ES2216125T3 - Metodo y equipo de transmision de datos para codificar una señal. - Google Patents
Metodo y equipo de transmision de datos para codificar una señal.Info
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Abstract
LA INVENCION HACE REFERENCIA A UN METODO DE TRANSMISION DE DATOS Y A UN EQUIPO PARA CODIFICAR Y DESCODIFICAR UNA SEÑAL QUE COMPRENDE, EN EL LADO DE CODIFICACION, AL MENOS DOS CODIFICADORES PARALELOS (600, 602) Y, EN EL LADO DE DESCODIFICACION, AL MENOS DOS DESCODIFICADORES PARALELOS (770, 702). CON EL FIN DE PROPORCIONAR UNA CODIFICACION EFICIENTE, EN EL LADO DE CODIFICACION DEL EQUIPO CADA CODIFICADOR PARALELO (600, 602) COMPRENDE VARIOS REGISTROS (612A - 618A) CONECTADOS EN TANDEM Y VARIOS DISPOSITIVOS SUMADORES (622A - 626A) QUE SUMAN LAS SALIDAS DE LOS REGISTROS (612A - 618A) A LOS DATOS, Y UN DISPOSITIVO DE MAPEADO (628A), CUYA ENTRADA CONSTA DE LAS SALIDAS DE LOS REGISTROS (612A - 618A) Y CUYA SALIDA (608) COMPRENDE UN SIMBOLO WALSH SELECCIONADO EN FUNCION DE LAS ENTRADAS DE UN DISPOSITIVO CONVERTIDOR (628A), Y, EN EL LADO DE DESCODIFICACION DEL EQUIPO, LA ENTRADA (704, 706) DE CADA DESCODIFICADOR PARALELO (700, 702) ES EL SIMBOLO WALSH RECIBIDO Y LA INFORMACION DE FIABILIDAD (718, 720) SOBRE LA DECISION DEL SIMBOLO RECIBIDA POR LOS OTROS DESCODIFICADORES PARALELOS.
Description
Método y equipo de transmisión de datos para
codificar una señal.
La invención se refiere a un método de
transmisión de datos para transmitir una señal digital, que
comprende procesar la señal a transmitir con el fin de reducir al
mínimo los errores de transmisión producidos en el canal.
En los enlaces de datos, se sabe que la
trayectoria de transmisión utilizada para transmitir señales
interfiere con la telecomunicación. Esto se produce
independientemente de la forma física de la trayectoria de
transmisión, es decir, si la trayectoria es un enlace de radio, una
fibra óptica o un cable de cobre.
Con el fin de reducir al mínimo los efectos de la
interferencia provocados por la trayectoria de transmisión, se
codifica una señal digital de forma que la conexión pueda ser mucho
más fiable. En tal caso, los errores provocados por la interferencia
en la señal a transmitir puede detectarse y corregirse también sin
retransmisión, dependiendo del método de codificación utilizado.
Los métodos de codificación convencionales
utilizados en la telecomunicación digital incluyen, por ejemplo,
codificación de bloques y codificación convolucional. En la
codificación de bloques, los bits a codificar son agrupados en
bloques y los bits de paridad son añadidos al final de los bloques
de forma que la corrección de los bits en el bloque precedente
pueden comprobarse por medio de los bits de paridad. En la
codificación convolucional, los bits de paridad están colocados
entre los bits de datos de forma que la codificación es continua.
Los bits de datos no están agrupados en bloques ni los bits de
paridad están conectados a los bits de datos inmediatamente
precedentes, sino que son distribuidos sobre el área de un grupo de
bits de una cierta longitud, siendo denominado este número de bits
la longitud constante del código convolucional. Los codificadores y
decodificadores convolucionales son ejecutados en las formas
conocidas en el campo. Un codificador puede ejecutarse, por ejemplo,
con registros de desplazamiento.
"Very Low Rate Convolutional Codes for Maximum
Theoretical Performance of Spread-Spectrum
Multiple-Access Channels", Viterbi, IEEE Journal
on Selected Areas in Communications, Vol. 8, Nº 4, Mayo de 1990, p.
