CN1756090B - 信道编码装置和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种信道编码装置和方法，其中奇偶校验比特部分被设置为错误比特，以及通过使用通信系统中接收机的信道解码装置对这些错误比特进行纠正来创建整个奇偶校验比特。在该信道编码装置中，为了通过将奇偶校验比特流添加到消息比特流来产生编码比特流，部分奇偶校验产生器产生部分奇偶校验比特流，作为使用该消息比特流的奇偶校验比特流的一部分，删除产生器产生具有差错值的比特流，作为该奇偶校验比特流的剩余部分，以及解码器通过使用奇偶校验检查矩阵对具有差错值的比特流进行纠正来计算所述奇偶校验比特流的值，该奇偶校验检查矩阵确定该奇偶校验比特流、消息比特流和部分奇偶校验比特流。

Description

信道编码装置和方法

技术领域

本发明一般涉及信道编码装置和方法，特别是涉及一种其中将奇偶校验比特部分地设置成人为差错比特、而通过利用在通信系统的接收机上提供的信道解码装置对差错比特进行纠正、从而创建全部奇偶校验比特的信道编码装置和方法。 

背景技术

典型地，信道编码器通过将奇偶校验比特添加到要被传送的消息比特而形成代码字，以及信道解码器通过执行反向信道编码从已接收的代码字中提取消息比特。 

图1例示了在典型的信道编码和解码中的数据结构。 

参考图1，在传输之前，信道编码器通过将m比特奇偶校验比特流添加到k比特消息中来创建n比特代码字。 

在数据传输或者数据存储期间，由于在通信系统或者数据存储系统中各种形式的噪音、失真和干扰的原因，会产生信息丢失或者差错。对这些差错进行差错纠正是必不可少的。 

因此，信道解码器接收信道上的差错以及n比特代码字，并且通过对差错进行纠正来恢复k比特的消息。 

如图2所示，典型的信道编码器包括用于接收待传送的消息比特的输入缓冲器21，用于基于消息比特计算奇偶校验比特的奇偶校验计算器22，用于通过矩阵运算、尤其通过使用GH^T＝0(G是生成矩阵，H是奇偶校验检查矩阵)关系来计算具有代码字生成信息的生成矩阵的预处理器24，用于存储矩阵信息的存储器23，以及用于输出代码字的输出缓冲器25。特别是，奇偶校验计算器22参考在存储器23中存储的矩阵信息、使用从输入缓冲器21接收的消息比特来计算奇偶校验比特。输出缓冲器25输出从输入缓冲器21接收的消息比特以及从奇偶校验计算器22接收的奇偶校验比特。 

在上述一般的信道编码中，熟知的是，预处理器24的计算复杂性是0 (n³)，而奇偶校验计算器22的实际计算复杂性是0(n²)，其中n是代码字长度。 

作为信道编码，LDPC(低密度奇偶校验检查)代码显示了接近于表示信道编码性能理论极限的香农极限的性能。然而，其代码字长度如此大以至于LDPC编码器是一种高度复杂的设备，以及LDPC代码要求大的存储器容量。特别是LDPC编码器中的硬件复杂度要大于LDPC解码器中的硬件复杂度是众所周知的。 

为了克服这种复杂度，如图3中所示出的，如“Efficient Encoding ofLow-Density Parity-Check Codes”(Thomas J.Richardson and Rudiger L.Urbanke，IEEE Transaction on Information Theory Feb.2001)中所述的常规LDPC编码方法将奇偶校验检查矩阵分解为分块矩阵，并且分别在两部分中计算奇偶校验比特。在该实例中，分别由n和m来表示代码字长度和奇偶校验长度。因此消息的长度就是(n-m)。如果第一奇偶校验长度是g，则第二奇偶校验长度就为(m-g)。 

图4是被配置为执行常规LDPC编码方法的编码器的框图。参考图4，预处理器45将奇偶校验检查矩阵分解为如图3中所示的分块矩阵。第一奇偶校验计算器42使用分块矩阵来计算第一奇偶校验比特，而第二奇偶校验计算器43使用第一奇偶校验比特来计算第二奇偶校验比特。输入缓冲器41和输出缓冲器46也被示出。 

