DE60110622T2

DE60110622T2 - Rundfunksender und Sendemethode für digitale Signale mit Mehrfachauflösung unter Anwendung einer gaussverteilten Trellisformung zur Reduktion der Sendeleistung sowie entsprechender, mehrstufiger Dekoder

Info

Publication number: DE60110622T2
Application number: DE2001610622
Authority: DE
Inventors: Dietmar Schill
Original assignee: Sony International Europe GmbH
Current assignee: Sony Deutschland GmbH
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2021-12-29
Also published as: DE60110622D1; EP1324558A1; EP1324558B1

Description

Die Erfindung betrifft ein hierarchisches Modulationsschema und insbesondere einen Sender für Signale, welche entsprechend dem hierarchischen Modulationsschema moduliert sind, einen Mehrstufendecoder, ein Rundfunk- bzw. Sendesignal, welches gemäß dem hierarchischen Modulationsschema moduliert ist, und auf ein Verfahren zum Erzeugen des Sendesignals.
Wann immer ein einzelner Sender digitale Daten an mehrere Empfänger sendet, welche in unterschiedlichen Abständen von dem Sender angeordnet sind, empfangen die verschiedenen Empfänger ein Sendesignal von variierendem Signal-zu-Rauschverhältnis. Das Signal-zu-Rauschverhältnis des empfangenen Signals wird geringer und geringer mit zunehmendem Abstand zwischen der Signalquelle und dem Empfänger. In der Praxis tritt ein Szenario auf für die Verbindung zwischen der Basisstation und den Mobil- bzw. Funktelefonen eines drahtlosen Telefonsystems, für die Übertragung von einer Radio- oder Fernsehstation zu den entsprechenden Empfängern, etc.
Ein Empfänger, welcher in der Nähe der Signalquelle angeordnet ist, empfängt ein Signal mit einem großen Signal-zu-Rauschverhältnis. In diesem Fall ist die Wahrscheinlichkeit von Kanalbeeinträchtigungen und Bitfehlern relativ gering. Deshalb muss nur eine geringe Menge von Codierredundanz zu den Daten hinzugefügt werden, um die übertragenen Daten zu schützen.
Empfänger, welche weit entfernt von der Signalquelle angeordnet sind, empfangen ein schwaches und verzerrtes bzw. verformtes Signal mit einem relativ geringen Signal-zu-Rauschverhältnis. In dieser Situation muss eine große Menge von Codierredundanz zu den Daten hinzugefügt werden, um jegliche Bitfehler, welche durch Kanalbeeinträchtigungen bewirkt sind, korrigieren zu können. Hier wird ein robustes Pegelsignal benötigt mit einer geringen Datenrate und viel Redundanz.
Deshalb wird für einen Empfänger, welcher in der Nähe der Signalquelle angeordnet ist, ein Verstärkungspegelsignal mit einer großen Übertragungsrate und einer geringen Menge von Codierredundanz benötigt, während für Empfänger, welche ein schwaches Signal empfangen, ein robustes Pegelsignal benötigt wird. Die Frage ist, wie diese widersprüchlichen Anforderungen erfüllt werden können mit einem einzigen digitalen Sende- bzw. Übertragungssignal.
Eine Lösung ist es, alternierend das robuste Pegelsignal und das Verstärkungspegelsignal in einem Zeitaufteilungsmodus bzw. Time-Sharing-Modus zu übertragen bzw. zu senden. Für diesen Zweck umfasst das Sendesignal einen ersten Typ von Zeitschlitzen zum Senden des robusten Pegelsignals und einen zweiten Typ von Zeitschlitzen zum Senden des Verstärkungspegelsignals. Empfänger, welche ein schwaches Signal mit einem geringen Signal-zu-Rauschverhältnis empfangen, decodieren das robuste Pegelsignal, welches innerhalb des ersten Typs von Zeitschlitzen gesendet wurde, während Empfänger, welche ein starkes Signal empfangen, das Verstärkungspegelsignal decodieren, welches innerhalb des zweiten Typs von Zeitschlitzen gesendet bzw. übertragen wurde, was eine viel bessere Signalqualität bereitstellt als das robuste Pegelsignal.
In dem Artikel "Broadcast channels" von T. Cover, IEEE Trans. Inf. Theory, IT-18, 2–14, 1972 wird die Informationstheorie des Sendekanals erforscht, und es wird gezeigt, dass der Zeitaufteilungsansatz suboptimal ist. Nichtsdestotrotz kann die orthogonale Aufteilung der Übertragungs- bzw. Senderessourcen (Zeit oder Frequenz z.B.) einfach entworfen werden für und ist immer noch vorherrschend in heutige(n) Systemen in dem Gebiet.
H. Imai und S. Hirakawa führten das Konzept von mehrstufigen Codes ein, welche verwendet werden für hierarchische Modulations- und Demodulationsschemata. Ein Empfänger, welcher solch ein hierarchisch codiertes Signal empfängt, kann unterschiedliche Teile der gesendeten bzw. übertragenen Sequenz mit verschiedenen empfangenen Signal-zu-Rauschverhältnissen decodieren. in dem Artikel "A New Multilevel Coding Method Using Error Correcting Codes" von H. Imai und S. Hirakawa, IEEE Trans. Inf. Theory, IT-23, 371–377, 1977, können mehr Details des mehrstufig codierten Modulationsschemas gefunden werden.
Eines der leistungsstärksten anwendbaren hierarchischen Modulationsschemata wurde 1976/1977 durch G. Ungerboeck vorgestellt. Eine Beschreibung von Ungerboeck's Ansatz kann gefunden werden in den Artikeln "On improving data-link performance by increasing channel alphabet and introducing sequence coding", G. Ungerboeck und I. Csajka, Proc. IEEE Int. Symp. Information Theory (ISIT), Ronneby, Schweden, Juni 1976, und in "Channel coding with multilevel/phase signals", IEEE Trans. Inform. Theory, vol. IT-28, Seiten 55–67, Januar 1982. Ungerboeck's Ansatz bezüglich der codierten Modulation basiert auf einem Abbilden bzw. Mapping durch Satz- bzw. Gruppenpartitionierung. Dabei wird der Satz von Signalpunkten A = {a₀, a₁, ..., a_M-1} von einem M = 2^l-ären Modulationsschema sukzessive binär partitioniert in 1 Schritten, welche eine Abbildung bzw. ein Mapping von binären Adressen x = (x⁰, x¹, ..., x^l-1) auf Signalpunkte a_m definieren, auf eine Weise, dass der Euklidische Abstand zwischen den verbleibenden Signalpunkten eines Signalsatzes maximiert wird bei jedem Partitionierschritt. In den meisten Arbeiten, welche sich mit codierter Modulation beschäftigen, wird die Satzpartitionierstrategie, welche durch Ungerboeck eingeführt wurde, gewählt.
Die maximal mögliche Sende- bzw. Übertragungskapazität C in einer Punkt-zu-Punkt-Übertragung wurde berechnet durch Claude Shannon und ist gleich
wobei P die Leistung des übertragenen Signals ist und N die Rauschleistung innerhalb der verfügbaren Frequenzbandbreite B ist. Mehr Details können in zwei Artikeln von C. E. Shannon gefunden werden, "A mathematical theory of communication", The Bell System Technical Journal, 27: 379–423, Juli 1948, und "A mathematical theory of communications", The Bell System Technical Journal, 27: 623–656, Oktober 1948.
In seinem Artikel "Broadcast channels", IEEE Transactions on Information Theory, IT-18 (1): 2–14, Januar 1972, verallgemeinerte T. M. Cover die Kapazität C auf den Kapazitätsbereich des verschlechterten Sendekanals. Die nachfolgende Gleichung gibt die maximal erreichbare Übertragungskapazität C_i auf den Qualitätspegel bzw. der Qualitätsebene i eines hierarchischen Übertragungsschema:
wobei N_i der Rauschpegel auf dem Qualitätspegel i ist, und wobei die Beziehung N₀ > N₁ > ... > N_L-1 gilt für die L Qualitätspegel des Übertragungssystems. Des Weiteren ist μ_i der Anteil der Gesamtübertragungsleistung P, welcher für Qualitätspegel i verwendet wird, und deshalb Σ L-1 / j=0μ_j = 1.
In dem Artikel "Hybrid channel coding for multiresolution HDTV terrestrial broadcasting" von Polley et al., Proceedings of the International Conference on Image Processing (ICIP), 13.–16. Nov. 1994, IEEE Comp. Soc. Press., vol. 3, Conf. 1, 13.11.1994, Seiten 243–247, ist ein neues HDTV-System beschrieben, welches gemeinsame Mehrfachauflösung bzw. Multiauflösung bzw. Multiresolution (MR) Quellen- und Kanalcodierung anwendet. Ein Multiauflösungs-HDTV-Videosignal wird in drei verschiedene Qualitätspegel partitioniert, wobei jeder repräsentiert wird durch eine entsprechende Anzahl von Abbildungsniveaus bzw. -pegeln.
In dem Artikel "Multiresolution Broadcast for Digital HDTV Using Joint Source/Channel Coding" von Kannan Ramchandran, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 11, no. 1, 1993, Seiten 6–22 wird Multiauflösungs- bzw. Multiresolutions-(MR) gemeinsame Quellkanalcodierung in dem Kontext von digitalem terrestrischem Senden von hoch auflösendem Fernsehen bzw. high definition television (HDTV) diskutiert. Es wird gezeigt, wie multiaufgelöste trelliscodierte Modulation (TCM) verwendet werden kann, um den Abdeckungsbereich zu vergrößern.
In dem Artikel "Different Iterative Decoding Algorithms for Combined Concatenated Coding and Multiresolution Modulation" von Papke et al., Communications, 1994, ICC '94, SUPERCOMM/ICC '94, Conference Record, IEEE, 1.5.1994, Seiten 1249–1254, ist ein drei-Hierarchieniveauquellcodierungsschema, welches drei Bildqualitäten HDTV, EDTV und SDTV bereitstellt, beschrieben, welches basiert ist auf einem konkatenierten Codierschema. Der innere konvolutionale Code bzw. Faltungscode wird kombiniert mit 64 Multiauflösungs-QAM. Der äußere Code ist ein RS-Code.
