способ квантования для итеративного декодера в системе связи
Классы МПК: | H04B1/69 способы расширения спектра вообще |
Автор(ы): | КИМ Мин-Гоо (KR), КИМ Беонг-Дзо (KR), ЛИ Янг-Хван (KR) |
Патентообладатель(и): | САМСУНГ ЭЛЕКТРОНИКС КО., ЛТД. (KR) |
Приоритеты: |
подача заявки:
1999-12-28 публикация патента:
20.10.2003 |
Изобретение относится к системам связи и может использоваться в средствах квантования. Технический результат заключается в использовании квантования в итеративном декодере. В способе квантования принятые уровни сигнала делят поровну на предварительно определенные интервалы в диапазоне, который в 2 раза больше, чем диапазон уровней сигнала передачи передатчика, и квантуют уровень входного сигнала, принятого в каждом периоде. 2 с. и 11 з.п. ф-лы, 5 ил., 4 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9
Формула изобретения
1. Способ квантования для итеративного декодера, включающий этапы, при которых делят поровну уровни принятого сигнала на предварительно определенные интервалы, причем упомянутые интервалы занимают диапазон в m![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
Описание изобретения к патенту
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИИзобретение относится к приемнику в системе связи, а более конкретно - к устройству и способу для квантования принятого сигнала. ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Ресурсы системы, такие как число битов, мощность и задержка при обработке сигнала, являются ограниченными, когда канальный декодер проектируется с учетом реальной ситуации. Конкретный сигнал должен быть представлен ограниченным числом битов, в частности для обработки в декодере. Другими словами, аналоговый сигнал, подаваемый на вход декодера, необходимо квантовать. Разрешающая способность сигнала или точность воспроизведения сигнала необходимо учитывать для квантования, так как это оказывает большое влияние на рабочие характеристики декодера. Соответственно, способ квантования, включающий в себя точный выбор числа битов квантования (QB), представляет большой интерес для разработчика системы, когда он представляет сигналы для входного терминала декодера и внутри декодера. Передатчик в системе радиосвязи (например, спутниковая система, широкополосная система множественного доступа с кодовым разделением каналов (система ШМДКР), система МДКР-2000) может использовать коды с прямым исправлением ошибок для надежной передачи данных, и приемник может применять итеративное декодирование для принятых данных. Итеративное декодирование характеризуется подачей декодированного выходного сигнала обратно на вход декодера. Поэтому выходной сигнал итеративного декодера не является сигналом "жесткого" решения, подобно сигналу высокого или низкого уровня (например, +1, -1), а является сигналом "мягкого" решения (например, 0,7684, -0,6432,.. .). Итеративный декодер состоит, по меньшей мере, из двух компонентных декодеров и перемежителя, включенного между компонентными декодерами и производит перестановку последовательности битов, поступающих на его входную сторону из компонентного декодера. Когда составляющие декодированного сигнала подаются обратно на выходной вывод итеративного декодера, обращенный перемежитель итеративного декодера переупорядочивает биты сигнала, полученного в результате перемежения, в их первоначальные положения. На фиг.1 изображен график, иллюстрирующий способ квантования в известном декодере Витерби для передачи речевого сигнала. На фиг. 1 горизонтальная ось графика показывает уровни амплитуды принятого сигнала, и вертикальная ось показывает функции плотности вероятности (ФПВ) двух сигналов. В этом случае предполагается, что канал передачи для принятого сигнала является каналом с аддитивным белым гауссовым шумом (АБГШ). Принятый и демодулированный сигнал квантуется в предварительно определенных интервалах относительно ФПВ. Это квантование обычно используется в силу своих преимуществ, связанных с простотой и хорошими характеристиками декодирования. Как показано на фиг.1, QB равно 4 битам, и полученные в результате уровни квантования (QL) используются для того, чтобы представить диапазон в пределах значений +А и -А, которые являются уровнями сигнала, принятого от передатчика. Например, хотя принятый сигнал может иметь значение выше +А или ниже -А из-за шума в канале передачи, он преображается соответственно на максимальный уровень квантования (QMAX) или на минимальный уровень квантования (QMIN). В декодере Витерби в основном используется неитеративная схема декодирования, и на его выход выдается значение жесткого решения, которое повторно не декодируется. Поэтому в вышеупомянутом способе квантования декодер Витерби позволяет декодировать входной сигнал с достаточной надежностью. Если значение QB устанавливается на 4 (QL=16), разность в характеристиках между декодированием Витерби и декодированием бесконечного уровня составляет не более 0,2 дБ. С другой стороны, входной/выходной сигнал итеративного декодера