DE69231938T2

DE69231938T2 - Iteratives Dekodierungsverfahren, Dekodierungsmodul und Dekoder dafür

Info

Publication number: DE69231938T2
Application number: DE69231938T
Authority: DE
Inventors: Claude Berrou
Original assignee: Telediffusion de France ets Public de Diffusion; France Telecom SA
Current assignee: Orange SA
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2012-04-23
Also published as: EP0735696A3; EP0735696B1; DE69215743D1; EP0511141A1; DE69215743T2; DE69231938D1; US5446747A; HK1007841A1; FR2675971A1; EP0511141B1; FR2675971B1; EP0735696A2

Description

Die Erfindung betrifft das Kodieren digitaler Daten, die einer Folge von Quelldaten angehören, welche übertragen oder verbreitet werden sollen, insbesondere bei Vorhandensein von Senderauschen sowie das iterative Dekodieren der so übertragenen Daten.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein Dekodierverfahren, das die Verwirklichung von Modulardecodern mit mehreren Qualitätsebenen als Funktion der Zahl der angewandten Module ermöglicht.
Die Erfindung ist bei allen Fällen anwendbar, bei denen digitale Daten mit einem gewissen Zuverlässigkeitsgrad zu übertragen sind. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist das der digitalen Übertragung über Kanäle mit starkem Rauschen. Beispielsweise kann die Erfindung für das Empfangen und Senden von Signalen über Satelliten eingesetzt werden. Sie kann ebenfalls vorteilhafterweise für Übertragungen im Weltall angewandt werden, entweder zwischen der Erde und Raumschiffen oder zwischen Raumschiffen und/oder Raumsonden und ganz allgemein in allen Fällen, bei denen die Zuverlässigkeit der Dekodierung kritisch ist. Die Erfindung ist dennoch in derselben Weise für jede Art von Übertragung einsetzbar, ob über Funk oder über Kabel.
Jedes digitale Signal kann unabhängig seines Ursprungs gemäß der Erfindung kodiert und dekodiert werden. Es kann sich dabei beispielsweise um ein Bildsignal, um ein Tonsignal, um ein Datensignal oder um ein Multiplex mehrerer verschiedener Signale handeln.
Bekannterweise erfolgt das Kodieren solcher Signale allgemein mit Hilfe eines oder mehrerer faltender Kodiervorrichtungen. Im Dekodierer werden die Ausgangsdaten meistens mit Hilfe eines Algorithmus mit höchster Wahrscheinlichkeit rekonstruiert, beispielsweise der Viterbialgorithmus, dessen Entscheidungen gegebenenfalls gewichtet werden können.
Faltende Codes assoziieren jedem zu kodierenden Quellwert mindestens einen kodierten Wert, der durch Summierung Modulo 2 dieses Wertes mit mindestens einem der vorangegangenen Quellwerte erhalten wird. So ist jedes kodierte Symbol eine lineare Kombination der zu kodierenden Quelldaten und der berücksichtigten vorangegangenen Quelldaten. Durch Berücksichtigung einer Folge empfangener kodierter Symbole liefert der Viterbialgorithmus eine Abschätzung eines jeden beim Senden kodierten Wertes, wobei diejenige Quellfolge bestimmt wird, die am wahrscheinlichsten der empfangenen Folge entspricht.
Ein ebenfalls bekanntes Verfahren besteht darin, daß mehrere faltende oder nicht faltende Kodierer in Reihe geschaltet werden. In diesem Falle werden die im ersten Kodierer kodierten Daten einem zweiten Kodierer eingegeben, der diese Daten "überkodiert". Selbstverständlich erfolgt das Dekodieren symmetrisch, angefangen beim zweiten Code.
Dieses Code-Verkettung genannte Prinzip hat zwei Arten von Nachteilen. Einmal haben Kodierer, welche verkettete Codes anwenden, eine schwache Gesamtleistung. Beispielsweise beträgt, im Falle von zwei Kodierern in Reihe, die jeweils eine Leistung von 1/2 haben, die Gesamtleistung ¹/&sub4;. Verwendet man mehr als zwei Kodierer, wird diese Leistung schnell sehr schwach.
Andererseits ist die technische Realisierung solcher Kodierer relativ komplex, insbesondere bezüglich der mit jedem Kodierer assoziierten Taktgeber, die unabhängig sein müssen.
Bezüglich der Dekodierer wurde bereits angegeben, daß im allgemeinen Algorithmen mit höchster Wahrscheinlichkeit angewandt wurden, wie beispielsweise der Viterbialgorithmus. Diese Algorithmen treffen Entscheidungen, wobei sie eine große Anzahl empfangener Symbole berücksichtigen. Die Entscheidung ist eindeutig um so zuverlässiger, je höher die Zahl der berücksichtigten Symbole ist. Andererseits, je höher diese Zahl, um so komplexer ist der Dekodierer. Die erforderliche Speicherkapazität wird schnell sehr groß, wie auch die entsprechenden Rechenzeiten.
Integrierte Schaltungen, die solche Algorithmen anwenden, basieren demnach meistens auf einem Kompromiß zwischen Kosten und Leistung. Diese notwendigen industriellen Auswahlen erlauben es nicht, Dekodierer zu bauen, die einer gegebenen Anwendung optimal angepaßt sind. So ist es beispielsweise nicht möglich, Dekodierer mit niedrigem Herstellungspreis für Anwendungen zu realisieren, bei denen die Empfangsqualität nicht allzu wichtig ist, weil die integrierten Schaltkreise zu teuer in der Herstellung sind. Andererseits sind diese integrierten Schaltkreise auch nicht für die Realisierung von Empfängern mit sehr hoher Dekodierungsqualität geeignet, bei denen der Herstellungspreis eine geringfügige Rolle spielt.
Die Erfindung hat insbesondere zum Zweck, diesen Nachteilen und Begrenzungen des Standes der Technik entgegenzuwirken.
Genauer gesagt besteht ein Zweck der Erfindung in der Bereitstellung eines Kodierverfahrens für digitale Daten mit ausgezeichneten Fehlerberichtigungsvermögen im Vergleich zu den bekannten, derzeit bei digitalen Kommunikationssystemen angewandten Verfahren.
Insbesondere besteht ein Zweck der Erfindung im Vergleich zu den bekannten Verfahren, in der Bereitstellung besonders leistungsfähiger Verfahren bei der Übertragung über Kanäle mit sehr starkem Rauschen.
Ein besonderer Zweck der Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren, die ein sehr zuverlässiges Dekodieren der empfangenen Daten ermöglichen, beispielsweise von über Satellit übertragenen Daten oder von Daten, die von Raumsonden oder Raumschiffen gesendet werden.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren, welche das Kodieren und Dekodieren von Daten mit sehr hohem Durchsatz ermöglichen.
Ebenfalls Zweck der Erfindung ist die Bereitstellung von Verfahren, die eine relativ einfache Realisierung von Kodierern und Dekodierern im Vergleich zu deren Leistung ermöglichen.
Insbesondere hat die Erfindung als Zweck die Bereitstellung eines Kodierverfahrens, das mehrere faltende Codes ins Spiel bringt, aber sowohl für den Kodierer als auch für den Dekodierer nur einen Taktgeber benötigt.
Ein weiterer Zweck der Erfindung ist die Bereitstellung eines Kodierverfahrens mit sehr guter Gesamtkodierleistung.
Noch ein Zweck der Erfindung ist die Bereitstellung von Kodier- und Dekodierverfahren, welche die Realisierung von Hochleistungsdekodierern ermöglichen, die dennoch leicht industriell zu akzeptablen Kosten zu fertigen sind.
So ist ein besonderer Zweck der Erfindung das Bereitstellen von Verfahren, die die Verwirklichung des Dekodierverfahrens auf einer ausreichend kleinen Siliziumfläche ermöglichen, um die industrielle Fertigung sicherzustellen, beispielsweise auf einer Fläche von weniger als 50 mm².
Die Erfindung hat ebenfalls zum Zweck die Bereitstellung von Kodierverfahren, welche die Verwirklichung einer Vielzahl von Dekodiertypen ermöglicht mit variablen Leistungen und Herstellungskosten, abhängig vom jeweiligen Bedarf und bei denen ein oder mehrere integrierte Schaltkreise eines Typs angewandt werden.
Anders ausgedrückt ist ein wesentlicher Zweck der Erfindung die Bereitstellung von Verfahren, die einerseits eine wirtschaftlich tragbare Verwirklichung gewährleisten, basierend auf der Entwicklung eines einzigen, relativ einfachen integrierten Schaltkreises und andererseits die Verwirklichung von Dekodierern ermöglichen, die für eine breite Palette verschiedener Anwendungen einsetzbar sein sollen.
