法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2012-09-05
未缴年费专利权终止 IPC(主分类):H03M13/00 授权公告日:20040602 终止日期:20110706 申请日:20010706
专利权的终止
2004-06-02
授权
授权
2002-05-01
公开
公开
2002-02-27
实质审查的生效
实质审查的生效
技术领域:
本发明属于数字信息传输纠错编码技术领域,特别涉及一种平行级联码(Turbo)码纠错编码器,更具体地涉及地面数字电视广播系统中的Turbo码纠错编码器。
技术背景:
对于电视传输系统来说,在模拟电视的基础上,经过十多年坚持不懈的研究和发展,数字电视地面广播(Digital Television Terrestrial Broadcasting,DTTB)已经取得了很多的成果,达到了可以实现阶段。从1998年11月北美和欧洲已经开播DTTB节目,许多国家宣布了它们的DTTB制式选择和实现计划。目前,世界上主要有四种DTTB传输标准:
1)美国的ATSC(Advanced Television Systems Committee)数字电视标准。
2)欧洲的DVB-T(Digital Video Terrestrial Broadcasting-Terrestrial)数字视频地面广播标准。
3)日本的ISDB-T(Integrated Service Digital Broadcasting-Terrestrial)地面综合业务数字广播标准。
随着技术的发展和研究的不断深入,人们认识到在信号峰值—平均功率比、C/N门限、移动接收、室内/外接收、频谱效率、HDTV传输能力、同频/邻频道干扰、对现有模拟电视的干扰、单频网和同频道转发、脉冲干扰和连续波干扰、相位噪声、静态/动态的多径失真、系统的灵活性等等方面,上述三个系统各有其优缺点。
针对上述目前世界上三个地面数字电视系统存在的问题,本发明的申请人已经提出了一种新颖的、适合我国国情的地面数字多媒体电视广播系统(简称为:DMB-T系统),它采用了时域同步正交频分复用(Time Domain Synchronous-Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing,TDS-OFDM)调制技术。
在地面数字电视广播系统中,不论信号通过什么媒介类型的信道传输,由于信号的衰减、失真和各种干扰,都会使接收到的数据不可避免地出现差错。对于不同的信息数据类型,误码率的要求是不同的。以图象的预测编码和变换编码为例,如果压缩数据中存在误码,将不仅对单个象素产生影响,而且会在预测编码的恢复图象中产生误码传播,在变换编码的恢复图象中引起整块子图象的失真。
因此,任何实际的数字通信系统都需要采取误码纠错措施,一般采用前向误码纠错FEC(Forward Error Correct)方法,它是在发送端将数据按一定规则附加多余码元,组成具有纠错能力的纠错码。接收端收到码字后,按预先规定的规则进行译码,以确定接收码字中有无差错,若有错误则自动纠正。
FEC根据出发点不同,可以有很多种分类。在数字传输中常用的有分组码(例如里德—所罗门RS码、BCH码)和卷积码、Turbo码等,为了得到更好的纠错编码性能,可以把它们串行或并行级联,以及纠错编码和调制结合,如网格编码TCM、Turbo TCM等。
Turbo(平行级联码)码和Tellis(格形)码分别是最近十几年来信息编码领域中两项最有影响地技术革命,它们在实践应用中证明是行之有效的编码方式。
在1948年,Claude E Shannon以他那篇里程碑式的论文“通信的数学理论”(Shannon,CE,"A Mathematical Theory of Communications,"Bell Systems TechnicalJournal,Vol 27,July 1948,pgs 379-423(Part I),pgs 623-656(Part II))奠定了现代数字通信的基础。他论证了要保证可靠的信息传输,每个信道有一个最大的传输容量。在信道容量之内传输,即使采用“一般”的数据编码,也很容易获得可靠的通信。相反,传输的信息量超过信道传输容量,即使采用“最好”的编码,通信也可能变得不可靠。因此,现代数字通信的一个发展方向就是发现“更好”的编码方法,并且诞生了纠错编码技术(Error-Correcting Code,ECC)。
