CN106487391A - 应用于一卷积编码信号的解码方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于一卷积编码信号的解码方法，该方法包含下列步骤：(a)以一第一调整因子调整一第一输入信息，以产生一第一先验信息；(b)依据一***信息与该第一先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第一外部信息；(c)以一第二调整因子调整一第二输入信息，以产生一第二先验信息，其中该第二调整因子是依据该第一外部信息与该第一先验信息而产生；以及，(d)依据该***信息与该第二先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第二外部信息。其中，步骤(b)和(d)其中之一更产生一后验信息以作为一解码结果。

Description

应用于一卷积编码信号的解码方法

技术领域

本发明是关于通讯***，尤其是关于对于卷积码通讯的一接收器所用的一软输出解码器。

背景技术

在数字通讯***传输数据的过程中，往往因为不可预测的干扰而导致接收端接收到错误的讯息。在不增加传输功率的考量下，信道编码能有效降低错误率，其缺点是会占用传输的频宽。然而鉴于大众对数据传输与储存***的需求与日俱增，未来的传输速率将会更快，且越来越讲究服务品质(quality of service，QoS)之下，由于使用信道编码可以保证传输比特的错误率控制在一定范围内，信道编码仍成为***设计的重要考量。

卷积编码(convolutional code)经常使用于信道编码，来避免接收端接收到错误的讯息。在发送端，送出去的一码向量(code vector)或是一信息区块，可以用一栅栏图(trellis diagram)来描述，而栅栏图的复杂度是取决于编码器的限制记忆长度(constraint length)。尽管限制记忆长度越长，计算上就越复杂，但是相对的，这样的编码就越稳健(robustness)。

在接收端，可以采用一软判决解码器(soft-decision decoder)，通过维特比(Viterbi)等运算法，运用栅栏(trellis)架构找出最可能的码向量(maximumlikelihood code vector)以进行解码。但是，维特比运算法的运算复杂度，会随着限制记忆长度增加而指数化的增加。换言之，对于限制记忆长度比较长的卷积编码来说，维特比解码器将会需要相当可观的存储器以及消耗相当多功率来处理运算。

涡轮码(turbo code)被证明可以比一般编码技术有更佳的表现。涡轮码一般是由两个或以上的卷积码，以涡轮交织器处理后所构成。涡轮码的解码则是以迭代的方式，使用一软判决解码器来解码个别卷积码。软判决解码器针对一卷积码进行解码，以提供外部信息(extrinsic information)，而这外部信息可以让软判决解码器针对另一卷积码进行解码时更准确。已知技术中，软判决解码可以采用最大后验概率(Maximum a posteriori probability，MAP)运算法或是软式输出维特比运算法(soft output Viterbi algorithm，SOVA)，前述二者都需要前向递归(forward recursion)以及后向递归(backward recursion)来进行解码，以便决定一信息区块(block)的软式输出。一般而言在较低的信噪比的环境下，涡轮码比起其他的卷积码有更佳的表现。

MAP演算法的计算量相当地大且复杂，而且关系到指数的运算。如果不特别处理的话，往往会大幅地增加解码硬件需求或是解码过程中所产生的时间延迟。

发明内容

本发明的实施例提供一种应用于一卷积编码信号的解码方法，该方法包含下列步骤：(a)以一第一调整因子调整一第一输入信息，以产生一第一先验信息；(b)依据一***信息与该第一先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第一外部信息；(c)以一第二调整因子调整一第二输入信息，以产生一第二先验信息，其中该第二调整因子是依据该第一外部信息与该第一先验信息而产生；以及，(d)依据该***信息与该第二先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第二外部信息。其中，步骤(b)和(d)其中之一更产生一后验信息以作为一解码结果。

