CN1209922C - 一种多码率纠错编码方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多码率错编码方法，属于数字信息传输技术领域。本发明方法包括：将输入的数字信号进行1/2码率系统码编码后，按一定的图案进行凿孔处理，得到2/3码率和8/9码率的系统卷积码，随后进行伪随机比特交织处理，然后再分别与上述的2/3码率系统卷积码和后面的QAM调制的符号星座映射级联，得到4/9码率和2/3码率的串行级联系统卷积码编码。本发明更好的适应于各种应用，并且解码具有灵活性，可以采用迭代解码，只需要有限次的迭代就能得到很好的纠错性能。
Description
技术领域 本发明属于数字信息传输技术领域，特别涉及一种能够实现多种编码码率的纠错编码方法。
背景技术 在数字电视广播中，由于传输信道中存在各种干扰和噪声，反映到接收信号中就会出现误码。数字电视接收机正常工作的误码率要求在百万分之一以下，需要有功能强的纠错编码，以便实现可靠接收。
现有的三个国际地面数字电视标准(美国ATSC、欧洲DVB-T和日本ISDB-T)都采用了由内码、交织、外码级联的基本结构。它们的外码都采用了RS缩短码，而内码有较大区别。
美国ATSC纠错编码的内码采用了固定码率的格型码，虽然性能很好，但只适应用于高码率。欧洲DVB-T和日本ISDB采用了多种码率的卷积码作为纠错编码的内码，虽然高码率时(64QAM)性能不如格型码，但同时适用于所有的码率(64QAM、16QAM、QPSK)。
欧洲DVB-T内码构成如图1所示，一个输入数据比特U经过1/2码率卷积码编码后生成两个输出比特：X比特和Y比特，X和Y比特再经过凿孔处理，得到纠错编码后的数据。图1所示的DVB-T内码的母码为1/2码率的非系统卷积码，生成多项式为
GX(x)＝1+x+x2+x3+x6
GY(x)＝1+x2+x3+x5+x6
或者用用八进制表示为(171，133)8，上式中xi(i＝1，2，3，4，5，6)仅指明其系数(1或0)代表的值，x本身的取值无实际意义，也不需要去计算x的值。
1/2码率卷积码生成多项式的实现方法如图2所示。一个输入比特U送给6个串行的存储单元Di(i＝1….6)，在每个D输出处按着上面生成多项式GX(x)和GY(x)产生抽头送给两个加法器，生成两个输出比特X比特和Y比特。
DVB-T对1/2码率卷积码生成的X和Y比特按表1所示的图案进行凿孔(Puncturing)处理，把表1凿孔图案中0所对应的输出比特X或Y删除，得到1/2、2/3、3/4、5/6和7/8码率的纠错内码。例如对于2/3码率纠错内码，1/2码率的母码在2比特输入时将产生4比特输出，把输出序列每4比特X1Y1X2Y2分为一组，删除凿孔图案中0所对应的比特X2，输出序列变为X1Y1Y2，相当于2比特输入3比特输出，编码码率为2/3。
表1 DVB-T纠错编码的凿孔处理图案
| 编码码率 | 凿孔图案 | 传输数据序列(并串转换后 |
| 1/2 | X：1Y：1 | X1Y1 |
| 2/3 | X：10Y：11 | X1Y1Y2 |
| 3/4 | X：101Y：110 | X1Y1Y2X3 |
| 5/6 | X：10101Y：11010 | X1Y1Y2X3Y4X5 |
| 7/8 | X：1000101Y：1111010 | X1Y1Y2Y3Y4X5Y6X7 |
欧洲DVB-T和日本ISDB采用了一般卷积码作为内码，其好处是同时适用于所有的传输模式(64QAM、16QAM、QPSK)，但DVB-T纠错性能不如美国ATSC的格型码，世界各地公开发表的计算机仿真结果和实际系统测试结果都证明了这点。但是美国ATSC只使用一种2/3码率的格型码，只适用于室外固定环境下的接收，而不适用于移动和室内等多径环境中的接收，实际应用受到很大限制。
发明内容 本发明的目的是为克服国际上现有的地面数字电视广播标准(美国ATSC和欧洲DVB-T)存在的缺陷，提出了一种多码率纠错编码方法，针对数字电视广播和通信系统中多种调制方式下系统对信道纠错编码的要求采用系统卷积码、交织器和调制星座符号映射级联，得到多种编码码率，以便适用不同的信道情况。本发明可适应于多种应用环境，同时具有解码灵活性，只需要有限次的迭代就能得到很好的纠错性能。
本发明提供了一种多码率纠错编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将输入的数字信号进行1/2码率循环系统卷积码纠错编码；
