ES2201540T3 - Metodo y aparato de decodificacion viterbi de codigos perforados. - Google Patents
Metodo y aparato de decodificacion viterbi de codigos perforados.Info
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Abstract
Un método de acuerdo con la invención permite la decodificación de datos que hayan sido codificados en forma convolucional, comprendiendo los datos unos grupos consecutivos de bits, en el que cada grupo (Gt) comprende n bits cuyos valores dependen del cambio de estado en particular (St) del codificador de datos que tiene lugar en un instante en particular (t), siendo el cambio de estado en particular (St) uno de un conjunto de cambios de estado posibles (Sj), que el codificador de datos podría haber ejecutado en dicho instante en particular (t), el método de decodificación de los datos comprende, para el grupo (Gt) de n bits recibidos en el instante en particular (t): a) efectuar comparaciones entre los n bits del grupo Gt y cada posible permutación (Pi) de n bits, y para cada comparación, calcular un valor numérico para la métrica de error (Mti) entre el grupo (Gt) y la permutación (Pi); y b) consultar una tabla de consulta (Tt) precalculada, la cual contiene le conjunto de cambios de estado posibles Sj, y que indica para cada uno de estos cambios de estado (Sj) una permutación en particular de las mencionadas permutaciones (Pi) asociadas con dicho cambio de estado (Sj), y generando una tabla métrica para asignar a cada cambio de estado (Sj) en la tabla de consulta (Tt) la métrica (Mti) calculada en la etapa a) para la permutación (Pi) asociada con el cambio de estado (Sj); y c) utilizar la tabla métrica de los valores métricos (Mti) asignados al conjunto de cambios de estado posibles (Sj) para actualizar la métrica acumulativa utilizada para decodificar los datos codificados de convolución.
Description
Método y aparato de decodificación Viterbi de
códigos perforados.
La invención está relacionada con la
decodificación de datos codificados. En particular, la invención
está relacionada con un aparato y un método de decodificación de
datos recibidos, los cuales hayan sido codificados por convolución y
perforados con antelación a la transmisión.
La codificación convolucional es un proceso
mediante el cual el código se genera a partir de una señal fuente.
El código que se genera comprende bits de datos que se derivan de
la señal fuente de acuerdo con un esquema de codificación
convolucional en particular en utilización.
El código generado en un periodo de tiempo dado
depende tanto de los valores de los datos como de la señal fuente
en dicho periodo de tiempo, y de los valores de los datos de la
señal fuente en los periodos de tiempo precedentes. El código se
genera típicamente para la transmisión en un sistema de
comunicaciones.
La codificación convolucional se emplea en
sistemas de comunicaciones para proporcionar un encriptado de la
señal y para reducir la susceptibilidad del sistema para recibir
errores de bits. Por ejemplo, el sistema de comunicaciones del Grupo
Móvil Especial (GSM) utiliza la codificación convolucional.
Un desarrollo adicional de la codificación
convolucional es la codificación convolucional perforada. La
perforación es una etapa de proceso adicional que se aplica a los
códigos convolucionales. La perforación consiste en la omisión de
algunos bits del bloque de datos generados por la codificación
convolucional. El flujo de datos de salida resultante de la
codificación convolucional perforada tiene por tanto una velocidad
binaria inferior al flujo de datos que resultaría de la mera
codificación convolucional de la misma señal fuente.
Con el fin de recuperar los datos fuente, los
bloques de datos que resultan de la codificación convolucional
necesitan en alguna etapa ser decodificados. Esta decodificación
tiene lugar típicamente después de la recepción de los datos por
el receptor al cual han sido transmitidos los datos, y siendo
ejecutada por el receptor. Un tipo de decodificador denominado como
decodificador "Viterbi" puede ser utilizado para ejecutar esta
decodificación.
Los códigos de convolución perforados pueden ser
decodificados mejor por un decodificador Viterbi. No obstante, los
distintos esquemas de perforación requieren decodificadores
diferentes. Esto significa que para una implementación rápida en un
dispositivo tal como un procesador de señales digitales (DSP), el
decodificador tiene que ser diseñado específicamente para el
esquema de perforación en particular. Un ejemplo de un ordenador
para un decodificador Viterbi es el descrito en el documento
US-A-5497401.
La necesidad de un decodificador diseñado
específicamente puede conducir a problemas en la etapa de
decodificación. En sistemas en que se utilizan muchos esquemas de
perforación distintos, el diseño de un decodificador Viterbi para
cada esquema de perforación puede incluir un esfuerzo significativo
y por tanto recursos. Losa decodificadores múltiples pueden
requerir también un espacio de código excesivo.
La solicitud patente publicada
GB-A-2308044 expone la codificación
convolucional de datos para la transmisión en un sistema de
comunicaciones celulares GSM. Los datos codificados pueden ser
perforados con antelación a la transmisión.
La presente invención trata de optimizar la
decodificación de códigos perforados.
Un método de acuerdo con la invención permite la
decodificación de datos que hayan sido codificados en forma
convolucional, comprendiendo los datos unos grupos consecutivos de
bits, en el que cada grupo Gt comprende n bits cuyos valores
dependen del cambio de estado en particular St del codificador de
datos que tiene lugar en un instante en particular t, siendo el
cambio de estado en particular St uno de un conjunto de cambios de
estado posibles Sj, que el codificador de datos podría haber
ejecutado en dicho instante en particular t.
El método de decodificación de los datos
comprende, para el grupo Gt de n bits recibidos en el instante en
particular t:
- a)
- efectuar comparaciones entre los n bits del grupo Gt y cada posible permutación Pi de n bits, y para cada comparación
- calcular un valor numérico para la métrica de error Mti entre el grupo Gt y la permutación Pi; y
- b)
- consultar una tabla de consulta Tt precalculada, la cual contiene le conjunto de cambios de estado posibles Sj, y que indica para cada uno de estos cambios de estado Sj una permutación en particular de las mencionadas permutaciones Pi asociadas con dicho cambio de estado Sj, y generando una tabla métrica para asignar a cada cambio de estado Sj en la tabla de consulta Tt la Mti métrica calculada en la etapa a) para la permutación Pi asociada con el cambio de estado Sj; y
- c)
- utilizar la tabla métrica de los valores métricos asignados al conjunto de cambios de estado posibles Sj para actualizar la métrica acumulativa utilizada para decodificar los datos codificados de convolución.