Diese Ziele sowie andere, die im nachfolgenden ersichtlich werden, werden nach der Erfindung mit Hilfe eines Dekodierverfahrens für die empfangenen kodierten digitalen Daten, welche Quelldaten entsprechen, erreicht, welches ein iteratives Dekodierverfahren umfaßt, welches die folgenden Schritte enthält:
- einen Dekodierschritt eines Zwischenwertes, der für einen empfangenen Wert repräsentativ ist und einen dekodierten Wert erzeugt und
- einen Schritt zum Schätzen des empfangenen Wertes mit Hilfe des dekodierten Wertes, wobei ein geschätzter Wert erzeugt wird,
wobei der Zwischenwert bei der ersten Iteration durch Kombination des empfangenen Wertes mit einem im voraus festgelegten Wert erhalten wird und bei den folgenden Iterationen, durch eine Kombination des empfangenen Wertes mit mindestens einem bei den vorhergehenden Iterationen geschätzten Wert.
Mit diesem Verfahren kann man Dekodierer herstellen, die aus einer Kaskade identischer Module bestehen, wobei jedes Modul einer Iteration entspricht. Es ist eindeutig, daß die Effektivität der Dekodierung eine direkte Funktion der Zahl der angewandten Iterationen ist und somit der Zahl der eingesetzten Module. So kann man einfach durch Variieren der Zahl der Module, mehrere Qualitätsebenen für die Empfänger definieren.
Somit hat jedes Modul die Aufgabe, neben dem dekodierten Wert, eine neue Abschätzung des gesendeten Wertes zu berechnen. Dieser Wert wird bereits im folgenden Modul genutzt.
Vorteilhafterweise ordnet der Schätzungsschritt dem Schätzwert ein zusätzliches Rauschen zu, das von demjenigen Rauschen dekorreliert ist, welches dem empfangenen Wert zugeordnet ist.
So ist der bei der folgenden Iteration berücksichtigte Wert, der eine Kombination des empfangenen Wertes und des geschätzten Wertes ist, mit einem weniger störenden Gesamtrauschen behaftet als bei der vorhergehenden Iteration.
Bei einer bevorzugten Ausführung ist der im voraus festgelegte Wert neutral oder null und die Kombinationen sind für alle Iterationen, mit Ausnahme der ersten, Summen des empfangenen Wertes und des ersten geschätzten Wertes.
Im Falle der Dekodierung der Daten, die nach einem Verfahren kodiert wurden, das die gemeinsame Übertragung der Quelldaten und der kodierten Redundanzdaten sicherstellt, beispielsweise mit Hilfe der oben erwähnten "pseudo-systematischen" Codes, ist es von Vorteil, wenn der Dekodierungsschritt die Gesamtheit der empfangen Daten, der Quelldaten und der kodierten Daten berücksichtigt, wobei der Schätzschritt nur auf die Schätzung der Quelldaten angewandt wird.
Das erfindungsgemäße Dekodierverfahren wird vorteilhafterweise verbunden mit einer fehlerberichtigenden Kodierung digitaler Quelldaten, die parallel zueinander mindestens zwei unabhängige Schritte systematisch faltender Kodierung anwendet, wobei jede dieser Kodierschritte die Gesamtheit der Quelldaten berücksichtigt, und wobei sie mindestens einen Schritt zur zeitlichen Verschachtelung dieser Quelldaten umfaßt, der die Reihenfolge der Berücksichtigung dieser Quelldaten für jeden der Kodierschritte ändert.
Dieses im nachfolgenden "parallele Verkettungskodierung" genannte Verfahren erlaubt beim Dekodieren die Verfügung über Symbole, die aus zwei verschiedenen Kodierern kommen, im Gegensatz zu der in der Präambel beschriebenen klassischen Technik der "seriellen Verkettung".
Die angewandten redundanten Kodierungen sind von systematischer Art. Jeder Quellwert ist demnach auch ein faltendes Kodiersymbol, und dieses Symbol teilen sich die zwei Codes.
So ermöglicht das Aufteilen der Kodierredundanz in mehreren parallelen Redundanzen die künstliche Erhöhung der Gesamtleistung des Codes. So kann beispielsweise ein Code mit "paralleler Verkettung" mit der Leistung 1/3 in Wirklichkeit zwei Codes der Leistung 1/2 enthalten. Wäre es darum gegangen, in klassischer Weise, d. h. durch "Serienverkettung", zwei Codes der Leistung 1/2 zu verketten, so hätte die Gesamtleistung 1/4 betragen.
Ein weiterer Vorteil des Codes mit "paralleler Verkettung" gegenüber der Codes mit "Serienverkettung" ist die Einfachheit der Kodier- und Dekodierschaltkreise bezüglich der Taktgeber.
Bei einer bevorzugten Ausführung umfaßt das Kodierverfahren einen Schritt zur systematischen Eliminierung mindestens eines der kodierten Werte zu gegebenen Sendezeitpunkten, die sich aus mindestens einem der Kodierschritte ergeben.
Der Eliminierungsschritt kann beispielsweise aus einer periodischen Kommutation zwischen den Kodierschritten bestehen, wobei zu jedem Augenblick der Sendung die Auswahl eines einzigen kodierten Wertes unter der Menge der Daten durch jeden der Kodierschritte sichergestellt wird.
Demnach wird nur ein kodiertes Symbol zu jedem Übertragungszeitpunkt gesendet: es gibt keine Erhöhung des gesamten Datendurchsatzes. Dafür gewährleistet das Kodierverfahren der Erfindung die systematische Übertragung des Quellwertes zu jedem Übertragungszeitpunkt.
Bei dieser Ausführung werden "pseudo-systematisch" genannte Codes angewandt, wie diejenigen, die in der französischen Patentanmeldung FR 91 05278 beschrieben sind, das unter der Überschrift "pseudo-systematische Fehler berichtigendes faltendes Kodierverfahren, Dekodierverfahren und entsprechende Einrichtungen" am 23. April 1991 im Namen derselben Anmelder eingereicht wurde. Mit diesen Codes werden ausgezeichnete Dekodierungsqualitäten erzielt, insbesondere bei hohem Übertragungsrauschen. Durch ihre systematische Eigenschaft sind sie außerdem von großem Interesse für die Anwendung des weiter unten beschriebenen Dekodierverfahrens.
Vorteilhafterweise folgt jedem der Schritte zur zeitlichen Verschachtelung ein Verzögerungsschritt, wobei der Schritt zur zeitlichen Verschachtelung die Quelldaten in der Reihenfolge, in der diese Quelldaten einen ersten Kodierschritt speisen, berücksichtigt und sie in einer anderen Reihenfolge wiedergibt, um einen zweiten Kodierschritt zu speisen, wobei der Verzögerungsschritt jede der Quelldaten, die sich aus dem zeitlichen Verschachtelungsschritt ergeben, mit einer Verzögerung behaftet, die gleich der Dekodierungslatenz der Daten ist, welche durch den ersten Kodierschritt kodiert werden.
Diese Verzögerungen erweisen sich als nützlich für die Anwendung eines Realisationsmodus des Dekodierverfahrens der Erfindung, wie weiter unten ersichtlich wird.
Vorteilhafterweise wendet der Schritt zur zeitlichen Verschachtelung mindestens eine Verschachtelungsmatrix an, in der die Quelldaten nach aufeinanderfolgenden Zeilen (bzw. Spalten) eingegeben und nach aufeinanderfolgenden Spalten (bzw. Zeilen) gelesen werden.
Dieser Verschachtelungsschritt erlaubt, daß alle Quelldaten berücksichtigt und kodiert werden, wobei die Reihenfolge für beide Codes verschieden ist. Die Verschachtelung kann demnach in klassischer Weise mit Hilfe einer Verschachtelungsmatrix erfolgen. Dennoch schlägt die Erfindung mehrere mögliche Anpassungen dieser Technik mit dem Ziel vor, die Verschachtelungsleistung zu verbessern.
So ist bevorzugterweise beim Eingeben das Inkrement zwischen zwei Zeilen (bzw. Spalten) und/oder beim Lesen das Inkrement zwischen zwei Spalten (bzw. Zeilen) streng größer als 1.
Notwendigerweise haben diese Inkremente selbstverständlich auch keinen gemeinsamen Teiler mit der Zahl der Spalten oder der Zeilen dieser Matrix.
Vorteilhafterweise ist das Inkrement zwischen zwei Zeilen (bzw. Spalten) eine Funktion der Stellung der Spalte (bzw. Zeile) während der Eingabe (bzw. des Lesens).
Ein günstiger Effekt dieser Technik ist, das beim Dekodieren, die rechteckigen Fehlerpakete "aufgebrochen" werden, gegenüber denen das Dekodierverfahren am verletzlichsten ist. Diese Verschachtelungstechnik wird im Nachhinein "dispersiv" genannt.
In dem Fall, in dem ein derartiges Kodierverfahren angewendet wird, umfaßt das Dekodierverfahren vorteilhafterweise die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte:
