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級聯(lián)糾錯編碼器及其編碼方法

文檔序號:7952900閱讀:287來源:國知局
專利名稱:級聯(lián)糾錯編碼器及其編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于數(shù)字信息傳輸糾錯編碼技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及級聯(lián)糾錯編碼器及其編碼方法,更具體地涉及一種地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)中使用的級聯(lián)糾錯編碼器及其糾錯編碼方法。
在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中,不論信號通過什么媒介類型的信道傳輸,由于信號的衰減、失真和各種干擾,都會使接收到的數(shù)據(jù)不可避免地出現(xiàn)差錯。對于不同的信息數(shù)據(jù)類型,誤碼率的要求是不同的。以圖象的預(yù)測編碼和變換編碼為例,如果壓縮數(shù)據(jù)中存在誤碼,將不僅對單個象素產(chǎn)生影響,而且會在預(yù)測編碼的恢復(fù)圖象中產(chǎn)生誤碼傳播,在變換編碼的恢復(fù)圖象中引起整塊子圖象的失真。
因此,任何實際的數(shù)字通信系統(tǒng)都需要采取誤碼糾錯措施,一般采用前向誤碼糾錯FEC(Forward Error Correct)方法,它是在發(fā)送端將數(shù)據(jù)按一定規(guī)則附加多余碼元,組成具有糾錯能力的糾錯碼。接收端收到碼字后,按預(yù)先規(guī)定的規(guī)則進(jìn)行譯碼,以確定接收碼字中有無差錯,若有錯誤則自動糾正。
FEC根據(jù)出發(fā)點不同,可以有很多種分類。在數(shù)字傳輸中常用的有分組碼(例如里德—所羅門RS碼、BCH碼)和卷積碼、Turbo碼等,為了得到更好的糾錯編碼性能,可以把它們串行或并行級聯(lián),以及糾錯編碼和調(diào)制結(jié)合,如網(wǎng)格編碼TCM、Turbo TCM等。
Turbo(平行級聯(lián)碼)碼和Tellis(格形)碼分別是最近十幾年來信息編碼領(lǐng)域中兩項最有影響地技術(shù)革命,它們在實踐應(yīng)用中證明是行之有效的編碼方式。
對于電視傳輸系統(tǒng)來說,在模擬電視的基礎(chǔ)上,經(jīng)過十多年堅持不懈的研究和發(fā)展,數(shù)字電視地面廣播(Digital Television Terrestrial Broadcasting,DTTB)已經(jīng)取得了很多的成果,達(dá)到了可以實現(xiàn)階段。從1998年11月北美和歐洲已經(jīng)開播DTTB節(jié)目,許多國家宣布了它們的DTTB制式選擇和實現(xiàn)計劃。目前,世界上主要有三種DTTB傳輸標(biāo)準(zhǔn)1)美國的ATSC(Advanced Television Systems Committee)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)。
2)歐洲的DVB-T(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial)數(shù)字視頻地面廣播標(biāo)準(zhǔn)。
3)日本的ISDB-T(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial)地面綜合業(yè)務(wù)數(shù)字廣播標(biāo)準(zhǔn)。
隨著技術(shù)的發(fā)展和研究的不斷深入,人們認(rèn)識到在信號峰值—平均功率比、C/N門限、移動接收、室內(nèi)/外接收、頻譜效率、HDTV傳輸能力、同頻/鄰頻道干擾、對現(xiàn)有模擬電視的干擾、單頻網(wǎng)和同頻道轉(zhuǎn)發(fā)、脈沖干擾和連續(xù)波干擾、相位噪聲、靜態(tài)/動態(tài)的多徑失真、系統(tǒng)的靈活性等等方面,上述三個系統(tǒng)各有其優(yōu)缺點。
針對上述目前世界上三個地面數(shù)字電視系統(tǒng)存在的問題,本發(fā)明的申請人已經(jīng)提出了一種新穎的、適合中國國情的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)(簡稱為DMB-T系統(tǒng)),它采用了時域同步正交頻分復(fù)用(Time Domain Synchronous-Orthogonal Frequency DivisionMultiplexing,TDS-OFDM)調(diào)制技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)中最常見的糾錯編碼器如

圖14所示,即在外碼編碼21之后,由交織器22進(jìn)行數(shù)據(jù)的交織,然后進(jìn)行內(nèi)碼編碼30。這種串行結(jié)構(gòu)可能存在兩個問題1)串行結(jié)構(gòu)的級聯(lián)碼的編碼關(guān)系為C1=f(x),外碼C2=g(C1),內(nèi)碼因此外碼譯碼輸出的關(guān)于符號x的信息并不能直接提供關(guān)于內(nèi)碼譯碼輸入C2的軟信息;2)簡單的反饋必然引入正反饋,使得算法不收斂或收斂到遠(yuǎn)離正確解處。
為了解決第一個問題,信息符號x能反映到內(nèi)碼C2上去,這就要求兩層碼均為系統(tǒng)碼。至于第二個問題,就是說要求在進(jìn)行第二次內(nèi)碼譯碼時用到的反饋軟信息中不包含上次譯相同的碼時用過的信息。從嚴(yán)格意義上看這種要求是不可實現(xiàn)的,但當(dāng)兩層碼之間經(jīng)過了交織處理后,用于解一段連續(xù)碼符號的反饋信息分別來源于前一次譯碼的分散的碼符號,交織長度越長,這種相鄰反饋符號的相關(guān)性就越低,此時只要從反饋符號似然信息中去除已用過的關(guān)于該符號本身的部分,就可以基本清除正反饋,實現(xiàn)迭代譯碼。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)(DMB-T)系統(tǒng)而提供一種級聯(lián)糾錯編碼方法及級聯(lián)糾錯編碼器,它具有更好的FEC性能和傳輸性能。