En una realización preferida del método de la
invención, la tabla de consulta Tt utilizada en el instante en
particular t puede ser una de un conjunto de tablas de consulta
precalculadas, efectuándose la selección de la tabla de consulta en
particular Tt para su uso en un instante en particular con
dependencia del esquema de perforación que se esté utilizando por
el codificador en dicho instante de tiempo en particular t. Así
mismo, la permutación Pi asociada con un cambio de estado en
particular Sj en la tabla de consulta Tt puede el grupo de n bits
que el codificador generaría para dicho cambio de estado en
particular Sj, utilizando el esquema de perforación en utilización
en dicho instante en particular t. Finalmente, el numero de bits n
en el grupo en particular Gt puede depender del esquema de
perforación que se esté utilizando por el codificador en dicho
instante en particular t.
En una realización de la invención para la
transmisión de datos, los datos codificados pueden ser
transmitidos después de codificar y siendo recibidos después por un
receptor con antelación a la decodificación.
La invención comprende además un decodificador de
datos para decodificar los datos que hayan sido codificados por
convolución, los datos que comprenden grupos consecutivos de bits,
en que cada grupo Gt comprende n bits, cuyos valores dependen del
cambio de estado en particular St del decodificador de datos, que
tenga lugar en un instante en particular t, siendo el cambio de
estado en particular St uno de un conjunto de cambios de estado
posibles Sj, que el codificador de datos podría haber realizado en
dicho instante t.
El decodificador de datos comprende, para el
grupo Gt de n bits recibidos en el instante en particular t:
- (a)
- medios MT para efectuar comparaciones entre los n bits del grupo Gt y cada posible permutación Pi de los n bits, y para cada comparación, calcular un valor numérico para la métrica de error Mti entre el grupo Gt y la permutación Pi; y
- (b)
- medios TG para consultar una tabla de consulta precalculada Tt que contiene el conjunto de cambios de estado posibles Sj, y que indica para cada uno de estos cambios de estado Sj una permutación de las mencionadas permutaciones Pi asociadas con dicho cambio de estado Sj, y para generar la tabla métrica mediante la asignación a cada cambio de estado Sj en la tabla de consulta Tt el Mti métrico calculado en la etapa a) para la permutación Pi asociada con dicho cambio de estado Sj; y
- (c)
- medios BMC para utilizar la tabla métrica de valores métricos asignados al conjunto de cambios de estado posibles Sj para actualizar la métrica acumulativa utilizada para decodificar los datos codificados en forma convolucional.
En una realización preferida del decodificador de
datos de la invención, la tabla de consulta Tt utilizada en el
instante en particular t puede ser una de un conjunto de tablas de
consulta precalculadas, y los medios TG para consultar una tabla de
consulta precalculada Tt seleccionan la tabla de consulta en
particular Tt para su utilización en el instante en particular t,
en dependencia del esquema de perforación utilizado por el
codificador en dicho instante en particular t. La permutación Pi
asociada con un cambio de estado en particular Sj en la tabla de
consulta puede ser el grupo de n bits que el codificador generaría
para dicho cambio de estado en particular Sj, utilizando el esquema
de perforación en utilización en dicho instante en particular t. El
número de bits n en el grupo en particular Gt puede depender del
esquema de perforación que se esté utilizando por el codificador en
dicho instante en particular t.
En una realización de la invención para la
transmisión de datos, un receptor para recibir los datos
codificados perforados, puede comprender un decodificador de datos
de acuerdo con la invención, o bien cualquiera de las realizaciones
preferidas detalladas anteriormente.
La figura 1 muestra un decodificador de acuerdo
con el arte previo;
la figura 2 muestra un ejemplo de un codificador
sencillo;
la figura 3 muestra el desarrollo posible y
actualizado de los estados de una máquina de estados;
la figura 4 muestra el cálculo de las métricas
para ocho permutaciones posibles de tres bits;
la figura 5 muestra un decodificador de acuerdo
con la invención;
la figura 6 muestra un esquema de acuerdo con la
invención para decodificar los datos recibidos;
la figura 7 muestra un esquema para construir
tablas de utilización en la invención;
la figura 8 muestra ejemplos de tablas,
incluyendo valores numéricos, que podrían generarse en un ejemplo de
una implementación práctica de la invención.
La figura 1 muestra una configuración de
decodificación del arte previo.
La señal de entrada a la configuración de
decodificación de la figura 1 es una señal perforada codificada.
Por ejemplo, esta puede haber sido recibida por un receptor
procedente de un transmisor.
El esquema de perforación, es decir, el tipo de
perforación que se utilizó para formar la señal de entrada, es
conocido. Este esquema de perforación puede, no obstante, ser
diferente en instantes distintos. En consecuencia, la configuración
de la figura 1 se muestra con dos recuadros P1 y P2, en que cada uno
es solo activo para un esquema de perforación en particular. En la
práctica, existen tantos recuadros en la configuración como
esquemas de perforación pueda utilizar el codificador. Solo se
encuentra activo un recuadro al mismo tiempo.
Considerando una vez más el ejemplo del
transmisor y receptor, el receptor conoce que esquema de perforación
fue utilizado por el transmisor en un instante en particular. Esto
permite al receptor activar el recuadro en particular P1 que
corresponda al esquema de perforación que fue aplicado originalmente
a la parte del código que esté siendo ahora recibido.