- erste Dekodierung gemäß der ersten redundanten Kodierung, als Funktion von mindestens einem der Zwischenwerte und mindestens einem kodierten Wert, der beim ersten Kodierungsschritt erzeugt wurde, die einen ersten dekodierten Wert erzeugt,
- zeitliche Verschachtelung, die identisch ist zum Verschachtelungsschritt des Kodierverfahrens der ersten dekodierten Daten,
- zweite Dekodierung gemäß der zweiten redundanten Dekodierung, als Funktion von mindestens einem der ersten dekodierten und entschachtelten Werte und von mindestens einem beim zweiten Kodierungsschritt erzeugten kodierten Wert, die einen zweiten dekodierten Wert erzeugt,
- Abschätzung des empfangenen Quellwertes als Funktion von mindestens einem der ersten und zweiten dekodierten Werte, die einen geschätzten Wert erzeugen,
- symmetrische Entschachtelung zum Verschachtelungsschritt der geschätzten Daten.
Vorteilhafterweise besteht der Schätzungsschritt in der Festlegung der Größe (d&sub2;x(X&sub1;)-(X&sub2;))/(d&sub2;-1), wobei:
- d&sub2; der freie Abstand der zweiten redundanten Kodierung ist;
- X&sub1; und X&sub2; die Daten sind, die vom ersten und vom zweiten Dekodierschritt dekodiert wurden;
- und einer Entschachtelung (52), die symmetrisch ist zu dem Verschachtelungsschritt (47) der geschätzten Daten ((Z)p).
Diese Funktion subtrahiert vom Ergebnis des vom zweiten Dekodierschritt gelieferten dekodierten Wertes den mit dem Quellwert verbundenen Beitrag. So sind das addierte Rauschen des Quellwertes und des geschätzten Wertes praktisch vollkommen dekorreliert.
Bevorzugterweise folgt dem Schätzungsschritt, vor dem Entschachtelungsschritt, ein Schritt zur logarithmischen Kompression.
Zweck dieser logarithmischen Kompression ist es, einen Akzent bezüglich der Abtastungsgenauigkeit auf die kritischen Werte zu setzen, daß heißt, auf die Werte nahe null, wenn die Werte zwischen -n und +n kodiert sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung wird der erste Dekodierschritt von einem Schritt gefolgt, bei dem der erste dekodierte Wert mit einem Koeffizienten β multipliziert wird, der streng größer als 1 ist.
Die Rolle dieses Koeffizienten β ist es, für die zweite Dekodierung die Werte, die aus dem ersten Dekodierer kommen, gegenüber den empfangenen kodierten Werten zu bevorzugen, die mit stärkerem Rauschen gehaftet sind, weil sie direkt vom Übertragungskanal geliefert wurden.
Bevorzugterweise variiert der Koeffizient β als Funktion des Signal/Rausch-Verhältnisses des Übertragungskanals.
Vorteilhafterweise wendet der oder wenden die Dekodierschritt(e) Dekodieralgorithmen mit höchster Wahrscheinlichkeit an, von der Art des Viterbi-Algorithmus mit gewichteten Entscheidungen.
Man kann insbesondere das Dekodierverfahren anwenden, welches in der ebenfalls eingereichten Anmeldung "Dekodierverfahren eines faltenden Codes mit höchster Wahrscheinlichkeit und gewichteten Entscheidungen und entsprechender Dekodierer", der im Namen derselben Antragsteller eingereicht wurde.
Vorteilhafterweise umfaßt das Dekodierverfahren ebenfalls einen Schritt zum Demultiplexieren, das die empfangenen kodierten Daten zu den richtigen Dekodierschritten hinlenkt und welches Nullwerte zu den Dekodierschritten überträgt, für die keine kodierte Daten übertragen wurden.
Dieser Schritt ist nützlich, wenn kodierte Daten zu gewissen Übertragungszeitpunkten selektiv nicht übertragen werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Dekodiermodul, das eine Iteration des oben beschriebenen Dekodierverfahrens durchführt. Ein solches Modul umfaßt mindestens zwei Eingänge, die mindestens einem empfangenen Wert und mindestens einem geschätzten Wert entsprechen sowie mindestens zwei Ausgänge, die mindestens einem empfangenen Wert und mindestens einem geschätzten Wert entsprechen. Es kann mit mindestens einem anderen identischen Modul zu einer Kaskade zusammengefügt werden.
Ein Modul kann insbesondere als integrierter Schaltkreis verwirklicht werden. Ein solcher Schaltkreis belegt eine ausreichend kleine Siliziumfläche, um eine einfache, zuverlässige und kostengünstige industrielle Fertigung zu gewährleisten.
Die Modulbauweise ermöglicht es, ausgehend von einem einzigen integrierten Schaltkreis, jede Art von Anwendung in Betracht zu ziehen. In den Fällen, die nur einen schwachen Schutz erfordern, oder wenn der Kanal mit wenig Rauschen behaftet ist, kann ein einziges Modul ausreichen. Hingegen können für besondere Fälle, bei denen die Zuverlässigkeit unentbehrlich und/oder das Übertragungsrauschen stark ist, beispielsweise im Falle von Daten, die von einer Raumsonde übertragen werden, zehn oder mehr Module als Kaskade aneinandergereiht werden.
Die Erfindung betrifft ebenfalls Dekodierer, welche ein Modul oder mehrere solche Module anwenden.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, die zur Veranschaulichung und nicht einschränkend dargestellt wird, sowie der beigefügten Figuren, wobei
- Fig. 1 ein Übersichtsdiagramm darstellt, in dem das "mit paralleler Verkettung" genannte Grundprinzip des Dekodierverfahrens der Erfindung veranschaulicht wird;
- Fig. 2 eine besondere Ausführung eines Kodierers nach dem Verfahren der Fig. 1 darstellt, welches eine 100% Redundanz gewährleistet;
- Fig. 3 ein Übersichtsdiagramm des Grundprinzips eines modularen Dekodierers nach der Erfindung mit vier Modulen darstellt;
- Fig. 4 ein detailliertes Übersichtsdiagramm einer bevorzugten Ausführung eines Moduls der Fig. 3 darstellt, für den Fall, daß die Daten mit Hilfe des Kodierers der Fig. 2 kodiert sind;
- die Fig. 5 und 6 die mit Hilfe eines Dekodierers erzielten Ergebnisse darstellen, der die Module der Fig. 4 anwendet, als Funktion der Zahl der zu einer Kaskade aneinandergereihten Module, für den Fall eines idealen Dekodierers (Fig. 6);
- Fig. 7 ein Beispiel für ein "pseudo-systematisches" Kodiermodul mit einer Bedingungslänge v = 2 und einer Leistung R = 1/2 darstellt, das im Kodierer der Fig. 1 eingesetzt werden kann.
Die vorliegende Erfindung beruht auf zwei neuen Konzepten, nämlich einem Kodierverfahren, das gleichzeitig mehrere Kodierungen parallel und ein iteratives Dekodierverfahren anwendet.
Kombiniert betrachtet weisen diese zwei Konzepte eine sehr starke Synergie auf, die bei der Dekodierung eine besonders geringe Fehlerrate ergibt, insbesondere viel geringer als diejenigen, die mit den bekannten Dekodierern gleicher Komplexität erzielt werden und ebenfalls insbesondere in Gegenwart von hohem Übertragungsrauschen.
Fig. 1 stellt ein Übersichtsdiagramm eines Kodierers dar, der das Verfahren der Erfindung anwendet, für den Fall, daß zwei verschiedene Codes parallel eingesetzt sind.
Jeder zu kodierende Quellwert d wird einerseits einem ersten Kodiermodul 11 und andererseits einem zeitlichen Verschachtelungsmodul 12 zugeführt, welches selbst ein zweites Kodiermodul 13 speist.
Nach diesem Verfahren erscheint es demnach, daß jedem Quellwert d mindestens zwei kodierte Werte Y&sub1; und Y&sub2; zugeordnet sind, welche aus verschiedenen Kodierern 11 und 13 kommen. Es ist eindeutig, daß die Zahl der in diesem Falle auf zwei begrenzte Kodierer, nach demselben Prinzip leicht ausgedehnt werden kann.
Die Module 11 und 13 können jeder bekannten Systemart angehören. Vorteilhafterweise handelt es sich um faltende Kodierer, die zum Kodieren des Quellwertes d mindestens eines der vorhergehenden Quellwerte berücksichtigen. Die in den Modulen 11 und 13 eingesetzten Codes können identisch oder bevorzugterweise verschieden sein.
Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist, daß die kodierten Daten Y&sub1; und Y&sub2; die gleichen Quelldaten d berücksichtigen, aber nach verschiedenen Reihenfolgen, dank der Verschachtelungstechnik. Diese Verschachtelung kann klassischerweise mit Hilfe einer Verschachtelungsmatrix erzielt werden, in der die Quellwerte zeilenweise eingefügt und spaltenweise herausgegeben werden. Wie weiter unten gezeigt wird, bietet die Erfindung jedoch neue Verbesserungen dieses Verschachtelungsverfahrens an, die unter anderem dazu da sind, die Fehler beim Dekodieren gut zu trennen.
