DE69513720T2

DE69513720T2 - Codiereinrichtung für punktierten Faltungscode

Info

Publication number: DE69513720T2
Application number: DE69513720T
Authority: DE
Inventors: Chris Heegard; Stephen K. How
Original assignee: General Instrument Corp
Current assignee: Vizio Inc
Priority date: 1994-05-10
Filing date: 1995-04-24
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2015-04-25
Also published as: US5511082A; NO314919B1; KR960043555A; AU1790695A; EP0682415A1; CA2147816C; NO951817D0; DE69513720D1; EP0682415B1; JPH07321672A; KR100362091B1; NO951817L; ES2139771T3; ATE187587T1; CA2147816A1; JP3544033B2; TW240355B; AU681768B2

Description

Die Erfindung betrifft die Übermittlung von digitalen Daten unter Verwendung eines punktierten konvolutionellen Codes der Rate 3/4, 4/5 oder 6/7. Mit einem Verfahren und einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung können mindestens 0,2 dB Codierungsgewinn gegenüber Codes nach dem Stand der Technik bereitgestellt werden.
Fehlerkorrigierende Codes werden allgemein unterteilt in Blockcodes und Baumcodes. Ein Blockcode bildet m diskretwertige Symbole in n diskretwertige Symbole ab und verwendet dabei einen gedächtnislosen Coder. Weil n größer ist als m, wird in die Übertragung Redundanz (z. B. Paritätsbits) eingeführt, die zum Erkennen und/oder Korrigieren von Fehlern am Decoder benutzt wird.
Ein Baumcode unterscheidet sich von einem Blockcode durch den von ihm verwendeten Codierungsprozeß, der von einer aufgelaufenen Historie der Eingangssymbole oder einem Gedächtnis für die Eingangssymbole abhängt. Eine Art von Baumcode, der binäre Symbole (d. h. Bits) benutzt und breite Anwendung gefunden hat, ist als binärer konvolutioneller Code bekannt. Das Gedächtnis des Codierers ist durch seinen Zustand gekennzeichnet, der als eine ν-bit-Binärzahl repräsentiert ist. Für je m Eingangsbits gibt der Codierer n Bits auf Basis der m Eingangsbits und ν Zustandsbits aus und geht dann zum nächsten Zustand über. Die Coderate für den konvolutionellen Coder ist definiert durch R = m/n < 1. Typische Raten sind im Bereich von 1/4 bis 7/8 angesiedelt. In Echtzeitapplikationen mit hohen Datenraten sind die Zustandsbits ν auf kleiner oder gleich sechs begrenzt.
Eine weitverbreitete Technik zur wirksamen Decodierung auf maximale Ähnlichkeit oder Maximum-Likelihood-(ML-)Decodierung von konvolutionellen Codes ist der Viterbi-Algorithmus, der in A. J. Viterbi und J. K. Omura: Principles of Digital Communications and Coding, New York, New York, McGraw-Hill, 1979, offenbart ist. Bekanntlich kann die Decodierung von konvolutionellen Codes hoher Rate R durch die Verwendung von "punktierten" Codes vereinfacht werden, die dadurch erhalten werden, daß periodisch einige der Ausgangsbits eines niederratigen Codes gestrichen werden. Es ist hinreichend bekannt, daß ein Code der Rate 1/n auf Rate m/k punktiert und durch einfaches Modifizieren eines Decoders der Rate 1/n leicht decodiert werden kann. Ein Beispiel für einen solchen Decoder findet sich in der gemeinsame Inhaberschaft aufweisenden, parallel anhängigen US-Patentanmeldung Serial No. 08/054 642, mit Anmeldetag 5. Mai 1993 und dem Titel "Apparatus and Method for Communicating Digital Data Using Trellis Coding with Punctured Convolutional Codes", die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text eingefügt wird.
Nach dem Stand der Technik war es zunächst üblich, die besten (d. h. optimalen) Codes der Rate 1/2 mit ν = 2, 3, 4, ... 8 zu nehmen und aus ihnen durch Punktieren verschiedene Codes der Rate m/k zu erzeugen, wie bei Y. Yasuda, K. Kashiki und Y. Hirata in "High-Rate Punctured Convolutional Codes for Soft Decision Viterbi Decoding", IEEE Transactions an Vol. COM-32, No. 3, March, 1984, pp. 315-318, beschrieben. In einer folgenden Arbeit von K. J. Hole: "New Short Constraint Length Rate (N-1)/N Punctured Convolutional Codes for Soft-Decision Viterbi Decoding", IEEE Transactions an Information Theory, Vol. IT-34, No. 5, September, 1988, pp. 1079-1081, wird von "optimalen" Codes der Rate (n-1)/n, durch Punktierung aus allgemeinen Codes der Rate 1/2 hervorgegangen, für n = 5, 6, 7, 8 und ν = 2, 4, ... 6 berichtet. Die Codes sind "optimal" und besser als die Yasuda-Codes einzig im Sinne ihrer freien Distanz und damit in ihrem asymptotischen Codierungsgewinn bei sehr hohen Signal-zu- Rausch-Verhältnissen (SNR).
Die vorliegende Erfindung schafft einen Vorteil im Codierungsgewinn gegenüber dem Stand der Technik für einen auf Rate 3/4, 4/5 und 6/7 punktierten Code der Rate 1/2 mit 16 Zuständen. Die Erfindung verwendet Codes, die nicht optimal in dem traditionellen Sinne der freien Distanz sind, die aber derartigen "optimalen" Codes bei niedrigen Werten von SNR in ihrer Leistungsfähigkeit überlegen sind. Umgebungen mit verhältnismäßig niedrigen Werten von SNR finden sich in verketteten Codiersystemen, bei denen ein innerer konvolutioneller Code (z. B. ein Trellis-Code) in einen äußeren Blockcode (z. B. einen Reed-Solomon-Code) gestellt ist. Als Ergebnis der Mächtigkeit oder Leistungsfähigkeit des kaskadierten Codes kann der innere konvolutionelle Code bei einem niedrigen Wert von SNR arbeiten.
Der erfindungsgemäß bereitgestellte Code ist auch ein transparenter Code und als solcher höchst erwünscht im Hinblick auf sein Vermögen, 180º-Phasen-Zweideutigkeiten handzuhaben. Einen binären konvolutionellen Code (BCC) bezeichnet man dann als transparent, wenn das Komplement jedes Codeworts stets wiederum ein Codewort ist. Weil BCCs lineare Codes sind, ist ein BCC dann und nur dann transparent, wenn die nur aus Einsen bestehende Sequenz ein Codewort darstellt. Ein transparenter Code hat stets einen transparenten Codierer/Decodierer. Ein derartiger Codierer/Decodierer besitzt die Eigenschaft, daß die Ausgabe des Decodierers für jedes beliebige Codewort gleich der Ausgabe ist, die man erhält, wenn das Codewort zuerst invertiert wird, bevor es dem Decodierer angeboten wird (d. h. eine Codewort und sein Komplement erzeugen die gleiche Ausgabe am Decodierer).