Considérese un recuadro dado ahora, por ejemplo
el recuadro P1. El recuadro procesa el código entrante mediante la
comparación del código entrante con varias señales fija diferentes
en diferentes ramificaciones. Véanse las señales fijas F1 y F2 en
la figura 1. Los elementos marcados M1 y M2 en la figura 1 llevan a
cabo la comparación. Cada uno de dichos elementos calcula un patrón
de error como resultado de la comparación que ejecute. Este patrón
de error representa la magnitud de diferencia que existe entre el
código entrante y la señal fija.
El patrón de error es analizado para generar un
valor numérico que representa la magnitud de la diferencia entre el
código entrante y la señal fija. Este valor numérico es denominado
como la "métrica". Cada uno de los elementos tales como M1 y
M2 generan una métrica, y estos elementos se denominan como
calculadores métricos.
Cada señal fija F representa una porción de
código que podría parecerse a la señal entrante. Puesto que la
métrica es una medida de la diferencia, la métrica que se dará
salida por un calculador métrico es inferior cuando la entrada de la
señal fija para dicho calculador métrico en particular y el código
entrante se parezcan más entre sí.
Tal como se muestra en la figura 1, el mismo
código entrante es suministrado a todos los recuadros marcados P y
a todos los calculadores métricos M dentro de cada recuadro. Este
código entrante se compara simultáneamente por tanto con varias
señales fijas distintas en el recuadro en particular P que esté
activo. Así pues, mediante la selección de la métrica más inferior
de dicha salida del recuadro en particular Pi, la configuración de
la figura 1 indica cual es la señal fija en la que el código de la
señal de entrada se parezca más. La última selección se ejecuta por
el elemento marcado MS, que ejecuta la selección del mínimo entre
las distintas salidas métricas del recuadro activo Pi.
Obviamente, si existen p esquemas de perforación
distintos en utilización en el sistema, se precisarán de p
recuadros distintos P. Si se precisa la comparación de la señal
recibida con m señales fijas diferentes F, entonces deberán ser m
diferentes calculadores métricos M. Se utiliza un único selector de
mínimo MS.
La salida del recuadro en particular de la figura
1 que está activo en cualquier instante se utiliza para actualizar
la métrica acumulada del decodificador. Esta es la métrica
mantenida por el decodificador como resultado de los cambios de
estado anteriores que hayan sido comunicados hacia/desde el
decodificador. La señal que se obtiene a la salida en el extremo
derecho de la figura 1 es la métrica acumulada.
En los sistemas de transmisión en que se
transmiten bloques de código de longitud finita, la decodificación
puede ser ejecutada por una configuración en la forma de lo
mostrado en la figura 1 para cada bloque de código en forma
sucesiva.
No obstante, en la práctica una señal codificada
será transmitida como un flujo continuo de bits. La decodificación
es entonces un proceso continuo. De hecho, el decodificador toma
la forma de una máquina de estado, cuyo estado se actualiza conforme
se reciben los bits de datos codificados. El estado del
decodificador en cualquier punto en el tiempo depende de los
cambios que tengan lugar en el codificador hasta dicho punto en el
tiempo. El estado del decodificador es así indicativo de dichos
cambios.
En un decodificador con un flujo continuo de
bits entrantes, cada grupo de bits entrantes se compara con un
conjunto de valores cuyos bits podrían haber sido tomados. Cada una
de las comparaciones da lugar a una métrica. Esta métrica se suma
entonces con la métrica acumulativa hasta dicho punto en el tiempo.
Por tanto, en cualquier instante, el cálculo de la métrica se
efectúa para parte de la señal recibida y decodificando una señal
recibida continuamente que incluye la repetición muchas veces del
cálculo completo de la métrica. Cada cálculo de la métrica influirá
en el decodificador. Una vez realizados estos cálculos, se deriva la
señal fuente original mediante el examen de la forma en que haya
evolucionado el estado del decodificador.
La configuración del arte previo de la figura 1
tiene que realizar una gran cantidad de cálculo. Esto es para
encontrar la señal fija que más íntimamente se parezca a la parte
entrante del código en un instante en particular, y para repetir
estos cálculos para el código nuevo que llegue. La configuración del
arte previo necesita una potencia de cálculo suficiente para
efectuar la decodificación dentro de la ventana de tiempo en la que
el resultado sea relevante. Si dicha potencia de cálculo no se
encuentra disponible, entonces la decodificación no será
posible.
La presente invención reemplaza a la
configuración de la figura 1, y mejora la configuración del arte
previo. Los aspectos de la invención se muestran en las figuras
4-7.
El algoritmo de acuerdo con la invención tenderá
en particular a reducir la potencia de cálculo requerida parta la
mayoría de los esquemas de perforación. Ofrece la ventaja añadida
de reducir el esfuerzo de codificación necesario con esquemas de
perforación múltiples. Esta reducción es una ventaja en particular
en sistemas de comunicaciones tales como el TETRA.
Las figuras 2 y 3 está provistas para ilustrar la
idea de los codificadores y decodificadores como "máquinas de
estado", cuyos estados cambian en el tiempo. En el ejemplo de
un sistema de comunicaciones en que la codificación de datos tiene
lugar con antelación a la transmisión, el estado del codificador
depende de los bits suministrados al mismo para la codificación. El
estado del decodificador depende de los grupos de bits
suministrados al mismo por el receptor.
La figura 2 muestra un codificador sencillo. El
codificador recibe datos sin procesar para la codificación, marcado
como "flujo fuente" a la izquierda de la figura. Conforme
llega cada bit de los datos, los datos se introducen en un registro
de desplazamiento. El registro tiene tomas mediante la red de tomas
y sumadores mostrados por encima del registro de desplazamiento.
A la derecha de la red se muestran tres bits.
Estos los bits obtenidos a la salida de la red. Como ejemplo, el
bit más superior de los tres bits de salida es un 0 (cero). Esto es
el resultado de las tomas en el primero, tercero, quinto y séptimo
bits del registro de desplazamiento. Puesto que dos de estas cuatro
posiciones en el registro están ocupadas por un 1 (uno) y las otras
dos posiciones están ocupadas por un 0 (cero), los sumadores
conducen a una salida de 0 (cero) mediante la adición binaria en
módulo 2.
