CN1290071A - 卷积码的软输出最大似然解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卷积码的软输出最大似然解码方法,包括:对一帧加有噪声且由卷积编码得到的按时间0至k顺序排列的数据,按k至0后向时间顺序计算路径的度量;比较到达某时刻同一状态两条路径的度量大小,保留度量大的路径,对应的X、Y路的比特值作为该时刻X、Y路码比特信息,两条路径度量差的绝对值作为X、Y路码可靠性信息;于0时刻选定最大似然路径;按k至0的时间顺序回溯,通过判断X、Y路码比特信息选择公式修改相应的可靠性信息。

Description

卷积码的软输出最大似然解码方法

本发明涉及一种通信领域中的信道纠错码技术，更确切地说是涉及一种对卷积码编码后的有噪声数据的解码方法。

图1中示出一种反馈系统卷积码的编码器结构，由加法器A及四个级连(级数可变)的移位寄存器D构成，将原始数据d经编码生成系统码X和非系统码Y，其中系统码X可以就是原始数据d。解码器接收的是加上了噪声的卷积码编码器输出的数据。

卷积码的编码器不限于反馈系统卷积码，也可以是一般的卷识码，如图2所示的卷积码编码器结构。

如此，在编码器一侧，就存在三路数据，即原始数据d；X路码；Y路码。

在解码器一侧，如图3中所示，所接收到的数据是加上了传输噪声的，即所接收到的X路码x；所接收到的Y路码y。当卷积码是反馈系统卷积码时，X是编码输出的系统码，Y是编码输出的非系统码，X路码即为接收到的系统码，Y路码即为接收到的非系统码。

解码过程中的X路码信息、Y路码信息和原始数据信息都是由比特信息和可靠性信息两部分组成的，一般用数值的符号表示比特信息，用数值的绝对值的大小表示可靠性信息，数值的绝对值越大则可靠性越高。

并行级联卷积码(PCCC，Parallel Concatenated Convolution Code)和串行级联卷积码(SCCC，Serially Concatenated Convolution Code)多采用反馈系统卷积码级联而成，附图4中示出一种并行级联卷积码的解码器结构，附图5中示出一种串行级联卷积码的解码器结构。

图4中的并行级联卷积码的解码器包括解码算法的执行单元一解码器DEC1与解码器DEC2，和将输入信息顺序打散的交织器及恢复原信息顺序的去交织器。由图示可知，并行级联卷积码的解码，所涉及的由码信息及可靠性信息组成的各中间信息Znew、Zold、LLR都是系统码信息，其中解码器DEC1仅仅将系统码信息通过交织器传送给解码器DEC2，解码器DEC2也仅仅将系统码信息传送给解码器DEC1。因此并行级联卷积码的解码过程所涉及的仅仅是系统码信息，系统码比特信息和可靠性信息并作为反馈信息输入到下一个解码器，其中不涉及非系统码信息。此外，并行级联卷积码本身所存在的地板效应，还影响了其译码正确度的提高，即在其误码率达到一定数量级后，随着信噪比的增加，误码率的下降却很缓慢，甚至不下降。

图5中的串行级联卷积码的解码器也包括解码算法的执行单元一解码器DEC1与解码器DEC2，和将输入信息顺序打散的交织器及恢复原信息顺序的去交织器。由图示可知，串行级联卷积码的解码，其中解码器DEC1通过去交织器传送给解码器DEC2的信息是码字信息，解码器DEC2通过交织器传送给解码器DEC1的信息也是码字信息，各码字信息包括系统码信息和非系统码信息。因此，串行级联卷积码的解码，不仅涉及系统码的可靠性信息，还涉及非系统码的可靠性信息。图中的先验信息是指原始数据d信息，当采用反馈系统卷积码编码时，原始数据d信息和X路码信息可以认为是一样的。

此外，串行级联卷积码的地板效应不明显或者说没有地板效应。

美国专利5181209(Method for generalizing the viterbi algorithm and devices forexecuting the method)，对卷积码或者级联卷积码的解码方法提出了一种软输出维特比(viterbi)算法，解码不仅输出比特信息还输出可靠性信息，而当两个或多个卷积码级联时，其比特信息和可靠性信息作为下一个解码器的输入。

美国专利5406570(Method for a maximum likelihood decoding of aconvolutional code with decision weighting，and corresponding decoder)，为美国专利5181209提出了一种简化的实现结构。

美国专利5181209和美国专利5406570中的解码方法-软输出维特比算法(SOVA)，利用的是反馈系统卷积码的如下性质：从两个不同的状态到达同一个状态时，是分别对应于不同的输入比特值。图6中示出反馈系统卷积码的解码状态转移性质，即从两个不同的状态e、f到达同一个状态g时，分别对应于不同的输入比特值d=1、d=0。其软输出维特比算法可以得到系统码信息(X路)的比特信息和可靠性信息。