按照本發(fā)明的一個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),它采用1/2碼率卷積編碼器與其后的QPSK調(diào)制器的信道傳輸級聯(lián)接;其中,QPSK調(diào)制器I符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼為G1(x)=1+x+x2+x3+x6;并且,QPSK調(diào)制器Q符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼為G2(x)=1+x2+x3+x5+x6。
按照本發(fā)明的第二個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),它包括交織器,第一編碼器,第二編碼器,開關(guān)單元,以及復(fù)接器;輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接連到復(fù)接器,另一路連到第一編碼器和第二編碼器;第一編碼器與第二編碼器并行設(shè)置;輸入信息數(shù)據(jù)流在進(jìn)入第二編碼器之前先經(jīng)過交織器,在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交織;開關(guān)單元對第一編碼器和第二編碼器的輸出進(jìn)行交替地切換,其輸出送到復(fù)接器的另一個輸入端;復(fù)接器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
按照本發(fā)明的第三個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),它包括分路器,第一編碼器,第二編碼器;分路器將輸入的傳輸碼流分成兩路,分別送到第一編碼器和第二編碼器;第一編碼器與第二編碼器是并行設(shè)置的;第一編碼器與第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
按照本發(fā)明的第四個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),它包括交織器,第一編碼器,第二編碼器;輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接送到復(fù)接器,另一路送到第一編碼器和第二編碼器;第一編碼器與第二編碼器是并行設(shè)置的;輸入信息數(shù)據(jù)流在進(jìn)入第二編碼器之前先經(jīng)過交織器,在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交織;第一編碼器和第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
按照本發(fā)明的第五個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼方法,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于采用1/2碼率卷積編碼器作為內(nèi)碼糾錯編碼器,所述編碼器的系數(shù)與其后的QPSK信道傳輸調(diào)制相關(guān);其中,作為QPSK調(diào)制I符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼由下述方程式給出G1(x)=1+x+x2+x3+x6;并且,作為QPSK調(diào)制Q符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼由下述方程式給出G2(x)=1+x2+x3+x5+x6。
按照本發(fā)明的第六個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼方法,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接送到復(fù)接器,另一路送到第一編碼器和第二編碼器;并行地設(shè)置第一編碼器和第二編碼器;輸入信息數(shù)據(jù)流在進(jìn)入第二編碼器之前先經(jīng)過交織器,在所述交織器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交織;交替地切換第一編碼器和第二編碼器的輸出;將所述的直通的信息數(shù)據(jù)流以及所述的交替輸出的第一編碼器和第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
按照本發(fā)明的第七個方面,提供了一種級聯(lián)糾錯編碼方法,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于將輸入的傳輸碼流分成兩路,分別送到第一編碼器和第二編碼器;并行地設(shè)置第一編碼器與第二編碼器;將所述第一編碼器與第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
本發(fā)明提供的上述級聯(lián)糾錯編碼器以及其糾錯編碼方法,它們可用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)。所述的級聯(lián)糾錯編碼器以及其糾錯編碼方法將糾錯編碼星座圖和調(diào)制映射星座圖作為整體統(tǒng)一考慮,完成網(wǎng)格編碼調(diào)制,按一定的格式實現(xiàn)編碼及編碼后的映射,大大地提高了系統(tǒng)的糾錯性能和傳輸性能。所述的網(wǎng)格編碼調(diào)制方式可為格形QPSK、turbo格形QPSK、格形16QAM、turbo格形16QAM、格形64QAM、turbo格形64QAM等。
本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器,即并行級聯(lián)糾錯編碼很好地解決了上面提出的一些問題。并行級聯(lián)碼的編碼框圖如圖2所示。它包括交織器31,第一編碼器32,第二編碼器33,開關(guān)單元34,以及復(fù)接器35。輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接送到復(fù)接器35,另一路送到第一編碼器32與第二編碼器33。第一編碼器32與第二編碼器33是并行設(shè)置的。輸入信息數(shù)據(jù)流在進(jìn)入第二編碼器33之前先經(jīng)過交織器31,在其中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交織。開關(guān)單元對第一編碼器32和第二編碼器33的輸出進(jìn)行交替地切換,其輸出送到復(fù)接器35的另一個輸入端;復(fù)接器35的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