Los otros dos bits a la salida de la red se
derivan de forma análoga por los sumadores y tomas conectados a los
hilos intermedio e inferior horizontales de la red,
respectivamente.
A la derecha de la figura se muestra un
convertidor sencillo de paralelo-serie. Este
convertidor deriva el flujo de bits que constituye la salida del
codificador.
Durante la operación, los nuevos bits de datos
del flujo fuente llegan conforme avanza el tiempo. Cada nuevo bit
es añadido a la posición más a la izquierda del registro de
desplazamiento. Los bits restantes en el registro de desplazamiento
se desplazan un lugar hacia la derecha. Obviamente, cuando tiene
lugar lo anterior, cambian las entradas a la red situado por encima
del registro de desplazamiento. Los tres bits obtenidos a la salida
de la red cambiarán en la forma correspondiente.
Así pues, para cada nuevo bit de datos que llega
para la codificación, se genera un grupo de tres bits por el
codificador. Cada uno de los tres bits depende en su valor en algo
más que justamente el bit de datos más reciente que llegue. Así
pues, se ha implementado la codificación convolucional. Se observará
que se obtienen tres bits a la salida del codificador por cada bit
de datos que llegue para la codificación. Este es un código de tasa
1/3.
La etapa de perforar el flujo de datos de salida
codificados comprende la omisión de algunos de los bits de datos de
salida. Esto podría efectuarse típicamente antes de la transmisión
del flujo codificado. La perforación reduce el número de bits
codificados que precisen ser transmitidos, y por tanto reduce el
ancho de banda requerido para la transmisión..
El esquema de perforación es el proceso mediante
el cual se realiza la perforación. Observando la figura 2, un
esquema de perforación podría consistir en la omisión de los bits
suministrados por el más inferior de los tres hilos horizontales de
la red. Así pues, se transmitirían solo los dos bits superiores en
este ejemplo, reduciendo en un tercio el ancho de banda requerido
para la transmisión.
Evidentemente el destinatario de los datos
codificados, en este caso el receptor de los datos transmitidos,
tiene que conocer el esquema de perforación que se utilizó por el
codificador en el instante correspondiente.
La figura 3 muestra el desarrollo de los estados
de una máquina de estado. Comenzado en la parte izquierda de la
figura, el primer punto en la figura representa el estado de inicio
de una máquina de estado. Esta máquina podría ser el
codificador.
Los símbolos "00" en la parte izquierda de
este punto de la figura 3 representan una definición del estado
correspondiente. Los bits de salida del decodificador dependen de
este estado. Cuando un bit de datos llega al codificador para la
codificación, se cambian los valores de los bits generados a la
salida.
La segunda columna de la figura 3 que comprende
dos puntos, representa los dos estados posibles en que podría estar
el codificador después de la llegada del primer bit de datos para
la codificación. El codificador podría permanecer así en el estado
"00", o podría avanzar al estado "10", dependiendo de si
llega un 1 o un 0 para la codificación.
Obsérvese que la figura 3 no está relacionada con
el mismo codificador que se utilizó en el ejemplo único de la
figura 2. Adicionalmente, los dos bits que definen cada estado en
la figura 3 han sido generados mediante la perforación de los bits
suministrados por un codificador, no produciéndose ninguna relación
simple con la secuencia de bits de datos introducidos al
codificador.
La tercera columna de la figura 3 muestra que
existen cuatro estados posibles del codificador después de que haya
sido suministrado un segundo bit de datos que al codificador. Los
valores de los bits suministrados al codificador en el instante de
esta transición dependen de ambos estados inicial y final del
codificador.
Las flechas en la figura 3 muestran que el estado
de codificador puede solo cambiar a uno de un par en particular de
nuevos estados al arrancar desde un estado dado. Estas flechas han
sido añadidas a la figura 3 para mostrar las transiciones de
estados permisibles en cada punto en el tiempo. Por ejemplo,
iniciándose desde "10" en la segunda columna, las dos flechas
ligeramente sombreadas muestran que el estado solo puede cambiar de
"01" a "11". En el instante de esta transición, el
codificador podría dar salida bien a los bits para la transición de
"10" a "01" o a los bits para la transición de "10"
a "11". Las flechas de la figura 3 proporcionan en general
una indicación de cuales son los bits que pueden generarse por el
codificador cuando se inicia el proceso desde un estado en
particular.
Las flechas más gruesas y más oscuras en la
figura 3 muestran el avance entre los estados que podría seguir el
codificador a través del tiempo en un caso real. Los bits que son
codificados y transmitidos al receptor permiten que el
decodificador "reconstruya" este avance de estados. Debido a
que este decodificador es capaz de deducir la secuencia de los
estados del codificador, es capaz de deducir los bits de los datos
del flujo fuente que provocaron que el codificador avanzara a través
de dichos estados. Así pues, el decodificador puede reconstruir el
flujo fuente, y mediante esta realización decodificar los
datos.
Finalmente, en relación con las figuras 2 y 3,
deberá observarse que los errores tienen lugar en un flujo de bits
que haya sido transmitido hacia el receptor. Debido a estos
errores, el estado del decodificador es solo una aproximación del
estado del codificador. Suponiendo que la figura 3 es
representativa del avance exacto de los estados que sigue el
codificador, entonces el codificador derivará varias métricas de
errores y, en cualquier momento, la métrica acumulativa del valor
más inferior que mostrará los estados más probables que tengan
ocupado el codificador.
Con el fin de comprender la invención,
considérese la llegada al decodificador de una parte del código
entrante en un instante en particular t. La parte del código
comprende n bits. En la configuración del arte previo de la figura 1
este código recibido en curso podría necesitar ser comparado en los
calculadores métricos M1, M2, etc., con las posibles permutaciones
que podrían haber sido tomadas. Cada una de estas comparaciones
darían lugar a un patrón de error y para cada uno de estos patrones
de error se necesitaría una métrica a calcular. Finalmente, los
elementos MS en la figura 1 encontrarían la métrica mínima.
