器以比维特比软判决解码器简单的方法计算来自解调的接收的信号的最可能估计的发射码。软判决解码器包括逐字符硬判决检测器、校正子计算器、校正子调节器。校正子模式被从校正子矢量中移去，以产生调节的校正子矢量，且对应的误码被记录于估计的误码矢量。基于校正子的解码器用调节的校正子矢量产生简化误码格，以产生剩余误码矢量。从硬判决矢量减去估计的误码矢量和剩余误码矢量产生最可能估计的发射的码矢量。

Description

用于卷积码的基于校正子的软判决解码器 和软判决方法

技术领域

本发明通常涉及通信系统，更具体地，涉及用于卷积码通信系统的接收机的简化的软判决解码器。

背景技术

卷积码常被用于数字通信系统，以防止发射错误信息。在发射机，可用其复杂度由编码器的约束长度确定的格状图描绘输出码矢量。虽然运算复杂度随约束长度的增加而增加，编码强度也随约束长度的增加而增加。

在接收机，实际的软判决解码器，如维特比解码器，用格结构执行最可能发射码矢量的最优搜索。然而，维特比算法运算复杂，且其复杂度随约束长度的增加而指数增加。这基本意味维特比解码器需要大量的电流和巨大的每秒百万指令(MIPS)能力，以处理有大的约束长度的卷积码。

用于不同通信系统的语音编码器，如直接序列码分多址(DS-CDMA)标准IS-95和全球移动通信系统(GSM)，有这种大的约束长度。例如，GSM半速约束长度K＝7，IS-95约束长度K＝9。

维特比解码器的另一缺点是对每个码矢量必须计算固定次，不管在传输中产生的实际误码数。因此，维特比解码器用与有很多误码的接收的信号同样的计算量处理有很少传输误码或根本无误码的接收的信号。

发明内容

本发明的目的是提供一种软判决解码器，它有减小的电流和MIPS处理需要，用于有大约束长度的卷积码和低误码率的通信信道。

本发明提供一种基于校正子的软判决解码器，用于解码解调的接收的信号，包括：硬判决检测器，用于从解调的接收的信号矢量产生硬判决矢量；校正子计算器，耦合到所述硬判决检测器，用于从奇偶校验矩阵和所述硬判决矢量计算校正子矢量；和校正子调节器，耦合到所述校正子计算器，用于从所述校正子矢量定位和移去校正子模式，以产生调节的校正子矢量；所述校正子调节器用于根据与校正子模式相关联的硬判决矢量错误模式计算估计的错误矢量。

本发明提供一种基于校正子的软判决解码解调的接收的信号的方法，包括步骤：硬判决检测解调的接收的信号矢量，以产生硬判决矢量；相乘所述硬判决矢量与奇偶校验矩阵，以计算校正子矢量；判明所述校正子矢量是否为零矢量；如果所述校正子矢量不为零矢量，从所述校正子矢量定位和移去校正子模式，以产生调节的校正子矢量和估计的错误矢量，并从硬判决矢量计算估计的发射的码矢量。

本发明的优点是在保证BER性能的前提下大大降低运算的复杂度。

附图说明

图1示出根据优选的实施方案有软判决解码器的接收机的通信系统的框图；

图2示出根据优选的实施方案图1中所示的软判决解码器的框图；

图3示出根据优选的实施方案图2中所示的校正子调节器的运行流程图；

图4示出图2中所示的软判决解码器的计算复杂度以传统维特比解码器的复杂度的百分比表示的图。

具体实施方式

软判决解码器用校正子矢量检测在卷积码通信系统中存在的传输误码。设r表示解调的接收的信号矢量。则矢量r是N维的实矢量。设v表示由对解调的接收的信号矢量r的逐字符检测获得的矢量。如果有效硬判决字符是二进制，则v是有0或1元素值的N维矢量。设v＝c+e，其中，c是发射的码矢量，则e是传输误码矢量。对于卷积码c，存在标量奇偶校验矩阵H，内容是二进制的0和1字符的N行M列矩阵。满足发射的码矢量c的奇偶校验条件由关系Hc^t＝0表示，其中上标t表示矢量转置。换句话说，如果c是属于卷积码C的码矢量(即：c是发射的码矢量，且c∈C)，则Hc^t＝0，其中H是M行N列矩阵，c是长度N的行矢量，上标t表示矢量转置。