Andererseits kann jede andere Technik, die eine Änderung der Reihenfolge der Quelldaten ermöglicht, in diesem zeitlichen Verschachtelungsmodul 12 angewandt werden.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführung wird ein Wert X, welcher dem Quellwert d gleich ist, systematisch übertragen. Dies ist eine notwendige Eigenschaft für die Anwendung der Dekodiermodule, wie sie weiter unten beschrieben sind.
In diesem Falle verwenden die Module 11 und 13 bevorzugterweise Codes wie die im bereits erwähnten Patentantrag FR 91 05278 beschriebenen. Diese "pseudosystematisch" genannten Codes werden durch die Tatsache charakterisiert, daß der Quellwert systematisch übertragen wird, zusammen mit mindestens einem kodierten Wert oder Redundanzsymbol.
Diese Redundanzsymbole sind derart aufgebaut, daß der freie Abstand des Codes maximal ist. Sie berücksichtigen nicht eine Reihe der vorhergehenden Quelldaten, wie dies üblicherweise bei den faltenden Codes erfolgt, sondern eine Reihe von Hilfsdaten, die durch mathematische Kombination des berücksichtigten Quellwertes mit mindestens einem der vorhergehenden Hilfsdaten erhalten werden.
Diese neuen Codes gewährleisten sehr gute Leistungen bezüglich der Fehlerwerte.
Ein Beispiel eines Kodierers (mit einer Bedingungslänge v = 2 und eine Leistung R = 1/2), bei dem diese Technik zum Einsatz kommt, ist in Fig. 7 dargestellt.
Dieser Kodierer assoziiert jedem Quellwert dk zwei kodierte Werte Xk und Yk,
Der Wert Xk wird systematisch gleich dem Quellwert dk angesetzt.
Der Wert Yk wird klassischerweise mit Hilfe einer Kombination 81 von mindestens zwei Binärelementen berechnet, die in einem Verschieberegister 82 enthalten sind. Dafür enthält dieses Register 82 in den Zellen 82A und 82B nicht die vorhergehenden Quellwerte dk-1, dk-2, sondern verschiedene Zwischenwerte ak-1, ak-2.
Das Hauptmerkmal der Erfindung ist nämlich die Festlegung des kodierten Wertes Yk, ausgehend von den besonderen Werten ak, die man über eine mathematische Kombinierung und beispielsweise ein exklusives ODER 83, des Quellwertes dk mit mindestens einem der vorhergehenden besonderen Werten ak-2 erhält (im Gegensatz zu den bekannten faltenden Kodierverfahren, welche die Reihe der vorhergehenden Quellwerte direkt berücksichtigen).
Das entspricht gewissermaßen der Ausführung einer Gegenreaktion auf die Quellwerte dk. Es ist ersichtlich, daß diese Gegenreaktion höhere Leistungen ermöglicht, als im Falle klassischer Codes, wobei den Kodierern nur ein exklusives ODER 83 anzufügen ist.
Es scheint, daß dieser Gewinn insbesondere darauf zurückzuführen ist, daß die Plätze der Übertragungsfehler in einer empfangenen Datenfolge nur selten vollkommen dekorreliert sind. Die Anwendung einer Kombination mit einem exklusiven ODER über diese Daten kann dann die Eliminierung einiger der Fehler bewirken.
Viele Simulationen mit Codes verschiedener Bedingungslänge und/oder Leistung erlaubten es festzustellen, daß in jedem der in den Figuren dargestellten Fällen, dieses "pseudo-systematische" Kodierverfahren eine höhere Leistung (bezüglich Leistung und Bedingungslänge) als die entsprechenden klassischen faltenden Kodierer erbringen, insbesondere wenn das empfangene Signal mit sehr hohem Rauschen behaftet ist (Eb/NO kleiner oder gleich 3 dB).
Wie bereits erwähnt, weist das Prinzip der Kodierung mit "paralleler Verkettung" gemäß der Erfindung insbesondere zwei Vorteile gegenüber der klassischen Kodierung mit Serienverkettung auf: einerseits ist die Gesamtleistung des Codes besser und andererseits sind die Kodier- und Dekodierschaltkreise einfacher in bezug auf die Taktgeber. Im Falle der "parallelen Verkettung" funktionieren alle Schaltkreise gemäß einem einzigen Taktgebers: derjenige der Datenflußrate.
Die Fig. 2 veranschaulicht eine besondere Ausführung eines solchen Kodierers, der genauer gesagt dem Kodieren dekodierbarer Daten mit Hilfe der weiter unten, im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebenen Module dient.
Es wird beispielsweise ein Kodierer mit der Gesamtleistung R größer oder gleich 1/3 betrachtet (ein typischer Wert für R ist 1/2), der zwei Codes mit den entsprechenden spezifischen Leistungen R&sub1; und R&sub2; = (RR&sub1;)/(RR&sub1; + R&sub1; - R) anwenden, wobei sowohl R&sub1; als auch R&sub2; größer als 1/2 sind.
Dieser Kodierer sendet zu jedem Übertragungszeitpunkt zwei digitale, beispielsweise binäre, Symbole X und Y. Das Symbol X wird systematisch gleich dem Quellwert d angesetzt und das Symbol Y ist ein Redundanzsymbol.
Das Symbol Y gleicht entweder dem aus dem ersten Kodiermodul 11 kommenden Wert Y&sub1; oder dem aus dem zweiten Kodiermodul 13 kommenden Wert Y&sub2;. Ein Auswahlmodul 15 stellt einen periodischen Wechsel zwischen den Ausgängen Y&sub1; und Y&sub2;. Die Periodizität der Umschaltung wird durch die zwei Leistungen R&sub1; und R&sub2; derart festgelegt, daß die Symbole X und Y tatsächlich zwei Codes der Leistung R&sub1; und R&sub2; enthalten.
So können beispielsweise, für die Codeleistungen R&sub1; = 3/5 und R&sub2; = 3/4, die übertragenen Datenfolgen die folgenden sein:
Xt Xt+1 Xt+2 Xt+3 Xt+4 Xt+5, ...
Y1,t Y1,t+1 Y2,t+2 Y1,t+3 Y1,t+4 Y2,t+5, ...
Die Funktionsweise dieses Auswahlmoduls 15 kann selbstverständlich verallgemeinert werden. So kann, falls mehr als zwei Kodiermodule vorhanden sind, die Auswahl derart erfolgen, daß die Übertragung einer Zahl m von kodierten Daten gewährleistet wird, die unter den n erzeugten kodierten Daten ausgewählt wurden. Andererseits kann das Auswahlmodul 15 ebenfalls eine Kennzeichnung der kodierten Daten sicherstellen, wobei der (oder die) Wert(e) Y nicht zu vorgegebenen Übertragungszeitpunkten übertragen wird.
Die Quelldaten d werden auf dem ersten Kodiermodul 11 und einem Verschachtelungsmodul 12 angewandt. Dieses Modul 12 stellt eine Matrixenverschachtelung sicher. Die Daten werden in aufeinanderfolgenden Zeilen in einen Speicher der Größe nExnE geschrieben und in aufeinanderfolgenden Spalten wiedergegeben. Diese Technik ist beispielsweise im Artikel "Optimal interleaving scheme for convolutional coding" (Optimale Verschachtelungsmethode für die faltende Kodierung) von Dunscombe E. und Piper F. C. beschrieben, der in "Electronic Letters" Band 25, Nr. 22 vom Oktober 1989 erschienen ist.
Es wird im Artikel gezeigt, daß die Verschachtelungsleistung für kleine Werte nE (einige Zehner) verbessert wird, wenn die Reihenfolge der Zeiten und Spalten nach einem Inkrement erfolgt, das größer als 1 ist und notwendigerweise keinen gemeinsamen Teiler mit nE hat.
Die Erfindung schlägt eine weitere Verbesserung dieser Verschachtelungstechnik vor. Es erscheint in der Tat vorteilhaft, daß das Zeilensprunginkrement, das nie einen gemeinsamen Teiler mit nE hat, Funktion der Stellung der betrachteten Spalte sein soll. Das erlaubt das Aufbrechen rechteckiger Fehlerpakete.
Es können selbstverständlich andere Verschachtelungstechniken angewandt werden, insbesondere das übliche Verfahren bei dem Schreib- und Leseinkremente gleich 1 sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es ist andererseits eindeutig, daß die Rolle der Zeilen und der Spalten vertauscht werden kann.
Die aus dem Verschachtelungsmodul 12 kommenden Daten werden danach für eine feste Zeitdauer verzögert, um die Latenz L&sub1; des dem ersten Code 11 entsprechenden Dekodiermoduls zu kompensieren. Dazu werden Verzögerungsmittel 14, wie ein Verschieberegister der Länge L&sub1;, welches als Verzögerungszeile wirkt, am Ausgang des Verschachtelungsmoduls 12 angebracht.
Es wird nun das Dekodierverfahren der Erfindung im Zusammenhang mit Fig. 3 vorgestellt.