De acuerdo con la invención, no obstante, se
sigue un procedimiento diferente. Este procedimiento se ilustra en
las figuras 4-7. En primer lugar, las métricas Mti
se calculan entre los n bits del código recibido en un instante t y
todas las posibles permutaciones de dicho número n de bits. Cada
métrica Mti se almacena conjuntamente con la permutación Pi de n
bits para los cuales fue calculada. Este almacenamiento es una
"tabla métrica".
Los n bits de código en el grupo recibido de bits
Gt depende de su valor en el cambio de estado St del codificador
que tiene lugar en el instante en particular t. No obstante, los
bits recibidos pueden contener errores, los cuales surgen
típicamente durante la transmisión. En consecuencia, la dependencia
de los valores de los n bits en el cambio de estado St puede no
ser fiable.
A continuación se hace referencia a una tabla de
consulta Tt. Esta es una de un conjunto de tablas T, en las que
cada una está relacionada con un esquema de perforación en
particular utilizado por el codificador. El contenido de la tabla
Tt es específico para el esquema de perforación que se esté
utilizando por el codificador en el instante t.
La tabla de consulta Tt contiene la lista de
todos los cambios posibles de estado Sj que podría tener el
codificador en un instante t. Cada cambio de estado Sj está
representado por la permutación en particular Pi de n bits que el
codificador habría transmitido en el instante t en que hubiera
tenido lugar dicho cambio de estado. Para cada una de estas
permutaciones Pi en tabla Tt, es ahora posible consultar la tabla
métrica para el valor de la métrica Mti que corresponda a la
permutación correspondiente. Significativamente, no es necesario
ningún cálculo del patrón de error o de la métrica en este
punto.
Cuando las métricas Mti hayan sido asignadas a
todos los cambios de estado en la tabla Tt, la configuración de
acuerdo con la invención tendrá entonces una lista de las métricas.
Estas métricas Mti se emplean para actualizar la métrica acumulativa
del decodificador, es decir, para ejecutar la actualización del
estado.
La ventaja de la configuración de acuerdo con la
invención es que requiere menos potencia de cálculo para las partes
del código entrante que consisten en grandes números n de bits.
Puede gestionar también con más facilidad un gran número de
diferentes esquemas de perforación.
Considerada en su sentido más amplio, se calcula
primeramente una tabla métrica de métricas Mti y se utiliza después
para determinar cual deberá ser la actualización de la métrica de
estado del decodificador.
Se observará que las métricas Mti se calculan
solamente una vez, para cualquier grupo en particular de n bits que
lleguen en un instante t.
Puede utilizarse un conjunto eficiente de tablas
de consulta T para adaptar la decodificación a un esquema de
perforación arbitrario. La tabla T proporciona la información sobre
que fila de la tabla métrica deberá ser consultada para localizar
la métrica Mti para cada cambio de estado Sj registrado en la tabla
T. Para cada posible esquema de perforación existe una tabla T. El
decodificador conoce cual es el esquema de perforación que se está
utilizando por el codificador en el instante t, de forma que conoce
la tabla de consulta Tt a utilizar en dicho instante en particular.
Para cada esquema de perforación adicional solo es necesario tener
una tabla adicional T. Cuando el esquema de perforación se está
utilizando por el codificador, el decodificador utiliza
sencillamente la tabla apropiada T. Como resultado de esto, puede
ser utilizado un decodificador común para muchos esquemas de
perforación distintos.
En los esquemas del arte previo es usual utilizar
el algoritmo de decodificación Viterbi para llegar de una forma
eficiente a las actualizaciones de estado del decodificador. De
acuerdo con la invención, la idea básica es primeramente calcular
todas las posibles métricas Mti a utilizar en una actualización del
estado por adelantado de cada actualización de estado. El término
"actualización de estado" significa la operación de
"sumar-comparar-seleccionar"
de un decodificador Viterbi.
La parte "sumar" de acuerdo aquí con las
configuraciones del arte previo, requería un cálculo métrico entre
la señal recibida y la señal fija en la ramificación
correspondiente en particular. De acuerdo con la configuración de
la invención, en lugar de calcular la métrica en la parte de
"sumar" de la actualización de estado, la métrica puede ser
encontrada mediante la consulta de la tabla de las métricas
calculadas. El proceso de la invención se hace dependiente de tanto
el cambio de estado que tiene lugar como del esquema de perforación
teniendo una consulta de dos etapas. Una consulta resuelve el
problema de la perforación mediante la utilización de una tabla en
particular Tt, y en la que una consulta recupera realmente la
métrica Mti de la tabla métrica.
La tabla métrica contiene en sí los resultados de
los cálculos métricos que hayan sido efectuados por adelantado. De
hecho, la tabla deberá contener los resultados de los cálculos de
todas las posibles métricas para un grupo Gt de n bits
recibidos.
Un ejemplo del cálculo de una tabla de consulta
es el mostrado en la figura 4. La figura 4 está relacionada con una
transferencia de tres bits, en la que tres bits representan cada
cambio de estado. Existen ocho permutaciones de valores de los
bits que se muestran en la mayor de las dos matrices. Estas ocho
permutaciones son todas las posibles permutaciones de tres bits,
cuyos bits en sí solo pueden tomar un valor de entre dos valores.
En este caso, los valores posibles son 1 ó -1. El número de
permutaciones será en general 2n, en donde n es el número de bits de
valor binario en el grupo Gt recibido.
