CN1161886C - 编码方法及设备 - Google Patents

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Abstract

一种并行链接编码器(20)输出一个数据组序列，其中较早数据组包含数据位(d)和非交织奇偶位(p)而没有交织奇偶位(q)，而稍后的数据组包括交织奇偶位(q)。每个数据组调制为一个符号。该输出格式部分地克服由于交织奇偶位(q)而引起的延迟，并在数据组序列中具有基本上均匀分布的数据和奇偶位。还可以通过用一个索引约束交织而进一步减少延迟。

Description

编码方法及设备
本发明涉及一种编码方法及设备，它们涉及用于无线数字传输中的由一个交织器链接的并行链接码。
称为“Turbo”码的并行链接卷积码已经在Berrou，Glavieux和Thitimajshima的论文“近香农限制误差校正编码和解码：Turbo码(1)”(ICC’93日内瓦，1993年5月23-26日)及US5446747中公开。由于这种类型的编码的位错率性能接近香农限制，它在数字传输领域内吸引了很多注意力。原先建议的Turbo编码器包含两个递归系统卷积编码器。这两个编码器接收相同的信息位，但编码器之一的输入端连至一个交织器以便将输入位的顺序打乱。
已经建议并行链接编码器使用卷积码以外的成分码(constituentcode)，例如在Benedetto和Montorsi的论文“揭示Turbo码：并行链接编码方案的一些结果”(IEEE Transactions on InformationTheory，Vol.42，No.2，1996年3月)及S.A.Barbulescu的学位论文“Turbo码和其他链接码的递归解码”(Institute ofTelecommunications Research，University of South Australia，1996年2月)中。
然而，在Turbo码和相关码中使用交织器的结果是长的编码延迟，这阻止它们用于实时应用例如数字移动电话中(见以上引用的Benedetto和Montorsi的论文)。
根据本发明，提供了一个用于生成供传输用的数据组序列的并行链接编码器。在早先数据组中不包括交织的奇偶位，它包括数据位和非交织的奇偶位。其结果是，由于将交织的奇偶位加以交织而引起的延迟并不全部在作为整体的数据组序列的输出中出现；与此同时，可以避免在序列的主要部分中出现数据位和奇偶位的不均匀分布。
在本发明的某些实施例中，交织的奇偶位具有一个实际上小于交织器大小的索引约束。这允许在将所有数据位存储于交织器之前输出交织的奇偶位，因而减少由编码器引起的延迟并且不在一条传输信道中显著地增加位错率。
现在参照附图描述本发明的特定实施例，附图中：
图1是一个卫星通信系统的原理图；
图2是图1的系统中地面站的原理图；
图3是图2地面站中一个Turbo编码器的原理图；
图4显示图3的缓存的特征；
图5是由地面站的调制器所实施的调制方案图；
图6是地面站所用传输帧格式图；
图7是在一个常规输出格式的卫星线路上一个帧传输中引起的延迟图；
图8是本发明的第一实施例中从编码器传输的位顺序图；
图9是本发明的第二实施例中从编码器传输的位顺序图；
图10是本发明的第三实施例中从编码器传输的位顺序图；及
图11是本发明的第四实施例中从编码器传输的位顺序图；
如图1中所示，移动终端设备4连至一个移动地面站(MES)6。移动终端设备4可能包括电话设备，传真设备或数据终端设备，及可能包括用于允许电话、传真或数据终端设计为与连至卫星网络的其它类型的网络连接的接口设备。这类接口设备的例子描述于GB2286739、US5587810、GB2300540和WO97/00561中。移动终端设备4发送数字数据至MES6以供RF调制和发射至一个卫星8，及MES6接收和解调来自卫星8的数字数据，解调的数据然后发送至移动终端设备4。
