CN1319301C - 在一个帧内结构性信息的信道编码或者译码的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
在一个帧的内部传输第一信息和用于说明第一信息编码的第二信息，其中在不同的编码方式的情况下不依赖于编码的方式统一地信道编码第一信息的第一部分。应用第一信息的第一部分用于第二信息的译码。
Description
本发明涉及在一个帧内结构性信息的信道编码或者译码的方法和装置，特别是在一个适配的多速率编码的帧内。
象语言、声音、图像和视频信号的源信号或者源信息几乎始终含有统计学的冗余，也就是冗余信息。通过源编码可以显著降低这些冗余，因此能够有效地传输或者存储源信号。在传输之前冗余减少消除了冗余的信号内容，这些冗余的信号内容基于例如信号变化的统计参数的基础知识。源编码的信息(源位或者数据位)的位速率也称作源位速率。在传输之后在源译码时这些部分再度被添加信号，客观上没有品质损失是可以证明的。
另一方面，在信号传输时通过信道编码再度添加目标明确的冗余是通常的，以便尽可能地消除由于信道干扰对传输的影响。通过附加冗余位因此使接收机或者译码器能够识别并且甚至于也校正错误。信道编码信息的位速率也称作总位速率。
为了借助于一个传输媒介、特别是一个无线接口的有限传输容量尽可能有效地传输信息、特别是语言数据、图像数据或另外的有效数据，在传输之前通过源编码压缩必需传输的信息，并且通过信道编码防止信道错误。为此已知了各不同的方法。例如在GSM(全球移动通信***)中借助于全速率语言编码译码器、半速率语言编码译码器或增强全速率语言编码译码器可以对语言编码。
在这个申请的范围内编码和/或相应译码的方法称作语言编码译码器或编码，该方法也可以包含一个源和/或信道编码，也可以应用另外的数据作为语言数据。
在欧洲移动无线标准GSM的改进的范围内，扩展一个适合于编码语言传输的新标准，其能够按信道状态和网络条件(***负载)适配地调整全部数据传输率以及数据传输率在源编码和信道编码上的分配。对此代替上面描述的、表明固定源位速率的语言编码译码器使用新的语言编码译码器，其源位率是可变的，并且其本身适应信息传输的其它帧条件。这样的AMR(适应的多速率)语言代码的主要目标是，在不同信道条件下达到语言的固定网质量，并且考虑到确定的网络参数保证信道容量的最佳分配。在实施通常的源编码方法之后压缩信息结构性地存在于帧内，其中按应用的代码模式可以从帧到帧地区分源位速率。为了实现单一的总位速率，按源位速率或者编码模式不同地、特别是以不同的速率如此地信道编码在一个帧的内部包含的信息，即在信道编码之后存在的总位速率与选出的信道模式(半速率或全速率)一致。例如如此的AMR语言编码译码器在好的信道条件下和/或在高的加满载的无线蜂窝中以半速率(HR)信道工作。在差的新到条件下应当动态地更换到全速率(FR)信道并返回。在一个如此的信到模式(半速率或全速率)内部，对于不同的语言和信道编码速率提供不同的代码模式使用，其同样根据信道容量选择(速率匹配)。对此在一个信道模式内部在信道编码之后总位速率保持恒定(在全速率RF中22.8kbit/s，并且在半速率HR中11.4kbit/s)。因此考虑到易变的信道条件得出最好的语言质量。在一个如此匹配的编码的情况下也依赖于传输链路的信道条件、依赖于确定的网络参数的要求或者依赖于语言按照不同的编码模式进行语言编码，该语言编码例如含有不同的速率(可变的源速率)。由于在信道编码之后总位速率应当保持恒定，所以在信道编码时添加相应匹配的可变数目的错误保护位。
如果接收方关于发送方使用的编码方法、特别是源位速率和/或发送方使用的信道编码模式的信息是已知的，则为了译码在传输之后如此可变编码的信息是有益的。为此能够产生发送方确定的位、所谓的模式位，其例如表明以其进行源或者信道编码的速率。
这是已知的，不依赖于具有字组代码的源位(数据位)保护并传输这个模式位。因此可以首先译码这个所谓的模式位，并且此外、依赖于这个第一译码结果、确定源位。这个方法不利的是，在模式位中误码率相对是高的，因为特别是在带有衰落的移动无线信道中基于低的字组长度译码的校正能力是低的。
