CN1330454A - 特博格栅编码调制 - Google Patents

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Abstract

在一种通过通信信道发送数据的方法中,使输入比特流的至少一些比特通过turbo编码器以产生turbo编码的输出比特,并且至少使用通过turbo编码器的比特来产生对应于格栅码调制方案中构象上的码元点的字,也可能结合没有通过turbo编码器的其它比特来产生这些字。通常,turbo编码的比特是最低有效位。

Description

特博格栅编码调制
本发明涉及数据传输领域，具体涉及一种用于在例如离散多音调制***中通过通信信道发送数据的调制方案。
为了提高通过通信信道的数据传送效率，将数据作为码元传送，每个码元代表多个比特。例如，在QAM(正交调幅)***中，码元由信号的幅度和相位代表。例如，十六个唯一的码元(即幅度和相位的组合)代表时间上的四个比特。码元在相位幅度图上形成点的构象(constellation)。随着码元数目的增加，传输差错的可能性也增加。采用前向纠错编码方案，以允许接收机检测差错并恢复正确发送的码元。
数据通信中的一种优选编码形式是卷积编码，卷积编码是依赖于在先比特序列的比特级编码方案。在格栅编码调制中，增加码元数目以提供冗余。仅允许特定的变换(transition)。在发生差错的情况下，接收机可以利用对所有可能的允许变换的知识来检测最可能的正确变换。
与以预定块发送数据的块码不同，卷积码不善于应付突发差错。部分地为了解决这个问题，开发了turbo(特博)码。本质上，turbo码包括由对第一编码器的输入序列操作的交织器分离的两个或多个卷积码。例如，参见AT&T Shannon实验室的Hamid R.Sadjapour在1996发表的“离散多音调制的turbo码应用”。
由于turbo码的高编码增益，其受到越来越多的关注。在DSL(数字用户线路)***中，已经使用turbo码代替格栅码，来获得更好的误码率(BER)性能。但是，当构象尺寸增加时，turbo码的编码增益优点开始变得多余。这是因为冗余比特使得构象尺寸变得更大。
本发明的一个目的是增加例如DMT***中的数据传输速率。
根据本发明，提供一种通过通信信道发送数据的方法，包括：接收一输入比特流；使至少一些所述比特通过turbo编码器以产生turbo编码输出比特；以及使用通过所述turbo编码器的至少所述比特，产生对应于格栅码调制方案中构象上的码元点的字。
在本发明中，最好使用turbo编码器，来仅对构象中的最低有效位(LSB)进行编码，因为LSB对差错最敏感。以这种方式可达到的数据率只与Shannon容量相差几dB。本发明优选地在DMT(离散多音)***中将强大的turbo码与格栅编码调制方案组合起来以提高数据率。
在DMT***中，使用多个子信道发送数据，每个子信道具有不同的载波和不同的QAM构象，不同的QAM构象包含每个构象点上的不同数目的比特。通常，每个构象点上的比特数目是一个整数，并且如果一个子信道不能支持一个数据比特，那么该子信道不可用。根据本发明，可以将扩展频谱算法与turbo格栅编码调制结合，使得承载少于一比特信息的信道也可以使用。结果，可以极大提高总信道容量。
下面将仅以例示方式参照附图对本发明进行详细说明，其中：
图1显示x和y＞1时根据本发明原理的编码器，其中x和y是每个构象点(码元)中的比特的数目；
图2显示x＝1和y＞1时的编码器结构，其中turbo编码率是2/3；
图3显示y＝1和x＞1时的编码器结构；
图4显示x＝y＝1时的编码器，其中编码率是1/2；
图5是解码器的方框图；
图6显示一个构象，表示如何确定最终的三个比特；
图7显示一个构象，表示最高有效位的确定。
下面按DMT(离散多音***)结构来描述本发明，DMT***通常可以包含1000个子信道，每个子信道能够承载代表特定数目比特的不同数目码元，即，每个子信道的构象点数目可以变化，因此每个构象点的比特数目也可以变化。编码器
如图1所示，输入比特流的一部分被馈送到编码器数据块10，编码器数据块10是一个可寻址存储器。假设每个码元有10比特，包括每两个子信道的一个校验比特，那么1000个信道一次可以承载9500比特。因此，通常将一输入比特流的9500比特馈送到编码器中。将这些比特的一小部分，通常是1500比特，馈送到编码器数据块10。
最好将编码器实现为我们在2000年4月18日提交的英国申请No.0010330.9中描述的并行编码器，该申请的全部内容被引入本文，作为参考。
在所示例子中，从编码器数据块10顺序地输出三个比特u1，u2，u3，并输出三个比特u’1，u’2，u’3作为交织数据。数据比特u2和u3形成第一输出字v的分量v0，v1，比特u1形成第二输出字w的比特w1。在通过各自的移位寄存器16，18后，利用递归***卷积编码器12，14对比特u1，u2，u3和u’1，u’2，u’3的组进行turbo编码来形成比特w0。
