刪余Turbo碼編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明是刪余Turbo碼編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法，針對(duì)經(jīng)典刪余Turbo碼編碼器沒有給出生成矩陣，從而不能通過以輸入信息序列乘以生成矩陣獲得編碼碼流的問題，設(shè)計(jì)了一種根據(jù)刪余位置信息獲得刪余Turbo碼編碼器生成矩陣的方法，該方法將刪余Turbo碼編碼器與串行級(jí)聯(lián)碼相關(guān)聯(lián)。首先，將刪余Turbo碼編碼器分解為三個(gè)編碼器：系統(tǒng)交織編碼器、卷積碼編碼和刪余編碼器的串行級(jí)聯(lián)；其次，求得三個(gè)編碼器的生成矩陣分別為G1、G2和G3；最后，將三個(gè)矩陣相乘獲得刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣G＝G1·G2·G3。
【專利說明】刪余Turbo碼編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及Turbo碼，也稱為并行級(jí)聯(lián)卷積碼(Parallel ConcatenatedConvolut1nal Codes)編碼器生成矩陣的一種設(shè)計(jì)方法，主要涉及具有提高編碼碼率的刪余Turbo碼編碼器生成矩陣的設(shè)計(jì)方法。

【背景技術(shù)】
[0002]為了在有噪信道上進(jìn)行可靠傳輸，需要克服信道中的噪聲和干擾。信道編碼(Channel Coding)或稱前向糾錯(cuò)編碼(Forward Error Correct1n, FEC),根據(jù)一定的準(zhǔn)則在待發(fā)送的信息碼元中加入必要的校驗(yàn)碼元，接收端利用校驗(yàn)碼元與信息碼元之間的編碼準(zhǔn)則，檢測(cè)和糾正差錯(cuò)，提高信息碼元傳輸?shù)目煽啃?。研究信道編碼的目標(biāo)是利用最少的校驗(yàn)碼元，獲得較高的可靠性傳輸，即在保證傳輸可靠性的前提下，盡量提高編碼效率。常用的信道編碼方案主要包括=Hamming碼、線性分組碼、卷積碼、BCH碼、RS碼等。
[0003]在這些編碼方案中，線性分組碼由于編譯碼簡(jiǎn)單，性能易于分析，得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用。在一般線性分組碼中，僅需生成矩陣即可標(biāo)示一個(gè)編碼器，并且可由生成矩陣推導(dǎo)出校驗(yàn)矩陣，進(jìn)而對(duì)接收向量進(jìn)行校驗(yàn)。
[0004]隨著信道編碼理論和計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，在1993年召開的國(guó)際通信會(huì)議上，C.Berrou等學(xué)者提出了 Turbo碼的編、譯碼方案。它由2個(gè)遞歸系統(tǒng)卷積碼(RecursiveSystem Convolut1nal Code, RSCC)通過I個(gè)交織器以并行級(jí)聯(lián)的方式構(gòu)成，因此也稱為并行級(jí)聯(lián)卷積碼(Parallel Concatenated Convolut1nal Code, PCCC)。Turbo 碼米用迭代算法譯碼，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過18次迭代譯碼，在信噪比EbZX ^ 0.7dB時(shí)，碼率為1/2的Turbo碼在加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise, AWGN)信道上的誤比特率(Bite Error Rate, BER)Pb ^ ICT5,達(dá)到了近香農(nóng)(Shannon)限的性能。至此，Turbo 碼的研究將信道編碼技術(shù)推進(jìn)到了一個(gè)新的高度:使其后的信道編碼性能不再以互相比較為目標(biāo)，而是直接與香農(nóng)限相比較，經(jīng)典Turbo碼編碼器框圖如圖1所示。
[0005]從Turbo碼編碼器的描述和示意圖可以看出，Turbo碼編碼器沒有給出生成矩陣和校驗(yàn)矩陣，這對(duì)Turbo碼的理論研究和性能分析帶來困難。更重要的是，不能對(duì)譯碼后的碼組進(jìn)行校驗(yàn)，判斷其正確與否。經(jīng)過眾多學(xué)者的努力，給定Turbo碼編碼器的交織器和遞歸系統(tǒng)卷積碼，可以求出Turbo碼的生成矩陣。其方法是將Turbo碼編碼器分解為等價(jià)的系統(tǒng)交織編碼器和卷積碼編碼器的串聯(lián)，分別求出生成矩陣，再將它們相乘即得Turbo碼編碼器生成矩陣，如圖2所示。在此種情形中，一般假設(shè)標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼編碼器的交織器長(zhǎng)度為K，輸出編碼碼流長(zhǎng)度則為3K。標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼編碼器的生成矩陣為Gb = G1.G2，其中G1和G2分別為系統(tǒng)交織編碼器和卷積碼編碼器的生成矩陣，大小分別為KX 2K和2KX 3K，從而Gb的大小為KX3K。輸入長(zhǎng)度為K的信息序列，乘以生成矩陣Gb后得到長(zhǎng)度為3K的編碼序列。
