用较不重要数据位保护重要数据位的方法

本发明涉及数字数据位的传输，更具体地涉及利用第二组数字数 据位检测第一组数字数据位中的错误的方法。

在有噪声的信道上传输数字数据位或符号产生传输的数字数据符 号内出错的可能性。一些符号中的错误比其它符号中的错误更致命而 必须用检错与纠错加以保护。在移动无线信号的传输中，数据符号可 表示数字化语音波形的不同部分。如果错误出现在语音波形的较重要 数据位(一级位)中而未检测到，则语音解码器的语音波形处理可导 致出现不愉快的赝象。赝象包括由于解码错误而在解码后的语音波形 中产生的不愉快的非语音声。语音波形的较不重要语音位(二级位) 中的错误只导致背景噪声的能容忍的增加。

为了能采用屏蔽赝象的产生的各种措施，必须检测较重要的一级 数据位中的错误。例如，通过引用结合在此的英国专利号8 119 215 描述了如何能用对应于错误的段前面大约一或多个喉音脉冲周期的语 音波形段的较早接收的语音波形段来替换语音波形的错误的段。通过 引用结合在此的美国专利号5,097,507中描述了称作人工再生的更完 善的错误屏蔽策略。

在处理表示诸如残留激励线性预测(RELP)编码器、矢量码块受 激线性预测(VSELP)编码器或高级多频带激励(或子带)编码器(AMBE) 等语音数字化器生成的数字化语音的输入位时，某些位(一级位)不 仅对用纠错编码保护比其它位(二级位)更重要，而且它们对用检错 过程保护也更重要。当纠错编码失败时，所产生的赝象对听众可能非 常干扰。通过检测何时在一级位中出现错误及减弱音频输出或结合完 善的错误桥接技术可防止赝象。

当前存在着用于在解码的数字数据中检错的各种方法。这些方法 之一，基于帧的语音解码法，将帧中的位分成重要与较不重要的位及 将循环冗余检验(CRC)码用于检错来保护最重要的位。这一过程描述 在称作GSM的欧洲数字蜂窝式系统的公布的标准中。

在容量受到同信道用户之间的互相干扰的限制的陆基蜂窝式无线 电话系统中，在所有的传输上增加CRC码并不改变信号的载波对干扰 比(C/I)因此在容量上并无明显效果。在容量受到与热背景噪声作斗 争可利用的卫星传输功率量的限制的卫星通信系统中，在传输上增加 CRC码增加必须传输的位或符号的数目。这增加所需的发射机功率。从 而CRC码的检错能力只能以传输功率为代价获得。由于即使不使用CRC 提高发射功率也会降低出错率，所以得不到明显的效益。从而，改进 在诸如一级语音位等较重要的位组中的检错而无须增加必须传输的符 号的数目的方法是具有极大效益的。美国专利号5,517,511(Hardnick 等人)描述了通过解码第二组位利用Galay块码检测第一组位中的错 误的方法。然而，Golay码只能用于1/2的特定编码率，在许多情况中 这是不够的。因此，需要利用更灵活的卷积码的方法。

本发明用传输包含第一与第二组数据符号的编码信号的改进的系 统克服上述及其它问题。将待传输的数字数据分成供传输的两组符号， 将它们标识为最重要的位(符号)与较不重要的位(符号)。利用诸 如比率1/4咬尾卷积码(rate 1/4 tailbiting convolational code) 等提供高度冗余的卷积码来纠错编码最重要的位，而用诸如比率1/2 咬尾卷积码等具有较低冗余度的卷积码来纠错编码较不重要的数据符 号。利用咬尾码来避免传输与传输CRC检验码一样浪费的尾位的开销。 利用未编码的最重要的位来扰频供传输的编码的较不重要的位，诸如 通过加上依赖于未编码的最重要的位的伪随机位模式，或通过改变与 之相关的位传输次序。

接收机从编码的最重要的位分开扰频与编码的较不重要的位并利 用适应于解码高度冗余卷积码的纠错解码器解码最重要的位，而产生 第一累积解码量度。利用解码的最重要的位解扰编码的较不重要位。 然后用适用于低冗余度的纠错码的纠错解码器解码解扰的较不重要的 位及生成第二累积量度。检错器处理第一与第二累积量度来判定这些 量度是位于可接受解码的区中还是位于拒绝解码的数据的区中。