本发明的实施例提供一种应用于一卷积编码信号的解码装置。该装置包含有一第一软进软出解码器、一第二数据转换器、一第二软进软出解码器、一第一数据转换器、一第一调整因子产生器、以及一第二调整因子产生器。该第一软进软出解码器依据一***信息与一第一先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第一外部信息。该第二数据转换器依据一第二调整因子，将该第一外部信息转换成一第二先验信息。该第二软进软出解码器，依据该***信息与该第二先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第二外部信息。该第一数据转换器依据一第一调整因子，将该第二外部信息转换成该第一先验信息。该第一调整因子产生器依据该第一先验信息以及该第一外部信息，产生该第一调整因子与该第二调整因子其中之一。该第二调整因子产生器依据该第二先验信息以及该第二外部信息，产生该第一调整因子与该第二调整因子其中之另一。该第一与第二软进软出解码器其中之一更产生一后验信息以作为一解码结果。

附图说明

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明，其中：

图1显示一栅栏。

图2显示一涡轮编码器与解码器。

图3与图4显示依据本发明实施的二个涡轮解码器。

图5与图6显示依据本发明实施的另二个涡轮解码器。

图中元件标号说明：

12：递归***卷积编码器

14：递归***卷积编码器

16：交织器

18：交织器

20：软进软出解码器

22：软进软出解码器

24：交织器

26：解交织器

32：乘法器

34：因子产生器

36：乘法器

38：因子产生器

40、42：因子产生器

50、52、54、56：涡轮解码器

L_a1、L_a2：先验信息

L_e1、L_e2：外部信息

s₁、s₂：调整因子

X：区块码

X^p1、X^p2：检查码

X^s：***区块码

解码结果

Y^p1：检查信息

Y^p2：检查信息

Y^s：***信息

具体实施方式

本发明可以改善软判决解码器于迭代处理下的收敛速度。本发明实施例中的解码器引进了调整因子，用来调整由外部信息经过交织或是解交织处理后所产生的先验信息。此调整因子并不是一个常数，而是会随着先前迭代解码所产生的结果以及先前调整因子的值，动态的变化。

一般来说，卷积码、涡轮码等可以用栅栏(trellis)来表示，如同图1所示。在图1中的栅栏具有13个时间点(steps)，每个时间点有4种可能状态(state)，代表了编码器的限制记忆长度为2。换言之解码图1的栅栏将会得到区块码长度为12的区块码(code of block)。为了说明上的方便，以下将以K表示区块码长度，表示一个区块码所拥有的时间点。如同已知技术所知的，MAP解码器是在栅栏上采用前向递归与后向递归，以产生软输出。MAP解码器基于所收到信息，使解码后的比特错误率最小化。

图2的左半部显示一涡轮编码器；右半部显示一涡轮解码器。涡轮编码器一般是由并行连接(parallel concatenate)的两个递归***卷积(recursivesystematic convolutional)编码器RSC 12与RSC 14所构成，而两个递归***卷积编码器12与14中间以交织器(INT)16相连接。递归***卷积编码器RSC 12依据一区块码X，产生一串检查比特(parity bits)x_k ^p1，整体称为检查码X^p1，其中k＝0～K-1。类似的，递归***卷积编码器RSC 14依据交织后的区块码x_k ^p2，产生检查码X^p2。区块码X又称为***区块码(systematic block code)X^s，由一串***码x_k ^s所构成。***区块码X^s、检查码X^p1、检查码X^p2中的比特，可能通过多工器交错连接而输出到通讯信道。为了提高编码率(code rate)，可将部分的检查比特漏掉不输出，举例来说，相同时间点的检查比特x_k ^p1与x_k ^p2只有部分输出(puncture)到通讯信道，如此，可以使图2的涡轮编码器有较高的编码率。