641-649, describe un método que combina la
codificación convolucional y la modulación ortogonal de niveles
múltiples. En este método, la codificación tiene lugar en principio
como se muestra en la figura 1. El codificador mostrado en la figura
consta de un codificador convolucional de k-bits que
se ejecuta con un registro de desplazamiento 100 y que emite m bits
de código 106 que controlan un modulador ortogonal 102 cuya salida
produce uno de los M = 2^{m} posibles símbolos ortogonales, que se
muestra con M bits en paralelo. El grupo de señales ortogonales de
nivel M puede ser, por ejemplo, un grupo de señales de Walsh de
nivel-M. La figura 2 muestra un decodificador que
ejecuta el método de acuerdo con la referencia mencionada
anteriormente y que comprende un demodulador de
nivel-M 200, por ejemplo, un grupo de
correlacionadores o un circuito de conversión
Walsh-De Hadamard, cuya salida consta de M valores
de correlación 204 que son suministrados a un decodificador de
Viterbi 202.
La patente US 5.193.094 describe un método
similar al método previo, donde el primero y el último de los bits
en la salida de un registro de desplazamiento son tomados y
conectados a una puerta XOR, cuya salida es suministrada con la
salida de un modulador ortogonal a otra puerta XOR, cuya salida es
el símbolo a transmitir.
El documento US 5.519.608 y Ling, F. y Falconer,
D.D: Combined orthogonal/convolutional coding for a digital cellular
CDMA system. IEEE 42 Vehicular Technology Conference, VTC'92,
Denver, Colorado. USA, 10-13 de Mayo de 1992, vol.1,
p. 63 a 66 describen el uso combinado de codificación convolucional
y correspondencia con símbolos de Walsh ortogonales.
Near Shannon limit
error-correcting coding and decoding:
Turbo-codes por Berrou, C., Glavieux, A.,
Thitimajshima, P., IEEE International Conf. On Communications,
ICC'93, Ginebra, Suiza, 23 a 26 de Mayo, 1993, Vol.2, páginas 1064 a
1070, describe el principio de la codificación convolucional
concatenada en paralelo. Estos códigos son denominados con
frecuencia turbo-códigos. La capacidad de los
turbo-códigos en un canal AWGN es excelente. La
codificación tiene lugar con dos o más codificadores en paralelo, y
las señales emitidas a los codificadores son intercaladas con el fin
de producir un flujo de datos independiente.
El inconveniente de los métodos conocidos es que
requieren que la señal recibida tenga una relación
señal-ruido mayor que en la nueva disposición de
acuerdo con la invención con el fin de alcanzar la calidad de
transmisión deseada.
El objeto de la presente invención es
proporcionar un método de codificación que tiene mejores propiedades
que anteriormente y que hace posible mejorar la capacidad y la
actuación de los sistemas de transmisión de datos, especialmente,
los sistemas CDMA.
Esto se alcanza con un método del tipo descrito
en el preámbulo de la reivindicación 1, caracterizado porque la
codificación de la señal se realiza utilizando codificación
convolucional concatenada en paralelo combinada y codificación
convolucional superortogonal, suministrando la información a
transmitir a dos o más bloques de codificación en paralelo, de tal
manera que la información suministrada a cada bloque está
intercalada en un orden diferente, y codificando de forma
convolucional recursiva la información a transmitir en cada bloque a
partir de los polinomios generadores predeterminados utilizando un
grupo de registros conectados en cascada, y un grupo de medios de
adición (620a-626a), cuyas conexiones están
configuradas de acuerdo con un polinomio generador dado, y poniendo
en correspondencia las salidas de los registros de cada bloque de
codificación como una secuencia de bits de un conjunto ortogonal de
secuencias o un valor complementario del mismo.
