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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft Verfahren
zur Übertragung
von Daten über
Kanäle
mit Intersymbolinterferenz und insbesondere Verfahren zur Minimierung der
Wirkungen einer Intersymbolinterferenz auf übertragene Daten.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Eine Intersymbolinterferenz ergibt
sich aus der Tatsache, dass ein typischer Kommunikationskanal an
sich einen Speicher hat, so dass andere Signale, die durch den Kanal übertragen
werden, das gegenwärtige übertragene
Signal stören.
Frühere Techniken
zur Minimierung der Wirkungen einer Intersymbolinterferenz haben
eine "Vorcodierung" des zu übertragenen
Signals beinhaltet. Diese Techniken nach dem Stand der Technik bieten,
während
sie sowohl Codierungs- als auch Formungsverstärkungen auf Kanälen mit
Intersymbolinterferenz ermöglichen, eine
weniger als optimale Leistung aufgrund des "Vorcodierungsverlustes" (d. h., der zusätzlichen Leistung,
die zur Minimierung der Wirkungen einer Intersymbolinterferenz übertragen
werden muss), die mit diesen Techniken verbunden ist. Da der Vorcodierungsverlust
zunimmt, wenn ein stärkerer
Trelliscode verwendet wird, können
solche Vorcodierer die Kanalkapazität nicht annähernd erreichen.
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Eine Technik zur Minimierung der
Wirkungen einer Intersymbolinterferenz beinhaltet eine Vorcodierung
einer Sequenz von Signalpunkten, um ein Weißmachen des Rauschens auf Kanälen mit
Intersymbolinterferenz zu erreichen. Diese Vorcodierung ist eine
nichtlineare Operation, die garantiert, dass der Kanalausgang oder
der Ausgang eines Noise-Whitening-Filters (Filter, das die Störung weiß machen
soll) eine Trelliscodesequenz ist, die durch additives weißes Gaußsches Rauschen
beeinflusst ist. Jedem der Signalpunkte in der Sequenz wird ein
sogenanntes "Dither-Signal" hinzugefügt. Es wird
keine Codierungsoperation (d. h., eine Operation, die einen Codierungsgewinn
erreicht) als Teil der Vorcodierung durchgeführt. Vielmehr wird eine Vorcodierung
an einer Sequenz von zuvor trelliscodierten Signalpunkten durchgeführt, die
aus einer geformten Konstellation gewählt werden könnten. Die
Vorcodierung wird unter Verwendung einer Modulo-λ'-Operation
durchgeführt,
wobei λ' das Restklassengitter
ist, das heißt, das
Gitter in der letzten Stufe einer Restklassenzerlegung, die zur
Erzeugung des Trelliscodes verwendet wird. Unter Verwendung dieses
Schemas ist der Vorcodierungsverlust groß, wenn der Trelliscode auf einer
großen
Zahl von Restklassenzerlegungen beruht. Die Leistung dieses Schemas
nimmt mit der Anzahl von Restklassenzerlegungen ab, die zur Erzeugung
des Trelliscodes verwendet werden.
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US-A-5 195 107 beschreibt eine "generalized partial
response signaling"-Technik
(GPRS), die für
den Ausgleich einer Intersymbolinterferenz verwendet wird. Zu diesem
Zweck werden Signalpunkte, die für
zu übertragende
Daten repräsentativ
sind, aus einer Signalkonstellation gewählt. Diese Signalkonstellation
enthält
eine Vielzahl von Signalpunkten, die regelmäßig in einer polygonalen Region
mit mehr als vier Seiten beabstandet sind. Die ausgewählten Signalpunkte
werden von dem Sender in Übereinstimmung
mit der GPRS-Technik vorcodiert. Aufgrund der besonderen Wahl der
verwendeten Signalkonstellation nehmen die vorcodierten Signalpunkte
zur Übertragung
eine Region ein, die mit der polygonalen Region identisch ist.
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KURZDARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die Intersymbolinterferenz und der
Vorcodierungsverlust werden gemäß der Erfindung
durch eine Kombination der Vorcodierungs- und Codierungsoperationen
minimiert.
