TWI601387B - 包含錯誤更正程序之解碼裝置及解碼方法 - Google Patents

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Description

包含錯誤更正程序之解碼裝置及解碼方法
本發明與錯誤更正解碼器相關，並且尤其與能提高解碼器之錯誤更正率的技術相關。
由於信號傳輸的通道在現實環境中常會受各種雜訊的干擾，使得信號失真，失真的信號送到接收端之後，經過降頻轉換得到一基頻的數位信號，再經過解調器解調，最後，經由解碼器對其進行解碼，並對其中的錯誤位元進行更正。錯誤更正碼最重要的任務就是將信號在通道傳輸過程中產生的錯誤修正過來，以達到高可靠度的信號傳輸。其中，里德所羅門碼(Reed–Solomon code)是一種被廣泛應用於高速數位通訊傳輸系統中的錯誤更正碼。里德所羅門碼特別對於傳輸過程中所產生的叢集錯誤或隨機錯誤有相當優秀的錯誤更正能力，因此成為非常受歡迎的通道錯誤更正編解碼。
圖一(A)呈現數位視訊電纜廣播(digital video broadcasting – cable, DVB-C)傳送端的功能方塊圖做為範例。影音編碼器111中負責將影像資料、聲音資料以及其他輔助資料混合編碼為一連串的影音編碼後封包，每個影音編碼後封包的長度各自為一百八十八個位元組。外部編碼器112對該等影音編碼後封包施以里德所羅門編碼。由於加入了十六個位元組的檢查碼，外部編碼器112輸出的每一個外部編碼後封包之長度各自增長為兩百零四個位元組。通常亦稱該等外部編碼後封包各自包含兩百零四個符號(symbol)。接著，外部交錯器(external interleaver) 113負責對外部編碼後封包進行迴旋交錯編碼(convolutional interleaving)，藉由重新安排資料的順序來增強資料的錯誤容忍力。差分編碼器(differential encoder) 114對交錯後資料中每個符號的前兩個最高有效位元(most significant bit, MSB)施以差分編碼。隨後，調變器115對差分編碼後資料施以正交振幅調變(quadrature amplitude modulation, QAM)，並將調變後資料交由前端電路116進行升頻轉換及數位-類比轉換等程序。
圖一(B)呈現數位視訊電纜廣播(DVB-C)接收端的功能方塊圖。比較圖一(A)與圖一(B)可看出，信號進入此接收端後依序通過的前端電路121、解調器122、差分解碼器123、外部反交錯器124、錯誤更正解碼器125與影音解碼器126與圖一(A)所示之傳送端中的各個功能區塊相對應。錯誤更正解碼器125接收到的每一個待更正封包各自包含兩百零四個符號，且這兩百零四個符號中可能包含一或多個因在傳輸過程中受到雜訊干擾而發生錯誤的符號。錯誤更正解碼器125會依照里德所羅門碼的特性進行解碼並同時找出其中的錯誤加以更正。
里德所羅門解碼器的錯誤更正能力與檢查碼的數量相關；檢查碼愈多，錯誤更正能力愈高。假設一個長度為n個符號的封包中有k個符號為實際資料、(n-k)個符號為檢查碼，則里德所羅門解碼器的錯誤更正能力上限為(n-k)個符號。更明確地說，若能預先得知所有錯誤符號在該封包中的位置(不需要知道錯誤內容)，則里德所羅門解碼器最多能將(n-k)個錯誤符號的內容更正為正確。不過，若完全不知道該封包中任何一個錯誤符號的位置(亦不知道錯誤內容)，里德所羅門解碼器最多只能將(n-k)/2個錯誤符號的內容更正為正確。綜合以上兩種情況，若能預先得知一個封包中F個錯誤符號的位置且F小於(n-k)，則除了更正該F個錯誤符號之外，里德所羅門解碼器最多能再將E個不知道位置的錯誤符號更正回來，其中數值E的上限為[(n-k)-F]/2。因此，里德所羅門解碼器的錯誤更正能力亦常被表示為2E + F ≤ (n-k)。