Hauptmerkmal dieses Dekodierverfahrens ist, das es iterativ ist. Bei jeder Iteration erfolgt das Dekodieren von mindestens einem Zwischenwert. Hauptsächlich mit Hilfe des dekodierten Wertes wird dann eine Schätzung des zu dekodierenden Wertes ausgeführt. Bei der folgenden Iteration erfolgt eine identische Dekodierung eines Zwischenwertes, welche durch Kombination des empfangenen Wertes mit dem geschätzten Wert erfolgt. Wenn das Kodierverfahren und das Schätzverfahren gut gewählt sind, findet man, wie weiter unten gezeigt, daß die Dekodierungsqualität eine Funktion der Zahl der durchgeführten Iterationen ist.
Hauptvorteil dieses iterativen Verfahrens ist, daß es die Verwirklichung von Dekodierern in Modulbauweise ermöglicht. Es können nämlich Dekodiermodule 31&sub1; bis 31&sub4; definiert werden, wie in der Fig. 3 dargestellt. Jedes Modul führt eine Iteration des Dekodierverfahrens aus. Durch aneinanderreihen von n Modulen zu einer Kaskade, werden demnach n Iterationen des Verfahrens ausgeführt.
Das Modul 31i hat mindestens zwei Eingänge: der empfangene Wert X, der dekodiert werden muß, und einen Wert Zp, der für diesen empfangenen Wert X repräsentativ ist, geschätzt vom vorhergehenden Modul 31p-1 und zwei Ausgänge: der geschätzte Wert Zp und der dekodierte Wert S. der nur am Ausgang des letzten Moduls berücksichtigt wird. Für das erste Modul 31&sub1; wird der Wert Z&sub1; auf einen vorgegebenen Wert null festgelegt. Vorteilhafterweise wird der Wert Zp so festgelegt, das er repräsentativ für das gesendete Symbol X ist, wobei es mit einem vom Rauschen des empfangenen Wertes X dekorrelierten zusätzlichen Rauschen behaftet ist.
So schwächt sich von einer Iteration zur nächsten der Einfluß des Rauschens ab, wodurch die Fehlerrate nach und nach reduziert wird.
Bei anderen Ausführungsarten kann jedes Modul mehrere Daten Zp berücksichtigen, die bei den vorhergehenden Schritten geschätzt wurden oder gar die Gesamtmenge dieser Daten. Die Kombination mit dem empfangenen Wert X kann eine einfache Summierung oder aber eine gewichtete Summierung sein. Es kann beispielsweise in Betracht kommen, den verschiedenen geschätzten Werten Zp variable Wichtungen zu geben. Es ist ebenfalls möglich, daß diese Wichtungen als Funktion gewisser Kriterien variieren, wie beispielsweise das Signal/Rausch-Verhältnis.
Die Modulstruktur der Erfindung hat insbesondere zwei Vorteile.
Zunächst ermöglicht sie es, ausgehend von der selben Grundlage, mehrere Dekodiererqualitäten zu definieren, nur durch Variieren der Zahl der Module. Dies ermöglicht ebenfalls die einfache Erhöhung der Leistung eines existierenden Dekodierers durch Hinzufügen eines oder mehrerer Module, falls es erforderlich wird.
Die verschiedenen Module arbeiten nach der sogenannten "pipeline"-Techhik. Jedes Modul arbeitet ständig an verschiedenen Daten. Das Hinzufügen eines Moduls stört nicht die Funktion der vorhergehenden. Es verlängert lediglich ein wenig die Gesamtzeit des Dekodierens, nämlich um die Zeit, die für die Ausführung der eigenen Operationen erforderlich ist.
Andererseits erfordert diese Struktur nur die Konzeption und die industrielle Fertigung eines einzigen Dekodiermoduls, beispielsweise als relativ einfachen integrierten Schaltkreis, der keine große Siliziumfläche erfordert. Der Preis ist somit tragbar, insbesondere, da das Modul für eine breite Anwendungspalette einsetzbar ist. Je nach Bedarf wird die Zahl der Module variiert und nicht deren Struktur.
Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß das iterative Konzept des Verfahrens der Erfindung in keiner Weise die Realisierung mehr konventioneller Dekodierer verhindert, die nur ein Modul verwenden. In der Tat hat jedes Modul einen empfangenen Dateneingang und einen Ausgang für dekodierte Daten S.
Fig. 4 zeigt eine besondere Ausführung eines Moduls gemäß der Erfindung, deren Leistung sehr interessant ist, wie aus den weiter unten diskutierten Kurven der Fig. 5 und 6 hevorgeht.
Dieses Modul ist dem Decodieren kodierter Daten gewidmet, die mit Hilfe des Kodierers der Fig. 2 übertragen werden.
Ein solches Modell mit Rang p hat demnach:
- 3 Eingänge: (X)p, (Y)p, und (Z)p
- 4 Ausgänge: (X)p+1, (Y)p+1, (ZX)p+1 und (S)p
Die Größen (X), (Y) und (Z) sind in idealer Weise reelle Variablen und in der Praxis über n Bits (typischerweise n = 4) kodierte Abtastwerte. Die Größe (S), die den Modulausgang darstellt, ist binär. Die Entscheidung des kompletten Dekodierers wird vom Ausgang (S) des letzten Moduls gegeben. Bezüglich des ersten Moduls, werden die Eingangsdaten (X)&sub1; und (Y)&sub1; von den entsprechenden Symbolen des Kodierers gegeben, nach Übertragung und Demodulation. Sein Eingang (Z)&sub1; wird auf einen neutralen Wert eingestellt (Nullwichtung).
In diesem Modul werden die Eingangsdaten (X)p und (Z)p durch ein Addierwerk 41 summiert, um den Zwischenwert (X&sub1;)p zu ergeben, der für das Dekodieren an Stelle des empfangenen Wertes (X)p verwendet wird. Wie bereits hervorgehoben, können die Daten (X)p und (Z)p gegebenenfalls gewichtet werden.
Der Wert (Y)p wird an Demultiplexier- und Einfügemittel 42 weitergegeben, deren Rolle das Trennen der vom Kodierer 11 (Fig. 2) erzeugten Redundanz (Y&sub1;) von der vom Kodierer 13 erzeugten Redundanz (Y&sub2;) ist und an Stelle der nicht verfügbaren Werte (Y), neutrale Werte der Wichtung null einzufügen.
Die Daten (X&sub1;)p und (Y&sub1;)p werden an einen ersten Dekodierer 43 weitergegeben, der die Dekodierung entsprechend dem Kodierer 11 sicherstellt. Dieser Dekodierer 43 ist derart ausgelegt, daß die Skala am Eingang (X&sub1;) das Doppelte derjenigen des Eingangs (Y)&sub1; ist, um die Tatsache zu berücksichtigen, daß (X&sub1;) das Summieren der zwei Werte (X) und (Z) darstellt.
Der Ausgang 45 des Dekodierers 43 wird einem Subtrahierwerk 411 zugeführt, das die Differenz zwischen dem Ausgang 45 und dem zu einem homogenen Zeitpunkt berücksichtigten Eingang (Z) mit Hilfe des Verschieberegisters 410 berechnet. Da (Z) eine Information ist, die vom (weiter unten beschriebenen) zweiten Dekodierer 48 des vorhergehenden Moduls erzeugt und verwendet wird, ist es im Falle eines Dekodierers mit mindestens zwei Dekodiermodulen vorzuziehen, diese Information nicht wieder bei späteren Iterationen anzuwenden.
Die Differenz 412 wird dann an ein Multiplikationswerk 44 geleitet, das diesen Wert 412 mit einem Faktor β multipliziert, der größer als 1 ist. Die Multiplikation mit β erlaubt es, angesichts der zweiten Dekodierung, die aus dem ersten Dekodierer 43 kommenden Daten gegenüber den Daten (Y&sub2;)p zu bevorzugen, welche aufgrund der Tatsache, daß sie aus dem Übertragungskanal kommen, mit einem stärkeren Rauschen behaftet sind.
Der Faktor β kann fest sein. Vorteilhafterweise ist er jedoch variabel und hängt vom Signal/Rausch-Verhältnis des Übertragungskanals ab. Es ist andererseits eindeutig, daß das Multiplikationswerk nicht unbedingt für die Verwirklichung der Erfindung erforderlich ist. Es ermöglicht dennoch eine eindeutige Verbesserung der Leistung.
Die mit β multiplizierten Daten 46 werden dann mit Hilfe einer Matrix 47 der Größe nE · nE verschachtelt, die derjenigen ähnlich ist, die beim Kodieren angewandt wurde. Diese Matrix 47 ergibt am Ausgang den Wert (X&sub2;)p, der einem zweiten Dekodierer 48 zugeführt wird, welcher auch die von den Demultiplexier- und Einfügemittel 42 gelieferten Daten (Y&sub2;)p ebenfalls berücksichtigt. Dieser zweite Dekodierer 48 führt die dem zweiten Kodierer 13 der Fig. 2 entsprechende Dekodierung aus. Er ist derart ausgelegt, daß die Skala am Eingang (X&sub2;)β mal größer als die am Eingang (Y&sub2;) ist.
Es wird darauf aufmerksam gemacht, daß wenn die Kodierung parallel erfolgt, die Dekodierung in Reihe stattfindet. So berücksichtigt der zweite Dekodierer 48 nicht den empfangenen Wert (X)p sondern den dekodierten und selbstverständlich verschachtelten Wert (X&sub2;)p, der viel zuverlässiger ist. Das ist der Grund, weshalb die Wichtigkeit dieses Wertes vom Multiplikationswerk 44 verstärkt wird.
