CN1240066A - 用于对分组码进行译码的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种译码系统处理一个接收向量r以产生一个包括每个接收代码符号的可靠性值在内的软符号信息向量输出S。根据这些可靠性值。标识和检测接收向量r中的低可靠性代码符号簇。作为响应，置换该接收向量r以将每个检测到的低可性簇中的低可靠性代码符号分散到整个给定码字中。根据检测出的低可靠性符号簇，一个译码发生器矩阵G也相应地被置换。利用从置换译码发生器矩阵G’中得到的一种格式结构，对置换接收向量r’进行顺序或次优译码。

Description

用于对分组码进行译码的方法和装置

发明背景

发明技术领域

本发明涉及对通过一通信信道发送的数字数据的译码，特别涉及一种译码器，该译码器检测一个接收信号的噪声区段(潜在包括突发的错误)，然后在执行顺序译码或另一种次优译码技术之前置换所接收的噪声信号中的编码符号以分散这些突发的错误。

相关技术说明

现在存在很多必须以大致无差错的方式来发送和接收大量数字数据的应用程序。在电信系统中，尤其迫切需要尽可能可靠地完成数字数据的接收。但是，数字数据的可靠通信是困难的，因为用于数据传输的通信信道(包括射频、光纤、同轴电缆和扭绞铜线)受到错误引入因素的干扰。例如，这些错误可能对信道中的瞬变条件产生影响(象噪声或多路衰落)。这些因素的影响导致了数字数据不能被正确地发送或可靠地接收。

克服这个问题并减少发生在数据发送时的错误数量已经引起了人们的广泛注意。一种选择涉及增大发射机功率。但是由于对发射机电子线路的限定，最大功率发送的规定以及由增大功率电平而导致的费用增加使得这在通常情况下是不实际的。另一种消除通信信道上的噪声的选择是在被发送的消息中引入用于接收机的冗余度以校正所引入的错误。通常通过利用差错控制编码(信道码)来实现这种冗余度。

一般发生在通过通信信道发送数据过程中的错误可被分成两类，被视为“随机”错误的第一类发生在错误符号通过码字扩散时。被视为“突发”错误的第二类发生在一个码字中的符号簇(dusters)处于错误状态时。尽管某些技术确实具有纠正简短的突发错误的能力，但是最有效的差错控制编码技术还是那些能够检测和纠正随机错误而不是突发错误的技术。如果有效的随机错误控制编码技术也能用于为突发错误提供有效的错误检测和纠正则将是非常有益的。

现有的译码算法中，其计算复杂程度随着所接收的信号质量而变化。即，当接收到的信号很弱时，该译码算法将更广泛地查找被正确发送的信号。这种译码算法中出现的一个问题是这些算法不能用于通过信道发送所需要的码率超过了该信道的截断率(cut-off rate)时。另一个问题是当所接收的信号为强烈噪声时，即使码率低于截断率，这种译码算法也是无效的。其原因是译码器在认为顺着一个译码格式框架的当前估计值不可靠的情况下具有回溯的能力，因此对于一个特定的噪声区段来说，在令人满意地完成回溯进程并输出发送信号的一个估计值之前，要花费相当长的时间。但是，在这个回溯处理操作的执行过程中，译码器可能会在取得满意结论之前用尽其存储和/或处理资源，从而译码器处于停滞而不能产生一个发送信号输出估计值。如果能够使计算复杂程度可变的译码算法与可用的最有效随机错误控制编码技术相结合来有效地处理通过噪声通信信道发送的数据通信中的突发错误，将是非常有益的。

发明概要

为了解决前述和其它问题，本发明的译码系统包括一个解调器，用于接收一个传输信道的输出并生成一个包括代码符号的估计值在内的接收向量r。该解调器还输出一个包括用于每个被接收和估计的代码符号的可靠性值在内的软符号信息向量输出s。然后，软符号信息向量输出S的可靠性值被用于标识和检测具有低可靠性的接收向量r中的代码符号簇。响应于这样的检测过程，接收向量r的估计代码符号被置换，并按照用于已进行了相应置换的译码发生器矩阵G的格式框架(trellis)进行顺序译码(或利用另一种次优技术来译码)。在检测到少数或未检测到低可靠性的代码符号簇的情况下，按照用于未置换的译码发生器矩阵G的格式框架对接收向量r进行顺序译码(或利用另一种次优技术进行译码)。接收向量r的置换有利于使检测到的每个低可靠性簇中的代码符号在译码之前被分散到整个给定码字中，从而使发生处理延迟或更严重地由于在执行译码算法的同时发生的译码器回溯而导致的译码失败的可能性减至最小。