以圖一(B)呈現的數位視訊電纜廣播(DVB-C)接收端為例，錯誤更正解碼器125收到的每一個待更正封包中有一百八十八個符號為實際資料、十六個符號為檢查碼。由此可知，錯誤更正解碼器125的錯誤更正能力上限為2E + F ≤ (204-188) = 16。因此，在完全不知道任何一個錯誤符號的位置的情況下(F=0)，只要一個待更正封包中的錯誤符號不超過八個(E≤8)，錯誤更正解碼器125便能在解碼過程中將這個待更正封包中的所有錯誤符號更正回來。相對地，在完全不知道一個待更正封包中任何一個錯誤符號的位置的情況下，若其中的錯誤符號超過八個，錯誤更正解碼器125只能將這個待更正封包視為無法解碼，也就是解碼失敗。再看另外一個例子，若可於對一個待更正封包進行解碼前預先得知其中五個錯誤符號的位置(F=5)，則除了這五個已知位置的錯誤符號之外，錯誤更正解碼器125有能力再更正這個待更正封包中五個未知位置的錯誤符號(E≤5.5)，相當於使得這個待更正封包能被更正的錯誤符號總數量上升為十個符號 (五個已知位置、五個未知位置)。
以上範例係用以指出里德所羅門碼的一個特性：若能在進行解碼前預先掌握部分或全部的錯誤位置資訊，里德所羅門解碼器能更正回來的錯誤總數量便得以提高。因此，針對里德所羅門碼或同樣具有上述特性的錯誤更正碼，如何找出可信的錯誤位置資訊供錯誤更正解碼器運用，一直是相關領域中備受關注的議題。
本發明提出一種新的解碼裝置及解碼方法。利用待解碼信號的輸入功率偏差，根據本發明之解碼裝置及解碼方法能合理推測編碼字元中的錯誤發生位置，進而提高能更正的錯誤數量。
根據本發明之一具體實施例為一種解碼裝置，其中包含一輸入功率評估電路、一控制器與一錯誤更正解碼器。該輸入功率評估電路係用以為一待更正封包所包含之複數筆資料產生複數個輸入功率評估值，並分別計算該複數個輸入功率評估值相較於一參考功率之複數個功率差異值。該控制器係用以根據該複數個功率差異值中高於一預設門檻值之功率差異值，決定一個或多個候選錯誤位置。該錯誤更正解碼器係用以根據該一個或多個候選錯誤位置對該待更正封包施以一解碼程序。
根據本發明之另一具體實施例為一種解碼方法。首先，針對一待更正封包所包含之複數筆資料，複數個輸入功率評估值被產生。針對該複數個輸入功率評估值，相較於一參考功率之功率差異值分別被計算。接著，根據該複數個功率差異值中高於一預設門檻值之功率差異值，一個或多個候選錯誤位置被決定。隨後，根據該一個或多個候選錯誤位置，該待更正封包被施以一解碼程序。
關於本發明的優點與精神可以藉由以下發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
根據本發明之一具體實施例為一種解碼裝置，其中包含一輸入功率評估電路、一控制器與一錯誤更正解碼器。實務上，該解碼裝置可單獨存在，亦可被整合在各種具有錯誤更正功能的解碼系統中。圖二呈現將該解碼裝置應用於一數位視訊電纜廣播(DVB-C)接收端的功能方塊圖做為範例。透過後續說明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，本發明的精神可實現於其他規格的接收端，不以DVB-C接收端為限。
如圖二所示，DVB-C接收端200包含一前端電路221、一解調器222、一差分解碼器223、一外部反交錯器224、一錯誤更正解碼器225、一影音解碼器226、一控制器227與一輸入功率評估電路228。前端電路221、解調器222、差分解碼器223、外部反交錯器224及影音解碼器226的詳細運作方式為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，不再贅述。以下主要針對錯誤更正解碼器225、控制器227與輸入功率評估電路228的相關部分加以說明。