Bisher wurden Modulationsschemata diskutiert, wobei die Signalpunkte gleich verteilte Wahrscheinlichkeiten aufweisen. Daneben ist es für Standard nicht hierarchische Modulationsschemata wohlbekannt, die Wahrscheinlichkeiten der Signalpunkte zu formen, um die Leistung des Übertragungssystems zu erhöhen. Formen fügt ein zusätzliches Maß der Freiheit zu dem Systemdesign bzw. -entwurf zu, indem erlaubt wird, dass die Signalpunkte von verschiedenen Wahrscheinlichkeiten sind.
Der Artikel "Multilevel Codes: Theoretical Concepts and Practical Design Rules" von Udo Wachsmann, Robert F. H. Fischer und Johannes B. Huber, IEEE Transactions on Information Theory, IEEE, vol. 45, no. 5, Juli 1999, Seiten 1361–1391 bezieht sich auf eine 2^l-äre Übertragung unter Verwendung einer Multiniveaucodierung (MLC), und Multistufendecodierung (MSD). Des Weiteren wird die Anwendung des Signalformens diskutiert. Eine uniforme Signalverteilung wird ersetzt durch eine gaussartige Verteilung, um die durchschnittliche Übertragungsleistung zu verringern.
Der Artikel "Trellis Shaping" von G. D. Forney Jr., IEEE Transactions on Information Theory, IEEE, vol. 38, no. 2, PT01, 1.3.1992, Seiten 281–300 bezieht sich auf Trellisformen bzw. -formung, welches ein Verfahren des Auswählens einer Minimumgewichtssequenz aus einer Äquivalenzklasse von möglichen übertragenen Sequenzen durch eine Suche durch das Trellisdiagramm eines Formfaltungscodes ist. Ein Formdecoder wird beschrieben, welcher eine umgekehrte Abbildung der empfangenen Abbildungsniveaubitströme durchführt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Übertragungssystem bereitzustellen, in welchem die Codiereffizienz eines hierarchischen Modulationsschemas weiter verbessert wird, und welches es erlaubt, sich den theoretischen Leistungsgrenzen des verschlechterten Sendekanals anzunähern.
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch einen Sender für Signale, welche gemäß eines hierarchischen Modulationsschemas moduliert sind, gemäß Anspruch 1, durch einen Mehrstufendecoder gemäß Anspruch 14, durch ein Sendesignal gemäß Anspruch 25, und durch ein Verfahren zum Erzeugen eines Sendesignals gemäß Anspruch 33.
Gemäß der Erfindung, ist der Sender ein Sender für Signale, welche gemäß eines hierarchischen Modulationsschemas moduliert sind, wobei Quellsignalbitströme von L verschiedenen Qualitätsniveaus bzw. -pegeln partitioniert werden in Bitströme für l Abbildungs- bzw. Mappingniveaus bzw. -pegeln. Jedes Qualitätsniveau i wird repräsentiert durch l_i entsprechende Abbildungsmarker bzw. -markierungen bzw. -labels, welche dem Qualitätsniveau i entsprechen, wobei einer von
Überkonstellationspunkten der Qualitätsniveaus i ausgewählt wird. Dabei repräsentiert jeder Hyperkonstellationspunkt ein Sub- bzw. Untercluster bzw. -bündel bzw. -gruppe des Satzes von Signalpunkten. Der Sender umfasst eine Einrichtung zum Formen, individuell für jedes Qualitätsniveau i, der Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb zumindest eines der Qualitätsniveaus. Die Einrichtung zum Formen weist ungleich verteilte Wahrscheinlichkeiten den
Hyperkonstellationspunkten eines Qualitätsniveaus i zu.
In einem Sender gemäß der Erfindung, wurde das Konzept des Formens bzw. Shapings zum ersten Mal auf ein hierarchisches Modulationsschema angewendet. Die Hauptidee der Erfindung ist es, das Formen individuell und getrennt für jedes Qualitätsniveau i des hierarchischen Übertragungsschemas anzuwenden, wobei jedes Qualitätsniveau l_l entsprechende Abbildungsniveaus umfasst. Ein Satz von Hyperkonstellationspunkten u_i,k mit k = 0, 1, ...,
– 1 gehört zu jedem Qualitätsniveau i des hierarchischen Übertragungsschemas. Für jedes Qualitätsniveau i wird eine individuelle Wahrscheinlichkeitsverteilung
(u_i,k) mit k = 0, 1, ...,
– 1 ausgewählt. Formen des gesamten Satzes von Signalpunkten für das hierarchische Modulationsschema wird durchgeführt durch getrenntes Formen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen innerhalb jedem der L Qualitätsniveaus.
Aus diesem Grund umfasst der Sender nicht eine große Formeinheit zum Formen der Gesamtwahrscheinlichkeitsverteilung der Signalpunkte. Statt dessen umfasst der Sender eine Mehrzahl bzw. Vielzahl von kleinen Formeinheiten zum Formen der Wahrscheinlichkeitsverteilungen innerhalb bestimmter Qualitätsniveaus. Üblicherweise weden Trellis-Former verwendet als Formeinheiten und die Trellis-Former verwenden eine Trellis-Algorithmus zum Anpassen der Wahrscheinlichkeitsverteilung auf solch eine Weise, dass energetisch optimierte Sequenzen von Hyperkonstellationspunkten gefunden werden. Die Komplexität des Pfadoptimierungsproblems, welches der Trellis-Former lösen muss, hängt stark von der Größe des Satzes von Signalpunkten oder Hyperkonstellationspunkten ab, für welche das Pfadoptimierungsproblem gelöst wird. Die Komplexität des Formens eines Satzes von
Hyperkonstellationspunkten von Qualitätsniveau i ist viel geringer als die Komplexität des Formens der Wahrscheinlichkeitsverteilung für den gesamten Satz von Signalpunkten. Deshalb ist es durch getrenntes Formen der Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb jedes Qualitätsniveaus i möglich, ein komplexes Problem in einen Satz von kleinen lösbaren Aufgaben herunter zu brechen.
Mit einem Sender gemäß der Erfindung ist es möglich, das Konzept des Formens auf ein hierarchisches Modulationsschema anzuwenden. Durch dieses wird die durchschnittliche Übertragungsleistung verringert und die Leistung bzw. Performance des hierarchischen Modulationsschemas wird verbessert. In der Tat erlaubt es die Erfindung, die theoretische Shannon-Abdeckungsgrenze näher zu erreichen, als es bisher möglich war.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, entspricht jeder Hyperkonstellationspunkt entweder der Koordinate des Zentrums des Sub- bzw. Unterclusters, welches er repräsentiert, oder einem Signalpunkt. Auf dem höchsten Qualitätsniveau ist jeder Hyperkonstellationspunkt des Qualitätsniveaus identisch zu einem Signalpunkt. Für all die niedrigeren Qualitätsniveaus ist jeder der Hyperkonstellationspunkte der Qualitätsniveaus gleich der Zentrumskoordinate des Subclusters, welches er repräsentiert.
Vorzugsweise umfasst der Sender eine Einrichtung für ein Mehrniveau- bzw. Multilevelcodieren, welche einen Satz von Codierern umfasst zum getrennten Codieren der Bitströme der l Abbildungsniveaus. Somit kann die Menge von Redundanz, welche zu jedem der Abbildungsniveaubitströme hinzugefügt wird, individuell ausgewählt werden entsprechend des Qualitätsniveaus, welchem das Abbildungsniveau entspricht. Für Bitströme von niedriger Qualität muss mehr Codierredundanz hinzugefügt werden als für Bitströme von hoher Qualität.
Vorzugsweise ist für zumindest ein Qualitätsniveau der Bitstrom des höchsten Abbildungsniveaus, welches dem Qualitätsniveau entspricht, überhaupt nicht codiert. Wenn die Hyperkonstellationspunkte, welche den zwei möglichen Werten entsprechen, welche das höchste Abbildungsniveaubit annehmen kann, weit genug getrennt sind, kann der höchste Abbildungsmarker ohne irgendwelche Ungenauigkeiten decodiert werden. In diesem Fall ist es nicht notwendig, Redundanz zu dem Bitstrom des höchsten Abbildungsniveaus hinzuzufügen, und des halb muss der Bitstrom nicht codiert werden. Die Anzahl von Codierern innerhalb des Senders wird reduziert und der Sender wird einfacher und kostengünstiger.
Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zum Formen zumindest eine Formeinheit pro Qualitätsniveau, welche entsprechend der Forminformation, welche verwendet wird durch die Formeinheiten während des Formvorgangs, eine nicht gleich verteilte Wahrscheinlichkeitsverteilung der
Hyperkonstellationspunkte des Qualitätsniveaus durchsetzt. Durch Durchsetzen einer nicht gleich verteilten Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb eines bestimmten Qualitätsniveaus ist es möglich, die Anzahl von Niedrigamplitudensignalpunkten zu erhöhen und die Anzahl von Hochamplitudensignalpunkten zu verringern innerhalb des Sendesignals. Die durchschnittliche Signalleistung, welche benötigt wird zum Senden bzw. Übertragen einer Sequenz von Datenbits wird verringert und die Leistung des Senders wird erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Formeinheiten realisiert als Trellis-Formeinheiten. Formen kann realisiert werden durch einen Trellis-Algorithmus. Innerhalb eines Trellis-Formfensters werden die Bitströme, welche geformt werden sollen, zusammen verwendet mit zusätzlicher Forminformation als eine Eingabe für ein Pfadoptimierungsproblem. Als eine Folge des Formvorgangs, wird der Pfad mit der niedrigsten Übertragungsenergie gefunden.
