CN1203707A - 通过收缩非有效符号提供不等误差保护的编码系统和方法 - Google Patents

Abstract

一个编码系统用于对从数字系统的发射机传送到接收机的数字信息的非有效和有效符号都起误差保护。通过在发射机上对构成数字信息的信息块的有效和非有效符号都进行编码,提供对非有效和有效符号的误差保护。通过收缩编码信号的每个代码字的非有效符号的一些选择数目,对有效符号提供不等的误差保护。在接收机上,根据所接收的代码字的擦除和误差是否可校正,对每个所接收的代码字进行校正确定。校正确定是误差数目、擦除数目和代码的最小距离的函数。基于这个校正确定,所接收的代码字被解除收缩和译码。除收缩最好采用收缩符号被当作为擦除的似Reed-Solomon的Berlekamp可译码的代码来进行。这样一来,除收缩信息用顺序估计似Viterbi译码法来译码。

Description

通过收缩非有效符号提供不等 误差保护的编码系统和方法

发明领域

本发明一般来说涉及数字通信系统的收缩编码系统，更具体来说涉及用于提供在数字信息中所选符号的不等误差防护的收缩编码系统。

发明背景

数字通信系统通过在传输信道上从发射机向接收机传送符号流来传递数字信息。传输信道常常包含噪声，它往往会恶化所传送的符号流，导致传输错误和部分所传送的数字信息丢失。所传送的符号流的恶化是由于在无线传输信道中高的噪声电平所导致的无线传输信道的一个特殊问题。

为了减小噪声对被传送数字信息的影响，各种不同的编码技术，常称之为前向误差校正(FEC-forward error correction)技术，可被用于编码数字。信息编码数字信息的具有代表性的FEC技术包括BCH码、循环码、汉明(Hamming)码、Reed-Solomon码和Golay码。一篇讨论FEC技术的参考书是Shu Lin和Daniel Costello，“ErrorControl Coding：Fundamentals & Applications”，Prentice Hall，它被包括进了参考文献内。当适当设计时，用FEC技术编码数字信息改善在接收机上接收到的数字信息的质量。

编码数字信息的一个问题是，被增加的符号数被用于代表数字，信息，因此，在传输信道上所传送的符号流的符号率也必须增加。当符号率增加时，传送代表数字信息的符号流所要求的带宽数也被增加。为传送数字信息增加带宽的要求可能是一个问题，因为可利用的带宽的数目有限，使用带宽的成本高。因此，编码数字信息的好处至少部分地被为传送编码信息需要增加带宽的缺点所抵销。

在以前的技术中通过只编码被传送数字信息的所选择的有效符号来着手解决增加带宽要求的问题。这些部分编码系统利用数字信息常常包括有效符号和非有效符号的事实。有效符号代表数字信息的更基本的信息，非有效符号代表相对较少基本的信息。部分编码系统编码有效符号而留下非有效符号不编码。因而，部分编码方案有助于保护有效符号不产生传输错误而对非有效符号不加保护。部分编码方案被用在下列场合，即编码所必需的带宽增加仅认为对有效符号是值得的地方。在有效符号被保护而非有效符号不被保护的场合，这导致数字信息的不等误差防护。因为非有效符号被保护，所以影响非有效符号的传输误差至少在某种程度上恶化所接收数字信息的质量。

发明概要

本发明是对数字系统从发射机传送到接收机的数字信息的非有效符号和有效符号都进行误差防护的一个编码系统。通过对构成数字信息的信息块的有效符号和非有效符号都编码来提供既对非有效符号又对有效符号的误差防护。通过收缩编码信号的每个代码字的非有效符号的所选择数目，来减小被传送编码信号的符号率并对有效符号提供不等误差防护。在接收机上，根据所接收代码字的擦除和误差是否可校正，对每个所接收的代码字进行校正确定。校正确定是误差的数目、擦除的数目和代码的最小距离的函数。根据这个校正确定，所接收的代码字被(解)除收缩和被译码。

按照本发明的一个数字通信系统包括一个编码电路、一个收缩电路、一个(解)除收缩电路和一个译码电路。编码电路根据传输之前的一个预定代码编码一个数字信息以产生具有有效信息符号、非有效信号符号和冗余符号。冗余符号既对有效信息符号又以对非有效信息符号进行误差防护。收缩电路在传输之前收缩每个代码字的τ非有效符号，以便在代码字中产生擦除。然后在通信信道上从发射机到接收机传送所收缩的代码字。