所采用的构象编码器结构与ADSL***中所使用的相似。二进制字u＝(uz’，uz’-1，…，u’1)确定两个二进制字V＝(Vz’-y，…，V0)和w＝(Wy-1，…，w0)(其中z’＝x＋y－1)，使用这两个二进制字，在编码器查找表中查找两个构象点(每个构象点分别包含x和y个比特)。
图1显示x＞1和y＞1时的编码器结构，其中使用的turbo编码器是以比率1/2穿孔的编码率为3/4的***编码器。Turbo编码器20包括两个递归***卷积编码器12，14(RSC1和RSC2)。编码器RSC1接收来自编码器数据块10的顺序数据，编码器RSC2接收来自相同数据块10的交织数据。
数据块的长度取决于每个信号帧中正被发送的数据的数量，上述例子中是9500比特。通常，每个信号帧中发送整数个数据块。图2到4显示用于其它x和y值的编码器结构。
图2显示x＝1和y＞1时的编码器结构，其中turbo编码率是2/3。在y＝1和x＞1时，如图3所示的编码器结构与图2所示的相似。
图3显示x＝y＝1时的编码器结构，其中编码率是1/2。在y＜1(或x＜1)时，可以根据x(或y)的值使用与图1到4相似的编码器结构。其差别仅在于将利用一扩展码使用K个子信道发送一个比特，其中y＝1/K。
如果被使用的扩展码是[b1，b2，…，bk]，那么0可以被发送为[b1，b2，…，bk]，其中(k＝1，2，…，K)，1可以被发送为[b1，b2，…，bk]。K子信道组中的每个子信道的构象使用每信道构象的一个比特，并且第k个信道发送比特bk。总之，需要K个子信道来发送一个数据比特。这种设置的优点是，如果在相同缆芯中的不同调制解调器使用不同的扩展码，那么可以极大减少自身的串扰。在R.V.Sonalkar和R.R.Shively在2000年3月在IEEE Communication Letters(vol.4，no.3，pp.80-82)中描述了合适的扩展码。解码器
turbo格栅编码调制的解码程序包括以下步骤：
1)对最低有效位(LSB)进行软解码；
2)对最高有效位(MSB)进行硬解码；
3)使用turbo解码器算法对LSB进行解码；和
4)确定所有数据比特。
如果一N比特构象被用于一给定子信道中的数据传输，那么该构象位置可以由二维矢量代表：Xb＝[bxM，bx(M-1)，…，bx1，1]和Yb＝[byM，by(M- 1)，…，by1，1]，其中N为偶数时M＝N/2，N为奇数时M＝(N＋1)/2。解码器对于Xb和Yb是相同的。
设所接收的数据是(X，Y)。如果(-2M＋1＋2k)＜X＜(-2M＋1＋2(k＋1))，其中k＝0，1，…，2M－1，并且保持X1＝(-2M＋1＋2k)和X2＝(-2M＋1＋2(k＋1))，那么最终的X是取X1还是取X2，取决于来自LSB的解码器结果。对于N＞1，X中LSB的软比特(没有常数的对数概率)被确定为： 其中σ2是噪声功率。通过在上述公式中用Y代替X可以以相似方式获得Y中LSB的软比特。
如果N＝1，软比特是 P 1 = log ( prob ( b x 1 = 1 ) ) = - ( ( X + 1 ) 2 2 σ 2 + ( Y + 1 ) 2 2 σ 2 ) P 0 = log ( prob ( b x 1 = 0 ) ) = - ( ( X - 1 ) 2 2 σ 2 + ( Y - 1 ) 2 2 σ 2 )
如果N＜I并且扩展码是[b1，b2，…，bk]，那么可以如下计算软比特 P 1 = log ( prob ( b x 1 = 1 ) ) = - Σ k = 1 K ( ( X + ( 1 - 2 b k ) 2 ) 2 σ 2 + ( Y + ( 1 - 2 b k ) 2 ) 2 σ 2 ) P 0 = log ( prob ( b x 1 = 0 ) ) = - Σ k = 1 K ( ( X - ( 1 - 2 b k ) 2 ) 2 σ 2 + ( Y - ( 2 b k ) 2 ) 2 σ 2 )
将软比特输出发送到如图5所示的turbo解码器电路。该turbo解码器包括两个LOG-MAP解码器30，32。每个解码器包含前向(α)迭代，后向(β)迭代，并且执行最终软比特输出计算。唯一差别是该输出不仅包含数据比特而且还包含其最后一次迭代的差错校验比特。
需要输出该差错校验比特的原因是，需要LSB来从两个可能的构象点X1和X2(或Y1和Y2)中确定X(或Y)，而某些LSB是差错校验比特。可以在前面谈到的Sadjapour的文献和C.Berrou and A.，在1996年10月发表的IEEE Trans.on Communications(Vol.44，No.10)的“近似最佳纠错编码和解码Turbo码”中找到turbo解码器的详细例子。
在时间k的软输出差错校验比特如下计算
Pck1＝prob(bck＝1)＝MAX(s，s′)[γck1(Rk，s，s′)αk-1(s′)βk(s)]