附图的简要说明

对本发明的方法和装置的更全面的理解需要参照下述结合附图的详细描述，其中：

图1是本发明的分组编码系统的功能方框图；

图2是由图1的系统执行的一个用于标识具有低可性的符号簇的进程的流程图；以及

图3是由图1的系统执行的一个用于对分组码译码的进程的流程图。

附图的详细说明

现参照图1，其中示出了本发明的一个块编码系统100的方框图。系统100包括一个发送侧102和一个接收侧104。在发送侧102，系统100包括一个(n，k)线性块编码器106，其中在线路108上接收的来自一个信息源110的由“K”个代码符号构成的块被编码，以在线路112上输出一个长度为“n”个代码符号的码字(其中n＞K)。一个这样的编码器106的例子为一个M块的里德-所罗门(Reed-Solomon)编码器。在每个码字的n个代码符号中包括m个检验符号(其中m＝n－K)，这些检验符号用于检测(并可能纠正)(n，K)代码中出现的t个信道错误，其中t取决于所采用的个别代码。

每个从信息源110接收的块中的信息符号(d₁，d₂，d₃…，d_k)由一个K维的信息向量d构成。通过一个发生器矩阵G来实现(n，K)线性块编码。

G＝[g₁，g₂，…，g_n]    (1)

其中，对于i从1到n，gi是长度为K的第i列向量。同样，每个输出码字中的代码符号(c₁，c₂，c₃…，c_n)由一个n维的码字向量c构成。信息向量d与发生器矩阵G相乘，生成输出的码字向量c如下：

c＝dG＝(c₁，c₂，c₃…，c_n)    (2)

然后，编码输出向量c由一个调制器114进行调制以用于通过一个通信信道116发送。这种调制器114的一个例子为任何一种具有M元信号构象(constellation)(诸如正交调幅(QAM)或移相键控(PSK))的公知调制器。

经调制的编码输出向量c借以发送的通信信道116可能会使所包括的代码符号c_i，i从l到n中发生多个随机和/或突发错误，其结果是所接收的代码符号(r₁，r₂，…，r_n)构成了一个n维的编码接收向量r。在接收侧104，系统100包括一个适当的解调器118，用于对通信信道116所发送的通信内容解调并在线路120上输出接收向量r的代码符号(r₁，r₂，…r_n)的估计值。解调器118还在线路124上输出一个软符号信息向量输出S＝(S₁，S₂，S₃…，S_n)，其中S_i包括相应于估计代码符号r_i的可靠性值，i从l到n。可靠性值表示在一个特定的被接收和解调的代码符号r_i的估计值中由解调器118所表达的置信度。这样，一个较小的可靠性值S_i表示相应的代码符号r_i被不正确地估计的可能性较高。如上所述用于生成代码符号估计r_i和可靠性值S_i的解调器为所属技术领域中的公知技术，因而在此不予以详述。这种解调器的例子包括：最大后验概率(MAP)解调器或软输出Viterbi算法(SOVA)解调器/解码器。

一个软件信息处理单元126接收线路124上的软符号信息向量输出S＝(S₁，S₂，S₃…，S_n)。包含在其中的用于向量S的可靠性值S_i被处理以识别和检测可靠性低的代码符号簇，可靠性值S_i表示解调器在一个被接收和解调的特定代码符号r_i的估计值中的置信度。依据此过程(图2)，向量S被划分(步骤200)成L个连续的区域，其中每个区域包括N个可靠性值S_i：

(S₁，…，S_N)(S_N＋1，…，S_2N)…(S_(L-1)N＋1，…，S_n)。L和N的选择应满足LN≤n≤(L＋1)N。接着，对于L个区域中的每一个，将该选定区域中的每个可靠性值S_i与一个阈值τ₁相比较(步骤202)。然后确定(步骤204)该区域中包含的可靠性值低于阈值τ₁的代码符号的百分率。如果确定的百分率超过一个百分率阈值τ₂(步骤206)，则该区域被标识(流208)为包含一个低可靠性簇。否则(流210)，该区域被标识为一个可靠簇。根据流208的低可靠簇的标识，在步骤212确定一个置换函数f，并且处理单元126在线路128上产生和输出一个置换信号(步骤214)。