在接收机中一个除收缩电路解除所接收的收缩代码字的收缩，以便产生除收缩的代码字。对每个所接收的收缩代码字，除收缩电路确定收缩代码字是否可校正。如果确定代码字是可校正的，收缩字被校正并产生一个经校正的除收缩代码字。如果确定收缩代码字不可校正，收缩代码字不被校正并产生一个未校正的除收缩代码字。

除收缩代码字被译码电路译码，以便产生所接收的信息符号。从经校正的除收缩代码字产生的所接收的信息块是与它们相应的所传送信息块是等同的，而从未校正的除收缩代码字产生的所接收的信息块包括误差。

附图简介

图1是按照本发明的数字通信系统的方块图。

图2是按照本发明的除收缩电路的方块图。

图3a和3b是说明按照本发明的数字通信系统的操作步骤的流程图。

图4a～4f示出按照本发明的被编码和被译码的示例数字信息。

优选实施例详述

本发明是一个收缩编码系统，用于对在通信信道上所传送的数字信息提供误差保护。本发明收缩编码系统被设计在通信信道中的噪声可能恶化所传送的数字信息的数字通信系统中实施。这样的通信系统包括无线电通信系统，诸如基于陆地的蜂窝系统和基于卫星的蜂窝系统。

参见图1，数字通信系统10的一个原理图，其中示出可以实施的本发明的收缩编码系统。数字通信系统10包括用于编码和发射数字信息的发射机12以及用于接收和译码被接收数字信息的接收机14。发射机12和接收机14包括如下面所述的通信部件，其被选择、安排和配置，以实现本发明的收缩编码系统。

发射机12包括信息源16、信道编码器20以及调制器22，信息源16产生一个数字信息，它由包含有效符号和非有效符号的信息块的流构成。在一个优选实施例中，信息源16是一个声码器，如VCELP(或CELP)声码器。这样的一个声码器产生具有代表语音的有效符号和非有效符号的信息块的流，并被用于在欧洲广泛使用的GSM标准中。信道编码器20有一个编码电路24，用于编码数字信息以构成一个由代码字组成的编码信号，以及有一个收缩电路26，用于收缩代码字以产生一个收缩信号。数字信息被按照一个所选择的代码编码以便既对数字信息的有效符号又对数字信息的非有效符号提供误差防护。每个代码字被按照一个所选择的收缩删除图案收缩以产生具有擦除的一个相应的收缩代码字。调制器22使用收缩信号以产生一个在通信信道上被传送的已调制信号。

接收机14包括一个解调器30和信道译码器32，用于接收和译码所接收的已调制信号。所接收的已调制信号是信道中噪声的函数，并可以看作为一个信道输出信号。解调器32解调信道输出信号，以产生一个已解调的信号。已解调信号相当于在被传送的收缩信号已受通信信道中噪声恶化之后的被传送收缩信号。信道译码器32包括一个除收缩电路，用于解除已调制信号的收缩，以及一个译码电路36，用于译码除收缩信号。除收缩电路34使用收缩电路26的删除模型以解除已解调信号的收缩，而译码电路36使用编码电路24的代码以译码信号。信道编码器20和信道译码器32以及信道编码器20可以采用在无线电通信系统中目前使用的普通微处理器来实现。

一个除收缩电路34的原理图示于图2。除收缩电路34通常包括一个校正确定电路40、一个代码字校正电路42和一个存储器44。校正确定电路40包括一个误差计算器46和误差比较器48，以及确定每个代码字是否可校正的功能。一个可校正的代码字是在代码字中的所有误差和擦除可以被校正的代码字。

为了确定一个代码字是否可校正，误差计算器46确定每个代码字的误差符号的数目。误差符号的数目被输出到误差比较器48，它将在所接收代码字中由传输所引起的误差符号数目与一个预定的最大门限值相比较。预定的最大门限值是代码的最小距离和擦除数目的函数。预定最大门限值被保存在存储器44中并被输出到校正确定电路40，用于确定每个代码字是否可校正。如果误差符号的数目小于给定代码字的预定最大门限值，则误差比较器48输出一个可校正确定信号到代码字校正电路42。如果误差符号的数目大于给定代码字的预定最大门限值，则误差比较器48输出一个不可校正确定信号到代码字校正电路42。