[0006]為了提高編碼碼率，可采用刪余(puncturing)技術(shù)，為了保證糾錯(cuò)性能，一般刪余Turbo碼編碼器都對(duì)校驗(yàn)序列C1和C2進(jìn)行刪余，如圖1所示。通過刪除部分校驗(yàn)比特，獲得較高碼率。在求Turbo碼編碼器生成矩陣時(shí)，為降低難度，以前的研究?jī)H針對(duì)碼率為1/3的標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼的生成矩陣，沒有給出刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣設(shè)計(jì)方法。
[0007]為求得刪余Turbo碼編碼器生成矩陣，本發(fā)明將刪余Turbo碼編碼器分解為三個(gè)編碼器:系統(tǒng)交織編碼器、卷積碼編碼器和刪余編碼器的串聯(lián)，分別求出它們的生成矩陣，相乘即可得到刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣。由于標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼的生成矩陣已求出，本發(fā)明主要給出刪余編碼器生成矩陣的設(shè)計(jì)方法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣設(shè)計(jì)問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種由刪余位置控制的刪余編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了刪余Turbo碼編碼器生成矩陣的獲取。
[0009]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:如果不需要提高編碼碼率，標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼編碼器輸出長(zhǎng)度為3K的碼流無(wú)需刪余，直接輸入下一個(gè)處理環(huán)節(jié)。此時(shí)的刪余編碼器的生成矩陣可看成是大小為3KX3K的單位陣I3K(即未對(duì)碼流進(jìn)行刪余)。若需要提高編碼碼率，則需對(duì)標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼編碼器輸出的碼流進(jìn)行刪余，此時(shí)的刪余編碼器的生成矩陣G3可采用如下方案獲得:將輸出碼流逐位處理，若第i (I ^ i ^ 3K)位未被刪余，則保留I3k單位陣中的第i列；否則刪除I3k單位陣中的第i列。若總計(jì)刪余位數(shù)為M，則刪余編碼器生成矩陣G3的大小為3KX (3K-M)，最后獲得的刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣大小為KX (3K-M)。
[0010]有益效果是，本發(fā)明設(shè)計(jì)的刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣，實(shí)現(xiàn)了輸入信息序列與生成矩陣相乘，直接獲得刪余后的編碼碼流。該發(fā)明不僅簡(jiǎn)化了刪余Turbo碼編碼器的計(jì)算復(fù)雜度，還為刪余Turbo碼的性能分析提供了理論基礎(chǔ)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1經(jīng)典Turbo碼編碼器模型
[0012]圖中:1.遞歸系統(tǒng)卷積碼，2.交織器，3.刪余器，u為輸入待編碼的長(zhǎng)度為K比特的信息序列，U1為交織器輸出，C1為u經(jīng)過編碼模塊I輸出的校驗(yàn)序列，C2為U1經(jīng)過編碼模塊I輸出的校驗(yàn)序列，c' C1刪余后的輸出序列，V 2為C2刪余后的輸出序列。
[0013]圖2與圖1等價(jià)的串聯(lián)模型
[0014]圖中:4.外編碼器，5.內(nèi)編碼器。
[0015]圖3刪余Turbo碼編碼器的串聯(lián)模型

【具體實(shí)施方式】
[0016]本發(fā)明基于刪余Turbo碼編碼器輸出碼流的刪余位置信息，設(shè)計(jì)刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣，主要分為刪余Turbo碼編碼器的等價(jià)串聯(lián)分解和刪余編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)碼流的刪余功能，并簡(jiǎn)化刪余Turbo碼編碼器的性能分析。
[0017]1.刪余Turbo碼串聯(lián)模型設(shè)計(jì)方法
[0018]分析刪余Turbo碼編碼器可知:它由遞歸系統(tǒng)卷積碼、交織器和刪余器經(jīng)過串并聯(lián)混合組成，這樣的混合編碼方案不利于獲得其生成矩陣，本發(fā)明將刪余Turbo碼編碼器等價(jià)為幾個(gè)編碼器的串聯(lián)，如圖3所示。該串聯(lián)編碼系統(tǒng)由碼率為1/2的系統(tǒng)交織編碼器(圖3中的模塊4)、碼率為2/3的卷積碼編碼器(圖3中的模塊5)和由用戶指定碼率的刪余編碼器(圖3中的模塊3)串聯(lián)而成。輸入信息序列經(jīng)過前面兩個(gè)編碼器編碼后，碼率為1/3，假設(shè)其生成矩陣為Gb。為獲得整個(gè)編碼系統(tǒng)的生成矩陣，只需獲取刪余編碼器的生成矩陣G3即可。
