基于校正子的信道质量和消息结构判定器用校正子矢量估计在可变消息结构通信系统中的接收的信号的质量。设rl,……ri,……rl表示根据可由通信系统所用的各种解调方案解调的接收的信号。那么,每个矢量r是实数长度N的矢量。设vi表示由解调的接收的信号矢量ri的逐字符检测获得的矢量。如果有效硬判决字符是二进制,则vi是有0或1的元素值的长度N的矢量。设vi=c+e,其中,c是发射的码矢量。则e是传输误码矢量。对于每个可能的卷积码Cl,……Ci,……Cn,存在标量奇偶校验矩阵Hl,……Hi,……Hn,其为元素是二进制字符0和1的M列N行矩阵。满足发射的码矢量c的奇偶校验条件由关系Hict=0表示,其中上标t表示矢量转置。换句话说,如果c是属于卷积码Ci的码矢量(即:c是发射的码矢量,且c∈Ci),则Hict=0,其中Hi是M行N列矩阵,c是长度N的行矢量,上标t表示矢量转置。
校正子矢量si是长度M的二进制矢量,定义为si=Hivi t,因为vi=c+e,故si=Hi(c+e)t,且因为Hict=0,故,si=Hiet。当校正子矢量Si=0,最可能传输误码矢量e=0,不需要软判决最可能解码。换句话说,逐字符检测的矢量vi是软判决最可能解码的发射的码矢量,且接收的信号矢量ri的软判决解码是不必需的。
当校正子矢量si≠0时,检测传输误码。非零的校正子矢量si也识别码的陪集。这个陪集含所有从逐字符硬判决偏离的可能的矢量。因此非零的校正子矢量Si也能用作为误码率(BER)估计器,因此它是解调的接收的矢量的质量的指示。这个BER估计能被用于在接收的信号矢量的软判决解码前判定接收的信号是否由于太多的传输误码不可靠。
在可变数据传输率卷积码系统中,如IS-95,对于简化的软判决校正子解码器,消息结构判定器有并行数字解调器,每个优化于潜在的数据率。下一步,逐字符检测器初始检测每个解调的接收的信号。并行校正子计算器,对每个出自关联于奇偶校验矩阵的潜在数据率和逐字符检测器的输出,计算校正子矢量。然后,并行校正子误码估计器比较已知的校正子误码模式与校正子矢量,以发现在硬判决检测的矢量中的误码和接收的信号的近似的BER。
设对应于正确的解码的信号的BER明显低于对应于其他解码的信号的BER,产生最低BER的解码数据率被送到软判决解码器,用于产生最可能解码的数据。因此,在可变速率卷积码环境中,通过判定最可能的发射数据率而不在每个潜在的数据率全部软判决解码,简化的软判决校正子解码器减少运算的复杂度。
在这个消息结构判定器上的变形包括插入在并行解调器和逐字符检测器之间的并行去交织,用于可变交织通信系统。其他变形包括削减并行解调器或去交织器为单个解调器或去交织器,或扩展单个逐字符检测器或校正子计算器为并行逐字符检测器或校正子计算器,取决于是否需要并行计算。
BER估计基于校正子矢量的组份相关于传输误码数和在接收的矢量中它们的分布的检测。在误码数上的最佳低限为陪集头的汉明(Hamming)加权。陪集头是在所有属于由校正子矢量识别的陪集的矢量中有最小汉明加权的陪集成员。不幸的是,选择陪集头的汉明加权为估计的误码数在卷积码情况中通常不可能,这是由于陪集之集很多。例如,GSM半速语音编码器卷积码有2113陪集。在计算机存储器中存储所有那些情况实际是不可能的。因此,用有合理的存储器和计算需求的判定BER的基于校正子的方法。
设ep表示在硬判决矢量V中可能的传输误码模式,如单位传输误码或双位传输误码。由于奇偶校验矩阵的结构,对应于单字符硬判决矢量误码的校正子模式有限。设sp=Hep t,则sp为长度M的完整校正子矢量。设校正子模式p为始自sp中一个非零元素终于sp的最后一个非零元素的sp的片断。加权βp是能引起校正子模式p的最可能的误码模式的汉明加权。设βp在所有可能的误码模式的基中最小。
通过首先设置误码计数器为零并计算校正子矢量执行BER估计。然后,检查校正子矢量,用于校正子模式。一旦识别校正子模式p,误码计数器由对应的汉明加权βp递增且从校正子矢量中减去校正子模式p。如果先前未知的校正子模式在校正子矢量检查期间被遇到,消息结构判定器估计误码基为汉明加权βe且据此更新误码计数器。基估计基于由计算机模拟和实验数据判定的校正子模式的长度。大量已知校正子模式减少所需作出的基估计量且因此增加消息结构判定器的精度。