校正子矢量s是M维二进制矢量，定义为s＝Hv^t。因为v＝c+e，s＝H(c+e)^t，且因为Hc^t＝0，故，s＝He^t，当校正子矢量s＝0，传输误码矢量e＝0，不需要软判决最可能解码。换句话说，逐字符检测的矢量v是最可能软判决解码的发射的码矢量

且接收的信号矢量r的软判决解码是不必需的。

由于零传输误码是不可能的，校正子矢量s通常不等于0。用于卷积码的基于校正子的软判决解码器通过首先计算最可能传输误码矢量ê来计算最可能估计的发射的码矢量 软判决解码器包括逐字符检测器，校正子计算器，校正子调节器和基于校正子的解码器。逐字符检测器是硬判决检测器，它从解调的接收的信号矢量r中逐字符判定硬判决矢量v。硬判决矢量v乘以标量奇偶校验矩阵H以产生校正子矢量s。

存储器存储关联于可能传输的误码模式的校正子模式。例如，设e_p表示在硬判决矢量v中的可能传输的误码模式，如单位传输误码或双位传输误码。由于标量奇偶校验矩阵的结构，对应于单字符硬判决矢量误码的校正子模式的数量有限。

设S_p＝He_p ^t，则S_p是长度M的完整校正子矢量。设校正子模式p是从S_p中第一个非另元素到S_p中最后一个非零元素的S_p的片段。为保证最优解码，校正子模式能由两端的零位夹住。减少夹住校正子模式的零位数增加运算速度，但可导致不优化方案。校正子调节器比较由校正子计算器计算的校正子矢量s与由隔离的硬判决矢量误码引起的已知的校正子模式p。如果检测到已知的校正子模式，校正子调节器更新估计的误码矢量ё且通过从校正子矢量中减校正子模式产生简化的校正子矢量。调节的校正子矢量以其比原始校正子矢量含更多的零的方法简化。

如果调节的校正子矢量都为零，解码被完成且估计的误码矢量ё被从矢量v中减去，以形成最可能软判决解码的码矢量

如果调节的校正子矢量不全为另，重复上述校正子调节过程，且从存储器中提取新校正子模式并与调节的校正子矢量比较。重复这个过程直到在存储器中所有校正子模式与校正子矢量都比较过后或达到全零的调节的校正子矢量。

估计的误码矢量ё能被用于计算最可能发射的码矢量

，其中：v是逐字符检测器的输出矢量，ê是最可能传输误码矢量。如果调节的校正子矢量s’＝H(v-ё)^t＝0则ê＝ё。如果调节的校正子矢量s’＝H(v-ё)^t≠0，则最可能传输误码矢量ê＝ё+e’，其中：e’是非零剩余误码矢量，它需要通过搜索简化的误码格来识别。在这种情况中，基于校正子的解码器从校正子调节器取调节的校正子矢量s’并用之构成简化的误码格，用于判定剩余误码矢量e’。简化的误码格的输出e’加上估计的误码矢量ё等于最可能传输误码矢量ê。

一旦最可能传输误码矢量ê被识别，最可能发射码矢量 这个简化校正子矢量和用之计算最可能传输误码矢量ê的方法导致较维特比解码器减少的处理需求。

图1示出根据优选的实施方案有软判决解码器170的接收机130的通信系统100的框图。接收机130被示为蜂窝无线电话用户单元101的一部分，然而，接收机还能是传真机，调制解调器(MODEM)，双向无线电或其他接收卷积码信号的通信装置的一部分。在用户单元101中，麦克风105获取音频信号，然后它由发射机110调制，并由天线120通过双工器125发射。天线120也从如蜂窝基站的收发信机199中的互补的发射机接收射频(RF)信号。RF前端140下变频接收的RF信号到模拟基带信号。模数(A/D)转换器146转换模拟基带信号为数字信号。数字解调器150处理数字信号，以产生解调的接收的信号矢量r。