El ejemplo de la figura 4 muestra el cálculo de
las métricas para los tres bits, bit(1), bit(2) y
bit(3) recibidos en un instante en particular t. En el
ejemplo mostrado en la figura 4, la métrica tendrá el valor máximo
3 solo para un grupo de tres bits en la matriz más grande que
coincida exactamente con los tres bits recibidos en curso en el
instante t. Las otras siete permutaciones en la matriz más grande
darán lugar a métricas de valor menor, porque cada una tiene al
menos un bit que no es el mismo que el bit recibido en la posición
correspondiente. Aunque el ejemplo en la figura 4 da lugar
realmente a la permutación que más íntimamente se corresponde con el
grupo de bits recibido que tiene la métrica más alta, está claro
que en general la permutación que se corresponde con el grupo de n
bits recibidos es identificable porque tiene un valor extremo de
métrica. Las referencias a la "métrica más baja" con respecto a
las figuras deberán considerarse como que significa la métrica que
indica la correspondencia más cercana entre la permutación
correspondiente y el grupo de bits recibido.
La tabla calculada tal como se muestra en la
figura 4 proporciona entonces la información requerida para llevar
a cabo la actualización del estado del decodificador.
El aparato para llevar a cabo la actualización
del estado puede observarse en la figura 5. La figura 4 muestra la
operación del elemento MT de la figura 5. En el elemento MT se
calcula una tabla métrica para el último grupo Gt de n bits de la
señal recibida.
El elemento de la figura marcado TG indica una
actualización guiada por la tabla. La tabla Tt contiene los posibles
cambios de estado Sj del codificador, conjuntamente con la
permutación de los bits Pi que generaría cada uno, para el esquema
de perforación en particular en utilización por el codificador en el
instante t. Los medios TG capturan la métrica Mti para cada posible
cambio de estado Sj a partir de la tabla métrica que se haya
generado en el elemento MT. Las dos ramificaciones mostradas en el
elemento TG indican que se efectúan dos adiciones al mismo tiempo.
En este caso los valores de las dos métricas se toman de la tabla de
consulta al mismo tiempo, y cada una se añade a una métrica
acumulativa. Este procedimiento tiene que ser repetido para cada
posible cambio de estado Sj, y se muestra solamente como que se
llevan a cabo dos adiciones al mismo tiempo para fines ilustrativos.
El resultado es varias métricas acumulativas diferentes.
El BMC del recuadro selecciona la métrica
acumulativa que ahora representa la mejor coincidencia entre los
posibles cambios de estado que pueden tener lugar en el codificador
y los grupos G de n bits que hayan sido recibidos por el
codificador. Esta mejor métrica consiste en una secuencia de
posibles cambios de estado y representa la secuencia más probable
de cambios de estado que haya llevado a cabo el codificador.
La salida del extremo derecho de la figura 5 es
la métrica acumulativa. Esto corresponde a la salida en el mismo
punto de la figura 1 del arte previo. Esta salida se consigue, no
obstante, con menor potencia de cálculo que la requerida. Existe
también menos dificultad cuando existen un número mayor de esquemas
de perforación posibles que en el caso de la configuración de la
figura 1.
La figura 6 muestra un método generalizado para
construir una tabla métrica y ejecutar el método de la invención.
Esta implementación está adaptada para la rápida implementación en,
por ejemplo, un DSP. Esto reemplaza el cálculo, mediante la
utilización de la consulta de tablas cuando sea posible.
Las dos columnas de la izquierda de la figura 6
están relacionadas con dos esquemas de perforación diferentes. Una
entrada en una fila de cualquier columna indica que el esquema de
perforación de dicha columna está activo en el instante
correspondiente a dicha fila. Cada fila sucesiva en las dos columnas
es por tanto la indicación de activación/desactivación para dicho
esquema de perforación en los sucesivos instantes posteriores t.
La información de las dos columnas a la izquierda
de la figura 6 determina cuales son las partes que se seleccionan de
las "funciones de cálculo métricas" y los recuadros de la
"tabla del índice métrico" en el centro de la figura, para
calcular las métricas. Estas métricas se ensamblan en el recuadro a
la derecha de la figura 6. El recuadro de la "tabla del índica
métrico" da el listado de cual es el esquema de perforación que
se está utilizando en cada instante en particular.
El recuadro hacia la parte inferior de la figura
6 marcado como "código ACS" representa la operación
"Sumar-comparar-seleccionar".
Esta operación actualiza cada métrica acumulada. Las métricas
acumuladas proporcionan un historial de los cambios de estado en el
codificador. Pueden por tanto ser utilizados para proporcionar el
código de retorno de búsqueda, que es un registro de los cambios en
el codificador, los cuales pueden ser utilizados para decodificar
los bits transmitidos de los datos.
La figura 7 muestra un método detallado para
construir las tablas de consulta T de la invención, El método se
basa en el conocimiento de esquema de codificación y de los
esquemas de perforación que fueron utilizados por el codificador. El
recuadro izquierdo superior comprende una tabla que utiliza el
codificador para determinar cual es el cambio de estado para dar
salida a un conjunto dado de bits de entrada en la etapa de
codificación. A partir de esta tabla y de la información sobre
los esquemas de perforación del recuadro en la parte derecha
superior de la figura, se derivan las múltiples tablas T en la
parte central izquierda de la figura 7. Estas tablas se emplean por
el decodificador para decidir sobre el cambio de estado que tendrían
salida para un conjunto dado de datos de entrada, y utilizando el
esquema de perforación presente en dicho instante. Estas tablas
muestran por tanto cuales son los bits del código que se generan
para un flujo dado de bits de entrada en un instante dado. En un
esquema de comunicaciones, son estos bits del código los que
deberán ser transmitidos y posteriormente recibidos por un receptor
que deberá descodificarlos entonces.
Las tablas múltiples en el centro izquierda de la
figura 7 permiten la generación de las tablas Tt de la invención.
Para un esquema de perforación dado, una de estas tablas en el
centro izquierda de la figura 7 contiene los detalles de cuales son
los patrones de bits que tendrán salida por el codificador para un
cambio de estado dado. La información es claramente suficiente para
crear una tabla Tt, apropiada para dicho esquema de perforación,
que efectúe el listado del patrón de bits que se suministrará a la
salida para cada cambio de estado. Así pues, la creación de las
tablas T puede verse sencillamente como una reordenación de la
información. La mencionada tabla T se crea para cada esquema de
perforación.
