CN1255953C - 信道编码的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于其数值彼此不同程度关联的参数的信道编码方法，其中，具有较好距离特性的码字至少部分地与具有较强关联数值的参数关联；具有较差距离特性的码字至少部分地与具有较弱关联数值的参数相关联。

Description

信道编码的方法

本发明涉及一种参数的信道编码方法，其参数数值不同程度地彼此关联。

最近几年，移动通信领域技术的迅猛发展导致开发出所谓的自适应多速率(AMR)窄带和宽带语音编解码，用于像GSM/EDGE和UMTS等未来的移动通信标准。通过AMR编解码，可以对所要传递数据的全部数据速率以及数据速率在源编码和信道编码上的分配根据信道状态和网络条件(***负荷)自适应调整。这种AMR语音编解码的主要目的在于，在不同的信道条件下，取得语音的固定网络质量和在考虑到某些网络参数情况下保证信道资源的最佳分配。

一个AMR具有多个编解码模式(Modi)，其提供编码语音位的不同速率。对于有限的传递带宽来说，要让AMR在良好的信道条件下和/或者高度全负荷的无线蜂窝站中以高速率模式工作。在较差的信道条件下，让它动态地向低速率模式转换。由此在考虑到变换的信道条件下以产生最佳的语音质量。

在GSM/EDGE***中，在20ms(无论是在全速率还是在半速率信道内)的每个语音帧中储存2位(模式位)，它们构成所谓的识别符，最多可以提供AMR编解码4个不同的模式(CODEC_MODE_1，CODEC_MODE_2，CODEC_MODE_3和CODEC_MODE_4)。识别符的2位id(1)，id(0)借助于信息组代码编码。在此方面可以为每个参数值配备一个代码字。将通过识别符发送信令(最大4个)模式的集合在AMR窄带下原则上称为8个可能的编解码模式被称为有源编解码集合(Active Codec Set)。至少这种有源编解码集合对基站和移动站是已知的。因为2模式位与编码的语音位共同在一个信道内传递，所以它们也被称为带内数据(参见表1和表2)。

识别符(GSM05.09定义)	接收的带内数据id(1)，id(0)	SID和RATSCCH帧的带内编码数据Ic(15)，…，ic(0)	语音帧的带内编码数据ic(7)，…，ic(0)
				CODEC MODE 1	00	0101001100001111	00000000
CODEC MODE 2	01	0011111010111000	10111010
				CODEC MODE 3	10	1000100001100011	01011101
CODEC MODE 4	11	1110010111010100	11100111

表1  全速率(TCH/AFS)下自适应多速率语音信道内参数“识别符”的信道编码(摘自GSM 05.03，3.9节)

识别符(GSM05.09定义)	接收带内数据id(1)，id(0)	SID和RATSCCH帧的带内编码数据Ic(15)，…，ic(0)	语音帧的带内编码数据ic(3)，…，ic(0)
				CODEC MODE 1	00	0101001100001111	0000
CODEC MODE 2	01	0011111010111000	1001
				CODEC MODE 3	10	1000100001100011	0111
CODEC MODE 4	11	1110010111010100	1110

表2  半速率(TCH/AHS)下自适应多速率语音信道内参数“识别符”的信道编码(摘自GSM 05.03，3.10节)

在接收侧上，首先将后面也称为参数的该识别符解码，接着根据该解码结果并根据实际编解码模式测定语音位。如果参数以及编解码模式例如由于接收信号很差而错误识别，语音帧就会译码错误，语音信息也会丢失。

呼叫建立或者转移时的初始-编解码模式(Initial Codec Mode)按下列模式确定：

如果使用所有4个编解码模式，那么初始-编解码模式就是具有次最低速率的有源编解码装置的编解码模式；否则就是具有最低速率的编解码模式。在任何情况下，从帧(k-1)到帧k的编解码模式只向其“相邻的”编解码模式转移或者保留在本身的编解码模式中(参数值时间上的关联)。禁止向非相邻的模式跃迁，例如从CODEC_MODE_1向CODEC_MODE_3(参见表3)。换句话说：参数“识别符”记忆它是否从帧到帧关联(时间上关联的帧间关联)。参数“识别符”的记忆导致有限改变编解码模式，或者等效，有限改变从帧(Frame)(k-1)到帧k的码字(CW₁，...CW₄)。