卫星8携带一个转发器，用于接收调制信号，将它们转换为中频，将它们放大并使用与接收频率不同的频率重新发射它们。卫星8从而将MES6链接至一个地面站(LES)10，以使LES10通过卫星8接收MES6发射的信号，反之亦然。
LES10连至一个网络接口12以便提供一个连至网络14(在此情况下是一个PSTN)的接口。一个呼叫因而通过网络14连至固定终端设备16，它包括与移动终端设备4兼容的电话、传真或数据终端设备。
图2更详细地显示MES6和LES10两者的有关功能部件。MES6和LES10的功能在其他方面是不同的，但为方便起见，相同的图和参考数字用于两者的有关部件。
自移动终端设备4或网络接口12接收的数字数据由编码器20编码，然后由调制器24调制。调制的输出量由一个天线组件28发射。自天线组件28接收的信号由解调器30解调以便生成数字数据，然后再由解码器34解码。解码器34的输出端连至移动终端设备4。功能部件的操作由一个控制器36控制。
编码器20是一个图3中所示类型的turbo编码器。数据位dk输入至第一编码器ENC1和一个交织器21，其输出端连至第二编码器ENC2。每个编码器ENC1和ENC2都是一个递归卷积编码器，它们包括四个中间的二进制存储器D1至D4和二进制加法器或“异”门。在每个周期内，每个二进制存储器D1和D3的内容相应地移位至二进制存储器D2和D4，而D1的新内容则从D2至D4的先前内容中获得。来自第一编码器的输出pk和来自第二编码器的输出qk从二进制存储器D1、D2和D4的内容及二进制存储器D1的输入量获得。
数据位dk、非交织奇偶位pk和交织奇偶位qk都输出至一个缓存23，不同位组(u1，u2，u3，u4)根据一个刻点(puncturing)格式平行地从缓存23中输出，它们的例子将要在下面描述。
如图4中所示，缓存23包括分别用于存储数据位d、非交织奇偶位p和交织奇偶位q的存储器Sd、Sp和Sq。数据和奇偶位分别从由存储器Sd、Sp和Sq中每一个的相应的第一和第二指针Pd1、Pd2、Pp1、Pp2、Pq1和Pq2所标示的存储器S的地址中读出，并且作为由一个多路转换器25确定的输出位u1，u2，u3，u4中所选的一组位输出。数据和奇偶位自其读出的地址的序列以及多路转换器的设置序列一起用于确定数据和奇偶位的传输格式和奇偶位的刻点方案，并不是所有它们都传输。图3和4中所示安排是turbo编码器的功能表示，及可能在一个合适地编程的数字信号处理器(DSP)中全部地实施。
在常规格式中，编码器20的输出被半速率地刻点和如下地调制。在每个时钟周期内，系统数据位dk与奇偶位pk、qk中的一个一起选择作为输出量。未被选择的奇偶位即清除。每对时钟周期的输出数据位和奇偶位被调制为16QAM(16正交调幅)方案中的一个符号。
常规格式表示于下面表1中。
表1
   周期     1     2     3     4
   数据dk     d1     d2     d3     d4
   奇偶位pk     p1     -     p3     -
   奇偶位qk     -     q2     -     q4
   16QAM符号 (d1，p1，d2，q2) (d3，p3，d4，q4)
每个符号都用四位(u1，u2，u3，u4)形成，其中位u1，u2调制I(幅值)分量及位u3，u4调制Q(相位)分量以使：
Ai＝【u1，u2】→I
Bj＝【u3，u4】→Q
图5中所示调制方案是方形16QAM，当然圆形16QAM方案也可使用。数据位u1，u3是16QAM符号中最受保护的。
