CN1285986A - 信息编码、解码和传输的方法,信号处理器和无线电装置 - Google Patents

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Abstract

信息编码的方法,在其中由符号序列组成的信息是这样构成为具有各自一个多比特位数的二进制编码字的,包括在符号序列中的冗余信息代表关于一个以及几个二进制位数的二进制数值的信息。从而可以达到,不需要过多费用可以减少被解码比特的误差率,和则可以传输具有很少干扰的信息…。

Description

信息编码、解码和传输的方法， 信号处理器和无线电装置
本发明涉及到信息编码和解码的方法，特别是用于数字传输或数字存储。
源信号以及源信息如语言-、声音-、图象-和视频信号几乎永远包括有统计的冗余，即冗余信息。通过源编码可以将这些冗余大大减少，则使源信号的有效传输以及存储成为可能。冗余减少在传输以前避免了冗余的信号内容，这些信号内容是建立在信号过程例如统计参数的基本知识基础上的。在传输之后当源解码时将这些部分重新又组合在信号中，则在客观上表现不出质量损失。
由于对源信号没有完整的了解或者源编码方法的复杂性的限制时，一般来说只能将源编码实现部分最佳化，也就是说在压缩数据时在源编码之后还存在一些冗余。在目前的源编码方法中常常将源信号压缩成符号或量化的参数，然后将这些按照从属规则表示为二进制编码字，其中从属规则目前或多或少是偶然选择的。
另外一方面常常是，在信号传输时将被瞄准的冗余通过信道编码重新补充进去，以便尽可能地避免信道干扰对传输的影响。因此通过附加冗余的位使接收器以及解码器有可能识别误差和必要时也可以修正误差。
长时间曾经是信息理论的基本前提，源编码和信道编码可以相互独立地进行，以便达到最佳的结果。按照这个理论源-解码器的设计只与源特性有关，而信道编码方案应该只与信道特性有关。这个原则可以是正确的，如果源-编码器在统计上是独立的和因此是不相关的以及提供同样的或然的符号和解码延迟可以任意长。在实际应用中通常这些先决条件是不能满足的。源-编码器的输出信号，以及由源编码器输出的符号序列常有剩余冗余，和同时允许的延迟特别在语言传输时是受限制的。
已知，在所谓的源控制的信道解码时充分利用源编码符号序列的这个剩余冗余。其中信道解码器的解码过程一方面通过被传输的比特和另一方面通过A-优先的-/A-后面的-信息经过一些重要的源比特的最偶然的数值控制。源信息则对信道解码结果有影响。在菲特比-算法-解码的情况下这些方法被称为A-优先-菲特比算法。在使用这样的方法时只需要对接收器方面进行改进。在文献J.Hagenauer，“资源-控制的信道解码”IEEE Trans.Commun.，第43卷，2449-2457页，1995年9月，中说明在源控制信道解码时帧-之间-相关，也就是说充分利用在时间上和/或位置上相邻信号采样之间的统计关系。
试验也得出，-由于参数数值的不平均分布，这还是由于源信号的不稳量化引起的，-不仅在连续帧的比特之间有剩余冗余，而且也在帧内参数比特之间有剩余冗余。
本发明的任务是，用尽可能少误差和尽可能少费用达到信息传输或者信息存储的目的。
按照本发明上述任务是通过独立的权利要求特征解决的。
本发明是建立在以下思路基础上的，有目的的这样选择在符号和二进制编码字之间的从属规则，将包含在符号序列中的冗余信息在信道解码时可以尽可能地有效利用。
通过本发明可以达到，不需要过多费用可以减少被解码比特的误差率，和这样可以传输的信息具有很少干扰。
在下面借助于有利的实施例详细地叙述本发明。其中特别叙述了信息的数字传输。然而本发明也可以用于信息存储，因为将信息记录在存储媒体上和将信息从信息媒体中读取涉及到本发明相当于信息的发送和信息的接收。