有选择地这是可能的，即以多个步骤实施译码。为此首先根据第一模式译码，并且借助于CRC(循环冗余检验)确定，是否这个模式是合理的。如果不是这种情况，根据一个另外的编码模式译码，并且重新检验结果。以所有模式重复这个方法，直到存在一个合理的结果。这个作法的缺点在于高的计算费用，其导致增高的电流消耗和译码的延迟。
从US 5537410已知了传输用于在一个帧中显示速率的信息。
本发明基于这个问题，给出一个信道编码或者译码的方法和装置，该方法能够通过编码的方法简单并可靠地传递信息。
根据独立权利要求的特征解决这个问题。从从属要求中得出本发明的改进。
为了解决这个任务指出一个方法，在该方法中，在不同的编码形式的情况下不依赖于编码形式统一地信道编码第一信息的第一部分，例如有用信息。
因此保证，可以使用第一信息的第一部分用于第二信息的译码，其用于描述第一信息的编码，并且因此通过用于第二信息编码的卷积码的字组长度的为此包含的扩大以更好的质量可以实施第二信息的校正。按照上述的试错原理可以避免多次译码。
对此描述第一信息编码的信息可以包含用于描述源编码和/或信到编码和/或另外用于第一信息译码的信息、比如编码的形式(第一信息的源编码和/或信道编码)或编码速率(第一信息的源编码和/或信道编码)。
特别是如果适当地以不同的方式可以实现信息的编码，则可以有益地使用本发明。
在本发明的一个扩展中，至少第一信息的第二部分的、例如有用信息的信道编码速率匹配于传输信道的质量和/或网络负载。因此这是可能的，即信道编码本身适应通信***的另外帧条件，并且这个发送方的匹配以简单并可靠的方式传递到接收机。
在另外的扩展中，第二信息包含信令信息和/或用于描述接收质量的信息，以便依赖于当前的接收结果影响发射机。因此这是可能的，按照调节环原理控制信息的传输。
为了信道编码，有益地使用卷积码，并且第一信息的第一部分的长度至少大致匹配使用的卷积码的作用长度，这个第一部分被统一信道编码。
此外通过用于在帧内结构性信息译码的方法解决这个问题，在这个方法中使用第一信息的第一部分用于译码第二信息。这使具有足够大字组长度的第二信息的编码传输成为可能，并且避免根据上述试错原理的复杂的多次译码。
特别是如果在信息传输帧内发送方按照上述方法中的一个编码信息，则如此实施的译码是有益的。
此外通过用于在帧内结构性信息的信道编码或者译码的装置解决这个问题，在这个装置中分别如此地建立一个数字信号处理器，即在不同方式编码的情况下不依赖于编码的方式可以统一地信道编码第一信息的第一部分，或者可以使用第一信息的第一部分用于第二信息的译码。这个装置特别适合于实施根据本发明的方法或该方法前面阐述的改进中的一个。
下面根据下面的图说明并阐述实施例。对此特别说明了信息的数字传输。然而本发明也可以用于存储信息，因为关于本发明在存储介质上写信息和从存储介质上读信息与信息的发送和信息的接收一致。
图1移动无线***的原理电路图；
图2通信技术的传输链的主要元件的概括描述；
图3匹配的编码格式的概括描述；
图4在全速率信道中匹配的编码格式的概括描述；
图5在半速率信道中匹配的编码格式的概括描述；
图6处理器单元的原理电路图。
在图1中描述的移动无线***在其结构上与已知的GSM移动无线***一致，其包括多个移动交换中心MSC，这些交换中心彼此交联或者建立到一个固定网PSTN的访问。此外这些移动交换中心MSC与各至少一个基站控制器BSC连接，其可以通过一个数据处理***形成。每个基站控制器BSC再与至少一个基站BS连接。一个如此的基站BS是一个无线设备，其经过无线接口可以建立到无线设备，所谓的移动站MS的无线连接。
基站的信号的作用范围根本上定义一个无线蜂窝FZ。可以通过控制设备，比如基站控制器BSC，控制象无线频带一类的资源分配给无线蜂窝并因此分配给传输的数据包。基站BS和基站控制器BSC可以组合为一个基站***BSS。