图7中以四个状态(m=4)的网格图为例说明可靠性信息的获得，图中用黑点表示节点，用实线表示幸存路径，记为Ms(k，m)(survivor)，用虚线表示合并路径，记为Mc(k，m)(concurrent)。

从理论上说，可靠性信息就是在时刻k合并于同一节点m的两条路径的度量的差值，在该节点m被保留下来的路径称为幸存路径Ms(k，m)，另一时刻同时到达节点m的路径称为合并路径Mc(k，m)。显然两条路径度量的差值越大，在时刻k、节点m选择幸存路径的可靠性就越大。两条路径在m节点对应于原始数据信息d有相反的二进制判决的情况下，设s(k，m)为判决符号(为±1)，则该判决的可靠性信息a(k，m)可表示为：a(k，m)=s(k，m)·(Mc(k，m)-Ms(k，m))。如果，除记录判决符号s(k，m)外，还将每个状态的a(k，m)也存储下来，则经过L延迟(L为网格图的截短长度)后，a(k，m)就可提供于译码器的输出端了。

图7中k为当前时间，j为对应于判决时刻(k-j)的存储器的级数(或称深度)。在时刻k合并于状态m=1的两条路径在时刻k-5分叉，两条路径在时刻k和k-2时作出相反判决(+1与-1)。假设在j=2(时刻k-2)幸存路径Ms(k，m)的可靠性信息很大，而在k时刻，Ms(k，m)=Mc(k，m)，则在k时刻的可靠性信息正好为零，这时在k-2时刻所保存的可靠性信息就失去实际意义了，因为与幸存路径在该时刻判决相反的合并路径也可能就是幸存路径。因此需对理论上所介绍的基本的可靠性信息作出修改，即从j=0起，对2^v个状态都进行回溯，用当前值a(k，m)对2^v条幸存路径经过每一节点的可靠性信息进行修改或更新。上述两专利技术中的软输出维特比算法的修改原则经过简化且效果较好，其具体的修改方法是：

情况1：S_j(k，m)·S’_j(k，m)＜0

a_j(k，m)=S_j(k，m)·min〔｜a_j(k，m)｜，｜a(k，m)｜〕

情况2：S_j(k，m)·S’_j(k，m)＞0。

有两种处理方法可供选择：不作修改；按下式修改，a_j(k，m)=s_j(k，m)·min〔｜a_j(k，m)｜，｜a(k，m)｜+a’_j(k，m)｜〕。

假设一帧的数据是从0到k顺序排列的，首先求出最大似然路径，最大似然路径上每个节点对应一个可靠性信息，它是在此点合并的两条路径的度量之差，再进行可靠性信息修改，修改的顺序是从I(I=1，2，…，k)开始沿着竞争路径回溯，回溯修改的顺序必须先是路径1，然后是2，3，…。

下面结合图8至图11说明对比技术解码方法-软输出维特比算法中寻找最大似然路径和回溯修改可靠性信息的技术。

该技术的实现步骤可总结为：

1．接收到的一帧数据按时间0，1，2，…，k的顺序排列；

2．从时刻0开始并按0，1，2，…，k的顺序计算度量，求得最大似然路径和最大似然路径上各个比特对应的可靠性信息；

3．按照0，1，2，…，k的时间顺序对最大似然路径上X路码可靠性信息按已有公式进行修改。

其中的步骤2可进一步分为：

A．从时刻0的0状态开始，度量的初始值设为0，计算到达下一个时刻的某个状态的路径的度量，如图8中所示，计算到达时刻1的1状态的路径101的度量，即路径101的度量是“初始度量0与从时刻0的0状态到达时刻1的1状态对应的度量之和”。

B．如果有两条路径都可以到达同一状态，则保留度量大的路径，此时两条路径对应的X路的比特值必然不同，即一条是0，另一条是1。保留度量大的路径对应的X路的比特值作为X路码信息，两条路径的度量之差的绝对值作为X路码的可靠性信息，如图9中所示，路径103和路径104同时到达时刻3的0状态，假设路径104的度量大于路径103的度量，路径103对应的X路码信息是0，则保留路径104，并将两条路径度量之差的绝对值作为路径104在时刻3的X路码的可靠性信息，路径104在时刻3的X路码信息是0(需要说明的是，路径103和路径104在时刻3对应的X路码信息必然是不同的，但对应的Y路码的信息则可能相同也可能不同)。