[0019]2.刪余編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)
[0020]假設(shè)輸入信息序列長(zhǎng)度為K，則Gb的大小為KX 3K。生成矩陣為Gb的編碼碼流，若不進(jìn)行刪余操作，編碼碼率為1/3，輸出碼流長(zhǎng)度為3K。為導(dǎo)出刪余編碼器生成矩陣，可在沒有進(jìn)行刪余操作的碼流右乘一個(gè)3KX3K的單位陣I3K，即Turbo碼的生成矩陣為GhX I3K，該操作并沒有對(duì)編碼器作任何改變。
[0021]為提高編碼碼率，需要對(duì)編碼碼流進(jìn)行刪余操作，即根據(jù)用戶指定碼率和刪余策略，對(duì)碼流的某些位予以保留，對(duì)碼流的某些位進(jìn)行刪余。刪余編碼器的生成矩陣采用如下方式求得:
[0022]以I3k為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)編碼碼流的第i (I彡i彡3Κ)位進(jìn)行掃描，若碼流的第i位保留，則保留I3k的第i列；若碼流的第i位刪除，則刪除I3k的第i列。掃描完畢，假設(shè)總計(jì)刪除了碼流的M位，此時(shí)輸出碼流的編碼碼率為K/(3K-M)，矩陣G3由I3k刪除對(duì)應(yīng)的M列而得，其大小為3KX (3K-M)，從而整個(gè)刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣為G = GbXG3，其大小為KX (3K-M)。
[0023]例如，設(shè)K = 4，輸入碼流為1001，碼率為1/3的標(biāo)準(zhǔn)Turbo碼編碼器的生成矩陣為
'1 00010100101'rrnw P - 010000110101
L隱 J Ub - 00101110000100010011110 1
[0025]經(jīng)過編碼后，輸出碼流為:100110011000，即u = (1001)、C1 = (1001)和 C2 =(1000)。為將編碼碼率提高為1/2，采用刪余矩陣P= 5)?對(duì)校驗(yàn)位進(jìn)行刪除，即對(duì)碼流C1
和C2進(jìn)行刪余，經(jīng)過刪余后，輸出碼流為:10011000，即原碼流第6、8、9和11位被刪除，從而刪余編碼器的生成矩陣G3為

' 1 0 0 0 0 0 0 0 '

0 1 0 0 0 0 0 00 0 1 0 0 0 0 00 0 0 1 0 0 0 00 0 0 0 1 0 0 0rnn9Rl r _ 00000000
[0026]G3 - 0 0 0 0 0 1 0 0
00000000
00000000
0 0 0 0 0 0 1 0
00000000
_ O O O O O O O I _
[0027]最后將Gb和G3相乘可得刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣
10 0 0 1 1 1 1Γηηο?π Γ _ 0 1 0 0 0 1 1 1
[0028]G - 0 0 10 110 1
O O O I O I I 1_
[0029]結(jié)果驗(yàn)證:直接計(jì)算輸出碼流uG得:10011000，與上面通過刪余操作所得結(jié)果相同。
【權(quán)利要求】
1.一種刪余Turbo碼編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法，其特征是將其設(shè)計(jì)為等價(jià)的數(shù)個(gè)編碼器的串聯(lián)，且這些編碼器易于求出生成矩陣，從而獲得刪余Turbo碼編碼器的生成矩陣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刪余Turbo碼編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法，其特征是:將刪余Turbo碼編碼器分離為三個(gè)編碼器:系統(tǒng)交織編碼器、卷積碼編碼器和刪余編碼器的串行級(jí)聯(lián)，求出三個(gè)編碼器的生成矩陣并相乘，獲得刪余Turbo碼生成矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的刪余Turbo碼編碼器生成矩陣設(shè)計(jì)方法，其特征是:刪余編碼器未使用刪余技術(shù)時(shí)，其生成矩陣為一個(gè)單位陣，輸出碼流的每一位對(duì)應(yīng)單位陣中的相應(yīng)列；使用刪余技術(shù)后，刪余位對(duì)應(yīng)列則從單位陣刪除，獲得刪余編碼器的生成矩陣。
【文檔編號(hào)】H03M13/27GK104253618SQ201310262710
【公開日】2014年12月31日 申請(qǐng)日期:2013年6月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年6月28日
【發(fā)明者】陳德元, 高紹帥, 凃國(guó)防 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大學(xué)