仙龙(Shannon)理论问世五十年后,研究者不断发现“更好”的纠错编码方法,以逼近仙龙理论的极限。
技术内容:
本发明的目的是针对上述的地面数字电视广播系统(DMB-T)系统而提供一种Turbo码纠错编码器,以在并行级联Turbo中的编码器、交织器和解码迭代算法等几个方而,可寻找更好的优化结果。
按照本发明而提供的一种地面数字电视广播系统中的Turbo码纠错编码器,其特征在于它包括:第一纠错编码器,用于接收输入的数据,并对它进行纠错编码;交织器,用于对输入的数据进行交织;第二纠错编码器,用于接收经交织器解码的输入数据,并对它进行纠错编码;复接器,用于将第一纠错编码器和第二纠错编码器的输出合成为一个输出码流。
本发明的原理说明如下:
首先让我们看看误码纠错的一般需要和用途。一个典型的数字通信系统的构成如图1所示。
在发送端,编码器对输入的数据进行处理,使传输的数据量达到最小。例如,把一个数字化的视频信号送给MPEG源编码器进行压缩,使数据量减少。在收端,MPEG解码器把压缩数据恢复为原始数据。如果MPEG编码器和解码器直接相连,那么只有压缩带来的图象质量损伤。但在大多数应用中,接收端收到的数据中存在着传输过程中引入的误码,当然,这些误码在送给解码器之前需要尽可能地去除。
要去除这些误码,就需要进行信道编码。信道编码完成误码纠错功能,并且纠错方式有很多种。例如,它在每个数据包中附加循环冗余校验(Cyclic Redundancy Check,CRC)码。如果接收端检测到误码,它可以通过回传信道发送一个重传请求,这类双向交流的方式称为自动重传请求(Automatic Repeat Request,ARQ),它的优点是当前向信道和反向信道可靠时,ARQ能将用于误码控制的带宽减少到最小。但在许多情况下,反向信道是不可靠的、昂贵的,或者系统不能容忍ARQ引入的延时,此时,误码纠错方式只能基于前向信道。
在发送端,前向误码纠错(Forward Error Correction,FEC)在码流中添加冗余信息,以便接收端能单方面地检测和校正传输误码。最简单地方案是每个比特重复传送N次,接收端通过大数判决准则来判定传输地每个比特。重复N次的方式虽然实现简单,但编码效率非常低。当采用更高效的FEC后,增加的冗余度能够带来巨大的系统增益。
因为FEC技术增加了系统的冗余度,因此,它需要更宽的带宽来传输原始信息和增加的纠错冗余信息,而频谱资源通常是比较紧张的,所以,必须节省使用带宽。对于那些严格限制带宽的应用,FEC只能和具有更高调制效率的方案一起使用,这样就增加了系统的复杂度,但是避免了更多的带宽。本发明的申请人所提出的数字地面多媒体电视广播系统使用了复杂高效的FEC和高效的调制技术(例如mQAM)。
在地面数字电视广播系统中,一个很重要的指标是系统误码率(Bit Error Rate,BER),一个FEC纠错编码降低系统BER的程度,决定于FEC的类型和效率。
在地面数字电视广播系统中可采用多种纠错编码方式,例如分组编码和卷积码,分组码里又有BCH码、RS码等。为了进一步提高纠错编码的性能,一个纠错编码器的输出可以作为另一个编码器的输入,如此的编码组合称为级联码。既然是级联,就可分为串联、并联和串并混合等几种形式。较简单的纠错码级联所能获得的性能,要高于单纯的更复杂的单一码。在地面数字电视传输系统中,典型的方式是M比特的Reed-Solomon(RS)分组码(外码)后面跟随二进制卷积码(内码),如图2表示了内码和外码的典型构成。衰弱信道中常常发生突发误码,可选的交织器能够离散连续的突发误码。卷积解码接受软输入,并提供硬判决输出给RS解码器,RS输出最终的硬判决结果。此方案没有任何迭代算法。
当卷积解码器遇到一个误码时,此误码通常伴随着几个另外的误码。卷积码输出的每M比特构成一个数据组,送给RS解码器。然后RS对一个数据组(一般为255byte)解码,它能校正其中t个符号误码,一般根据信道特性选择t值大小。例如,如果有L个突发误码通过卷积码的维特比解码器,则RS解码器只需要校正L/M错误符号(假定块中没有其它误码产生)。通过估计L的最大值,能够得到M和N,获得可靠的通信系统。