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Durch Ausführung einer Vorcodierung gemeinsam
mit einer Codierung beruht die nichtlineare Modulo-Operation auf
der ersten Stufe der Gitterzerlegung, die zum Erzeugen des Trelliscodes
verwendet wird. Dadurch wird ein geringerer Vorcodierungsverlust
als durch die Vorcodierungstechniken nach dem Stand der Technik
erzeugt und der Vorcodierungsverlust wird von der Anzahl an Restklassenzerlegungen
unabhängig,
die zum Erzeugen des Trelliscodes verwendet werden. Die Codierung
wird durch Wählen
der richtigen nichtlinearen Modulo-Operation als Funktion des gegenwärtigen Zustandes
der Finite-State-Maschine, die zum Erzeugen des Trelliscodes verwendet
wird, ausgeführt.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet
ein Intersymbolinterferenzcodierer eine Rückkopplungsschleife zum Anlegen
einer Dither-Sequenz an eine Sequenz uncodierter Eingangssignalpunkte.
Das Dither-Signal,
das an jeden Eingangssignalpunkt angelegt wird, ist eine nichtlineare
Funktion der vorherigen Signalpunkte in der Sequenz und des gegenwärtigen Zustandes
der Finite-State-Maschine, die zum Erzeugen des Trelliscodes verwendet
wird. Der Intersymbolinterferenzcodierer implementiert zum Beispiel
einen Trelliscode durch Wählen
einer von zwei verschiedenen Modulo-Operationen (mod) zur Bestimmung
der Größe des Dither-Signals,
wobei die Auswahl auf der Basis des gegenwärtigen Zustandes der Finite-State-Maschine,
die zum Erzeugen des Trelliscodes verwendet wird, getroffen wird.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In den Zeichnungen ist:
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1 ein
Blockdiagramm des Senderabschnittes eines Kommunikationssystems,
das gemäß den Prinzipien
der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
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2 ein
Blockdiagramm des Empfängerabschnittes
eines Kommunikationssystems, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist;
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3 die
erste Stufe der Zerlegung eines zweidimensionalen Gitters, das zur
Erzeugung eines Trelliscodes gemäß der Erfindung
verwendet werden kann;
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4 ein
Blockdiagramm des Intersymbolinterferenzcodierers von 1; und
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5 ein
Blockdiagramm des Intersymbolinterferenzdecodierers von 2.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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1 zeigt
den Senderabschnitt eines Kommunikationssystems, der einen Kanal
mit Intersymbolinterferenz enthält.
Der Sender enthält
eine binäre Datenquelle 100,
einen Konstellationscodierer 102, einen Intersymbolinterferenzcodierer 104 und
ein Sendefilter 106. Der Sender gibt eine Sequenz von Signalpunkten
zur Übertragung über einen
Kanal mit Intersymbolinterferenz 108 aus. Der Kanal mit
Intersymbolinterferenz 108 kann als Kanalfilter mit Intersymbolinterferenz 110 und
Rauschen, das an einen Addierer (der schematisch als Rauschelement 112 dargestellt
ist) angelegt wird, dargestellt werden.
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Die binäre Datenquelle 100 gibt
Daten in Form von Bit an den Konstellationscodierer 102 aus, der
die von der Datenquelle 100 empfangenen Bit zu einer Sequenz
von Signalpunkten abbildet, die aus einer geformten aber uncodierten
Konstellation ausgewählt
werden. Der Konstellationscodierer 102 gibt einen Strom
von Signalpunkten zu dem Intersymbolinterferenzcodierer 104 aus.
Gemäß der Erfindung
addiert der Intersymbolinterferenzcodierer 104, wie in
der Folge beschrieben wird, eine Dithersequenz zu dem Strom von
Signalpunkten, um eine Ausgangssequenz von Signalpunkten zu erzeugen, die
(1) vorcodiert ist, um die Wirkung der Intersymbolinterferenz zu
minimieren, und (2) in dem Empfänger
in einer Sequenz aus einem vorbestimmten Signal-Raumcode (z. B.
einem Trelliscode) resultiert, die durch weißes Gaußsches Rauschen beeinflusst
ist (um einen Codierungsgewinn zu erreichen). Die Ausgangssequenz
von Signalpunkten wird durch ein herkömmliches Sendefilter 106 geleitet
und an den Kanal mit Intersymbolinterferenz 108 angelegt.