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren geschaffen zum konvolutionellen Codieren von digitalen Daten mit einem konvolutionellen Code der Rate 4/5. Ein konvolutioneller Code der Rate 1/2 mit 16 Zuständen wird auf Rate 4/5 punktiert, unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4. Ein einlaufender Datenstrom wird unter Verwendung des Codes der Rate 4/5 verarbeitet.
Die Erfindung schafft ferner einen konvolutionellen Codierer der Rate 4/5, wobei ein konvolutioneller Codierer der Rate 1/2 mit 16 Zuständen gekoppelt ist, um einen zu codierenden Eingangsstrom zu empfangen. Es sind Mittel vorgesehen, um den Codierer der Rate 1/2 auf Rate 4/5 zu punktieren, unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4.
Ferner werden Verfahren und Vorrichtungen hierfür zum Punktieren eines konvolutionellen Codes der Rate 1/2 mit 16 Zuständen auf Rate 3/4 geschaffen, wobei ein Punktierungsmuster von und oktale Generatoren 25, 37 verwendet werden, und zum Punktieren eines konvolutionellen Codes der Rate 1/2 mit 16 Zuständen auf Rate 6/7, unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37.

KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm eines punktierten konvolutionellen Codierers der Rate 4/5 in Einklang mit der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 ist ein Graph, der die Codierungsgewinne eines aus einem optimalen Code der Rate 1/2 durch Punktierung erzeugten Codes der Rate 4/5 und des erfindungsgemäßen Codes der Rate 4/5 gegenüberstellt;
Fig. 3 ist ein Blockdiagramm der Punktierungslogik und Ausgaberegister für einen punktierten konvolutionellen Codierer der Rate 3/4 in Einklang mit der Erfindung;
und
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm der Punktierungslogik und Ausgaberegister für einen punktierten konvolutionellen Codierer der Rate 6/7 gemäß der vorliegenden Erfindung.

DETAILBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Es ist bekannt, daß die Implementierung von Viterbi- Decodierern für hochratige konvolutionelle Codes vereinfacht werden kann, wenn die Codestruktur auf die eines punktierten niederratigen Codes beschränkt ist. In der Vergangenheit wurden umfangreiche Untersuchungen angestellt, um die besten Generatoren für punktierte Codes bei jeder Beeinflussungslänge ν zu finden. Die Beeinflussungslänge ist die Anzahl der Eingangsdatenrahmen, die in dem Schieberegister des konvolutionellen Codierers gehalten werden, wie bei G. D. Forney, Jr., "Convolutional Codes I: Algebraic Structure", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. IT-16, pp. 720-738, Nov. 1970, detaillierter definiert. Der "beste" Code ist definiert als derjenige mit der besten Leistungsfähigkeit auf einem Kanal mit additivem weißen Gauß'schem Rauschen (AWGN-Kanal) bei großem Signal-zu-Rausch- Verhältnis. Typisch hat man bislang die besten Codes der Rate 1/2 punktiert, um Codes höherer Rate zu produzieren, z. B. der Rate 2/3, 3/4, 4/5 etc.
Erfindungsgemäß werden neue Codes bereitgestellt, die eine bessere Leistungsfähigkeit bei niedrigeren Werten von SNR, wie sie typisch sind für Verkettungssystemschwellen, als Codes nach dem Stand der Technik aufweisen, bei denen die "besten" Codes der Rate 1/2 punktiert wurden. Im einzelnen schafft die vorliegende Erfindung punktierte Codes der Rate 3/4, 4/5 und 6/7, hergeleitet aus einem Code der Rate 1/2 mit ν = 4 und oktalen Generatoren 25, 37. Dies unterscheidet sich von dem optimalen Code der Rate 1/2 mit ν = 4 und oktalen Generatoren 23, 35, wie von Yasuda et al. in dem bereits erwähnten Artikel mit dem Titel "High-Rate Punctured Convolutional Codes for Soft Decision Viterbi Decoding" veröffentlicht. Um beispielsweise einen 0,2 dB-Codierungsgewinn gegenüber dem punktierten Code der Rate 4/5 nach Yasuda et al. zu erzielen, verwendet die vorliegende Erfindung einen nichtoptimalen Code der Rate 1/2 (oktale Generatoren 25, 37) mit einem Punktierungsmuster von .
Ein Blockdiagramm eines erfindungsgemäßen konvolutionellen Codierers der Rate 4/5 zeigt Fig. 1. Zu codierende Daten, welche einen Strom von einlaufenden Bits a&sub1;, a&sub2;, ... an, ... umfassen, werden einem Anschluß 10 eines konvolutionellen Codierers der Rate 1/2 mit 16 Zuständen eingespeist, der allgemein mit der Bezugsziffer 12 bezeichnet ist. Der Codierer 12 umfaßt ein vierstufiges Schieberegister mit den Stufen 16, 18, 20 und 22 sowie zwei exklusive ODER-Gatter (XOR) 24, 26. Der Eingang des konvolutionellen Codierers und ausgewählte Anzapfungen der Schieberegisterstufen sind mit den XOR-Gattern entsprechend oktalen Generatoren 25, 37 gekoppelt, die, ausgedrückt in binärer Schreibweise, Generatoren 10101, 11111 umfassen. Wie in Fig. 1 gezeigt, empfängt das XOR-Gatter 24 die Eingabebits entsprechend Generator 25 (10101), so daß der einlaufende Datenstrom mit den Ausgaben jedes der Schieberegisterabschnitte 18 und 22 exklusiv ODERiert wird, um ein Bit bn,1 je Eingangsbit bereitzustellen. Ähnlich empfängt XOR 26 den originalen Datenstrom zusammen mit den Ausgaben jeder der Schieberegisterstufen 16, 18, 20 und 22, um ein zweites Bit bn,2 je Eingangsbit bereitzustellen. Weil jedes dem konvolutionellen Codierer 12 eingespeiste Bit in zwei Ausgangsbits resultiert, wird der Codierer als konvolutioneller Codierer der Rate 1/2 bezeichnet. Weil das Schieberegister vier Stufen 16, 18, 20, 22 enthält, ist die Beeinflussungslänge ν gleich 4.
Um den Code der Rate 1/2 des konvolutionellen Codierers 12 in einen Code der Rate 4/5 zu überführen, ist eine Punktierungslogik 28 vorgesehen. Die Punktierungslogik verwendet ein Punktierungsmuster , so daß die von dem konvolutionellen Codierer 12 ausgegebenen Bits, die zu den Nullen in dem Punktierungsmuster ausgerichtet sind, gelöscht werden. Die Punktierungslogik 28 wendet das Punktierungsmuster auf die Bits bn,1; bn,2 ausgehend von dem Bit ganz links oben in dem Punktierungsmuster bis zu dem Bit ganz rechts unten in dem Punktierungsmuster, von links nach rechts und von oben nach unten fortschreitend an. So werden für die über den Anschluß 10 des konvolutionellen Codierers 12 eingespeisten Bits a&sub1;, a&sub2;, a&sub3; und a&sub4; Bits ausgegeben, und das Punktierungsmuster wird zur Ausgabe von Bits b1,1; b1,2; b2,2; b3,2 und b4,2 von der Punktierungslogik 28 führen.