основан на мягком входном сигнале выходном сигнале мягкого решения (МВМВ). Следовательно, доверительный уровень, а также полярность необходимо учитывать при определении входного сигнала декодера. То есть выходной сигнал итеративного декодера МВМВ, который будет подаваться обратно, не должен быть сигналом жесткого решения (высокого или низкого уровня), а должен быть сигналом мягкого решения. Но в известном способе квантования (фиг.1) сигналы, которые находятся вне диапазона уровней передачи от +А до -А, отбрасываются при аналого-цифровом преобразовании, что приводит к серьезному ухудшению рабочих характеристик итеративного декодера. Поэтому различные уровни должны быть назначены сигналам выше +А и ниже -А, которые подаются на вход итеративного декодера. Другими словами, диапазон квантования должен быть больше диапазона уровней передачи между +А и -А, чтобы показатели надежности для входного сигнала итеративного декодера были дифференцированными. Если уровни представления входного сигнала назначаются как в известном способе квантования (фиг. 1), то недостаточная разрешающая способность квантования, возникающая в результате расширения диапазона квантования, вероятно, приведет к ухудшению рабочих характеристик итеративного декодера. Следовательно, необходимо определить оптимальное значение QB. Хотя сигнал демодуляции ДФМ (двухфазовая манипуляция) или КФМ (квадратурная фазовая манипуляция), который подается в турбодекодер, входящий в состав приемника, является, как правило, аналоговым сигналом, необходимо представить критерии, на основе которых можно получить параметры для квантования аналогового сигнала в случае выполнения турбодекодера в реальных сверхбольших интегральных схемах (СБИС). СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа расширения диапазона квантования выше самого высокого значения и ниже самого низкого значения диапазона уровней передачи для итеративного декодера в системе связи. Другая задача настоящего изобретения заключается в создании способа квантования для турбодекодера для получения оптимального диапазона квантования из любого числа битов квантования. Третья задача настоящего изобретения заключается в создании способа квантования для турбодекодера для получения оптимального диапазона квантования из эмпирически заданных битов квантования. Четвертая задача настоящего изобретения заключается в создании способа установки числа битов для представления внутреннего сигнала каждого конкретного декодера, причем способ основывается на числе битов квантования входного сигнала итеративного декодера и на вычислении метрики каждого компонентного декодера, когда скорость передачи кода итеративного декодера равна 1/4 или выше. Пятая задача настоящего изобретения заключается в создании способа получения оптимального параметра квантования для турбодекодера в системе связи. Шестая задача настоящего изобретения заключается в создании способа представления критериев, по которым можно получить параметры для квантования аналогового сигнала на входной стороне турбодекодера в случае, когда турбодекодер выполнен на реальных СБИС. Эти и другие задачи решаются в заявленном способе квантования для итеративного декодера. Согласно этому способу квантования уровни принятого сигнала делят поровну на предварительно определенные интервалы в пределах диапазона, который в 2n раз (где n - положительное целое число) больше, чем диапазон уровней сигнала передачи передатчика, и квантуют уровень сигнала, принятого в каждом периоде. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Вышеупомянутые и другие задачи, признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем подробном описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - график, иллюстрирующий известный способ квантования для декодера Витерби, предназначенного для передачи речевого сигнала;
фиг. 2 - график, иллюстрирующий способ квантования для итеративного декодера, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 3 - блок-схема квантователя и итеративного декодера для иллюстрации связи между ними согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг. 4 - блок-схема итеративного декодера со скоростью передачи кода 1/3 согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения и