代码字校正电路42根据可校正确定信号校正在所接收代码字中的误差和擦除，并输出一个经校正的除收缩代码字。在代码字中通过采用有界距离(bounded distance)译码算法(如Berlekamp-Massey算法)校正误差和擦除。经校正的除收缩代码字是一个误差和擦除被校正的代码字。在优选实施例中，在所接收的代码字中所有误差和擦除根据可校正确定信号被校正。当代码字的一个不可校正确定信号被输入到代码字校正电路42时，在代码字中的误差和擦除不能被校正。在本例中，代码字校正电路42用任意的或相关的符号填充擦除，并输出一个不可校正的除收缩代码字。

经校正和未校正的除收缩代码字构成除收缩信号，它被输出到译码电路36供译码。译码电路36译码除收缩信号并输出一个由经校正的信息块和未校正的信息块构成的估计信息。

说明数字通信系统10的整个操作和由信道编码器20与信道译码器32提供的不等误差保护的流程图被示于图3a和3b中。参照图3，首先由信息源16输出数字信息到信道编码器20(步骤50)。数字信息是具有包括许多信息符号的每个信息块的信息块的流。每个信息块的信息符号按有效符号和非有效符号的已知符号模型来排列。

编码信号被输出到编码电路24，数字信息被编码，产生一个由接连的代码字构成的编码信号(步骤52)。每个代码字相应于一个信息块。在优选实施例中，编码信号按照一个系统码(或信息符号可以以特定坐标在代码字中放置的任何编码方案)被编码。系统地编码数字信息导致一个由n符号的代码字所代表的k符号的信息块，其中n大于k。每个代码字有相应于信息块的k信息符号和n-k冗余符号。K信息符号以有效符号和非有效符号的已知符号模型排列。冗余符号提供既对有效信息符号又对非有效信息符号的误差防护。

编码信号被输出到收缩电路26，每个代码字的τ非有效符号根据一个删除模型被收缩，产生一个收缩信号(步骤54)。收缩信号由具有τ擦除的代码字构成。收缩代码字的删除图形被选择以收缩τ非有效符号，其中τ等于所选择的非有效符号的数目。所选择的被收缩的τ非有效符号的数目取决于如代码字n的长度、所希望的代码的比特率以及在信道中所预期的噪声大小等因素。删除模型根据规定哪些代码符号是非有效符号以及哪些代码符号是有效符号的符号模型来选择。收缩符号然后被输出到调制器22，调制器产生一个相应于收缩信号的已调制信号(步骤56)。已调制信号然后在通信信道上被传送(步骤58)。

接收机14的解调器30接收一个信道输出信号，该信号是它已被信道改变之后的已调制信号(步骤60)。解调器30解调信道输出信号，产生一个已解调信号或所接收的收缩信号。所接收的收缩信号由

所接收的收缩代码字构成。由于信道中的噪声，误差往往被引入到所接收的收缩代码字的符号中。在所接收的收缩代码字中误差内的符号被称之为误差符号。

所接收的收缩信号被输出到除收缩电路34，在其中所接收的收缩信号的每个代码字被一个挨一个代码字地顺序处理如下。，首先，一个所接收的代码字由校正确定电路40的误差计算器46处理，以确定在所接收的代码字中误差符号e_s的数目(步骤62)。确定在所接收的代码字中误差符号e_s的数目的方法是本专业技术人员知道的，可以在优选实施例中用有界距离译码确定。所确定的误差符号e_s的数目则被输出到误差比较器48，其将误差符号e_s与所保存的最大误差门限值e_t相比较(步骤54)。当使用有界距离译码时，误差计算器46可以计算直到最大误差门限值e_t的实际误差符号数目。对于所接收的代码字具有许多大于最大误差门限值e_t的误差符号的情况，误差计算器46确定误差符号的数目是大于最大误差门限值e_t的某个数目。因此，误差计算器可以确定误差符号e_s的数目等于如下的任一个：1，2，…，e_t，＞e_t。