本发明在地面数字电视广播系统中采用Turbo码纠错编码方法,它利用了相似的概念,它不仅包括并行级联码,还包括有串行Turbo码、串行/并行混合Turbo等方式。
同时Turbo码也是一种乘积码(Product Code)。它用两个系统纠错码处理单个数据集合。
图3表示了一个矩形交织的乘积码。第一个编码器(n1,k1)在行方向上进行纠错编码,生成每行的校验码;然后信息比特重新排序,把整个信息比特和其校验比特送给第二个编码器(n2,k2)。通常重新排序只是信息比特加校验比特的行列之间重排,结果得到一个(n1n2,k1k2)码,由此得名。
乘积码的信息比特重排采用了传统的矩阵交织,先按行方向编码,然后再按列方向编码。Turbo方案非常类似于乘积码,最大不同之处在于Turbo码采用了伪随机交织器来重排信息比特,而且它们通常忽略图3中对校验码部分的再次纠错编码。另外,在解码端,乘积码通常不使用迭代算法,而Turbo码的迭代解码算法是其得到高性能的关键。
图4a显示了按照本发明的地面数字电视广播系统中的Turbo码编码器的原理框图。它包括两个或更多个独立的并行“支路编码器(Constituent Encoder)”,如图中所示的第一纠错编码器1和第二纠错编码器2,它们处理相同的输入数据,但送给第二个纠错编码器2的输入数据是经过交织器3扰序的。两个纠错编码器的输出经过一个复接器4后成为一个输出码流。其中的纠错编码器一般采用循环系统码(Recursive Systematic Codes,RSC)。图中的纠错编码器只是一个简单的实现,当然更复杂的配置也是可行的。Turbo码的独特创造性依赖于合适地选择支路编码器、交织器和解码器。
图4b显示了按照本发明的地面数字电视广播系统中的Turbo码解码器的原理框图,从图中可看出,接收端的Turbo解码器比发端的Turbo编码器复杂得多。编码器并行处理原始数据码流,而解码器在两个阶段中是串行处理数据的。第一个解码器得到此阶段原始数据最好的估计,收端交织器按发端交织器的扰序方式对第一个解码器的估计进行扰序,然后扰序后的估计和附加的冗余信息(发端第二个编码器产生的校验比特)一起送给第二个解码器。如果第一个解码器纠错成功的话,送给第二个解码器的码流中所包含的误码比特数量将少于送给第一个解码器的。
第二个解码器处理送来的数据,并且产生原始数据的进一步精细估计,它应该包含更少的误码比特。无论如何,接收端使用去交织器对数据去扰序,使之恢复原来的排列顺序。如果没有更进一步的细化要求,则去交织器把最后的输出数据传给数据接收者。
如果需要进一步减少误码数量,则接收机把去交织器的输出反馈回第一个解码器,并且重复上述过程,根据需要,可以进行多次迭代。当然,每次迭代都增加相当大的延时和计算复杂度,但是它也有效地减少了误码数量,特别是在头几次迭代中更明显。
由于Turbo码采用了迭代算法,它们本身就提供了一种在BER性能和计算复杂度之间折中的方法。经过单个解码器以后,Turbo码系统的性能已经比无FEC系统的性能有了显著的提高。随后的几次迭代获得了更大的增益;但随着迭代次数的增加,获得的好处也变得越来越小。为了获得最佳结果,需要相当大的迭代次数(p=10到20)。当然,除了增加计算复杂度以外,每次迭代也引入了一定的数据输出时延,整个时延等于解码器中总的存储长度时间乘以迭代次数,对于Turbo码,存储长度主要是由交织深度决定的。
为了充分利用反馈和迭代特性,系统需要特殊的“软输入/软输出”支路解码器。事实上,迭代解码的反馈机制能获得非常有效的高性能,由此获得了Turbo这个命名一一它类似于汽车的涡轮增压发动机原理。
Turbo码的效果如何?经测试,在BER=10-5时,Turbo码(编码码率R=1/2,约束长度K=5,交织深度N=65535和解码迭代次数p=18)的性能距离Shannon极限0.7dB以内,比任何其它实际应用的编码都更加靠近Shannon极限。
另外,Turbo码特性通常还包括支路编码器抽头结构以及其它一些特性,例如点编码(Puncturing)和后面的网格编码技术。
本发明的特点:
综合上述,按照本发明的地面数字电视广播系统中的Turbo码编码器是地面数字广播系统FEC性能的一次革命性突破。简而言之,Turbo码可以描述为系统线性分组码,其采用循环系统卷积码,具有两个或更多个平行级联支路编码器,输入数据要进行近似随机的交织处理。Turbo解码采用迭代解码算法,使用了两个或更多个软输入/软输出支路解码器。
本发明根据数字地面电视传输的特性,提出具体的Turbo码支路纠错编码器和交织扰序方式。所采用交织方式是随机选择的交织方式,而且其随机程度越高越好,其依据是最终的纠错性能最逼近仙龙极限。
附图说明:
图1是地面数字电视广播系统的构成图。
图2是地面数字电视广播系统中采用的纠错级联码框图。
图3是乘积纠错码原理图。
图4a是按照本发明的地面数字电视广播系统中的Turbo码编码器的原理框图。
图4b是按照本发明的地面数字电视广播系统中的Turbo码解码器的原理框图。
图5是按照本发明第一实施例的1/2码率并行级联系统卷积Turbo码编码器框图。
图6是按照本发明第二实施例的16QAM的1/2码率平行级联格形Turbo码编码器框图。
图7是按照本发明第三实施例的64QAM的2/3码率平行级联格形Turbo码编码器框图。
具体实施方式:
下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图5是显示了按照本发明第一实施例的1/2码率并行级联系统卷积Turbo码编码器框图。它是用于QPSK星座图符号的1/2码率并行级联系统卷积Turbo码,以1/2码率的并行级联系统卷积Turbo码作为QPSK星座图符号。在图5中,An、Bn、Cn和Dn,n=0,1,2,…,6,是编码器的系数,定义如下:
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。
一个输入比特U将生成两个输出比特,即QPSK符号的I和Q。输出比特Q将轮流选择Q0和Q1。
随机交织器是一个块交织器,块的太小是1248比特。地址映射由下表1定义。表中第一列表示比特输入的行顺序,其它10列表示输出顺序。表1 QPSK Turbo码的随机交织表
图6显示了按照本发明第二实施例的16QAM的1/2码率平行级联格形Turbo码编码器框图。它用于16QAM星座图符号的1/2码率并行级联格形Turbo码对平行级联格形码(PCTC)Turbo编码器,在两个并行的编码器之间有一个比特交织器。比特交织器对给定的数据块进行比特重新排列。数据块应当在一个信号帧之内。
在图6中,An、Bn、Cn和Dn,n=0、1、2、3、4,是PCTC Turbo编码器的系数,其中,An和Cn是2-比特矢量。系数定义如下:
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。
随机交织器是2个块交织器,块的大小是1248比特。地址映射由下表2、3定义。表中第一列表示比特输入的行顺序,其它10列表示输出顺序。
表2 16QAM Turbo码(比特0)的随机交织表
图7显示了照本发明第三实施例的64QAM的2/3码率平行级联格形Turbo码编码器框图。它用于64QAM星座图符号的2/3码率并行级联格形码。与16QAM情况相同,在64QAM的并行级联格形码(PCTC)Turbo编码器的两个并行结构之间有一个交织器。
图7中的编码器系数定义如下:
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。
随机交织器是4个块交织器,块的大小为1248比特。地址映射有下列表4、5、6、7定义。
表4 64QAM Turbo码(比特0)的随机交织表
上面结合附图对本发明的具体实施例进行了详细的说明,但本发明并不限制于上述那些实施例,在本申请的权利要求的精神和范围情况下,本领域的技术人员所作出各种修改或改型,仍应属于本权利要求的保护范围。
机译: 纠错解码器的turbo码,turbo码的纠错解码方法,turbo码解码装置和turbo码解码系统
机译: Turbo码纠错解码器,turbo码纠错解码方法,turbo码解码装置以及turbo码解码系统
机译: Turbo码纠错解码器,turbo码纠错解码方法,turbo码解码装置以及turbo码解码系统