为了更完整地理解本发明，参见下面结合附图所作的详细描述， 附图中：

图1为按照本发明的发射机编码的图；

图2示出移位寄存器的一个实施例；

图3为按照本发明的接收机解码器的图；

图4示出接受/拒绝阈值在逆量化质量指示符之和上的应用；

图5a-5f示出各种阈值级的接受与拒绝的相对概率；

图6为发射机编码器的另一实施例；以及

图7为接收机解码器的另一实施例。

现在参见附图，更具体地参见图1，其中示出了本发明的编码发射 机的框图。为了便于下面的讨论，将相对于语音数据描述编码，其中 最重要的数据位由一级语音数据构成而较不重要的数据位由二级语音 数据构成。然而，应理解本发明能用于任何两组数据位，其中用户希 望利用第二组数据位来保护另一组数据位。

将N1个一级位与N2个二级位构成的数据符号组10输入到分离器 15中，将该组数据符号分离成第一组N1个一级位20及第二组N2个二 级位25。用卷积编码器30编码一级位20。例如，卷积编码器30包括 比率1/4咬尾卷积编码器。比率1/4咬尾卷积编码器30处理一级位20 中的N个邻接的位(限制长度)生成4个输出位。然后在生成另一4 位输出之前将N个邻接的位移位1位位置。这一过程继续到邻接的位 已整个移动通过一级位为止。这一过程最终提供四倍原来提供给编码 器30的位数。

二级位25是用第二卷积编码器35编码的。在一个实施例中，第 二卷积编码器35包括比率1/2卷积编码器，它的操作类似于比率1/4 卷积解码器，除了该编码器在来自二级数据位的选择的N个邻接位的 组的每一移位周期中只生成两个输出位以外。从而，只生成两倍原来 提供的二级位25的数目。在较佳实施例中，第一卷积编码器为比率1/5 咬尾编码器而第二卷积编码器为比率1/3卷积编码器。此外，通过收 缩各组将来自第一(比率1/5)卷积编码器的编码位分成表示比率2/5 的收缩码的两个相等的组，同时将来自第二(比率1/3)卷积解码器的 编码的位收缩或分成给出两个比率2/3码的两个相等的组。然后将比 率2/5编码组之一与比率2/3编码组之一组合并用第一装置传输，同 时将另一比率2/3与另一比率2/5组组合并可选地用诸如分集装置等 第二装置传输。接收机接收第一装置的传输及第二装置的可选传输， 并解码接收的信号。

编码器30、35选择的邻接位的数目N称作限制长度。编码器30、 35的限制长度不一定非相等不可。较长的限制长度提供更强的纠错能 力但要求更复杂的解码器。纠错性能更大地受卷积编码器30与35的 码率(分别为1/4及1/2)的影响。码率是编码过程增加的冗余量。例 如，比率1/4编码器四倍传输位的数目，而比率1/2编码器双倍传输 位的数目。

也将未编码的一级位20输入到扰频掩码发生器40。扰频掩码发生 器40生成具有等于第二卷积编码器35生成的位的位数的扰频掩码。 编码的二级位可通过与扰频编码“异或”加以扰频。扰频掩码是以确 定性方式从提供的一级位20中计算出的。虽然扰频掩码可用任何数目 的方法生成，图2中示出了一种生成扰频掩码的技术。扰频掩码发生 器40包括具有N1个串联级50的移位寄存器45。初始时用N1个一级 数据位加载串联级50。反馈逻辑电路55组合来自选择的级的位以产生 反馈位。在寄存器45上作用时钟脉冲60导致寄存器中的数据位向右 移位1位，使得反馈位拍频到最左的级50a而最右级50z从右边掉出。

