專利名稱：提供自適應前向糾錯的裝置和方法
技術領域：
本發明總的來說涉及數據通信和數據通信系統及設備，具體地說，涉及在通信系統中用于自適應地提供最佳的前向糾錯的裝置和方法，其中，根據預測的噪聲短脈沖的出現來進行最優化。
一種采用數字編碼視頻、語音和其它數據形式的此類專用通信系統是目前由位于伊利諾斯州、Schaumburg的摩托羅拉公司開發的CableCommTM系統。在CableCommTM系統中，使用混合光纖和同軸電纜來在現有有線電視線路上提供充分的帶寬給接收站，諸如提供給位于(例如)具有有線電視能力的家庭的個人用戶接入單元。同軸和光纖電纜被進一步連接到位于中央位置的光纜終端(稱為“數據轉發器”)，在其上駐留有控制、接收和發射裝置的中央位置。數據轉發器裝置可以連接到任何的網絡或者其它信息源，諸如互聯網、在線服務、電話網絡、和視頻/電影用戶服務。利用CableCommTM系統，可以在下行流方向上將數字數據從數據轉發器發射到單個用戶，或者在上行流方向上從用戶發射到數據轉發器。
在CableCommTM系統的一個實施例中，利用64-正交幅度調制(“QAM”)、以30Mbps(每秒兆比特)的速率，通過具有在88-860MHz的頻譜中的6Mhz的信道上發射下行流數據。預料到存在這樣的不對稱要求相比于上行數據傳輸，在下行方向上要發射顯著的大量數據，為上行數據發射提供較少的容量。在從5-42MHz的頻率帶寬中，在5-42MHz的頻率帶寬中，上行信道利用π/4差分正交相移鍵控(π/4-DQPSK)調制，其中在所述5-42MHz的頻率帶寬中，碼元速率為384k碼元/秒，其中有2比特/碼元。通信系統被設計為具有多點配置，也就是許多終端用戶在上行方向上發射到數據轉發器，一個或多個數據轉發器終端站在下行方向上發射到終端用戶。通信系統被設計為異步傳輸，用戶獨立地發射和接收諸如音頻或文本文件的編碼數字數據的分組。這種數據傳輸類型通常是短脈沖(bursty)，用戶根據輪詢、競爭或其它在數據轉發器建立的協議來在選擇的信道上以不確定的時間間隔來接收或發射數據，而不是在專用或電路交換連接上更多或較少連續地傳輸同步信息流。
對于異步數據傳輸，為了由接收方進行可靠地檢測，將數據組織成可識別的幀或分組將是所希望的。在CableComTM系統中，數據分組報頭包括定時和同步信息以確保精確地接收和解碼數據。定時信息后跟有源信息和應用信息，可以對其進行編碼以達到安全(加密)和檢錯和糾錯。前向糾錯校驗和信息(以比特形式附加到源信息或應用信息上)允許在接收端進行檢錯和糾錯。
傳輸信道的損傷(impairment)和在通信設備中的錯誤不可避免地產生一比特或更多比特的錯誤，(當出現在傳輸字的信息部分中時將是最麻煩的)，因此，最好是在接收端進行檢測，并且如果可能則在接收端在解碼過程中進行糾錯。檢錯和糾錯(稱為前向糾錯)的基本前提是除了信息之外，還傳輸稱為檢驗比特(或校驗字節、校驗和比特或者前向糾錯比特)的附加比特。前向糾錯要求將比僅僅傳輸信息所必需的更多比特附加到傳輸字上，使得能夠在接收端進行檢錯和糾錯處理。
由于包括糾錯信息而出現的一個問題是這種附加增加了整個字或分組大小，增加了數據傳輸的系統開銷，從而相應地降低了數據吞吐量。同樣，由于包括糾錯信息通常增加了系統響應時間或者延遲，因為在接收端解碼校驗和字時進行的檢錯和如果必要時糾錯過程消耗了額外的時間。為了將額外的系統開銷至少限制到一定程度，選擇可以糾正的數據錯誤數目(稱為前向糾錯能力)來滿足通信系統的要求的性能。然而，系統引起的開銷量直接正比于選擇的前向糾錯能力。可能有這樣的情形，諸如低噪聲條件，其中前向糾錯能力“過剩”，因此，通過降低前向糾錯能力可以達到較高的數據吞吐量。但是，糾錯能力不足時，由于糾錯方案不能對傳輸的數據中的錯誤進行糾錯，需要重傳輸不可糾正的字，導致系統的整個吞吐量性能下降。理想地，應用的糾正能力需要與通信信道的損傷等級匹配。已經知道有各種現有技術的方法提供了糾錯能力。然而，這些方法通常僅利用固定的糾錯能力，不考慮信道的特定噪聲條件以及當提供了低噪聲條件時增加數據吞吐量和較低響應等待時間的可能。