在采用不同的編碼器和不同的調(diào)制方式的情況下,本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的具體結(jié)構(gòu)會有不同,具體情況在下面的具體實施例的描述中將會得到體現(xiàn)。
顯然,這種結(jié)構(gòu)很好地滿足了前面關(guān)于反饋譯碼的第一個要求,因為兩個碼可以交替地互不影響地譯碼,并可通過關(guān)于系統(tǒng)碼信息位的軟判決輸出相互傳遞信息,進(jìn)行迭代譯碼。在譯碼方面,還可進(jìn)行多次迭代運算,殘余的誤碼會越來越少。
糾錯能力包含兩個含義,一個是這種碼本身的能力,另一個則是在特定的譯碼算法下的糾錯能力。上述迭代算法是目前已掌握的最好的算法,但對于這種碼而言也還是一種次優(yōu)方法。
編碼調(diào)制的概念在數(shù)字電視傳輸系統(tǒng)中,要實現(xiàn)信源與信宿之間的數(shù)據(jù)傳輸,除了必要的信源編解碼設(shè)備和差錯控制設(shè)備以外,為了適應(yīng)不同信道的傳輸特性還必須采用適當(dāng)?shù)膫鬏敿夹g(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的變換,以達(dá)到最佳的傳輸性能。
通過對數(shù)字信號的頻譜分析可知,由信源編碼設(shè)備送出的數(shù)據(jù)信號頻譜是非常寬的。理論上它可以從直流一直延伸到無限寬的頻率,但其能量則主要集中在直流到頻譜中的第一個零點以內(nèi)的頻帶。這種原始數(shù)字信號稱為數(shù)字基帶信號。
從傳輸信道的頻率特性來看,有的信道如對稱電纜、同軸電纜等是低通型的;而有的信道如各種無線信道、光纖信道等則是帶通型的。顯然,低通型信道適合于傳輸數(shù)字基帶信號,而帶通型信道必須對數(shù)字基帶信號進(jìn)行必要的調(diào)制后才能傳輸。
數(shù)字調(diào)制是數(shù)字符號轉(zhuǎn)換為與信道特性相匹配波形的過程。在基帶調(diào)制的情況下,這些波形是脈沖。帶通調(diào)制則是把數(shù)據(jù)信號調(diào)制到某一固定頻率的載波上(通常為正弦波)。通過調(diào)制可以把多路信號彼此分開,從而利用單一信道傳輸,即頻分復(fù)用。
其實,廣義上來說信道編碼就是從信源消息到信道波形或矢量之間的映射。為了簡化分析及編碼設(shè)計,將其分為離散信道編碼和數(shù)字調(diào)制兩個部分,后者聯(lián)同傳輸信道及解調(diào)構(gòu)成一個離散的數(shù)字信道。
廣義上講不存在無信道編碼的傳輸,只有無離散數(shù)字編碼的系統(tǒng)。
實際的信道容量是傳輸條件約束下的數(shù)據(jù)傳輸率極限。而限定調(diào)制方式后的離散信道的容量顯然不及實際的容量。為了逼近實際容量,要求信道編碼是一種與調(diào)制相結(jié)合的編碼。換句話說就是要真正實現(xiàn)消息到波形的映射。
同樣從理論上講,這種映射可以是一種隨機(jī)映射,只要映射中所涉及的消息量足夠大,就可以得到足夠低的錯誤概率。但畢竟這樣做太缺乏指導(dǎo)性,分析及譯碼都幾乎是不可能的。
可以考慮的辦法就是仍然要利用現(xiàn)有的有關(guān)離散信道編碼的研究結(jié)果,但在編碼設(shè)計及編碼結(jié)果的調(diào)制時進(jìn)行一些更有成效的控制,以期獲得更好的性能??梢钥紤]的框架是(1)仍采用現(xiàn)有的調(diào)制方案(2)調(diào)制參數(shù)允許發(fā)生變化(顯然,調(diào)制進(jìn)制數(shù)越多越接近連續(xù)信道,容量損失越小)(3)允許編碼前后的符號取自不同域,或進(jìn)制數(shù)不同(4)在編碼及調(diào)制的配合上可以考慮一些精心的控制編碼與調(diào)制相結(jié)合的幾種方式(1)高進(jìn)制調(diào)制加隨機(jī)編碼,不需要精心控制,但由于不同比特的保護(hù)能力不同,對容量可能會有影響(2)編碼后的精心調(diào)制,由于要求結(jié)構(gòu)性強(qiáng),因此只能用一些現(xiàn)有的較簡單的碼(3)對高效調(diào)制中不同保護(hù)能力的比特分別編碼與傳統(tǒng)的編碼方式相比傳統(tǒng)的信道編碼研究強(qiáng)調(diào)的是糾錯能力(因為面對的是離散信道);相結(jié)合后強(qiáng)調(diào)的是與簡單調(diào)制相比的增益。更廣義的說,所追求的是逼近信道容量,即給定帶寬和SNR(信號噪聲比),使R(信號傳輸速率)→C(信道容量)。為此,必須在信號上作文章。
AWGN信道下不同調(diào)制方案的信道容量比特/符號與信噪比之間的關(guān)系。
結(jié)論當(dāng)需要傳k比特/符號時,采用k+1比特/符號的調(diào)制方案就基本達(dá)到∞比特/符號的容量或性能。換句話說,就是編碼中只要考慮比簡單調(diào)制(無編碼)情況增加一倍的星座點即可。
衰落信道下不同調(diào)制方案的信道容量比特/符號與信噪比之間的關(guān)系。
結(jié)論當(dāng)需要傳k比特/符號時,采用k+1比特/符號的調(diào)制方案有一定改善,但距達(dá)到∞比特/符號的容量或性能還有一定的距離。因此需要更大的星座點數(shù)。編碼與調(diào)制的結(jié)合——網(wǎng)格編碼調(diào)制(TCM)實際上就是先進(jìn)行一個k比特到k+r比特的變進(jìn)制離散編碼,然后進(jìn)行2k+r進(jìn)制調(diào)制。而其中的k比特到k+r比特的變換可以采用網(wǎng)格編碼的形式(卷積碼),即在離散編碼階段是一個(k+r,k)的網(wǎng)格編碼,因而稱之為網(wǎng)格編碼調(diào)制。為了保證性能,在編碼及編碼后的映射上有一定的講究。
