СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ШУМ ПРИ ДЕКОДИРОВАНИИ СВЕРТОЧНЫХ КОДОВ
METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING SIGNAL-TO-NOISE RATIO WHEN DECODING CONVOLUTION CODES

Область техники
Изобретение относится к области систем передачи информации и предназначено для измерения значения отношения сигнал-шум на входе декодера и адаптивного декодирования сверточных кодов с учетом текущего отношения сигнал-шум.
Уровень техники
Сверточное кодирование-декодирование широко используется в спутниковых системах передачи информации, например в каналах передачи данных спутниковых радионавигационных систем (GPS L5, GPS L2C, Galileo), а также в системах передачи дифференциальных поправок с геостационарных спутников (WAAS, EGNOS).
Известны декодеры сверточных кодов, использующие алгоритм декодирования Витерби, например патенты США 4.802.174, 4.905.317, 5.432.803, 5.390.198, заявка на выдачу патента на изобретение RU 2010.123.460.
Недостатком указанных устройств является невозможность формирования оценки текущего значения отношения сигнал-шум на входе декодера.
Наиболее близким к заявленному решению является устройство по патенту США 4.802.174 от 31.01.1989 (G06F 11/10, 371/46).
Его недостатком является невозможность формирования оценки текущего значения отношения сигнал-шум на входе декодера.
Целью заявляемого решения является устранение недостатков известных устройств.
Раскрытие изобретения
Цель заявляемого решения достигается тем, что введен канал измерения текущего значения отношения сигнал-шум, которое может быть использовано для индикации качества канала связи, для формирования сигнала перезапроса пакета данных в каналах с перезапросом, для выбора канала с лучшими показателями качества в многоканальных системах, для синхронизации декодера, для расчета реберных метрик (метрик переходов) в случае, если при декодировании учитываются параметры плотности распределения условных вероятностей, и для прочих нужд.
Предлагаемые способ и устройство основываются на существующей зависимости среднего числа несовпадений с максимально правдоподобной оценкой в каждом столбце матрицы памяти путей от отношения сигнал-шум на входе декодера.
Данные способ и устройство отличаются:
- от устройств, учитывающих разность путевых метрик, тем, что обеспечивают независимость показаний от амплитуды входного сигнала;
- от устройств с прямым оцениванием вероятности ошибки в канале (BER monitor) тем, что обеспечивают более широкий диапазон оцениваемых значений как в области больших, так и в области малых отношений сигнал-шум.
Известные способы реализации декодера сверточных кодов (декодера Витерби) включают следующие операции:
- при подготовке к декодированию заполняют матрицу метрик переходов, матрицу памяти минимальных метрик путей, матрицу метрик путей и матрицу памяти путей, задают пороговое значение отношения сигнал-шум,
а декодирование производят, принимая поступающие в декодер блоки символов и обрабатывая их в декодере в следующем порядке:
- принимают блок символов,
- вычисляют матрицу метрик переходов, матрицу метрик путей, матрицу памяти путей и матрицу памяти минимальных метрик путей,
- формируют выходной информационный символ декодера,
- при наличии на входе декодера следующего блока канальных символов - осуществляют его прием и обработку, а при отсутствии - завершают декодирование.
Заявляемый способ оценки отношения сигнал-шум на входе декодера Витерби отличается тем, что:
- для выбранных столбцов памяти путей определяют функциональные зависимости от отношения сигнал-шум относительного числа несовпадений символов с наиболее правдоподобным символом в заданном столбце матрицы памяти путей,
- на основе данных матрицы памяти путей вычисляют текущую оценку отношения сигнал-шум,
- формируют бинарный контрольный сигнал декодера,
- если бинарный контрольный сигнал декодера равен логической «1» - заполняют новыми значениями матрицу метрик переходов, матрицу памяти минимальных метрик путей, матрицу метрик путей и матрицу памяти путей.