Die Punktierungslogik 28 wird die fünf Ausgangsbits b1,1; b1,2; b2,2; b3,2 und b4,2 in ein Schieberegister 30 laden, aus dem sie in sequentieller Reihenfolge ausgegeben werden. Somit werden je vier Bits, die über den Anschluß 10 eingespeist wurden, fünf Bits von dem Schieberegister 30 ausgegeben, als Folge des aus dem konvolutionellen Codierer 12 der Rate 1/2 durch Punktierung hervorgegangenen Codes der Rate 4/5.
Die Fehlerereignisverteilung des erfindungsgemäßen Codes wurde durch Computermodellierung mit dem von Yasuda et al. veröffentlichten "optimalen" Code der Rate 4/5 mit ν = 4 verglichen, bei dem die Generatoren 23, 35 waren und das Punktierungsmuster war, und mit dem von K. J. Hole in: "New Short Constraint Length Rate (n-1)/n Punctured Convolutional Codes for Soft-Decision Viterbi Decoding", IEEE Trans. on Info. Theory, Vol. IT-34, September 1988, pp. 1079-1081, veröffentlichten Code der Rate 4/5 mit ν = 4, bei dem die Generatoren 35, 31 waren und das Punktierungsmuster war, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden: TABELLE 1
wobei Bd die Gesamtzahl unkorrekter Pfade, mit der Distanz d vom korrekten Pfad abweichend, und Cd die Gesamtzahl der durch die Gesamtheit dieser unkorrekten Pfade erzeugten Fehlerbits bedeuten. Wie aus Tabelle 1 zu ersehen, erzeugt der erfindungsgemäße Code (neuer Code) weniger Fehlerereignisse für jede der Hammingdistanzen 3, 4 und 5 im Vergleich mit Yasuda et al. und weniger Fehlerereignisse für die Hammingdistanz 4 im Vergleich mit Hole. Der Hole-Code hat nur Distanzen geradzahligen Gewichts (z. B. d = 4) und bei d = 4 existieren so viele nächste Nachbarn (nämlich 53), daß der neue Code in Einklang mit der vorliegenden Erfindung klar überlegen ist. In der Tat wird davon ausgegangen, daß der vorliegende Code den Hole-Code in jedem beliebigen praktischen Betriebsbereich in seiner Leistungsfähigkeit übertrifft.
Ein Vergleich der Leistungsfähigkeit zwischen dem erfindungsgemäßen Code und dem "optimalen" Code nach dem Stand der Technik ist in Fig. 2 gezeigt. Der erfindungsgemäße Code, als Linie "42" aufgetragen, zeigt eine 0,2 dB-Verbesserung im Signal-zu-Rausch-Verhältnis (Eb/NO) bei der interessierenden Bitfehlerrate (BER) gegenüber dem "optimalen" Code 40 gemäß dem Stand der Technik nach Yasuda et al.
Der erfindungsgemäße Code hat ferner Punktierungen der Rate 3/4 und Rate 6/7, die in ihrer Leistungsfähigkeit etwas besser sind als die herkömmlichen Codes nach Yasuda et al. Ein Vergleich zwischen den Codes bei diesen Raten ist in den Tabellen 2 und 3 dargestellt. TABELLE 2 (RATE 3/4) TABELLE 3 (RATE 6/7)
Die Punktierungslogik für die neuen Codes der Rate 3/4 und Rate 6/7 zeigt Fig. 3 bzw. Fig. 4. In Fig. 3 gibt die Punktierungslogik 28a ausgewählte Bits an das Schieberegister 30a gemäß dem Punktierungsmuster aus. In Fig. 4 gibt die Punktierungslogik 28b ausgewählte Bits an das Schieberegister 30b gemäß dem Punktierungsmuster aus.
Es sollte nun erkennbar sein, daß die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum konvolutionellen Codieren von digitalen Daten mit einem konvolutionellen Code der Rate 4/5 schafft, der einen Codierungsgewinn von circa 0,2 dB gegenüber dem besten, bekannten, herkömmlichen punktierten Code der Rate 4/5 bereitstellt. Es werden auch punktierte Codes der Rate 3/4 und Rate 6/7 bereitgestellt. Die Erfindung erzielt die Verbesserung ausgehend von einem nichtoptimalen Code der Rate 1/2 (oktale Generatoren 25, 37), der dann in Einklang mit spezifischen Punktierungsmustern auf einen Code der Rate 3/4, 4/5 oder 6/7 punktiert wird.