表3

因此，本发明的目的在于，提供一种用于时间上或位置上关联参数信道编码的方法，它可以可靠地和费用低廉地传递参数。

该目的通过独立权利要求的特征得以实现。所具有的优点和依据该目的的进一步构成产生于从属权利要求。

因此，本发明以该设想为依据，即在参数编码时考虑参数值的关联或“记忆”，从而在解码时可以对其加以利用。为此，将参数值变换到与参数值的关联相应的码字上。特别是将参数这样编码或将其数值这样反映在码字上，将具有更好距离特性的码字分配给“相邻的”或关联较强的参数值。在上述例子中，涉及到可从实际参数值直接转换的那些参数值。具有较差距离特性的码字分配给关联较弱的(非-相邻的)参数值。

在本发明的框架内，参数应理解为可携带任意数值的任意量。时间点或者位置点也可以看作是“帧”(Frame)。因为一个码字完全相当/分配一个参数值，所以下面不需经常在“参数值”和“码字”的概念之间进行区分。

通过本发明，在不增加复杂程度(计算花费和存储器需求)情况下就能取得比公知的信道编码更好的整体性能，对失去记忆的参数是最佳的。

下面借助优选实施例对本发明作详细说明，其中，信道编码在使用块码的条件下进行，但是对实施本发明并非必需的；具体地说，本发明在上述本申请知识的基础上可以采用其他许多编码模式，特别是信道编码。

A.信道码(代码)的距离特性

信道码一般具有一定数量的码字。一个代码(母码)任意部分的码字也可形成子代码，其中，子代码的所***字也是相应母码的码字。(两个码字的)距离经常也理解为汉明-距离，即位的位置的数量，其中两个码字的数值不同。像两个码字的欧几里德-距离这样的其他距离在本发明中同样可以使用。

一个代码所有可能码字对的距离数量形成分布(A(w)，用于w＝d_min，d_min+1，…具有最小的汉明-距离d_min)，其中，A(w)表示具有距离w码字对的数量或者(标准化的)相对频率。对归一化的相对频率适用，

$\underset{w=d_{\min }}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}A\left(w\right)=1$

平均距离为

$d_{\mathrm{av}}=\underset{w=d_{\min }}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wA}\left(w\right)$

如果代码码字的数量占用较大的最小或者/和平均的最小距离，那么，一般来说这个代码具有比具有相同代码率和相同码字尺度的其他代码更好的距离特性。特别是可以按照下列标准对距离特性进行判断：

-代码C｀，具有最小汉明-距离d｀_min和相对频率(A｀(w))，具有比具有最小汉明-距离d_min和相对频率(A(w))的代码C更好的距离特性，

如果d｀_min＞d_min

或者如果d｀_min＝d_min和

${d^{\′}}_{\mathrm{av}}=\underset{w={d^{\′}}_{\min }}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}w{A}^{\′}\left(w\right)>d_{\mathrm{av}}=\underset{w=d_{\min }}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wA}\left(w\right)$

-代码C｀具有比代码C更好的距离特性，

如果

d｀_min＞d_min

或者如果d｀_min＝d_min和

A｀(w)＝A(w)，其中w＝d_min，d_min+1，…，w₀(w₀≥d_min)

和

A｀(w₀)＜A(w₀)。

像d_min和d_av这样代码的距离特性在确定纠错能力方面基本上具有更好距离特性，即更大的d_min和d_av的代码也具有更好的纠错能力。到目前为止，在所要编码的数据没有记忆的前提下设计了大部分好的代码。如果数据中或者参数中存在记忆，那么一般这种代码不再是最佳的。

如表1和2中所示，将表示编解码模式的参数分块编码。为SID(SilenceDescriptor)和RATSCCH(Robust AMR Traffic Synchronized Control Channel加强AMR通信同步控制信道)帧产生16位长度的码字：