由于信道上的損傷或噪聲水平可隨時間變化，要求可修改的和靈活的糾錯能力來提供充分的糾錯，以精確地接收數據，同時使為增加的數據吞吐量的系統開銷最小。轉讓給本發明的受讓人的美國專利5,699,365提供了有限度的自適應和靈活的糾錯能力。在該專利中公開的裝置和方法監視通信信道的參數，然后將實際的參數值與閾值進行比較。如果監視的參數不在閾值之內，將附加程度的前向糾錯加到發射的比特流上。不利的是，這種現有的機制缺少這樣的能力定量地確定在給定通信信道上以給定時間來施加最佳的前向糾錯能力。現有技術集中于修訂前向糾錯參數，得到錯誤項，例如比特錯誤、分組錯誤、幀錯誤等。而且，這種措施通過逐漸地適應新的噪聲條件來達到最好的方案，它沒有對最好的前向糾錯配置進行即時估計。本發明解決了這種問題，其給噪聲進行特征化，且分析噪聲特性以為前向糾錯選擇優化的參數。本發明不是依賴于必須隨時間而變化的傳統反饋控制環路。
如上所述，存在對一種方法和裝置的需要在通信系統中，當通信信道上出現短脈沖或脈沖噪聲時，例如在信道上突然出現然后又突然消失的、具有相對短的持續時間的噪聲時，提供自適應前向糾錯。幾種此類噪聲短脈沖短脈沖可能以快速連續的方式出現，在此之后信道將在一期間內無噪聲。一些現有的技術可能需要相對長的時間來適應噪聲短脈沖短脈沖及在短脈沖過后恢復。根據本發明的裝置和方法確定持續時間以及噪聲短脈沖期間的統計特征，然后確定要求用來克服噪聲影響的最佳前向糾錯參數。因此，本發明提供了在動態變化的噪聲環境中提供改善的前向糾錯。采用統計技術來建立前向糾錯參數，從而改善前向糾錯參數優化(由于改善了噪聲特性)，同時使系統開銷和等待時間最小，因而增加了數據吞吐量。有利地是，本發明的裝置和方法可預測地響應通信信道上的、與噪聲相關的條件的改變，并且根據那些預測來建立最佳的前向糾錯能力。


圖1說明根據本發明教導的通信系統100的方框圖。通信系統100包括主站101(在一個實施例中為主收發機)，經通信介質115連接到多個次級站110，112，114和116(在一個實施例中為收發機)。在優選實施例中，通信介質115為混合光纖和同軸電纜。正如本領域普通技術人員所公知，在其它實施例中，通信介質可以是同軸電纜、光纜、雙絞銅線等，也可以是包括空中、大氣或者用于無線和衛星的通信的空間。主站101也連接到網絡105，其可包括諸如互聯網、在線服務、電話和有線電視網絡、數字分組網絡和其它通信網絡。在其它實施例中，次級站110，112，114和116可以連接到不止一個主站，并且可以進一步通過諸如上面提到的多個通信介質連接到每一個主站。同樣，網絡105并不是本發明所要求的必須部件，因為可以采用其它通信介質115來實現本發明的原理。
在優選實施例中，通信介質115具有或者支持多個通信信道。為了容易進行說明，主站101在其上發射信息信號或者其它數據到諸如次級站114的次級站的通信信道被稱為下行信道。類似地，將次級站114在其上發射信息信號或其它數據到主站101的通信信道稱為上行通信信道。正如本領域普通技術人員所知，上行和下行信道可以是相同的物理信道(例如，通過使用時分或頻分或者碼分多址)或者可以是單獨的物理信道。如上所述，在CableCommTMSystem的優選實施例中，通信介質為混合光線同軸電纜，下行信道的頻譜為88-860MHz，上行信道的頻譜為5-42MHz。