除了用于编码的现有存储器之外，该方法还需要用于存储分块矩阵的存储器44。对于n代码字长度来说，预处理计算量达到0(n^3/2)。因此，随着代码字长度的增加，复杂度也增加了。0(n+g²)的复杂度被要求用于计算第一奇偶校验比特，而9(n)的复杂度用于计算第二奇偶校验比特。此外，必须存在特定矩阵的逆矩阵来实现分块矩阵。 

发明内容

本发明的一个目的是实际上解决至少上述问题和/或缺点，并且提供至少下面的优点。因此，本发明的目的是提供一种通过利用具有纠错功能的信道解码来执行信道编码的方法和装置。 

本发明的另一个目的是提供一种信道编码装置和方法，其用于产生作为奇偶校验比特流一部分的具有差错值的删除比特流、并且使用信道解码装置来纠正该删除比特流，从而计算整个奇偶纠正比特流。

通过提供一种信道编码装置和方法来实现上述和其他的目的，在该信道编码装置和方法中，奇偶校验比特部分地被设置成人为差错比特、而且通过利用在通信系统的接收机上提供的信道解码装置对差错比特进行纠正从而创建整个奇偶校验比特。 

根据本发明的一个方面，提供了一种信道编码装置，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，所述信道编码装置包括：部分奇偶校验产生器(partial parity generator)，其基于消息比特流来产生具有预定长度和预定值的部分奇偶校验比特流，作为奇偶校验比特流的一部分；删除产生器(erasure generator)，用于产生具有随机差错值的删除比特流，该删除比特流的长度等于奇偶校验流的长度与部分奇偶校验比特流的长度之差；以及解码器，用于通过使用消息比特流、部分奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验检查矩阵纠正具有随机差错值的删除比特流，来计算奇偶校验比特流的值，并且输出编码比特流，该编码比特流包括该消息比特流和具有部分奇偶校验比特流和删除比特流的奇偶校验比特流。 

根据本发明的另一个方面，提供了一种信道编码方法，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，所述信道编码方法包括：(a)基于消息比特流来产生具有预定长度和预定值的部分奇偶校验比特流，作为奇偶校验比特流的一部分；(b)产生具有随机差错值的比特流，该删除比特流的长度等于该奇偶校验比特流的长度与该部分奇偶校验比特流的长度之差；以及(c)通过使用消息比特流、部分奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验检查矩阵纠正具有随机差错值的删除比特流，来计算奇偶校验比特流的值，并且输出编码比特流，该编码比特流包括该消息比特流和具有部分奇偶校验比特流和删除比特流的奇偶校验比特流。 

根据本发明的再一个方面，提供了一种信道编码装置，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，包括：在接收编码比特流的通信系统中的信道解码装置，用于通过纠错从该编码比特流中恢复所述消息比特流，其中奇偶校验比特流的一部分被设置为随机差错值，且该信道解码装置通过纠正所述随机差错值来产生该奇偶校验比特流， 其中所述信道解码装置使用消息比特流、除了具有随机差错值的比特流之外的奇偶校验比特流的剩余奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验矩阵，来纠正具有随机差错值的比特流。 

根据本发明的再一个方面，提供了一种信道编码方法，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，包括下述步骤：将奇偶校验比特流的一部分设置为随机差错值；以及在接收所述编码比特流的通信系统中使用信道解码方法、通过纠错而从该编码比特流中恢复所述消息比特流，其中通过使用信道解码方法对随机差错值进行纠正而产生所述奇偶校验比特流，其中所述信道解码方法使用消息比特流、除了具有随机差错值的比特流之外的奇偶校验比特流的剩余奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验矩阵，来纠正具有随机差错值的比特流。 