CW_m＝ic(15)，…ic(0)，m＝1，2，....，4。

为语音帧产生全速率信道中8位长度的码字：

CW_m＝ic(7)，…ic(0)在全速率信道中和

半速率信道中4位长度的码字：

CW_m＝ic(3)，…ic(0)。

下面探讨半速率信道(表2)中语音帧的简化情况。所有4个不同码字之间的汉明-距离在表4中列出。

码字	CW1＝0000CW2＝1001CW3＝0111CW4＝1110
		汉明-距离	d(CW1，CW2)＝2d(CW1，CW3)＝3d(CW1，CW4)＝3d(CW2，CW3)＝3d(CW2，CW4)＝3d(CW3，CW4)＝2

表4  TCH/AHS内语音帧的块码码字的汉明-距离。

B.无/有记忆参数的解码

对参数解码的简单评价是计算码字与表达为信道软数值输入矢量接收的模式位之间的关联。选择模式(代码模式)，其中具有输入矢量的关联是最大的(最大似然解码)。

在下面的例子中，对编码的模式位来说专门接收具有各自采用8位量化的4个软数值r＝(r₃，r₂，r₁，r₀，)的矢量。在此方面，r_i＝+127的数值相当于可靠接收的“0”，r_i＝-127的数值相当于可靠接收的“1”。

现在为每个模式m＝1，…，4计算关联corr_m(＝r和CW_m之间的关联)，其中，码字CW_m用“+1/”/“-1”替代“0”/“1”(在例如表4中)。

因此得出：

corr₁＝+r₃，+r₂，+r₁，+r₀

corr₂＝-r₃，+r₂，+r₁，-r₀

corr₃＝+r₃，-r₂，-r₁，-r₀

corr₄＝-r₃，-r₂，-r₁，+r₀

下面具体举例说明工作原理。发射CW₂＝1001。在理想的信道中，接收器收到矢量r＝(-127，+127，+127，-127)。然后得出：

corr₁＝0

corr₂＝+508＝最大

corr₃＝-254

corr₄＝-254

解码器正确判断在模式CODEC_MODE_2(即CW₂)上。

在噪音大的信道中也可以校正某些错误。例如为CW₂接收矢量(r₃，r₂，r₁，r₀，)＝(-6，+2，+3，+5)，其中，黑体打印的位“+5”错误，因此适用：

corr₁＝+4

corr₂＝+6＝最大

corr₃＝-16

corr₄＝+6＝最大

在这种情况下，不能够再在CW₂和CW₄之间做出判断。当然，如果考虑到参数记忆，例如，如果在最后的帧(k-1)中CODEC_MODE_1(＝CW₁)或者CODEC_MODE_2(＝CW₂)已经非常可靠地解码，那么，解码器可以对CW₂做出正确判断，因为从帧(k-1)到现在的帧k不能从CW₁或者CW₂转换到CW₄。在这种情况下，本来就没必要计算corr₄。

C.无/有记忆参数的距离特性

如果时间点k上的所有编解码模式(即所***字)在解码时均可采用(即不存在记忆)，

那么为表4中具有4个码字的代码C得出最小汉明-距离

d_min＝2

和相对频率

A(w)＝2/6其中w＝2

A(w)＝4/6其中w＝3

A(w)＝0在其他情况下

因此为

$d_{\mathrm{av}}=\underset{w=d_{\min }}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wA}\left(w\right)=16/6$

如果时间点(k-1)上的参数处于CODEC_MODE_1内，那么在时间点k上只能是CODEC_MODE_1和CODEC_MODE_2(参见图1)。它相当于具有仅两个码字CW₁和CW₂的子代码，其中

d_min＝2

A(w)＝1用于w＝2

A(w)＝0在其他情况下

$d_{\mathrm{av}}=\underset{w=d_{\min }}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{wA}\left(w\right)=2$

在解码时，仅考虑关联corr₁和corr₂。

在实践中，存在其他典型的情况：CW₂是时间点(k-1)上的实际码字，CW₃时间点k上的实际码字，但是CW₂在时间点(k-1)上作为CW₁解码。为了能够在时间点k上将该码字作为CW₃解码，CW₃必须作为包含在子代码中的码字，在时间点k上解码时应对其考虑。这样也应允许从CW₁向CW₃转换，以便进一步避免解码器错误。当然，这种转换与像CW₂向CW₃的正常转换相比概率非常小。此外可以设想，由于多个解码器错误，甚至也可以从CW₁向CW₄连续转换。但是这种转换的概率非常小，以至于可以忽略。出于这一原因，不考虑在为辨别CW₁和CW₄解码时起决定作用的距离d(CW₁，CW₄)。为考虑到这种效果，我们在我们的例子中定义一个专用的子代码，它具有母码(CW₁，CW₂，CW₃，CW₄)的所***字，但是在考虑距离特性时忽略距离d(CW₁，CW₄)。在对有记忆的参数解码时，同样要考虑到该子代码与母码一般并不相同的距离特性。