2)将进行纠错编码后的1/2码率循环系统卷积码编码进行凿孔处理，分别得到2/3码率和8/9码率系统卷积码；
3)分别将2/3码率和8/9码率系统卷积码编码后形成的数据进行伪随机比特交织处理；
4)对第3)步随机交织后的数据与满足最小欧氏距离最大化的QAM调制符号星座映射串联构成2/3码率和8/9码率的串行级联系统卷积码。
或者
4)’对2/3码率随机交织后的数据再进行上述第2步所述的2/3码率系统卷积码，得到4/9码率串行级联系统卷积码编码的输出码流。
上述的1/2码率的循环系统卷积码编码可为：将输入数字信号的一个比特U生成两个输出比特：信息比特I和校验比特P，信息比特I是输入比特U的直接输出，而校验比特P的分母生成多项式为G1(x)＝1+x+x3，分子生成多项式为G2(x)＝1+x2+x3。
上述由1/2码率的循环系统卷积码凿孔得到2/3码率系统卷积码的方法可为把1/2码率的循环系统卷积码输出比特序列每4位分为一组构成凿孔图案，通过凿孔删除第4位比特，这样输入的2比特信息，经过凿孔卷积码后输出为3比特。
上述由1/2码率的循环系统卷积码凿孔得到8/9码率系统卷积码的方法可为把1/2码率的循环系统卷积码输出比特序列每16位分为一组I1 P1 I2P2I3 P3 I4P4I5 P5 I6P6I7 P7 I8P8构成凿孔图案，通过凿孔删除P1P3I4P5I6P6 I8比特位后为I1P2I3P4I6P6I7 P7P8，这样输入的8比特信息，经过凿孔卷积码后输出为9比特。
上述的2/3码率串行级联系统卷积码可由2/3码率系统卷积码、伪随机比特交织器和QAM调制符号星座映射串联组成。
上述的2/3码率串行级联系统卷积码是由8/9码率系统卷积码、伪随机比特交织器和QAM调制符号星座映射串联组成。
本发明的工作原理：
本发明用1/2码率系统卷积码作为母码，由母码按一定图案作凿孔处理，分别得到2/3码率系统卷积码和8/9码率的系统卷积码，由2/3码率系统卷积码、伪随机交织器和QAM调制星座符号映射串联构成2/3码率串行级联系统卷积码，以及由2/3码率系统卷积码、伪随机交织器和2/3码率系统卷积码串联构成4/9码率串行级联系统卷积码，由此得到了多种信道纠错编码码率，以便适用不同的信道情况，例如对于地面数字电视广播移动接收，可以采用4/9码率的串行级联系统卷积码；对于室外固定接收，可以采用2/3码率串行级联系统卷积码；而对于信道接收情况，可以采用8/9码率系统卷积码，等等。另外，串行级联系统卷积码具有非常好的解码灵活性，可以采用代数解码、维特比算法解码以及基于最大后验概率迭代解码算法，以适应不同的应用和成本需求。
本发明的特点：
本发明是针对针对数字电视广播和通信系统中多种调制方式下系统对信道纠错编码的要求而提出了一种多码率纠错编码方法，此方法采用系统卷积码、交织器和调制星座符号映射级联，得到多种编码码率，以便适用不同的信道情况。此串行级联系统卷积码具有解码灵活性，可以采用代数解码、维特比算法解码以及基于最大后验概率迭代解码算法，相比于美国ATSC采用的2/3码率格型码和欧洲DVB-T采用的多码率非系统卷积码。只需要有限次的迭代就能得到很好的纠错性能。提高了系统的抗误码性能，并且适用于多种传输调制方式(QPSK、16QAM和64QAM等)。
本发明可应用于数字通信系统中，也可应用于地面和有线、卫星等数字电视广播中。
附图说明
图1为DVB-T纠错内码构成框图
图2为DVB-T 1/2码率卷积码生成器
图3为本实施例中采用的1/2码率的循环系统卷积码编码器
图4为本实施例4/9码率串行级联循环系统卷积码编码器
图5为本实施例2/3码率最小欧氏距离最大化星座映射级联纠错编码器
图6为采用本发明的地面数字多媒体电视广播系统的发射端框图
图7为采用本发明的地面数字多媒体电视广播系统的接收端框图。
图8为采用本发明的地面数字多媒体电视广播系统的计算机仿真性能
具体实施方式 下面将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
本发明用于发端的多种码率纠错编码方法实施例一的实现步骤如下：
1)将输入的数字信号进行RS码纠错编码(此步骤为可选步骤，也可不用)；
2)再对RS码纠错编码进行1/2码率系统码纠错编码后，进行凿孔处理，得到2/3码率和8/9码率的系统卷积码；
3)分别将2/3码率和8/9码率系统卷积码编码后形成的数据进行伪随机比特交织处理；
4)对第3步随机交织后的数据与满足最小欧氏距离最大化QAM调制符号星座映射串联构成2/3码率和8/9码率的串行级联系统卷积码 (此符号星座映射采用申请号为03102061.5的专利申请中的“一种最小欧氏距离最大化的星座映射级联纠错编码方法”)；