解调的接收的信号矢量r被接到软判决解码器170。在软判决解码器170的输出端，数模(D/A)转换器180转换最可能软判决解码的信号到模拟域，且音频放大器185用运算放大器增加恢复的信号的增益，用于通过音频扬声器190再现。

图2示出根据优选的实施方案图1中所示的软判决解码器170的框图。解调的接收的信号矢量r进入逐字符检测器210，它产生硬判决矢量v。逐字符检测器仅检查输入信号并转换其为最接近有效的(例如，二进制)字符，而不管周围的字符的值。逐字符检测器210的输出硬判决矢量v不必需是有效码矢量。校正子计算器220把硬判决矢量v与标量奇偶校验矩阵H相乘，以产生校正子矢量s。在校正子矢量s＝0的情况中，硬判决矢量v是最可能估计的发射的码矢量

且保证硬判决矢量v与如维特比解码器的软判决解码器的输出是同样的。

如果校正子矢量s≠0，校正子调节器230执行对计算的校正子矢量的搜索，以在接收的硬判决矢量v中检测存储在校正子模式存储器240中的预定校正子于模式p，它对应于特定误码模式e_p，如单误码校正子模式或双误码校正子模式。如果在校正子矢量中找到校正子模式p，校正子调节器230通过减校正子模式p简化校正子矢量，且根据搜索结果记录在估计的误码矢量ё中发现的误码模式e_p。调节的校正子矢量s’以比原始校正子矢量s多零的方式简化。如果s’＝0，则最可能传输误码矢量ê＝ё，且最可能估计的发射的码矢量

。如果减找到的校正子模式p后，调节的校正子矢量s’＝H(v-ё)≠0，校正子调节器230继续搜索校正子模式，直到在校正子模式存储器240中的所有校正子模式与调节的校正子矢量s’比较后或直到调节的校正子矢量s’＝0。

在校正子模式存储器240中的所有校正子模式与调节的校正子矢量s’比较后，如果调节的校正子矢量s’＝H(v-ё)仍不全为零，则调节的校正子矢量s’被送到基于校正子的解码器250，用于构造简化的误码格，然后，基于软判决原理，它被用于计算剩余误码矢量e’。最可能传输误码矢量ê＝ё+e’。一旦最可能传输误码矢量ê被算出，最可能估计的发射的码矢量

对产生校正子矢量s的最可能传输误码矢量ê的搜索能由搜索误码格图以找到有最小累积加权的路径来描绘。Meir Ariel和Jakov Snyders在43IEEE通信学报288-297页(1995)发表的“二进制卷积码的软校正子解码”，提供了如何构造和解码误码格的深入讨论和详细例子。

描绘包括逐字符矢量v的卷积码的同样的陪集的误码格被用于搜索剩余误码矢量e’。误码格的形状仅取决于计算的校正子矢量的值，且调节的校正子矢量产生简化的误码格。由于其非规则结构，加速搜索简化的误码格是可能的。在低误码率情况下，误码格能被大大地简化，而不影响解码过程的优化。换句话说，校正子调节器230简化校正子矢量以扩展长零串，这允许通过基于校正子的解码器250对误码格的组成和处理更有效。

图3示出根据优选的实施方案图2所示的基于校正子的解码器250和校正子调节器230的运行流程图。校正子调节器230简化校正子矢量，以促进长连续零位串的出现。在起始步301，估计的传输误码矢量ё被复位到零。在步骤305中，从校正子计算器220(图2所示)获取校正子矢量s。如果校正子矢量为零，如由步骤310所判定，则最可能传输误码矢量ê＝ё＝0，如步骤312所示，且硬判决矢量v是最可能估计的发射的码矢量