Vorzugsweise umfasst der Sender eine Forminformationscodiereinrichtung für zumindest eines der Qualitätsniveaus zum Erzeugen von Forminformationscodierredundanz, welche übertragen wird zusammen mit der Forminformation, um die Forminformation zu schützen. Wenn die Forminformation zu einem Sender übertragen wird, können Übertragungsfehler aufgrund von Kanalbeeinträchtigungen auftreten. Wenn falsche Forminformation verwendet wird zum Erzeugen des wieder codierten Datenstroms für höhere Decodierstufen, werden die Daten, welche durch die höheren Decodierstufen decodiert werden, ebenfalls fehlerhaft sein. Um die Forminformation zu schützen, wird Forminformationscodierredundanz zusammen übertragen mit der Forminformation. Die zusätzliche Codierredundanz erlaubt es, jegliche Bitfehler der Forminformation zu korrigieren, welche während der Übertragung auftreten. Durch Verwenden der fehlerkorrigierten Forminformation beim Erzeugen der wieder codierten Datenströme, ist es möglich, Decodierfehler auf Seiten der höheren Decodierstufen zu verhindern.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wird das Ausmaß der Forminformationcodierredundanz für Qualitätsniveau i ausgewählt entsprechend des Signal-zu-Rauschverhältnisses des Qualitätsniveaus i + 1. Auf Seiten eines Empfängers, muss die Forminformation für Qualitätsniveau i nicht berücksichtigt werden, wenn der Datenstrom für Qualitätsniveau i decodiert wird. Zum Decodieren der Datenströme von höheren Qualitätsniveaus, wie das Qualitätsniveau i + 1, muss die Forminformation des Qualitätsniveaus i jedoch bekannt sein. Nur für den Fall, dass der Empfänger versucht, die Datenströme für Qualitätsniveau i + 1 zu decodieren, was impliziert, dass das Signal-zu-Rauschverhältnis des Kanals gut genug ist zum Decodieren der Datenströme für Qualitätsniveau i + 1, wird die Forminformation für Qualitätsniveau i verwendet. Um die Datenintegrität der Forminformation des Qualitätsniveaus i zu schützen, ist es deshalb ausreichend, die Forminformationcodierredundanz entsprechend dem Signal-zu-Rauschverhältnis für Qualitätsniveau i + 1 zu wählen.
Vorzugsweise wird die Forminformationcodierredundanz übertragen mit einer Zeitverzögerung relativ zu der Forminformation, wobei die Zeitverzögerung größer ist als die Länge des Formfensters, welches verwendet wird durch die Formeinheiten zum Durchsetzen der gewünschten Wahrscheinlichkeitsverteilung. Die Forminformationscodierredundanz kann nicht erzeugt werden, bevor der Pfadoptimierungsprozess bzw. das Pfadoptimierungsverfahren innerhalb des Formfensters der Formeinheit beendet wurde. Deshalb wird es immer eine Zeitverzögerung zwischen der Verfügbarkeit der Forminformation selbst und der Verfügbarkeit der Forminformationcodierredundanz geben.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb zumindest eines Qualitätsniveaus i eine diskrete Gauss-Verteilung. Eine diskrete Gauss-Verteilung, welche beschrieben werden kann mit dem Ausdruck
mit λ_i > 0, ist ein effizienter Weg zum Implementieren einer Wahrscheinlichkeitsverteilung, welche sanft abfällt mit einem zunehmenden |u_i,k|. Das Abnehmen wird nur durch einen Parameter, λ₁, definiert. Für jedes Qualitätsniveau i, kann λ₁ individuell ausgewählt werden.
Vorzugsweise ist der Satz von Signalpunkten ein nicht uniform beabstandeter Satz von Signalpunkten. Durch Anpassen der Beabstandung zwischen den Signalpunkten des Signalalphabets, wird ein zusätzlicher Grad der Freiheit für den Entwurf des hierarchischen Codierschemas bereitgestellt. Dies erlaubt es, das hierarchische Codierschema zu optimieren.
Weiter bevorzugt ist das Modulationsschema ein Amplitude Shift Keying bzw. eine Amplitudenumtastung (ASK) oder eine Quadrature Amplitude Modulation bzw. Quadraturamplitudenmodulation (QAM) Schema, und insbesondere ein 8-ASK-, 16-ASK-, 64-QAM- oder 256-QAM-Schema. Innerhalb eines Amplituden-Shift-Keying-Modulationsschemas wurden verschiedene Amplituden den Signalpunkten des Signalalphabets zugewiesen. Die eindimensionalen ASK-Konstellationen können direkt verallgemeinert werden auf die zweidimensionalen QAM-Konstellationen.
Die Erfindung bezieht sich ebenfalls auf einen Mehrstufendecoder zum Decodieren eines Signals, welches gemäß eines hierarchischen Modulationsschemas moduliert wurde bzw. ist, wobei das Signal ausgebildet ist aus Quellsignalbitströmen von L verschiedenen Qualitätsniveaus, welche partitioniert wurden in Bitströme für l Abbildungs- bzw. Mappingniveaus. Jedes Qualitätsniveau i wird dargestellt durch l_i entsprechende Abbildungsniveaus. Gemäß der Erfindung umfasst der Mehrstufendecoder eine Decodiereinrichtung für jedes Qualitätsniveau i, welche die l_i entsprechenden Abbildungsniveaubitströme decodiert, und welche die Decodiereinrichtung von höheren Qualitätsniveaus mit zuverlässiger Information bezüglich der decodierten Abbildungsniveaubitströme versieht. Des Weiteren umfasst der Mehrstufendecoder eine Einrichtung zum Trennen der Forminformation für zumindest ein Qualitätsniveau i von den empfangenen Abbildungsniveaubitströmen für Qualitätsniveau i und eine Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtung, welche Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der Forminformation für Qualitätsniveau i erzeugt.
Wenn das Konzept des Formens angewendet wird innerhalb eines nicht hierarchischen Modulationsschemas, kann die Forminformation einfach ignoriert werden auf Seiten des Empfängers. Sobald das Formen angewendet wird innerhalb eines hierarchischen Modulationsschemas, muss eine Decodierstufe eines höheren Qualitätsniveaus versehen werden mit Zuverlässigkeitsinformation (soft information bzw. weiche Information) bezüglich sowohl der Forminformation als auch der Daten, weil für das Decodieren der höheren Qualitätsniveaus die Hyperkonstellationspunkte der niedrigeren Qualitätsniveaus bekannt sein müssen.
In dem Mehrstufendecoder wie gemäß dieser Erfindung vorgeschlagen, wird ein Decoder einer höheren Qualitätsstufe informiert über die Zuverlässigkeit der decodierten Abbildungsniveaubitströme und über die Zuverlässigkeit der Forminformation für das niedrigere Qualitätsniveau. Die Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der decodierten Abbildungsniveaubitströme wird erzeugt durch die Decoder der Abbildungsniveaubitströme, wenn die Bitströme decodiert werden. Um die Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der Forminformation von Qualitätsniveau i zu erzeugen, umfasst ein Mehrstufendecoder eine Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtung.
Durch die Zuverlässigkeitsinformation ist es möglich, Signalkonstellationsinformation für ein niedrigeres Qualitätsniveau an höhere Qualitätsniveaus weiterzuleiten. Somit kann das Konzept des Formens auf ein hierarchisches Modulationsschema angewendet werden.
Vorzugsweise ist die Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der Forminformation für Qualitätsniveau i hart quantisierte Zuverlässigkeitsinformation, welche vorzugsweise erhalten wird durch Wiedercodieren der fehlerkorrigierten Forminformation für Qualitätsniveau i.
Weiter bevorzugt ist die Zuverlässigkeitsinformation bezüglich der Abbildungsniveaubitströme hart quantisierte Zuverlässigkeitsinformation, welche vorzugsweise erhalten wird durch Wiedercodieren der decodierten Abbildungsniveaubitströme.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Mehrstufendecoder eine Einrichtung zum Speichern eines Blocks von empfangenen Daten, welche einen Block von empfangenen Daten speichert bis die Forminformationscodierredundanz für den Block von empfangenen Daten, welche übertragen wird mit einer Verzögerung relativ zu der Forminformation selbst, empfangen wurde. Durch Speichern der empfangenen Forminformation, kann das Decodieren der Forminformation verschoben werden bis die Forminformationscodierredundanz verfügbar ist.
Vorzugsweise umfasst der Mehrstufendecoder eine Verschiebungseinrichtung, welche jedes Mal, wenn ein Abbildungsmarker decodiert wurde, die Hyperkonstellationspunkte eines jeweils entsprechenden Unterclusters um einen Verschiebungswert verschiebt, so dass die Hyperkonstellationspunkte der Untercluster bei Null zentriert sind. Insbesondere wenn der Satz von Hyperkonstellationspunkten, welcher innerhalb eines Unterclusters enthalten ist, identisch ist für all die Untercluster eines bestimmten Qualitätsniveaus, unabhängig davon, welcher Untercluster des Qualitätsniveaus ausgewählt ist, wird man immer denselben Satz von Hyperkonstellationspunkten erhalten, unter der Voraussetzung, dass der Satz auf solch eine Weise verschoben ist, dass er um Null zentriert ist. Somit werden die L Qualitätsniveaus des Modulationsschemas unabhängig voneinander.