常使用概念“解码”，用以描述信道编码比特位数的解码，如果一般来说关于比特位数的二进制数值已经被决策时，则使用概念“检测”。因为本发明可以有利地使用在两种情况下，在上述的专利申请范围内，概念“解码”也包括检测过程。
用下面的附图叙述本发明的实施形式。
它们表示：
附图1消息传输链的简图，
附图2在帧结构中符号与源编码比特序列之间的关系，
附图3分别根据二进制构成的符号和二进制数值的或然率分布。
附图1表示了产生源信号QS的源Q，源信号是由源编码器QE，如GSM-全比率的语言编码器，压缩成由符号组成的符号序列SY。其中符号有一个数值c、j(符号数值)。在参数源编码方法时将由源Q产生的源信号QS(例如语言)分成为数据块(例如时帧)和将这些数据块分别处理。源编码器QE产生量化的参数(例如语言系数)，这些在下面也被称为符号序列SY的符号，和这些在一定程度上反映了在现实数据块上源的特性(例如语言的频谱、滤波参数)。这些符号按照量化有确定的符号数值c、j。
这样例如GSM-全比率编码器76产生参数，参数中的参数0至7是所谓的LAR-系数(对数区比率)，这些是在LPC-分析时产生的(线性预报编码)。参数Nr.9，26，43和60是所谓的LTP(长期预报)的相似性尺度。此外在每个帧上从所谓的RPE-分析(正常脉冲激励)中有四个XMAX-系数(以及-参数)，这些在帧与帧之间只有很少的变化。
由于对源信号的不完全了解或者当源编码方法的完整性受到限制时一般来说源编码QE只能实现为部分最佳化，也就是说在被压缩信息中包含的符号序列SY还包含有冗余信息。
符号序列SY的符号以及相应的符号数值c、j如附图2表示的通过二进制构成BM(从属规则)，这常被描述为源编码QE的一部分，在二进制编码字的序列BCW上构成为bcw、j，这各自有多个比特位数b、j。将另外的二进制编码字bcw、j分配给每个符号数值c、j，这些在一个或多个比特位数b、i上由于不同的二进制数值是有区别的。其中下标j代表符号的不同数值或者不同的编码字和下标i、k、q位于相应数值的位数上。如果将这些二进制编码字bcw、j例如先后作为二进制编码字序列BCW继续处理时，则从源编码的比特位数uq上产生一个序列u，可以将这个序列置入在一个帧结构中，此时将每个比特位数uq固定地分配给指定的编码字bcw、j指定的比特位数b、i上。则例如在GSM-全比率编码中在全部20毫秒内产生一个具有260比特位数uq的 帧。附图2表示了这样产生的帧k的帧结构。源编码比特位数uq或者有数值“+1”或者有数值“-1”。下标1在一个帧内从1到Q-1，其中Q是在帧内源编码比特位数uq的数目。
在每个帧内例如可以将比特位数相对于信道干扰调整为三个具有不同意义和灵敏度的等级。在信道编码器CE上，如卷集编码器、源编码的比特序列u编码相对于信道干扰是这样进行的，在最重要的等级中出现最小的比特-误差-或然率。为此首先将50个最重要的比特(等级1a)通过3比特的循环数据块安全性(CRC)确保。将其次的132个重要的比特(等级1b)用在这之前叙述的53比特重新分组和共同与4尾端-比特通过比率1/2进行卷集编码。将78个不太重要的比特(等级2)不编码进行传输。
将这样的信道编码的比特序列x在没有表示的调制器中继续处理和随后经过传输路段CH进行传输。在传输时出现干扰，例如用衰减系数ak描述的衰减，和用噪声系数N0描述的噪声。
传输路段CH位于发射器和接收器之间。接收器必要时包括没有表示的天线用于接收经过传输路段CH被传输的信号、扫描装置、解调器用于将信号解调制和修正器用于减少内部符号干扰。这些装置同样由于简化原因在附图1上没有表示。可能的交叉和解交叉也没有表示。
修正器输出接收序列y的接收数值。接收数值由于在传输时经过传输路段CH的干扰有在“+1”和“-1”之间变化的数值，例如“+0.2”或者“-3.7”。