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2 zeigt
den Empfängerabschnitt
des Kommunikationssystems, der eine Sequenz von Signalpunkten von
dem Kanal mit Intersymbolinterferenz 108 empfängt. Der
Empfänger
enthält
einen Entzerrer/Abtaster 200 und ein Entstörungsvorhersagefehlerfilter 202,
die gemeinsam ein Noise-Whitening-Filter 203 bilden, einen
Viterbi-Decodierer 204, einen
Intersymbolinterferenzdecodierer 206, einen "Konstellationsdecodierer" 208 und
eine Datensenke 210. Das Entstörungsvorhersagefehlerfilter 202 hat eine Übertragungsfunktion
H(z). Der Entzerrer/Abtaster 200, das Entstörungsvorhersagefehlerfilter 202,
der Viterbi-Decodierer 204 und der Konstellationsdecodierer 208 können auf
herkömmliche
Weise implementiert werden, die dem Fachmann bekannt ist.
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Der Ausgang des Kanals mit Intersymbolinterferenz 108 wird
dem Entzerrer/Abtaster 200 und Entstörungsvorhersagefehlerfilter 202 eingegeben, welche
die Sequenz an den Viterbi-Decodierer 204 ausgeben. Als
Alternative kann der Ausgang von Kanal 108 direkt dem Viterbi-Decodierer 204 bereitgestellt
werden (wobei in diesem Fall das Kanalfilter 110 eine Übertragungsfunktion
H(z) hat). Der Ausgang des Kanals mit Intersymbolinterferenz 108 (oder
der Ausgang des Entstörungsvorhersagefehlerfilters 202 bei
Verwendung in Zusammenhang mit einem Weißmachen des Rauschens) ist
eine Sequenz von dem vorbestimmten Signal-Raumcode, die durch Rauschen
beeinflusst ist, wie ein weißes
Gaußsches Rauschen.
Der Viterbi-Decodierer 204 ist ein Detektor vom Typ der
maximalen Mutmaßlichkeit,
der zur Identifizierung der Sequenz von Signalpunkten arbeitet und
dieses Rauschen effektiv entfernt. Der gesendete Konstellationspunkt
wird dann ausschließlich aus
dem Ausgang des Viterbi-Decodierers 204 durch den
Intersymbolinterferenzdecodierer 206 gewonnen, wie in der
Folge in der Besprechung von 5 beschrieben
ist. Der Konstellationsdecodierer 208 empfängt eine
Sequenz von Signalpunkten von dem Intersymbolinterferenzdecodierer 206 und
gibt Bit, die Blöcke
von Signalpunkten, an die Datensenke 210 aus.
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Zur Erzeugung des Trelliscodes wird
ein zweidimensionales (2D) Gitter λ = Z2 in
Restklassen des Restklassengitters λ' zerlegt, das ein Nebengitter von Z2 ist. (Die Notation Z2 besagt,
dass beide Koordinaten aller Punkte auf einer Ebene ganze Zahlen sind). 3 zeigt das 2D Gitter λ, das in
der ersten Zerlegungsstufe in zwei Unterklassen λA und λB getrennt
wird. Für
dieses Beispiel stellen λA = RZ2 und seine
Restklasse (in λ) λB =
RZ2 + (0,1) die erste Zerlegungsstufe dar,
d. h., λ/λA/λ' aus einer Kette
von Gitterzerlegungen. Punkte auf dem Gitter λ, die mit "x" und "o" gekennzeichnet sind, stellen Punkte
von den Unterklassen λA beziehungsweise λB dar.