Weitere Merkmale und Vorteile der bevorzugten Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen
1 zeigt, wie die Empfangsbedingungen um einen Sender abhängen von dem Abstand des Empfängers von dem Sender;
2 zeigt, wie die Bitströme von L Quellsignalen partitioniert und codiert sind bzw. werden, um Bitströme für 1 verschiedene Abbildungsniveaus zu erhalten;
3A einen Satz von Signalpunkten für ein Amplitudenmodulationsschema darstellt, wobei die Hyperkonstellationspunkte der robusten Schicht als Untercluster angedeutet sind;
3B die Hyperkonstellationspunkte der Verstärkungsschicht für das in 3A gezeigte Amplitudenmodulationsschema darstellt;
4 die Abhängigkeit der Standardabweichung der Amplituden der Konstellationspunkte, σ_M ², und der Entropie, H(M), von dem Parameter λ einer diskreten Gauss-Wahrscheinlichkeitsverteilung M zeigt;
5 den Aufbau eines hierarchischen Formcodierers für Qualitätsniveau i zeigt;
6 die Zeitablaufplanung der Übertragung von Datenbits, Forminformation und Forminformationscodierredundanz zeigt;
7 den Aufbau eines vereinfachten hierarchischen Formcodierers für Qualitätsniveau i zeigt, wobei die Forminformation nicht durch den Codierer codiert wird;
8 den Aufbau eines vereinfachten hierarchischen Formcodierers für Qualitätsniveau i zeigt, wobei sowohl die Forminformation als auch der Bitstrom für das höchste Abbildungsniveau des Qualitätsniveaus i nicht codiert sind;
9 einen hierarchischen Decodierer für Qualitätsniveau i darstellt, wobei sowohl für die Forminformation als auch für die Daten Zuverlässigkeitsinformation erzeugt und weitergeleitet wird an höhere Decodierstufen;
10 zeigt, wie eine Sequenz von empfangenen Datenblöcken decodiert wird durch einen Mehrstufendecoder;
11 den Leistungsgewinn zeigt, welcher erreicht werden kann durch Verwenden der Erfindung für ein erstes Beispiel;
12 den Leistungsgewinn zeigt, welcher erreicht werden kann durch Verwenden der Erfindung für ein zweites Beispiel.
In 1 sendet bzw. emittiert ein Sender 1 ein Sende- bzw. Rundfunksignal, welches empfangen wird durch eine Mehrzahl von Empfängern, welche in unterschiedlichen Entfernungen von dem Sender 1 angeordnet sind. Der Sender 1 kann z.B. eine Basisstation für ein drahtloses Telefonsystem oder eine Radio- oder TV-Station sein.
Empfänger, welche innerhalb des Abdeckungsbereichs 2 angeordnet sind, empfangen ein leistungsstarkes Signal. Für diese Empfänger ist das Signal-zu-Rauschverhältnis des empfangenen Signals eher groß. Für Empfänger, welche innerhalb des Abdeckungsbereichs 2 angeordnet sind, wäre ein leicht codiertes Hochqualitätssignal, ein so genanntes Verstärkungsniveau- bzw. -pegelsignal, am besten sein zum effizienten Übertragen von Daten über den Sendekanal.
Empfänger, welche innerhalb des Abdeckungsbereichs 3 angeordnet sind, empfangen ein eher schwaches Signal. Das Signal-zu-Rauschverhältnis des Signals, welches innerhalb des Abdeckungsbereichs 3 empfangen wird, ist niedrig. Deshalb wird für Empfänger, welche innerhalb des Abdeckungsbereichs 3 angeordnet sind, ein robustes Signal mit einer großen Menge von Codierredundanz benötigt.
Sowohl die Anforderungen der Empfänger, welche in dem Abdeckungsbereich 2 angeordnet sind, und der Empfänger, welche innerhalb des Abdeckungsbereichs 3 angeordnet sind, können erfüllt werden durch ein hierarchisches Codierschema. Ein Codierer für solch ein hierarchisches Codierschema ist in 2 gezeigt. Der Codierer transformiert Bitströme q₀, q₁, ..., q_L-1 von L verschiedenen Qualitätsniveaus in ein Sendesignal, wobei q₀ den Bitstrom des niedrigsten Qualitätsniveaus bezeichnet und wobei q_L-1 den Bitstrom des höchsten Qualitätsniveaus bezeichnet. Die Bitströme q₀, q₁, ..., q_L-1 können z.B. erzeugt werden durch L verschiedene Signalquellen.
Die Bitströme q₀, q₁, ..., q_L-1 werden an die Partitioniereinrichtung 4 weitergeleitet, welche 1 Bitströme x₀, x₁, ..., x_l-1 von l verschiedenen Abbildungs- bzw. Mappingniveaus erzeugt durch Abbilden bzw. Mappen jedes Bitstroms q_i von Qualitätsniveau i auf l_i entsprechende Abbildungsniveaus, mit l_i ≥ 1. Die Gesamtanzahl l von Abbildungsniveaus wird erhalten durch Addieren der Nummern l_i der verschiedenen Qualitätsniveaus (i = 0, 1, ..., L-1):
Als Nächstes wird ein Mehrstufencodieren der Abbildungsniveaubitströme durchgeführt. Jeder der 1 Abbildungsniveaubitströme x₀, x₁, ..., x_l-1 wird individuell codiert durch einen entsprechenden Codierer E₀, E₁, ..., E_l-1, um die codierten Bitströme c₀, c₁, c_l-1 zu erzeugen. Je niedriger die Qualität des entsprechenden Abbildungsniveaubitstroms ist, um so mehr Codierredundanz wird hinzugefügt werden müssen durch den entsprechenden Codierer. Deshalb fügt der Codierer E₀ viel Codierredundanz zu dem Bitstrom x₀ hinzu, während die Menge von Codierredundanz, welche zu dem Bitstrom x_l-1 durch den Codierer E_l-1 hinzugefügt wird, relativ gering ist.
Die resultierenden Bitströme c₀, c₁, ..., c_l-1 werden weitergeleitet an die Mapping- bzw. Abbildungseinheit 5. Es ist wichtig, dass die Bitströme c₀, c₁, ..., c_l-1, gleiche Datenraten aufweisen. Dies impliziert, dass die Datenraten der Bitströme x₀, x₁, ..., x_l-1 nicht zueinander gleich sind, aufgrund der variierenden Mengen von Codierredundanz, welche durch die Codierer E₀, E₁, ..., E_l-1 hinzugefügt wird. In der Tat ist die Datenrate des Bitstroms x₀, welcher zu dem niedrigsten Qualitätsniveau gehört, typischerweise viel geringer als die Datenrate des Hochqualitätsbitstroms x_l-1. Die Bits von jedem Abbildungsniveau-Bitstrom stellen so genannte Abbildungsmarker bzw. -labels bzw. mapping labels dar. Mit jedem Taktzyklus bildet die Abbildungseinheit 5 die l einkommenden Bits der l Abbildungsniveaubitströme auf die Signalpunkte des Modulationsschemas ab. Die l synchron ankommenden Abbildungsmarker der l Abbildungsniveaubitströme werden bijektiv bzw. umkehrbar eindeutig auf die Signalpunkte des Satzes von Signalpunkten abgebildet.
Für das nachfolgende Beispiel wird die Anzahl von Qualitätsniveaus L als Zwei ausgewählt. Deshalb gibt es einen Quellsignaldatenstrom q₀ für die robuste Schicht und einen Quellsignaldatenstrom q₁ für die Verstärkungsschicht. Diese zwei Quellsignalbitströme q₀ und q₁ werden partitioniert in l = 3 Abbildungsniveaubitströme x₀, x₁ und x₂. Zwei Abbildungsniveaubitströme, die Bitströme x₀ und x₁ entsprechen Qualitätsniveau 0 (robuste Schicht) und l₀ ist gleich Zwei. Ein Abbildungsniveaubitstrom, der Bitstrom x₂, entspricht Qualitätsniveau l (Verstärkungsschicht) und l₁ ist gleich Eins. Die Gesamtanzahl der Abbildungsniveaus, l, ist gleich der Summe von l₀ und l₁.
Die Codierer E₀, E₁ und E₂ fügen Redundanz zu den Bitströmen x₀, x₁, x₂ hinzu, vorzugsweise durch Anwenden eines Faltungsalgorithmus auf diese Bitströme. Durch individuelles Codieren der Bitströme x₀, x₁, x₂ werden die Bitströme c₀, c₁, c₂ erzeugt, wobei die Bitströme c₀ und c₁ die robuste Schicht repräsentieren und wobei der Bitstrom c₂ die Verstärkungsschicht repräsentiert. Pro Zyklus steuert jeder der Bitströme c₀, c₁, c₂ ein Bit hinzu. Pro Zyklus der Datenrate der Bitströme c₀, c₁ und c₂, müssen l = 3 Bits abgebildet werden auf einen Satz von 2^l = 2³ = 8 Signalpunkte.
In 3A ist ein diskreter und finiter Satz von 2³ = 8 Signalpunkten für ein Amplitudenmodulationsschema wie 8-ASK (8-Amplitude Shift Keying) gezeigt. Um zusätzliche Grade der Freiheit für den Systementwurf bereitzustellen, sind die acht Signalpunkte 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 nicht gleich beabstandet.
Wenn die drei Abbildungsmarker c₀, c₁ und c₂ auf den Satz von Signalpunkten 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 abgebildet werden, werden die Abbildungsmarker c₀ und c₁, welche dem robusten Qualitätsniveau entsprechen, als erste betrachtet. Die Werte der Abbildungsmarker c₀ und c₁ bestimmen, in welches der vier Untercluster 14, 15, 16, 17 der Signalpunkt, welcher übertragen werden soll, gefunden wird. Das Untercluster 14, welches die Signalpunkte 6 und 7 umfasst, wird ausgewählt durch die Werte c₀ = 0 und c₁ = 0. Die Signalpunkte 8 und 9 bilden das Untercluster 15, welches ausgewählt wird durch c₀ = 1 und c₁ = 0. Untercluster 16 umfasst die Signalpunkte 10 und 11 und entspricht c₀ = 0 und c₁ = 1, und Untercluster 17, welches ausgewählt wird durch c₀ = 1 und c₁ = 1, umfasst die Signalpunkte 12 und 13.
Der Wert des ersten Abbildungsmarkers, c₀, wählt zwei aus vier Unterclustern aus. Wenn c₀ gleich 0 ist, werden die Untercluster 14 und 16 ausgewählt. Entsprechend, wenn c₀ gleich 1 ist, werden die Untercluster 15 und 17 ausgewählt.
