專利名稱：：一種數(shù)字通信系統(tǒng)中的信道卷積編碼方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及數(shù)字通信領(lǐng)域中的差錯控制技術(shù)。通信的目的是把對方不知道的消息及時可靠的傳送給對方，因此，要求一個通信系統(tǒng)傳輸消息必須可靠與快速。在數(shù)字通信系統(tǒng)中可靠與快速往往是一對矛盾。若要求快速，則必然使得每個數(shù)據(jù)碼元所占的時間縮短，波形變窄，能量減少，從而在受到干擾后產(chǎn)生錯誤的可能性增加，傳送消息的可靠性減低。若要求可靠，則使得傳送消息的速率變慢。因此，如何較合理的解決可靠性與速度這一對矛盾，是正確設(shè)計一個通信系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。糾錯碼正是在解決這一對矛盾中不斷發(fā)展起來的。在《糾錯碼—原理與方法》一書(王新梅，肖國鎮(zhèn)著，西安電子科技大學(xué)出版社，1991年第一版)中對糾錯碼作了詳盡的闡述。目前數(shù)字通信系統(tǒng)中，利用糾錯碼或檢錯碼進(jìn)行差錯控制的方式大致有以下幾類重傳反饋方式(ARQ)即發(fā)送端發(fā)出能夠發(fā)現(xiàn)錯誤的碼，接收端收到通過信道傳來的碼后，在譯碼器根據(jù)該碼的編碼規(guī)則，判決收到的碼序列中有無錯誤產(chǎn)生，并通過反饋信道把判決結(jié)果用判決信號告訴發(fā)送端。發(fā)端根據(jù)這些判決信號，把接收端認(rèn)為有錯的消息再次傳送，直到接收端認(rèn)為正確為止。前向糾錯方式(FEC)即發(fā)送端發(fā)送能夠被糾錯的碼，接收端收到這些碼后，通過糾錯譯碼器不僅能自動發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能自動糾正接收碼字傳輸中的錯誤。這種方式的優(yōu)點是不需要反饋信道，能進(jìn)行一個用戶對多個用戶的同播通信，譯碼實時性好，控制電路比ARQ簡單。為了要獲得比較低的誤碼率，往往必須以最壞的信道條件來設(shè)計糾錯碼，故所需的多余度碼元比檢錯碼要多得多，從而使編碼率很低。但由于這種方式能實現(xiàn)同播通信，特別適用于軍用通信，且隨著編碼理論的發(fā)展和編譯碼設(shè)備所需的大規(guī)模集成電路成本的不斷降低，譯碼設(shè)備有可能做得越來越簡單，成本也越來越低，因而在實際的通信中逐漸得到廣泛應(yīng)用。混合糾錯方式(HEC)這種方式是發(fā)送端發(fā)送的碼不僅能夠被檢測出錯誤，而且還有一定的糾錯能力。接收端收到碼序列后，首先檢驗錯誤情況，如果在糾錯碼的糾錯能力以內(nèi)，則自動進(jìn)行糾錯，如果錯誤很多，超過了碼的糾錯能力，但能檢測出來，則接收端通過反饋信道，要求發(fā)端重新傳送有錯的消息。這種方式在一定程度上避免了FEC方式要求用復(fù)雜的譯碼設(shè)備和ARQ方式信息連貫性差的缺點，并能達(dá)到較低的誤碼率，因此在實際中應(yīng)用越來越廣。上述各種差錯控制系統(tǒng)中所用到的碼，都是一種能在譯碼器自動發(fā)現(xiàn)錯誤的檢錯碼，或者能夠糾正刪除錯誤的糾刪碼，任何一類碼按照譯碼方法不同，均可作為檢錯碼、糾錯碼或糾刪碼來使用。通常還采用以下方式對糾錯碼進(jìn)行分類(1)按照對信息元處理方法的不同，分為分組碼與卷積碼兩大類。(2)根據(jù)檢驗元與信息之間的關(guān)系分為線性碼與非線性碼。(3)按照糾正錯誤的類型分為糾正隨機錯誤碼、糾正突發(fā)錯誤碼和糾正同步錯誤碼等等。眾所周知，卷積編碼的目的是根據(jù)一定的規(guī)則對信息比特進(jìn)行運算得出編碼比特，此編碼比特的數(shù)目比原信息比特要多，從而引入了冗余信息。