存储器65在2*N2个时钟脉冲的每一个之后记录反馈位来产生2*N2 位扰频掩码。存储器65能交替地记录从寄存器级50z掉出的位或寄存 器45中的位的任何其它函数。存储器65不需要为作用在寄存器45上 的每一个时钟脉冲记录一位。例如，可将23个时钟脉冲作用在寄存器 45上然后存储器65记录从寄存器选择的8位。这一过程将继续到至少 记录了2N2位为止。只要对一级位模式的任何改变导致大约50％的生 成的扰频掩码与原始提供的一级位不同，则生成从一级位开始的伪随 机位模式的任何方法都可利用。

在使用模2(异或)加法的加法器70上将生成的扰频编码加在编 码的二级位36上。逐位(逐个符号)的模2加法保证扰频与编码的二 级位的单个传输(错误)在接收机上解扰以后仍保持单个错误。作为 替代，使用位置换来替代逐位加法也可防止错误扩大。在利用位置换 的实现中，编码的二级位36将依赖于一级位20重新排序。例如，这 能通过使用一级位20初始化PRN发生器来完成，将其输出作为一序列 位下标对待，指定在下一个可利用的位位置上应传输哪一个编码的二 级位。扰频之后，在交错器75上交错编码的一级位32与编码且扰频 的二级位36。可供选择地，在传输前可利用进一步扰频(未示出)来 提供附加的保密性。

现在参见图3，其中示出用于解码图1的编码装置所生成的信号的 解码器。将包含交错的编码一级信号32与扰频且编码的二级信号36 的接收信号提供给用于分离的解交错器80。用解码器85处理分离的编 码一级信号32以恢复一级位20连同提供给检错器90的第一解码质量 指示符。解码器85配置成解码编码器30(图1)所实现的任何编码方 案。

将解码的一级位20提供给扰频掩码发生器95，在其中再生前面相 对于图1描述的扰频掩码。在解扰器100上在逐位(逐个符号)的基 础上从扰频且编码的二级位36中减去再生的扰频掩码来解扰编码二级 位。作为替代，如果将位置换用于扰频，则通过重新排序编码的二级 位用解码的一级位来控制它们的解扰。然后解码器105处理解扰的编 码二级位36来恢复二级位20连同解码过程的第二解码质量指示符的 估计。解码质量指示符为诸如指示解码的数据序列是正确的序列的似 然性的对数的累积路径量度。将解码质量指示符提供给检错器90。解 码器105配置成解码编码器35(图1)实现的任何编码方案。检错器90 用二个质量指示符判定解码的一级位是对还是错。

扰频掩码的作用是将编码的二级位36从编码器36的有效编码输 出改变到无效输出，直到扰频过程在接收机上颠倒为止。然而，为了 颠倒扰频过程，必须有扰频所依赖的一级位的正确知识。如果在解码 一级位中在接收机上出现错误，扰频过程便不能正确地解除，而不能 适当地解扰编码的二级位。不正确地解扰的二级位将不代表编码器35 已生成的有效编码输出。对应的解码器105检测到这一点并利用具有 表示低似然性的值的解码质量指示符来提供在一级位的解码中可能已 出现错误的暗示。

从而，图1与3的编码/解码系统提供藉此第二组位(二级位)的 解码能协助判定第一组位(一级位)的前面解码是否成功的措施。在 第二组中的位数比第一组中的位数大得多时这是有用的，因此关于编 码的二级位是否代表有效的编码器输出的判定是基于比只根据较小数 目的一级位的判定大得多的位数上的。

检错器90利用来自解码器105与解码器85两者的解码质量指示 符来判定解码的一级位中的错误的似然性并为进一步处理提供出错指 示。进一步处理可包括话音解码器110(用虚线示出)，用于从解码的 一级与二级位中再生话音波形。当检错器90指示解码的一级位中高出 错似然性时话音解码器110利用该出错指示来屏蔽错误的赝象。