根據本發明的特定應用，主站101可以是簡單的發射機，用于與次級站110，112，114和116中的一個或多個進行點對點或點對多點通信。在另一個實施例中，主站101可以是雙向收發機，用于與次級站110，112，114和116進行點對點或點對多點通信。在主站101是CableCommTMSystem的部件的實施例中，主站101包括多個處理器、存儲單元和發射機，用于與次級站110，112，114和116中的每一個進行雙向通信，以在上行和下行方向上提供不同的信號。多個處理器提供了與上行和下行數據協議相關的功能，諸如發送輪詢消息或確認消息。實質上，處理器控制與主站101相關的各種功能。每一個接收機可包括可從伊利諾斯州的摩托羅拉公司獲得的摩托羅拉68302處理器、摩托羅拉56000系列數字信號處理器、ZIF SYN集成電路、和可從位于加利福尼亞的Milpitas的LSI Logic公司獲得的LSI LogicL64714(Reed-Slomon解碼器)，用于對前向糾錯和循環冗余校驗字節進行解調和解碼。在優選實施例中，同樣根據實現的功能，每一個發射機可包括摩托羅拉68302處理器、摩托羅拉56000系列數字信號處理器、ZIF SYN集成電路、和LSI Logic L64714(Reed-Slomon解碼器)，用于對前向糾錯和循環冗余校驗調制和編碼。因此，如在此的使用，不管專用硬件實現如何以及是否可能實現或不實現的附加特征，主站101可執行所有的數據和其它信號接收和發射功能。最后，主站包括網絡接口設備(其在本技術領域中是公知的)，用于在那些提供了網絡105的實施例中與網絡105連接。可以參考一般轉讓的美國專利5,699,365(如上所述)，得到如在CableCommTMSystem中使用一樣的主站101的附加詳細信息。
同樣，每一個次級站110，112，114和116包括處理器和存儲器單元，用于經通信介質115接收和發送雙向通信。可以將每一個次級站連接到數據終端裝置，用于處理次級站接收到的數字數據。在一個實施例中，次級站110，112，114和116的組件執行這樣的功能，如QAM解調和前向糾錯解碼(用于下行信號)，QPSK調制和前向糾錯編碼(用于上行信號)，和發射電平(level)及頻率調整，而與特定硬件實現無關。在優選實施例中，用于控制次級站110，112，114和116中的每一個的處理器為摩托羅拉的M68302處理器(也就是公知的集成多協議處理器)，包括相關存儲器。處理器連接到Ethernet端口或者RS232接口，用于連接計算機、工作站或其它數據終端裝置。處理器也連接到信道接口單元，用于通過通信介質115進行通信。根據實現的功能，信道接口單元包括摩托羅拉68HC11集成電路、ZIFSYN集成電路、Broadeom BCM 3100 QAMLink集成電路(可從位于加利福尼亞的Irvine的Broadcom公司獲得)、摩托羅拉的TxMod集成電路、和LSI Logic L64711和L64714集成電路，用于執行前述的功能。一般地，可以查閱轉讓的美國專利5,699,365，獲得如在CableCommTMSystem應用中使用的次級站110，112，114和116的附加的詳細細節。
如上所述，在優選的CableCommTMSystem系統中的通信介質的上行信道處于5和42MHz之間的頻率范圍，并且可能易受來自多個噪聲源的干擾影響。類似地，無線通信系統受到以隨機和不可預測的方式干擾信道的噪聲源的影響。優選地，在通信信道上，例如在與優選實施例相關的上行信道上，采用前向糾錯以補償由噪聲引起的數據傳輸錯誤或其它失真。前向糾錯包括糾錯碼，其被附加到信息比特或應用比特上以允許接收機檢測和糾正可能已經在數據傳輸期間出現的一些錯誤類型和大小。諸如次級站112的發射單元從信息數據中生成糾錯碼，并且將糾錯碼附加到信息數據上進行傳輸。諸如主站101的接收單元使用糾錯碼來檢測在信息數據中接收到的錯誤，并且糾正糾錯比特(或字節)的數目所允許的檢測到的錯誤。因此，在接收數據之前，接收單元必須知道在發射機處采用的糾錯碼類型，以在接收機處完成正確地解碼和糾錯。在以固定周期間隔或者以與通信鏈路的質量的改變一致的不規則間隔出現的參數交換消息期間，可以用現有的裝置來完成前向糾錯信息的交換。