5)进行OFDM调制，然后再经过成形滤波、基带信号帧上变换等处理后送给信道传输。
经过本实施例一所述的多码率纠错编码方法后，将得到2/3和8/9等多种码率纠错编码信号。
在本发明的实施例一中，纠错编码的母码为1/2码率循环系统卷积码(recursivesystematic convolutional code，RSC)。本实施例中使用的系统卷积码是通过凿孔处理母码输出比特序列中一定数量的码元符号，并与满足最小欧氏距离最大化的调制符号星座映射串联而得到2/3和8/9码率。
本实施例的1/2码率的母码为循环系统卷积码的实现方法如图3所示，一个输入比特U生成两个输出比特：信息比特I和校验比特P。信息比特I是输入比特U的直接输出，而校验比特P是输入比特U经过一个循环递归系统后的输出，它的分子、分母生成多项式分别为：
P1(x)＝1+x+x3 (分子：158)
P2(x)＝1+x2+x3 (分母：138)
以八进制表示为(15，13)，式中x的含义与前述的DVB-T内码多项式一样，决定了图3中抽头的位置。
对上述1/2码率的循环系统卷积码按表2的纠错编码凿孔处理图案进行凿孔处理得到，从而有效地提高信道的传输效率。
本实施例的2/3码率系统卷积码的实现方法是把上述1/2码率的卷积码输出序列每4位分为一组，I1P1I2P2，将表2凿孔图案中0所对应的比特(即第4位)删除(凿孔)，得到凿孔卷积码I1P1I2。结果相当于输入2比特信息，经过此删除卷积码后输出为3比特，即实现了2/3码率系统循环卷积码。
本实施例的8/9码率系统卷积码的实现方法也按表2所示进行类似的凿孔处理，把1/2码率的循环系统卷积码输出比特序列每16位分为一组I1 P1 I2P2I3 P3 I1P4I5 P5 I6P6I7P7 I8P8，删除比特位后为I1P2I3P4I5P6I7 P7P8，结果相当于输入8比特信息，经过此删除卷积码后输出为9比特，即实现了8/9码率循环系统卷积码。
表2 本实施例的纠错编码凿孔处理图案
| 编码码率 | 凿孔图案 | 传输数据序列(并串转换后) |
| 1/2 | I：1P：1 | I1P1 |
| 2/3 | I：11P：10 | I1P1I2 |
| 8/9 | I：10101010P：01010111 | I1P2I3P4I5P6I7 P7P8 |
上述的2/3码率或8/9码率卷积码与信道调制符号映射串行级联纠错码，用于64QAM调制，如图4所示，输入数据U经过2/3码率系统卷积码，然后经过伪随机交织器后，送给调制星座符号映射编码，最后输出纠错编码后的数据。在进行符号星座图映射之前，要对比特流进行比特伪随机交织，比特交织按查表进行。交织器选择伪随机交织器。伪随机交织后的信号送给后面的64QAM调制器，按表3所示的映射规则完成调制星座符号映射编码，相比于以前的自然映射和格雷映射，此映射使得最小欧氏距离变得最大化(采用申请号为03102061.5的专利申请中的“一种最小欧氏距离最大化的星座映射级联纠错编码方法”)，调制符号星座图映射看作级联纠错编码的内码，与2/3码率或8/9码率卷积构成串行级联码。
表3 本实施例的64QAM符号映射以及其它方式的符号映射关系
| 调制符号 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 |
| 本实施例的映射比特 | 000 | 101 | 010 | 111 | 100 | 001 | 110 | 011 |
| 自然符号映射比特 | 000 | 001 | 010 | 011 | 100 | 101 | 110 | 111 |
| 格雷符号映射比特 | 000 | 001 | 011 | 010 | 110 | 111 | 101 | 100 |
除实施例一以外，本发明用于发端的多种码率纠错编码方法实施例二的实现步骤如下：
1)将输入的数字信号进行RS码纠错编码(此步骤可选用也可不用)；
2)进行1/2码率系统码纠错编码后，进行凿孔处理，得到2/3码率系统卷积码；
3)将2/3码率系统卷积码编码后形成的数据进行伪随机比特交织处理；
4)对伪随机交织后的数据再重复上述第2步骤：进行1/2码率系统卷积码纠错编码和凿孔处理，得到4/9码率串行级联系统卷积码编码的输出码流；
5)进行OFDM调制，然后再经过成形滤波、基带信号帧上变换等处理后送给信道传输。
经过本实施例二所述的多码率纠错编码方法后，将得到4/9码率纠错编码信号。