在接收端通過糾錯譯碼器不僅能自動地發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能自動地糾正接收碼字傳輸中的錯誤，達(dá)到抗干擾的目的。它尤其適合于實時業(yè)務(wù)。卷積碼與一般的分組碼不同。編碼時，一組的n0-k0個校驗元不僅與本組的k0個信息元有關(guān)，而且還與以前各時刻輸入至編碼器的信息組有關(guān)。這樣，在卷積碼中，n0和k0通常很小，特別適宜于以串行形式傳輸信息，延時小。在編碼器復(fù)雜性相同的情況下，卷積碼的性能較好。而且，卷積碼可進(jìn)行Viterbi(VB)譯碼算法，可以無顯著信息失真地進(jìn)行實時解碼。圖1是3rdGenerationPartnershipProject(3GPP)1999-12版本3GTS25.212v3.1.1中第14頁上給出的傳輸信道1/3卷積編碼器，適用于第三代移動通信系統(tǒng)。其中編碼存儲為8，編碼約束度N是9。在約束長度為9的所有卷積碼中，它們具有最大的自由距離，且無惡性誤差傳播。如何來實現(xiàn)如圖1所示的卷積編碼器呢？通常實現(xiàn)該卷積編碼器的方案有兩種一種是利用硬件電路的方法來實現(xiàn)。比如在以下美國專利中5,951,628Methodandsystemforperformingaconvolutionoperation；5,926,580Convolutionalgorithmforefficienthardwareimplementation；5,917,961Imageconvolutionusingpre-calculatedlookuptables；5,912,673Graphicalimageconvolutionusingmultiplepipelines；均對卷積提供了相關(guān)的方案，這種方法實現(xiàn)起來比較簡單，它們的共同點是采用硬件的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)卷積，比較適合于以硬件為主的系統(tǒng)。但如果在系統(tǒng)中其前后的功能模塊均是由軟件模塊實現(xiàn)的，則要將卷積編碼器單獨提出用硬件來實現(xiàn)，將會造成整個系統(tǒng)復(fù)雜度上升且破壞系統(tǒng)的完整性。而在數(shù)字通信系統(tǒng)例如第三代移動通信系統(tǒng)中，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)以軟件實現(xiàn)為主，如果卷積編碼器仍采用硬件方案來實現(xiàn)，反而會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度，做不到實時快速。因此，便出現(xiàn)了第二種實現(xiàn)方法，即軟件實現(xiàn)方法。通常的軟件實現(xiàn)方法是按照數(shù)字信號處理(DSPDigitalSignalProcessing)中模擬圖1的硬件電路來實現(xiàn)，即通過編程來將編碼器的各個抽頭抽出后再累加。每當(dāng)來一個比特，便需將8個D寄存器中的數(shù)據(jù)右移一位后再按圖1中的相應(yīng)位累加；顯然對圖1中就要做15次加法，這在有限的DSP資源中無疑是一個不小的負(fù)擔(dān)，再加上對數(shù)據(jù)要進(jìn)行循環(huán)冗余碼校驗(CRC)、復(fù)用交織等操作，使得即使使用當(dāng)今最快的DSP處理器也非常勉強，甚至不得不使用多個DSP處理，尤其是數(shù)據(jù)速率比較高時。本發(fā)明的目的是提出一種基于沖激響應(yīng)來進(jìn)行卷積的信道卷積編碼方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)在第三代移動通信系統(tǒng)對信道編碼時耗費處理器大量寶貴資源的缺點。