附图说明

从下面结合附图的详细描述中，上述和其他目的、特征和优点将变得更加明了，其中： 

图1示出了在典型的信道编码和解码中的数据结构； 

图2是典型的信道编码器的框图； 

图3示出了利用三角因数分解的常规编码的预处理； 

图4是利用三角因数分解的常规编码器的框图； 

图5是根据本发明的信道编码器的框图； 

图6是示出了根据本发明的信道编码方法的流程图；以及 

图7示出了根据本发明一个实施例的信道编码数据结构。 

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的优选实施例。在下面的描述中，熟知的功能和结构将不再描述，因为一些不必要的细节将使本发明变得不清楚。 

图5是根据本发明的信道编码装置的框图，以及图6是示出了根据本发明的信道编码方法的流程图。 

参考图5和图6，本发明的信道编码装置包括第一输入部分51、部分奇偶校验产生器52、删除产生器53、第二输入部分54、信道解码器55和输出部分56。 

在步骤S61，第一输入部分51接收消息比特流。部分奇偶校验产生器52产生作为整个奇偶校验比特流的一部分的部分奇偶校验比特流。假定多个部分奇偶校验比特流的值，该部分奇偶校验产生器52顺序地输出多个部分奇偶校验比特流。该部分奇偶校验比特流的比特数目按照消息比特流的比特数目变化。 

删除产生器53产生删除比特流，以填充到除了由部分奇偶校验比特流占用的区域外的整个奇偶校验比特流的剩余区域。根据本发明，删除比特流不与该部分奇偶校验比特流一起形成该完整的奇偶校验比特流。而是该删除比特流是由人为差错比特组成的，以便为了减少计算完全正确奇偶校验比特流的计算量及其所需的系统实现复杂度的目的而被插入到该奇偶校验比特流中。例如，在步骤S62中，在使用(0，A)的单极信令系统中，该删除比特流可以被设置为A/2的平均值，而在使用(+A，-A)的双极信令系统中则 变为0。 

图7示出了根据本发明一个实施例的信道编码数据结构。参考图7，该信道编码数据是一个n比特代码字，该n比特代码字是由k比特消息比特流71和m比特奇偶校验比特流组成的，该m比特奇偶校验比特流被分为p比特部分奇偶校验比特流72和e比特删除比特流73。部分奇偶校验产生器52产生p比特部分奇偶校验比特流，而删除产生器53产生e比特删除比特流。 

第二输入部分54向信道解码器55提供从第一输入部分51接收的消息比特流、从部分奇偶校验产生器52接收的部分奇偶校验比特流以及从删除产生器53接收的删除比特流。 

信道解码器55通过其纠错功能来纠正删除比特流的差错值。在部分奇偶校验产生器52顺序地输出用于同一消息比特流的多个部分奇偶校验比特流的情况下，信道解码器55相对于第二输入部分54输出的部分奇偶校验比特流纠正该删除比特流。在该删除比特纠正的过程中，在步骤S63中将所述部分奇偶校验比特流的其中一个确定为正确部分奇偶校验比特流。一旦确定了该正确部分奇偶校验比特流，信道解码器55就可以控制部分奇偶校验产生器52不再继续输出后面尚未被输入到信道解码器55的部分奇偶校验比特流。 

信道解码器55与在具有信道编码装置的通信系统中的接收机处的信道解码装置相同。因此，该信道解码器55可以被配置为使用最小和(Min-Sum)算法的删除解码器或者LDPC解码器。本发明的信道编码装置特征在于：通过使用为接收机处的纠错提供的信道解码器纠正删除比特流的差错值来计算正确奇偶校验比特流。优选地，考虑到部分奇偶校验比特流的比特数量，而将删除比特流的比特数量确定在该信道解码器55的纠错能力允许的范围内。 

在纠正该删除比特流之后，在步骤S64中，信道解码器55通过输出部分56来输出消息比特流以及由部分奇偶校验比特流与已纠正删除比特流组成的完整奇偶校验比特流。在给定了多个部分奇偶校验比特流的情况下，信道解码器55将在删除比特纠正期间选择的正确部分奇偶校验比特流输出到输出部分56。 