Durch den zweiten Abbildungsmarker c₁, wird eins aus den zwei ausgewählten Unterclustern bestimmt. Wenn c₀ gleich 0 war, bestimmt der Wert von c₁, ob das Untercluster 14 oder Untercluster 16 den tatsächlichen Signalpunkt umfasst. Wenn c₀ gleich 0 ist, wird Untercluster 14 ausgewählt, und wenn c₁ gleich 1 ist, wird Untercluster 16 ausgewählt.
Dementsprechend, wenn c₀ gleich 1 war, bestimmt der Wert von c₁, ob Untercluster 15 oder Untercluster 17 den tatsächlichen Signalpunkt umfasst. Wenn c₁ gleich 0 ist, wird Untercluster 15 ausgewählt und wenn c₁ gleich 1 ist, wird Untercluster 17 ausgewählt.
Durch Inbetrachtziehen der Abbildungsmarker, welche dem robusten Qualitätsniveau 0 entsprechen, welche die Abbildungsmarker c₀ und c₁ sind, wird eines der vier Untercluster 14, 15, 16, 17 ausgewählt. Die Zentren dieser vier Untercluster bilden den Satz A₀ von Hyperkonstellationspunkten für das Qualitätsniveau 0: A0 = {u0,0, u0,1, u0,2, u0,3}
Der Hyperkonstellationspunkt u_0,0 ist gleich der Zentrumskoordinate des Unterclusters 14, der Hyperkonstellationspunkt u_0,1 ist gleich dem Zentrum von Untercluster 15, der Hyperkonstellationspunkt u_0,2 ist gleich dem Zentrum von Untercluster 16 und der Hyperkonstellationspunkt u_0,3 ist gleich dem Zentrum des Unterclusters 17. Durch Evaluieren der Abbildungsmarker c₀, c₁ des robusten Qualitätsniveaus 0 wird einer aus vier Hyperkonstellationspunkten des Satzes A₀ ausgewählt.
Um das vorstehend beschriebene Konzept der Hyperkonstellationspunkte auf jedes beliebige Qualitätsniveau i zu verallgemeinern, wobei das Qualitätsniveau i l_i Abbildungsniveaus umfasst, umfasst der Satz von Hyperkonstellationspunkten A_i für das Qualitätsniveau i
Hyperkonstellationspunkte und kann wie folgt ausgedrückt werden:
Nun wird angenommen, dass Untercluster 15 ausgewählt wurde durch die Abbildungsmarker c₀ und c₁, welche die Abbildungsniveaus des Qualitätsniveaus 0 sind. Dies impliziert, dass c₀ gleich 1 war und dass c₁ gleich 0 war.
Untercluster 15 umfasst zwei Signalpunkte, Signalpunkt 8 und Signalpunkt 9. Die Auswahl von einem dieser zwei Signalpunkte wird durchgeführt gemäß dem Wert des Abbildungsmarkers c₂, welcher der (einzige) Abbildungsmarker ist, welcher dem Qualitätsniveau 1 entspricht. Deshalb, l₁ = 1, und der Satz A_l von Hyperkonstellationspunkten des Qualitätsniveaus 1 umfasst
= 2¹ = 2 Hyperkonstellationspunkte u_1,1 und u_1,1: A1 = {u1,0, u1,1}.
Aus diesem Grund umfasst jeder der Untercluster 14, 15, 16, 17 genau zwei Signalpunkte, wobei eines der Untercluster ausgewählt wird durch die Werte von c₀ und c₁ und wobei einer der Signalpunkte innerhalb des Unterclusters ausgewählt wird durch den Wert von c₂. In 3B ist der Satz A_l von
= 2 Hyperkonstellationspunkten u_1,0 und u_1,1 dargestellt. Dieser Satz A_l ist derselbe für alle möglichen Werte von c₀ und c₁.
Als Nächstes wird das Konzept des Formens eingeführt. Formen bzw. Shaping bedeutet, dass ungleich verteilte Wahrscheinlichkeiten einem Satz von Signalpunkten zugewiesen werden. Beispielsweise wird der Satz A₀ = {u_0,0, u_0,1, u_0,2, u_0,3} betrachtet, welcher die vier Hyperkonstellationspunkte u_0,0, u_0,1, u_0,2 und u_0,3 umfasst. Ohne Formen würde jeder Hyperkonstellationspunkt des Satzes A₀ mit derselben Wahrscheinlichkeit
(u_0,k) = 0,25, mit k = 0, 1, 2, 3 auftreten.
Durch Formen der Wahrscheinlichkeitsverteilung der Hyperkonstellationspunkte u_0,0, u_0,1, u_0,2 und u_0,3, ist es möglich, durchzusetzen, dass manche dieser Hyperkonstellationspunkte, z.B. u_0,1 und u_0,2, häufiger auftreten als die anderen Hyperkonstellationspunkte (z.B. u_0,0 und u_0,3) des Satzes A₀. Durch dieses ist es möglich, die Menge von Hyperkonstellationspunkten mit niedrigen Signalamplituden in dem übertragenen Signal zu erhöhen, und die Menge der Hyperkonstellationspunkte mit großen Signalamplituden in dem übertragenen Signal zu verringern.
Formen fügt ein anderes bzw. weiteres Maß von Freiheit zu dem Systementwurf hinzu indem erlaubt wird, dass die Signalpunkte von verschiedener Wahrscheinlichkeit sein dürfen. Die Summe der Wahrscheinlichkeiten der individuellen Punkte der Konstellation verbleibt natürlich bei 1. Da die durchschnittliche Übertragungsleistung eines Signals verringert wird, kann Formen wesentlich die Leistung bei niedriger oder keiner Komplexität für den Empfänger erhöhen.
Gemäß der Erfindung wird das Konzept des Formens auf hierarchische Modulationsschemata verallgemeinert. Theoretisch kann jede Verteilung der Wahrscheinlichkeitsmassefunktion der Signalpunkte angewendet werden und viele werden ein Zunahme in der Leistung zur Folge haben. Gemäß der Erfindung wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung individuell und getrennt ausgewählt für jedes Qualitätsniveau i. Vorzugsweise wird eine diskrete Gauss-Verteilung gewählt als die Wahrscheinlichkeitsverteilung auf jedem Qualitätsniveau, wie durch die nachfolgende Gleichung gegeben:
Hier ist u_i,k der k-te Hyperkonstellationspunkt des Qualitätsniveaus i und bezeichnet entweder das Zentrum eines Unterclusters oder einen Signalpunkt. W(λ_i) muss gewählt werden, um die Wahrscheinlichkeitsmassefunktion zu normalisieren und deshalb
wobei A_l definiert ist als der Satz von all den Hyperkonstellationspunkten des Qualitätsniveaus i,
Durch Anpassen von λ, kann das Abfallen der Wahrscheinlichkeitsmassefunktion
(u_i,k) definiert werden. Die λ_i sind zusätzliche freie Entwurfsparameter und werden ausgewählt, um die gemeinsamen Übertragungsraten auf den L Qualitätsniveaus zu maximieren. Je größer das ausgewählt λ_i ist, desto größer werden Abweichungen zwischen den Wahrscheinlichkeiten
(u_i,k) innerhalb des Qualitätsniveaus i sein. Dies wird
beeinflussen, wenn die Standardabweichung der Amplituden der Konstellationspunkte, welcher definiert ist als
Je größer das ausgewählte λ_i ist, desto kleiner wird
, die Standardabweichung der Amplituden der Konstellationspunkte sein und desto geringer wird die durchschnittliche Übertragungsleistung werden.
Dies ist jedoch nicht der einzige Aspekt, welcher berücksichtigt werden muss, wenn der beste Wert für λ_i ausgewählt wird. H(U_i) bezeichnet die Entropie des Satzes von Signalpunkten, welche für Datenübertragung verwendet werden, wenn die Wahrscheinlichkeit der Signalpunkte gegeben sind durch die Wahrscheinlichkeitsverteilung U_i. Die Entropie H(U_i) erreicht ihr Maximum, wenn all die Signalpunkte mit gleicher Wahrscheinlichkeit auftreten. Dies entspricht dem Fall λ_i = 0.
In 4 ist die Abhängigkeit von sowohl der Standardabweichung der Amplituden der Konstellationspunkte, σ_M ², und der Entropie, H(M), von dem Parameter λ einer diskreten Gauss-Wahrscheinlichkeitsverteilung M gezeigt. Je höher die Entropie H(M) ist, desto mehr Information kann übertragen werden mit einer gegebenen Anzahl von Bits. Je kleiner λ wird, desto höher wird die Entropie H(M) sein. Deshalb ist ein großer Wert für λ vorteilhaft, soweit die Standardabweichung σ_M ² der Signalpunktamplituden betroffen ist, aber nicht wünschenswert, soweit die Entropie H(M) betroffen ist. Durch einen Kompromiss zwischen H(M) und σ_M ², kann der optimale Wert für λ bestimmt werden.
Die Wahrscheinlichkeit der Signalpunkte m in dem gesamten Signalalphabet A wird erhalten als das Produkt der Wahrscheinlichkeiten der Untercluster der einzelnen Qualitätsniveaus zu welchen m gehört:
Hierbei ist A_i,k definiert als der Satz von Signalpunkten, welche zu dem Untercluster mit Index k auf Qualitätsniveau i gehört, und L ist die Anzahl von Qualitätsniveaus des hierarchischen Modulationsschemas. Es sollte beachtet werden, dass Σ_m∈Ap_M(m) immer erfüllt ist, da die individuellen bzw. einzelnen Wahrscheinlichkeitsmassefunktionen normalisiert sind, die Abbildung zwischen Markern und Signalpunkten bijektiv ist und die Abbildung der Signalpunkte in die Untercluster regulär und bijektiv ist.
Für das höchste Qualitätsniveau vereinfacht sich jedes Untercluster zu einem einzelnen Signalpunkt. Die sich ergebende Wahrscheinlichkeit von jedem einzelnen Signalpunkt ist einfach das Produkt von all den Wahrscheinlichkeiten der Untercluster auf den unterschiedlichen Qualitätsniveaus zu welchen der Signalpunkt gehört.