这些符号以图6中所示帧格式传输。数据通过用单信道(SCPC)格式传输。数据序列的起始点由一个前置码P和一个独一字UW标示以便有助于采集该信道。数据然后在帧F1至Fn中传输，它们中每一个包含与PSAM(导频符号辅助调制)块PS散置的16QAM符号，从而允许测量衰落和噪音方差以便帮助解码。在每一帧的结尾是一个帧位模式FB。在每一帧的符号中编码的是两个对应于两个未编码的子帧S1和S2的用turbo编码的子帧C1和C2。数据序列的结尾由数据信号EOD的结尾所标示。
编码器20的交织器21的大小等于子帧S1和S2的大小。在一个例子中，交织器21是一个随机交织器，其中整个一块装入交织器21中及该内容以伪随机顺序输出。在此情况下，在输出奇偶位qk之前，子帧S1或S2中之一的整个内容装入交织器21。因此，由编码器20引起的延迟至少为N，其中N是用于接收子帧S1或S2中的一个之中的位数所需时间。该延迟被图形地示于图7中，其中时间示于横轴上。在编码器输出端，不同位(u1，u2，u3，u4)表示于垂直轴上。
根据本发明的实施例，通过重新安排数据位d及奇偶位p和q的传输顺序，可在以上描述的方案中将由编码器20引起的延迟减少至延迟N的一个分数。所示每个实施例使用一个半速率turbo码，当然可以使用其他速率。
在第一实施例中，如图8中所示，奇偶位p在子帧C的前半帧中输出，而交织的奇偶位q则在子帧C的后半帧中输出。注意到，只在所有数据位d都已接收后才输出交织的奇偶位q，但涉及的延迟已减少至N/2，因为每个符号中传输两个交织的奇偶位q，而所有奇偶位p早已传输了。
在图9中所示第二实施例中，在交织的奇偶位q之前传输所有数据位d和奇偶位p。在子帧C的第一四分之一帧内只传输数据位d；在子帧C的中间半帧内传输数据位和奇偶位p；在子帧C的最后四分之一帧中只传输交织的奇偶位q。因此，延迟减少至N/4，因为每个符号中传输四个交织的奇偶位q。然而，在子帧C的第一四分之一帧中传输的数据位d的一半是16QAM符号的较少保护位(u2，u4)，相对于第一实施例而言，这将要引起位错率的增加。此外，由于在整个子帧C内数据位d和奇偶位p，q的分布是不均匀的，该格式在其衰落率可与子帧率相比较的衰落信道中特别容易受到影响。在此情况下，子帧C的第一四分之一帧中的数据位可能重复地与衰落重合，因而导致高位错率。
在以下描述的第三和第四实施例中，交织器21经受一个索引约束以致：
max i | i - π ( i ) | ≤ N 2 - - - i = 0 . . . N - 1
其中i是输入至交织器21的数据位序号及π(i)是相应的输出序号。其结果是，有可能只在输入N/2数据位至交织器21中后就开始输出交织的奇偶位。该索引约束对位错率性能具有小的影响，但对于以下所示子帧C的格式给予更大灵活性。
在本发明的第三实施例中，如图10中所示，在整个子帧C中均匀地分布着数据位d，它们始终占据16QAM符号的两个最受保护位的位置。在子帧C的第一四分之一帧内，非交织奇偶位p的前半部分占据每个符号的2位；在C的中间半帧内，非交织的奇偶位p的后半部分和交织的奇偶位q的前半部分中的每个占据每个符号一位；在最后四分之一帧内，交织的奇偶位q的后半部分占据每个符号2位。其结果是延迟为N/4位，如同第二实施例，但避免了较少保护数据位d及数据位和奇偶位的不均匀分布的问题。
在本发明的第四实施例中，如图11所示，有效延迟减少至N/8，其代价为存在着第二实施例的缺点。在子帧C的第一八分之一帧内，符号的所有四位的位置全都由数据位d占据。在下一个四分之一帧内，两个最受保护位的位置由数据位d占据，而两个较少保护位由非交织的奇偶位p占据。在下一个半帧内，两个最受保护位的位置也由数据位d占据，而两个较少保护位中的每一位由非交织的奇偶位p和交织的奇偶位q占据。在子帧C的最后八分之一帧内，所有位的位置都由交织的奇偶位q占据。