La invención se refiere también al equipo para la
codificación y decodificación de una señal digital, comprendiendo el
equipo el lado de codificación al menos dos codificadores en
paralelo, cuya entrada es la secuencia de datos a transmitir, y
medios para el intercalado de secuencia de datos de tal manera que
los datos están en un orden diferente en cada codificador, y en el
lado de decodificación al menos decodificadores en paralelo. El
equipo de acuerdo con la invención está caracterizado porque en el
lado de codificación, cada codificador en paralelo comprende un
grupo de registros que son combinados conectándolos en cascada y al
que se suministran los datos a codificar, y un grupo de medios de
adición cuyas conexiones dependen del polinomio generador dado, y
que añade las salidas de los registros a los datos a codificar, y
medios de puesta en correspondencia cuya entrada consta de las
salidas de los registros, y la salida de cuyos medios de puesta en
correspondencia comprende un símbolo de Walsh o un complemento del
mismo seleccionado a partir de entradas de medios convertidores, y
de forma que en el lado de decodificación, la entrada de cada
decodificador en paralelo consta del símbolo de Walsh recibido o un
complemento del mismo y la información de fiabilidad con respecto a
su decodificación, recibida desde otros decodificadores en
paralelo.
El método de acuerdo con la invención proporciona
una capacidad considerable comparada con los métodos de codificación
anteriores. En el método de acuerdo con la invención, la
codificación se lleva a cabo de forma recursiva y la decodificación
se realiza de forma iterativa, y el grado de complejidad de la
ejecución depende del número de pasadas de iteración que deben
llevarse a cabo.
En el dispositivo de acuerdo con la invención, es
posible utilizar una velocidad de codificación muy baja (1/N,
N>>1). El método de acuerdo con la invención, es
particularmente ventajoso en los sistemas CDMA, donde varios
usuarios transmiten sobre el mismo canal de frecuencia que es
múltiple comparado con la velocidad binaria usada.
A continuación, la invención se describirá más
detalladamente con referencia a los ejemplos que se acompañan, en
los que
Las figuras 1 y 2 muestran el codificador y
decodificador de la técnica anterior descritos anteriormente.
La figura 3 muestra la estructura de un
codificador utilizando un turbo-código.
Las figuras 4a y 4b ilustran un ejemplo de los
entramados de un código binario y un código superortogonal.
Las figuras 5a y 5b muestran las matrices De
Hadamard.
La figura 6 ilustra un ejemplo de la estructura
de un codificador que ejecuta el método de acuerdo con la invención,
y
La figura 7 ilustra un ejemplo de la estructura
de un decodificador que lleva a cabo el método de acuerdo con la
invención.
En el dispositivo de acuerdo con la invención, la
codificación de canal de una señal es ejecutada utilizando la
codificación convolucional concatenada en paralelo combinada y un
código convolucional superortogonal. A continuación, se examinará el
dispositivo de acuerdo con la invención describiendo en primer lugar
los principios de la codificación convolucional concatenada en
paralelo y después, la codificación combinada de acuerdo con la
invención.
Se examina la turbo-codificación
por medio de la estructura de códigos mostrada en la figura 3. El
codificador para un turbo-código consta de dos o más
codificadores convolucionales concatenados 300, 302 que funcionan en
paralelo. La figura 3, muestra, a modo de ejemplo, dos codificadores
en paralelo que tienen polinomios generadores g_{1} = 37 y g_{2}
= 21 (octal). El primer decodificador 300 procesa directamente la
secuencia de bits de datos D = (d_{0},
d_{1},...,d_{N-1}) 304 a transmitir. La salida
del codificador comprende tanto la mera información de datos x_{k}
306 y la información redundante codificada de forma recursiva
x_{k1}. El código es por tanto sistemático. La información de
datos es intercalada 308 para producir un flujo de datos
independiente antes ser suministrado al segundo codificador 302 cuya
salida comprende la información redundante calculada de forma
recursiva x_{k2} 312.
Se examina la siguiente codificación
superortogonal. La codificación superortogonal como tal es conocida
previamente y se describe más detalladamente, por ejemplo, en CDMA:
Principles of spread spectrum communication by Viterbi, A.,
Addison-Wesley Publishing Company, 1995, p.
