專利名稱：轉(zhuǎn)移矩陣的形成方法及一種蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)中轉(zhuǎn)移矩陣的形成方法，這種接收機(jī)的硬件實現(xiàn)是基于維特比(viterbi)解碼，系統(tǒng)采用預(yù)置矩陣，系統(tǒng)信號采用了一種或多種卷積編碼規(guī)則。
本發(fā)明還進(jìn)一步涉及到一種數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)，包括維特比解碼轉(zhuǎn)移矩陣計算單元的硬件實現(xiàn)，系統(tǒng)采用預(yù)置矩陣，系統(tǒng)信號采用了一種或多種卷積編碼規(guī)則。
卷積碼是遞歸的，它由有限狀態(tài)編碼器按一種已知的方式產(chǎn)生的，該編碼器的狀態(tài)只取決于代碼的前一個碼元(symbol)。卷積碼的代碼字是代表比特或比特組合的碼元，它可用格構(gòu)(trellis)圖進(jìn)行描述。格構(gòu)圖反映了維特比解碼狀態(tài)與接收碼元之間的互相依賴性(co-dependence)，利用格構(gòu)圖可估計接收的碼元。卷積編碼器可等效成一個m位長的移位寄存器，這樣用一個最高次冪不超過m的多項式就可表示它。這意味著多項式的系數(shù)代表濾波器的抽頭(tap)，這個多項式也稱作卷積碼的產(chǎn)生多項式。利用卷積編碼所帶來的冗余度可減少由信道引起的發(fā)送消息的錯誤，現(xiàn)有技術(shù)對同一個信號的卷積編碼采用了多個產(chǎn)生多項式，這樣傳送的一個比特就成為包含幾個比特組合信息的碼元。
考慮到蜂窩無線系統(tǒng)的工作條件，白噪聲必將對估計產(chǎn)生影響，對一個有限狀態(tài)離散時間的馬爾科夫(markov)過程來說，最佳遞歸算法就是維特比算法。接收信號在蜂窩無線系統(tǒng)基站處或用戶終端上進(jìn)行維特比解碼。接收機(jī)在維特比模塊內(nèi)建立卷積編碼消息的格構(gòu)圖，以計算出基于傳送消息卷積多項式的轉(zhuǎn)移矩陣。在維特比解碼過程中對應(yīng)于傳送信息的碼元被檢測出來，這些碼元代表傳送消息的比特或比特組合。我們已知，維特比算法被用于信號檢測和信號解碼過程中。這個算法由信號產(chǎn)生一個ML序列(最大似然序列)的估計值以及信道解碼功能的軟判決。ML估計包括信號內(nèi)的碼元序列估計。最大似然方法在以下文獻(xiàn)中有所討論P(yáng)roakisJ.G.，Digital Communications，McGraw Hill BookCompany，1989，Chapter4.2，維特比算法的硬件實現(xiàn)在以下刊物中有所討論Fettweis，G.and H.Meyer，High-Speed Parallel Viterbi DecodingAlgorithm and VLSl-Architecture，IEEE Communications Magazine，Vol.29(5)，1991，上述文獻(xiàn)列于此處以供參考。
由于在接收機(jī)允許的處理時間內(nèi)完成維特比算法這一任務(wù)對數(shù)字信號處理程序來說并不那么容易，所以必須采用獨(dú)立的維特比硬件?，F(xiàn)有技術(shù)方案中的硬件模塊是針對特定卷積多項式設(shè)計的，這意味著一旦改變卷積碼的產(chǎn)生多項式，硬件方案就得重新設(shè)計和重新實現(xiàn)。關(guān)于這方面問題的詳細(xì)描述見J.Hagenauer，P.HogherA Viterbi Algorithm with Soft-deision Out put and its Applications，IEEE GLOBECOM1989，Dallas，Texas，November1989，和Digital Communications，byProakis J.G.，McGraw-Hill Book compony，1989，chapters5.3.2，5.3.3及5.3.4，以上文獻(xiàn)列于此處以供參考。
