编码数据的方法和装置

本发明涉及数字通信系统，特别涉及对用以提供动态可变通过率的系统进行差错校正的方法。

无线数字通信系统在本技术领域中是公知的。该通信系统典型地使用射频（RF）信号从第一位置到第二位置传送信息，呈现在该系统设计者面前有无数个技术上的挑战。具体地说，这些使用移动单元的系统因各种形式的损坏信号质量而受到损害（例如平均的被接收信号强度的不可接受的电平和多径衰落）。被接收信号强度按照发送单元和接收单元之间的距离的函数、参与的通信单元之间不同的发送功率、和来自相同或邻近频率上其它传输的干扰而改变。此外，多径衰落是一种按照在覆盖区域周围通信单元的相对运动的函数改变被接收信号质量的特性。由于在该覆盖区域内通信单元的运动，长期平均信号质量可能由于发射机-接收机路径中各障碍物的高度差而变化。

信息典型地利用多种编码方案之一在这些强占无线数据通信信道上传输。这些编码方案经常被称为“差错控制编码”，它把冗余信 息元素注入到信号中。这样，经常由于上述的传播问题造成的差错能够通过在接收端的该冗余信息的适当处理得以校正。例如，图1示出了一个典型的数据编码系统，用于对将从一数据通信单元发送的信息进行编码。信息比特被输入到一个数据编码器（102），例如一个公知的K/n比率卷积编码器，然后按照一种编织算法（例如一种公知的卷积码）对该信息进行处理。即对每K个输入比特，该编码器（102）产生n个编码输出比特，如图1所示的。原始信息对经该信道转发的实际数据数量的比率即K/n在本技术领域中常被称为“编码率”。

编码之后，已编码信息被输入到一个码元映射器（104），以准备经通信信道传输数据。具体地说，该码元映像器把已编码数据分成m个比特的多个群，然后处理这些群以提供调制码元。亦即一组m个数据比特和2m调制码元的每个之间的关系被称为“映像”。公知的M元码元映射的例子包括四相移相键控（QPSK）（其中m为2）和16正交振幅调制（16QAM）（这里m是4）。

准备用于传输的输出码元由一个调制器（图1中未示出）来执行。一般地，该调制器要求一个最小信道带宽，它取决于数据码元的传输速率。对于二维码元，该最小带宽等于该码元速率（例如通过一信道传输每秒4000个二维码元所需的最小带宽为4000Hz）。应该注意到，在实际上，需要一些附加的带宽，典型地是附加20～50%。

一般说来，一个数据传输系统的集合（aggregate）通过率可以定义为“信息比特率与最小所需带宽之比”。通过率也等效于被每二维码元编码的信息比特的数量（或平均数量）。作为一个例子，对于编码系统100，该集合通过率能够被推算为mk/n比特/秒/Hz。

因无线频谱是有限的，故尽可能有效地使用它是有利的。为此，最好根据信道情况（例如信噪比或SNR）以尽可能高的通过率发信号。通过率与SNR之间的折衰在本领域中是公知的，即通过率越高，接收机成功解调和解码被发送信号所要求的SNR越高。这通常是真实的，与所使用的特定的编码/调制方法无关。

在图1的编码系统（100）的情况下，高通过率既可以通过使用具有大m值的码元映射器实现，也可通过使用一个高编码率来实现。一个具有大m的码元映射器典型地被看作是一个高阶调制方案。这种方案是允许较高的通过率和更有效地使用信道，但在接收机中以较高的信噪比为代价。再次参考编码系统100，通过率还因增加编码率k/n而增加。例如，在更强占（hostile）的低信号电平环境中，可能需要1/4率编码方案，而在中等和高信号电平下，一个较高通过率的1/2率编码方案可能提供可接受的性能。

在许多数据传输的应用中，能够动态地改变通过率是十分有利的。在无线系统中，由于上述的理由，信道情况例如信噪比相对于时间变化很大。在这种情况下，最好根据信道情况改变通过率以更有效地使用频谱。还有，在待发送的数据比特的集合中可能有几个 比特子级或群，它们每个都有其自己要求的可靠性。这样的一个例子是数字语音系统，其中典型地具有两个或三个比特集，每个均具有其自己的阈值差错概率（根据对重建的语音感知的重要性）。在这样的情况下，为每个比特级提供不同的通过率可能是有利的，还为更有效地利用稀有的频谱资源创造条件。然而，利用现有技术实现可变通过率方案或者是费用极高，频谱效率低，或者导致性能不良，如在下面所描述的。