由于是k比特同時輸入,狀態(tài)分枝數(shù)增加,可能出現(xiàn)并行轉(zhuǎn)移(在二進(jìn)制系統(tǒng)中并行轉(zhuǎn)移是不允許的,因為它會使?jié)h明自由距為1)。此時的并行轉(zhuǎn)移很大程度上決定了歐氏自由距。因此在編碼后的映射時要保證并行轉(zhuǎn)移的歐氏距離最大化。
下面是集分割的概念對N維空間中的M點信號集進(jìn)行多次分割(1)將原始集合分成p1個相同大小的子集A1,A2,…Ap1。保證每個子集中最小距離的最大化(當(dāng)集合對稱時這一點很容易滿足)(2)對每個子集進(jìn)一步分成p2個相同大小,最小距離最大化的子集B1,B2,…,Bp1p1。
(3)一直分解到每個子集只剩一個點。
一般的網(wǎng)格編碼調(diào)制如圖4所示。
舉例來說4狀態(tài)8PSK網(wǎng)格編碼調(diào)制,k=2,即頻譜效率為2比特/符號。
注意其中每一個轉(zhuǎn)移都是并行轉(zhuǎn)移,因此自由距不超過并行轉(zhuǎn)移中的各符號之間的最小距離??梢则炞C,在本例中,這個距離就是自由距。因此有dfree2=4Es而對于無編碼系統(tǒng),當(dāng)頻譜效率也為2比特/符號時,有dfree2=2Es因此,上述的TCM方案可以提供3dB的漸近編碼增益。更有意義的是,這個增益是在不改變頻譜利用率的基礎(chǔ)上得到的。
編碼增益的來源從本質(zhì)上講它引入的冗余是星座點上的冗余,即它“拓廣”了許用碼字空間,這種“拓廣”并沒有增加空間的體積,而是使許用碼字可在用得更精細(xì),有更多的選擇余地。這也就是為什么調(diào)制數(shù)增加時解調(diào)誤符號率增加而譯碼性能卻可以得到改善的原因。
一般情況下,可以有并行轉(zhuǎn)移,也可以沒有。自由距可能來自并行轉(zhuǎn)移,也可能來自更長的路徑。因此在設(shè)計時k’的選取及有限狀態(tài)機(jī)(網(wǎng)格編碼)的各項系數(shù)都要精心設(shè)計,而真正的好碼則是通過計算機(jī)搜索而得到的。
編碼理論簡單來說,就是編碼方式到調(diào)制方式的一種映射。本發(fā)明中,所說“級聯(lián)”是指內(nèi)碼糾錯編碼方式及內(nèi)碼糾錯編碼器的具體系數(shù)的選擇是與所采用的調(diào)制方式統(tǒng)一考慮的,以獲得最佳的整體糾錯性能和傳輸性能。當(dāng)然,不同速率的編碼方式以及對應(yīng)各種調(diào)制方式的不同的映射方法種類繁多,不一而足。
由于在實際應(yīng)用中,存在著各種各樣的應(yīng)用環(huán)境、需求和數(shù)據(jù)類型。為了適應(yīng)這種情況,本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼方法中內(nèi)碼糾錯編碼選為格形碼TCM、卷積碼、Turbo碼與QPSK、16QAM、32QAM、64QAM的各種組合。相應(yīng)的解碼可以采用Viterbi軟判決算法。
本發(fā)明所述的級聯(lián)糾錯編碼器及其編碼方法具有更好的FEC性能和傳輸性能。
圖5示出了按照本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的第一實施例,其中,調(diào)制方式采用QPSK,內(nèi)碼糾錯編碼采用1/2碼率卷積碼。
按照本實施例的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于用1/2碼率卷積糾錯碼作為QPSK星座圖符號。
具體地說,QPSK調(diào)制的I符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼的生成多項式是G1(x)=1+x+x2+x3+x6QPSK調(diào)制的Q符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼的生成多項式是G2(x)=1+x2+x3+x5+x6用作QPSK星座圖符號的級聯(lián)碼內(nèi)碼采用的是1/2碼率卷積碼。
如圖5所示,一個輸入比特U生成兩個比特分別作為QPSK符號的I和Q。
圖6顯示了按照本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的第二實施例,其中,調(diào)制方式采用QPSK,內(nèi)碼糾錯編碼采用1/2碼率并行級聯(lián)系統(tǒng)卷積Turbo碼。其中,以1/2碼率的并行級聯(lián)系統(tǒng)卷積Turbo碼作為QPSK星座圖符號。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的QPSK調(diào)制Q1符號的并行級聯(lián)系統(tǒng)卷積Turbo碼編碼器的系數(shù)是A0=0,A1=1,A2=1,A3=1,A4=0,A5=1,A6=0,B0=1,B1=0,B2=0,B3=1,B4=0,B5=0。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的QPSK調(diào)制Q2符號的并行級聯(lián)系統(tǒng)卷積Turbo碼編碼器的系數(shù)是C0=0,C1=1,C2=1,C3=1,C4=0,C5=1,C6=0,D0=1,D1=0,D2=0,D3=1,D4=0,D5=0。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,輪流地選擇Q0和Q1輸出作為QPSK的Q信號,輸入比特直接映射為QPSK的I信號。
也就是說,按照本發(fā)明的第二實施例,其級聯(lián)糾錯編碼器的編碼器系數(shù)An、Bn、Cn和Dn,n=0,1,2,…,6,被定義如下A0=0,A1=1,A2=1,A3=1,A4=0,A5=1,A6=0,B0=1,B1=0,B2=0,B3=1,B4=0,B5=0,C0=0,C1=1,C2=1,C3=1,C4=0,C5=1,C6=0,D0=1,D1=0,D2=0,D3=1,D4=0,D5=0。
一個輸入比特U將生成兩個輸出比特,即QPSK符號的I和Q。輸出比特Q將輪流選擇Q0和Q1。
隨機(jī)交織器是一個塊交織器,塊的大小是1248比特。
圖7顯示了按照本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的第三實施例,其中,調(diào)制方式采用16QAM,內(nèi)碼糾錯編碼采用16狀態(tài)、1/2碼率格形碼。其中,1/2碼率格形碼被用作16QAM符號級聯(lián)碼的內(nèi)碼。