因为消息结构判定器在解码信号前判定接收的信号的质量,消息结构判定器特别适用于在接收的矢量由于高BER应被转换到较高的判决水平时进行判定。因此,消息结构判定器也能包括可检测误码数的门限。设置门限以当超出门限时,维特比解码器可能不能正确解码。因此,矢量能被转换到较高的判决水平,以减少维特比解码器所需的计算次数。
图1示出根据优选实施方案有消息结构判定器160的通信系统100的框图。接收机130被示为蜂窝无线电话移动站101的一部分,然而,接收机还可是传真机、调制解调器(MODEM)、双向无线电或其他接收卷积编码信号的通信装置的一部分。在移动站101中,麦克风105收集音频信号,然后,由发射机110调制且由天线120通过双工器125广播。天线120也从在如蜂窝基站的收发信机199中的互补发射机接收射频(RF)信号。在接收机130中,RF前端140逐步下变接收的RF信号到模拟基带信号。模数(A/D)转换器150转换模拟基带信号到数字信号。
数字信号被连接到消息结构判定器160,消息结构判定器160将参照图2更细地解释。消息结构判定器160选择由发射机用的最可能的消息结构。最可能的消息结构的各种特性,如卷积码Ci,校正子矢量si和发现的校正子误码模式p,被优选送到软判决解码器,如在美国专利申请08/877845,即由Meir Ariel和Reuven Meidan发明的‘用于卷积码的基于校正子的软判决解码器”中描绘的基于校正子的解码器。
对应于最可能的消息结构的解调的接收的信号矢量ri也被连接到软判决解码器170。延迟器175用于同步另外消息的到来,如来自消息结构判定器160的卷积码Ci,校正子矢量si和校正子误码模式p。在软判决解码器170的输出端,数模(D/A)转换器180转换最可能软判决解码的信号到模拟域,音频放大器185用运算放大器增加恢复的信号的增益,用于通过音频扬声器190再现。
图2示出根据优选的方案示于图1的消息结构判定器160的框图。在可变消息结构卷积码环境中,消息结构判定器160用校正子矢量估计逐字符检测的数据的BER,以确定接收的信号质量和判定最可能的发射的消息结构。在这个方案中,发射的消息结构的长度、交织类型、源数据率、所用的卷积码及任何上述因素的组合可变。也可修改本方案,以仅允许特定特征改变或仅允许上述特征的特定组合改变。
消息结构判定器160确定发射的信号的最可能的消息结构并通信对应解调的接收的信号ri到软判决解码器170,用于最可能解码。在消息结构判定器160中,来自图1所示的模数转换器150的数字信号被分为l×m×n分支路径,每个用于一种可能的消息结构类型,其中,l为可能的解调器数,m为可能的交织器数,n为可能的卷积码数。
在每个路径中,l个数字解调器221、241之一解调数字信号,以产生多个解调的接收的信号rl…ri…rl。设m为由发射机使用的可能的交织器种类数。l个并行去交织器222,242的每个处理解调的接收的信号的每个,以产生l×m个重组的接收的信号rl-l…rl-m…ri-l…ri-m…rl-l…rl-m。注意,块长度常与交织器类型结合,因此,每个去交织器可产生不同块长度。
并行逐字符检测器2231、2232、2431、2432检测多个重组的接收的信号,以产生硬判决矢量vl-l…vl-m…vi-l…vi-m…vl-l…vl-m。每个逐字符检测器仅检查输入信号而不关心周围的字符值,以产生硬判决矢量。因为每个逐字符检测器一样,各个逐字符检测器2231、2232、2431、2432能由单个时分逐字符检测器实现。每个硬判决矢量在并行校正子计算器2241、2242、2243、2244、2441、2442、2443、2444中被乘以奇偶校验矩阵Hl…Hi…Hn,以产生l×m×n校正子矢量sl-l-l…sl-l-n…sl-m-l…sl-m-n,…si-l-l,…si-l-n,…si-m-l,…si-m-n,…sl-l-l…sl-l-n…sl-m-l…sl-m-n。
每个校正子矢量在l×m×n并行校正子误码估计器2251、2252、2253、2254、2451、2452、2453、2454之一中分别分析,用于产生校正子模式。已知的有关每个奇偶校验矩阵的校正子模式及相关的汉明加权βp被存储于校正子模式存储器2271、2272、2273、2274、2471、2472、2473、2474。能是校正子模式p的原因的最可能的硬判决矢量误码模式ep的汉明加权βp被定义为在所有可能的误码模式的基中最小。