фиг. 5 - алгоритм, иллюстрирующий способ квантования, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения приведено ниже со ссылками на чертежи. В следующем ниже описании хорошо известные функции или структуры не описываются подробно, чтобы не усложнять описания изобретение излишними подробностями. На фиг.2 показан график, иллюстрирующий способ квантования для итеративного декодера, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.2 горизонтальная ось графика показывает уровни амплитуды принятого сигнала, и вертикальная ось показывает ФПВ. Предполагается, что канал передачи для принятого сигнала является каналом АБГШ. Как показано на фиг.2, QB равно 4 битам, что приводит к 16 QL. В предпочтительном варианте осуществления диапазон квантования расширен выше самого высокого уровня и ниже самого низкого уровня диапазона уровня квантования от +А до -А (фиг.1). То есть различные уровни присваивают сигналам выше +А и ниже -А. Таким образом, расширение диапазона квантования выше +А и ниже -А позволяет дифференцировать показатели надежности для входного сигнала итеративного декодера. Однако, если принятый сигнал представлен 16 уровнями (QB=4), как в предшествующем уровне техники (фиг.1), то недостаточная разрешающая способность квантования (QS=1/A), которая возникает в результате расширенного диапазона квантования, может привести к снижению рабочих характеристик итеративного декодера. Поэтому необходимо найти оптимальное значение QB и учесть при этом увеличение динамического диапазона из-за вычисления внутренней метрики в каждом компонентном декодере. Следовательно, число битов, необходимых для обработки сигнала в каждом компонентном декодере, должно быть больше числа битов квантования входного сигнала, подаваемого в итеративный декодер, на предварительно определенное число битов. С этой точки зрения приведено подробное описание способа получения оптимального диапазона квантования и QB для турбодекодера. На фиг.3 изображена блок-схема квантователя для квантования входного сигнала и итеративного декодера для приема квантованного сигнала согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 3, первый, второй и третий входные сигналы могут быть аналоговыми сигналами, выходящими из демодулятора (не показано) приемника (не показано). Первый входной сигнал может содержать систематическую часть Хк, имеющую порядок первоначальных значений данных. Второй и третий входные сигналы могут представлять соответственно части контроля по четности Y1к и Y2к. То есть второй и третий входные сигналы имеют избыточные значения, которые добавляются к первоначальным данным для исправления ошибок в передатчике. Кроме того, второй и третий входные сигналы могут быть сигналами, которые подвергаются турбокодированию и перемежению в передатчике. Для входных сигналов Хк, Y1к и Y2к квантователь 310 выдает на выходе квантованные сигналы Х"к, Y"к и Y"2к в итеративный декодер 320 с диапазоном квантования, расширенным за пределы диапазона уровней передачи от -А до +А, согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Итеративный декодер 320 может быть турбодекодером. Каждый компонентный декодер итеративного декодера 320 позволяет декодировать входной сигнал многими способами. Среди них главным образом используются алгоритм максимальной апостерирной вероятности (MAP) или алгоритм мягкого вывода Витерби (SOVA). В случае алгоритма SOVA следует рассматривать динамический диапазон, увеличенный путем вычисления метрики ветвления в декодере, и необходимо предусмотреть предварительно определенные дополнительные биты. Использование MAP также требует предварительно определенных дополнительных битов, так как вычисление внутренней метрики ветвления определяется скоростью передачи кода. Квантователь 310 предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения может работать с обоими видами декодеров. Те же самые параметры кодирования используются в обеих вышеупомянутых схемах. Если QB квантователя 310 равно n, то декодер должен обработать входной сигнал с точностью n+m (m
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214005/8805.gif)
X"K, Y"1K, Y"2K
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214335/8712.gif)
Первый сумматор 410 складывает принятый сигнал Х"к и внешний информационный сигнал ЕХТ2, который не существует при начальном декодировании, вырабатывается в результате декодирования во втором декодере 450 и подается обратно из второго блока 470 вычитания. Первый декодер срабатывает по выходному сигналу первого сумматора 410 Х"к+ЕХТ2 и Y"1к и выводит сигнал Х"к+ЕХТ1+ЕХТ2. Первый блок 430 вычитания вычитает ЕХТ2 из выходного сигнала первого декодера. Поэтому сигнал в узле NA имеет вид Х"к+ЕХТ1. Перемежитель 440 выполняет перестановку последовательности выходного сигнала из первого блока 430 вычитания посредством перемежения и выдает на выходе сигнал Х"к+ЕХТ1. Второй декодер 450 срабатывает по выходному сигналу Х"к+ЕХТ1 перемежителя 440 и Y"2к и затем выдает на выходе сигнал Х"к+ЕХТ1+ЕХТ2. Обращенный перемежитель 460 переупорядочивает биты сигнала Х"к до их первоначальных положений путем обращенного перемежения выходного сигнала второго декодера 450. Второй блок 470 вычитания вычитает Х"к+ЕХТ1, который поступает из узла NA, из сигнала мягкого решения, который поступает из обращенного перемежителя 460. Выходной сигнал второго блока 470 вычитания используется в качестве внешнего информационного сигнала ЕХТ2 для первого декодера 430. Характеристики исправления ошибок можно улучшить, так как итерация продолжается, и затем на определенной итерации выходной сигнал декодера становится свободным от ошибок. В устройстве 480 жесткого решения выходной сигнал декодера, свободный от ошибок, подвергается декодированию жесткого