本发明的实施例二的第1)、2)、3)步骤与前面实施例一所述相同，上述的两个2/3码率系统卷积码和一个交织器构成4/9码率的串联循环系统卷积码，如图5所示，由第一个2/3码率系统卷积码编码器、内码交织器和第二个2/3码率系统卷积码编码器等组成，输入数据U经过2/3码率系统卷积码，然后经过伪随机交织器后，再送给第二个2/3码率系统卷积码，最后输出纠错编码后的数据。
本实施例一、二的交织器选择伪随机交织器，当交织器充分大时，交织前后的码序列间相关性很小，使纠错编码具有近似于随机长码的特性，也避免了在迭代解码时由于相关性强而形成正反馈。同时，交织器改变了码字的重量分布，使编码输出序列中码字重量的分布尽可能均匀，尽量减少重量很轻或很重的码字，使产生的码字具有相对来说非常少的近邻，也即是说产生的码字非常分散。
在接收端，上述纠错编码方法产生的数据码流可以采用代数解码、维特比算法解码以及基于最大后验概率迭代解码等多种方法。以4/9码率的串行级联码为例，其最大后验概率迭代解码(MAP-ID)算法的具体步骤为：
首先解调映射译码或第一个2/3码率系统卷积码译码先开始工作，此时对发送序列没有先验知识，经映射解码计算后，得到外信息LE1k。收到的信息符号序列{xk}和外信息LE1k经过一个和发端一样的随机交织器调整为针对2/3码率系统卷积码编码的顺序，随后送往第二个2/3码率系统卷积码解码器，它将解调映射解码给出的外信息LE1k当作自己对发送序列的先验知识完成译码，输出发送序列的先验知识和外信息LE2k，完成一次迭代。
LE2k经过反交织后再送往解调映射解码器或第一个2/3码率系统卷积码解码器，同样被作为先验知识，开始新一轮迭代。经过若干次迭代或在输出稳定后，给出判决结果。
一个采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播发射系统组成如图6所示。输入的MPEG TS码流可以是视频、音频、图形、数据等多媒体信息，为了抵抗传输过程中产生的误码，TS流首先经过RS码纠错编码，然后送给采用本发明所述方法得到的多码率纠错编码器，随后送给调制器成为数字QAM调制信号，再送给OFDM多载波调制，最后与PN序列等复接后经数模转换模块，转换为合适的模拟信号，射频RF模块接收此模拟信号，处理后的结果送给发射天线或其它信号发射机。
一个采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播接收系统组成如图7所示。天线或其它信号接收机接收调制信号，送给下变频模块进行频率变换后，送给模数转换变为数字信号，然后经过OFDM多载波解调。OFDM解调后的数字信号经过多码率纠错码解码处理后，送给后面RS解码器，最后恢复MPEG TS码流。
对于一个传输系统，传输信息的有效性和可靠性是两项最终指标，两者可以相互转换，但互为代价。在带宽和功率受限的条件下，系统的有效性和可靠性综合指标接近仙农理论极限
曲线的程度，是衡量该传输系统优化水平的客观标准。
仙农理论极限
按教科书上的定义为一定的频谱利用率Rb/B条件下的归一化信噪比Eb/No(最小比特能量与噪声谱密度之比)：
根据上述公式，分别计算欧洲DVB-T和采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播系统(DMB-T)在典型的高、中、低码率时的计算机仿真高斯信道中的Eb/No~Rb/B，得到图8所示的Eb/No~Rb/B仿真性能曲线，图中实线A是采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播(DMB-T)系统的性能曲线，A1点是采用4/9码率纠错编码的QPSK调制，A2点是采用2/3码率纠错编码的16QAM调制，A3点是采用2/3码率纠错编码的64QAM调制，A4点是采用8/9码率纠错编码的64QAM；虚线B是相应的欧洲DVB-T系统的性能曲线，B1点是采用1/2码率纠错编码的QPSK调制，B2点是采用2/3码率纠错编码的16QAM调制，B3点是采用2/3码率纠错编码的64QAM调制；点线C是仙农理论极限曲线。
采用本发明所述方法的地面数字多媒体电视广播系统(DMB-T)的净传输数据率如表4所示。为了抵抗多径干扰，OFDM系统需要添加循环前缀作为保护间隔，表中OFDM保护间隔长度为1/9 OFDM符号和1/4 OFDM符号，一个OFDM符号的持续时间为500us；DMB-T系统内码采用了本发明所述的多码率纠错编码，表中码率为4/9、2/3和8/9等；表中子载波调制方式采用了QPSK、16QAM和64QAM等。在上述不同保护间隔、内码码率和调制方式下得到DMB-T系统的净传输数据率如表4所示，图8只代表性的画出了55.56us保护间隔情况下的性能曲线。