Известные декодеры Витерби с каналом оценки текущего отношения сигнал-шум включают в себя последовательно соединенные:
- блок вычисления метрик переходов,
- блок расчета метрик и памяти путей,
- блок формирования информационного символа,
а также подключенные к блоку расчета метрик и памяти путей
- память минимальных метрик путей,
- память метрик путей и
- память путей,
- блок оценки отношения сигнал-шум,
причем входом устройства является вход блока вычисления метрик переходов, а выходом - выход блока формирования информационного символа.
В заявляемом устройстве в отличие от известных декодеров первый вход блока оценки отношения сигнал-шум соединен со вторым выходом памяти путей, второй вход блока оценки отношения сигнал-шум соединен с пятым выходом блока расчета метрик и памяти путей, а первый выход блока оценки отношения сигнал-шум соединен с первым управляющим входом блока вычисления метрик переходов и управляющим входом блока расчета метрик и памяти путей, второй выход блока оценки отношения сигнал-шум соединен со вторым управляющим входом блока вычисления метрик переходов и является вторым выходом декодера, на который при его работе выдается сигнал, соответствующий оценке текущего отношения сигнал-шум.
Описание рисунков
На Фиг.1 приведена структурная схема заявленного устройства.
На Фиг.2 приведен вариант технической реализации блока оценки отношения сигнал-шум (7).
Фиг.3 поясняет логику использования данных из памяти путей для оценки числа несовпадений в каждом столбце матрицы памяти путей и порядок подключения входов блоков комбинационной логики (7.1.х) к ячейкам памяти путей (6).
b
0
n
На Фиг.4 приведен график зависимости, связывающей битовое отношение сигнал-шум (E/N) с нормированным средним числом бит m/М, не совпадающих с наиболее правдоподобным значением, для различных столбцов матрицы памяти путей (n=5…115). Нумерация столбцов производится от крайнего правого столбца, соответствующего текущему моменту времени.
На Фиг.5 представлены амплитудные характеристики нелинейных преобразователей (7-3.х).
Осуществление изобретения
В известных способах реализации декодера Витерби выполняют следующие операции:
- при подготовке к декодированию заполняют матрицу метрик переходов, матрицу памяти минимальных метрик путей, матрицу метрик путей и матрицу памяти путей, задают пороговое значение отношения сигнал-шум,
а декодирование производят, принимая поступающие в декодер блоки символов и обрабатывая их в декодере в следующем порядке:
- принимают блок символов,
- вычисляют матрицу метрик переходов, матрицу метрик путей, матрицу памяти путей и матрицу памяти минимальных метрик путей,
- формируют выходной информационный символ декодера,
- при наличии на входе декодера следующего блока канальных символов - осуществляют его прием и обработку, а при отсутствии - завершают декодирование.
Заявляемый способ отличается от известных тем, что:
- для выбранных столбцов памяти путей определяют функциональные зависимости от отношения сигнал-шум относительного числа несовпадений символов с наиболее правдоподобным символом в заданном столбце матрицы памяти путей,
- на основе данных матрицы памяти путей вычисляют текущую оценку отношения сигнал-шум,
- формируют бинарный контрольный сигнал декодера,
- если бинарный контрольный сигнал декодера равен логической «1» - заполняют новыми значениями матрицу метрик переходов, матрицу памяти минимальных метрик путей, матрицу метрик путей и матрицу памяти путей.
Вариантом реализации заявленного способа является способ, в котором оценку текущего отношения сигнал-шум вычисляют следующим образом:
- задают интервал времени усреднения,
- для выбранных столбцов памяти путей вычисляют относительное количество символов, не совпадающих с наиболее правдоподобным значением, получаемым из блока расчета метрик и памяти путей,
- для выбранных столбцов памяти путей находят среднее на заданном интервале значение оценки относительного количества символов, не совпадающих с наиболее правдоподобным значением,
- по найденному среднему значению относительного числа несовпадений с использованием полученной ранее функциональной зависимости относительного числа несовпадений символов с наиболее правдоподобным символом от отношения сигнал-шум находят величину оценки отношения сигнал-шум для каждого выбранного столбца памяти путей,
- рассчитывают среднее значение оценки отношения сигнал-шум по всем выбранным столбцам памяти путей, которое является текущей оценкой отношения сигнал-шум.