Für alle Restklassencodes
mit einer 1 Bit/2D Redundanz entsprechen alle ausgehenden Übergänge von
einem Trelliszustand entweder den Signalpunkten in λA oder Signalpunkten
in λB, aber nicht in beiden. Der Ausgang des
Konstellationscodierers 102 (1)
ist eine uncodierte Sequenz von Punkten auf λA.
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Am Ursprung des Gitters in 3 befindet sich eine Region,
die mit dem Buchstaben V gekennzeichnet ist (als schraffierte Region
dargestellt). Diese Region ist die Voronoi-Region des Gitters λA.
Die Voronoi-Region enthält
alle Punkte auf der Ebene, die näher
dem Ursprung sind als jeder andere Punkt auf dem Gitter. Die Voronoi-Region
ist an zwei Seiten durch Volllinien begrenzt, die anzeigen, dass
die Signalpunkte entlang diesen Linien in der Region enthalten sind.
Die übrigen
zwei Seiten der Voronoi-Region sind durch gestrichelte Linien begrenzt,
die anzeigen, dass die Signalpunkte entlang diesen Linien von der Region
ausgeschlossen sind. Die Bedeutung der Voronoi-Region wird in der
Folge verdeutlicht.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
sind die Operationen a) der Trelliscodierung zur Bereitstellung
eines Codierungsgewinns und b) der Vorcodierung zur Behebung der
Wirkungen der Intersymbolinterferenz in einer einzigen Operation
vereint. Der Intersymbolinterferenzcodierer der Erfindung wird zur Übertragung
von Daten über
Kanäle
mit Intersymbolinterferenz verwendet, während sowohl Codierungs- als
auch Formungsgewinne erzielt werden. Durch Kombinieren der Trelliscodierung
und Vorcodierung in einer einzigen Operation erreicht die Erfindung
einen geringeren Vorcodierungsverlust als nach dem Stand der Technik
möglich
war. Ebenso ist der Vorcodierungsverlust des Intersymbolinterferenzcodierers
der Erfindung von der Anzahl von Restklassenzerlegungen unabhängig, die
zur Erzeugung des Trelliscodes verwendet werden.
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4 zeigt
ein Blockdiagramm eines Intersymbolinterferenzcodierers 104.
Der Intersymbolinterferenzcodierer 104 enthält einen
Trelliscodierer 400, ein Filter 402, ein Modulo-Operationsmittel 404 und
Addierer 406 und 407. Wie zuvor besprochen, empfängt der
Intersymbolinterferenzcodierer 104 einen Signalpunkt auf
Leitung 408 und gibt den Signalpunkt zur Übertragung über den
Kanal mit Intersymbolinterferenz
108 auf Leitung 410 aus.
Das Filter 402, Modulo-Operationsmittel 404 und
der Addierer 406 bilden eine Rückkopplungsschleife zwischen
einem Knoten 412 am Ausgang des Intersymbolinterferenzcodierers 104 und
Addierers 406. Mit dem Intersymbolinterferenzcodierer 104 ist
der Ausgang des Entstörungsvorhersagefehlerfilters 202 an + qn beeinflusst
durch weißes
Gaußsches
Rauschen, wobei qn ein Punkt entweder auf λA oder λB ist.
Der Ausgang von Filter 402 wird auch zu dem Addierer 407 geleitet,
um zu dem Signal vom Knoten 412 zur Bildung des Eingangs
zu dem Trelliscodierer 400 addiert zu werden.
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Das Filter 402 hat eine Übertragungsfunktion H(z) – 1, wodurch
der Intersymbolinterferenzcodierer 104 eine effektive Übertragungsfunktion
von 1/H(z) erhält,
wenn die Modulo-Operation ignoriert wird (d. h., durch eine einfache
Verbindung ersetzt wird). Wenn daher das Modulo-Operationsmittel 404 ignoriert
wird, hätte
der Intersymbolinterferenzcodierer 104 eine Übertragungsfunktion,
die zu der Übertragungsfunktion
des Entstörungsvorhersagefehlerfilters 202 reziprok
ist.