在信道解码器CD上将信道编码变成可以返回的。为此在接收序列y的接收数值的基础上由单个的被接收的比特位数uq以及b，i决策。除了信道状态信息CSI以外其中在所谓的源控制或者共同的信道解码CD时可以充分利用上面叙述的符号序列SY的剩余冗余，以便修正比特误差以及改进解码。为此原则上有两种方法：
●在A-优先-信息APRI的意义上，在信道编码器CD上直接利用关于符号数值c、j或然率的冗余信息和因此也关于被确定比特位数b、i的二进制数值或然率的冗余信息和符号相互之间的相关和因此被确定比特位数b、i的二进制数值相互之间的相关，如果例如将这些信息在这之前在试验源编码器以及借助于试验源编码器通过一些试验源信号求出，和然后将这些信息存储在信道解码器CD上和用于信道解码，如果使用它们例如为了确定一个阈值，在这个阈值以上例如被决策为二进制数值“1”。
●将关于符号数值c、j或然率的冗余信息和因此也关于被确定比特位数b、i的二进制数值或然率的冗余信息和符号相互之间的相关和因此被确定比特位数b、i的二进制数值相互之间的相关，在A-优先-信息的意义上在信道解码之后求出。A-优先-信息APOI可以直接在信道解码器CD之后或者在源解码之后以及在源解码QD时求出。
这样的方法在“J.Hagenauer，“资源控制信道解码，”IEEE TranS.Commun.，第43卷，2449-2457页，1995年9月，中特别是在2451和2452页上叙述了，其中信道解码器的解码过程不仅由被传输的编码比特控制而且由A-优先-/A-后面的-信息经过一些重要的源比特的或然率数值控制。在VA-(菲特比-算法)解码的情况下这种方法被称为Apri-VA方法。
为了信道解码CD例如也可以使用SOVA(软输出(软-输出)-菲特比-算法)。其中SOVA是一种算法，这种算法不仅输出一个决策值，而且还给出，被决策的数值具有什么样的或然率。
在成功的信道解码CD之后将被接收的信道解码的比特序列u以及包括在其中的二进制编码字bcw、j返回构成DB在被接收的符号序列SY的被接收的符号上，将这些随后在源解码QD时在源信号QS上进行处理和在信息下载时输出。
在目前已知的进行源编码的方法中一般来说将符号在源编码QE之后和-量化之后用普通的二进制编码NBC表示。将源控制的信道解码CD随后也只使用在这样的源编码的比特位数b、i上。如果在符号以及由符号组成的符号序列SY上还有冗余信息时，也就是说符号数值c、j的相对或然率是不同分布时，或者一些符号相互是相关的，则在一些比特位数b、i上也自动存在冗余信息。
用自己为了这个目的开发的仿真方法的复杂的仿真中得出，由于符号数值c、j的不均匀分布通过有目标的使用被确定的二进制构成BM将包括在符号序列S中的剩余冗余在信道解码CD时可以很好地利用在改进误差修正上。
本发明利用了存在在符号序列SY中的剩余冗余特别是很好地用于比特位数的二进制数值以及比特位数b、i的二进制数值的解码上，如果没有选择任何一个偶然选择的构成BM时，而是有目的的选择这些二进制构成BM，在其上由符号序列SY组成的信息是这样构成为具有各自多比特位数b、i的二进制编码字bcw、j的，包括在符号序列SY中的冗余信息代表了关于一个以及一些二进制位数的二进制数值的信息。
在一个实施变型中由符号序列SY组成的信息是这样构成具有各自一个多比特位数b、i的二进制编码字bcw、j，至少对于一个以及几个比特位数b、i与这个比特位数以及这些比特位数b、i相对应的二进制数值的相对或然率表达了二进制编码的符号数值c、j的相对或然率。
一个另外的结构考虑了，由符号序列SY组成的信息是这样构成为各自具有一个多比特位数b、i的二进制编码字bcw、j的，从属于编码字bcw、j的符号数值c、j有一个大的相对或然率，在一个以及几个比特位数b、i上特别是在重要的比特位数上有相同的二进制数值。