如步骤315所示。一旦最可能估计的发射的码矢量

被判定，过程结束于步骤330。然而，这种情况在过程的第一阶段在实际系统中不可能发生。

如果校正子矢量s≠0，校正子调节器230搜索校正子矢量以发现已知校正子模式p。如果需要，这个搜索在多次迭代中执行。观察到校正子矢量是标量奇偶校验矩阵H的列的线性组合，且在二进制情况中，仅矩阵H的列之和。在硬判决矢量v中的单个误码产生等于标量奇偶校验矩阵H对应列的校正子矢量。换句话说，如果多个硬判决矢量误码聚集，则它们对应的单误码校正子模式将重叠，以产生不再能被容易识别的复合校正子模式。

由于标量奇偶校验矩阵的结构，对应于单字符硬判决矢量误码的校正子模式的数量有限。例如，半速二进制卷积码的标量奇偶校验矩阵仅含两类对应于单字符硬判决矢量误码的校正子模式。换句话说，这类标量奇偶校验矩阵的所有列是前两列的移位。对收缩卷积码，对应于单字符硬判决矢量误码的不同校正子模式的数量大于非收缩码，但通常仍小到足以使校正子调节器能较简单地实现。

步骤340从在校正子模式存储器240(示于图2)中预定的表中装载有α位的校正子模式p和其对应的硬判决矢量误码模式e_p。步骤350在校正子矢量的一部分中搜索校正子模式p。如果在校正子矢量的一部分中识别了校正子模式p，步骤353通过加误码模式e_p到估计的误码矢量ё保持对应的隔离的硬判决矢量误码的位置的记录，从校正子矢量中减校正子模式p，且右移位校正子模式α位，这是校正子模式p的长度。如果校正子模式p不匹配校正子矢量的一部分，步骤355右移校正子模式一位。

移位步骤353，355后，步骤360检查以发现移位是否超出校正子矢量的长度M。只要移位未超出长度M，校正子模式p与校正子矢量的下一部分比较。当校正子模式p与整个校正子矢量的每个部分比较后，校正子调节器返回步骤310，直到调节的校正子矢量等于零或所有在校正子矢量中已知校正子模式被移去。

在由步骤310、320判定的迭代搜索的结尾处，如果调节的校正子矢量s’≠0，则在步骤325中，基于校正子的解码器250用调节的校正子矢量s’构造误码格，用于计算剩余的误码矢量e’。最可能传输误码ê＝ё+e’。基于校正子的解码器执行步骤315，且通过从硬判决矢量v中减去最可能传输误码矢量ê计算最可能估计的发射的码矢量 出现结束步骤330。

调节的校正子矢量s’比原来的校正子矢量s更适于构成高效误码格。换句话说，由于移去已知的校正子模式，剩余的非零校正子矢量位的模式将对应于在硬判决矢量v中的聚集的误码。然而，在希望的情况中，搜索和省略已知的校正子模式将在步骤310导致全零调节的校正子矢量，在步骤325中将不需误码格的构造。

在任意时刻，如果调节的校正子矢量s’如步骤310所判定的为零，最可能传输误码矢量ê等于估计的误码矢量ё，如步骤312所示。在步骤315中，基于校正子的解码器250通过从硬判决矢量v中减去最可能传输误码矢量ê计算最可能估计的发射的码矢量

发生结束步骤330。

通常，从原来的校正子矢量s中移去校正子模式p导致次佳解码。不过，解码器性能的损失与最优情况相比是可以控制的，并能减少到毫无影响。校正子调节器的误码率(BER)性能取决于α，校正子模式p的码长度。通过加零位到原来的校正子模式p增加α，这增加了考虑的硬判决矢量误码模式e_p和其潜在相邻硬判决矢量误码间的距离(以位表示)。因此，随α的增加，确由硬判决矢量误码模式e_p产生的识别的校正子模式p的可能性增加。取α对应于码约束长度的几倍，但短于校正子矢量的长度M，通常足以保证在编码增益中无实际损失，即：BER性能与最优的维特比解码器相同。