155-166. Se examina primero un ejemplo por medio de
la figura 4a. La figura muestra una parte de un diagrama de
entramado de un código convolucional binario con la longitud de
restricción L = 4. Se muestran también las salidas de estado. Cada
derivación comprende 8 estados, y salen dos trayectorias en cada
estado y dos trayectorias dejan, de forma correspondiente, cada
estado. Si el código utilizado es un código de frecuencia 1/2, el
codificador proporcionar a partir de cada estado una de las
secuencias 00, 01, 10 u 11 como salida. Puesto que existen 8 estados
y 16 trayectorias, deben utilizarse con frecuencia las mismas
secuencias.
La frecuencia de códigos puede reducirse
utilizando secuencias largas de tal manera que todas las secuencias
de salida sean mutuamente ortogonales, es decir, la correlación
entre las secuencias es cero. Es posible utilizar aquí, por ejemplo,
hileras de la matriz de Hadamard H_{16}. Existen en total 16
transiciones de uno a otro estado. Por tanto, es posible establecer
una hilera de la matriz de Hadamard H_{16} para una transición. En
tal caso, todas las entradas y salidas de los estados son
ortogonales, que aumentan el ancho de banda. La frecuencia de
códigos es, en este caso, 1/16.
El código descrito anteriormente puede mejorarse
adicionalmente utilizando la matriz de Hadamard H_{8} que es
suplementada con secuencias que se obtienen por multiplicación de la
matriz H8 por -1. Las matrices se muestran en las figuras 5a y
5b.
Se obtiene, por tanto, un grupo biortogonal de 16
secuencias. No obstante, todas las secuencias no son mutuamente
biortogonales. El resultado es, en su lugar, 8 parejas de secuencias
que son biortogonales una respecto a otra, y ortogonales con
respecto a las otras 14 secuencias. Cuando las secuencias se ajustan
de tal manera que las trayectorias emitidas desde el mismo estado
están provistas con secuencias mutuamente biortogonales, es posible
mejorar la capacidad. La frecuencia de códigos para un código
biortogonal de este tipo es 1/8.
El código puede mejorarse adicionalmente
ajustando las secuencias de tal manera que las salidas de los
estados adyacentes tienen las mismas secuencias biortogonales. Deben
corresponderse sobre trayectorias diferentes de forma que son
biortogonales tanto las transiciones de entrada como las de salida.
Esto se ilustra en la figura 4b. La frecuencia de códigos puede
aumentarse entonces a 1/4, puesto que es posible utilizar la matriz
de Hadamard H4, y sus matrices complementarias que comprenden juntas
un número suficiente de secuencias. Una matriz complementaria hace
referencia en esta conexión a una matriz donde los valores '1' son
convertidos en valores '-1' y viceversa. Se ha
producido entonces un código superortogonal.
Se examina a continuación el dispositivo de
acuerdo con la invención para ejecutar la codificación de canal por
medio de la estructura del codificador mostrada en la figura 6. La
figura muestra una forma simple de proporcionar la codificación de
acuerdo con la invención, pero existen naturalmente también otras
formas de realización, como es evidente para un técnico en la
materia.
En el método de acuerdo con la invención, la
secuencia de datos a transmitir es suministrada a dos o más
codificadores en paralelo, dos de los cuales se muestran en la
figura 600, 602. Los datos son suministrados a otro codificador 602
en manera intercalada 606. Cada codificador comprende un
turbo-codificador recursivo que consta de un número
de registros 612a a 618a y 612b a 618b, y conexiones entre los
registros, realizadas por medio de los sumadores 622a a 626a, 622b a
626b. La recursividad se realiza suministrando una señal desde la
salida de los registros al sumador 620a, 620b, que se añade a la
secuencia de datos a codificar. En el ejemplo de la figura, el
polinomio generador es 37 (octal) y la longitud límite L = 5. Cada
codificador comprende adicionalmente medios de puesta en
correspondencia 628a, 628b, por ejemplo, un generador de
Walsh-Hadamard que genera la hilera deseada de la
matriz de Hadamard a partir de los estados de los registros 612a a
618a y 612b a 618b. Las secuencias obtenidas, es decir, los símbolos
de Walsh y sus complementos 608, 619 son aplicados juntos a otras
partes del transmisor que debe transmitir al canal. En el ejemplo de
la figura, la matriz de Hadamard es H8 o su matriz complementaria.