在校正子矢量中找到的每个校正子模式的汉明加权被求和于误码计数器ml-l-l…ml-l-n…ml-m-l…ml-m-n…mi-l-l…mi-l-n…mi-m-l…mi-m-n…ml-l-l…ml-l-n…ml- m-l…ml-m-n中,以估计在每个可能的消息结构中的BER。比较器260比较来自校正子误码估计器2251、2252、2253、2254、2451、2452、2453、2454的误码计数和,且对应于最低的误码计数和的解调的接收的信号ri被供给软判决解码器170(示于图1)。另外的信息,如去交织的信号,卷积码,和找到的对应于最低的BER消息结构的误码模式也能被供给软判决解码器170。
如果最低的误码计数和和次低的误码计数和之间的差不明显,或如果所有误码计数大于给定门限值,则由于太多传输误码,接收的信号可能不可靠。在这个情况中,矢量被转换到较高的判决水平且不由软判决解码器170(示于图1)处理。注意,如果候选的卷积码有不同长度,如在IS-95中,则误码计数值必需由比较器260在完全比较前归一化。
如果基于校正子的解码器用作为软判决解码器170,消息结构判定器160加很少余量。校正子计算器的结果和匹配的校正子模式能被馈入基于校正子的解码器,用于进一步处理。如果维特比解码器被用作为软判决解码器170,需要较多的余量,然而,消息结构判定器160比多个并行维特比解码器效率高。
在软判决最可能解码之前,这个码判定器能与其他检查接收的信号的可靠性的装置组合使用。一种这种可靠性的测量是硬判决的似然比的对数的绝对值之和,称为:
其中,p(r|c)给出发射的字符是元素C的接收的元素r的条件概率。
图2所示的优选方案能被容易地处理以适应正在实施的通信系统。例如,如果所有可能的消息结构有同样块长度和同样交织,则只有一个由单个数字解调器,去交织器和逐字符检测器判定的硬判决矢量V的可能的序列,但仍有多达奇偶校验矩阵的不同的校正子矢量。因此,在这些情况下,分立的数字解调器221、241能由单个数字解调器替代,去交织器222将仅产生一输出rl-l,且仅需一个逐字符检测器2231。然而,分立的校正子计算器2241、2242和校正子误码估计器2251、2252与对应的校正子模式存储器2271、2272将保持分立。
对于无交织的通信系统,其中块长度变化但卷积码恒定,我们注意到最长的可能的解调的接收的信号r包含有关较短的可能的块长度的信息。因此,消息结构判定器160能从最长的可能的解调的接收的信号和其相关奇偶校验矩阵简单计算单个、最长的可能的校正子矢量。最长的可能的校正子矢量然后能根据可能的块长度能被截短并分析误码。多个数字解调器、逐字符检测器和校正子计算器的每个能由单个部件代替,且多个去交织器能从消息结构判定器中去除。校正子计算器的输出然后馈最长的可能的校正子矢量的子集到多个校正子误码估计器,用于信号质量分析。消息结构的可变特征的其他组合仍能在消息结构判定器160中作出和实现。
另外,如果通信系统发射机只允许改变如在特定间隔的交织器类型,一旦消息结构判定器判定所用的适当的去交织器,这个知识能被用于动态减少消息结构判定器160为:在恒定交织器类型间隔的剩余期间仅有一个去交织器的分支。这个间隔或动态减少能被用于简化消息结构判定器160,以减少分支数,并因此减少图2所示的情况的计算的复杂度。
高度简化的消息结构判定器160能被用作为信道质量估计器。即使所有发射的消息结构特性为接收机所知时,简化的消息结构判定器,如单分支,可被用于估计接收的信号的BER。在这个情况中,接收的信号被导向适当的数字解调器221,去交织器222、逐字符检测器2231和校正子计算器2241。适当的校正子误码估计器2251估计逐字符硬判决矢量vl-l的BER,为判定软判决解码器是否不成功,比较器260比较BER与预定的门限,而不是其他分支计算的BER,或比较器260被省略和BER简单地传到信道质量监视器。
图3示出根据优选的方案示于图2的校正子误码估计器的运行的流程图。校正子误码估计器2251被示为例子,每个示于图2的校正子误码估计器2251、2252、2253、2254、2451、2452、2453、2454以类似方法运行。在起始步骤301期间,关联于校正子误码估计器2251的误码计数器ml被在矢量的始端复位到零。在步骤305,校正子误码估计器2251从其关联的校正子计算器2241接收校正子矢量sl-l-l。这时,如果校正子矢量sl-l-l=0,如步骤310所判定,则对应于由校正子计算器2241所用的奇偶校验矩阵Hl的卷积码矢量Cl可能是正确的传输码,误码计数值ml-l-l=0在步骤360中被送到比较器260(示于图2),且误码估计过程终于步骤370。注意,如果在这步校正子矢量sl -l-l=0,则也完成解码,因为来自逐字符检测器2231(示于图2)的矢量vl -l也是用软判决解码器计算的最可能字符序列。然而,这个情况,不可能发生。