下面描述检错器90可判定一级位20的解码中出现的似然性的方 法。当然应理解在本发明的同一精神内能设计出用于处理似然性量度 的各种各样方法。解码器85与105利用软判定顺序最大似然性解码 (MLSE)估计所接收的信号中出现的最可能的一级与二级位序列，在 软判定顺序最大似然性解码中不将接收的编码位量化到零或一，而是 判定为指示编码的位的“一性”或“零性”程度的软值。检错器90中 的MLSE解码器(未示出)假设长度等于纠错码的限制长度的所有可能 位模式并确定应得出的编码的位模式。然后将各编码的位模式与对应 的软值模式比较。如果极性相符，便从对应的假设的似然性量度中减 去软值的幅值。否则，将软值的幅值加在对应假设的量度上。

然后将假设的位模式延伸一个新符号，加倍模式的数目，但通过 在只有在它们最老的位位置上不同的模式对之间进行选择并保留各对 中具有较低量度的模式而同时将模式的数目浓缩一个因子2。当已经假 设了所有信息位时，最低累积量度表示最可能的符号序列，并且量度 是所接收的信号与该序列的编码版本之间的相关性的负值。

当使用咬尾卷积解码器时，可在周期中任何点上开始解码位周期， 过程继续到至少已进行了一个完整的解码周期为止。由于咬尾解码器 并不开始及结束在已知状态上，解码的第一与最后一位趋向于出现较 高的差错率。因此，通常允许解码器完成例如两个完整的周期并选择 在两个周期中央解码的位组。然后在两个周期上而不是在中央位上求 和得出的累积量度。因此，当允许咬尾解码器超程运行时，应将用作 相关值的负值量度计算为刚好在解码最终选择的输出位的第一位之前 的累积量度与解码所选择的输出位的最后一位之后的量度之间的差。 这给出由于处理选择的输出位而导致量度增长多少的正确测定。

可使用确定质量指示符的其它方法，其中可将最终解码的位序列 与存储的接收软值回溯地相关以获得相关值，将其除以编码位的数目 来得出平均相关值。如果序列是正确的，则平均相关值会等于平均接 收信号幅值。从而，分开的累计求和所接收的软值的平方，除以它们 的数目，及取平方根来得出所接收的信号的幅值均方根(RMS)平均值。

将平均相关值除以RMS平均信号值来得出位于零与一之间的解码 质量指示符。值一表示不存在噪声且在解码中未检测到错误。小于一 的值表示在接收的信号中存在的噪声量及得出的解码错误的可能数 目。作为一减去上面确定的值的逆质量指示也许更有价值。可将质量 指示的逆量化成宽度0.05的20个带之一，从而给出介于1与20之间 的量化的逆质量指示符，其中1表示非常可靠的解码而20表示非常不 可靠的解码。

图3的两个解码器85与105都能导致输出逆质量指示符给检错器 90。然后检错器90根据两个质量指示符作出判定来确定一级位是否已 正确地解码。例如，只要上面定义的逆量化质量指示符之和小于选定 的阈值，便可判定解码最可能是正确的。图4用图形示出接受/拒绝阈 值对逆/量化质量指示符之和的应用。从垂直轴向上标记解码一级位的 第一逆质量指示符的可能值1-20。沿水平轴标记解码二级位的第二逆 质量指示符。

任何解码操作的可接受度阈值等于一级与二级逆质量指示符之和 并不应超过20。这对应于图4中的斜线，它通过其坐标之和等于示范 性阈值0的所有格点。从而，落入这一直线的右上方的解码操作具有 超过20的质量值之和而受到拒绝(即分类为错误的解码)，而落入阈 值线左下方的解码操作则被接受。当然，接收/拒绝线可以不是直线而 是通过预定格点的曲线。

应将曲线选择成在正确地拒绝错误的解码、虚假地拒绝正确的解 码与虚假地接受错误的解码之间给出最佳折衷。剩下的事件包括正确 接受正确的解码。在图5a-5f中为不同的接受/拒绝阈值画出这四种 类型事件的相对概率。图5a用下述参数示出特定类型的编码器与匹配 的解码器的结果：