图2的涡轮解码器接着计算所接收到信息的可靠度，以对数似然比(log-likelihood ratios，LLR)的形式表示，每个LLR表示一个对应的比特为0或1的概率。相对于***区块码X^s、检查码X^p1与检查码X^p2，涡轮解码器产生了***信息Y^s、检查信息Y^p1与检查信息Y^p2。举例来说，***信息Y^s由一串LLRy_k ^s所构成，检查信息Y^p1由一串LLR y_k ^p1所构成，k＝0～K-1。图2的涡轮解码器包含了交织器(INT)18与24、软进软出解码器(soft-input-soft-output，SISO)20与22、以及解交织器(deinterleaver)26；他们之间的运作以及迭代的方式，大致依循BCJR(Bahl,Cocke,Jelinek and Raviv)运算法(algorithm)，也称为MAP演算法。SISO 20依据***信息Y^s以及检查信息Y^p1，外加上先验信息(a-prioriinformation)L_a1，计算出软输出(通常是以LLR表示的最大后验概率)，称为外部信息(extrinsic information)L_e1。经过交织处理后，外部信息L_e1变成先验信息L_a2。SISO 22依据交织后的***信息Y^s、检查信息Y^p2、与先验信息L_a2，计算出外部信息L_e2。外部信息L_e2经过解交织处理后成为先验信息L_a1，回送给SISO 20。经过一次SISO 20或22的处理称为半次迭代(half-iteration)，经过一次SISO 20与22的运算过程称为一次迭代(iteration)。一般来说，这样的迭代循环重复一定固定的次数，或是直到迭代循环中的外部信息L_e1或L_e2的符号变化数量少到一定程度为止。在图2中，当迭代循环重复结束后，SISO 22可以产生一后验信息，其经过解交织处理以及硬判决(hard decision)后，作为解码结果图2并非用于限制本发明，举例来说，在另一实施例中，当迭代循环重复结束后，SISO 20也可以产生另一后验信息，其经过硬判决后，也可以作为解码结果

前述MAP演算法计算在一接收讯息Y的条件下，在时间点k上的讯息比特为数字上的1或0的概率，或是称为后验对数似然比(a posteriori log-likelihoodratio)L(u_k|Y)，其定义如下。

MAP演算法是通过在栅栏上前向与后向递归运算，来计算出每个时间点k上的L(u_k|Y)，其整理后，可以表示为

其中，分支计量(branch metric)r_k(n,m)表示，假定时间点k-1时为状态n的条件下，接收讯息为Y，并且到时间点k时变成状态m的概率；前向状态计量(forward state metric)α_k-1(n)表示，在接收讯息Y的条件下，在时间点k-1时状态处于n的概率，其计算需要参考α_k-2(n)；后向状态计量β_k(m)表示，在接收讯息Y的条件下，在时间点k时，状态处于m的概率，其计算需要参考β_k+1(m)。而分子的总和符号，指的是对所有可能产生u_k＝1的分支，做计算后加总；类似的，分母的总和符号，是指对所有可能产生u_k＝-1的分支，做计算后加总。如同已知技术所知的，前向状态计量α_k(m)、后向状态计量β_k(m)与分支计量γ_k(n,m)可以分别表示如下

其中，A_k是常数，i＝+1或是-1。公式(2)可知，要算出前向状态计量α_k(m)，就必须知道在时间点k之前的前向状态计量α；公式(3)可知，要算出后向状态计量β_k(m)，就必须知道在时间点k之后的后向状态计量β。因此，前向状态计量α_k(m)与后向状态计量β_k(m)一般都是以递归方式计算出来，只是递归的方向刚好相反。公式(4)可以量r_k(n,m)需要指数与乘法运算，不论是以硬件或是软件来实现，都将会非常耗费能源与成本。

Log-MAP演算法利用在对数象限运算，来简化MAP的计算过程。更进一步的，指数与对数的计算，可以通过以下近似的方法来简化。

max^*(x,y)≡ln(e^x+e^y)＝max(x,y)+ln(1+e^-|y-x|) ....(5)

其中，最后一项的对数计算，可以用查表法取得。Max-Log-MAP演算法更进一步的去除掉公式(5)中的最后一项，来近似max*的运算子，如下：

max^*(x,y)＝ln(e^x+e^y)≈max(x,y) ....(6)

SISO 20与22中的解码运算，都是采用最大后验概率(Maximum a posterioriprobability，MAP)运算法来进行解码，而MAP运算法可以是Log-MAP或Max-Log-MAP运算法。