一般对有记忆的参数来说，不仅无记忆参数母码的距离特性，而且分配给很强关联参数值组的所有那些子代码的距离特性都是关键的。表5示出时间点(k-1)上可以已知模式所有子代码的d_min和d_av的结果。

可以看出，不同的子代码(或者相应的参数值组)可以重叠，即相同的码字存在于不同的子代码中。如表5所示，CW₂属于子代码(CW₁，CW₂)(用于时间点(k-1)上CODEC_MODE_1)，(CW₁，CW₂，CW₄)(用于CODEC_MODE_2)等。

D.寻找有记忆参数的最佳代码

对有记忆的参数来说，纠错能力主要由单个子代码的距离特性决定。因此，应这样选择这些参数值的码字，使其产生分配给校正参数值组的所有子代码的尽可能好的距离特性(例如最大的d_min和d_av)。

帧k-1中的已知码字	帧k中在解码时所要考虑的子代码	dmin	平均距离dav
				未知	(CW1，CW2，CW3，CW4)	2	8/3
d(CW1，CW4)忽略	(CW1，CW2，CW3，CW4)	2	13/5
				CW1(0000)	(CW1，CW2)	2	6/3
CW2(1001)	(CW1，CW2，CW3)	2	8/3
				CW3(0111)	(CW2，CW3，CW4)	2	8/3
CW4(1110)	(CW3，CW4)	2	8/3

表5  用于TCH/AHS中语音帧“识别符”解码规定的块码子代码的距离特性。

帧k-1中的已知码字	帧k中在解码时所要考虑的子代码	dmin	平均距离dav
				未知	(CW｀1，CW｀2，CW｀3，CW｀4)	2	8/3
d(CW｀1，CW｀4)忽略	(CW｀1，CW｀2，CW｀3，CW｀4)	2	14/5
				CW｀1(0000)	(CW｀1，CW｀2)	3	9/3
CW｀2(1110)	(CW｀1，CW｀2，CW｀3)	2	8/3
				CW｀3(0111)	(CW｀2，CW｀3，CW｀4)	2	8/3
CW｀4(1001)	(CW｀3，CW｀4)	3	9/3

表6  用于TCH/AHS中语音帧“识别符”解码优化的块码(CW｀₁＝CW₁，

CW｀₂＝CW₄，CW｀₄＝CW₂)子代码的距离特性。

如果存在码字转换CW₁(k-1)→CW_m(k)(＝参数值的转换)从帧(k-1)向帧k，即P(CW_m(k)CW₁(k-1))概率的准确信息，(1，m，n＝1，2，…)，那么在代码设计时可以考虑该信息。

如果P(CW_n(k)CW₂(k-1)≥P(CW_m(k)CW₁(k-1))，那么应这样产生码字CW₁，CW_m和CW_n，使其适用汉明-距离d(CW_n，CW₁≥d(CW_m，CW₁)。如果按照这种模式确定所***字CW₁，CW_m和CW_n，它就是本方法的通用数学公式。对于相互排除的码字CW₁和CW_m来说，适用P(CW_m(k)CW₁(k-1))＝0。然而，一般d(CW_m，CW₁)＞0，因为否则CW_m和CW₁就成为唯一的码字。

例如参数在帧(k-1)为CW₂(参见表3)。如果P(CW₃(k)CW₂(k-1)≥P(CW₁(k)CW₂(k-1)≥P(CW₄(k)CW₁(k-1)＝0，(因为CW₁和CW₄相互排除)，那么应这样产生CW₁，CW₂，CW₃和CW₄，使其适用d(CW₃，CW₂)≥d(CW₁，CW₂)≥d(CW₁，CW₄))。