在优选实施例中，所保存的最大误差门限值e_t被存储在存储器44中，并根据最大误差门限值议程导出： $e_t=\left[\frac{d_{\min }-l-\mathrm{\τ}}{2}\right]$ 式中d_min是代码的最小距离，τ是擦除的数目，以及

表示阶(floor)函数，因而e_t等于小于

的最大整数。最大误差门限值e_t是τ擦除和e_s误差符号可以被校正的误差的最大数目。在优选实施例中，如果在代码字中每个e_s误差符号可以被校正以及τ擦除可以被校正，则所接收的代码字是可校正的。

如果误差符号e_d的数目小于或等于最大误差门限值e_t，则误差符号和擦除被校正，产生一个经校正的除收缩代码字(步骤56)。在优选实施例中，通过使用有界距离译码算法处理代码字。所有e_s误差符号和τ擦除被校正。在另一个实施例中，实质上所有e_s误差符号和τ擦除通过使用有界距离译码算法处理代码字来校正。经校正的除收缩代码字被输出到译码电路36。经校正的除收缩代码字由译码电路36译码(步骤60)。译码电路36输出一个误差经校正的信息块，该信息块由与发射机12发射的相应信息块的信息符号等同的信息符号构成。

如果误差符号的数目最大误差门限值e_t，则代码字是不可校正的。当代码字是不可校正的时，替代符号被产生并被用于填充在收缩符号中(步骤58)，同时符号误差不被校正。替代符号可以是任意符号或者可以经由相关技术如信息符号的内插法来产生。未校正的除收缩代码字则被输出到译码电路36，其译码除收缩代码字(步骤64)。在优选实施例中，未校正的除收缩代码字通过输出与所发射信息块中信息符号的坐标相应的除收缩代码字的符号来译码。例如，当采用系统编码时，除收缩代码字(带替代符号)的第一个k符号被输出。由于代码字是不可校正的，所以译码电路36输出一个未校正的信息块(步骤66)。未校正信息块包括与相应的所发射信息块的信息符号不等同的信息符号。

参照图4，从发射机12被发射和由接收机14所接收的示例数字信息的原理表示法被示出。数字信息在发射机12和接收机14中按逐块的原则被加工。数字信息由k符号的许多连续的信息块构成。在图4a中示出，第一个信息块具有符号i_1l到i_1k，第二个信息块具有符号i_2l至i_2k。每个信息块的头两个符号被表示为非有效符号，其余的符号被表示为有效符号。如图4a所示，在第一个信息块中，符号i₁₁和i₁₂是非有效符号，而符号i₁₃至i_1k是有效符号。同样，在第二个信息块中，符号i₂₁和i₂₂是非有效符号，而符号i₂₃至i_2k是有效符号。

第一和第二个信息块被编码电路24编码，产生相应于第一个信息块的第一个代码字和相应于第二个信息块的第二个代码字。每个代码字由信息符号(即非有效符号和有效符号)和冗余符号构成。如图4b所示，在第一个代码字中，符号c₁₁和c₁₂是非有效符号，c₁₃至c_1k是有效符号，以及c_1(k+1)至c_1n是冗余符号。同样，在第二个代码字中，符号c₂₁和c₂₂是非有效符号，c₂₃至c_2k是有效符号，以及c_2(k+1)至c_2n是冗余符号。

第一和第二个代码字由收缩电路26逐个收缩，因而第一个代码字的非有效符号c₁₁和c₁₂被收缩以及第二个代码字的非有效符号c₂₁和c₂₂被收缩。代码字的收缩符号在图4c中已被删除。收缩信号被调制并被发射到接收机14。

接收机14包括一个解调器，其解调所接收的已调制信号并输出一个所接收的收缩信号或信道输出信号。如图4d所示，所接收的收缩信号包括具有符号o₁₃和o_1n的第一个所接收的代码字和具有符号o₂₃至o_2n的第二个所接收的代码字。如果在传输过程中没有误差被引入，则第一个所接收的代码字的符号o₁₃至o_1n，等于所发射的第一个收缩代码字的符号c₁₃至c_1n，第二个所接收的代码字的符号o₂₃至o_2n等于以发射的第二个收缩代码字的符号c₂₃至c_2n。