錯誤更正解碼器225負責對外部反交錯器224輸出的待更正封包施以里德所羅門解碼程序，在解碼的同時進行錯誤更正。對應於圖一(A)中由外部編碼器112提供給外部交錯器113的外部編碼後封包，錯誤更正解碼器225會收到多個待更正封包，且每一個待更正封包各自包含兩百零四個符號。如先前所述，若一個待更正封包中的錯誤符號數量不超過八個，即使未握有任何錯誤位置資訊，錯誤更正解碼器225仍能解碼成功，亦即找出該待更正封包中所有錯誤符號的位置並加以更正。反之，在沒有任何錯誤位置資訊的情況下，若一個待更正封包中的錯誤符號數量超過八個，錯誤更正解碼器225便無法更正其中任何一個錯誤符號，亦無法得知任何的錯誤位置資訊，稱為解碼失敗。
輸入功率評估電路228係用以為一待更正封包所包含的複數筆資料分別產生一輸入功率評估值。比方說，輸入功率評估電路228可針對每一個符號各自產生一輸入功率評估值，也就是為每一個待更正封包產生兩百零四個輸入功率評估值。利用一比較器或減法器，輸入功率評估電路228可計算出各個輸入功率評估值與一參考功率之間的差異(以下稱功率差異值)，提供給控制器227。一般而言，沒有錯誤的符號之功率會落在一個已知的概略範圍(可透過實驗或統計產生)內，此概略範圍的中間值即可做為上述參考功率。相對地，出現錯誤的符號之功率往往會與此參考功率差異較大。由此推論，功率與參考功率差異較大的符號可能是錯誤的符號。因此，一門檻值可被預設設定，並令控制器227找出功率差異值大於該預設門檻值的符號，做為候選錯誤符號。該一個或多個候選錯誤符號的所在位置也就是候選錯誤位置。設定一門檻值的作用在於，避免誤將輸入功率偏差其實並不高的資料選為候選錯誤符號。
於一實施例中，在錯誤更正解碼器225為一待更正封包解碼前，輸入功率評估電路228與控制器227會先嘗試為該待更正封包找出一個或多個候選錯誤位置，提供給錯誤更正解碼器225參考。如先前所述，若能掌握部分或全部的錯誤位置資訊，錯誤更正解碼器225能更正的錯誤總數量便得以提高。也就是說，根據控制器227提供的錯誤位置資訊，錯誤更正解碼器225更有機會成功更正該待更正封包。
於另一實施例中，錯誤更正解碼器225首先可在沒有任何錯誤位置資訊的情況下嘗試將一待更正封包解碼。若初次解碼失敗，控制器227始根據輸入功率評估電路228產生之該等功率差異值選出一個或多個候選錯誤位置。隨後，控制器227會請求錯誤更正解碼器225進一步根據該一個或多個候選錯誤位置再一次對該待更正封包施以解碼程序。根據控制器227提供的錯誤位置資訊，錯誤更正解碼器225便有可能得以在第二次的解碼程序中成功將該待更正封包解碼。
於一實施例中，控制器227提供給錯誤更正解碼器225的候選錯誤位置被預先設定一數量上限。舉例而言，假設該數量上限等於十，則控制器227至多根據輸入功率選出十個候選錯誤位置(例如輸入功率與參考功率差異最大的十個符號)。
經模擬實驗證明，控制器227根據輸入功率選出的候選錯誤位置不一定都是真正對應於存在錯誤的資料。此外，選用並非真正錯誤的候選錯誤位置供錯誤更正解碼器225進行解碼程序，可能會導致錯誤更正解碼器225誤判已正確更正某個待更正封包，但實際上是將該封包誤解讀為另一個封包。因此，於一實施例中，根據本發明之解碼裝置進一步包含一覆核電路，覆核根據輸入功率選出的候選錯誤位置，以避免上述誤判情況，詳述如下。