輸入字節(jié)首先以最低有效位(LSB)為起始變換為4個2-比特對,然后2-比特對編碼為兩個2-比特對,用于16QAM符號映射,一個符號對應(yīng)于I和Q的2-比特對。如圖7的編碼器框圖所示,輸出比特I1是輸入比特U0的直接映射,輸出比特Q1是輸入比特U1的直接映射。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的16QAM調(diào)制I0符號的1/2碼率格形碼編碼器的系數(shù)是A0=0,A1=1,A2=1,A3=1,A4=0,B0=1,B1=0,B2=0,B3=1。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成16QAM調(diào)制Q0符號的1/2碼率格形碼編碼器的系數(shù)是C0=0,C1=1,C2=1,C3=1,C4=0,D0=1,D1=0,D2=0,D3=1。
綜上所述,按照本發(fā)明的第三實施例,其編碼器的系數(shù)An、Bn、Cn和Dn,n=0、1、2、3、4定義如下A0=0,A1=1,A2=1,A3=1,A4=0,B0=1,B1=0,B2=0,B3=1,C0=0,C1=1,C2=1,C3=1,C4=0,D0=1,D1=0,D2=0,D3=1。從2-比特矢量到4電平符號的輸出符號映射,采用自然映射,如表1所示。這種符號映射方案適用于16QAM的I和Q通道。
表1 16QAM符號映射

圖8顯示了按照本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的第四實施例,其中,調(diào)制方式采用16QAM,內(nèi)碼糾錯編碼采用1/2碼率并行級聯(lián)格形Turbo碼。其中,1/2碼率并行級聯(lián)格形Turbo碼被用作16QAM符號級聯(lián)碼的內(nèi)碼。
圖8所示的框圖與圖7的框圖非常相似。這兩種格形編碼器的輸入流變換和輸出符號映射是相同的。輸出比特I1是輸入比特U0的直接映射,輸出比特Q1是輸入比特U1交織后的直接映射。
對并行級聯(lián)格形(PCTC)Turbo編碼器,在兩個并行的編碼器之間有一個比特交織器。比特交織器對給定的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行比特重新排列。數(shù)據(jù)塊應(yīng)當(dāng)在一個信號幀之內(nèi)。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的16QAM調(diào)制I0符號的1/2碼率并行級聯(lián)格形碼(PCTC)Turbo編碼器的系數(shù)是A01=1,A11=1,A21=1,A31=0,A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,B0=1,B1=0,B2=1。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成16QAM調(diào)制Q0符號的1/2碼率并行級聯(lián)格形碼(PCTC)Turbo編碼器的系數(shù)是C01=0,C11=1,C21=0,C31=1,C00=0,C10=1,C20=0,C30=0,D0=1,D1=0,D2=1。
綜上所述,按照本發(fā)明的第四實施例,An、Bn、Cn和Dn,n=0、1、2、3、4,是PCTC Turbo編碼器的系數(shù),其中,An和Cn是2-比特矢量。這些系數(shù)定義如下A01=1,A11=1,A21=0,A31=1,A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,B0=1,B1=0,B2=1,C01=1,C11=1,C21=0,C31=1,C00=0,C10=1,C20=0,C30=0,D0=1,D1=0,D2=1。
對用于16QAM的PCTC編碼器,符號映射方案與表1所示相同。隨機(jī)交織器是2個塊交織器,塊的大小是1248比特。
圖9顯示了按照本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的第五實施例,其中,調(diào)制方式采用64QAM,內(nèi)碼糾錯編碼采用8狀態(tài)2/3碼率格形碼。其中,8狀態(tài)2/3碼率格形碼被用作為64QAM星座圖符號的內(nèi)碼。
輸入字節(jié)首先以最低有效位(LSB)為起始變換為兩個4-比特矢量,然后4-比特矢量編碼為兩個3-比特矢量,用于64QAM符號映射,也即作為3-比特I和Q矢量。如編碼器框圖所示,輸出比特I2I1是輸入比特U1U0的直接映射,輸出比特Q2Q1是輸入比特U3U2的直接映射。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的64QAM調(diào)制I0符號的2/3碼率格形碼編碼器的系數(shù)是A01=1,A11=1,A21=1,A31=0,A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,B0=1,B1=0,B2=1。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成64QAM調(diào)制Q0符號的2/3碼率格形碼編碼器的系數(shù)是C01=0,C11=1,C21=1,C31=0,C00=0,C10=1,C20=0,C30=0,D0=1,D1=0,D2=1。
綜上所述,An、Bn、Cn和Dn,n=0、1、2、3,是編碼器的系數(shù),定義如下A01=1,A11=1,A21=1,A31=0,A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,B0=1, B1=0, B2=1,C01=0,C11=1,C21=1,C31=0,C00=0,C10=1,C20=0,C30=0,D0=1,D1=0,D2=1。
從3-比特矢量到8電平符號的輸出符號映射,采用自然映射,如表2所示。64QAM的I和Q通道使用相同的映射方案。
表2 64 QAM符號映射

圖10顯示了按照本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的第六實施例,其中,調(diào)制方式采用64QAM,內(nèi)碼糾錯編碼采用2/3碼率并行級聯(lián)格形碼。其中,2/3碼率并行級聯(lián)格形碼被用作為64QAM星座圖符號的內(nèi)碼。