C．在时刻k，即计算到达时间的最后时刻，选定唯一的一条度量最大的路径作为最大似然路径。

结合参见图10、图11，以理解上述技术的步骤3。图10中的虚线8是求出的最大似然路径，实线1，2，3，4，5，6，7是竞争路径，按时间0，1，2，3，4，5，6，7的顺序和按竞争路径1，2，3，4，5，6，7的顺序回溯进行修改。如在时刻3对竞争路径3的修改，如图11中所示，沿竞争路径3回溯，可以知道时刻2时竞争路径对应的X路码信息是0，与最大似然路径8对应的X路码信息相同，时刻1时竞争路径对应的X路码信息是1，与最大似然路径上时刻1对应的X路码信息0不相同，则可按照对应的X路码相同或不相同按不同的公式修改。

但上述包括美国专利5181209和美国专利5406570的对比技术中的解码方法-软输出维特比算法都仅仅能得到系统码即X路码的可靠性信息，这是由反馈系统卷积码的性质所决定的，如图6中所示的从不同状态到达同一状态，则对应的输入编码器的信息必然不同，但是这时，相应反馈系统卷积码的非系统码的编码输出则可能相同也可能不同，因此得不到另外一路Y路的可靠性信息，即不能得到全部码字信息，换句话说，在编码采用反馈系统卷积码时就不能同时得到系统码的可靠性信息与非系统码的可靠性信息，因而仅能适用于并行级联卷积码的解码，不能同时适用于串行级联卷积码的解码。

而串行级联卷积码的解码算法，通常利用BCJR-MAP算法，或者MAX-LOG MAP等简化算法，但BCJR-MAP算法、MAX-LOG MAP算法都比较复杂，需消耗较多的硬件资源。

本发明的目的是设计一种卷积码的软输出最大似然解码方法，可同时获得系统码和非系统码的可靠性信息，既可用于串行级联卷积码的解码，同时也可用于并行级联卷积码的解码。

本发明的目的是这样实现的：一种卷积码的软输出最大似然解码方法，包括下列步骤：A．对一帧加有噪声且由卷积编码得到的按时间先后顺序0，1，2，…，k排列的数据，按时间顺序计算从某个时刻某个状态开始、从一个时刻的某个状态到达另一个时刻的某个状态的路径的度量；B．比较到达某一时刻同一状态的两条路径的度量大小，保留度量大的路径，将度量大的路径对应的比特值作为该保留路径在该时刻的码比特信息，将两条路径的度量之差的绝对值作为保留路径在该时刻的码可靠性信息；C．于最末时刻，选定唯一的一条度量最大的路径为最大似然路径，其它保留的路径为竞争路径；D．按照时间顺序回溯，于各时刻通过比较最大似然路径与竞争路径对应的码比特信息的相同与不相同，选择公式，对似然路径各时刻的可靠性信息进行修改，其特征在于：

所述步骤A中的时间顺序是从k，k-1，…，2，1，0的反向时间顺序，所述的计算度量是从后一个时刻状态到达前一个时刻状态的路径的度量；所述步骤B中，是同时将度量大的路径对应的X路、Y路的比特值保留并分别作为保留路径的X路码比特信息和Y路码比特信息，将两条路径的度量之差的绝对值作为X路码可靠性信息和Y路码可靠性信息：所述步骤C的最末时刻是指一帧数据到达的0时刻：所述步骤D的时间顺序是k，k-1，…，2，1，0的反向时间顺序，所述的修改是同时判断竞争路径和最大似然路径在各时刻对应的X路码、Y路码比特信息相同或不相同，并按相同和不相同选择公式分别修改回溯的最大似然路径上在各时刻的X路码、Y路码可靠性信息。

所述步骤A中的计算度量是从时刻k的某个状态开始的从后一个时刻状态到达前一个时刻状态的路径的度量。

所述步骤A中的计算度量是从时间k+L1的某个状态开始到时刻k的某个状态的所有路径中由最大度量路径所确定的时刻k的状态。

所述步骤C中的最末时刻，可以是在t1时刻当步骤B进行到t1减去延迟参数L2时，就选定唯一的一条最大度量的路径，并认为该最大度量的路径和最大似然路径在时刻t1及时刻t1后重合。

所述的步骤D中，在所述的选定t1时刻对应的唯一的一条最大度量的路径，可从时刻t1，t1+1，t1+2，…，k的方向回溯并修改码可靠性码性信息，并回溯到t1加上固定参数L3时停止回溯。