In 5 ist die Struktur eines hierarchischen Formcodierers für Qualitätniveau i gezeigt. Der Quellsignalbitstrom q_i wird weitergeleitet zu der Partitioniereinrichtung 18, welche den Quellsignalbitstrom q_i in Abbildungsniveaubitströme
transformiert, welche dem Qualitätsniveau i entsprechen. Hierbei bezeichnet l_iΣ – l_i + 1 den Index des niedrigsten Abbildungsniveaubitstroms, welcher dem Qualitätsniveau i entspricht, wohingegen l_iΣ den Index des höchsten Abbildungsniveaubitstroms, welcher dem Qualitätsniveau i entspricht, bezeichnet. Der Index l_iΣ ist gegeben durch
wobei die Parameter l_j die Anzahl von Abbildungsniveaus bezeichnen, welche zu einem niedrigeren Qualitätsniveau j gehören.
Für das in 3A gezeigte Beispiel ist L = 2, l₀ = 2 und l₁ = 1. Für das robuste Qualitätsniveau ist i = 0 und l_0Σ = l₀ – l = 1. Der höchste Abbildungsniveaubitstrom von Qualitätsniveau 0 ist deshalb x₁. Dementsprechend ist l_0Σ – l₀ + 1 = 1 – 2 + 1 = 0, und deshalb ist der niedrigste Abbildungsniveaubitstrom von Qualitätsniveau 0 x₀.
Die Bitströme
werden weitergeleitet an die entsprechenden Codierer
. Für jedes Abbildungsniveau ist ein getrennter Codierer vorgesehen, welcher Codierredundanz zu den Abbildungsniveaubitströmen hinzufügt. Die codierten Bitströme
der niedrigeren Abbildungsniveaus werden direkt weitergeleitet an die (Sub- bzw. Unter-)Abbildungseinheit 19 für Qualitätsniveau i. Der codierte Bitstrom, welcher erzeugt wurde durch den Codierer
wird weitergeleitet zusammen mit der Codierredundanz 20 für die Forminformation von dem letzten Datenblock an den Umwandler 21. Durch Interleaven bzw. Verschachteln der zwei Bitströme wird der Bitstrom
erzeugt. Der Bitstrom
wird weitergeleitet an den Former 22 für Qualitätsniveau i, welcher vorzugsweise ein Trellis-Former ist. Durch Zufügen von Formbits zu dem Bitstrom des höchsten Abbildungsniveaus, setzt der Former 22 eine vorbestimmte Wahrscheinlichkeitsverteilung durch innerhalb der Hyperkonstellationspunkte u_i,k vom Qualitätsniveau i. Durch Addieren von Formbits, wird der Bitstrom
transformiert in den geformten Bitstrom
, welcher weitergeleitet wird an die Abbildungseinheit 19.
Die drei Bitströme
dienen als Eingabebitströme für die Abbildungseinheit 19 für Qualitätsniveau i, welche die Abbildungsmarker auf Symbole m_i abbildet. Um die ankommenden Bits der drei Bitströme auf das Symbol m_i abbilden zu können, müssen die Datenraten der drei Bitströme
gleich zueinander sein. Dies kann erreicht werden durch vorsichtiges Auswählen der Datenraten der Bitströme
und des Ausmaßes der Redundanz, welche durch die Codierer
hinzugefügt wird.
Die Forminformation C_S,i für Qualitätsniveau i, welche vorzugsweise erzeugt wird durch den Former 22 durch Anwenden eines Trelüs-Algorithmus und Lösen eines Pfadoptimierungsproblems, wird weitergeleitet an den Formcodierer E_shape. Der Formcodierer E_shape erzeugt Codierredundanz 23 für die Forminformation C_S,i, welche übertragen wird zusammen mit dem nächsten Datenblock.
6 zeigt wie die Übertragung von Datenbits, Forminformation und Codierredundanz für die Forminformation festgesetzt werden kann. In der Region 24, für welche der Formvorgang bereits durchgeführt wurde, werden Datenblöcke 25 und Forminformation 26 alternierend übertragen. Die Forminformation 26 wird codiert durch einen Formcodierer, welcher Forminformationscodierredundanz 28 erzeugt. Die Forminformationscodierredundanz 28 wird übertragen mit einer Zeitverzögerung 27 relativ zu der entsprechenden Forminformation 26, wobei die Länge der Zeitverzögerung 27 die Länge des Formfensters 30 übersteigt.
Der Grund für diese Zeitverzögerung ist, dass innerhalb des Formfensters 30 der Trellis-Algorithmus, welcher verwendet wird zum Durchführen des Formvorgangs, aktiv ist, was bedeutet, dass die Blöcke der Forminformation 31 innerhalb des gegenwärtigen Formfensters 30 immer noch verändert werden können. Aus diesem Grund kann die Forminformationscodierredundanz für die Blöcke der Forminformation 31 nicht erzeugt werden, bis die Blöcke der Forminformation 31 das gegenwärtige Formfenster 30 verlassen haben. Deshalb wird die Forminformationscodierredundanz für die Blöcke von Forminformation 31 übertragen mit einer Zeitverzögerung 32 relativ zu der Forminformation 31.
In 7 ist ein vereinfachter hierarchischer Formcodierer für Qualitätsniveau i gezeigt. Wie in der in 5 dargestellten Lösung, wird der Quellsignalbitstrom q_i partitioniert, durch die Partitioniereinrichtung 33, in Bitströme
. Der codierte Bitstrom
des höchsten Abbildungsniveaus wird weitergeleitet an die Formeinheit 34, welche den codierten Bitstrom
in den geformten Bitstrom
umwandelt, welcher weitergeleitet wird an die Abbildungseinheit 35. Die durch den Former 34 erzeugte Forminformation wird jedoch nicht codiert. Wenn die Übertragungsbedingungen ausreichend gut sind, kann auf den Formcodierer verzichtet werden und keine Forminformationscodierredundanz wird erzeugt.
Ein weiterer vereinfachter hierarchischer Formcodierer für Qualitätsniveau i ist in 8 gezeigt. Wie in der in 5 gezeigten Lösung, wird der Quellsignalbitstrom q_i partitioniert durch die Partitioniereinrichtung 36 in Bitströme
. Gemäß dieser Lösung ist der Bitstrom
für das höchste Abbildungsniveau von Qualitätsniveau i überhaupt nicht codiert. Auf den Codierer
für das höchste Abbildungsniveau wurde verzichtet. Der Bitstrom
wird geformt durch den Trellis-Former 37 und der geformte Bitstrom
wird weitergeleitet an die Abbildungseinheit 38. Insbesondere wenn die energetische Trennung zwischen den Signalpunkten, welche durch den höchsten Abbildungsmarker ausgebildet wurden, groß ist, ist es auch nicht notwendig, das höchste Abbildungsniveau zu codieren.
9 zeigt die i-te Stufe eines Mehrstufendecoders zum Decodieren eines hierarchisch modulierten Signals. Empfangene Symbole r werden weitergeleitet an die kombinierten De- bzw. Entabbildungs-/Decodiereinheiten
. Auf dem höchsten Abbildungsniveau entsprechend dem Qualitätsniveau i wurde die Entabbildungseinheit
getrennt von der Decodiereinheit
. Die kombinierten Entabbüdungs-/Decodiereinheiten
machen die Abbildung des Bitstroms entsprechend dem entsprechenden Abbildungsniveau von den empfangenen Symbolen r rückgängig. Information 39 von niedrigeren Qualitätsniveaus, welche Zuverlässigkeitsinformation umfasst, wird betrachtet, wenn die Rückgängigmachung der Abbildung bzw. das Demapping durchgeführt wird. Als Nächstes decodieren die kombinierten Entabbüdungs-/Decodiereinheiten
die rückgängig abgebildeten Datenströme und entfernen die Codierredundanz. Somit werden die decodierten Datenströme
und
erzeugt. Zusätzlich erzeugen die kombinierten Entabbildungs/Decodiereinheiten
und
und der
wieder codierte weiche oder harte Entscheidungsinformation 45, welche eine verbesserte Version des empfangenen Signals r repräsentiert. Die wieder codierte weiche oder harte Entscheidungsinformation 45 wird verwendet durch Entabbilder von höheren Niveaus.
Der rückgängig abgebildete Bitstrom
umfasst Datenblöcke, Blöcke mit Forminformation und Forminformationscodierredundanz, wie in 6 gezeigt. In dem Konverter bzw. Umwandler 40, wird die Forminformation _S,i getrennt von dem rückgängig abgebildeten Bitstrom
und weitergeleitet an den Decoder D_shape,i für die Forminformation von Qualitätsniveau i. Der Umwandler 41 trennt die Forminformationcodierredundanz 42 für den letzten Block, welcher übertragen wurde mit einer Zeitverzögerung, von dem Datenstrom. Der verbleibende Bitstrom, von welchem sowohl die Forminformation und die Forminformationscodierredundanz getrennt wurden, wird decodiert durch den
um den decodierten Bitstrom
erzeugen.
Zusammen mit der Forminformation _S,l wird ebenfalls die Forminformationscodierredundanz 43 für den gegenwärtigen Block an den Decoder D_shape,i weitergeleitet für die Forminformation von Qualitätsniveau i. Durch die Forminformationscodierredundanz kann der Decoder D_shape,i einen Bitstrom von fehlerkorrigierter Forminformation erzeugen, welcher weitergeleitet wird an die Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtung 44. Die Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtung 44 verwendet die decodierte und fehlerkorrigierte Forminformation zum Erzeugen einer wieder codierten Version 47 der Forminformation. Die Qualität der entsprechenden Zuverlässigkeitsinformation (die wieder codierte weiche oder harte Entscheidungsinformation 45 und die wieder codierte Version 47 der Forminformation) ist besser als die ursprünglich empfangene Information, weil Übertragungsfehler innerhalb der Forminformation und innerhalb der Daten entfernt wurden.