并行級聯(lián)格形碼(PCTC)Turbo編碼器如圖10所示。
圖10所示的框圖與圖9中的框圖非常相似。這兩個格形編碼器的輸入流變換和輸出符號映射是相同的。輸出比特I2I1是輸入比特U1U0的直接映射,輸出比特Q2Q1是輸入比特U3U2經(jīng)交織后的直接映射。
與16QAM情況相同,在64QAM的PCTC Turbo編碼器的兩個并行結(jié)構(gòu)之間有一個交織器。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的64QAM調(diào)制I0符號的2/3碼率并行級聯(lián)格形碼(PCTC)Turbo編碼器的系數(shù)是A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,A01=0,A11=1,A21=1,A31=0,A02=1,A12=0,A22=0,A32=1,A03=0,A13=1,A23=1,A33=1,B0=1,B1=0,B2=1。
按照上述的級聯(lián)糾錯編碼器,所生成的64QAM調(diào)制Q0符號的2/3碼率并行級聯(lián)格形碼(PCTC)Turbo編碼器的系數(shù)是C00=0,C10=1,C20=0,C30=1,C01=0,C11=1,C21=1,C31=0,C02=1,C12=0,C22=0,C32=1,C03=0,C13=1,C23=1,C33=1,D0=1,D1=0,D2=1。
綜上所述,圖10中的編碼器系數(shù)定義如下A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,A01=0,A11=1,A21=1,A31=0,A02=1,A12=0,A22=0,A32=1,A03=0,A13=1,A23=1,A33=1,B0=1, B1=0, B2=1,C00=0,C10=1,C20=0,C30=1,C01=0,C11=1,C21=1,C31=0,C02=1,C12=0,C22=0,C32=1,C03=0,C13=1,C23=1,C33=1,
D0=1,D1=0,D2=1。
對用于64QAM的PCTC Turbo編碼器,符號映射方案與表2所示相同。
隨機(jī)交織器是4個塊交織器,塊的大小為1248比特。
下面結(jié)合圖1的方框圖,來說明采用按照上述本發(fā)明的級聯(lián)糾錯編碼器的地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)。
1、數(shù)據(jù)擾亂/解擾由于地面數(shù)字多媒體電視傳輸系統(tǒng)是在假設(shè)輸入TS碼流數(shù)據(jù)是非相關(guān)的這一基礎(chǔ)上設(shè)計的。因此保證輸入數(shù)據(jù)的非相關(guān)性就很重要。由于壓縮數(shù)據(jù)有可能出現(xiàn)連續(xù)相同的比特,因此在進(jìn)入傳輸系統(tǒng)前必須進(jìn)行擾亂,確保數(shù)據(jù)的非相關(guān)。這對于同步提取,特別是OFDM信號的峰值—平均值功率比有特別重要的意義。
2、RS碼編/解碼器和時域的矩陣交錯RS碼具有很強(qiáng)的糾正突發(fā)錯誤的能力,且編碼效率較高,因此被選為外層糾錯編碼。系統(tǒng)中使用了RS(208,188)和RS(208,200)兩種,以適應(yīng)不同的應(yīng)用情況。對于RS(208,188),在RS編碼器中,信息數(shù)據(jù)以8比特組成一個字節(jié)進(jìn)行處理,每碼字加入20個監(jiān)督字節(jié)和一個同步字節(jié),可糾10字節(jié)以內(nèi)的誤碼,并可對超出糾錯能力的誤碼給出報警信息。
RS編碼器后跟隨一個時域卷積交錯器,共同構(gòu)成外碼。卷積交錯在RS碼字間進(jìn)行,交錯深度和寬度有三種方式(104,6)、(52,4)、(16,13),以適應(yīng)不同的應(yīng)用。時域交錯將解碼后的連續(xù)誤碼分散到不同的RS碼字中,使其不超出RS碼的糾錯能力。
3、內(nèi)碼級聯(lián)糾錯編碼由于在實際應(yīng)用中,存在著各種各樣的應(yīng)用環(huán)境、需求和數(shù)據(jù)類型。為了適應(yīng)這種情況,內(nèi)碼糾錯編碼選為格形碼TCM、卷積碼、Turbo碼和QPSK、16QAM、32QAM、64QAM的各種組合。解碼采用Viterbi軟判決算法。
糾錯編碼器后連接一個可選的頻域交錯器共同構(gòu)成內(nèi)碼。頻域交錯在OFDM載波間進(jìn)行。頻域交錯有兩個作用。第一在多徑環(huán)境下,它將深衰落的載波分散到其它載波中,提高了對多徑的抵抗能力;第二在同播環(huán)境下,它將受同頻干擾嚴(yán)重的載波分散開,提高了對同頻干擾的抵抗能力。頻域交錯的任務(wù)是避免Viterbi解碼出現(xiàn)突發(fā)錯碼。但是,在誤碼率較高時,Viterbi解碼仍然有可能出現(xiàn)突發(fā)誤碼,這可由時域卷積交錯器進(jìn)一步將突發(fā)誤碼分散到不同的RS碼字中去。
4、TDS-OFDM調(diào)制/解調(diào)系統(tǒng)采用前面介紹的TDS-OFDM方案。其特點是同步頭采用了沃爾什編碼的擴(kuò)頻偽隨機(jī)序列,能夠?qū)崿F(xiàn)快速同步,系統(tǒng)的同步時間約為5毫秒,而其它數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)在100毫秒以上。而且同步抗干擾能力強(qiáng),在-20dB信噪比下,也能可靠的恢復(fù)同步。
同時利用此時域插入序列進(jìn)行信道性能的估計,采用信道沖激響應(yīng)算法,具有噪聲干擾影響小、算法復(fù)雜度低、估算精度高的特點。
OFDM解調(diào)過程包括建立同步、校正頻率偏移、去除同頻干擾、均衡多徑信道和解碼。程序如下(1)用匹配濾波器或其它相關(guān)算法檢測幀同步信息,建立幀同步。
(2)由于OFDM對頻率偏移比較敏感,因此,對頻偏進(jìn)行校正。
(3)計算多徑信道沖激響應(yīng),得出每個載波上的均衡因子。
(4)對信息數(shù)據(jù)段作FFT變換。按照頻譜模板提取信息信號,去除同頻干擾。
(5)用均衡因子進(jìn)行均衡,消除多徑干擾。
(6)對均衡后的信息符號進(jìn)行反交錯和解碼。
對上述系統(tǒng)進(jìn)行的測試,得出的結(jié)果如圖11-13所示。