Pck0＝prob(bck＝0)＝MAX(s，s′)[γck0(Rk，s，s′)αk-1(s′)βk(s)]其中s是turbo编码器在时间fk的状态，s’是在时间k-1的状态。Rk代表所接收数据。βk(s)是在状态s(时间k)后向迭代的概率，ak-1(s’)代表在状态s’(时间k－1)前向迭代的概率。γck0(Rk，s，s’)和γck1(Rk，s，s’)是在所接收数据是Rk并且差错校验比特分别是0和1时从状态s’变换到s的概率。
在通过turbo解码器后，确定LSB，并且如果N＞1，那么仍需从两个可能的构象点中确定MSB。以X为例，其具有两个可能值X1或X2(它们是构象中的两个相邻点)。对于两个相邻的构象点，X1和X2的LSB必须不同。因此，通过检查其LSB可以从X1和X2中确定Xb＝[bxM，bx(M-1)，…，bx1，1]。类似地，可以确定Yb＝[byM，by(M-1)，…，by1，1]。在确定了Xb和Yb后，对于以下三种情况获得最终接收数据比特：
当N是偶数时，最终比特是[bN，bN-1，…b1]＝[bxM，byM，bx(M-1)，by(M- 1)，…，bx1，by1]。如果N＝3，最终的三个比特由如图6所示的构象确定，如下表1所示。
    bx2bx1    by2by1    b3b2b1
      00      00     000
      00      01     101
      00      10     001
      00      11     001
      01      00     000
      01      01     101
      01      10     111
      01      11     111
      10      00     100
      10      01     100
      10      10     110
      10′      11     011
      11      00     010
      11      01     010
      11      10     110
      11      11     011
如果N是奇数并且N＞3，那么可以以与偶数N情况相同的方式确定低比特(N－5)，即[bN-5，bN-6，…，b1]＝[bx(M-3)，by(M-3)，bx(M-4)，by(M-4)，…，bx1，by1]，根据图7中的构象确定5个MSB，如下表2所示。
    BxMbx(M-1)bx(M-2)     ByMby(M-1)by(M-2)     bNbN-1bN-2bN-3bN-4
    000     000     00000
    000     001     00001
    000     010     10100
    000     011     10100
    000     100     10101
    000     101     10101
    000     110     00100
    000     111     00101
    001     000     00010
    001     001     00011
    001     010     10110
    001     011     10110
    001     100     10111
    001     101     10111
    001     110     00110
    001     111     00111
    010     000     10000
    010     001     10001
    010     010     10110
    010     011     10110
    010     100     10111
    010     101     10111
    010     110     11100
    010     111     11101
    011     000     10000
    011     001     10001
    011     010     10001
    011     011     10001
    011     100     11101
    011     101     11100
    011     110     11100
    011     111     11100
    100     000     10010
    100     001     10011
    100     010     10011
    100     011     10011
    100     100     11110
    100     101     11110
    100     110     11110
    100     111     11111