本發(fā)明所述基于沖激響應(yīng)來進(jìn)行卷積編碼的方法是通過預(yù)存編碼器響應(yīng)狀態(tài)的長度，對輸入比特進(jìn)行簡單判斷，再累加對應(yīng)狀態(tài)從而得到卷積結(jié)果的。其特征在于首先，設(shè)定有效的編碼器狀態(tài)的數(shù)據(jù)長度；設(shè)定的數(shù)據(jù)長度大小等于編碼約束度N減1后，除以卷積編碼率的值；其次，預(yù)存對于輸入不同比特響應(yīng)的編碼器響應(yīng)，輸入為1則存儲對編碼器的響應(yīng)，輸入為0由于響應(yīng)也為0，則省略；預(yù)存的對輸入1的響應(yīng)為編碼器輸入為1000…序列時輸出端產(chǎn)生連續(xù)的編碼約束度N個碼字；然后，開始循環(huán)迭代編碼，每次判斷輸入是否為1，如是則將對編碼器的響應(yīng)累加入編碼器的狀態(tài)并將編碼輸出，為0則直接輸出編碼；進(jìn)行循環(huán)迭代編碼時輸出的編碼器的狀態(tài)的左面卷積編碼率的倒數(shù)個比特位(例如1/3卷積時為3,1/2卷積時為2等等)作為當(dāng)前輸入比特的輸出編碼值。由于本發(fā)明對編碼器的有效的作用時期事先進(jìn)行了分析，同時對輸入比特對編碼器產(chǎn)生的作用事先作了準(zhǔn)備，以及對碼字在編碼器響應(yīng)狀態(tài)的位置作了預(yù)先設(shè)定，使得來一個比特后進(jìn)行一次加法就產(chǎn)生編碼值。采用DSP來處理，計算速度可以達(dá)到卷積1點只需耗時1個CPU時鐘周期，當(dāng)輸入比特是0時，因為0的沖激響應(yīng)為0，相當(dāng)于對編碼器沖激響應(yīng)狀態(tài)寄存器S累加了0，對于隨機的數(shù)據(jù)塊來說，0和1基本上是各占50％，故又節(jié)省了相當(dāng)可觀數(shù)量的加法。無須任何操作即可直接編出碼字，同時還可以方便地進(jìn)行分段卷積，這都是以往技術(shù)無法達(dá)到的。下面結(jié)合附圖，并通過實施例來詳細(xì)描述如何用沖激響應(yīng)法來實現(xiàn)1/3卷積編碼。圖1是3GPP文本3GTS25.212v3.1.1(1999-12)中第14頁上給出的信道1/3卷積編碼器；圖2是對該編碼器的單位沖激響應(yīng)的碼圖；圖3是輸入111000…序列的疊加原理圖；圖4是輸入111000…序列的疊加結(jié)果圖；圖5是具體實施例—實現(xiàn)1/3卷積編碼的基于沖激響應(yīng)的編碼流程圖。圖1所示的3GPP的3GTS25.212v3.1.1規(guī)范上給出的速率低于32kbps業(yè)務(wù)的1/3卷積碼的硬件實現(xiàn)電路。由編碼原理知識可知該編碼器的編碼存儲為8，編碼約束度N為9。較多地運用在數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，尤其是第三代移動通信系統(tǒng)。以下將具體說明如何用沖激響應(yīng)來進(jìn)行卷積編碼實現(xiàn)的方法。以圖2為例，在任意t時刻輸入比特M(t)相當(dāng)于對圖1的編碼器產(chǎn)生一次沖激，對應(yīng)的‘1’脈沖響應(yīng)即為t,t+1,…,t+8時刻對應(yīng)的c0…c8九個碼字；當(dāng)輸入比特為0時，‘0’脈沖響應(yīng)為t,t+1,…,t+8時刻對應(yīng)的c0…c8九個碼字(只不過此時碼元全為0)，稱t…t+8為該沖激的存活期，t+9時刻后稱為該沖激的死亡期。根據(jù)編碼基本理論和圖2可以很容易得出以下結(jié)論1．任意t時刻的單位脈沖，在生存期內(nèi)活著，并向后影響到第t+8個編碼器沖激響應(yīng)，對t+9個及其以后的編碼器沖激響應(yīng)不再有影響；2．任意t時刻的脈沖，不影響在t時刻之前的任意時刻的編碼器沖激響應(yīng)；3．