现在将描述根据本发明的一个实施例的在信道解码器55中的操作，这些操作用于在给定来自部分奇偶校验产生器52的多个部分奇偶校验比特流的情况下，纠正删除比特流并从该多个部分奇偶校验比特流中选择正确部分奇偶校验比特流。 

由s1、s2、s3、s4、s5来表示消息比特流，由p1、p2来表示部分奇偶校验比特流，以及由e1、e2、e3来表示删除比特流。等式(1)给出了奇偶校验检查矩阵H。作为来自于部分奇偶校验比特流的两个比特p1和p2的p1p2，有00、01、10、11四种可能情况，而且部分奇偶校验产生器52顺序地输出这四种情形。将用四种情况之一来计算的满足所有等式(2)到等式(6)的删除比特流e1、e2和e3确定为删除比特流，并且将p1和p2确定为部分奇偶校验比特流。 

$H=\left[\begin{array}{cccccccccc}h10& h11& h12& h13& h14& h15& h16& h17& h18& h19\\ h20& h21& h22& h23& h24& h25& h26& h27& h28& h29\\ h30& h31& h32& h33& h34& h35& h36& h37& h38& h39\\ h40& h41& h42& h43& h44& h45& h46& h47& h48& h49\\ h50& h51& h52& h53& h54& h55& h56& h57& h58& h59\end{array}\right].....\left(1\right)$

h10s1+h11s2+h12s3+h13s4+h14s5+h15e1+h16e2+h17e3+h18p1+h19p2＝0 

                                                         .....(2) 

h20s1+h21s2+h22s3+h23s4+h24s5+h25e1+h26e2+h27e3+h28p1+h29p2＝0 

                                                         .....(3) 

h30s1+h31s2+h32s3+h33s4+h34s5+h35e1+h36e2+h37e3+h38p1+h39p2＝0 

                                                         .....(4) 

h40s1+h41s2+h42s3+h43s4+h44s5+h45e1+h46e2+h47e3+h48p1+h49p2＝0 

                                                         .....(5) 

h50s1+h51s2+h52s3+h53s4+h54s5+h55e1+h56e2+h57e3+h58p1+h59p2＝0 

                                                         .....(6) 

等式(2)到等式(6)的计算仅考虑包含在这些计算中的比特流的最后的比特值。 

如表1所示，如果如等式(7)给出如等式(1)所定义的奇偶校验检查 矩阵，则消息比特流就为10110，而部分奇偶校验比特流就为00、01、10和11，通过等式(2)到等式(6)来产生删除比特流的比特值。 

$H=\left[\begin{array}{cccccccccc}1& 1& 1& 1& 1& 1& 0& 0& 0& 0\\ 1& 1& 1& 0& 0& 0& 1& 1& 1& 0\\ 1& 0& 0& 1& 1& 0& 1& 1& 1& 0\\ 0& 1& 0& 1& 0& 1& 1& 0& 1& 1\\ 0& 0& 1& 0& 1& 1& 0& 1& 1& 1\end{array}\right].....\left(7\right)$

表1 

部分奇偶校验比特流(p1p2)	删除比特流(e1e2e3)
		00	100
01	111
		10	111
11	100

因为部分奇偶校验比特流01、00和11不满足等式(3)和等式(4)，所以部分奇偶校验比特流00被确定为正确流，并且选择其对应的删除比特流100。在图6示出的代码字结构中，输出代码字为1011000100。 

如上所述，本发明使用信道解码装置来配置信道编码装置，其消除了矩阵运算所需的额外的存储和预处理，因此简化了硬件结构。此外，需要编码装置和解码装置两者的通信系统可以仅通过执行解码装置来实现编码和解码。这会导致硬件面积的减少，并得到简化的硬件结构。 

尽管已经参照本发明的优选实施例示出并描述了本发明，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节方面作各种修改。 

Claims (10)