решения, и сигнал жесткого решения поступает в выходной буфер 490. Кроме того, динамические диапазоны сигналов увеличиваются благодаря вычислению метрики в первом и втором декодерах 420 и 450. Следовательно, в каждом компонентном декодере уровни представления сигнала будут равны 2n+m-1. Значение n битов равно QB для входного сигнала (фиг.3), и m равно числу битов, добавленных в зависимости от динамического диапазона, являющегося результатом вычисления метрики при декодировании в каждом компонентном декодере. Обычно m определяется скоростью передачи кода компонентных декодеров в итеративном декодере. В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления настоящего изобретения способ квантования для итеративного декодера учитывает скорость передачи кода составных декодеров в представлении входного сигнала на предварительно определенных уровнях. Так как следует учитывать увеличенный динамический диапазон, полученный в результате вычисления метрики, то QB, необходимое для значения метрики, равно n+m битов. При использовании декодера SOVA увеличение на m битов происходит при вычислении метрики пути. Метрика пути в текущий момент времени равна сумме метрики пути, накопленной до декодирования в предыдущей момент времени (нормализованная метрика пути), метрики ветвления, полученной с помощью нового входного сигнала в текущий момент времени, и внешней информации. Поэтому динамический диапазон новой метрики пути больше, чем у входного сигнала. Метрика пути в текущий момент времени k вычисляется в виде
PM(k)=PM(k-1)+BM(k)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214679/2214679-1t.gif)
где ci(k) и uj (k) принимают значения {+1, -1}. В уравнении (2) PM(k) - метрика пути, вычисленная при значении k, PM(k-l) - метрика пути, накопленная до (k-1), BM(k) - метрика перехода при значении k, X(k) - входной систематический сигнал при значении k, Yi(k) - входной i-й сигнал контроля по четности, ci(k) - i-e кодовое слово контроля по четности, ui(k) - i-e систематическое кодовое слово и EXT(k) - внешний информационный сигнал. Если в уравнении (2) скорость передачи кода итеративного декодера равна 1/3, то метрика ветвления первого декодера 420 для нового входного сигнала имеет вид
BM(k)=X(k)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
Из уравнения (3) следует, что BM(k) является суммой четырех слагаемых. Так как ci(k) принимает значения -1 или +1, то
|BM(k)|<4
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
где n - число битов, назначенных для представления входного сигнала итерационного декодера, |BM(k)| обозначает
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214679/2214679-2t.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
QL=2OB-1..... (5)
и соотношение между QB, QMIN и QMAX
QMAX=2QB-1-1=-QMIN..... (6)
Qs определяется как 1/
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214010/916.gif)
QS = 1/
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214010/916.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214035/8773.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
A
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214035/8773.gif)
Если L= 1, то уравнение (7) представляет известный способ квантования, показанный на фиг.1. То есть диапазон квантования наводится в пределах +А и -А в соответствии с уровнями передачи передатчика. Но если L=2, то диапазон квантования находится в пределах +2А и -2А, и если L=4, то он находится в пределах +4А и -4А. Набор оптимальных параметров достигается эмпирическим способом после получения комбинации параметров квантования на основе вышеупомянутых уравнений. В таблице 2 представлены комбинации параметров для получения оптимальных параметров кодирования для турбодекодера SOVA согласно предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения. Если L=4, то диапазон квантования больше, чем уровень передачи в четыре раза. Последний описанный тест был выполнен в диапазоне квантования, расширенном в один, два и четыре раза, при заданном QB. Во всех комбинациях параметров каждый компонентный декодер имеет QL=2QB+2. При этих условиях выявлен набор оптимальных параметров квантования. В таблице 3 перечислены результаты моделирования комбинаций Еb/No-QB-QS
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214003/8226.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214010/916.gif)
T= TQMIN-1, TQMIN, TQMIN+1, . .., T-1, T0, T1, ..., TQMAX-2, TQMAX-1, TQMAX ..... (8)
а набор порогов для квантователя с одинаковым средним шагом определяется с помощью формулы
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214679/2214679-3t.gif)
где k=-QMIN, -QMIN+1, -QMIN+2,...-1, 0, 1, QMAX-1, QMAX, TQMIN-1 = -
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214582/8734.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214582/8734.gif)
![способ квантования для итеративного декодера в системе связи, патент № 2214679](/images/patents/254/2214010/916.gif)
Класс H04B1/69 способы расширения спектра вообще