在任意t時刻的編碼器沖激響應(yīng)是t時刻以前所有存活的單位沖激響應(yīng)在t時刻的線性疊加與t時刻的單位沖激響應(yīng)之和。4．在任意t時刻的有效編碼狀態(tài)S的第一個分量s0即為t時刻沖激的編碼值。圖3所示輸入111000…序列的疊加原理圖分別為t0時刻的單位沖激響應(yīng)，該時刻沖激的存活期為t0到t9；t1時刻的單位沖激響應(yīng)，該時刻沖激的存活期為t1到t10；t2時刻的單位沖激響應(yīng)，該時刻沖激的存活期為t2到t11。根據(jù)圖2結(jié)合編碼原理得到的四個結(jié)論，可知對輸入比特為111000…序列，其編碼器沖激響即為以上的單位沖激響應(yīng)的線性疊加。圖4為圖3中t0、t1、t2時刻的單位沖激響應(yīng)的線性疊加，編出卷積碼依次為c0,(c0+c1),(c0+c1+c2),(c1+c2+c3),(c2+c3+c4),(c3+c4+c5),(c4+c5+c6),(c5+c6+c7),(c6+c7+c8),(c7+c8),c8,0,0,0,…其中對于在t2時刻來的沖激，t2以后開始的(c1+c2+c3),(c2+c3+c4),(c3+c4+c5),(c4+c5+c6),(c5+c6+c7),(c6+c7+c8),(c7+c8),c8這九個碼字就構(gòu)成了編碼器沖激響應(yīng)。以上分析了如何利用沖激響應(yīng)的原理，圖5為實現(xiàn)1/3卷積編碼的實施例，下面給出了具體的處理流程第一步設(shè)定有效的編碼器狀態(tài)的數(shù)據(jù)長度，合理選用寄存器。由于編碼約束長度N為9，卷積編碼率為1/3，所以數(shù)據(jù)長度應(yīng)為(9-1)/(1/3)即24，因此選用三個32位寄存器分別存放S、A、C值，并初始化。第二步令輸入序列1000…產(chǎn)生的序列c0,c1,c2,c3,c4,c5,c6,c7,c8,0,0,0,…前九個碼字共27位比特作為編碼器對單位1的沖激響應(yīng)，預(yù)存入32位寄存器A第三步開始迭代。本步驟可進(jìn)一步分為1)取一個輸入比特，判斷輸入比特為0還是為1；如果是1則進(jìn)入2)進(jìn)行運算，如果是0則直接轉(zhuǎn)入3)；2)提取沖激響應(yīng)寄存器A，并累加入編碼器沖激響應(yīng)狀態(tài)寄存器S；3)寄存器S左3位移入寄存器C，這3位比特即為輸入比特的編碼值C；同時將S左移3位后的結(jié)果存回S；4)輸出第i個比特的編碼值C，回到1)?？梢钥闯?，在執(zhí)行第三步時，如果在1)時判斷輸入比特為0，則程序直接進(jìn)入3)，此時少做了一次加法。因為0的沖激響應(yīng)為0，相當(dāng)于對編碼器沖激響應(yīng)狀態(tài)寄存器S累加了0，對于隨機的數(shù)據(jù)塊來說，0和1基本上是各占50％，故節(jié)省了相當(dāng)可觀數(shù)量的加法運算量。本發(fā)明所述方法不但完全適用于3GPP文本規(guī)定的1/3,1/2卷積編碼方案，也適用于數(shù)字通信系統(tǒng)中所有約束長度、所有碼率的卷積編碼，并且在實現(xiàn)上沒有任何區(qū)別，方法完全類似。這尤其對需要在DSP中進(jìn)行實時高速卷積計算的數(shù)字通信系統(tǒng)具有非常重大的意義。該方法通過預(yù)先對編碼器沖激響應(yīng)的分析采用了新的計算方法，僅用一次加法就完成了一個點的卷積運算，運算時間上較以往的技術(shù)有了數(shù)量級的提高，且代碼量也減少到僅僅幾條指令，特別是當(dāng)輸入比特為0時，一次加法都不用做便可直接就產(chǎn)生編碼結(jié)果，從而在計算時間上實現(xiàn)了動態(tài)縮減，這在以往的方法中都是無法實現(xiàn)的。在實際的WCDMA(寬帶碼分多址)信道編碼實現(xiàn)上具有很大的技術(shù)提升量和重要的經(jīng)濟(jì)意義，對信道編碼技術(shù)起到了很大的推進(jìn)作用?？