一般说来，卷积编码技术使用了独立的耦合编码和映射方案。即编码器按定义被编码数据的通过率的速率设计，而码元映射器被设计以适应一特定的调制方案。因此，在这样的一个系统中变化编码率将必然大大增加电路的复杂性（即每个所需编码率的编码器/码元映射器组合），因此增加费用。此外，这样的一系统将需要额外的通常被称作嵌入或结束比特的定界信息，以允许具有不同速率码的被编码信息段的编码和解码。据此，利用现有技术的卷积技术提供可变速率编码方案是不实际的。

编码系统（100）的第二实施例在本领域中称作格型编码，并且在IEEE通信杂志1987年2月卷25（第二篇文章）第5～11页，作者为Ungerboeck的文章“具有冗余信号集的格型编码调制”中进行了描述。通常，格型编码调制（TCM）产生用于映射成为信道码元的输出比特，以使相邻码元之间的最小欧几里得（Euclidean）距离最大。格型编码技术完全不同于通常的卷积编码，它提供了超过上述编码 系统的显著的性能优点。例如，格型编码系统的结果比特差错概率性能显著地优于标准的卷积编码系统的这种性能，尤其对于高通过率（超过1或2bps/Hz）的情况。现有技术的格型编码系统典型地使用了与一固定大小（m）码元映射器组合的固定速率卷积编码器。该数据编码器和码元映射器被联合设计，以实现特定的一组性能目的。虽然格型编码能够被设计接受移动无线信道的特性，但是固定速率卷积编码器和固定码元映射器把它们的用途限制到仅要求单一通过率的应用中。因此，被设计能够在各种编码速率中兼容的格型编码器具有与卷积编码器同样的缺陷。即，电路复杂性的要求导致该系统更昂贵和效率不高，并且以不同速率编码的每个信息段将要求额外的结束比特。

图2示出一个允许多编码速率的第二方案，该方案经常被称作“速率兼容收缩卷积（RCPC）编码”。RCPC编码通过改变卷积编码器（201）的有效速率改变通过率。具体地说，一个缩短序列（203）工作以删除被发送序列中的某些比特，从而产生可变编码速率。该被编码比特序列通过由一编码速率控制器（205）确定的一个固定模式被周期地缩短。对于输入给该缩短序列（203）的每K个比特，被缩短（n-q）个比特，导致q个比特被施加到一个码元映射器（207）。这样，数据编码率（200）的合成编码率是k/q，通过率是mq/k。使用了相同的卷积编码器，通过改变被缩短比特的数量可获得多个通过率（即由于较多比特被删除，编码率和通过率增加）。虽然RCPC 编码提供了各种编码速率，并且每次改变编码速率时无需额外的结束比特，但是它们的性能受到了如下事实的很大限制，即单个固定的码元映射器例如207不能最佳地与多个缩短策略相匹配。这就是说，与一个分开设计的码元映射器结合的RCPC编码不能提供由格型编码器实现的性能水平。

为此，需要一种提供动态可变通过率的数据编码技术，而在移动数据通信信道环境中仍可维持可接受的性能水平。特别是，一种成本低、频谱效率高的使用格型编码技术同时提供可变编码速率的数据编码器将是对现有技术的显著改进。

图1示出本领域公知的一种数据编码技术的方框图;

图2示出本领域公知的第二种数据编码技术的方框图;

图3示出按照本发明的一个数据编码系统的简化方框图;

图4示出图3所示的格型编码器的详图;

图5～7示出按照本发明的被编码码元的可能的星座分布;

图8示出在发生速率转换时的点的一种特定可变速率格型码的格型图;