De acuerdo con la invención, la información en
cada tabla T se utiliza conjuntamente con la tabla de las métricas
calculadas para cada grupo entrante Gt de n bits de datos
recibidos, con el fin de llevar a cabo la actualización del estado
del decodificador.
Resumiendo la figura 7, las tablas T se derivan a
partir de la definición del código madre y de las definiciones de
perforación.
El método de la invención puede ser implementado
por varios aparatos adecuados. En particular, sería adecuado un
procesador de señales digitales. Lo más importante es la capacidad
del hardware seleccionado para poder ser capaz de acceder a los
datos almacenados de forma rápida. Esto se debe al énfasis en el
aparato y método de acuerdo con la invención en la consulta de
valores métricos en una tabla métrica, en lugar de ejecutar grandes
volúmenes de cálculo que precisarían las configuraciones del arte
previo.
La primera exigencia de cálculo en cualquier
instante en particular t será crear la tabla métrica. A esta tabla
métrica se tiene acceso repetidamente con dependencia de los
valores almacenados en la tabla de consulta Tt apropiada para el
esquema de perforación en utilización en dicho instante.
La figura 8 muestra un ejemplo del método de la
invención. En particular:
la figura 8a muestra un ejemplo de una tabla
métrica sencilla;
la figura 8b muestra un ejemplo de la tabla de
consulta Tt de permutaciones (Pi) de bits que corresponde a los
cambios de estado posibles (Sj) del codificador para un esquema de
perforación en particular;
la figura 8c muestra una lista de tablas de
consulta T correspondientes a los diferentes esquemas de
perforación que puede utilizar el codificador, listadas
conjuntamente con los instantes en los cuales se utiliza dicho
esquema de perforación.
En el esquema de la figura 8, se reciben dos bits
codificados por el codificador en cualquier instante t. En la
terminología utilizada anteriormente en relación con la figura 4, n
= 2.
La columna central de la tabla de la figura 8a
muestra las cuatro permutaciones de dos bits que son posibles, y
por tanto que el decodificador podría recibir en cualquier
instante.
En el instante t concerniente al ejemplo de la
figura 8, el decodificador recibe en curso los bits "00".
Estos dos bits se comparan entonces con cada una de las cuatro
posibles permutaciones en la columna central de la figura 8a. Para
cada una de estas cuatro comparaciones, se calcula una métrica.
Estas métricas se muestran en la columna derecha de la figura 8a.
La métrica "2" para la permutación "00" en la columna
central indica la correspondencia exacta entre los dos bits
recibidos y los bits mencionados en la columna central.
Las permutaciones "01" y "10" conducen
ambas a una métrica de 1, porque cada una tiene un bit idéntico al
"00" recibido, y un bit que es distinto. Ninguno de los bits
de la combinación "11" en la columna central concuerda con los
bits recibidos, de forma que la métrica es 0.
El cálculo de la métrica en el ejemplo de la
figura 8a comprende sencillamente la comprobación de la
correspondencia de los bits recibidos por el decodificador con los
correspondientes a las posibles permutaciones de los bits. Son
posibles otros esquemas de perforación.
La columna izquierda de la figura 8b muestra las
ocho posibles transiciones de estado de un codificador. Estas
transiciones de estado se efectúan en un instante t. De hecho se
toman del ejemplo de la figura 3. Se hace referencia ahora a la
figura 3. En este caso, se ha marcado el punto en el tiempo. Así
mismo se encuentran marcados en el instante t los posibles estados
iniciales en que el codificador podría encontrarse a sí mismo en el
instante t. Estos están marcados como A, B, C y D. Los ocho cambios
de estado en la columna izquierda de la figura 8b corresponden a las
ocho transiciones permitidas a partir de los cuatro estados
iniciales posibles A, B, C y D. Cada una de estas ocho transiciones
corresponden a una de las flechas sombreadas ligeramente en la
figura 3, entre uno de los puntos A, B, C ó D y uno de los puntos en
la columna siguiente a la derecha.
La columna central de la tabla de consulta Ti en
la figura 8b proporciona la combinación en particular de dos bits
que generaría el codificador para cada uno de los ocho cambios de
estado en la columna izquierda. La combinación en particular
depende de la definición de código madre para la codificación y del
esquema de perforación que se esté utilizando en el instante t.
Solo están listadas tres permutaciones de dos
bits para los fines de la ilustración en la columna central de la
figura 8b. En la columna derecha de la figura 8b se muestran las
métricas que corresponden a las combinaciones de dos bits en la
columna central. Estas métricas han sido copiadas de las
correspondientes en la columna derecha de la tabla métrica de la
figura 8a, según se expuso anteriormente de acuerdo con el método
de la invención.
La figura 8c muestra para finalizar la lista de
las tablas T, listadas cada una conjuntamente con el instante en
que deberán utilizarse por el decodificador. La lista de tablas es
la columna derecha de la figura 8c. El instante en que deberá ser
utilizada cada tabla, expresado en unidades arbitrarias, se
encuentra en la columna izquierda de la figura 8c. Por ejemplo, en
el instante 1 deberá utilizarse la tabla quinta porque el esquema
de perforación apropiado a la quinta tabla se está utilizando por el
codificador en ese instante. El significado del instante en la
columna izquierda es que es el instante en el cual tiene lugar un
cambio de estado del codificador, y en el que un nuevo grupo Gt de
n bits relacionados con dicho cambio de estado es recibido por el
receptor y por el decodificador.
Las ventajas de la invención están claras. En un
caso en que el codificador puede arrancar en un gran número de
estados, el número de posibles transiciones en la columna izquierda
de la tabla de consulta de la tabla 8b podría ser muy grande. No
obstante, el método de la invención conduce a un valor métrico para
cada una de estas transiciones, sencillamente accediendo a la fila
de la tabla métrica que contiene la métrica para dicha permutación.
Una consulta reemplaza el cálculo necesario en las configuraciones
del arte previo, tal como la utilización de calculadores métricos
de la configuración en la figura 1.