如图4e所示，此接收的收缩信号由除收缩电路34解除收缩，产生第一个除收缩代码字

至 和第二个除收缩代码字 到 。假设第一至 和第二个除收缩代码字

到

。假设第一个所接收的代码字是可校正的，则误差和擦除在所接收的代码字中被校正，第一个除收缩代码字的

到

等于待传输编码信号的符号c₁₁至c_1n，假设第二个所接收的代码字是不可校正的，则误差和擦除在所接收的第二个代码字中是不可校正的，第二个除收缩代码字的符号 到

将包含误差。因此，第二个除收缩代码字的符号 到

不等于相应的待传输代码字的符号c₂₁至c_2n。

第一和第二个除收缩代码字由译码电路36译码，同时从译码电路36输出第一个估计信息块和第二个估计信息块。如图4f所示，第一个估计信息块包括符号e₁₁至e_1k，第二个估计信息块包括符号e₂₁至e_2k。一个估计信息块的质量取决于相应的被接收的代码字是否可校正。例如，如果第一个信息块是可校正的，则符号e₁₁至e_1k等于第一个信息块的符号i₁₁至i_1k，且第一个估计信息块不受损害。作为第二个例子，假设第二个被接收的代码字是不可校正的。如果第二个被接收的代码字是不可校正的，则符号e₂₁至e_2k不等于第二个信息块的符号i₂₁至i_2k。因此，第二个估计信息块将包括对第二个估计信息块的质量的一些降低。虽然第二个估计信息块将包括一定数目的误差，但有效符号的误差比不上非有效符号的误差，因为只有非有效符号被收缩。

总而言之，本发明的编码系统编码数字信息，以便既对数字信息的非有效符号又对数字信息的有效符号提供误差防护。通过仅收缩τ非有效符号，对有效符号提供不等的误差防护。收缩信号被传送到接收机，在接收机中所接收的信号被处理以便确定擦除和所引入的误差是否可校正。如果所接收的信号是可校正的，则产生一个经校正的信息块，如果所接收的信号是不可校正的，则产生一个未校正的信息块。

上述的数字通信系统10的方块元件的特定细节可以在以前发表的许多参考资料中找到，对它们加以详细讨论是不必要。除这里所说明和描述的实施例外，不同的实施例和改编以及许多变化的、修改的和等效的装置目前将被出现或将由上述特性和附图所建议，而不本发明的实质和范围。虽然这里已相对于本发明的优选实施例详细描述了本发明，但应当明白，这个公布的内容仅是本发明的阐述和示例，不只是为了提供本发明的全部和可能的揭示之目的。因此，意味着本发明仅被这里所追加的权利要求的精神和范围所限制。

Claims (21)

1.对在一信道上从发射机传送到接收机的数字信息进行误差保护的一种编码方法，包括：

a)在传送之前按照预定代码编码数字信息以产生具有有效信息符号、非有效信息符号和冗余符号的代码字，其中冗余符号既对有效信息符号又对非有效信息符号进行误差防护；

b)在传送之前收缩每个代码字的τ非有效符号，以便产生在代码字中的擦除；

c)在传送之后解除收缩代码字的收缩，以便产生除收缩代码字，解除所接收的收缩代码字的收缩的步骤包括：

1)确定每个所接收的收缩代码字如果收缩代码字是可校正的，以及

2)校正被确这为可校正的收缩代码字，以便产生经校正的除收缩代码字；

d)译码除收缩代码字。

2.权利要求1的编码方法，其中确定收缩代码字是否可校正的步骤包括确定在代码字中误差符号的数目。

3.权利要求1的编码方法，其中确定收缩代码字是否可校正的步骤是误差符号e_s的的数目、它擦除的数目以及预定代码的最小距离d_min的函数。

4.权利要求3的编码方法，其中确定收缩代码字是否可校正的步骤包括将误差符号e的数目与最大门限值相比较，其中最大门限值确定为最大门限值方程：

的函数，式中d_min是预定代码的最小距离，τ是在代码字中擦除的数目。

5.权利要求4的编码方法，其中如果

，则代码字是可校正的。

6.权利要求1的编码方法，其中当所接收的收缩代码字被确定为可校正的时，在所接收的收缩代码字中擦除被用相应的τ收缩符号填充，以及误差符号被校正，因而经校正的除收缩代码字的信息符号等同于相应的所传送代码字的信息符号，以及当所接收的收缩代码字被确定为不可校正的时，在所接收的收缩代码字中擦除被用替代符号填充，以及误差不被校正，因而未校正的除收缩代码字的信息符号不等同于相应的所传送代码字的信息符号。