在解码器34中，这些位被解码，并为每一位估计一个概率。根据用于传输的格式将解码的位分为数据位d，非交织的奇偶位p和交织的奇偶位q。然后使用一个MAP解码器将这些位解码，MAP解码器的类型在S.S.Pietrobon的论文“用于递归turbo解码器内的串行MAP解码器的实施和性能”(IEEE Int.Symp.Inform.Theory.Whistler，British Columbia，Canada，1995年9月)中有例子。
可以在本发明的范围内作出以上实施例的修改。例如，可以使用选代的调制方案例如8PSK(8相移键控)。可以通过使用不同刻点速率产生选代的速率码。虽然将递归卷积码优选为编码器20的成分码，但也可使用其他成分码例如块码。可以在将数据位d输入至编码器20中之前将数据位d预先编码，和/或在从缓存21输出之后进一步编码。
以上实施例只通过例子说明，  因此可以在不背离所附权利要求书的范围的情况下作出进一步修改。

Claims (23)

1.一种用于将数字数据编码和调制的方法，包括：
接收一个数据位(dk)的输入序列(d)；
将所述输入序列(d)编码以便生成一个数据位(dk)的第一编码序列(p)；
将所述输入序列(d)交织以便建立一个数据位(dk)的交织序列；
将所述数据位(dk)的交织序列编码以便生成一个数据位(dk)的第二编码序列(q)；及
调制一个数据组序列(u1，u2，u3，u4)，所述数据组序列(u1，u2，u3，u4)中的每一个包括从所述输入序列(d)中获取的数据位(dk)，从所述第一编码序列(p)中获取的第一奇偶位(pk)和从所述第二编码序列(q)中获取的第二奇偶位(qk)中的至少一位，
其特征在于，在一个较早期间内多个所述数据组(u1，u2，u3，u4)中每一个包括至少一位所述数据位(dk)和一位所述第一奇偶位(pk)，但不包括任何所述第二奇偶位(qk)，
及在一个稍后期间内多个所述数据组(u1，u2，u3，u4)中每一个包括至少一位所述第二奇偶位(qk)。
2.如权利要求1中所要求的方法，其中在所述稍后期间内每个所述数据组(u1，u2，u3，u4)包括一位或多位所述数据位(dk)和一位或多位所述第二奇偶位(qk)。
3.如权利要求2中所要求的方法，其中在所述稍后期间内每个所述数据组(u1，u2，u3，u4)包括一位或多位所述第一奇偶位(pk)。
4.如任何先前权利要求中所要求的方法，其中在所述较早期间之前的第一期间内每个所述数据组(u1，u2，u3，u4)包括一位或多位所述数据位(dk)和不包括任何所述第一或第二奇偶位(pk，qk)。
5.如权利要求1中所要求的方法，其中在所述稍后期间之后的最后期间内每个所述数据组(u1，u2，u3，u4)包括一位或多位所述第二奇偶位(qk)和不包括任何所述第一奇偶位(pk)。
6.如权利要求5中所要求的方法，其中在所述最后期间内每个所述数据组不包括任何所述数据位(dk)。
7.如权利要求1中所要求的方法，其中每个调制状态(Ai，Bj)对应于所述数据组(u1，u2，u3，u4)中的一个的状态。
8.如权利要求7中所要求的方法，其中每个所述数据组映射至每个所述调制状态以便当所述数据组包括至少一个所述数据位(dk)和所述至少一个第一或第二奇偶位(pk；qk)两者时，所述至少一位数据位(dk)比所述至少一个第一或第二载波位更受保护。
9.如权利要求1中所要求的方法，其中执行所述交织步骤以使所述交织序列的任何位的序号小于一个预定的位的位置序号而与所述输入序列(d)的相应位的序号不同，所述预定序号基本上小于其中存储供交织用的输入序列(d)的交织器的位容量。