Vorteilhafterweise wenden die zwei Dekodierer 43 und 48 ein Dekodierverfahren mit höchster Wahrscheinlichkeit an, von der Art der Verfahren, die den Viterbi- Algorithmus mit gewichteten Entscheidungen anwenden.
Bei einer bevorzugten Ausführung werden Dekodierer verwendet, wie sie in der Patentanmeldung FR 91 05279 mit der Überschrift "Kodierverfahren eines faltenden Codes mit höchster Wahrscheinlichkeit und Wichtung der Entscheidungen und entsprechender Dekodierer" beschrieben sind, der am 23.04.91 im Namen derselben Antragsteller eingereicht wurde.
Diese Dekodierer wenden insbesondere zwei verschiedene Gitter an. Die Entscheidung wird in klassischer Weise durch Verfolgen des optimalen Weges im ersten Gitter getroffen. Die Wichtung wird dann festgelegt, indem der optimale Weg und sein Konkurrent im zweiten Gitter verfolgt werden.
Nach dem Verfahren dieser Patentanmeldung werden die Wichtungsfaktoren vorteilhafterweise einer logarithmischen Kompression unterworfen. Beim derzeit beschriebenen Modul erschien es dennoch günstiger, daß dieses Gesetz der logarithmischen Kompression nur vom ersten Dekodierer 43 angewandt wird. Wie weiter unten gezeigt, wird es im Falle des zweiten Dekodierers 48 gewissermaßen zeitlich hinausgeschoben.
Die vom zweiten Dekodierer 48 erzeugten Daten (X&sub3;)p speisen eine Entschachtelungsmatrix 49 der Größe nExnE, die eine duale Funktion der Verschachtelung 47 ausführt und die dekodierten Daten (S)p liefert.
Diese dekodierten Daten (S)p werden selbstverständlich nur am Ausgang des letzten Moduls berücksichtigt, der die geringste Fehlerrate hat, mit Ausnahme des Falles von Tests, beispielsweise zum Feststellen der Zahl der für eine gegebene Anwendung erforderlichen Module.
Anderseits werden die Daten (X&sub3;)p dem Eingang des Schätzblocks 50 für den Wert (X)p zugeführt. Dieser Block 50 berücksichtigt ebenfalls den entsprechenden Eingangswert des zweiten Dekodierers (X'&sub2;)p, der in einem Verschieberegister 51 gespeichert wird, der als Verzögerungsleitung dient. Zweck dieses Registers der Länge L&sub2;, wobei L&sub2; die Latenz des zweiten Dekodierers 48 ist, ist das Kompensieren der Dekodierzeit dieses Dekodierers 48, so daß das Modul 50 die Eingangsdaten (X'&sub2;)p und die Ausgangsdaten (X&sub3;)p des zweiten Dekodierers an homogenen Zeitpunkten berücksichtigt.
Die Rolle des Schätzblocks 50 ist demnach das Festlegen einer Schätzung (Z)p des gesendeten Symbols X. Diese Schätzung erfolgt derart, daß die Größe (Z)p mit einem Rauschen behaftet ist, das von dem Rauschen dekorreliert ist, mit dem das Symbol (X) behaftet ist. (Z)p wird im folgenden Modul (p + 1) berücksichtigt. So verarbeitet in diesem Modul (p + 1) der erste Dekodierer einen virtuellen Code der Leistung R&sub1;/(1 + R&sub1;), wobei R&sub1; die Leistung des ersten Kodierers 11 ist.
Die Dekorrelierung zwischen dem additiven Rauschen von (X)p und (Z)p kann beispielsweise durch eine Funktion g sichergestellt werden, die vom Ergebnis (X&sub3;)p des zweiten Dekodierers 48 den mit (X)p zusammenhängenden Beitrag subtrahiert. Die Funktion g ist vorteilhafterweise folgende:
g((X&sub2;)p, (X&sub3;)p) = (d&sub2;(X&sub3;)p - (X&sub2;)p)/(d&sub2; - 1)
wobei d der freie Abstand des zweiten Codes ist.
Block 50 führt danach vorteilhafterweise eine logarithmische Kompression der Werte g((X&sub2;)p, (X&sub3;)p) durch, d. h. genau diejenige, die im zweiten Dekodierer 48 eliminiert wurde. Die so erhaltenen Werte werden an eine Entschachtelungsmatrix 52 weitergeleitet, die der Matrix 49 identisch ist und den Ausgangswert (Z)p+1 liefert.
Das Modul mit Rang p stellt andererseits die Übertragung der empfangenen Daten (X) und (Y) sicher, mit Verzögerungen, die es ermöglichen, für Module, die dem Rang p + 1 folgen, Ausgangswerte zu homogenen Zeitpunkten vorzustellen. Jedes Moduls umfaßt demnach zwei Verschieberegister 43 und 54 jeweils für die Werte (X) und (Y). Diese Verschieberegister spielen die Rolle von Verzögerungsleitungen und haben eine Länge von L&sub1; + L&sub2; + 2nE², um folgendes zu kompensieren:
die Latenz L&sub1; des ersten Dekodierers 43;
- die Latenz nE² der Verschachtelungsmatrix 47;
- die Latenz L&sub2; des zweiten Dekodierers 48;
- die Latenz nE² der Entschachtelungsmatrix 52,
Die Fig. 5 und 6 stellen die mit Hilfe eines Dekodierers, der mit solchen Modulen ausgerüstet ist, erzielten Ergebnisse dar, für einen Kodierer der Leistung 1/2 von der Art 3/5(v = 4)//3/4(v = 4), d. h. eine parallele Verkettung der zwei Codes mit der Leistung 3/5 und 3/4, bei Bedingungslängen v = 4. Die Abszisse der Kurven ist das Signal/Rausch-Verhältnis Eb/NO auf dem Übertragungskanal (Eb: je nützliches Bit empfangene Energie, NO: einseitige Spektraldichte des Rauschens). Die Ordinate ist die beobachtete binäre Fehlerrate: die Kurven stellen die Dekodierungsergebnisse dar, die durch Simulation eines gausschen Kanals erzielt werden, wobei die Demodulierung kohärent ist.
Fig. 5 entspricht einem idealen Dekodierer, der mit reellen Variablen und mit großer Verschachtelung arbeitet. Fig. 6 stellt den Fall eines "integrierbaren" Dekodierers in einem integrierten Schaltkreis dar, mit den folgenden Hauptmerkmalen:
- über 4 Bits kodierte abgetastete Werte,
- Gitterlänge für jeden Dekodierer: 58, davon 25 Revisionsstufen für die Wichtung,
- β = 1.5,
Verschachtelung mit der Streuung 31 · 31.
Die Kurven 61&sub1; bis 61&sub5; der Fig. 5 und 71&sub1; bis 71&sub5; der Fig. 6 stellen jeweils die Ausgangswerte (S)p einer Kette von fünf identischen Modulen. Zum Vergleich, hat man ebenfalls die Kurven 62 dargestellt, die einer nicht kodierten Übertragung entsprechen sowie die Kurven 63 und 64, die den Korrekturkurven der einfachen Standardcodes mit Bedingungslängen v = 4 und v = 6 entsprechen.
Diese Kurven erlauben es, mehrere Schlüsse zu ziehen. Es wird zuerst festgestellt, das in Gegenwart starken Übertragungsrauschens die erhaltenen Ergebnisse außerordentlich viel besser sind, als mit Anwendung der bekannten Techniken. So stellt man beispielsweise fest, daß bei einer Fehlerrate von 10&supmin;&sup5; der Gewinn höher als 1,5 dB ist für einen Dekodierer mit zwei Modulen, im Verhältnis zu einem klassischen Dekodierer mit der Bedingungslänge v = 6 (wobei die für die Simulation der Leistungen der Erfindung angewandten Kodierer Bedingungslängen von v = 4 haben).
Es erscheint ebenfalls, daß die Leistung eines Dekodierers gemäß der Erfindung besser ist, als die bekannten Dekodierer, wenn man eine Fehlerrate der Größenordnung 10&supmin;&sup4; anstrebt, auch bei Anwendung eines einzigen Moduls (Kurven 61&sub1; und 71&sub1;).
Zuletzt kann man feststellen, daß jedes hinzugefügte Modul eine Verbesserung der Dekodierqualität ermöglicht, wenn man sich der Shannongrenze nähert, die bei 0 dB für einen Kodierer der Leistung 1/2 ist. Mit Hilfe dieser Reihe von Kurven 61&sub1; bis 61&sub5; ist es möglich, die Zahl der erforderlichen Modulen in Abhängigkeit einer bestimmten Anwendung zu wählen.
Für die "integrierbaren" Fälle (Kurven 71&sub1; bis 71&sub5;) hängen Leistungsverluste bei starkem Rauschen im Verhältnis zum Idealfall (Kurven 61&sub1; bis 61&sub5;) nahezu vollständig mit der sehr kleinen Größe der Verschachtelungsmatrix zusammen. Es wurden in der Tat kleine Matrizen gewählt (31 · 31), um die erforderliche Siliziumfläche zu reduzieren. Mit solchen Matrizen liegt die belegte Siliziumfläche in der Größenordnung von 30 mm². Die Erfahrung zeigt jedoch, daß größere Matrizen, von der Größenordnung 100 · 100 (was RAM-Speicher klassischer Größe entspricht), eine starke Leistungsverbesserung ermöglichen, wobei sie durchaus innerhalb annehmbarer Grenzen bleiben im Hinblick auf die industrielle Herstellung von integrierten Schaltkreisen.