因此，本發(fā)明的一個目的在于實現(xiàn)一種接收機(jī)，它的硬件方案不需因改變了卷積編碼或加入新的卷積多項式而改變。如果轉(zhuǎn)移矩陣計算單元必須考慮到采用不同卷積多項式的可能，那么維特比算法可設(shè)計成可編程的。
簡介中公開的該類方法實現(xiàn)了這一目的，其特征在于，把產(chǎn)生卷積碼的多項式的系數(shù)存入一個或多個存儲裝置中，存儲裝置的內(nèi)容可以重復(fù)改變；用卷積碼產(chǎn)生多項式的系數(shù)屏蔽掉維特比解碼的狀態(tài)，所述系數(shù)存在存儲裝置中，然后形成一比特，用來表明被卷積碼產(chǎn)生多項式系數(shù)屏蔽掉的維特比解碼狀態(tài)的奇偶校驗，所述比特用于控制轉(zhuǎn)移矩陣的形成。
根據(jù)本發(fā)明的一種數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)，其特征在于，包括一個或多個存儲裝置，存儲產(chǎn)生卷積碼的多項式的系數(shù)，并且其內(nèi)容可不斷改變；并且，包括屏蔽裝置，存儲的產(chǎn)生卷積碼的多項式的系數(shù)被用來屏蔽維特比解碼狀態(tài)；并且，包含奇偶校驗裝置以形成一個比特來表明該屏蔽的維特比編碼狀態(tài)的奇偶校驗，這個比特被用于控制生產(chǎn)轉(zhuǎn)移矩陣的比較裝置。
根據(jù)本發(fā)明的方案有很多優(yōu)點。它把維特比解碼器的硬件轉(zhuǎn)移矩陣計算單元設(shè)計為可編程的，這兼取了軟件實現(xiàn)方法和硬件實現(xiàn)方法二者之所長。根據(jù)這個方案，改變ASIC方案中維特比解碼卷積多項式就再不用重新設(shè)計ASIC方案了。在有些情況下這個方案可節(jié)省時間和資金，例如在GSM基站采用新的信道編碼功能時。
本發(fā)明中的這種方法的優(yōu)選實施例以及本發(fā)明的蜂窩無線系統(tǒng)在所附相關(guān)的權(quán)利要求書中也有提出。
下面將參考附圖中的例子進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明，其中

圖1給出了格構(gòu)圖的說明，圖2給出了維特比模塊的重要部分，圖3給出了根據(jù)本發(fā)明的可編程轉(zhuǎn)移矩陣計算單元的結(jié)構(gòu)，圖4給出了根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)移矩陣計算單元的結(jié)構(gòu)，圖5給出了蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)的重要部分。
根據(jù)本發(fā)明的硬件方案可用于接收信號經(jīng)維特比解碼的無線系統(tǒng)中。一種典型的系統(tǒng)可由蜂窩無線系統(tǒng)，尤其是GSM系統(tǒng)代表，這種情況下接收機(jī)可以是基站或用戶終端。
圖1的八狀態(tài)格構(gòu)圖將有助于理解維特比算法的操作。假設(shè)信道估計沖激響應(yīng)有N個碼元，維特比解碼根據(jù)N-1個已知碼元轉(zhuǎn)移到一個已知狀態(tài)。因此，這N個碼元在格構(gòu)圖的狀態(tài)中或轉(zhuǎn)移狀態(tài)中表示出來。所以格構(gòu)圖包含2n-1個狀態(tài)。沖激響應(yīng)通常有五個碼元，因此有16個狀態(tài)(圖1中為清晰起見只給出了8個狀態(tài))。維特比算法在格構(gòu)圖中由左至右進(jìn)行，這代表格構(gòu)圖中事件的時間順序。從每個點，即狀態(tài)，出發(fā)都能到達(dá)兩個點，選擇哪條路徑取決于接收比特。矩陣中的狀態(tài)代表一個窗口，一次只顯示幾個比特，無窮比特序列通常顯示4個比特。