图9示出按照本发明的一个数据解码系统的一个简化框图。

本发明概括一种利用格型编码方案为一个通信信道提供多个通过率的数字通信系统。特别概括了一种数据编码/解码的方法，按照该方法，目前被发送的离散的数据单元利用至少两种不同的技术编码/解码，为此，能够向来自同一数据流的数据单元段提供不同的通 过率。此外，通过率能够动态地改变，以提供所需的集合通过率。

图3示出本发明的一个数据编码系统（300）的简化方框图。一个可变速率格型编码器（302）接收多个离散数据元，例如输入比特，和按照公知的一套编码规则对信息进行格型编码，产生多个格型编码的码元（303）。此外，另一个可变输入由格型编码器（302）使用，以确定编码速率，即以由可变速率控制器（304）输出的一个速率控制信号（305）确定的速率对码元（303）编码和输出给一个维数格式器（306）。该维数格式器（306）响应来自可变速率控制器（304）的输入起作用，提供格式化码元（308）给一个调制器（310）。调制器（310）在一个优选实施例中它是一个QAM调制器，它被用于将信息信号调制到一个载波信号上，以便经通信信道发送。

图4示出图3所示的可变速率格型编码器（302）的详细方框图。信息比特在由速率控制器信号（305）确定的时间瞬间串行地输入到一个比特选择器例如以一个移位寄存器（401）的形式，和并行地转发到一个编码器（405）。特别是，对于输入给移位寄存器（401）的每K个比特（其中K由图3中的速率控制器（304）确定）来说，一组信息比特（403）并行地转发给比特-码元编码器（405）。对于每个这样的一组并行比特，编码器（405）按照一个所选的编码规则（如下面所述）传递一个格型编码码元（303）给图3所示的维数格式器（306）。每个格型编码码元（303）是M维的，其中M也由图3所示的速率控制器（304）确定。也就是说，这些码元（303）可以 被看作是包括M个分量的矢量。

维数格式器（306）通过重排或重新编排格式对从可变速率格型编码器（302）获得的M维码元（303）进行处理，以便输入给调制器（310）。在一个优选实施例中，调制器（310）是一个正交振幅调制器（QAM），它要求一个码元流输出（308）由二维码元构成。具体地说，维数格式器（306）工作以拆散（即当M＞2时）该矢量码元（303）并把它们的相应单元重新排列成二维码元（308），以便输入给调制器（310）。该维数格式器还可以加入一种交织（interleaving）功能，该功能在差错校正编码技术领域中是熟知的。因此，图3的可变速率格型编码实施例的通过率能够被推算为2K/Mbps/Hz。也就是说，每M维码元（303）有K个比特被编码，和对每个码元（303）有M/2个2维码元（308）。

为了说明可能的格型编码和维数格式技术，这里描述了一个具有两个不同通过率的例子，亦即速率1，其中K＝1，M＝2，得到1bps/Hz的通过率（即所谓1/4速率格型编码器），和速率2，其中K＝1，M＝2，得到2bps/Hz的通过率（即所谓的1/2速率格型编码器）。在每种情况中使用的格型编码规则是一个8状态规则，以便在移位寄存器（401）中具有三种相关存贮单元。用于速率1的编码规则由下式给出：

输出码元＝（b1b2b4，-b1b2b3b4）;

由此产生了一个如图5所示那样的二维星座分布。[注意b1至b4分 别对应被加到移位寄存器（401）中的最新至最旧比特，这些比特在上述公式中被标注+/-1]。类似地，用于速率2的编码规则由下式给出：

输出码元＝b2-2b1b3b4;

由此产生了如图6所示那样的一维，4层次星座。这些编码规则也可通过下表表示：

表1

b4b3b2b1速率1码元 速率2码元

0    0    0    0    C    G

0    0    0    1    B    E

0    0    1    0    A    H

0    0    1    1    D    F

0    1    0    0    B    E

0    1    0    1    C    G

0    1    1    0    D    F

0    1    1    1    A    H

1    0    0    0    B    E

1    0    0    1    C    G

1    0    1    0    D    F

1    0    1    1    A    H

1    1    0    0    C    G

1    1    0    1    B    E

1    1    1    0    A    H

1    1    1    1    D    F

为了说明，图5的2维星座分别描述了速率1码元B、C、D和A顺时针方向自含有参考号506的码元开始。类似地，图6的一维星座分别描述了速率2码元E、F、G和H从左至右自含有参考号602的码元开始。[应该注意到：那些在表1中被标为bi的比特采取值为0和1，但在一优选实施例中分别对应着bi的值为-1和1]。此外，如果需要，图3所示的维数格式器（306）仅可把速率1码元传递到调制器（310），而无需对它们进行更改，因为它们已具有二维格式。然而，速率2码元在加给调制器（310）以前，应该由维数格式器（306）将其一起配成对。这种配对导致了图7所示形式的4元格式的码元，即16QAM码元。