例如分配是这样进行的，在最重要的比特位数b、i以及最重要的比特位数上最常出现的两个符号c、j有相同的二进制数值。这样可以比较可靠地决策在最重要的比特位数b、i以及最重要的比特位数上的二进制数值。
愈有效地将符号冗余的二进制构成在单独的比特位数冗余上，愈有更多的冗余信息关于单个的比特位数b、i的二进制数值可以利用到误差修正上。冗余变换的效益此时不只与二进制构成的方式有关，而且与在源信息QS中冗余信息的方式有关。
下面介绍4种可能的不同的二进制构成BM。●普通的二进制编码NBC●折叠的二进制编码FBC●灰色的二进制编码GBC●最小距离编码MBC
将各自有4比特位数的4种二进制构表示在下面的表格中：
为了有效地利用在源编码符号序列SY中存在的剩余冗余针对信道干扰，下面叙述在有目的二进制构成基础上的一种方法。
将源编码的符号序列SY构成在有关适当的表现方法上(例如FBC(折叠的二进制编码)或者GBC(灰色的二进制编码))和然后将其传输给信道编码器CE。为了在已经存在的系统上实施本发明，将本发明使用在二进制构成NBC上，将NBC-(普通的二进制编码)格式的源编码符号序列SY的比特首先转换为适当的二进制表现方法(例如FBC(折叠的二进制编码)或者GBC(灰色的二进制编码))和然后才传输给信道编码器CE。
在接收方正好相反，也就是说在信道解码CD之后将比特序列u相应的二进制构成返回构成BD和然后连续传送给源解码器QD。
Figure 9881299200101
在源控制的信道解码CD时现在可以很容易和有效地利用在源编码符号序列SY上存在的剩余冗余(不平均分布和相关)，因为将符号平面上存在的冗余是这样转换成为比特平面上存在的冗余的(不平均分布和相关)，可以直接使用由源控制的信道解码器(例如Apri-VA)。用这种方法在传输源信号QS(声音、语言、等)时人们可以达到改进质量的目的。对于这样的二进制构成BM附加的计算费用很少和一般来说可以忽略不计。
这样的二进制构成BM可以集成在源编码器和解码器中。然而对于已经标准化的编码如GSM全比率/增强的全比率语言编码这意味着不仅在接收器方面而且在发送器方面的一种改进。当然这种改进不需要大的硬件改动。在GSM系统中从基础设施方面只需要在TRAU(变换编码器和比率匹配装置)中补充二进制构成和逆变构成，BTS(无线电收发机基站)，BSC(基站控制器)等保持不变。
附图3表示了符号数值c、j和从属于二进制编码字bcw、j的或然率分布。在其中可以看到，在GBC情况下在第二个比特位数b0上对于二进制数值“1”的或然率大大大于二进制数值“0”，特别是当符号c1或者c2被发送之后的条件下。这个信息可以在源控制的信道解码时利用在A-后面的或者A-优先意义上的信息上，以便由比特位数b0决策二进制数值，以及确定为此而使用的阈值，和这样使得决策比较可靠。
这样还可以进一步改进解码，如果也使用关于偶然被传输的符号数值c、j的信息时。
如果人们在二进制构成中使用NBC时，则可能在源控制的信道解码时使用的A-后面的或者A-优先的信息(也就是说二进制数值“1”的或然率)很小和有可能不能可靠的进行比特位数的解码。
在本发明另外的结构中，由符号序列SY组成的信息是这样构成成为具有各自多比特位数的二进制编码字bcw、j的，在相应的比特位数b、i、k上的二进制数值(或者在帧平面uq、k上)和连续的帧k，k+1上b、i、k+1(或者在帧平面uq，k+1上)的二进制数值之间的相关是大的。
其中特别是应该考虑源比特的相关。这种方法的基本思想在于，在两个连续帧之间相应的符号不经常变化和因此在传输时出现冗余。在接收方使用APRI-SOVA(A-优先的-软输出-菲特比-算法)-解码器可以使连续的帧之间的相关得到特别好的利用，如果将二进制构成BM这样选择，在连续的帧相应的比特位数的二进制数值之间的相关是大的。