每次矩陣從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)時，窗口中出現(xiàn)的比特序列都要丟掉一個比特，同時一個新的接收比特從另一端進(jìn)入該序列。為判決接收比特，在每一點都選擇到達(dá)所述點的路徑中較優(yōu)的一條，并且把這個信息存入存儲器中。除純粹的硬比特判決(0或1)外，也可存儲有關(guān)這個判決大小的信息(即所謂的軟判決)，這樣就增加了格構(gòu)圖中的每一點所需的存儲容量。在本發(fā)明的方案中采用了預(yù)置矩陣，它由系統(tǒng)中產(chǎn)生卷積碼的多項式?jīng)Q定。多項式的數(shù)目決定了多少個傳輸比特對應(yīng)于一個編碼比特，冪次就是多項式的最高次冪。
維特比算法也可用圖2中所示的方框圖來說明。維特比解碼器包括一個轉(zhuǎn)移分支矩陣單元(BMU)21，一個加-比-選單元(ACS)22，一個幸存者存儲單元(SMU)23和一個累加矩陣存儲器(CUM)24.接收數(shù)據(jù)25送入MU21。在每一點，即每一狀態(tài)，BMU21根據(jù)該次傳送的卷積編碼為從兩個可能點進(jìn)入所述點的每條路徑分別計算一個對應(yīng)值。ACS22比較所得的兩個值并選出其中較合適的那個，同時把所述值加到從CUM24得到的和中去，這個值再存入CUM24中以備計算下一列。得到的值也要存到存儲裝置23中去以便跟蹤正確的路徑。CUM24存儲先前為本列所有點計算的值。通過把累加矩陣24置為0可刪除存在那里的所有值，這樣下一次維特比解碼將與前一次無關(guān)。跟蹤正確路徑由存儲單元23以與現(xiàn)有技術(shù)相同的方式在格構(gòu)圖中從左到右進(jìn)行。解碼碼元26從存儲單元23的輸出中獲得。
下面將更加具體地描述本發(fā)明的特定對象，轉(zhuǎn)移矩陣計算單元21，圖3給出了這樣一個單元的方框圖范例。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例的轉(zhuǎn)移矩陣計算單元21包括每個產(chǎn)生卷積碼多項式單獨(dú)的計算單元。系統(tǒng)中用了多少卷積碼，至少就要有同樣多的轉(zhuǎn)移矩陣計算單元(CALC_TR)31，32，33及34。每個轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31，32，33及34的輸入均由維特比解碼狀態(tài)STATE和各個產(chǎn)生卷積碼的多項式POL-0，POL_1，POL_2及POL_3的系數(shù)，還有進(jìn)入維特比解碼的與多項式相關(guān)聯(lián)的接收碼元，這個碼元最好是一個軟判決比特SOFT_BIT0，SOFT_BIT1，SOFT-BIT2及SOFT_BIT3，提供。根據(jù)本發(fā)明的方案，多項式POL_0，POL_1，POL_2及POL_3以可編程方式放入轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31，32，33及34中。如果進(jìn)入維特比解碼的碼元是一個軟判決比特，其優(yōu)點是除了比特攜帶傳輸正確的信息外，它還包含比特值大小的信息。如果不關(guān)心比特判決的大小，這個比特也可看作是硬判決比特。每個轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31，32，33及34的輸出由維特比解碼格構(gòu)圖中代表進(jìn)入每個狀態(tài)的那條可能路徑的比特提供。這樣，輸出就表明了比特“1”的個數(shù)是奇數(shù)還是偶數(shù)。由此輸出奇偶校驗可指明當(dāng)一個新的接收比特由序列另一端進(jìn)入碼元序列時從格構(gòu)圖狀態(tài)(如圖1)的碼元序列中丟棄的那個比特。轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31，32，33及34的輸出的偶組合送入加法器35，輸出奇組合送入加法器36，當(dāng)采用軟判決時，本發(fā)明的優(yōu)選實施例中的這兩個加法器都最簡單地工作于二進(jìn)制互補(bǔ)邏輯。前面提到的加法器計算不同轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31，32，33及34單個轉(zhuǎn)移的和值，因此補(bǔ)償了在某些編碼中傳輸路徑可能出現(xiàn)的錯誤。加法器35，36的輸出送入加-比-選單元22，維特比解碼的其它模塊與現(xiàn)有技術(shù)相同。
圖4更為具體地描述了轉(zhuǎn)移矩陣計算單元的一個實施例。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31包括，存儲裝置41，屏蔽裝置42，奇偶校驗裝置43，轉(zhuǎn)移矩陣產(chǎn)生模塊44和45以及奇偶校驗裝置46。移位寄存器適于用作存儲裝置41。與門適于用作屏蔽裝置。比較裝置44和45控制轉(zhuǎn)移矩陣的形成，當(dāng)采用軟判決時，它們是形成二進(jìn)制互補(bǔ)的互補(bǔ)裝置。奇偶校驗裝置43和46宜采用奇校驗裝置，這樣當(dāng)?shù)竭_(dá)該奇校驗裝置的“1”的個數(shù)為奇數(shù)時，它的輸出為“1”。異或門適于用作奇偶校驗裝置43。
下面將更為具體地用一個例子描述轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31的操作，例子中以多項式F(D)＝D2+1作為產(chǎn)生卷積碼的多項式(圖4中的POL)。此處，F(xiàn)(D)意為以D為變量的函數(shù)F。多項式的一般形式為F(D)＝fn-1Dn-1+fn-2Dn-2+f1D+f0這里fn-1，f0是變量D的系數(shù)。范例中f2為1，f1為0，f0為1，也就是說，矩陣形式(這里為矢量形式)f為f[101]。由此移位寄存器的內(nèi)容就是f，即101，這樣圖4中的LSB(最低有效位)位于最頂端，MSB(最高有效位)位于最底端，如例子中的數(shù)字所示。就編碼而言，借助于與門42，多項式比特被用來從維特比編碼的狀態(tài)中屏蔽掉無效部分，也就是本例中的中間比特0，維特比編碼狀態(tài)由現(xiàn)有比特和接收比特決定。假設(shè)STATE01較普遍。這意味著STATE的LSB(最低有效位)為0，而MSB(最高有效位)為1。因此兩個與門42的輸出就是0。此輸出被送到奇校驗裝置，本例中就是送到異或門46。奇校驗裝置46的輸出COMPeven連到比較裝置45，比較裝置45的輸出將為0，即TReven為0。多項式最高冪次項的系數(shù)由移位寄存器41直接連到異或門43，異或門43的第二個輸入是奇校驗裝置46的輸出。門43的輸出COMPodd連到比較裝置44，比較裝置44的第二輸入為接收碼元SOFT_BIT。比特COMPodd和COMPeven代表格構(gòu)圖由一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個時，對格構(gòu)圖狀態(tài)碼元序列中丟棄的是哪個比特的估計。COMPodd為1，意味著估計從該狀態(tài)丟棄的比特為1，當(dāng)COMPeven為0時，估計丟棄的比特為0。此處用的0可對應(yīng)于二進(jìn)制系統(tǒng)中的0或1，同樣1也可對應(yīng)于二進(jìn)制系統(tǒng)中的0或1，這取決于在發(fā)明的系統(tǒng)中采用的是那種對應(yīng)方式。比較接收比特SOFT_BIT和估計COMPodd及COMPeven就可明白地看出那個估計更接近正確。當(dāng)接收比特SOFT_BIT與軟判決一致時，可計算出估計(COMPodd和COMPeven)和接收比特SOFT_BIT之間的距離，根據(jù)這個距離就可看出更可能接收到了哪個比特。由此可形成轉(zhuǎn)移矩陣。舉例來說，可采用二進(jìn)制互補(bǔ)元件作為比較裝置44和45。如果用了多個產(chǎn)生卷積碼的多項式，檢測就相應(yīng)地采用多個轉(zhuǎn)移矩陣計算單元31，32，33及34，如圖3中所示。