以Log-MAP或Max-Log-MAP演算法处理时，公式(4)就可以整理为

Γ_k(n,m)＝ln(γ_k(n,m))＝2/N₀*(y_k ⁵x_k ⁵(i)+y_k ^px_k ^p(i,n,m))+ln(P(m|n))+K ....(7)

公式(7)中，K是常数，而P(m|n)是前半次迭代所传来的输入信息，例如说先验信息。两个半次迭代之间所交换的输入信息，其分量可以被些许的调整，例如乘上一个调整因子(scaling factor)s_d，来增进涡轮解码器中迭代循环的收敛速度。其中d为1或2，分别对应到SISO 20与22，也就是第1与第2半次迭代。

调整因子s_d可以设为一个固定数值，譬如说0.7。只是，到底是哪一个固定数值比较适切，这往往很难取舍。

图3为依据本发明所实施例的一涡轮解码器50，其中所采用的调整因子s₁与s₂并非是一个固定数值，而是会随着迭代循环的演进，动态地更新。跟图2中的涡轮解码器不同的，涡轮解码器50额外增加了因子产生器38与34，以及乘法器36与32。因子产生器38提供调整因子s₁给乘法器36，其调整先验信息L_a1，产生s₁x L_a1，作为SISO 20新的先验信息。当SISO 20完成半次迭代后，产生外部信息L_e1。此时因子产生器38将依据外部信息L_e1与先验信息s₁xL_a1、以及一特定的公式，找出新的调整因子s₁，采用于下一次迭代循环。因子产生器34与乘法器32则用于另一半次迭代，其操作与原理可以通过了解因子产生器38与乘法器32彼此间的操作与原理而得知，不再累述。

在本发明的一实施例中，举例来说，因子产生器38与34分别依据以下公式(9a)与(9b)计算而产生s₁与s₂。

s₁(I+1)＝s₁(I)+STEP*DIF₁(I)/LEN ....(9a)

s₂(I+1)＝s₂(I)+STEP*DIF₂(I)/LEN .......(9b)

其中，STEP表示一个常数，可以依据需求而预先设定，s₁(I)表示第I次迭代循环的第1半次迭代所采用的调整因子。变异量DIF₁(I)为第I次迭代循环的第1半次迭代的解码后所对应产生的区块码(也就是外部信息L_e1)，与前半次迭代后所对应产生的区块码(也就是先验信息L_a1)，彼此之间有不同的比特的数目总和。变异量DIF₁(I)可以通过第1半次迭代的先验信息L_a1与外部信息L_e1而得知。举例来说，经历了第2次迭代循环中的第1个半次迭代后，外部信息L_e1所对应产生的区块码，与先验信息L_a1所对应产生的区块码，彼此之间有3个比特的差异，因此变异量DIF₁(2)为3。LEN为相关于区块码长度K的一个常数。在一个实施例中，LEN直接等于区块码长度K，譬如为2080。在另一个实施例中，LEN与区块码长度K的关系为LEN＝K*bit/step，bit为information bit，bit/step就是每个step输出的可能性的数量，在一实施例中，K＝2080，bit/step＝2，LEN＝4160。

s₂(I)与变异量DIF₂(I)分别表示第I次迭代循环的第2半次迭代所采用的调整因子，以及第I次迭代循环的第2半次迭代的解码后所产生的变异量。

在一些实施例中，调整因子的起始值s₁(0)与s₂(0)，都设为0.25。在一些实施例中，调整因子s₁与s₂被限定最大值为1。换言之，如果公式(9a)与(9b)所计算得到的调整因子s₁与s₂超过1，那调整因子s₁与s₂就设为1。

从公式(9a)与(9b)可以发现，当下半次迭代所采用的调整因子是由前一次迭代循环中所相对应的半次迭代所采用的调整因子与解码结果所决定。此外，如果前一次迭代循环所产生的变异量DIF_d(I)不是0，那这一次迭代循环所用的调整因子就比前一次迭代循环所用的调整因子大。公式(9a)与(9b)也可以发现，每次迭代循环中所使用的调整因子s₁与s₂，都不会小于前次迭代循环中所使用的调整因子s₁与s₂。