1.對于調(diào)制方式為QPSK的第一和第二實施例QPSK的性能曲線如圖11所示?!癈onv”列表示卷積仿真結(jié)果,卷積碼的約束長度為9,并且使用了維特比軟判決?!癘ne”列、“Two”列、“Four”列分別表示在接收端進(jìn)行“1”個迭代、“2”個迭代、“4”個迭代Turbo碼的仿真結(jié)果。
Turbo碼的碼率為1/2,編碼器的狀態(tài)數(shù)目為8。碼字的生成多項式為 Turbo碼的塊長度為1248比特。交織是伽羅瓦域(Galois Field)交織。編碼器不產(chǎn)生任何的尾比特(Tail bit)。在MAP解碼中,為了減少內(nèi)存的需求,使用滑動窗方案。每個塊(1248比特)被分為6個子塊,每個子塊之間有9比特的重疊,也就是說,窗的大小為217比特。
2.對于調(diào)制方式為16QAM的第三和第四實施例16QAM的性能曲線如圖12所示?!癟CM”列表示TCM仿真結(jié)果?!癘ne”列、“Two”列、“Four”列分別表示在接收端進(jìn)行“1”個迭代、“2”個迭代、“4”個迭代的并行級聯(lián)TCM(Parallel Concatnated TCM,PCTCM)碼的仿真結(jié)果。
PCTCM有8個狀態(tài),它的碼字生成器為h0=013,h1=004,h2=015,使用自然映射。PCTCM塊的大小為1248個符號,每個符號有2比特。交織器是兩個S-隨機(jī)交織器。每個用于一個符號中的一個比特。編碼器不產(chǎn)生任何尾比特(Tail bit)。在MAP解碼中,為了減少內(nèi)存的需求,使用滑動窗方案。每個塊(1248比特)被分為6個子塊,每個子塊之間有9比特的重疊,也就是說,窗的大小為217比特。
3.對于調(diào)制方式為64QAM的第五和第六實施例64QAM的性能曲線如圖13所示?!癟CM”列表示TCM仿真結(jié)果?!癘ne”列、“Two”列、“Four”列分別表示在接收端進(jìn)行“1”個迭代、“2”個迭代、“4”個迭代的并行級聯(lián)TCM(Parallel Concatnated TCM,PCTCM)碼的仿真結(jié)果。
PCTCM有8個狀態(tài),它的碼字生成器為h0=013,h1=004,h2=006,h3=011,h4=007,使用自然映射。PCTCM塊的大小為1248個符號,每個符號有4比特。交織器是四個S-隨機(jī)交織器。每個用于一個符號中的一個比特。編碼器不產(chǎn)生任何尾比特(Tail bit)。在MAP解碼中,為了減少內(nèi)存的需求,使用滑動窗方案。每個塊(1248比特)被分為6個子塊,每個子塊之間有9比特的重疊,也就是說,窗的大小為217比特。
本發(fā)明不僅可用于地面、衛(wèi)星、有線、微波和其它傳輸媒介,也可用于數(shù)據(jù)廣播、互連網(wǎng)、和其它寬帶多媒體信息傳輸及綜合數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于它采用1/2碼率卷積編碼器與其后的QPSK調(diào)制器級聯(lián);其中,QPSK調(diào)制器I符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼為G1(x)=1+x+x2+x3+x6;并且,QPSK調(diào)制器Q符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼為G2(x)=1+x2+x3+x5+x6
2.一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于它包括交織器,第一編碼器,第二編碼器,開關(guān)單元,以及復(fù)接器;輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接連到復(fù)接器,另一路依次連到第一編碼器、交織器和第二編碼器;第一編碼器與第二編碼器并行設(shè)置;所說的開關(guān)單元對第一編碼器和第二編碼器的輸出進(jìn)行交替地切換,其輸出連到復(fù)接器的另一個輸入端;復(fù)接器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
3.按照權(quán)利要求2的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于進(jìn)一步包括所述第一編碼器和第二編碼器為1/2碼率的并行級聯(lián)系統(tǒng)卷積Turbo碼編碼器,所述的信道傳輸調(diào)制器為QPSK。
4.按照權(quán)利要求3的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所說的1/2碼率的并行級聯(lián)系統(tǒng)卷積Turbo編碼器的系數(shù)A0=0,A1=1,A2=1,A3=1,A4=0,A5=1,A6=0,B0=1,B1=0,B2=0,B3=1,B4=0,B5=0;C0=0,C1=1,C2=1,C3=1,C4=0,C5=1,C6=0,D0=1,D1=0,D2=0,D3=1,D4=0,D5=0。
5.按照權(quán)利要求4的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于輪流選擇Q0和Q1輸出作為QPSK的Q信號,輸入比特直接映射為QPSK的I信號。
6.一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于它包括分路器,第一編碼器,第二編碼器;該分路器將輸入的傳輸碼流分成兩路,分別連到第一編碼器和第二編碼器;該第一編碼器與第二編碼器并行設(shè)置;該第一編碼器與第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
7.按照權(quán)利要求6的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述第一編碼器和第二編碼器為1/2碼率格形碼編碼器,所述的信道傳輸調(diào)制器為16QAM調(diào)制器。
8.按照權(quán)利要求7的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述1/2碼率格形編碼器的系數(shù)為A0=0,A1=1,A2=1,A3=1,A4=0,B0=1,B1=0,B2=0,B3=1;C0=0,C1=1,C2=1,C3=1,C4=0,D0=1,D1=0,D2=0,D3=1。