图4示出图2所示的软判决解码器的计算复杂度与传统维特比解码器的复杂度间以比例表示的图。垂直轴410示出软判决解码器相对传统维特比解码器复杂度的比。水平轴420示出噪声值。复杂度的测量是解码所需加法和比较的实际数量。这里，校正子模式p的位长度α选择为16，即其从邻近误码的距离至少32位的硬判决字符误码将被找出和忽略。这个位长度α足以保证BER性能与维特比解码器相同，但有明显减少的计算复杂度。用短于16位的短的位长度α，BER性能可能低于最优，然而，计算复杂度仍进一步减少。

在适中的BER条件下，校正子调节器230(图2所示)明显地减少计算复杂度和基于校正子的解码过程的电流消耗而不损失优化性。例如，对于在Motorola ONYX数字信号处理器上的GSM半速语音编码器，校正子调节器和基于校正子的解码器与传统的维特比解码器相比，在接收的信号的BER为1％时，减少机器周期92％，如点455所示，且校正子调节器和基于校正子的解码器与维特比解码相比，在接收的信号的BER为0.1％时，减少机器周期97％，如点475所示。

概言之，校正子调节器与基于校正子的解码器省略或简化误码格的结构，并减少解调的接收的信号矢量的基于校正子的解码的计算复杂度。在低传输误码情况中，校正子调节器和基于校正子的解码器与维特比解码器相比计算复杂度有很大减少。虽然上文描绘了用于卷积码的基于校正子的软判决解码器的具体部件与功能，本领域的技术人员在本发明的真实精神和范围内，能用较少或较多的功能。

Claims (7)

1.基于校正子的软判决解码器，用于解码解调的接收的信号，包括：

硬判决检测器，用于从解调的接收的信号矢量产生硬判决矢量；

校正子计算器，耦合到所述硬判决检测器，用于从奇偶校验矩阵和所述硬判决矢量计算校正子矢量；和

校正子调节器，耦合到所述校正子计算器，用于从所述校正子矢量定位和移去校正子模式，以产生调节的校正子矢量；

所述校正子调节器用于根据与校正子模式相关联的硬判决矢量错误模式计算估计的错误矢量。

2.如权利要求1所述的基于校正子的软判决解码器还包括：

校正子模式存储器，耦合到所述校正子调节器，用于存储所述校正子模式。

3.如权利要求2所述的基于校正子的软判决解码器，其中，所述校正子模式存储器还存储与所述校正子模式相关联的硬判决矢量错误模式，用于计算估计的错误矢量。

4.如权利要求1所述的基于校正子的软判决解码器还包括：

基于校正子的解码器，耦合到所述校正子调节器，用于用所述调节的校正子矢量计算剩余的错误矢量。

5.如权利要求4所述的基于校正子的软判决解码器，其中，所述基于校正子的解码器从所述硬判决矢量减去所述估计的错误矢量和所述剩余的错误矢量，以产生估计的发射的码矢量。

6.基于校正子的软判决解码解调的接收的信号的方法，包括步骤：

硬判决检测解调的接收的信号矢量，以产生硬判决矢量；

相乘所述硬判决矢量与奇偶校验矩阵，以计算校正子矢量；

判明所述校正子矢量是否为零矢量；

如果所述校正子矢量不为零矢量，从所述校正子矢量定位和移去校正子模式，以产生调节的校正子矢量和估计的错误矢量，并从硬判决矢量计算估计的发射的码矢量。

7.如权利要求6所述的基于校正子的软判决解码解调的接收的信号的方法，还包括步骤：

从所述调节的校正子矢量，计算剩余的错误矢量；

从所述硬判决矢量，所述估计的错误矢量和所述剩余的错误矢量计算估计的发射的码矢量。

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