如果依据上述标准选择出最佳代码，那么引人注目的是一般存在多个具有相同距离特性的代码。这种代码例如在块码中可以通过任意矢量相加产生所***字或者/和通过所***字任意位的位置的同时交换产生。

表6示出按照参数记忆优化的，具***字CW｀₁＝CW₁，CW｀₂＝CW₄，CW｀₃＝CW₃，CW｀₄＝CW₂的代码的距离特性。该代码具有比表2中的块码更高的纠错能力。如果模式CODEC_MODE_1或者CODEC_MODE_4处于帧(k-1)内，那么优化块码的子代码具有最小汉明-距离3，利用它甚至在较难判断时也能校正错误。与此相反，具有最小汉明-距离2的规定块码的子代码在较难判断时不能校正错误。

E.依据参数记忆分配码字

上述分析表明，由于可能多个连续的解码器错误-虽然对此的概率非常小-不仅各子代码，而且母码也具有尽可能好的距离特性，以便取得尽可能好的性能。如果不存在较强的参数关联，这一点是特别重要的。

在本申请中提出一种方法，其中，首先考虑到对无记忆参数优化的代码，特别是其最小汉明-距离(d_min)为最大，然后码字有目的地分配不同的参数值。具体地说，如上述例子所表明的那样，这样分配码字，使关联参数值各组的子代码具有尽可能好的距离特性。按照这种模式无论是无记忆参数还是有记忆参数的优化代码均能取得良好的性能。

如果存在像P(CW_m(k)CW₁(k-1)这样进一步更详细的信息，那么在分配码字时同样可以考虑该信息。如果P(CW_n(k)CW₁(k-1))≥P(CW_m(k)CW₁(k-1))，那么，如果可能，应按照标准d(CW_n，CW₁)≥d(CW_m，CW₁)分配码字CW₁，CW_m和CW_n。因为在这种情况下所***字已经确定，所以我们可以首先将P(CW_m(k)CW₁(k-1)和d(CW_m，CW₁)(1≠m)按其大小分类，接着将适用的码字分配到参数值。

如表4所示，取得带CW₁和CW₂(或者CW₃和CW₄)的最小汉明-距离。因此应将CW₁和CW₂(或者CW₃和CW₄)分配给相互排除的参数值CODEC_MODE_1和CODEC_MODE_4。如果分配给参数值CODEC_MODE_1和CODEC_MODE_4，例如CW₁和CW₂，那么，仍然存在可以分别分配CW₃和CW₄的参数值CODEC_MODE_2和CODEC_MODE_3。

按照这种模式(偶然)获得表6中相同的结果，其中子代码(CW｀₁和CW｀₂)，(CW｀₃和CW｀₄)具有比具有d_min＝2的子代码(CW₁和CW₂)，(CW₃和CW₄)更好的具有d_min＝3的距离特性。无记忆参数的性能保持不变。

采用这种方法，可以对TCH/AFS(参见表7和8)中语音帧和SID和RATSCCH帧(参见表9和10)的代码优化。

帧k-1中的已知码字	帧k中在解码时所要考虑的子代码	dmin	平均距离dav
				未知	(CW1，CW2，CW3，CW4)	5	16/3
d(CW1，CW4)忽略	(CW1，CW2，CW3，CW4)	5	26/5
				CW1(00000000)	(CW1，CW2)	5	15/3
CW2(10111010)	(CW1，CW2，CW3)	5	16/3
				CW3(01011101)	(CW2，CW3，CW4)	5	16/3
CW4(11100111)	(CW3，CW4)	5	15/3

表7  用于TCH/AFS中语音帧的“识别符”解码的在GSM 05.03中规定的块码子代码的距离特性。

帧k-1中的已知码字	帧k中在解码时所要考虑的子代码	dmin	平均距离dav
				未知	(CW｀1，CW｀2，CW｀3，CW｀4)	5	16/3
d(CW｀1，CW｀4)忽略	(CW｀1，CW｀2，CW｀3，CW｀4)	5	27/5
				CW｀1(00000000)	(CW｀1，CW｀2)	6	18/3
CW｀2(11100111)	(CW｀1，CW｀2，CW｀3)	5	16/3
				CW｀3(01011101)	(CW｀2，CW｀3CW｀4)	5	16/3
CW｀4(10111010)	(CW｀3，CW｀4)	6	18/3