表4 采用本发明所述方法的DMB-T系统的传输数据率(Mbps)
| 保护间隔 | 55.6s | 125s | |||||
| 内码码率 | 4/9 | 2/3 | 8/9 | 4/9 | 2/3 | 8/9 | |
| 调制 | QPSK | 5.414 | 8.122 | 10.829(1) | 4.813 | 7.219 | 9.626(3) |
| 16QAM | 10.829(1) | 16.243(2) | 21.658 | 9.626(3) | 14.438(4) | 19.251 | |
| 64QAM | 16.243(2) | 24.365 | 32.486 | 14.438(4) | 21.658 | 28.877 | |
注：(1)～(4)——表示两者速率相同，将来根据应用情况选择参数
从图8中可以看到，在多种编码码率情况下，采用本发明的系统在有效性Rb/B和可靠性Eb/No两个方面都明显优于欧洲DVB-T系统，更接近于仙农理论极限曲线，整体性能有明显优势。
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限制于上述实施例，在不脱离本申请的权利要求的精神和范围情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。
Claims (7)
1、一种多码率纠错编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将输入的数字信号进行1/2码率循环系统卷积码编码；
2)将进行纠错编码后的1/2码率循环系统卷积码编码进行凿孔处理，分别得到2/3码率和8/9码率系统卷积码；
3)分别将2/3码率和8/9码率系统卷积码编码后形成的数据进行伪随机比特交织处理；
4)对第3)步随机交织后的数据与满足最小欧氏距离最大化的QAM调制符号星座映射串联构成2/3码率和8/9码率的串行级联系统卷积码。
2、如权利要求1所述的多码率纠错编码方法，其特征在于，所述的1/2码率循环系统卷积码的编码方法为：将输入数字信号的一个比特U生成两个输出比特：信息比特I和校验比特P，信息比特I是输入比特U的直接输出，而校验比特P的分母生成多项式为G1(x)＝1+x+x3，分子生成多项式为G2(x)＝1+x2+x3。
3、如权利要求1所述的多码率纠错编码方法，其特征在于，所述的第2)步骤的由1/2码率的循环系统卷积码凿孔得到2/3码率系统卷积码的方法为，把1/2码率的循环系统卷积码输出比特序列每4位分为一组构成凿孔图案，凿孔删除第4位比特，这样输入的2比特信息，经过凿孔卷积码后输出为3比特。
4、如权利要求1所述的多码率纠错编码方法，其特征在于，所述的第2步骤的由1/2码率的循环系统卷积码凿孔得到8/9码率系统卷积码的方法为，把1/2码率的循环系统卷积码输出比特序列每16位分为一组I1 P1 I2P2I3 P3 I4P4I5 P5 I6P6I7 P7 I8P8构成凿孔图案，通过凿孔删除比特位后为I1P2I3P4I5P6I7 P7P8，这样输入的8比特信息，经过凿孔卷积码后输出为9比特。
5、如权利要求1所述的多码率纠错编码方法，其特征在于，所述的2/3码率串行级联系统卷积码是由2/3码率系统卷积码、伪随机比特交织器和QAM调制符号星座映射串联组成。
6、如权利要求1所述的多码率纠错编码方法，其特征在于，所述的2/3码率串行级联系统卷积码是由8/9码率系统卷积码、伪随机比特交织器和QAM调制符号星座映射串联组成。
7、一种多码率纠错编码方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将输入的数字信号进行1/2码率循环系统卷积码编码；
2)将1/2码率循环系统卷积码编码进行凿孔处理，分别得到2/3码率和8/9码率系统卷积码；
3)分别将2/3码率和8/9码率系统卷积码编码后形成的数据进行伪随机比特交织处理；
4)对2/3码率系统卷积码伪随机交织后的数据再进行上述第2步所述的2/3码率系统卷积码，得到4/9码率串行级联系统卷积码编码的输出码流，送给后面的调制器。
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