梢钥闯?，采用本文所提出的新方法來實現(xiàn)卷積編碼，完全不同于以往的直接采用硬件或采用軟件模擬硬件的方法，完全是一種新的概念基礎(chǔ)上的應(yīng)用，它使得實現(xiàn)數(shù)字通信系統(tǒng)的信道卷積編碼突破了以往的速度上的瓶頸，在DSP中實現(xiàn)時使得原本占用了主要的計算資源的卷積此時僅占用了非常微量甚至可以忽略不計的系統(tǒng)資源，很好的滿足了各類有苛刻的實時性要求的數(shù)字通信系統(tǒng)，并使得DSP可以將更多更復(fù)雜的工作也包括進(jìn)來，從而使得當(dāng)今流行的熱門概念“軟件無線電”得以技術(shù)上的有力支持，這對于推動基于DSP平臺上的“軟件無線電”技術(shù)具有重大的現(xiàn)實意義。權(quán)利要求1一種用來實現(xiàn)快速信道卷積編碼的方法，其特征在于首先，設(shè)定有效的編碼器狀態(tài)的數(shù)據(jù)長度；其次，預(yù)存對于輸入不同比特響應(yīng)的編碼器響應(yīng)，輸入為1則存儲對編碼器的響應(yīng)，輸入為0由于響應(yīng)也為0，則省略；然后，開始循環(huán)迭代編碼，每次判斷輸入是否為1，如是則將對編碼器的響應(yīng)累加入編碼器的狀態(tài)并將編碼輸出，為0則直接輸出編碼。2根據(jù)權(quán)利要求1所述的信道卷積編碼方法，其特征在于設(shè)定有效的編碼器狀態(tài)的數(shù)據(jù)長度，其大小等于編碼約束度N減1后除卷積編碼率。3根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信道卷積編碼方法，其特征在于輸入為1時預(yù)存的對編碼器響應(yīng)即為編碼器輸入為1000…序列時輸出端產(chǎn)生連續(xù)的編碼約束度N個碼字。4根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信道卷積編碼方法，其特征在于在進(jìn)行循環(huán)迭代編碼時輸出的編碼器的狀態(tài)的左面卷積編碼率的倒數(shù)個比特位作為當(dāng)前輸入比特的輸出編碼值。5根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的信道卷積編碼方法，其特征在于進(jìn)行循環(huán)迭代編碼時針對1/3卷積編碼實施例的步驟為1)取一個輸入比特，判斷輸入比特為0還是為1；如果是1則進(jìn)入2)進(jìn)行運算，如果是0則直接轉(zhuǎn)入3)；2)提取沖激響應(yīng)寄存器A，并累加入編碼器沖激響應(yīng)狀態(tài)寄存器S；3)寄存器S左3位移入寄存器C，這3位比特即為輸入比特的編碼值C；同時將S左移3位后的結(jié)果存回S；4)輸出第i個比特的編碼值C，回到1)。全文摘要本發(fā)明公開了一種利用沖激響應(yīng)原理實現(xiàn)快速信道卷積編碼的方法;通過先預(yù)存編碼器響應(yīng)狀態(tài)的長度,再對輸入比特進(jìn)行簡單0、1判斷,存入對1的沖激響應(yīng),忽略0的沖激響應(yīng),然后進(jìn)行循環(huán)迭代處理后得到信道的卷積編碼。本發(fā)明適用于數(shù)字通信系統(tǒng)中所有約束長度、所有碼率的卷積編碼處理;這種信道卷積編碼的實現(xiàn)可以減少大量的運算量,以達(dá)到減輕DSP資源的負(fù)擔(dān);在數(shù)字通信領(lǐng)域特別是第三代移動通信系統(tǒng)中實現(xiàn)實時快速處理。文檔編號H04L1/00GK1322064SQ00119529公開日2001年11月14日申請日期2000年7月26日優(yōu)先權(quán)日2000年7月26日發(fā)明者白濤,劉太江,劉奕文,王磊,趙國峰申請人:信息產(chǎn)業(yè)部電信傳輸研究所,深圳市中興通訊股份有限公司