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Gemäß der Erfindung garantiert
der Intersymbolinterferenzcodierer 104, dass der Eingang
zu dem Viterbi-Decodierer 204 die
Trelliscodesequenz an + qn ist,
beeinflusst durch additives weißes
Gaußsches
Rauschen. Dies wird durch die Wahl der richtigen mod-Operation im
Modulo-Operationsmittel 404 erreicht. Der Codierer 104 wählt die
richtige mod-Operation auf der Basis des gegenwärtigen Zustandes der Finite-State-Maschine,
die den Trelliscode erzeugt. Wenn der gegenwärtige Zustand verlangt, dass
der momentane Ausgang in λA sei, wird die Modulo-λA-Operation
gewählt.
Wenn andererseits der gegenwärtige
Zustand verlangt, dass der momentane Ausgang in λB sei,
wird Modulo-λB gewählt. Nach
der Modulo-Operation wird der Ausgang an +
qn des Entstörungsvorhersagefehlerfilters 202 (unter der Annahme,
dass kein Rauschen vorhanden ist) zur Bestimmung des nächsten Zustandes
der Finite-State-Maschine
verwendet.
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Der Trelliscodierer 400 ist
eine Finite-State-Maschine, die den Trelliscode erzeugt. Der Trelliscodierer 400 behandelt
alle Zerlegungsstufen des Trelliscodes, aber die mod-Operationen
beruhen nur auf der ersten Stufe der Trelliszerlegung.
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Um zu verstehen, warum der Ausgang
des Noise-Whitening Filters 203 eine gültige Sequenz von einem Trelliscode
ist, muss Folgendes beachtet werden. Es wird angenommen, dass die
letzte Sequenz von Ausgangssignalpunkten, ..., a0 +
q0, ..., an–2 +
4n–2,
an–1 +
qn–1,
eine gültige
Trellissequenz bildet. Wenn der Ausgang an–1 +
qn–1 den
Trellis in einem Zustand lässt,
der nur jene Übergänge zulässt, die Punkten
in λA entsprechen, wählt der Trelliscodierer 400 die
mod-λA-Operation. Wenn stattdessen jedoch an–1 +
qn–1 den
Trellis in einem Zustand lässt,
der nur jene Übergänge zulässt, die
Punkten in λB entsprechen, wählt der Trelliscodierer 400 die
mod-λB-Operation.
Die Durchführung
der mod-λA-Operation bedeutet, wie unten beschrieben,
eine Quantisierung des Rückkopplungssignals
fn auf den nächsten Punkt qn in λA und
Bestimmung des Quantisierungsfehlers mn.
Ebenso bezieht sich eine mod-λB-Operation auf die Quantisierung von fn auf den nächsten Punkt qn in λB und
Bestimmung des Quantisierungsfehlers mn.
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Die Quantisierung in dem Modulo-Operationsmittel 404 wird
so ausgeführt,
dass der Fehler mn (das Dither-Signal, das an den
Addierer 406 angelegt wird) immer ein Punkt in der Voronoi-Region
V von λA ist. Da der gegenwärtige Eingangssignalpunkt auf Leitung 408 immer
ein Punkt in λA ist (Signalpunkte an werden
aus einer uncodierten Konstellation gewählt), entspricht an +
qn einem gültigen Übergang in der Finite-State-Maschine des
Trelliscodes, wodurch die Finite-State-Maschine in einen neuen Zustand
gebracht wird. Dieser Prozess wird für die folgenden nächsten Eingänge (z.
B. an+1) kontinuierlich wiederholt. Auf
diese Weise garantiert der Intersymbolinterferenzcodierer 104,
dass der Eingang zu dem Viterbi-Decodierer in dem Empfänger eine
gültige
Trellissequenz ist (beeinflusst durch additives weißes Gaußsches Rauschen).
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Wie zuvor besprochen, ist der Vorcodierungsverlust
die zusätzliche übertragene
Energie, die zur Behebung der Wirkungen einer Intersymbolinterferenz
notwendig ist, die durch den Kanal 108 verursacht wird.