现在考虑将一个向量V置换成一个向量V’，以使包含在向量V的一个特定位置i上的信息现在占据向量V’中的一个新位置j，其中j＝f(i)并且f由置换函数构成。置换函数f可包括一个数学加扰或散射操作。例如，假设向量V的L个之外的W个区域被标识为不可靠。为简化起见，我们不必区分一个不可靠簇中的可靠和不可靠符号。如果最后一个簇是可靠的，则要分散的符号数W等于WN，而如果最后一个簇是不可靠的，则W等于(W－1)N＋n－(L－1)N。在这一点上，以处理符号下标代替处理符号本身可能更加方便。分散下标W的一种方式是利用一种周期为n/W的整数部分的周期性位置排列。另一种方式是利用n个位置排列之外的一个伪随机数W。在任一种情况下，W个下标首先映射于向量V’中依据分散排列的新位置。接着，剩余的n－W下个标依序映射于未填满的位置。总之，这定义了从旧下标到向量V’中的新下标的置换函数。

例如现采用向量S，其中n＝16，L＝4且N＝4。利用阈值τ₁和τ₂检测四个区域。假设下标为9-12的区域中的区域3为不可靠。区域1、2和4为可靠的。利用伪随机数映射，旧下标9-12被指定为1和n之间的新下标。在这个例子中，假设该映射将新下标2指定给旧下标9，将新下标14指定给旧下标10，将新下标9指定给旧下标11，将新下标7指定给旧下标12。然后按顺序将区域1、2和4中的剩余下标1-8、13-16指定给未被占用的新下标。总之，这就定义了下述给定的置换函数f：

f(1)＝1    f(2)＝3    f(3)＝4     f(4)＝5

f(5)＝6    f(6)＝8    f(7)＝10    f(8)＝11

f(9)＝2    f(10)＝14  f(11)＝9    f(12)＝7

f(13)＝12  f(14)＝13  f(15)＝15   f(16)＝16

将这个置换概念扩展到接收向量r中，实现了一个经置换的接收向量r’：

r′＝(r₁＇，r₂＇，…，r_n′)    (3)

其中：r_j′=r_i，而j＝f(i)；f为置换函数；

      r_i，i＝1到n，是接收的代码符号估计值；以及r_j′＇，j＝1到n，是置换后的代码符号估计值。

当L个区域中没有被标识为不可靠区域时，则不必进行置换。反之，当L个区域均被标识为不可靠时，置换可能没有帮助，因此最好删去对应于向量S的接收向量r。同样将这个概念扩展到发生器矩阵G中，实现了一个经置换的发生器矩阵G’：

G′＝(g₁＇，g₂＇，…，g_n′)    (4)

其中：g_j′＝g_i，而j＝f(i)；f为置换函数；

g_i，i＝1到n，是G的第i列长度为K的向量；以及

g_j′，j＝1到n，是G’的第j列长度为K的向量。

应当注意置换后的发生器矩阵G’和发生器矩阵G体现等效的代码。由此意味着这些代码具有相同的加权分布和纠错能力。还应当注意如果关于接收向量r和发生器矩阵G的置换函数f是相同的，则置换后的发生器矩阵G’可用于对置换后的接收向量r’解码。

系统100还包括一个解调代码符号置换元件130，该元件通过线路120与解调器118相连接，用以接收对接收向量r的解调代码符号并与处理单元126相连接，用以接收线路128上的置换信号。根据从处理单元126接收的置换信号，解调代码符号置换元件130按照一个特定的置换函数f进行操作以置换接收向量r的解调代码符号并在线路134上输出一个置换接收向量r’。此操作有利于将标识出的低可靠性代码符号簇分散到整个给定码字中。但是，当解调代码符号置换元件130没有接收到置换信号时，接收向量r的代码符号无须进行修改就输出到线路134上。

一个相应的发生器矩阵置换元件136与处理单元126相连接以接收线路128上的置换信号。利用需要对接收向量r译码的发生器矩阵G来对发生器矩阵置换元件136进行预编程。根据从处理单元126接收的置换信号，发生器矩阵置换元件136按照特定的置换函数f进行操作以置换发生器矩阵G并在线路138上输出一个置换发生器矩阵G’。发生器矩阵置换元件136利用同一个特定置换函数f保证了置换发生器矩阵G’对应于对由解调代码符号置换元件130输出的置换接收向量r’的后续译码处理。但是，当发生器矩阵置换元件136没有接收到置换信号时，无须对发生器矩阵G’进行修改就将其输出到线路138上。

在本发明的一个实施例中，置换函数f被预选和预编程为解调代码符号置换元件130和发生器矩阵置换元件136中的软代码信息向量S的函数。在一个替换实施例中，处理单元126不仅确定是否应该发送置换信号，而且还确定解调代码符号置换元件130和发生器矩阵置换元件136应该执行哪一个可用的置换函数f。这个用于标识最佳置换函数的信息随同置换信号本身一起被提供给解调代码符号置换元件130和发生器矩阵置换元件136。