1.语音编码器每20毫秒输出72个位帧，分成12个一级位及60 个二级位；

2.使用比率1/5限制长度7，咬尾卷积编码器编码12个一级位给 出60个编码位；

3.使用比率1/3限制长度7，咬尾卷积编码器编码60个二级位给 出180个编码位；以及

4.解码后在各种信噪比上在有噪声的信道上传输该60加180个编 码位；将阈值18放置在逆量化质量指示符之和上来判定是否应 接受或拒绝帧。

使用解码器能发生四种类型的事件。所希望的事件包含检错器90 接受正确地解码的帧或者检错器90拒绝在一级位中带有错误的解码的 帧。不希望的结果包含错误地拒绝正确地解码的帧，或者检错器90错 误地接受在一级位中带有错误的解码的帧。

图5a示出对于上述参数作为信噪比(EB/NO)的函数的四种类型 的事件的概率。可看出在一级位中有错误的帧绝大部分遭拒绝，逃过 检错的剩余数目在0.1％至1％的区中。话音编码器能用人工重构丢失 的段来桥接同时保留有用的话音质量的帧擦除区高达10％。为了了解 概率如何随拒绝阈值的选择而变化，可观察下面的图。图4a示出无检 错，其中所有的帧都接受，图4b示出只在阈值20上拒绝，图4c示出 只在阈值19以上拒绝，图4e示出只在阈值18以上拒绝，而图4f示 出只在阈值17以上拒绝。

在图4a-4f中示出由于检错器错误地拒绝好帧而引起的帧擦除的 数目有时大于由错误引起的被拒绝的帧的数目。这是任何检错标准的 统计失效率，有时好帧不能通过检验，从而增加了丢失的帧的数目。 然而，因为本发明为了检错的目的并不增加以CRC形式的开销，所有 传输的能量都是集中在纠错上的，并从而丢失的帧的数目低于采用CRC 时。由于错误地拒绝好帧与错误地接受坏帧引起的丢失的帧之间的权 衡能通过选择拒绝阈值使性能适应于特定类型的信息源编码器与解码 器而改变。

现在参见图6，其中示出了本发明的编码器的另一实施例，其中不 是将一级与二级位分组成两个分开的数据符号组及分开地编码与解码 它们，而是将一级与二级位一起组合在单一数据组120中，该数据组 清楚地分成一级与二级位，并且该组是用单个卷积编码器125编码的。 卷积编码器125最好包括具有取决于该设备正在编码一级或二级位的 可变比率的咬尾卷积编码器。可变比率卷积码是通过为各编码的数据 位计算比需要的多的编码的位并选择它们的可变部分用于传输而生成 的。将不选择用于传输的编码位称作“收缩掉”。收缩掉的编码位的 数目可以以发射机与接收机之间预先同意的方式从位到位连续地变 化。

由于使用可变编码率，每当编码器125正在为一级位计算编码位 时，所生成的编码位的数目将大于编码器从二级位计算的编码位。当 使用单个收缩卷积编码器125时，有时编码器125正在处理全部一级 位、全部二级位或一级与二级位的混合物。在此期间，编码器根据正 在编码的位的级别选择用于传输的编码的位。收缩方案选择的位数可 能必须在仅仅二个值(如4与2或5与3)以上的值之间变化，以便在 用一种码率的一级位与用第二码率的二级位的编码之间实现“嵌接”。 当编码器125正在编码二级位时，扰频发生器130从一级位中生成扰 频掩码，如前面描述的，并在扰频器135上将掩码与编码的二级位相 加。作为替代，扰频发生器控制将编码二级位插入传输流中的次序。 将编码的一级与二级位提交供传输给接收机。

现在参见图7，其中示出用于解码按照图4中所示的编码器编码的 接收信号。要假设一组(150)一级与二级位。要求的解码输出的格式 是事先知道在一定的给定位置上包含给定数目(N1)的一级位及在其 它给定位置上包含第二给定数目(N2)的二级位。已知的MLSE解码器 (未示出)能通过假设任何N个接连的解码的位开始，其中N为限制 长度减1。如上面所述，为2(N-1)种可能的位模式的每一种累积相似性 量度，对于各位模式，首先假设第N位为1，然后第N位为0，编码各 模式(现在延伸了第N位而包含N位；即等于已知码的限制长度)并 将编码的模式与接收的信号样本比较。然后与对应的模式一起保留对 应于只是它们的第一位位置不同而位2，3，4，…，N全相同的二个模 式的各对量度中的较小者。以这一方式，保留的模式的数目现在又是2(N-1) 个，并且N位中的第一位现在已限制在各模式的一定的保留的值上， 而位2，3，4，…N现在呈现所有可能的2(N-1)种组合。