本發明的優選實施例允許為前向糾錯優化Reed-Solomn糾錯碼，諸如在上行信道中使用。下行信道使用帶有可變交織器的Reed-Solomn糾錯碼。Reed-Solomn糾錯碼是塊糾錯碼，其中通過固定大小的塊數據來計算糾錯碼。通常，由參數對(n，k)來規定Reed-Solomn碼，其中“n”為碼字大小，“k”為塊大小(也就是信息字節數目)。因此，n字節的碼字由k個信息字節加上n-k個糾錯碼字節組成。可以由Reed-Solomn碼糾錯的最大數目的碼元錯誤(其中，碼元通常是8比特的字節)t＝(n-k)/2。一種經常使用的Reed-Solomn碼為(128，122)碼，其中碼字大小為128字節，每一個碼字包括122個信息字節和6個糾錯碼字節。因此，對這種數據進行操作的解碼器可以糾正128個字節的碼字中的多達三個不同的錯誤字節。顯然，這意味著三個錯誤字節不需要位于連續的字節中。可以將本發明的教導應用到其它的糾錯碼上，諸如其他的塊碼或結合鏈接碼(concatentated code)一起使用的塊碼。
在典型的現有技術的前向糾錯實現中，將前向糾錯參數設定為預定的和固定的值，以補償在通信信道上預見到的噪聲的特定電平。如果噪聲電平增加超過了預期電平，前向糾錯方案將無法糾正所有的傳輸錯誤。因此，必須重新傳輸破壞的數據，或者在最壞的情況下，通信信道不再可用。由于重新傳輸時間，導致數據吞吐量顯著地下降，或者在最壞情況下，數據吞吐量被消除。類似地，如果噪聲電平降低到低于預期電平，由于傳輸了不需要的太多糾錯字節，實際的數據吞吐量將低于信道支持的最大的吞吐量。
建立前向糾錯參數要求平衡糾錯碼所添加的系統開銷量(因為糾錯碼使用本可以用來傳輸信息的帶寬，因而降低了信息吞吐量)和由于信道條件而需要的糾錯數量(其可用于通過避免重傳輸來增加數據吞吐量)。在最佳的情況中，為了使在給定通信信道上的信息吞吐量最大，糾錯碼利用足夠精確的糾錯來不多也不少地補償存在的噪聲電平。太強的糾錯能力將降低吞吐量，因為過多地傳輸了不需要的糾錯碼的系統開銷。不足的前向糾錯能力也降低吞吐量，因為由于重傳輸接收到發生錯誤的信息產生了系統開銷。然而，通信信道上的噪聲電平隨時間而變化，因此，提出在任何給定的時間，選擇比最佳情況少的固定的一組前向糾錯參數。如上所述，一種現有的方法選擇固定的一組前向糾錯參數來補償典型的或預期的噪聲電平，但是當噪聲超過規定的閾值時停止使用通信信道。顯然，在可用的通信信道的數目有限的情況下，這種現有技術的方法使用固定的糾錯碼參數不是最佳的。而且，重要的是使通信裝置(例如，通信系統的接收機)引入的吞吐量延遲或等待時間(latency)最小。例如，可以將輪詢協議中的吞吐量延遲定義為在前向糾錯碼之前發送輪詢消息與接收對在前向糾錯解碼之后的輪詢消息的響應之間的時間。通常，由于用于糾錯編碼和解碼的處理和計算時間要求而導致前向糾錯碼在通信裝置中引入附加的吞吐量延遲。吞吐量延遲量通常正比于碼的糾錯能力。例如，交織/解交織過程引入的延遲正比于交織深度，Reed-Solomn編碼/解碼過程引入的延遲正比于碼字大小和糾錯字節的數目。而且，當利用塊前向糾錯碼時，必須在完成解碼之前接收到整個碼塊，因此，不可能在接收到最后比特之前處理傳輸的第一比特。