然后由一个格式结构发生器140处理该发生器矩阵G和根据处理单元126产生的置换信号而由发生器矩阵置换元件136在线路138上输出的置换发生器矩阵G’。格式结构发生器140执行任何一种用于从一个给定的发生器矩阵中找到一个相应的格式结构(trellis)的公知技术。但是，在此连接中应当注意由格式结构发生器140产生的用于发生器矩阵G的格式结构不同于用于置换发生器矩阵G’的格式结构。

一个译码器142接收该接收向量r或根据处理单元126产生的置换信号而从线路134上的解调代码符号置换元件130输出的置换接收向量r’。译码器142执行一种特殊的顺序译码算法或从为本领域技术人员所公知的算法中选出的其它次优译码算法，并利用格式结构发生器140从相应的发生器矩阵G或置换发生器矩阵G’中产生的格式结构，分别对接收向量r或置换接收向量r’译码以在线路144上输出合成信息向量d。因此，当代码符号的可靠性不成问题时，接收向量r被传给译码器142以进行关于格式结构发生器140从发生器矩阵G中产生的格式结构的处理。反之，当软信息处理单元126检测到低可靠性的代码符号簇并在线路128上输出置换信号时，输出置换接收向量r’，以便由译码器142利用格式结构发生器140从置换发生器矩阵G’中产生的格式结构进行处理。接收向量r的置换效果是将标识出的低可靠性符号簇分散到整个给定码字中并使发生处理延迟或，更严重地，由译码器回溯而引起的译码失败的可能性最小化。发生器矩阵G的相应置换确保译码器142在处理置换接收向量r’时使用正确的格式结构(从置换发生器矩阵G’中得到的)。最好将软信息处理单元126，解调代码符号置换元件130、发生器矩阵置换元件136、格式结构发生器140以及译码器142全部实现为一个专业化的数字信号处理器(DSP)或全部实现在一个专用集成电路(ASIC)中。当然，应当理解也可以利用分离元件或通过分布式的处理来实现软信息处理单元126、解调代码符号置换元件130、发生器矩阵置换元件136、格式结构发生器140和译码器142。在任一种情况下，软信息处理单元126、解调代码符号置换元件130、发生器矩阵置换元件136、格式结构发生器140和译码器142中的每一个都能执行和实现上述的操作和功能。

现参照图3，图3中示出了由图1所示的系统实现的分组码译码方法的流程图。在步骤300，对一个接收向量r进行解调以生成该接收向量r的代码符号估计值(r₁，r₂，r₃，…，r_n)和一个软符号信息向量输出S＝(S₁，S₂，S₃，…，S_n)，其中S_i包含用于相应的估计代码符号r_i的一个可靠性值。接着，在步骤202中，依据图2所示的方法处理软符号信息向量输出S以标识和检测具有低可靠性的代码符号簇。如果存在这样的簇，如步骤304所判断，则在步骤306中依据一个特定的置换函数f来置换用于接收向量r的代码符号估计值。然后在步骤308中依据同一特定置换函数f也置换对接收向量r译码所需的发生器矩阵G。在步骤306和308中利用同一个特定置换函数f确保了置换发生器矩阵G’对应于对置换接收向量r’的译码处理。在没有检测到具有低可靠性的代码符号簇的情况下，如步骤304所判断，在步骤310中不置换用于接收向量r的代码符号估计值并在步骤312使发生器矩阵G可用。接着，在步骤314中，从发生器矩阵G或置换发生器矩阵G’中产生一个译码格式结构，后者G’适用于检测出具有低可靠性代码符号簇的情况。然后在步骤316中利用所产生的格式结构，以便利用一种顺序译码算法或其它次优译码算法对接收向量r或置换接收向量r’进行译码以产生合成信息向量d或置换合成信息向量d’。如果置换合成信息向量d’是通过在步骤318对置换接收向量r’译码产生的，则在步骤320中对其进行反置换(de-permute)。

虽然已经参照附图和前述详细描述对本发明的最佳实施例进行了解释和说明，但是应当理解本发明并不仅限于所公开的实施例，在不偏离由下述权利要求定义的本发明精神情况下所做出的各种重新排列、修改和替换也是可以允许的。

Claims (20)

1.一种译码方法，包括步骤：

确定一个接收向量r的一个可靠性向量S；

处理该可靠性向量S以标识接收向量r中具有低可靠性的代码符号簇；

依据一个特定置换函数，置换接收向量r以将低可靠性代码符号分散到置换接收向量r’的整个码字中；以及

对置换接收向量r’的码字译码以恢复一个合成信息向量d。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于处理可靠性向量S的步骤包括步骤：