原則上還需與奇偶裝置46相同的一個裝置，以屏蔽狀態(tài)的輸出和產(chǎn)生卷積碼的多項式的系數(shù)作為其輸入。實際上，由于對應(yīng)于多項式最高次冪的狀態(tài)并不存在，所以無需經(jīng)常具有多個輸入的元件，這樣，一個兩輸入的異或門就很適于用作奇偶裝置46的類似裝置，這個異或門的輸入是奇偶校驗裝置46的輸出和對應(yīng)于多項式最高次冪項的系數(shù)。
下面將更加具體地描述本發(fā)明的一種蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)，圖5給出了這樣一個接收機(jī)的重要部分的框圖。接收機(jī)包括一根天線51用來接收信號，并把信號送入DETECTOR52(檢測器)。之后信號繼續(xù)進(jìn)入接收機(jī)的創(chuàng)新部分維特比解碼設(shè)備53(VITERBI DECODING)。維特比解碼之后，信號進(jìn)入接收機(jī)的其它信號處理設(shè)備54(POST PROCESS)。在檢測裝置52中，無線頻率部分通常把信號轉(zhuǎn)換到中頻，然后檢測裝置52把信號由模擬的轉(zhuǎn)換成數(shù)字的。檢測裝置52有可能對信號作進(jìn)一步處理，如過濾信號。通常檢測裝置52進(jìn)一步包括去交織。檢測器52究竟如何工作對本發(fā)明的方案并不重要。維特比解碼裝置53根據(jù)本發(fā)明中維特比解碼采用的轉(zhuǎn)移矩陣形成原則工作，維特比解碼裝置53的輸出就是被解碼的碼元。附圖2，3，4給出了關(guān)于維特比解碼裝置53結(jié)構(gòu)及操作的更為具體的描述。在其它信號處理裝置54中對信號作進(jìn)一步處理，例如源解碼和把信號轉(zhuǎn)換成對用戶合適的形式，比如揚(yáng)聲器的話音。
在本發(fā)明的有利實施例中，有關(guān)系統(tǒng)中使用或?qū)畏N卷積碼的產(chǎn)生多項式的信息通過系統(tǒng)所用的信令傳送到接收機(jī)。這樣就可提供一些方便，例如無論何時系統(tǒng)采用新的卷積碼也不用派一個人帶上安裝設(shè)備去各個基站修改多項式系數(shù)。接收機(jī)接收傳送的多項式并把它存儲到存儲裝置41中去。也可用實際連到接收機(jī)的加載設(shè)備把有關(guān)新多項式的信息送入存儲裝置41中去。
雖然以上對本發(fā)明的描述都參照了附圖中的例子，但很顯然本發(fā)明并不限于某個特定例子，在所附權(quán)利要求書的創(chuàng)新思想范圍內(nèi)可對它作多種修改。
權(quán)利要求
1.一種數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)中轉(zhuǎn)移矩陣的形成方法，接收機(jī)基于維特比解碼的硬件實現(xiàn)，且系統(tǒng)使用了預(yù)置矩陣，信號采用了一種或多種卷積編碼規(guī)則，其特征在于，把產(chǎn)生卷積碼的多項式系數(shù)存入一個或多個存儲裝置(41)中，所述存儲裝置(41)內(nèi)容可重復(fù)改變；用卷積碼的產(chǎn)生多項式的系數(shù)屏蔽維特比解碼的狀態(tài)，所述系數(shù)存于存儲裝置(41)中；以及形成一個代表被卷積碼的產(chǎn)生多項式系數(shù)屏蔽的維特比解碼狀態(tài)的奇偶校驗的比特，所述比特用于控制形成轉(zhuǎn)移矩陣。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，與多個卷積碼的產(chǎn)生多項式相關(guān)的轉(zhuǎn)移矩陣是通過分別計算每個多項式的轉(zhuǎn)移并把這些轉(zhuǎn)移組合起來而得到的。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其特征在于，與多個卷積碼產(chǎn)生多項式相關(guān)的轉(zhuǎn)移之間的組合是通過把奇校驗轉(zhuǎn)移和偶校驗轉(zhuǎn)移分別加起來而實現(xiàn)的。