In der Ausführungsform
von 4 ist der Vorcodierungsverlust
die durchschnittliche Energie von mn, welche
die durchschnittliche Energie der Voronoi-Region V des Gitters λA ist.
Durch Kombinieren der Vorcodierungsoperation, das heißt, der
Addition einer Dither-Sequenz (einer Sequenz aufeinanderfolgender
Dither-Signale mn) zu der Sequenz von Eingangskanalsignalpunkten,
mit der Codierungsoperation führt
der Intersymbolinterferenzcodierer 104 Modulo-Operationen
auf der Basis von Nebengittern in der ersten Stufe der Gitterzerlegung
aus, die zum Erzeugen des Trelliscodes verwendet wird. Die Nebengitter
in der ersten Zerlegungsstufe sind dichter (feiner) als spätere Zerlegungen
des Gitters. Somit hat das Gitter, das der ersten Zerlegungsstufe
entspricht, eine kleinere Voronoi-Region als jene der Gitter, die späteren Zerlegungen
entsprechen, und somit eine geringere durchschnittliche Energie.
Dies erzeugt einen geringeren Vorcodierungsverlust. Das Operieren auf
der ersten Zerlegungsstufe macht auch den Vorcodierungsverlust von
der Anzahl von Restklassenzerlegungen unabhängig, die den Trelliscode erzeugen.
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Der Intersymbolinterferenzcodierer 104 arbeitet
erfolgreich, wenn die Sequenz von Signalpunkten an ausschließlich aus
dem Ausgang a ^
n+q ^
n des
Viterbi-Decodieres 204 gewonnen werden kann. Das Symbol aa ^
n + q ^
n bezeichnet
eine Schätzung
der Größe an + qn. Der Intersymbolinterferenzdecodierer 206, der
genauer in 5 dargestellt
ist, führt
diese Decodierungsoperation aus.
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Unter Bezugnahme auf 5 enthält der Intersymbolinterferenzdecodierer 206 ein
Filter 500 und einen Quantisierer 502. Das Filter 500 hat
eine Übertragungsfunktion
1/H(z), welche die Umkehrfunktion der Übertragungsfunktion des Entstörungsvorhersagefehlerfilters 202 ist.
Bei nicht vorhandenen Kanalfehlern empfängt das Filter 500 einen
Signalpunkt mit einem Wert an + qn vom Ausgang des Viterbi-Decodierers 204.
Die Sequenz an + qn wird
vom Filter 500 gefiltert, um ein Signal an – mn zu erhalten. Da mn immer
in der Voronoi-Region V des Gitters λA liegt
und an ein Punkt auf λA ist,
kann der Quantisierer 502 an aus
an – mn einfach durch Quantisieren auf herkömmliche
Weise auf den nächsten
Punkt im Gitter λA gewinnen (so dass der Quantisierungsfehler
innerhalb der Voronoi-Region V liegt).
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Der Intersymbolinterferenzcodierer 104 wurde
im Zusammenhang mit dem Empfang einer Sequenz von Signalpunkten
beschrieben, die aus einer uncodierten Konstellation gewählt werden.
Es versteht sich jedoch, dass der Intersymbolinterferenzcodierer 104 Signalpunkte
empfangen könnte,
die unter Verwendung eines ersten Trelliscodes codiert wurden, die
der Intersymbolinterferenzcodierer 104 zu einem anderen
Trelliscode umwandelt.
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Für
den Fachmann ist offensichtlich, dass andere Modifizierungen an
der beschriebenen Ausführungsform
durchgeführt
werden können,
ohne sich vom Schutzumfang der Erfindung zu entfernen. Obwohl die
Erfindung im Zusammenhang mit 2D trelliscodierten Signalpunkten
mit einer 1 Bit/2D-Redundanz beschrieben wurde, ist die vorliegende
Erfindung zum Beispiel gleichermaßen bei Trelliscodes anderer
Dimensionen und Redundanzen und bei anderen Signal-Raumcodes anwendbar.
Ebenso könnten
ungeformte Konstellationen und Konstellationen verschiedener Größen und
verschiedener Dimensionalität
verwendet werden.