经过电脑模拟证明，采用公式(9a)与(9b)的调整因子，能够让迭代循环快速地收敛，也就是使得变异量DIF_d(I)快速地减少。这样，可以增进涡轮解码器的解码效率。

图4为依据本发明另一实施例的一涡轮解码器52，在此实施例中，因子产生器40与42分别依据以下公式(10a)与(10b)计算而产生调整因子s₂与s₁。

s₂(I)＝s₁(I)+STEP*DIF₁(I)/LEN .......(10a)

s₁(I+1)＝s₂(I)+STEP*DIF₂(I)/LEN .......(10b)

图3与图4中的调整因子都是用来调整先验信息，但本发明并不限于此。举例来说，图5与图6为依据本发明所实施的二个涡轮解码器54与56，其中调整因子是用来调整外部信息。凡调整因子用来调整两个SISO之间交换的输入信息，都是属于本发明的范围。

图5与图3相类似，其中相似或相同的处不再累述。在图5中，因子产生器38与34分别依据公式(9a)与(9b)计算而产生s₁与s₂。图5中的乘法器36将SISO 22所产生的外部信息L_e2乘以调整因子s₁，产生s₁xL_e2送给解交织器26；类似的，乘法器32将SISO 20所产生的外部信息Le1乘以调整因子s2，产生s2xLe1送给交织器24。

图6与图4相类似，其中相似或相同之处不再累述。在图6中，因子产生器40与42分别依据公式(10a)与(10b)计算而产生s2与s1。图6中的乘法器36将SISO 22所产生的外部信息Le2乘以调整因子s1，产生s1xLe2送给解交织器26；类似的，乘法器32将SISO 20所产生的外部信息Le1乘以调整因子s2，产生s2xLe1送给交织器24。

图3与图5中，因子产生器38与34分别依据公式(9a)与(9b)计算而产生调整因子s₁与s₂。其中，每次调整因子的变更，是参考同个半迭代上次使用的调整因子，但本发明并不限于此。在另一个实施例中，图3与图5中的因子产生器38与34分别依据以下公式(11a)与(11b)计算而产生调整因子s1与s2。在(11a)与(11b)中，每次调整因子的变更，是参考前半迭代使用的调整因子。

s₁(I+1)＝s₂(I)+STEP*DIF₁(I)/LEN ....(11a)

s₂(I)＝s₁(I)+STEP*DIF₂(I)/LEN ....(11b)

图4与图6中，因子产生器40与42分别依据公式(10a)与(10b)计算而产生调整因子s₂与s₁。其中，每次调整因子的变更，是参考同个前半迭代使用的调整因子，但本发明并不限于此。在另一个实施例中，图4与图6中的因子产生器40与42分别依据以下公式(12a)与(12b)计算而产生调整因子s2与s1。在(12a)与(12b)中，每次调整因子的变更，是参考同个半迭代上次使用的调整因子。

s₂(I+1)＝s₂(I)+STEP*DIF₁(I)/LEN ....(12a)

s₁(I+1)＝s₁(I)+STEP*DIF₂(I)/LEN ....(12b)

简单来说，每次调整因子的变更，可以参照考同个前半迭代使用的调整因子，或是参照前一半迭代所使用的调整因子；每次调整因子的变更，可以参照同个前半迭代所产生的变异量，或是参照前一半迭代所产生的变异量。因此，至少就有四种组合。这些都属于本发明的实施例。

当迭代循环重复结束后，图3至图6都是从SISO 22产生一后验信息，其经过解交织处理以及硬判决(hard decision)后，作为解码结果在其他的实施例中，也可以从SISO 20产生另一后验信息，其经过硬判决后，作为解码结果

虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (18)