Sowohl die wieder codierte weiche oder harte Entscheidungsinformation 45 und die wieder codierte Version 47 der Forminformation sind Teil der Information 46 für die höheren Qualitätsniveaus. Die höheren Qualitätsniveaus leiten Information über die Signalkonstellationen innerhalb der niedrigeren Qualitätsniveaus aus der wieder codierten Information 45, 47 ab.
In 10 ist gezeigt, wie eine Sequenz von empfangenen Datenblöcken decodiert wird durch einen Mehrstufendecoder. Das hierarchische Modulationsschema umfasst zwei Schichten, eine robuste Schicht vom Qualitätsniveau 0 (QL0) und eine Verbesserungsschicht von Qualitätsniveau l (QL1). Der Empfänger wird eingeschaltet, wenn der Übertragungsblock [n – 1] empfangen wird. Der Übertragungsblock [n – 1] umfasst Daten vom Qualitätsniveau 0 für Block [n – 1], und Daten von Qualitätsniveau 1 für Block [n – 1]. Codierredundanz für jegliche Forminformation wird immer empfangen mit einer Zeitverzögerung von einem Block. Deshalb wird die Forminformationcodierredundanz für Block [n – 2] übertragen innerhalb des Übertragungsblocks [n – 1].
Während des Empfangs des Übertragungsblocks [n – 1] kann der Empfänger die Daten vom Qualitätsniveau 0 decodieren. Die Forminformationscodierredundanz für Übertragungsblock [n – 1] ist noch nicht verfügbar. Diese Forminformationscodierredundanz wird benötigt zum Erzeugen von fehlerkorrigierter Forminformation, und die fehlerkorrigierte Forminformation wird benötigt zum Versorgen der höheren Decodierstufen des Mehrstufendecoders mit einem wieder codierten Bitstrom. Deshalb ist es nicht möglich, die Daten vom Qualitätsniveau 1 für Block [n – 1] während des Empfangs des Übertragungsblocks [n – 1] zu decodieren.
Als Nächstes wird der Übertragungsblock [n] empfangen, welcher Daten vom Qualitätsniveau 0 für Block [n], Daten vom Qualitätsniveau 1 und Block [n] für die Forminformationscodierredundanz für Übertragungsblock [n – 1] enthält. Die Daten von Qualitätsniveau 0 für Block [n] können decodiert werden während des Empfangs des Übertragungsblocks [n]. Die Forminformationscodierredundanz für Übertragungsblock (n – 1] ist nun verfügbar, und deshalb kann die Forminformation für Übertragungsblock [n – 1] decodiert werden. Sobald die fehlerkorrigierte Forminformation für Block [n – 1] bekannt ist, ist es möglich, die Daten von Qualitätsniveau 1 vom Block [n – 1] zu decodieren.
Der Übertragungsblock [n + 1] enthält Daten von Qualitätsniveau 0 für Block [n + 1], Daten von Qualitätsniveau 1 und die Forminformationscodierredundanz für Block [n]. Entsprechend ist es möglich, die Daten von Qualitätsniveau 0 für Block [n + 1], die Forminformation für Block [n] und Daten von Qualitätsniveau 1 für den vorhergehenden Übertragungsblock [n] zu decodieren.
Als Nächstes werden Beispiele für die Leistungszunahme, welche erreicht werden kann mit einem geformten hierarchischen Modulationsschema gemäß der vorliegenden Erfindung, vorgestellt. Das erste Beispiel, welches in 11 dargestellt ist, zeigt die Leistungszunahme aufgrund der Erfindung in einem Additive White Gaussian Noise (AWGN) Kanal für Systeme mit zwei Qualitätsniveaus, wobei das Signal-zu-Rauschverhältnis des robusten Niveaus 0 dB ist, und wobei das Signal-zu-Rauschverhältnis des Verbesserungsniveaus 10 dB ist. Als Referenzkurven ist die optimal erreichbare Leistung der Shannon-Abdeckungs- bzw. Shannon-Cover- Grenze beinhaltet. Ebenfalls ist die wohl bekannte aber nicht sehr effiziente Time Sharing bzw. Zeitaufteilungs-(TS)-Leistung angegeben. Zwei Signalkonstellationen werden verglichen: 8-ASK und 16-ASK, beide mit und ohne Formen. Die 8-ASK-Konstellation verwendet ein Abbildungsniveau für das robuste Niveau und zwei Abbildungsniveaus für das Verbesserungsniveau, wohingegen 16-ASK zwei Abbildungsniveaus für jedes Qualitätsniveau verwendet. Deshalb wendet das 16-ASK-Schema unabhängiges Abbilden auf zwei Qualitätsniveaus an, wie in der Erfindung beschrieben. Offensichtlich resultiert es in der höchsten Leistung der fünf präsentierten praktischen Schemata, und es ist ebenfalls das flexibelste für die vier präsentierten Beispiele unter Verwendung von Amplitude Shift Keying (ASK).
Ein zweites Beispiel ist in 12 gegeben. Wiederum werden 8-ASK und 16-ASK verglichen. Beide verwenden nur ein Abbildungsniveau für die Verbesserungsschicht und zwei bzw. drei Abbildungsniveaus für die robuste Schicht. Diese Veränderung in der Abbildung ist aufgrund der verschiedenen Signal-zu-Rauschverhältnisse für die robuste Schicht und die Verbesserungsschicht. Das Signal-zu-Rauschverhältnis für die robuste Schicht ist 5 dB und das Signal-zu-Rauschverhältnis für die Verbesserungsschicht ist 15 dB. Es ist weiter beeinflusst durch die Regionen von Paaren von Übertragungsraten, welche wir in diesem Beispiel erreichen wollen. Wiederum ist 16-ASK das Schema, welches am besten abschneidet.

Claims

Sender für Signale, welche moduliert sind gemäß eines hierarchischen Modulationsschemas, umfassend – Partitioniereinrichtungen (18, 33, 36), welche ausgelegt sind zum Partitionieren von Quellensignalbitströmen (q_i) von L ≧ 2 verschiedenen Qualitätsniveaus in Bitströme (x₀, ..., x_l-i) für l Abbildungsniveaus, wobei jedes Qualitätsniveau i repräsentiert wird durch l_i entsprechende Abbildungsmarker, – Abbildungseinrichtungen (19, 35, 38), welche ausgelegt sind zum Einstellen der l_i Abbildungsmarker, welche dem Qualitätsniveau i entsprechen, wobei dadurch einer von 2^l _i Hyperkonstellationspunkten (u_i,k) des Qualitätsniveaus i ausgewählt wird, wobei jeder Hyperkonstellationspunkt (u_i,k) ein Untercluster eines Satzes von Signalpunkten repräsentiert, gekennzeichnet durch – Einrichtungen zum Formen, individuell für zumindest ein Qualitätsniveau i, der Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb des zumindest einen der Qualitätsniveaus, wobei die Einrichtungen zum Formen ausgelegt sind zum Zuweisen von ungleich verteilten Wahrscheinlichkeiten (
(u_i,k)) zu den 2^l _i Hyperkonstellationspunkten (u_i,k) eines Qualitätsniveaus i durch Addieren von Formbits zu zumindest einem Bitstrom für Abbildungsniveaus des Qualitätsniveaus i.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hyperkonstellationspunkt (u_i,k) entweder der Koordinate des Zentrums des Unterclusters, welches er repräsentiert, oder einem Signalpunkt entspricht.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einrichtungen für ein Codieren mit mehreren Niveaus, welche einen Satz von Codierern (E₀, ..., E_l-i) umfassen zum getrennten Codieren der Bitströme der 1 Abbildungsniveaus.
Sender gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet durch Einrichtungen für ein Codieren mit mehreren Niveaus, welche einen Satz von Codierern umfassen, welche ausgelegt sind für ein getrenntes Codieren, für zumindest ein Qualitätsniveau, der Bitströme von allen außer dem höchsten Abbildungsniveau (
) eines entsprechenden Qualitätsniveaus.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Formen zumindest eine Formeinheit (22, 34, 37) pro Qualitätsniveau umfassen, welche ausgelegt sind zum Durchsetzen, entsprechend Forminformation, welche verwendet wird durch die Formeinheiten (22, 34, 37) während des Formvorgangs, einer ungleich verteilten Wahrscheinlichkeitsverteilung der 2^l _i Hyperkonstellationspunkte (u_i,k) des Qualitätsniveaus durch Addieren von Formbits zu zumindest einem Bitstrom für Abbildungsniveaus des Qualitätsniveaus i.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formeinheiten (22, 34, 37) als Trellis-Formeinheiten realisiert sind.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch. Forminformationcodiereinrichtungen (E_shape) für zumindest eines der Qualitätsniveaus zum Generieren von Forminformationscodierredundanz (28, 29), wobei der Sender ausgelegt ist zum Senden bzw. Übertragen der Forminformationscodierredundanz (28, 29) zusammen mit der Forminformation (26, 31), um die Forminformation zu schützen.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Forminformationscodiereinrichtungen (E_shape) ausgelegt sind zum Auswählen des Ausmaßes der Forminformationscodierredundanz (28, 29) für Qualitätsniveau i entsprechend des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses des Qualitätsniveaus i + 1.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender ausgelegt ist zum Senden bzw. Übertragen der Forminformationscodierredundanz (28, 29) mit einer Zeitverzögerung relativ zu der Forminformation (26, 31), wobei die Zeitverzögerung größer ist als die Länge eines Formfensters (30), welches verwendet wird durch die Formeinheiten (22, 34, 37) zum Durchsetzen der gewünschten Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung (
(u_i,k)) innerhalb zumindest eines Qualitätsniveaus i eine diskrete Gauss-Verteilung ist.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Signalpunkten (6, ..., 13) ein nicht-uniform beabstandeter Satz von Signalpunkten ist.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Signalpunkten (6, ..., 13) ein regulärer Satz von Signalpunkten ist, wobei die Untercluster (14, 15, 16, 17) eines entsprechenden Qualitätsniveaus i symmetrisch um Null verteilt sind.