Claims

1. Dekodierungsverfahren für digitale Daten ((X)p, (Y&sub1;)p, (Y&sub2;)p), die in kodierter Form empfangen wurden und Quellendaten entsprechen,

dadurch gekennzeichnet, daß es ein iteratives Dekodierungsverfahren umfaßt, welches wiederum folgendes umfaßt:

- einen Dekodierschritt (43, 48) eines Zwischenwertes ((X&sub1;)p), welcher für einen empfangenen Datenwert ((X)p) repräsentativ ist und einen dekodierten Datenwert ((X&sub3;)p) erzeugt und

- einen Schritt (50) zum Schätzen des empfangenen Datenwertes ((X)p) mit Hilfe des dekodierten Datenwertes ((X&sub3;)p), der einen geschätzten Datenwert ((Z)p) erzeugt,

und dadurch, daß man den Zwischenwert ((X&sub1;)p) durch Kombinieren (41) des empfangenen Datenwertes ((X)p) mit, für die erste Iteration, einem vorgegebenen Datenwert und, für die nachfolgenden Iterationen, mit mindestens einem der bei den vorhergehenden Iterationen geschätzten Datenwerten ((Z)p) erhält.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Schätzen dem geschätzten Datenwert ((Z)p) ein zusätzliches Rauschen zuordnet, das von dem Rauschen, welches von dem empfangenen Datenwert ((X)p) herrührt, dekorreliert ist.