如果校正子矢量sl-l-l≠0,如步骤310所判定,校正子误码估计器2251为找到已知的校正子模式P搜索校正子矢量sl-l-l。这个搜索执行于几个循环中。在第一循环,步骤320仅搜索对应于隔离的在硬判决矢量vl-l中的单字符误码的校正子模式。观察校正子矢量Sl-l-l是奇偶校验矩阵Hl的列的线性组合,在二进制情况中,仅是Hl的列的和。在硬判决检测的矢量中的单误码产生校正子矢量,它等于奇偶校验矩阵Hl的对应列。另一方面,如果多个硬判决误码集聚,则它们对应的单误码校正子模式将重叠,产生不再容易识别的多误码校正子模式。
由于奇偶校验矩阵的结构,对应于单字符硬判决误码的校正子模式数目有限。如,半速二进制卷积码的奇偶校验矩阵仅含两类对应于单字符硬判决误码的校正子模式。换句话说,这类奇偶校验矩阵的所有列是前两列的移位变换。对于收缩卷积码,对应于单字符硬判决误码的不同的校正子模式的数目大于非收缩码,但通常仍小到使消息结构判定器能较简单地实现。
步骤325从关联的校正子模式存储器2271(图2所示)装载下一单误码校正子模式P和其关联的汉明加权βp,它等于1。判决步骤330寻找初始装载的校正子模式P和校正子矢量sl-l-l之间的匹配。如果校正子矢量不匹配装载的校正子模式P,步骤336右移误码模式P一位。步骤340确认校正子模式P的移位不超出校正子矢量的长度M,且继续比较移位后的校正子模式P与校正子矢量sl-l-l。
如果校正子模式P匹配校正子矢量片断,在步骤333,误码计数ml-l-l增加汉明加权βp=1,校正子矢量sl-l-l被调节,以移去校正子模式P,调节硬判决矢量Vl-l,以移去关联于该校正子模式的误码模式ep,且校正子模式被右移α位,其中:α<M,且是校正子模式P的位长度。一旦校正子模式P与整个校正子矢量比较后,步骤310测试调节的校正子矢量是否等于零。如果调节的校正子矢量等于零,误码计数值ml-l-l在步骤370中被送到比较器,并在步骤380中,误码估计序列结束。
在所有单误码模式与校正子矢量vl-l比较后,如果调节的校正子矢量不等于零,则所有已知的双误码校正子模式与校正子矢量sl-l-l比较,如步骤350所示。步骤355指令校正子误码估计器从校正子模式存储器2271装载下一双误码校正子模式P和其相关汉明加权βp,它等于2。再一次,在步骤330中,校正子误码估计器找寻装载的校正子模式P和校正子矢量sl-l-l的片断间的匹配。如果存在匹配,误码计数、校正子矢量和硬判决矢量在步骤333中被调节,其中增加误码计数βp=2,从校正子矢量中移去找到的双误码校正子模式P,移去对应的硬判决矢量误码ep,并右移校正子模式Pα位。如果不存在匹配,步骤336仅右移校正子模式P一位。步骤340指令继续比较移位的校正子模式P与校正子矢量sl-l-l,直到校正子模式P移出校正子矢量sl-l-l的长度M。这个过程能继续到三误码校正子模式和其他多误码校正子模式,然而,在优选方案中,仅移去单误码和双误码校正子模式。
如果在所有已知单误码和双误码校正子模式被从校正子矢量中移去后,调节的校正子矢量不等于零,校正子误码估计器在步骤360粗略预计剩余的未检测的误码的汉明加权βe。一个估计过程假设任何剩余误码有等于剩余的校正子模式的长度的一半乘以硬判决矢量的长度然后除以校正子矢量的总长度的汉明加权。例如,如果剩余的校正子模式是校正子矢量的长度的30%,估计的剩余误码的汉明加权是0.5×0.3×F,其中,F是在硬判决矢量vl-l中的位数。另外,较简单的估计能基于在校正子矢量中的非零位的百分率。步骤365增加误码计数ml-l-l估计的汉明加权βe。在步骤370,误码计数ml-l-l的值被送到比较器,且校正子误码估计过程终于步骤380。
虽然上文描绘了基于校正子的信道质量或消息结构判定器的特定元件和功能,在本发明的真实精神和范围内,本领域的技术人员能用较少或较多的功能。本发明应由所附权利要求限定。