7.权利要求1的编码方法，其中预定代码是一个系统代码。

8.对在一信道上从发射机传送到接收机的数字信息进行误差保护的一种编码系统，包括：

a)一个编码电路，用于在传送之前按照预定代码编码数字信息，以产生具有有效信息符号、非有效信息符号和冗余符号的代码字，其中冗余符号既对有效信息符号又对非有效信息符号进行误差保护；

b)一个收缩电路，用于在传送之前收缩每个代码字的τ非有效符号，以便产生在代码字中的擦除；

c)一个除收缩电路，用于在传送之后解除收缩被收缩的代码字，以便产生除收缩代码字，除收缩电路包括：

1)校正确定装置，用于确定每个所接收的收缩代码字，如果收缩代码字是可校正的，以及

2)校正装置，用于校正被确定为可校正的收缩代码字，以便产生经校正的除收缩代码字；以及

d)一个译码电路，用于译码除收缩代码字。

9.权利要求8的编码系统，其中校正确定装置包括用于确定在代码字中误差符号e_s的数目。

10.权利要求9的编码系统，其中用于确定收缩代码字是否可校正的校正确定装置是误差符号e_s的数目、τ擦除的数目和预定代码的最小距离d_min的函数。

11.权利要求10的编码系统，其中用于确定收缩代码字是否可校正的校正确定装置包括将误差符号e_s的数目与最大门限值相比较，其中最大门限值确定为最大门限值方程： 的函数，式中d_min是预定代码的最小距离，τ是在代码字中擦除的数目。

12.权利要求11的编码系统，其中如果

，则代码字是可校正的。

13.权利要求8的编码系统，其中当所接收的收缩代码字被确定为可校正的时，在所接收的收缩代码字中擦除被用τ收缩符号填充，以及误差符号被校正，因而经校正的除收缩代码字的信息符号等同于相应的所传送代码字的信息符号，以及当所接收的收缩代码字被确定为不可校正的时，在所接收的收缩代码字中擦除被用替代符号填充，以及误差不被校正，因而未校正的除收缩代码字的信息符号不等同于相应的所传送代码字的信息符号。

14.权利要求8的编码系统，其中预定代码是一个系统代码。

15.一个数字通信方法包括：

a)接收包括k信息符号的信息块，其中信息块具有有效信息符号和非有效信息符号；

b)编码数字信息，产生相应于信息块的代码字，代码字具有n代码符号，其中n＞k且每个代码字包括相应信息块的信息符号和冗余符号；

c)收缩每个代码字的τ非有效符号，产生一个收缩信号，收缩信号包括收缩的代码字，每个收缩的代码字具有τ擦除；

d)在信道上传送收缩信号；

e)接收在信道上所传送的收缩信号，所接收的收缩信号包括所接收的收缩代码字；

f)确定每个所接收的收缩代码字，如果代码字是可校正的；

g)校正被确定为可校正的代码字。

16.权利要求15的编码方法，其中确定收缩代码字是否可校正的步骤包括确定在代码字中误差符号e_s的数目。

17.权利要求16的编码方法，其中确定收缩代码字是否可校正的步骤是误差符号e_s的数目、τ擦除的数目和预定代码的最小距离d_min的函数。

18.权利要求17的编码方法，其中确定收缩代码字是否可校正的步骤包括将误差符号e_s的数目与最大门限值相比较，其中最大门限值确定为最大门限值方程： 的函数，式中d_min是预定代码的最小距离，τ是在代码字中擦除的数目。

19.权利要求18的编码方法，其中如果 ，则代码字是可校正的。

20.权利要求15的编码方法，其中当所接收的收缩代码字被确定为可校正的时，在所接收的收缩代码字中擦除被用τ收缩符号填充，以及误差符号被校正，因而经校正的除收缩代码字的信息符号等同于相应的所传送代码字的信息符号，当所接收的收缩代码字被确定为不可校正的时，在所接收的收缩代码字中擦除被用替代符号填充，以及误差不被校正，因而未校正的除收缩代码字的信息符号不等同于相应的所传送代码字的信息符号。

21.权利要求15的编码方法，其中预定代码是一个系统代码。

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