Следующим вариантом реализации заявленного способа является способ, в котором бинарный контрольный сигнал формируют, проводя проверку превышения величиной текущей оценки отношения сигнал-шум заданного порогового значения, при этом в случае превышения - формируют контрольный сигнал "1", а при отсутствии превышения - сигнал "0", если бинарный контрольный сигнал декодера равен логической «1», то осуществляют обнуление и новое вычисление оценки среднего на заданном интервале значения относительного количества символов, не совпадающих с наиболее правдоподобным значением.
Известные декодеры Витерби могут быть реализованы (Фиг.1) в виде последовательно соединенных
- блока вычисления метрик переходов (1),
- блока расчета метрик и памяти путей (2),
- блока формирования информационного символа (3).
К блоку расчета метрик и памяти путей (2) подключены:
- память минимальных метрик путей (4),
- память метрик путей (5),
- память путей (6),
- блок оценки отношения сигнал-шум (7),
причем входом устройства является вход блока вычисления метрик переходов (1), а выходом - выход блока формирования информационного символа (3).
b
b
0
2
В заявляемом устройстве первый вход (7.А) блока оценки отношения сигнал-шум (7) соединен со вторым выходом памяти путей (6.В), второй вход блока оценки отношения сигнал-шум (7.В) соединен с пятым выходом (2.Е) блока расчета метрик и памяти путей (2), а первый выход (7.С) блока оценки отношения сигнал-шум (7) соединен с первым управляющим входом (1.А) блока вычисления метрик переходов (1) и управляющим входом блока расчета метрик и памяти путей (2), второй выход (7.D) блока оценки отношения сигнал-шум (7) соединен со вторым управляющим входом (1.В) блока вычисления метрик переходов (1) и является вторым выходом декодера, на который при его работе выдается сигнал, соответствующий оценке текущего отношения сигнал-шум h =E/N.
Вариантом реализации заявленного устройства является устройство, в котором блок оценки отношения сигнал-шум (7) выполнен в виде последовательно соединенных (Фиг.2):
K-1
- N-канального блока (7.1) определителей числа несовпадений (7.1.х), при этом первый вход каждого определителя числа несовпадений (7.1.х) является многоканальным и число каналов равно числу состояний сверточного кодера M=2, где K - длина кодового ограничения используемого кода, а второй вход (7.В) - одноканальным, все вторые входы определителей числа несовпадений соединены вместе и представляют второй вход (7.В) блока оценки отношения сигнал-шум, первым входом (7.А) которого является набор из N первых М-канальных входов определителей числа несовпадений,
- N-канального блока (7.2) элементов усреднения (7.2.х),
- N-канального блока (7.3) нелинейных преобразователей (7.3.х),
- сумматора (7.4),
- делителя (7.6),
- порогового устройства (7.7), а также
- блока определения числа каналов (7.5),
b
b
0
2
причем выход каждого нелинейного преобразователя (7.3.х) соединен с соответствующим входом блока определения числа каналов (7.5), а выход блока определения числа каналов (7.5) соединен со вторым входом делителя (7.6), выход порогового устройства (7.7) соединен с управляющими входами элементов усреднения (7.2.х) и является первым выходом (7.С) блока оценки отношения сигнал-шум (7), на который при его работе выдается бинарный контрольный сигнал, являющийся признаком аномальной работы декодера, а вторым выходом (7.D) блока оценки отношения сигнал-шум (7) является выход делителя (7.6), на который при его работе выдается сигнал, соответствующий оценке текущего отношения сигнал-шум h =E/N.