Claims

1. Verfahren zum konvolutionellen Codieren von digitalen Daten mit einem konvolutionellen Code der Rate 4/5, umfassend die Schritte:

Punktieren eines konvolutionellen Codes der Rate 1/2 mit 16 Zuständen auf Rate 4/5 unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4; und

Verarbeiten eines einlaufenden Datenstroms unter Verwendung des Codes der Rate 4/5.

2. Konvolutioneller Codierer der Rate 4/5, umfassend:

einen konvolutionellen Codierer der Rate 1/2 mit 16 Zuständen, welcher zum Empfang eines zu codierenden Eingangsstroms gekoppelt ist; und

Mittel zum Punktieren des Codierers der Rate 1/2 auf Rate 4/5 unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4.

3. Verfahren zum konvolutionellen Codieren von digitalen Daten mit einem konvolutionellen Code der Rate 3/4, umfassend die Schritte:

Punktieren eines konvolutionellen Codes der Rate 1/2 mit 16 Zuständen auf Rate 3/4 unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4; und

Verarbeiten eines einlaufenden Datenstroms unter Verwendung des Codes der Rate 3/4.

4. Konvolutioneller Codierer der Rate 3/4, umfassend:

Mittel zum Punktieren des Codierers der Rate 1/2 auf Rate 3/4 unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4.

5. Verfahren zum konvolutionellen Codieren von digitalen Daten mit einem konvolutionellen Code der Rate 6/7, umfassend die Schritte:

Punktieren eines konvolutionellen Codes der Rate 1/2 mit 16 Zuständen auf Rate 6/7 unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4; und

Verarbeiten eines einlaufenden Datenstroms unter Verwendung des Codes der Rate 6/7.

6. Konvolutioneller Codierer der Rate 6/7, umfassend:

Mittel zum Punktieren des Codierers der Rate 1/2 auf Rate 6/7 unter Verwendung eines Punktierungsmusters von und oktalen Generatoren 25, 37, wobei ν = 4.