9.按照權(quán)利要求6的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述第一編碼器和第二編碼器為2/3碼率格形碼編碼器,所述信道傳輸調(diào)制器為64QAM調(diào)制器。
10.按照權(quán)利要求6的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述2/3碼率格形碼編碼器的系數(shù)為A01=1,A11=1,A21=0,A31=1,A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,B0=1,B1=0,B2=1;C01=1,C11=1,C21=0,C31=1,C00=0,C10=1,C20=0,C30=0,D0=1,D1=0,D2=1。
11.一種級聯(lián)糾錯編碼器,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于它包括交織器,第一編碼器,第二編碼器;輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接連到復(fù)接器,另一路依次連到第一編碼器、交織器和第二編碼器;該第一編碼器與第二編碼器并行設(shè)置;該第一編碼器和第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
12.按照權(quán)利要求11的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述第一編碼器和第二編碼器為1/2碼率并行級聯(lián)格形碼Turbo編碼器,所述的信道傳輸調(diào)制器為16QAM調(diào)制器。
13.按照權(quán)利要求12的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述1/2碼率并行級聯(lián)格形碼Turbo編碼器的系數(shù)為A01=1,A11=1,A21=0,A31=1,A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,B0=1,B1=0,B2=1;C01=1,C11=1,C21=0,C31=1,C00=0,C10=1,C20=0,C30=0,D0=1,D1=0,D2=1。
14.照權(quán)利要求13的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述第一編碼器和第二編碼器為2/3碼率并行級聯(lián)格形碼Turbo編碼器,所述的信道傳輸調(diào)制器為64QAM調(diào)制器。
15.按照權(quán)利要求13的級聯(lián)糾錯編碼器,其特征在于所述2/3碼率并行級聯(lián)格形碼Turbo編碼器的系數(shù)為A00=0,A10=1,A20=0,A30=0,A01=0,A11=1,A21=1,A31=0,A02=1,A12=0,A22=0,A32=1,A03=0,A13=1,A23=1,A33=1,B0=1, B1=0, B2=1;C00=0,C10=1,C20=0,C30=1,C01=0,C11=1,C21=1,C31=0,C02=1,C12=0,C22=0,C32=1,C03=0,C13=1,C23=1,C33=1,D0=1,D1=0, D2=1。
16.一種級聯(lián)糾錯編碼方法,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于采用1/2碼率卷積編碼器作為內(nèi)碼糾錯編碼器,所述編碼器的系數(shù)與其后的QPSK信道傳輸調(diào)制相關(guān);其中,作為QPSK調(diào)制I符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼由下述方程式給出G1(x)=1+x+x2+x3+x6;并且,作為QPSK調(diào)制Q符號的1/2碼率、64狀態(tài)卷積碼由下述方程式給出G2(x)=1+x2+x3+x5+x6。
17.一種級聯(lián)糾錯編碼方法,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于輸入的信息數(shù)據(jù)流一路直接送到復(fù)接器,另一路送到第一編碼器和第二編碼器并行地設(shè)置第一編碼器和第二編碼器;輸入信息數(shù)據(jù)流在進(jìn)入第二編碼器之前先經(jīng)過交織器,在所述交織器中進(jìn)行數(shù)據(jù)的交織;交替地切換第一編碼器和第二編碼器的輸出;將所述的直通的信息數(shù)據(jù)流以及所述的交替輸出的第一編碼器和第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
18.一種級聯(lián)糾錯編碼方法,用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng),其特征在于將輸入的傳輸碼流分成兩路,分別送到第一編碼器和第二編碼器;并行地設(shè)置第一編碼器與第二編碼器;將所述第一編碼器與第二編碼器的輸出作為其后信道傳輸調(diào)制級的內(nèi)碼。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種級聯(lián)糾錯編碼器以及其糾錯編碼方法,它們可用于地面數(shù)字多媒體電視廣播系統(tǒng)。所述的級聯(lián)糾錯編碼器以及其糾錯編碼方法將糾錯編碼星座圖和調(diào)制映射星座圖作為整體統(tǒng)一考慮,完成網(wǎng)格編碼調(diào)制,按一定的格式實現(xiàn)編碼及編碼后的映射,大大地提高了系統(tǒng)的糾錯性能和傳輸性能。所述的網(wǎng)格編碼調(diào)制方式可為格形QPSK、turbo格形QPSK、格形16QAM、turbo格形16QAM、格形64QAM、turbo格形64QAM等。
文檔編號H04N7/64GK1348310SQ01130658
公開日2002年5月8日 申請日期2001年8月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月17日
發(fā)明者楊林, 楊知行 申請人:清華大學(xué)
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