所述的步骤D中，所述的从t1开始的回溯可以仅是竞争路径的回溯，或者是竞争路径与最大似然路径的双回溯，最大似然路径的回溯用于确定新的最大似然路径上的码比特信息。

本发明的卷积码的软输出最大似然解码方法，是一种既可以解出系统码-X路码又可以解出非系统码-Y路码可靠性信息的简单算法，主要包括反向计算度量和前向回溯修改。由两条反向路径合并点的度量之差对应一个可靠性信息，该可靠性信息可用于同时得到X路软输出和Y路软输出；求出唯一的一条最大似然路径；按最大似然路径前向回溯修改可靠性信息。本发明解码方法的算法比BCJR-MAP和MAX-LOG MAP算法容易实现，且对串行级联卷积码的解码也可以象并行级联卷积码一样，有利于降低硬件资源的消耗。

下面结合实施例及附图进一步说明本发明的技术。

图1是背景技术中反馈系统卷积码编码器的结构示意图

图2是背景技术中卷积码编码器的结构示意图

图3是背景技术中数据发送与接收过程的示意图

图4是背景技术中并行级联卷积码的解码器结构示意图

图5是背景技术中串行级联卷积码的解码器结构示意图

图6是背景技术中的反馈系统卷积码的状态转移示意图

图7是背景技术中计算可靠性信息的四状态网格图

图8、图9是对比技术解码方法-软输出维特比算法中前向计算度量差和寻找最大似然路径的示意图

图10、图11是对比技术解码方法-软输出维特比算法中按0，1，2，…，k时间顺序回溯修改可靠性信息的示意图

图12是本发明技术所利用的反馈系统卷积码的状态转移示意图

图13、图14是本发明的解码方法-软输出维特比算法中后向计算度量差和寻找最大似然路径的示意图

图15、图16是本发明的解码方法-软输出维特比算法中按k，k-1，…，2，1，0时间顺序回溯修改可靠性信息的示意图

图1至图11的说明前已述及，不再赘述。

参见图12，图中示出本发明技术所利用的反馈系统卷积码的性质，从一个状态到达两个不同的状态时，分别对应不同的Y路码，同时分别对应于不同的X路码。本发明方法所采用的卷积码的编码不限于RSC码(一种纠错码)，只要卷积码的编码满足上述性质即可。由于本发明方法利用的反馈系统卷积码的性质不同于对比技术所利用的反馈系统卷积码的性质，因此表现在软输出维特比算法上，其迭代计算度量的方向和回溯修改的方向也不同，而本发明的方法则可以同时得到X路码与Y路码的可靠性信息。

下面结合图13至图16说明本发明解码方法-软输出维特比算法中寻找最大似然路径和回溯修改可靠性信息的技术。

该技术的实现步骤可总结为：

1．接收到的一帧加有噪声且由卷积码编码得到的数据按时间0，1，2，…，k的顺序排列；

2．从时刻k开始并按k，k-1，…，2，1，0的时间顺序计算度量，求得最大似然路径和最大似然路径上X路码和Y路码对应的可靠性信息；

3．按照k，k-1，…，2，1，0的时间顺序对最大似然路径上X路码和Y路码的可靠性信息按已有公式进行修改。

其中的步骤2可进一步分为：

A．从时刻k的0状态开始，度量的初始值设为0，计算到达前一个时刻的某个状态的路径的度量。如图13中所示，从时刻7的0状态开始，度量的初始值设为0，计算到达前一个时刻6的1状态的路径201的度量，是初始度量0与从时刻7的0状态到达时刻6的1状态对应的度量之和。

B．如果有两条路径都可以到达同一个状态，则保留度量大的路径，此时两条路径对应的X路、Y路的比特值必然不同，即一个是0，另一个是1，度量大的路径对应的X路、Y路的比特值保留作为保留路径的X路码、Y路码比特信息，两条路径度量之差的绝对值作为X路码、Y路码的可靠性信息。如图14中所示，路径203和路径204同时到达时刻4的0状态，假设路径204的度量大于路径203的度量，路径203对应的X路码比特信息是1，路径204对应的X路码比特信息是0，因此而保留路径204，并将两条路径度量之差的绝对值作为路径204、时刻4的X路码可靠性信息，路径204的时刻4的X路码比特信息是0。路径203和路径204在时刻4对应的Y路码比特信息也必然不同，同样保留路径204，并将两条路径度量之差的绝对值作为路径204的时刻4的Y路码的可靠性信息。