如下面更加詳細的介紹，本發明的方法和裝置提供了一種技術，其根據預測的噪聲短脈沖持續時間噪聲短脈沖干擾或出現的速率來改變兩個或多個數據通信站之間的通信信道中的前向糾錯參數。所述噪聲短脈沖的持續時間和速率的預測是根據收集到的采樣值和從接收到的錯誤矢量幅度計算出的統計特征來進行的。當前向糾錯配置參數動態改變時，在接收和發射站之間傳送它們。
將應用了本發明教導的數據流劃分成多個前向糾錯幀，也稱為碼字。每一個碼字被進一步劃分成兩部分將信息傳送到接收站并且在出錯的情況下進行糾正的應用或信息數據，和允許接收站檢測和糾正應用或信息數據中的錯誤的糾錯部分。碼字的糾錯部分也稱為糾正字節、校驗字節、或校驗和。可以通過增加糾錯字節的數目、降低整個碼字長度，或者都執行這些操作來增加任何前向糾錯方案的糾正能力。然而，增加前向糾錯能力，降低了最大的信道數據吞吐量，結果增加了糾錯系統開銷字節的數目。類似地，降低前向糾錯能力，增加了最大的信道數據吞吐量，因為降低了前向糾錯系統開銷。最后，不論何時降低糾錯字節的數目或者碼字長度，都降低等待時間。在速率和噪聲的持續時間突發的理想情況中，在通信信道中的破壞數據比特是事先已知的并且是不變的，兩個前向糾錯參數碼字長度(CW_LENGTH)和糾錯的字節數目(CB_LENGTH)計算如下CW_LENGTH＝(每一個噪聲短脈沖開始之間的比特數目)/8方程(1)CB_LENGTH＝2*(ROUND_UP((每一噪聲短脈沖一比特存在的持續時間)/8+1) 方程(2)根據方程(1)，CW_LENGTH等于噪聲短脈沖短脈沖周期，定義為在連續的短脈沖的開始之間出現的字節數目。使用CW_LENGTH的這個值，確保了每一個碼字僅僅被單個噪聲短脈沖中斷。計算糾錯字節的數目(CB_LENGTH)以確保在噪聲短脈沖持續期間糾正出現的所有錯誤字節，并且在方程(2)中給出。Reed-Solomn前向糾錯算法對整個字節進行操作。如果噪聲短脈沖短脈沖跨越一字節中的單個比特，則認為整個字節被破壞。因此，計算的CB_LENGTH必須考慮沒有確切地開始和結束于字節邊界的噪聲短脈沖短脈沖。(ROUND_UP函數和“+1”糾正此類噪聲/字節失調。)要求乘以兩個因子，因為Reed-Solomn前向糾錯算法要求多達要糾正的信息字節數目的兩倍的多個校驗字節。根據這些方程，通信介質115支持在每一個碼字傳輸期間傳輸(CW_LENGTH-CB_LENGTH)的信息或應用數據，后面有等于CB_LENGTH的糾錯字節的數目。當然，噪聲短脈沖短脈沖持續時間和周期既沒有事先知道，也不是不變的，因此，必須根據本發明的教導對它們進行統計估計。
本發明通過使用接收機的限幅函數(slicer function)(在此，將模擬信號轉換成數字比特流)提供的錯誤矢量幅度(也稱為限幅錯誤)來確定噪聲短脈沖短脈沖的持續時間和周期。錯誤矢量幅度代表與解碼數字信號成模擬信號相關的噪聲引起的錯誤。本質上，該錯誤值代表實際上正確地解碼特定數字比特的不確定性。由于噪聲出現在信道上，總是存在一些可能性由于在傳輸期間引入了加性信道噪聲，被解碼為1的數字比特實際上被傳輸為零。錯誤矢量幅度表示這種錯誤的程度。確定的錯誤矢量幅度值被用來連續地產生更新的統計均值和協方差估計，該估計統計地描述噪聲短脈沖短脈沖的持續時間和周期，這樣的統計被用來計算最佳的前向糾錯參數。在一種實現中，本發明的教導可以將吞吐量效率提高多達25％。雖然該算法要求的錯誤矢量幅度計算不是大多數商業上的成品(COTS)接收機芯片提供的一般度量，存在其它的機會來產生這種度量。特別地，以諸如摩托羅拉56003的可編程數字信號處理器來實現的接收機允許在比特限幅函數期間對錯誤矢量幅度計算進行編程。類似地，在專用集成電路(ASIC)中實現的接收機也允許通過將該函數設計到ASIC中來實現錯誤矢量幅度計算。