基站***BSS为此也主管无线信道调度、数据传输率匹配、无线传输链路的监控、移交过程、连接控制并且同样主管应用的语言代码的分配和信令化，并且同样传递相应的信令信息给移动站MS。也可以经过信令信道实现如此信令信息的传递。
根据这个说明，在UMTS(通用移动通信***)中在任意一个传输方法中、比如DECT、WB-CDMA或多方时传输方法(GSM/WB-CDMA/TD-CDMA)、本发明也可以用于另外信息的信令化，比如信息的形式(数据、语言、图像、等等)和/或器编码、转换信息。
图2指出了一个产生源信号qs的源Q，由源编码其QE、象GSM全速率语言编码器、把这些源信号压缩为包括符号的符号串。在参数的源编码方法中，由源Q产生的源信号qs(例如语言)划分为字组(例如时间帧)，这些字组被分开处理。源编码器QE产生量化的参数(例如语言系数)，这些参数在下面也称作符号串的符号，并且其在当前的字组中以某种方式反映源的特性(例如语言的频谱、滤波参数)。这些符号在量化后具有一个确定的符号值。
通过二进制变换(分配规则)，其常常描述为源编码QE的一部分、符号串的符号或者相应的符号值变换为一组二进制代码值，其分别具有多个二进制位。如果例如连续作为二进制代码值组继续处理这些二进制的代码值，则产生一组源编码的二进制位，其可以嵌入帧结构中。
借助于在这里没有阐述的方法例如电话语言信号的原始速率(64kbit/sμlaw、104kbit/s线性PCM)被明确降低(大约5kbit/s-13kbit/s，依赖于编码方法)。此外在这个位流中对编码之后的语言质量产生不同影响。此外在一些位中导致无法理解或嘈杂的噪声，此外，与此相比在另外的位中几乎不可能察觉。这导致在源编码QE之后把位分类，通常不同地保护这些种类防止错误(例如：GSM全速率代码：种类1a、1b、2)。在如此实施的源编码之后源位或数据位db以依赖于源编码形式的源位速率结构性地存在于帧中。
在移动无线***中为了接着的信道编码卷积码被证明位有效的代码。在较大字组长度的情况下这些代码拥有较大的错误校正能力和适当的译码复杂性。下面示范地仅仅论述1/n速率的卷积码。卷积码以通过寄存器存储m从最后m+1个数据位位中产生n个代码位。
正如上面已经阐述的，在语言编码的情况下把位分类，并且不同地防止错误。这在卷积编码的情况下通过不同的速率实现。通过加点达到大于1/2的速率。
在欧洲移动无线***的标准化群(ETSI)中对于现行的GSM目前使一个新的语言和信道编码标准化。对此应当按照不同的编码模式以不同的速率源编码语言，并且相应匹配信道编码，因此在信道编码器CE中、比如一个卷积编码器、如此实现源编码的位串的编码防止信道干扰，即总位速率此外为22.8kbit/s(全速率模式)或者11.4kbit/s(半速率模式)。对此依赖于语言(间隔、咝声、元音、有声、无声等等)改变当前的源位速率，依赖于信道条件(较好的、较差的信道)并且依赖于网络条件(过载、兼容性、等等)改变当前的源位速率。相应地匹配信道编码。当前应用的速率(例如通过当前的编码模式)和/或另外的信息在这些帧的内部作为模式位mb传递。
正如在图3中描述的，在传统编码的意义上，对于所有应用的源位速率或者语言编码速率或者编码模式同样地编码数据位的第一部分db1。在这个第一部分db1中可能涉及大约5·m个第一源位。在信道译码器QD中然后对于这个第一部分建立格子结构，并且首先判定或者译码模式位。从模式位mb中确定当前的语言速率或者当前的编码模式，并且根据用于这个速率或者编码模式的译码方法译码数据位的第二部分db2。
数据位的第一部分或另外部分db1也可以与模式位mb一起不依赖于源编码的方法被统一信道编码，也就是说，与当前的编码模式无关地，数据位的第一部分db1共同通过模式位mb进行信道编码，并且同样对于所有的编码模式是按照统一的方法进行。
根据图3借助于一个简单的实例对此进行阐述：