图8描述了按照本发明的一个实施例的格型图（800）。一般说来，格型图示出了编码器的可能的移位寄存器状态，由可能的输入信息比特产生的各状态之间的转换，和由此产生的被编码输出码元，参考图8，对应于移位寄存器三元组b4b3b2的可能组合，存在着8个编码器状态（801）。两个转换路径发出每一种状态对应着输入比特b1的两个可能的值。新输入比特b1的引入产生一个到新状态（802）的转换，并具有一个相关的被编码输出码元。这个新状态（802）反 映了该移位寄存器的更新的状态，这时b2包括最后输入比特的值。格型结构的长度以及采取的实际路径取决于目前将被发送的信息比特的特定序列。

格型图（800）还示出由一个速率转换点（808）分开的输出码元间隔，在所述的速率转换点格型编码速率从速率1转换到速率2编码。这就是说，在第一码元间隔（804）期间，转换点（808）之前，使用速率1编码规则生成由参考号810标记的二维编码码元。在第二码元间隔期间（806），在速率转换点（808）之后，使用速率2编码规则，由此生成由参考号812标记的一维编码码元。注意，速率调整实际是无缝隙的，因为在两个编码速率（例如速率上和速率2）之间的转换不需要额外的定界嵌入比特。于是，一个频谱效率高的动态可变通过率格型编码器就被实现了。

本发明能被应用在需要动态变化通过率的各种场合。例如，在数字语音应用中，语音编码器输出比特可以按照它们的感知重要性分组成几个类。然后各个比特组或段利用一个发生在每个段边界的速率转换可能通过数据编码器300。在一个替换实施例中。该通过率可以按一预定方式变化以实现所需的集合通过率。例如，在上面描述的格型编码器的情况下，周期地在速率1和2之间改变（即发生在每个码元之后的速率调整），能够实现1.5bps/Hz的一个集合或平均通过率。通过提供这样一种编码安排，代表目前将被发送的信息的离散数据单元能够通过两种或多种映射技术以一种动态的方式被 灵活地编码，从而实现多种合成集合通过率。

图9示出了利用图3所示编码器（300）适于对编码信息解码的解码装置的一个简化框图。在一个优选实施例中，一个解调器（910）被用来对来自经通信信道接收的一个载波信号的信息信号进行解码。该解码器（910）输出格式化的码元样值（908），该码元对应于图3中所示的码元（308）。另外，该解调器（910）可以输出与上述码元样值（908）相关的信道状态信息样值（未示出），这些样值可被用在解码过程中，正如本领域所公知的。在一个优选实施例中，解调器（910）是一个QAM解调器，以便码元样值（908）是二维的。码元样值（908）然后被输入到一个维数去格式器（deformatter）（906），它执行与图3所示的维数格式器（306）中所执行的操作相反的操作。也就是说，去格式器（906）对二维码元样值（908）进行构结分解和把组成单元重新装配成M维码元样值（903）。该维数去格式器（906）还可以加入一种去交织功能，该功能对在编码器中执行的交织进行反转。此外，如合适的话，伴随码元样值（908）的信道状态信息码元被去格式器（906）去格式化和去交织。一个可变速率格型解码器（902）接收该M维码元样值（903）和任何相关的信道状态信息，并产生一个原始信息比特或离散数据单元的估计。可以通过多种不同方法来实现格型解码器（902）。在一个优选实施例中，该格型解码器（902）利用了维特比（Viterbi）算法，一种公知的最大似然序列估计技术。最后，一个速率控制器（904） 以类似于图3所示速率控制器（304）的方式控制维数去格式器（906）和格型解码器（907）的工作。