过程继续进行连续地假设第(N+1)位，第(N+2)位等等，直 到解码了所有的位为止。在各阶段上，当为了与接收的信号样本比较 而重新编码最近假设的N个位时，所使用的重新编码过程是根据该N 位为一级位，二级位还是混合物选择的，这与发射机为编码一级位、 二级位或混合物所用的已知方式相同。换言之，一级与二级位的位位 置及各自的编码过程是在发射机与接收机之间事先同意的。

在实施本发明时，上述解码过程是在一级位位置上开始的。编码 器155的复制品从数据组150中的X个邻接位(限制长度)的每一次 接连的移位中生成若干编码位。图5中的从其开始选择邻接位的位置 跨越二级与一级位两者。然而，第一个选择的起始位置应是并不生成 扰频的任何编码位的位置(即一级位而不是二级位)。

从而，解码通过选择从位于数据组150中的位置上的一组邻接的 位得出的所有可能的假设开始，该位置不产生已扰频的编码位。在这 一时间段中，扰频掩码发生器160生成空模式及扰频器165执行空扰 频操作。在比较器175上将编码器155的复制品所生成的编码位与从 接收缓冲器170接收的位比较。接收缓冲器170接收图4的编码器124 生成的编码信号。比较器175在编码位与接收位之间的比较生成邻接 位组的各假设的量度。将这些量度结合它们的对应假设存储在存储器 180中。将邻接位组的各种假设存储在路径历史存储器152中。

然后从数据组150选择的邻接位组前进通过不包含扰频位的所有 一级位位置，在比较器175上在各位置上将生成的编码位与来自接收 缓冲器170的对应接收位进行比较来计算量度值的增量。将邻接位选 择旋转通过只包含一级位的各位置之后，假设存储器180中包含所有 一级位的若干不同假设与相关的部分累积量度。

现在在扰频掩码发生器160中利用一级位假设产生扰频位，它们 用扰频器165在编码器155的输出上操作来为扰频的二级数据位生成 期望的扰频编码位。现在必须将存储器152中的各假设一次延伸一位 地产生编码与扰频的二级位，然后在比较器175上将它们与来自接收 缓冲器170的对应接收位比较。比较结果提供对选择的假设的现有量 度的增加量度或增量。当所有假设都已前进一位并且产生了新的累积 量度时，通过增加新位将假设的数目加倍，然后根据Viterbi解码原 理在只有它们的最老的位中状态不同的对之间选择时将它们的数目减 半。

以这一方式继续解码，直到假设了包含扰频的编码位的数据组150 的所有位为止，编码器已移动一个整圈再一次选择初始的起始位组。 解码继续进行第二周期，一级位不需要解扰它们的编码位，而二级位 需要使用来自同一机器状态的已经假设的一级位扰频。解码继续循环 进行直到认为不会得出进一步的改进为止。选择具有最低累积量度的 假设，并从多个解码周期的中央抽取解码的一级与二级位组以便避免 端点效应。

如果在解码期间未保存部分量度，可回溯利用抽取的位来处理接 收的信号样本以生成解码质量指示符。如果在解码期间保存部分量度， 则从紧接在解码第一一级位之前的部分量度与解码最后的一级位之后 的部分量度之差中导出解码一级位的质量指示符。类似地，从紧接在 解码第一二级位之前的部分量度与解码最后的二级位之后的部分量度 之差导出二级位解码的质量指示符。当然，质量指示符是从相对于最 佳假设(即具有最低总量度的机器状态)存储的部分量度中计算出的， 并由检错器200联合处理来检验解码的一级位中包含解码错误的可能 性。

虽然在附图中已示出及在上面的详细描述中已描述了本发明的方 法及装置的较佳实施例，应理解本发明不限于所公开的实施例，但能 具有许许多多重新配置、修正及替代品而不脱离下面的权利要求所陈 述与定义的发明精神。