1.一种信道编码装置，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，包括：

部分奇偶校验产生器，其基于消息比特流来产生具有预定长度和预定值的部分奇偶校验比特流，作为奇偶校验比特流的一部分；

删除产生器，用于产生具有随机差错值的删除比特流，该删除比特流的长度等于奇偶校验流的长度与部分奇偶校验比特流的长度之差；以及

解码器，用于通过使用消息比特流、部分奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验检查矩阵纠正具有随机差错值的删除比特流，来计算奇偶校验比特流的值，并且输出编码比特流，该编码比特流包括该消息比特流和具有部分奇偶校验比特流和删除比特流的奇偶校验比特流。

2.根据权利要求1的信道编码装置，其中如果存在多个用于部分奇偶校验比特流的值，则该部分奇偶校验产生器顺序地输出该多个部分奇偶校验比特流。

3.根据权利要求1的信道编码装置，其中如果存在多个用于部分奇偶校验比特流的值，则解码器通过从该多个部分比特流值中选择满足奇偶校验检查矩阵的部分奇偶校验比特流值、连同已纠正比特流来实现该奇偶校验比特流。

4.根据权利要求1-3之一的信道编码装置，还包括第一输入部分，其用于接收消息比特流，并且将所述消息比特流提供给该部分奇偶校验产生器和解码器。

5.根据权利要求1-3之一的信道编码装置，还包括：

第一输入部分，其用于接收消息比特流，并且将所述消息比特流提供给所述部分奇偶校验产生器；以及

第二输入部分，其用于接收来自第一输入部分的消息比特流、来自部分奇偶校验产生器的部分奇偶校验比特流、以及来自删除产生器的具有随机差错值的比特流，并且将所述消息比特流、部分奇偶校验比特流和具有随机差错值的比特流输出到解码器。

6.一种信道编码方法，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，包括下述步骤：

(a)基于消息比特流来产生具有预定长度和预定值的部分奇偶校验比特流，作为奇偶校验比特流的一部分；

(b)产生具有随机差错值的删除比特流，该删除比特流的长度等于该奇偶校验比特流的长度与该部分奇偶校验比特流的长度之差；以及

(c)通过使用消息比特流、部分奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验检查矩阵纠正具有随机差错值的删除比特流，来计算奇偶校验比特流的值，并且输出编码比特流，该编码比特流包括该消息比特流和具有部分奇偶校验比特流和删除比特流的奇偶校验比特流。

7.根据权利要求6的信道编码方法，其中步骤(a)包括下述步骤：如果存在多个用于部分奇偶校验比特流的值，则顺序地输出该多个部分奇偶校验比特流。

8.根据权利要求6的信道编码方法，其中步骤(c)包括下述步骤：如果存在多个用于部分奇偶校验比特流的值，则通过从该多个部分比特流值中选择满足奇偶校验检查矩阵的部分奇偶校验比特流值、连同已纠正比特流来实现该奇偶校验比特流。

9.一种信道编码装置，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，包括：

在接收编码比特流的通信系统中的信道解码装置，用于通过纠错从该编码比特流中恢复所述消息比特流，

其中奇偶校验比特流的一部分被设置为随机差错值，且该信道解码装置通过纠正所述随机差错值来产生该奇偶校验比特流，

其中所述信道解码装置使用消息比特流、除了具有随机差错值的比特流之外的奇偶校验比特流的剩余奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验矩阵，来纠正具有随机差错值的比特流。

10.一种信道编码方法，用于通过将奇偶校验比特流添加到待传送的消息比特流来产生预定长度的编码比特流，包括下述步骤：

将奇偶校验比特流的一部分设置为随机差错值；以及

在接收所述编码比特流的通信系统中使用信道解码方法、通过纠错而从该编码比特流中恢复所述消息比特流，

其中通过使用信道解码方法对随机差错值进行纠正而产生所述奇偶校验比特流，

其中所述信道解码方法使用消息比特流、除了具有随机差错值的比特流之外的奇偶校验比特流的剩余奇偶校验比特流、以及用于确定奇偶校验比特流的奇偶校验矩阵，来纠正具有随机差错值的比特流。

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