Заявленное устройство работает следующим образом. Предполагается, что в матрице памяти путей в каждой ячейке хранится бинарный символ, соответствующий текущей оценке информационного символа, приводящего декодер в соответствующее состояние на решетчатой диаграмме.
На вход блока вычисления метрик переходов (1) на каждом такте поступает набор принятых канальных символов, в соответствии с которым в данном блоке происходит вычисление метрик переходов (реберных метрик) для решетчатой диаграммы. При этом расчет метрик переходов осуществляется с учетом плотности распределения условных вероятностей, дисперсия которой определяется на основе оцененного значения отношения сигнал-шум на входе декодера.
Рассчитанные метрики переходов поступают на информационный вход блока расчета метрик и памяти путей (2), в котором в соответствии с алгоритмом Витерби происходит пересчет данных, хранящихся в памяти минимальных метрик путей (4), памяти метрик путей (5) и памяти путей (6). Затем с использованием данных памяти путей (6) в блоке формирования информационного символа (3) происходит принятие решения о значении декодированного информационного символа.
Блок оценки отношения сигнал-шум (7) на основе данных, получаемых из памяти путей (6) и блока расчета метрик и памяти путей (2), рассчитывает оценку текущего значения отношения сигнал-шум на входе декодера, которая выдается на выход (7.D), и признак аномально низкого отношения сигнал-шум (аномальной работы декодера), который выдается на выход (7.С).
K-1
В блоке оценки отношения сигнал-шум (7) бинарные данные, соответствующие содержанию ячеек выбранных столбцов матрицы путей (Фиг.3), подаются на соответствующие входы определителей числа несовпадений (7.1.х), где х=1…N и N<L, L - максимальная глубина истории декодирования (окно декодирования), которой соответствует общее количество столбцов в матрице путей. Количество первых информационных входов каждого определителя числа несовпадений равно числу состояний на решетчатой диаграмме M=2, где K - длина кодового ограничения используемого кода.
Количество и номера столбцов матрицы памяти путей, используемых для оценки отношения сигнал шум, выбираются исходя из соображений приемлемой сложности технической реализации и требуемой точности оценки отношения сигнал-шум. Целесообразно номер первого используемого столбца памяти путей выбирать больше, чем минимально возможная длина истории декодирования, на которой все пути декодирования сходятся.
На второй вход (7.В) всех определителей числа несовпадений (7.1-х) из блока расчета метрик и памяти путей (2) поступает номер строки, соответствующей максимально правдоподобному пути, то есть имеющей минимальную суммарную метрику на текущий момент времени.
В каждом определителе числа несовпадений (7.1.х) на основе значений соответствующего столбца памяти путей (6) осуществляется подсчет количества ячеек этого столбца, значение которых на совпадает со значением, хранящимся в ячейке этого столбца с номером строки, соответствующим номеру MaxLLH максимально правдоподобного пути. Пример расчета количества несовпадений приведен на Фиг.3 (внизу рисунка).
Полученные на каждом шаге выходные значения определителей числа несовпадений (7.1.х) подвергаются усреднению с использованием, например, алгоритма скользящего окна в N-канальном блоке (7.2) элементов усреднения (7.2.х). Управляющие входы элементов усреднения (7.2.х) соединены вместе и служат для сброса элементов усреднения в случае фиксации аномального режима работы декодера. Величина интервала усреднения обычно выбирается больше, чем максимальная глубина истории декодирования L.
n
Выходы элементов усреднения (7.2.х) соединены с соответствующими входами N-канального блока (7.3) нелинейных преобразователей (7.3.х). Каждый нелинейный преобразователь (7.3.х) пересчитывает усредненное значение количества несовпадений, сформированное на выходах элементов усреднения (7.2.х) в оценку отношения сигнал-шум на входе декодера. Для осуществления такого пересчета могут быть использованы зависимости нормированного среднего числа бит m/M, не совпадающих с наиболее правдоподобным значением, от отношения сигнал-шум, представленные на Фиг.4 для различных столбцов матрицы памяти путей (n=5…115). Эта зависимость может быть получена экспериментально или на основе моделирования для каждого типа декодера и для необходимых столбцов памяти путей.