El control generador puede ejecutarse también de tal manera que los
registros determinan la hilera de la matriz de Hadamard y el bit de
datos 630a, 630b determina el signo de la matriz, es decir, si
utiliza la matriz de Hadamard directamente o su matriz
complementaria. El bit de datos puede tomarse también después del
sumador 620a, o puede ser otro bit de salida del codificador
convolucional. La frecuencia de codificación del dispositivo de
acuerdo con la invención es 1/2^{L-1}. Los medios
de puesta en correspondencia pueden llevarse a cabo, en la práctica,
por ejemplo, por medio de un elemento de memoria o un
procesador.
Se examina a continuación el dispositivo de
acuerdo con la invención para decodificar la codificación de canal
por medio del diagrama de bloques ilustrativo de la figura 7. En el
dispositivo de acuerdo con la invención, el decodificador comprende
dos o más bloques de decodificador en paralelo, dos de los cuales se
muestran en el ejemplo de la figura, 700, 702. Cada bloque del
decodificador recibe en su entrada un símbolo de Walsh o un
complemento del mismo, 704, 706 recibido desde el canal. Un símbolo
de Walsh se refiere, a continuación, o bien a un símbolo o a un
complemento del mismo. En el dispositivo de acuerdo con la
invención, el decodificador produce, además de una decisión de
símbolo 708, 710, información en relación a la fiabilidad de la
decisión tomada 718, 720. La información de fiabilidad es
suministrada a los bloques decodificadores en paralelo como
información auxiliar que pueden utilizar para la decodificación del
símbolo de Walsh. Puesto que los bits de datos suministrados a los
bloques de codificador diferentes fueron intercalados para
transmisión, la intercalación 712, 714 debe realizarse también en el
decodificador y la desintercalación debe llevarse a cabo cuando la
información es transmitida entre los bloques del decodificador. De
manera correspondiente, la desintercalación debe realizarse también
en las salidas de los bloques decodificadores 702 que tenían como
entrada el símbolo de Walsh 706 obtenido a partir de los datos
intercalados.
Se examina la decodificación que parte de la
situación inicial. El decodificador 700 recibe el primer símbolo
W_{i}. En esta etapa, el decodificador no es consciente de la
información de fiabilidad del decodificador en paralelo 702, de
donde ha sido iniciada la etapa z_{k} hasta un valor adecuado
dependiendo del algoritmo de decodificación utilizado. El
decodificador toma una decisión de símbolo y calcula también la
fiabilidad de la decisión. Es posible utilizar en los
decodificadores los algoritmos de decisión conocidos que se
describen, por ejemplo, en "Optimal decoding of linear codes for
minimizing symbol error rate", Bahl, L., Cocke, J., Raviv, J.,
IEEE Transactions on Information Theory, Marzo de 1974, p.
284-287. El decodificador puede ejecutarse, por
ejemplo, por medio de un procesador de señales o cualquier otra
lógica separada correspondiente. La información de fiabilidad 718 es
intercalada y suministrada a la entrada del decodificador en
paralelo 702. El decodificador en paralelo procesa el símbolo de
Walsh recibido W_{j} previsto en su entrada y utiliza la
información de fiabilidad Z_{n} que ha obtenido. El decodificador
702 toma la decisión y calcula también la información de fiabilidad.
El efecto de Z_{n} es eliminado a partir de la información de
fiabilidad y es transmitido adicionalmente 720 después de la
intercalación 714 al decodificador en paralelo 700, que puede
procesar adicionalmente el primer símbolo W_{1} de nuevo
utilizando la información auxiliar Z_{k} que ha obtenido. La
decodificación puede realizarse, por tanto, de forma iterativa por
su repetición un número deseado de veces. Se obtiene la decisión de
símbolo, si se desea, a partir de las salidas del codificador 708,
710.