表8  用于TCH/AHS中语音帧的“识别符”解码的优化的块码(具有CW｀₁＝CW₁，CW｀₂＝CW₄，CW｀₃＝CW₃，CW｀₄＝CW₂)子代码的距离特性。

帧k-1中的已知码字	帧k中在解码时所要考虑的子代码	dmin	平均距离dav
				未知	(CW1，CW2，CW3，CW4)	10	32/3
d(CW1，CW4)忽略	(CW1，CW2，CW3，CW4)	11	53/5
				CW1(0101001100001111)	(CW1，CW2)	11	33/3
CW2(0011111010111000)	(CW1，CW2，CW3)	10	32/3
				CW3(1000100001100011)	(CW2，CW3，CW4)	10	32/3

CW4(1110010111010100)

(CW3，CW4)

11

33/3

表9  用于SID和RATSCCH帧的“识别符”解码的在GSM 05.03中规定的块码子代的距离特性。

帧k-1中的已知码字	帧k中在解码时所要考虑的子代码	dmin	平均距离dav
				未知	(CW｀1，CW｀2，CW｀3，CW｀4)	10	32/3
d(CW｀1，CW｀4)忽略	(CW｀1，CW｀2，CW｀3，CW｀4)	10	54/5
				CW｀1(0101001100001111)	(CW｀1，CW｀2)	11	33/3
CW｀2(0011111010111000)	(CW｀1，CW｀2，CW｀3)	10	32/3
				CW｀3(1110010111010100)	(CW｀2，CW｀3，CW｀4)	10	32/3
CW｀4(1000100001100011)	(CW｀3，CW｀4)	11	33/3

表10  用于SID和RATSCCH帧的“识别符”解码的优化块码(具有CW｀₁＝CW₁，CW｀₂＝CW₂，CW｀₃＝CW₄，CW｀₄＝CW₃)子代码的距离特性。

参考文献

[1]GSM 05.03，“数字蜂窝电信***(相位2+)；信道编码，”1999，2000颁布。

[2]GSM 05.09，“数字蜂窝电信***(相位2+)；链路适应，”1999，2000颁布。

Claims (9)

1.参数的信道编码方法，

-其中，参数的数值不同程度地在时间上或位置上关联，

-其中，将参数的数值反映在码字上，

-其中，码字具有彼此不同的距离，以及

-其中，参数的数值按以下方式被反映到码字上：将相对强烈彼此关联的参数的数值反映到具有彼此相距较大距离的码字上。

2.参数的信道编码方法，

-其中，参数的第一数值和参数的第二数值各自构成数值对，其中，至少部分地参数的第二数值不同程度地取决于参数的第一数值，

-其中，将参数的数值反映在码字上，

-其中，码字具有彼此不同的距离，以及

-其中，参数的数值按以下方式被反映到码字上：与其第二数值与第一数值较弱关联的数值对相比，其第二数值与第一数值较强关联的数值对被反映到彼此具有较大距离的码字上。

3.参数的信道编码方法，

-其中，参数的数值在时间上或位置上彼此关联，以及

-其中，具有较好距离特性的码字至少部分地被分配到较强关联的参数数值；具有较差距离特性的码字至少部分地被分配到较弱关联的参数数值。

4.按前述权利要求之一所述的方法，

-其中，将参数的相互排除的数值分配到具有相当差的距离特性的码字。

5.按权利要求1-3之一所述的方法，

-其中，使用对无记忆参数优化的信道编码，其中，特别是使用对无记忆参数优化的信道代码。

6.按权利要求1-3之一所述的方法，

-其中，使用最小汉明-距离最大化的信道编码，其中，特别是使用其最小汉明-距离最大化的信道码。

7.按权利要求1-3之一所述的方法，

-其中，在使用块码的情况下进行信道编码。

8.按权利要求1-3之一所述的方法，

-其中，参数用于适应多速率-代码模式的发送信令。

9.对按前述权利要求之一所述方法被信道编码的参数进行解码的方法

-其中，考虑参数的关联。