如圖三所示，相較於DVB-C接收端200，DVB-C接收端300進一步包含一覆核電路229。舉例而言，假設控制器227根據輸入功率總共為一待更正封包選出六筆候選錯誤位置，控制器227可首先自該六筆候選錯誤位置中進一步選出少於六筆(例如五筆)的候選錯誤位置，做為一第一錯誤組合，並請求錯誤更正解碼器225根據該第一錯誤組合，對該待更正封包施以解碼程序。於此實施例中，若錯誤更正解碼器225根據該第一錯誤組合對該待更正封包施以解碼後判定解碼成功，錯誤更正解碼器225會產生一筆錯誤更正記錄傳遞給控制器227，告知該待更正封包中曾經發生錯誤但已經由錯誤更正解碼器225更正的錯誤符號位置。接著，覆核電路229便會根據錯誤更正解碼器225提供給控制器227的錯誤更正記錄，判斷該待更正封包被更正的錯誤符號是否符合一錯誤分布條件。舉例而言，該錯誤分布條件可為「同一封包中有連續三個相鄰符號被錯誤更正解碼器225更正」。實際上，連續多個相鄰符號皆錯誤的情況非常罕見。也就是說，若該第一錯誤組合使得據此更正後的待更正封包符合上述錯誤分布條件，表示該第一錯誤組合中包含的候選錯誤位置可信度不高。因此，在本實施例中，控制器227會放棄該第一錯誤組合，並自該六筆候選錯誤位置中重新選出另外五筆候選錯誤位置，做為一第二錯誤組合，並請求錯誤更正解碼器225再次根據該第二錯誤組合，對該待更正封包施以又一次解碼程序，依此類推。
實務上，控制器227可被實現為固定式及/或可程式化數位邏輯電路，例如可程式化邏輯閘陣列、特定應用積體電路、微控制器、微處理器、數位信號處理器。或者，控制器227亦可被設計為透過執行一記憶體(未繪示)中所儲存之處理器指令以完成其任務。此外，本發明的範疇並未限定於特定儲存機制。該記憶體可包含一個或多個揮發性或非揮發性記憶體裝置，例如隨機存取半導體記憶體、唯讀記憶體、磁性及/或光學記憶體、快閃記憶體等等。
根據本發明之另一具體實施例為一種解碼方法，其流程圖係繪示於圖四。首先，步驟S41為針對一待更正封包所包含之複數筆資料產生複數個輸入功率評估值。接著，步驟S42為分別計算該複數個輸入功率評估值相較於一參考功率之功率差異值。隨後，步驟S43為根據該複數個功率差異值中高於一預設門檻值之功率差異值，決定一個或多個候選錯誤位置。步驟S44則是根據該一個或多個候選錯誤位置對該待更正封包施以一解碼程序。
本發明所屬技術領域中具有通常知識者可理解，先前在介紹DVB-C接收端200、300時描述的各種操作變化亦可應用至圖四中的解碼方法，其細節不再贅述。須說明的是，里德所羅門錯誤更正與輸入功率評估的詳細實施方式為本發明所屬技術領域中具有通常知識者所知，於此不贅述。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。   以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
111‧‧‧影音編碼器
112‧‧‧外部編碼器
113‧‧‧外部交錯器
114‧‧‧差分編碼器
115‧‧‧調變器
116‧‧‧前端電路
121、221‧‧‧前端電路
122、222‧‧‧解調器
123、223‧‧‧差分解碼器
124、224‧‧‧外部反交錯器
125、225‧‧‧錯誤更正解碼器
126、226‧‧‧影音解碼器
200、300‧‧‧數位視訊電纜廣播接收端
227‧‧‧控制器
228‧‧‧輸入功率評估電路
229‧‧‧覆核電路
S41~S44‧‧‧流程步驟
圖一(A)與圖一(B)分別呈現數位視訊電纜廣播傳送端與接收端的功能方塊圖。 圖二為根據本發明之一實施例中的數位視訊電纜廣播接收端之功能方塊圖。 圖三呈現根據本發明之解碼裝置進一步包含一覆核電路的實施例。 圖四為根據本發明之一實施例中的解碼方法之流程圖。 須說明的是，本發明的圖式包含呈現多種彼此關聯之功能性模組的功能方塊圖。該等圖式並非細部電路圖，且其中的連接線僅用以表示信號流。功能性元件及/或程序間的多種互動關係不一定要透過直接的電性連結始能達成。此外，個別元件的功能不一定要如圖式中繪示的方式分配，且分散式的區塊不一定要以分散式的電子元件實現。
200‧‧‧數位視訊電纜廣播接收端
221‧‧‧前端電路
222‧‧‧解調器
223‧‧‧差分解碼器