3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Datenwert neutral ist und, daß es sich bei den Kombinationen (41) für alle Iterationen außer der ersten um Summen des ersten empfangenen Datenwertes ((X)p) und des letzten geschätzten Datenwertes ((Z)p) handelt.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, von der Art, die auf das Dekodieren von Daten angewandt wird, die nach einem Verfahren kodiert wurden, welches das gemeinsame Senden der Quellendaten ((X)p) und kodierter Redundanzdaten ((Y&sub1;)p, (Y&sub2;)p) sicherstellt,

dadurch gekennzeichnet, daß der Dekodierschritt die Gesamtheit der empfangenen Daten, der Quellendaten ((X)p) und der kodierten Daten ((Y&sub1;)p, (Y&sub2;)p) berücksichtigt und, daß der Schritt zum Schätzen nur auf das Schätzen der Quellendaten ((X)p) angewandt wird.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4,

dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Dekodierschritt(e) (43, 48) Dekodieralgorithmen höchster Wahrscheinlichkeit, von der Art des Viterbi-Algorithmus mit gewichteter Entscheidung, einsetzen.

6. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5,

dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt (42) zum Demultiplexieren umfaßt, der die empfangenen kodierten Daten ((Y&sub1;)p, (Y&sub2;)p) zu den angemessenen Dekodierschritten (43, 48) leitet und Nullwerte an die Dekodierschritte (43, 48) überträgt, für die kein kodierter Datenwert übertragen wurde.

7. Kodier- und Dekodierverfahren, bei dem die Kodierung mindestens zwei unabhängige Schritte systematisch faltender Kodierung (11, 13) parallel anwendet, wobei jeder dieser Kodierschritte (11, 13) die Gesamtheit der Quelldaten (d) sowie mindestens einen Schritt (12) zur zeitlichen Verschachtelung der Quellendaten (d) berücksichtigt, wobei die Reihenfolge beim Berücksichtigen der Quellendaten (d) unter den Kodierschritten (11, 13) geändert wird,

und wobei die Dekodierung nach dem Verfahren einem der Ansprüche 1 bis 6 erfolgt.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dekodierung die unten angegebenen aufeinanderfolgenden Schritte umfaßt:

- Feststellen eines Zwischenwertes ((X&sub1;)p), den man durch Kombinieren eines empfangenen Datenwertes ((X)p) mit, für die erste Iteration, einem vorgegebenen Datenwert und, für die nachfolgenden Iterationen, mit einem der bei den vorhergehenden Iterationen geschätzten Datenwerten ((Z)p) erhält,

- ein erstes Dekodieren (43) gemäß der ersten faltenden Kodierung, als Funktion von mindestens einem der Zwischendatenwerte ((X&sub1;)p) und mindestens einem der beim ersten Kodierschritt (11) erzeugten kodierten Datenwerte ((Y&sub1;)p), wobei ein erster dekodierter Datenwert (45) erzeugt wird,

- eine zeitliche Verschachtelung (47), die dem Verschachtelungsschritt (12) des Kodierverfahrens der ersten dekodierten Daten (45) identisch ist, das erste dekodierte Daten ((X&sub2;)p) erzeugt,

- ein zweites Dekodieren (48) nach der zweiten faltenden Kodierung, als Funktion von mindestens einem der ersten dekodierten und entschachtelten Datenwerte ((X&sub2;)p) und von mindestens einem beim zweiten Kodierschritt (13) erzeugten kodierten Datenwert ((Y&sub2;)p), das einen zweiten dekodierten Datenwert ((X&sub3;)p) erzeugt,

- eine Schätzung (50) des empfangenen Quellendatenwertes ((X)p) als Funktion von mindestens einer der ersten und zweiten dekodierten Datenwerte ((X&sub2;)p, (X&sub3;)p), die einen geschätzten Datenwert ((Z)p+1) erzeugt,

- eine zum Verschachtelungsschritt (47) der geschätzten Daten ((Z)p+1) symmetrische Entschachtelung (52).

9. Verfahren gemäß Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt zum Schätzen (50) darin besteht, die Größe (d&sub2; · (X&sub1;) - (X&sub2;))/(d&sub2; - 1) festzustellen, wobei:

- d&sub2; die freie Entfernung von der zweiten redundanten Kodierung ist;

- (X&sub1;) und (X&sub2;) die von den ersten (43) und zweiten (48) Dekodierschritten dekodierten Daten sind.

10. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 9,

dadurch gekennzeichnet, daß auf den Schritt zum Schätzen (50) vor dem Entschachtelungsschritt (52) ein logarithmischer Kompressionsschritt folgt.

11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Dekodierschritt (42) ein Schritt (44) folgt, in dem der erste dekodierte Datenwert (45) mit einem Koeffizienten β multipliziert wird, der streng größer als 1 ist.

12. Verfahren gemäß Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß der Koeffizient β als Funktion des Signal/Rausch- Verhältnisses des Übertragungskanals variiert.

13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12,

dadurch gekennzeichnet, daß auf den ersten Dekodierschritt (43) ein Schritt (411) folgt, bei dem der geschätzte Datenwert ((Z)p) vom ersten dekodierten Wert (45) subtrahiert wird.

14. Dekodierungsmodul zum Durchführen einer Iteration des Dekodierungsvorgangs des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, welches folgendes umfaßt:

mindestens zwei Eingänge ((X)p, (Y)p, (Z)p), die mindestens einem empfangenen Datenwert ((X)p, (Y)p) und mindestens einem geschätzten Datenwert ((Z)p) entsprechen,

- mindestens zwei Ausgänge ((Z)p+1, (S)p), die mindestens einem dekodierten Datenwert ((S)p) und mindestens einem geschätzten Datenwert, ((Z)p+1) entsprechen,

- Mittel zum Erzeugen eines Zwischendatenwertes ((X&sub1;)p), ausgehend vom empfangenen Datenwert ((X)p, (Y)p) und des geschätzten Datenwertes ((Z)p)

- Mittel zum Bilden eines dekodierten Datenwertes ((X&sub3;)p) mit Hilfe des Zwischendatenwertes ((X&sub1;)p),

- Mittel zum Schätzen des geschätzten Datenwertes ((Z)p+1), ausgehend vom dekodierten Datenwert ((X&sub3;)p) und dem empfangenen Datenwert ((X)p, (Y)p), so daß es mit mindestens einem weiteren identischen Modul (31p+1)in Kaskade geschaltet werden kann.

15. Modul gemäß Anspruch 14, von der Art, die das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 13 anwendet,

dadurch gekennzeichnet, daß es folgendes umfaßt:

- Mittel (41) zum Addieren der dem empfangenen Datenwert ((X)p) entsprechenden Eingangswerte zum geschätzten Datenwert ((Z)p)

- erste Mittel (43) zum Dekodieren der nach einer ersten redundanten Kodierung kodierten Daten ((X)p, (Y&sub1;)p), wobei die aus den Mitteln zum Addieren (41) stammenden Daten ((X&sub1;))p) berücksichtigt werden;

- erste Verschachtelungsmittel (47) für die aus den ersten Dekodierungsmittel (43) stammenden Daten;

- zweite Dekodierungsmittel (48) für die nach einer zweiten redundanten Kodierung kodierten Daten ((X&sub2;)p, (Y&sub2;)p);

- Mittel (50) zum Schätzen des (der) empfangenen Datenwertes (Datenwerte) ((X)p);

Entschachtelungsmittel (52) der aus den Schätzmitteln (50) stammenden Daten ((Z)p);

- Entschachtelungsmittel (49) der aus den zweiten Dekodierungsmitteln (48) stammenden Daten ((X&sub3;)p), welche die dekodierten Daten ((S)p) in ihrer ursprünglichen Reihenfolge liefern;

- Verzögerungsmittel (51, 53, 54), welche die Wartezeiten der Dekodierungsmittel (43, 48), der Verschachtelungsmittel (47) und der Entschachtelungsmittel (49, 52) ausgleichen sollen, so daß die Menge der aus dem Modul stammenden Daten ((X)p, (Z)p, (S)p, (Y)p) einem gleichen Empfangszeitpunkt entsprechen.

16. Dekodiervorrichtung für digitale Daten,

dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein Modul (31 p) nach einem der Ansprüche 14 oder 15 umfaßt.