C．当上述计算到达时刻0时，选定唯一的一条度量最大的路径，作为最大似然路径，如图13、图14中的虚线202、204所示。

结合参见图15、图16，以理解本发明方法的步骤3。图15中的虚线9是求出的最大似然路径，实线10至16是竞争路径，按时间7，6，5，4，3，2，1，0的顺序和按竞争路径10，11，12，13，14，15，16的顺序前向回溯进行修改。如在时刻4对竞争路径12的修改，如图16中所示，沿竞争路径12前向回溯，可以知道时刻5时竞争路径对应的X路码比特信息是0，与最大似然路径9于时刻5对应的X路码比特信息不相同；时刻6时竞争路径对应的X路码比特信息是0，与最大似然路径9上时刻6对应的X路码比特信息相同，则可按照对应的X路码比特信息相同或不相同用不同的公式修改。在该前向回溯时，同时判断竞争路径与最大似然路径在时刻5和时刻6时对应的Y路码比特信息是否相同或不相同，按照相同或不相同，用不同的公式分别修改最大似然路径上时刻5和时刻6的Y路码可靠性信息。

本发明方法所使用的修改公式与对比技术中的相同，对于竞争路径与最大似然路径在时刻s的比特值不同的第一种情况，也是用最小算法修改，不同的是修改方法同时适用于X路码与Y路码；对于竞争路径与最大似然路径在时刻s的比特相同的第二种情况，也用前述公式修改，不同的是修改方法同时适用于X路码与Y路码。可以按对比技术美国专利5406570中的简化方法简化本发明的算法，即在还没有到达时刻0时，就可进行回溯修改X路码、Y路码的可靠性信息，而且对于k时刻的可靠性信息，可以只用k+L到时刻k之间的可靠性信息进行修改。

Claims (6)

1．一种卷积码的软输出最大似然解码方法，包括下列步骤：A．对一帧加有噪声且由卷积编码得到的按时间先后顺序0，1，2，…，k排列的数据，按时间顺序计算从某个时刻某个状态开始、从一个时刻的某个状态到达另一个时刻的某个状态的路径的度量；B．比较到达某一时刻同一状态的两条路径的度量大小，保留度量大的路径，将度量大的路径对应的比特值作为该保留路径在该时刻的码比特信息，将两条路径的度量之差的绝对值作为保留路径在该时刻的码可靠性信息；C．于最末时刻，选定唯一的一条度量最大的路径为最大似然路径，其它保留的路径为竞争路径；D．按照时间顺序回溯，于各时刻通过比较最大似然路径与竞争路径对应的码比特信息的相同与不相同，选择公式，对似然路径各时刻的可靠性信息进行修改，其特征在于：

所述步骤A中的时间顺序是从k，k-1，…，2，1，0的反向时间顺序，所述的计算度量是从后一个时刻状态到达前一个时刻状态的路径的度量；所述步骤B中，是同时将度量大的路径对应的X路、Y路的比特值保留并分别作为保留路径的X路码比特信息和Y路码比特信息，将两条路径的度量之差的绝对值作为X路码可靠性信息和Y路码可靠性信息：所述步骤C的最末时刻是指一帧数据到达的0时刻：所述步骤D的时间顺序是k，k-1，…，2，1，0的反向时间顺序，所述的修改是同时判断竞争路径和最大似然路径在各时刻对应的X路码、Y路码比特信息相同或不相同，并按相同和不相同选择公式分别修改回溯的最大似然路径上在各时刻的X路码、Y路码可靠性信息。

2．根据权利要求1所述的卷积码的软输出最大似然解码方法，其特征在于：所述步骤A中的计算度量是从时刻k的某个状态开始的从后一个时刻状态到达前一个时刻状态的路径的度量。

3．根据权利要求1或2所述的卷积码的软输出最大似然解码方法，其特征在于：所述步骤A中的计算度量是从时间k+L1的某个状态开始到时刻k的某个状态的所有路径中由最大度量路径所确定的时刻k的状态。

4．根据权利要求1所述的卷积码的软输出最大似然解码方法，其特征在于：所述步骤C中的最末时刻，可以是在t1时刻当步骤B进行到t1减去延迟参数L2时，就选定唯一的一条最大度量的路径，并认为该最大度量的路径和最大似然路径在时刻t1及时刻t1后重合。

5．根据权利要求1或4所述的卷积码的软输出最大似然解码方法，其特征在于：所述的步骤D中，在所述的选定t1时刻对应的唯一的一条最大度量的路径，可从时刻t1，t1+1，t1+2，…，k的方向回溯并修改码可靠性码性信息，并回溯到t1加上固定参数L3时停止回溯。

6．根据权利要求5所述的卷积码的软输出最大似然解码方法，其特征在于：所述的步骤D中，所述的从t1开始的回溯可以仅是竞争路径的回溯，或者是竞争路径与最大似然路径的双回溯，最大似然路径的回溯用于确定新的最大似然路径上的码比特信息。

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