源编码方法按照两种不同的编码模式产生帧或具有140个数据位db(情况1)或者100个数据位db(情况2)的长度的字组。通过一个附加在同一帧内必需传输的模式位mb应当表明，源编码器QE刚好产生二个字组长度的那一个。在信道编码之后，在二种情况中应当产生长度303位的帧，这对于这二种情况必然导致至少关于速率的不同的信道编码方法。在这二种情况中建议，统一地例如关于速率(1/3速率)、应用的卷积码、应用的生成多项式或应用的存储对数据位的第一部分、例如第一个20位信道编码，并且通过在对120(情况1)或者80(情况2)数据位的第二部分db2的信道编码中应用不同的速率(对于情况1为1/2速率；对于情况2为1/3速率)实施匹配于303位的统一帧长度。
在本发明的一个实施变体中，在这二种情况中模式位mb与数据位的第一部分db1一起统一地，例如是以所使用的卷积编码的、所使用的生成多项式的或者所使用的存储装置的速率(1/3速率)被信道编码，特别是卷积编码。
在译码时对于卷即译码的第一个21位(模式位mb+20个第一数据位db1)建立卷积译码的格子结构，否则已知使用了在编码时的数据字组长度。如果通过这个长度建立格子结构，则可以确定第一位(模式位mb)。对此考虑代码的作用长度，并因此出错率明显小于在仅仅为这个第一模式位建立格子结构时的出错率。在确定这个模式位之后，应用的字组长度或者所使用的编码模式也是已知的，并且依赖于此以1/2速率或者1/3速率译码数据位的第二部分db2。
与仅仅一个模式的译码相比译码的复杂性并不显著高。为了在较差信道情况下使出错率保持在信道出错率之下，可以应用***的卷积代码。为了仍然达到在好的信道中的非常好的校正特性，可以使用递推代码。对于好的信到出错率高于在非***非递推的卷积代码(目前的GSM)中的出错率。可是这首先10-4或更低的出错率的情况下起作用。在这个范围内可以识别并掩盖出现的错误；不妨碍语言质量。
下面不仅介绍半速率信道的模式而且也介绍全速率信道的格式。
图4指出了全速率信道(FR)的格式：通过语言编码产生4个具有13.3kbit/s(编码模式1)、9.5bit/s(编码模式2)、8.1kbit/s(编码模式3)和6.3kbit/s(编码模式4)的速率。在帧或具有20ms间隔的字组内实现编码。附加在卷积编码之前在模式2中添加一个具有4位的CRC，并且在模式3和4中添加具有各3位的各2个CRC’。这导致266位db(编码模式1)、199位db(编码模式2)、168位db(编码模式3)和132位db(编码模式4)的字组长度。为了告知当前的模式并为了传输另外的信令信息，3个模式位mb在开始时被提供给每个字组或帧。对于编码使用1/2和1/3速率的递推***的卷积代码。通过重复位产生1/4和1/5速率，通过加点产生较高的速率。另外对于所有的四个编码模式，模式位mb和数据位的第一部分db1相同地进行信道编码，其中模式位mb一直以1/5速率进行信道编码并且数据位的第一部分db1一直以速率1/3或者1/4进行信道编码。
图5指出了半速率(HR)的格式：对于半速率信道实现模式位和第一个数据位的相同编码的已经阐述的原理。在那里仅仅使用编码模式3(8.1kbit/s)和4(6.3kbit/s)，通过信道编码更新到114kbit/s。由于使用低的编码模式，所以在半速率信道中2个模式位就足够。象在全速率编码译码器中一样应用相同的卷加编码器，可是不对此规定期限。
如在图2中描述的，在一个没有描述的调制器中继续处理这些匹配到源编码的信道编码的位串x或代码位，并且接着经过传输链路CH传输位串或代码位。在传输时出现干扰，比如衰落、或出现噪声。
传输链路CH处在发射机和接收机之间。接收机同样包含一个没有描述天线用于接收经过传输链路CH传输的信号，包含一个取样装置、一个解调器用于解调信号和一个均衡器用于消除符号间干扰。同样由于简化的原因在图1中没有描述这些设备。也没有说明可能的交织和去交织。
均衡器输出接收串的y的接收值。根据在经过传输链路CH的传输中的干扰，接收值有这个值，其偏差“+1”和“-1”。
在一个信道译码器CD中取消信道编码。有益地使用维特比算法用于卷积代码的译码。
依赖于卷积代码的存储m，在译码时作用长度总计大约5·m。因此应当表明，一般还可以校正直到这个作用长度的错误。通过在必需译码的字组中另外远的代码位不校正当前的信息位。