4.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，形成與每個代碼相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)移矩陣，這樣，接收碼元可與由奇偶校驗裝置通過二進(jìn)制互補(bǔ)形成的估計值進(jìn)行比較。
5.權(quán)利要求1中所述的方法，其特征在于，卷積碼的產(chǎn)生多項式的系數(shù)通過蜂窩無線系統(tǒng)所用的信令傳送，以便把它存到接收機(jī)的存儲裝置(41)中去。
6.一種數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)，包括維特比解碼轉(zhuǎn)移矩陣計算單元(21)的硬件實現(xiàn)，系統(tǒng)采用預(yù)置矩陣，信號采用了一種或多種卷積編碼規(guī)則，其特征在于，該接收機(jī)包括一個或多個存儲裝置(41)，用于保存產(chǎn)生卷積碼的多項式系數(shù)，并且該存儲裝置內(nèi)容可不斷改變；屏蔽裝置(42)，存在該處的產(chǎn)生卷積碼的多項式的系數(shù)用于屏蔽維特比解碼狀態(tài)；奇偶校驗裝置(43和46)，形成一個代表屏蔽維特比解碼狀態(tài)的奇偶校驗的比特，這個比特用于控制形成轉(zhuǎn)移矩陣的比較裝置(44和45)。
7.權(quán)利要求6中所述的接收機(jī)，其特征在于，該接收機(jī)包括多個獨(dú)立的轉(zhuǎn)移矩陣計算單元(31，32，32和34)，每個轉(zhuǎn)移矩陣計算單元都通過分別計算與各多項式相關(guān)的轉(zhuǎn)移而形成一個與該卷積碼多項式相關(guān)的轉(zhuǎn)移矩陣，這個接收機(jī)還包括組合裝置(35和36)，用于把形成的轉(zhuǎn)移組合起來。
8.權(quán)利要求7中所述的接收機(jī)，其特征在于，接收機(jī)中所包含的轉(zhuǎn)移組合裝置(35和36)均為加法器，該加法器把奇校驗轉(zhuǎn)移和偶校驗轉(zhuǎn)移分別加起來。
9.權(quán)利要求6中所述的接收機(jī)，其特征在于，保存卷積碼產(chǎn)生多項式系數(shù)的存儲裝置(41)是一個可編程寄存器。
10.權(quán)利要求6中所述的接收機(jī)，其特征在于，比較裝置(44和46)是一個二進(jìn)制互補(bǔ)電路。
全文摘要
本發(fā)明涉及到在一種數(shù)字蜂窩無線系統(tǒng)接收機(jī)中轉(zhuǎn)移矩陣的形成,該接收機(jī)包括維特比解碼的轉(zhuǎn)移矩陣計算單元的硬件實現(xiàn)。接收機(jī)包括一個移位寄存器(41)用于保存卷積碼的產(chǎn)生多項式的系數(shù)。接收機(jī)還包括屏蔽裝置(42),該屏蔽裝置利用該多項式系數(shù)屏蔽維特比解碼狀態(tài)。此外,接收機(jī)包括奇校驗裝置(43和46),該裝置用于形成被屏蔽的維特比解碼狀態(tài)的校驗比特,該校驗比特控制模塊(44和45)形成轉(zhuǎn)移矩陣。本方案兼取了軟件和硬件實現(xiàn)二者之所長。
文檔編號H03M13/41GK1172560SQ96191764
公開日1998年2月4日 申請日期1996年12月3日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月4日
發(fā)明者奧利·皮雷恩 申請人:諾基亞電信公司