在接收向量r的一个给定码字中选定一区域；

将选定区域中的每个代码符号可靠性值与第一阈值进行比较；

确定包含在该选定区域中的可靠性值低于第一阈值的代码符号的百分比；

如果确定的百分比超过第二阈值，则标识低可靠性的代码符号簇。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于依据特定置换函数置换接收向量r的步骤包括：

在置换接收向量r’中进行低可靠性代码符号的周期位置指定；以及

在置换接收向量r’中的剩余位置上指定任何剩余代码符号。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于依据特定置换函数置换接收向量r的步骤包括：

在低可靠性代码符号的置换接收向量r’中进行伪随机位置指定；以及

在置换接收向量r’中的剩余位置上指定任何剩余代码符号。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于对置换接收向量r’的码字译码的步骤包括步骤：

从一个发生器矩阵G中构成一种译码格式结构，该矩阵G依据同一特定置换函数相应置换以形成置换发生器矩阵G’；

利用由相应的置换发生器矩阵G’构造而成的译码格式结构，顺序地对置换接收向量r’的码字译码以生成合成信息向量d。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于对置换接收向量r’的码字译码的步骤包括步骤：

从一个发生器矩阵G中构成一种译码格式结构，该矩阵G依据同一特定置换函数相应置换以可形成置换发生器矩阵G’；

利用由相应的置换发生器矩阵G’构造而成的译码格式结构，次优地对置换接收向量r’的码字译码以生成合成信息向量d。

7.一种译码系统，包括：

一个解调器，用于输出一个接收向量r中的代码符号估计值，并输出包括接收向量r中每个估计的代码符号可靠性值在内的可靠性向量S；

用于处理该可靠性向量S的可靠性值以标识接收向量r中具有低可靠性的代码符号簇的装置；

用于依据一个特定置换函数，置换接收向量r以将低可靠性代码符号分散到置换接收向量r’的整个码字中的装置；以及

一个译码器，用于对置换接收向量r’的码字译码以恢复一个合成信息向量d。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于用于置换的装置在置换接收向量r’中执行低可靠性代码符号的周期位置指定。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于用于置换的装置在置换接收向量r’中执行低可靠性代码符号的伪随机位置指定。

10.如权利要求7所述的系统，还包括用于从一个发生器矩阵G中构成一种译码格式结构，该矩阵G依据同一特定置换函数相应置换以可形成置换发生器矩阵G’的装置；

11.如权利要求10所述的系统，其特征在于在利用从相应的置换发生器矩阵G’中构造而成的译码格式结构以对置换接收向量r’的码字进行译码，译码器执行一种顺序译码算法。

12.如权利要求10所述的系统，其特征在于在利用从相应的置换发生器矩阵G’中构造而成的译码格式结构以对置换接收向量r’的码字进行译码，译码器执行一种次优译码算法。

13.一种用于改进对一个包括低可靠性代码符号簇的接收向量r译码的方法，包括步骤：

置换接收向量以生成一个置换接收向量r’，以及

对置换接收向量r’译码。

14.如权利要求13所述的方法，其特征在于置换步骤包括将低可靠性代码符号分散到整个码字中的步骤。

15.如权利要求14所述的方法，其特征在于分散步骤包括在置换接收向量r’中执行低可靠性代码符号的周期位置指定的步骤。

16.如权利要求14所述的方法，其特征在于分散步骤包括在置换接收向量r’中执行低可靠性代码符号的伪随机位置指定的步骤。

17.如权利要求13所述的方法，其特征在于译码步骤包括步骤：

对一个发生器矩阵G进行相应置换以生成一个置换发生器矩阵G’；

从置换发生器矩阵G’中构造-译码格式结构；以及

根据构成的译码格式结构，对置换接收向量r’译码。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于译码步骤包括利用从置换发生器矩阵G’构造出的译码格式结构对置换接收向量r’的码字进行顺序译码的步骤。

19.如权利要求17所述的方法，其特征在于译码步骤包括利用从相应置换发生器矩阵G’构造出的译码格式结构对置换接收向量r’的码字进行次优译码的步骤。

20.一种用于检测一个接收向量r中低可靠性簇的被估计的代码符号的方法，包括步骤：

生成一个包括了接收向量r中估计代码符号的可靠性值的可靠性向量S；

将可靠性向量S划分成至少一个区域；以及

对每个区域，

比较可靠性值和第一阈值；

确定该区域包含的可靠性值低于第一阈值的代码符号的百分比；

如果所确定的百分比超过第二阈值，则将相应于该区域的接收向量r部分标识为具有低可靠性的代码符号簇。

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