Claims (9)
1. Método de transmisión de datos para la
transmisión de una señal digital, que comprende procesar la señal a
transmitir con el fin de reducir al mínimo los errores de
transmisión producidos en el canal, caracterizado porque la
codificación de la señal se lleva a cabo utilizando una codificación
convolucional concatenada en paralelo combinada y una codificación
convolucional superortogonal,
suministrando la información a transmitir a dos o
más bloques de codificación en paralelo de tal manera que la
información suministrada a cada bloque es intercalada en un orden
diferente, y
codificando de forma convolucional recursiva la
información a transmitir en cada bloque a partir de los polinomios
generadores predeterminados, utilizando un grupo de registros
conectados en cascada, y un grupo de medios de adición (620a a
626a), cuyas conexiones están configuradas de acuerdo con un
polinomio generador dado, y
poniendo en correspondencia las salidas de los
registros de cada bloque de codificación como una secuencia de bits
de un conjunto ortogonal de secuencias o un valor complementario del
mismo.
2. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque los bits de salida de los registros
seleccionan una de las secuencias super-ortogonales
a transmitir, siendo transmitido el número de secuencias que es
igual al número de bloques de codificación en paralelo.
3. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque las salidas de los registros de cada
bloque de codificación se ponen en correspondencia con un símbolo de
Walsh o un valor complementario del mismo.
4. Método de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado porque un bit de datos de origen determina si
se transmite un símbolo de Walsh o un complemento del mismo.
5. Método de acuerdo con la reivindicación 3,
caracterizado porque un bit en la salida de un registro
determina si se transmite un símbolo de Walsh o un complemento del
mismo.
6. Método de acuerdo con la reivindicación 1,
caracterizado porque el método comprende la decodificación
iterativa de la señal recibida con dos o más decodificadores en
paralelo que producen, además de un bit decodificado, información
sobre la fiabilidad de la decodificación, y donde la información
sobre la fiabilidad de la decisión de codificación durante cada
pasada de iteración es suministrada a otros decodificadores en
paralelo.
7. Método de acuerdo con las reivindicaciones 3 y
6, caracterizado porque los símbolos de Walsh recibidos o sus
complementos son suministrados a su propio decodificador en
paralelo, y porque la información producida por cada decodificador
sobre la fiabilidad de la decisión tomada es intercalada y
suministrada a otros decodificadores en paralelo, donde dicha
información es utilizada durante la siguiente pasada de
iteración.
8. Equipo para codificación y decodificación de
una señal digital, comprendiendo dicho equipo en el lado de
codificación al menos dos codificadores en paralelo (600, 602), cuya
entrada es la secuencia de datos (604) a transmitir, y medios (606)
para intercalar la secuencia de datos de tal manera que los datos se
encuentran en un orden diferente en cada codificador (600, 602), y
en el lado de decodificación al menos dos decodificadores en
paralelo (700, 702), caracterizado porque
en el lado de codificación, cada codificador en
paralelo (600, 602) comprende un grupo de registros (612a - 618a)
que están combinados conectados en cascada y al que deben
suministrarse los datos a codificar, y un grupo de medios de adición
(620a-626a), cuyas conexiones están configuradas de
acuerdo con un polinomio generador dado, y que añaden las salidas de
los registros (612a-618a) a los datos a codificar, y
medios de puesta en correspondencia (628a), cuya entrada consta de
las salidas de los registros (612a a 618a), y salida (608) de cuyos
medios de puesta en correspondencia comprende un símbolo de Walsh o
un complemento del mismo seleccionado a partir de entradas de dichos
medios de puesta en correspondencia (628a), y porque
en el lado de decodificación, la entrada (704,
706) de cada decodificador en paralelo (700, 702) consta del símbolo
de Walsh recibido o un complemento del mismo y la información de
fiabilidad (718, 720) relativa a la decodificación recibida desde
otros decodificadores en paralelo.
9. El equipo de acuerdo con la reivindicación 8,
caracterizado porque en el lado de codificación, los datos
(630a) a codificar son suministrados a la entrada de los medios de
puesta en correspondencia (628a), que están dispuestos a partir de
dichos datos para determinar si la salida (608) de los medios de
puesta en correspondencia comprenden un símbolo de Walsh o un
complemento del mismo.
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