    101     000     10010
    101     001     10011
    101     010     11000
    101     011     11000
    101     100     11001
    101     101     11001
    101     110     11110
    101     111     11111
    110     000     01000
    110     001     01001
    110     010     11000
    110     011     11000
    110     100     11001
    110     101     11001
    110     110     01100
    110     111     01101
    111     000     01010
    111     001     01011
    011     010     11010
    111     011     11010
    111     100     11011
    111     101     11011
    111     110     01110
    111     111     01111
应该理解，将所述turbo码与格栅码结合使用可以比当前使用的格栅码获得更好的性能。在将扩展频谱算法与turbo-格栅编码调制结合时，有可能使用承载少于一比特信息的信道，导致信道容量的极大增加。
可以使用本领域技术人员公知的标准DSP技术在数字信号处理器中实现上述功能块。

Claims (18)

1.一种通过通信信道发送数据的方法，包括：接收一输入比特流，使至少一些所述比特通过turbo编码器以产生turbo编码输出比特，以及使用通过所述turbo编码器的至少所述比特，产生对应于格栅码调制方案中构象上的码元点的字。
2.根据权利要求1的方法，其中所述通过turbo编码器的比特是输入数据的最低有效位(LSB)，最高有效位被直接传递到输出字。
3.根据权利要求1的方法，其中将输入比特流的一部分馈送到一存储器，并且将来自所述存储器的交织比特组馈送到递归***卷积编码器以产生所述turbo编码输出比特。
4.根据权利要求1的方法，其中在离散多音(DMT)***中的多个子信道上承载所述码元。
5.根据权利要求1的方法，其中对于至少一些所述子信道来说，构象码元点包含少于一比特，并且对于这些子信道，使用扩展码在K个子信道上发送一整个比特。
6.根据权利要求1到5中任何一个的方法，其中所述字包括差错校验比特。
7.根据权利要求1的方法，其中所述字被用于从编码器查找表中获得构象点。
8.一种用于对输入数据流进行编码以通过通信信道传输的编码器，包括：编码器数据块，用于存储输入数据流的一部分；第一递归***卷积编码器，用于接收来自编码器数据块的顺序数据；以及第二递归***卷积编码器，用于接收来自编码器数据块的交织数据，所述卷积编码器至少输出一输出数据字的最低有效位，该输出数据字形成格栅码调制方案中构象上的码元点。
9.根据权利要求8的编码器，还包括连接到每个递归***卷积编码器的输入端的移位寄存器，所述移位寄存器的每个单元接收来自所述编码器数据块的相应比特。
10.根据权利要求8的编码器，其中当x＝y＝1时，其中x和y是两个构象中的比特数目，所述递归***卷积编码器的输入被直接连接到所述编码器数据块。
11.一种对turbo格栅码调制信号进行解码的方法，包括：
(i)对所接收信号的最低有效位进行软解码；
(ii)对输入信号的最高有效位进行硬解码；
(iii)使用turbo解码器算法对最低有效位进行解码；
(iv)确定所有数据比特。
12.根据权利要求11的方法，其中如下处理所接收信号以确定LSB的软比特(没有常数的对数概率)：
Figure A0111565900031
Figure A0111565900032
其中σ2是噪声功率。
13.根据权利要求12的方法，其中将软比特传送到turbo解码器以产生数据比特和差错校验比特。
14.根据权利要求13的方法，其中在确定LSB后，通过检查LSB从可能的构象点中确定MSB。
15.根据权利要求11的方法，其中结合一LSM和MSB解码器以用于不同的构象。
16.一种用于对接收的turbo格栅码调制信号进行解码的解码器装置，包括：被连接来接收软输入比特的一对解码器，一交织器，一解交织器，并且所述解码器从所述软输入比特导出一数据比特和至少一校验比特。
17.根据权利要求16的解码器装置，其中每个解码器执行前向和后向迭代和最终软比特输出的计算。
18.根据权利要求16的解码器装置，其中所述解码器是LOG-MAP解码器。
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