10.如权利要求1中所要求的方法，其中所述第一编码序列(p)和所述第二编码序列(q)中每一个利用一个递归卷积编码算法来编码。
11.用于将数字数据调制的设备，包括：
一个第一编码器(ENC1)，用于将一个数据位(dk)的输入序列(d)编码以便生成一个数据位(p)的第一编码序列(p)；
一个交织器(21)，用于将所述数据位(dk)的输入序列(d)交织以便生成一个数据位(dk)的交织序列；
一个第二编码器(ENC2)，用于将所述数据位(dk)的交织序列编码以便生成一个数据位(dk)的第二编码序列(q)；及
一个用于调制一个数据组序列(u1，u2，u3，u4)的调制器，所述数据组序列(u1，u2，u3，u4)中每一个包括从所述输入序列(d)中获取的数据位(dk)，从所述第一编码序列(p)中获取的第一奇偶位(pk)和从所述第二编码序列(q)中获取的第二奇偶位(qk)中的至少一位，
其特征在于，在一个较早期间内多个所述数据组(u1，u2，u3，u4)中的每一个包括至少一位所述数据位(dk)和一位所述第一奇偶位(pk)，但不包括任何所述第二奇偶位(qk)，
及在一个稍后期间内多个所述数据组中的每一个包括至少一位所述第二奇偶位(qk)。
12.如权利要求11中所要求的设备，其中在所述稍后期间内每个所述数据组包括一位或多位所述数据位(dk)和一位或多位所述第二奇偶位(qk)。
13.如权利要求12中所要求的设备，其中在所述稍后期间内每个所述数据组包括一位或多位所述第一奇偶位(pk)。
14.如权利要求11至13中任何一项所要求的设备，其中在所述较早期间之前的第一期间内每个所述数据组包括一位或多位所述数据位(dk)和不包括任何所述第一或第二奇偶位(pk，qk)。
15.如权利要求11中所要求的设备，其中在所述稍后期间之后的最后期间内每个所述数据组包括一位或多位所述第二奇偶位(qk)和不包括任何所述第一奇偶位(pk)。
16.如权利要求15中所要求的设备，其中在所述最后期间内每个所述数据组不包括任何所述数据位(dk)。
17.如权利要求11中所要求的设备，其中每个调制状态(Ai，Bj)对应于所述数据组中一个的状态。
18.如权利要求17中所要求的设备，其中该调制器安排为使每个所述数据组映射至每个所述调制状态以便当所述数据组包括所述至少一个数据位(dk)和所述至少一个第一或第二奇偶位(pk，qk)两者时，所述至少一位数据位(dk)比所述至少一个第一或第二奇偶位(pk，qk)更受保护。
19.如权利要求11中所要求的设备，其中所述交织器(21)安排为使所述交织序列的任何位的序号小于一个预定的位的位置序号而与所述输入序列(d)的相应位的序号不同，所述预定序号基本上小于其中存储输入序列(d)的缓存的位容量。
20.如权利要求11中所要求的设备，其中所述第一和第二编码器(ENC1，ENC2)中的每一个安排为执行一个递归卷积编码算法。
21.包括如权利要求11中所要求的设备的卫星地面站(6；10)。
22.一种用于调制一个系统码字的方法，该系统码字包括数据位(dk)和通过一个中间的交织步骤而从所述数据位(dk)中获取的交织奇偶位(qk)，其特征在于，所述奇偶位(qk)的第一位的调制相对于所述数据位(dk)的第一位而言延迟多个调制符号周期，及数据位(dk)调制期间与奇偶位(qk)调制期间是重叠的。
23.一种用于调制一个系统码字的设备，该系统码字包括数据位(dk)和通过一个中间的交织步骤而从所述数据位(dk)中获取的交织奇偶位(qk)，其特征在于包含一个装置，用于将所述奇偶位(qk)的第一位的调制相对于所述数据位(dk)的第一位而言延迟多个调制符号周期，使得数据位(dk)调制期间与奇偶位(qk)调制期间是重叠的。
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