224‧‧‧外部反交錯器
225‧‧‧錯誤更正解碼器
226‧‧‧影音解碼器
227‧‧‧控制器
228‧‧‧輸入功率評估電路

Claims (8)

  1. 一種解碼裝置，包含：一輸入功率評估電路，用以為一待更正封包產生複數個輸入功率評估值，並分別計算該複數個輸入功率評估值相較於一參考功率之複數個功率差異值；一控制器，用以根據該複數個功率差異值中高於一預設門檻值之功率差異值，決定一個或多個候選錯誤位置；以及一錯誤更正解碼器，用以根據該一個或多個候選錯誤位置對該待更正封包施以一解碼程序。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之解碼裝置，其中該錯誤更正解碼器首先在不考慮該一個或多個候選錯誤位置的情況下對該待更正封包施以該解碼程序，若此解碼程序失敗，該控制器始請求該錯誤更正解碼器根據該一個或多個候選錯誤資料對該待更正封包施以另一次解碼程序。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之解碼裝置，其中該控制器於決定該一個或多個候選錯誤位置時，使該一個或多個候選錯誤位置之數量不超過一預定的錯誤數量上限。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之解碼裝置，其中該控制器根據該複數個功率差異值選出多筆候選錯誤位置之後，自該多筆候選錯誤位置中進一步選出一第一錯誤組合，並請求該錯誤更正解碼器根據該第一錯誤組合對該第一待更正封包施以該解碼程序；該解碼裝置進一步包含： 一覆核電路，若該錯誤更正解碼器根據該第一錯誤組合對該第一待更正封包施以該解碼程序後判定解碼成功，該覆核電路判斷經過更正後之該第一待更正封包是否符合一錯誤分布條件，其中該錯誤分布條件用以指示該第一錯誤組合中包含的候選錯誤位置之可信度；其中，若該覆核電路之判斷結果為是，該控制器自該多筆候選錯誤位置中另選出一第二錯誤組合，並請求該錯誤更正解碼器根據該第二錯誤組合再次對該第一待更正封包施以該解碼程序。
  5. 一種解碼方法，包含：(a)為一待更正封包產生複數個輸入功率評估值；(b)分別計算該複數個輸入功率評估值相較於一參考功率之功率差異值；(c)根據該複數個功率差異值中高於一預設門檻值之功率差異值，決定一個或多個候選錯誤位置；以及(d)根據該一個或多個候選錯誤位置對該待更正封包施以一解碼程序。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之解碼方法，於步驟(d)之前進一步包含：(e)在不考慮該一個或多個候選錯誤位置的情況下，對該待更正封包施以該解碼程序；若步驟(e)中之該解碼程序失敗，步驟(d)始被執行。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之解碼方法，其中步驟(c)包含：於決定該一個或多個候選錯誤位置時，使該一個或多個候選錯誤位置之數量不超過一預定的錯誤資訊數量上限。
  8. 如申請專利範圍第5項所述之解碼方法，其中步驟(d)包含：根據該複數個功率差異值選出多筆候選錯誤位置；自該多筆候選錯誤位置中進一步選出一第一錯誤組合；根據該第一錯誤組合對該第一待更正封包施以該解碼程序；若根據該第一錯誤組合對該第一待更正封包施以該解碼程序後判定解碼成功，判斷經過更正後之該第一待更正封包是否符合一錯誤分布條件，其中該錯誤分布條件用以指示該第一錯誤組合中包含的候選錯誤位置之可信度；若經過更正後之該第一待更正封包符合該錯誤分布條件，自該多筆候選錯誤位置中另選出一第二錯誤組合；以及根據該第二錯誤組合對該第一待更正封包施以另一次解碼程序。
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