为了达到译码器的第一位的尽可能低的出错率，建立译码器的格子结构直到大约5m个远的数据位。接着对这个第一位作出逻辑判断。在一个具有不同源编码速率的***中一般第一个5m个位的源编码是不同的。这意味着，这些位的源译码也是不同的，并且因此依赖于应用的源编码速率或者所使用的编码模式必需不同地译码。
在进行信道译码CD之后，存在接收的模式位
mb和数据位
db，并且在接收的源信号qs中进行源译码QD，该源信号在信息接收器S上输出。
在本发明的扩展变体中借助于模式位可以传输另外的信息、特别是控制信息或信令信息，比如信道状态信息或对信令信息的应答(返回信道)，用于说明应用的编码或必需应用的译码的信息或另外的、可以用于译码第一信息的信息。
图6指出了一个处理器单元PE，其特别可以包含在一个通信设备中，比如一个基站BS或移动站MS。该处理器单元包含一个主要包括一个程序控制的微控制器的控制设备STE，和一个包括处理器、特别是一个数字信号处理器的处理设备VE，这二个设备可以写和读地访问存储部件SPE。
微控制器操纵并控制所有基本元件和功能单元的功能，这个功能单元包含处理器单元PE。数字信号处理器、一部分数字信号处理器或特殊的处理器主管语言编码或者语言译码的实施。也可以通过微控制器或数字信号处理器本身实现语言编码译码器的选择。
一个输入/输出接口I/O服务于有效数据或控制数据输入/输出到例如一个操作单元MMI，其包含一个键盘和/或显示器。
Claims (8)
1.在帧内结构性数据的信道编码的方法，在该方法中，
-按照从多个可能的编码模式中选择出来的编码模式对数据位(db)进行源编码，
-把所述被源编码的数据位(db)***到一个帧内，
-把至少一个用于标识该源编码的数据位的当前编码模式的模式位(mb)***到该帧内，和
-以统一的方式对所述数据位的第一部分(db1)和至少该模式位(mb)进行信道编码，而与当前的编码模式无关。
2.按照权利要求1的方法，其中当前的编码模式的选择与传输信道的质量和/或网络负载相匹配。
3.按照上述权利要求之一的方法，其中，模式位(mb)包含信令信息和/或用于说明接收质量的信息。
4.按照上述权利要求之一的方法，其中，使用卷积代码用于信道编码，并且根据卷积代码的作用长度来选择被统一地信道编码的、数据位的第一部分。
5.在帧内结构性数据的译码的方法，该数据按照权利要求1到4之一的方法进行编码，
-其中为了信道译码，至少使用了一个模式位(mb)和信道编码的数据位的第一部分(db1)，对该第一部分(db1)建立格子结构，该模式位(mb)用于确定当前的数据速率或当前的编码模式。
6.按照权利要求5的方法，其中，仅仅一次地信道译码该或者每一个模式位(mb)。
7.在帧内结构性数据的信道编码的装置，其中在一个帧的内部包含数据位(db)，其按照编码模式进行源编码，其中该编码模式是从多个可能的编码模式中选择出来的，并且其中在该帧内部含有至少一个模式位(mb)用于标识数据位的当前的编码模式，
-具有一个处理器单元，它包括一个具有程序控制的微控制器的控制设备(STE)和一个具有信号处理器的处理设备(VE)以及一个存储部件(SPE)，使得所述微控制器控制包含在所述处理器单元中的所有基本元件和功能单元的功能，其中所述处理器单元被设置为使得数据位的第一部分(db1)和至少一个模式位(mb)被统一地进行信道编码，而与当前的编码模式无关。
8.在帧内结构性数据的译码的装置，该数据按照权利要求1到4之一的方法进行编码，
-具有一个处理器单元，它包括一个具有程序控制的微控制器的控制设备(STE)和一个具有信号处理器的处理设备(VE)以及一个存储部件(SPE)，使得所述微控制器控制包含在所述处理器单元中的所有基本元件和功能单元的功能，其中所述处理器单元被设置为为了信道译码使用了至少一个模式位(mb)和信道编码的数据位的第一部分(db1)。
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