1.一种应用于一卷积编码信号(convolutionally coded signal)的解码方法，该方法包含下列步骤：

(a)以一第一调整因子调整一第一输入信息，以产生一第一先验信息；

(b)依据一***信息与该第一先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第一外部信息；

(c)以一第二调整因子调整一第二输入信息，以产生一第二先验信息，其中，该第二调整因子是依据该第一外部信息与该第一先验信息而产生；以及

(d)依据该***信息与该第二先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第二外部信息；

其中，步骤(b)和(d)其中之一更产生一后验信息以作为一解码结果。

2.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该解码方法是以迭代循环方式对该卷积编码信号进行解码，每一迭代循环包含有下列步骤：

(a1)执行一第一半次迭代；以及

(b1)执行一第二半次迭代；

其中，产生该第一先验信息的步骤与产生该第一外部信息的步骤是属于该第一半次迭代；且

产生该第二先验信息的步骤与产生该第二外部信息的步骤是属于该第二半次迭代。

3.如权利要求2所述的解码方法，其特征在于，该第二调整因子是依据该第一调整因子而产生。

4.如权利要求2所述的解码方法，其特征在于，该第二调整因子是依据一先前的第二调整因子而产生。

5.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该解码方法是以迭代循环方式对该卷积编码信号进行解码，每一迭代循环包含有下列步骤：

(a1)执行一第一半次迭代；以及

(b1)执行一第二半次迭代；

其中，产生该第一先验信息的步骤与产生该第一外部信息的步骤是属于一第N次迭代循环的第一半次迭代；且

产生该第二先验信息的步骤与产生该第二外部信息的步骤是属于一第N+1次迭代循环的第一半次迭代。

6.如权利要求5所述的解码方法，其特征在于，该第二调整因子是依据该第一调整因子而产生。

7.如权利要求5所述的解码方法，其特征在于，该第二调整因子是依据一第N次迭代循环的第二半次迭代所使用的一先前调整因子而产生。

8.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，以该第一调整因子调整该第一输入信息，以产生该第一先验信息的步骤，包含有：

对该调整后的该第一输入信息进行交织处理，以产生该第一先验信息；

其中，该第一输入信息为一外部信息。

9.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该第一输入信息是为经交织处理的一外部信息。

10.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该第二调整因子大于或等于该第一调整因子。

11.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该第二调整因子被限定小于等于一预设值。

12.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该第一先验信息与该第一外部信息可决定一变异量，该第二调整因子是依据该变异量与该第一调整因子而产生。

13.如权利要求1所述的解码方法，其特征在于，该卷积编码信号具有一区块码长度，且该第二调整因子更依据该区块码长度而产生。

14.一种应用于一卷积编码信号的解码装置，该解码装置包含：

一第一软进软出解码器，依据一***信息与一第一先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第一外部信息；

一第二数据转换器，依据一第二调整因子，将该第一外部信息转换成一第二先验信息；

一第二软进软出解码器，依据该***信息与该第二先验信息对该卷积编码信号进行解码，产生一第二外部信息；

一第一数据转换器，依据一第一调整因子，将该第二外部信息转换成该第一先验信息；

一第一调整因子产生器，依据该第一先验信息以及该第一外部信息，产生该第一调整因子与该第二调整因子其中之一；以及

一第二调整因子产生器，依据该第二先验信息以及该第二外部信息，产生该第一调整因子与该第二调整因子其中的另一；

其中，该第一与该第二软进软出解码器其中之一更产生一后验信息以作为一解码结果。

15.如权利要求14所述的解码装置，其特征在于，该第一数据转换器包含有串接的一第一乘法器以及一解交织器，该第一乘法器受控于该第一调整因子；以及，该第二数据转换器包含有串接的一第二乘法器以及一交织器，该第二乘法器受控于该第二调整因子。

16.如权利要求15所述的解码装置，其特征在于，该第一乘法器接收该解交织器的一输出。

17.如权利要求15所述的解码装置，其特征在于，该解交织器接收该第一乘法器的一输出。

18.如权利要求14所述的解码装置，其特征在于，该第一先验信息与该第一外部信息可决定一变异量，该第一调整因子产生器是依据该变异量，提供该第一调整因子与该第二调整因子其中之一。