Sender gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsschema ein Amplitudenumtastungs-(ASK)- oder ein Quadratur-Amplituden-Modulations-(QAM)-Schema, und insbesondere eine 8-ASK-, 16-ASK-, 64-QAM- oder 256-QAM-Schema ist.
Mehrstufendecoder zum Decodieren eines Signals, welches entsprechend eines hierarchischen Modulationsschemas moduliert wurde, wobei das Signal Bitströme für l Abbildungsniveaus umfasst, welche L ≧ 2 verschiedenen Qualitätsniveaus entsprechen, wobei jedes Qualitätsniveau i repräsentiert wird durch l_i entsprechende Abbildungsniveaus, gekennzeichnet durch – Decodiereinrichtungen für jedes Qualitätsniveau i, welche ausgelegt sind zum Decodieren der l_i entsprechenden Abbildungsniveaubitströme und zum Versorgen der Decodiereinrichtungen von Niveaus höherer Qualität mit Zuverlässigkeitsinformation (45) bezüglich der decodierten Abbildungsniveaubitströme; – Einrichtungen zum Trennen (40) von Forminformation für zumindest ein Qualitätsniveau i von den empfangenen Abbildungsniveaubitströmen für Qualitätsniveau i; – Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtungen (44), welche ausgelegt sind zum Produzieren von Zuverlässigkeitsinformation (47) bezüglich der Forminformation für Qualitätsniveau i und zum Versorgen der Decodiereinrichtungen von Niveaus höherer Qualität mit der Zuverlässigkeitsinformation (47) bezüglich der Forminformation.
Mehrstufendecoder gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Decodiereinrichtungen ausgelegt sind zum Auswählen eines von 2^l _i Hyperkonstellationspunkten (u_i,k) des Qualitätsniveaus i durch Decodieren der l_i Abbildungsmarker, welche dem Qualitätsniveau i entsprechen, wobei jeder Hyperkonstellationspunkt (u_i,k) entweder der Koordinate des Zentrums eines Unterclusters, welches er repräsentiert, oder einem Signalpunkt entspricht.
Mehrstufendecoder gemäß Anspruch 14 oder Anspruch 15, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Trennen (41) von Forminformationscodierredundanz (42) für Qualitätsniveau i von den empfangenen Abbildungsniveaubitströmen für Qualitätsniveau i.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Decodieren (D_shape,i) der Forminformation (C ^_S,i) für Qualitätsniveau i zusammen mit der Forminformationscodierredundanz (43) für Qualitätsniveau i, welche ausgelegt sind zum Erzeugen von fehlerkorrigierter Forminformation für Qualitätsniveau i.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Speichern eines Blocks von empfangenen Daten, welche ausgelegt sind zum Speichern eines Blocks von empfangenen Daten bis die Forminformationscodierredundanz für den Block von empfangenen Daten empfangen wurde.
Mehrstufendecoder gemäß Anspruch 17 oder Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zum Decodieren (D_shape,i) ausgelegt sind zum Weiterleiten der fehlerkorrigierten Forminformation für Qualitätsniveau i zu den Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtungen (44), welche ausgelegt sind zum Produzieren von Zuverlässigkeitsinformation (47) bezüglich der Forminformation für Qualitätsniveau i.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuverlässigkeitsinformation (47) bezüglich der Forminformation für das Qualitätsniveau i hart quantisierte Zuverlässigkeitsinformation ist, wobei die Zuverlässigkeitsinformationserzeugungseinrichtungen (44) ausgelegt sind zum Erzeugen der hart quantisierten Zuverlässigkeitsinformation durch Wiedercodieren der fehlerkorrigierten Forminformation für Qualitätsniveau i.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuverlässigkeitsinformation (45) bezüglich der Abbildungsniveaubitströme hart quantisierte Zuverlässigkeitsinformation ist, wobei die Decodiereinrichtungen ausgelegt sind zum Erzeugen der hart quantisierten Zuverlässigkeitsinformation durch Wiedercodieren der decodierten Abbildungsniveaubitströme.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hyperkonstellationspunkt (u_i,k) ein Untercluster eines Satzes von Signalpunkten repräsentiert, wobei der Satz von Signalpunkten (6, ..., 13) ein regulärer Satz von Signalpunkten ist, wobei die Untercluster (14, 15, 16, 17) eines entsprechenden Qualitätsniveaus i symmetrisch um Null verteilt ist.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 14 bis 22, gekennzeichnet durch Verschiebeeinrichtungen, welche ausgelegt sind zum Verschieben, jedes Mal, wenn ein Abbildungsmarker decodiert wurde, der Hyperkonstellationspunkte eines entsprechenden Unterclusters um einen Versatz- bzw. Verschiebewert (σ₀, σ₁, σ₂), derart, dass die Hyperkonstellationspunkte der Untercluster bei Null zentriert sind.
Mehrstufendecoder gemäß einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsschema ein Amplitudenumtastungs-(ASK)- oder ein Quadratur-Amplituden-Modulations-(QAM)-Schema, und insbesondere ein 8-ASK-, 16-ASK-, 64-QAM- oder 256-QAM-Schema ist.
Sendesignal, welches moduliert ist gemäß einem hierarchischen Modulationsschema, wobei das Sendesignal Bitströme umfasst für l Abbildungsniveaus, welche L ≧ 2 verschiedenen Qualitätsniveaus entsprechen, wobei jedes Qualitätsniveau i repräsentiert wird durch l_i entsprechende Abbildungsmarker, wobei durch Einstellen der l_i Abbildungsmarker, welche dem Qualitätsniveau i entsprechen, einer von 2^l _l Hyperkonstellationspunkten (u_i,k) des Qualitätsniveaus i ausgewählt wird, wobei jeder Hyperkonstellationspunkt (u_i,k) ein Untercluster eines Satzes von Signalpunkten darstellt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Bitstrom für Abbildungsniveaus des Qualitätsniveaus i Formbits umfasst, wobei die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der 2^l _l Hyperkonstellationspunkte (u_i,k) innerhalb zumindest eines der Qualitätsniveaus geformt ist, individuell für das zumindest eine der Qualitätsniveaus, auf eine Weise, dass die l_i Hyperkonstellationspunkte (u_i,k) eines Qualitätsniveaus i mit ungleich verteilten Wahrscheinlichkeiten (
(u_i,k)) auftreten.
Sendesignal gemäß Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal getrennt codierte Bitströme der 1 Abbildungsniveaus umfasst.
Sendesignal gemäß Anspruch 25 oder Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilungen der 2^l _l Hyperkonstellationspunkte innerhalb zumindest eines der Qualitätsniveaus geformt sind entsprechend Forminformation, welche verwendet wird während des Formvorgangs, wobei das Sendesignal sowohl die Forminformation als auch die codierten Bitströme umfasst.
Sendesignal gemäß einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendesignal Forminformationscodierredundanz umfasst, welche erzeugt wird durch Codieren der Forminformation.
Sendesignal gemäß einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb zumindest eines Qualitätsniveaus i eine diskrete Gauss-Verteilung ist.
Sendesignal gemäß einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Signalpunkten ein nicht-uniform beabstandeter Satz von Signalpunkten ist.
Sendesignal gemäß einem der Ansprüche 25 bis 30, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Signalpunkten ein regulärer Satz von Signalpunkten ist, wobei die Untercluster eines entsprechenden Qualitätsniveaus i symmetrisch um Null verteilt sind.
Sendesignal gemäß einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass das Modulationsschema ein Amplitudenumtastungs-(ASK)- oder ein Quadratur-Amplituden-Modulations-(QAM)-Schema, und insbesondere ein 8-ASK-, 16-ASK-, 64-QAM- oder 256-QAM-Schema ist.
Verfahren zum Erzeugen eines Sendesignal gemäß eines hierarchischen Modulationsschemas, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Partitionieren von Quellensignalbitströmen (q,) von L ≧ 2 verschiedenen Qualitätsniveaus in Bitströme (x₀, ..., x_l-i) für l Abbildungsniveaus, wobei jedes Qualitätsniveau i repräsentiert wird durch l_i entsprechende Abbildungsmarker; – Einstellen der l_i Abbildungsmarker, welche dem Qualitätsniveau i entsprechen, wobei dadurch einer von 2^l _i Hyperkonstellationspunkten (u_i,k) des Qualitätsniveaus i ausgewählt wird, wobei jeder Hyperkonstellationspunkt (u_i,k) ein Untercluster eines Satzes von Signalpunkten repräsentiert, gekennzeichnet durch – Zuweisen, individuell für zumindest ein Qualitätsniveau, von ungleich verteilten Wahrscheinlichkeiten (
(u_i,k)) zu den 2^l _i Hyperkonstellationspunkten (u_i,k) eines Qualitätsniveaus i durch Addieren von Formbits zu zumindest einem Bitstrom für Abbildungsniveaus des Qualitätsniveaus i.
Verfahren gemäß Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass Bitströme der 1 Abbildungsniveaus getrennt codiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 33 oder Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass der Formvorgang durchgeführt wird durch Formeinheiten in Übereinstimmung mit Forminformation, welche eingegeben wird, zusammen mit den Bitströmen, welche geformt werden sollen, zu den Formeinheiten.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 35, gekennzeichnet durch Erzeugen von Forminformationscodierredundanz für zumindest eines der Qualitätsniveaus und Übermitteln bzw. Senden der Forminformationscodierredundanz zusammen mit der Forminformation, um die Forminformation zu schützen.
Verfahren gemäß Anspruch 36, gekennzeichnet durch Auswählen des Ausmaßes der Forminformationscodierredundanz für Qualitätsniveau i entsprechend des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses des Qualitätsniveaus i + 1.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 33 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die Wahrscheinlichkeitsverteilung innerhalb zumindest eines Qualitätsniveaus i eine diskrete Gauss-Verteilung ist.