La segunda ventaja de la invención es que pueden
utilizar muchos y diferentes esquemas de perforación por el
codificador. Para cada esquema de perforación, se precisa una tabla
distinta T. No obstante, es una configuración mucho más sencilla
que la necesidad de un algoritmo de decodificación totalmente nuevo
para cada esquema de perforación distinto, tal como sería el caso
en las configuraciones del arte previo.
Claims (10)
1. Un método de acuerdo con la invención permite
la decodificación de datos que hayan sido codificados en forma
convolucional,
comprendiendo los datos unos grupos consecutivos
de bits, en el que cada grupo (Gt) comprende n bits cuyos valores
dependen del cambio de estado en particular (St) del codificador
de datos que tiene lugar en un instante en particular (t), siendo
el cambio de estado en particular (St) uno de un conjunto de cambios
de estado posibles (Sj), que el codificador de datos podría haber
ejecutado en dicho instante en particular (t),
el método de decodificación de los datos
comprende, para el grupo (Gt) de n bits recibidos en el instante en
particular (t):
- a)
- efectuar comparaciones entre los n bits del grupo Gt y cada posible permutación (Pi) de n bits, y para cada comparación,
- calcular un valor numérico para la métrica de error (Mti) entre el grupo (Gt) y la permutación (Pi); y
- b)
- consultar una tabla de consulta (Tt) precalculada, la cual contiene le conjunto de cambios de estado posibles Sj, y que indica para cada uno de estos cambios de estado (Sj) una permutación en particular de las mencionadas permutaciones (Pi) asociadas con dicho cambio de estado (Sj), y generando una tabla métrica para asignar a cada cambio de estado (Sj) en la tabla de consulta (Tt) la métrica (Mti) calculada en la etapa a) para la permutación (Pi) asociada con el cambio de estado (Sj); y
- c)
- utilizar la tabla métrica de los valores métricos (Mti) asignados al conjunto de cambios de estado posibles (Sj) para actualizar la métrica acumulativa utilizada para decodificar los datos codificados de convolución.
2. Un método según la reivindicación 1, en el
que:
la tabla de consulta (Tt) utilizada en el
instante en particular (t) es una de un conjunto de tablas de
consulta precalculadas, efectuándose la selección de la tabla de
consulta en particular (Tt) para su utilización en un instante en
particular, en dependencia del esquema de perforación que se esté
utilizando por el codificador en dicho instante en particular
(t).
3. Un método según la reivindicación 1 ó 2, en
el que:
la permutación (Pi) asociada con un cambio de
estado en particular (Sj) en la tabla de consulta (Tt) es el grupo
de n bits que el codificador generaría para dicho cambio de estado
en particular (Sj), utilizando el esquema de perforación en
utilización en dicho instante en particular (t).
4. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 3, en el que:
el número de bits n en el grupo en particular
(Gt) depende del esquema de perforación que se esté utilizando por
el codificador en dicho instante en particular (t).
5. Un método según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 4, en el que:
los datos codificados son transmitidos después de
la decodificación y siendo recibidos entonces por un receptor con
antelación a la decodificación.
6. Un decodificador de datos para decodificar
los datos que hayan sido codificados en forma convolucional,
los datos comprenden grupos consecutivos de bits,
comprendiendo cada grupo (Gt) n bits cuyos valores dependen del
cambio de estado en particular (St) del codificador de datos que
tiene lugar en un instante en particular (t), en el que el cambio
de estado en particular (St) es uno de un conjunto de posibles
cambios de estado (Sj) que el codificador de datos podría haber
llevado a cabo en dicho instante (t),
comprendiendo el decodificador de datos, para el
grupo (Gt) de n bits recibidos en el instante en particular
(t):
- a)
- medios MT para efectuar comparaciones entre los n bits del grupo (Gt) y cada posible permutación (Pi) de los n bits, y para cada comparación, calcular un valor numérico para la métrica de error (Mti) entre el grupo (Gt) y la permutación (Pi); y
- b)
- medios TG para consultar una tabla de consulta precalculada (Tt) que contiene el conjunto de cambios de estado posibles (Sj), y que indica para cada uno de estos cambios de estado (Sj) una permutación de las mencionadas permutaciones (Pi) asociadas con dicho cambio de estado (Sj), y para
- asignar a cada cambio de estado (Sj) en la tabla de consulta (Tt) la métrica (Mti) calculada en la etapa a) para la permutación (Pi) asociada con dicho cambio de estado (Sj), para producir por tanto una tabla métrica; y
- c)
- medios (BMC) para utilizar la tabla métrica de valores métricos asignados al conjunto de cambios de estado posibles (Sj) para actualizar la métrica acumulativa utilizada para decodificar los datos codificados en forma convolucional.
7. Un decodificador de datos de acuerdo con la
reivindicación 6, en el que la tabla de consulta (Tt) utilizada en
el instante en particular (t) es una de un conjunto de tablas de
consulta precalculadas y los medios (TG) para consultar una tabla
de consulta precalculada (Tt) están adaptados para seleccionar la
tabla de consulta en particular (Tt) para su utilización en un
instante en particular (t), en dependencia del esquema de
perforación que esté siendo utilizado en dicho instante en
particular (t).
8. Un decodificador de datos de acuerdo con la
reivindicación 6 ó 7, en el que:
la permutación (Pi) asociada con un cambio de
estado en particular (Sj) en la tabla de consulta es el grupo de n
bits que el codificador generaría para dicho cambio de estado en
particular (Sj) utilizando el esquema de perforación en utilización
en dicho instante en particular (t).
9. Un decodificador de datos de acuerdo con
cualquiera de las reivindicaciones 6 a 8, en el que:
el número de bits n en el grupo en particular
(Gt) depende del esquema de perforación que esté siendo utilizado
por el codificador en dicho instante en
particular (t).
particular (t).
10. Un receptor para recibir datos codificados y
perforados, el receptor comprende un decodificador de datos de
acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9.
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