在源控制的信道解码CD时帧-之间-相关，也就是说利用在时间和/或位置相邻的信号采样之间的统计关系。例如为了评估A-优先的-/A-后面的-信息人们可以使用经验的“HUK-算法”，这个算法在“J.Hagenauer，“资源-控制的信道解码”IEEE Trans.Commun.，第43卷，2449-2457页，1995年9月，”中叙述或者使用在Kalman-滤波器基础上的方法进行源控制的信道解码。
在另外的实施变型中由符号序列SY组成的信息是这样构成为具有各自多比特位数b、i的二进制编码字bcw、j的，在错误地被检测的二进制数值中，在被检测的符号以及被输出的源信号QS上的错误是小的。通过适当的二进制构成BM则源信号对信道干扰的反映比一般使用的NBC敏感性小。
也可以想象的实施变型为，在其上二进制构成BM是这样选择的，将上述变型的多种观点考虑为一种妥协形式。
这样在复杂的仿真时特别是使用GBC或者FBC作为二进制构成时是特别有利的，特别是如果符号具有一个灰色的或者一个反-灰色的分布时，这在很多情况下是这种情况。
为了实施上述方法示范性地在一个无线电机上集成了软件控制信号处理器，这个信号处理器用于传输按照上述方法编码和/或解码的信息。

Claims (14)

1．信息编码的方法，在其中，由符号序列(SY)组成的信息是这样构成为具有各自一个多比特位数(b，i)的二进制编码字(bcw，j)的，包含在符号序列(SY)中的冗余信息代表关于一个以及几个比特位数(b，i)的二进制数值的信息。
2．按照权利要求1的方法，在其中，由符号序列(SY)组成的信息是这样构成为具有各自一个多比特位数(b，i)的二进制编码字(bcw，j)的，至少对于一个或几个比特位数(b，i)对应于这个比特位数(b，i)或这些比特位数(b，i)的二进制数值的相对或然率表达出用二进制编码的符号数值(c，j)的相对或然率。
3．按照上述权利要求之一的方法，在其中，由符号序列(SY)组成的信息是这样构成为具有各自一个多比特位数(b，i)的二进制编码字(bcw，j)的，符号数值(c，j)是从属于编码字(bcw，j)的，符号数值有一个大的相对或然率，在一个以及几个比特位数(b0)上有相同的二进制数值。
4．按照上述权利要求之一的方法，在其中，由符号序列(SY)组成的信息是这样构成为具有各自一个多比特位数(b，i)的二进制编码字(bcw，j)的，在连续的帧上相应的比特位数(b，i)的二进制数值之间的相关是大的。
5．按照上述权利要求之一的方法，在其中，由符号序列(SY)组成的信息是这样构成为具有各自一个多比特位数(b，i)的二进制编码字(bcw，j)的，当被错误解码的比特位数(b，i)情况下在被接收的源信号(QS)上的误差是小的。
6．按照上述权利要求之一的方法，在其中，符号序列(SY)是由源编码(QE)起源的。
7．按照上述权利要求之一的方法，在其中，将符号序列(SY)构成为灰色二进制编码的编码字(bcw，j)。
8．按照上述权利要求之一的方法，在其中，将符号序列(SY)构成为折叠的二进制编码的编码字(bcw，j)。
9．用于信息解码的方法，在其中，将信息按照上述权利要求之一编码，和将包括在符号序列(SY)中的冗余信息应用在信息解码上。
10．按照权利要求9的方法，在其中，将包括在符号序列(SY)中的冗余信息作为A-优先的-和/或A-后面的-信息应用在信息解码上。
11．信息传输的方法，在其中，将信息按照权利要求1至8之一进行编码和按照权利要求9至10之一进行解码。
12．信号处理器，具有按照权利要求1至8之一进行信息编码的装置。
13．信号处理器，具有按照权利要求9至10之一进行信息解码的装置。
14．具有信号处理器的无线电设备，具有按照权利要求1至8之一进行信息编码的装置和按照权利要求9至10之一进行信息解码的装置。
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