При технической реализации данные зависимости используются для расчета амплитудных характеристик нелинейных преобразователей (7.3.х), примеры которых приведены на Фиг.5.
n
n
В соответствии с Фиг.5 на выходе каждого нелинейного преобразователя (7.3.х) может быть либо нулевое значение, если входной сигнал вышел за пределы заданного диапазона рабочих значений, либо соответствующая оценка отношения сигнал-шум. Для обеспечения измерения больших отношений сигнал-шум амплитудная характеристика первого нелинейного преобразователя (7.3.1) в области малых значений m/M принимается равной не нулю, а постоянному значению, численно равному отношению сигнал-шум для нижней границы диапазона изменения значений m/M для данного канала (см. Фиг.5).
Для усреднения оценок отношения сигнал-шум, полученных по различным каналам, сигналы с выходов нелинейных преобразователей (7.3.х) суммируются в сумматоре (7.4) и делятся в делителе (7.6) на число каналов, выходной сигнал которых отличен от нуля. Число каналов, выходной сигнал которых отличен от нуля, определяется в блоке определения числа каналов (7.5).
Выход делителя является вторым выходом (7.D) блока оценки отношения сигнал-шум (7), соединен с вторым управляющим входом (1.В) блока вычисления метрик переходов (1) и является вторым выходом декодера, на который при его работе выдается сигнал, соответствующий оценке текущего отношения сигнал-шум.
Примем для определенности уровень логической «1» активным логическим уровнем, а уровень логического «0» неактивным логическим уровнем. Пороговое устройство (7.7) формирует на своем выходе логический уровень «1», в случае, если значение оценки отношения сигнал-шум на его входе ниже заданного порога, если же значение отношения сигнал-шум выше порогового, то на выходе порогового устройства (7.7) будет сформирован логический уровень «0».
Таким образом, фиксируется факт критически большой глубины истории декодирования, на которой все пути декодирования сходятся, свидетельствующий либо о появлении ошибок, кратность которых превышает корректирующую способность кода, либо о неправильной синхронизации.
Сигнал с выхода порогового устройства (7.7) поступает на управляющие входы элементов усреднения (7.2.х), где в случае логического уровня «1» на этих входах осуществляется их сброс и установка нулевого значения выходного сигнала.
Одновременно сигнал с выхода порогового устройства (7.7) поступает на первый выход (7.С) блока оценки отношения сигнал-шум (7) и затем на первый управляющий вход (1.А) блока вычисления метрик переходов (1) и на управляющий вход блока расчета метрик и памяти путей (2).
Блок вычисления метрик переходов (1) по логическому уровню «1» на первом управляющем входе (1.А) для обеспечения синхронизации осуществляет пропуск одного отсчета во входном потоке.
Блок расчета метрик и памяти путей (2) по уровню «1» на своем управляющем входе производит инициализацию (установку в нулевое состояние) значений в памяти минимальных метрик путей (4), в памяти метрик путей (5) и в памяти путей декодирования (6). После чего процедура декодирования начинается сначала.
Также возможно использование сигнала с первого выхода (7.С) блока оценки отношения сигнал-шум (7) внешними блоками, например для оптимизации процедуры приема, в частности для фиксации того, что текущий и ряд последующих бит с выхода декодера некорректны.
Заявляемые технические решения позволяют формировать оценку текущего значения отношения сигнал-шум на входе декодера, что устраняет недостатки известных решений и может быть использовано для проверки качества канала связи, формирования сигнала перезапроса пакета данных в каналах с перезапросом, выбора канала с лучшими показателями качества в многоканальных системах, для синхронизации декодера, расчета реберных метрик (метрик переходов) в случае, если при декодировании учитываются параметры плотности распределения условных вероятностей, и для прочих нужд.