根據錯誤矢量幅度，當滿足兩個條件時，聲明噪聲短脈沖短脈沖。首先，錯誤矢量幅度必須超過可能將錯誤引入到數據傳輸系統中的閾值(EVMmax)。錯誤矢量幅度低于閾值，被認為是由噪聲短脈沖短脈沖產生的統計上的不顯著，因此不可能導致在傳輸數據中發生錯誤。值EVMmax被選擇為在通信介質115種采用的調制類型以及系統用戶可以忍受的最大允許誤碼率的函數。例如，如果通信信道使用16QAM調制，且最大允許誤碼率為1×10-6，則最大錯誤矢量幅度將大約為21dB。在通信教材中，包括在Herinrich Meyr，Marc Moeneclaey，和Stefan A.Fechtel所著的，紐約的John Wiley和Sons公司在1998年發表的“Digital Communication Receivers-Synchronization，ChannelEstimation，and Signal Processing”中，可容易地獲得示出用于不同調制類型的誤碼率和錯誤矢量幅度之間的關系的曲線。
其次，測量的錯誤矢量幅度必須反映相對過去值的突然增加。施加這個條件是因為，本發明的前向糾錯算法更好地適合糾正由噪聲引起的短脈沖錯誤，而不是糾正隨機分布的比特錯誤，盡管通過使用本發明得到了對隨機分布的噪聲的一些改進。為了估計是否滿足第二條件，本發明計算錯誤矢量幅度的兩個限幅窗口均值。參見圖2，水平坐標代表時間，每一個垂直散列符號(hash mark)識別收集錯誤矢量幅度的時間。一個限幅窗口代表在沒有噪聲短脈沖短脈沖時的平均值或者期望的錯誤矢量幅度(圖2中，稱為EVMfloor值)。可以在系統啟動時計算這個參數的初始值。如圖所示，在錯誤矢量幅度采樣值n和m-1之間計算EVMfloor值。第二限幅窗口是測試窗口，在此窗口中，平均多個測量到的錯誤矢量幅度以確定是否出現噪聲短脈沖短脈沖(在圖2中，稱為EVMtest值)。在采樣窗口期間，例如在采樣值m和p之間，在給定的采樣時間上沒有出現短脈沖，則使用第m個采樣值來重新計算錯誤矢量幅度場。因此，使用從采樣值(n+1)到采樣值m的EVM值來重新計算EVMfloor值(記住，這是一個平均值)。EVMfloor值的計算是具有固定長度的限幅窗口；當后來的值被加到右邊時，從左邊撤出采樣值。在另一個實施例中，EVMfloor采樣窗口大小是可以變化的。同樣，如果在EVMtest采樣窗口(記住，這也是一個平均值)沒有檢測到噪聲短脈沖短脈沖，則使用采樣值(m+1)，(m+2)...，(p+1)來重新計算EVMtest采樣窗口。兩個限幅窗口持續時間(在其上對值進行平均)可以與單個采樣值一樣長或一樣短。
在本發明的操作中，將在采樣時刻m，(m+1)，(m+2)，...，p確定的每一個EVMtest值與EVMfloor值加上小的△值或協方差值進行比較。也將EVMtest值與上面提到的閾值EVMmax進行比較。如果兩種測試都是肯定的，則聲明存在噪聲短脈沖短脈沖。
一旦聲明了噪聲短脈沖短脈沖，噪聲短脈沖短脈沖(單位為比特)的持續時間和連續短脈沖(單位也為比特)的開始之間的周期被測量作為向右限幅的EVMtest窗口。然后，計算短脈沖持續時間和周期的平均值和協方差，根據上面的方程(1)和(2)來從中導出最佳的CW_LENGTH和CB_LENGTH。特別地，一旦計算了均值和協方差，且為短脈沖持續時間和周期假設了概率密度函數(PDF)(通常使用正態分布)，可以計算將糾正所有短脈沖的CW_LENGTH和CB_LENGTH值的概率。例如，如果希望糾正95％的噪聲錯誤，噪聲持續時間的PDF將得出噪聲持續時間值“X”，對于該值，對應于等于或少于95％的噪聲引起的錯誤。類似地，噪聲到達周期(或噪聲短脈沖短脈沖周期)的PDF將得出噪聲持續時間值“Y”，對于該值，對應于等于或大于95％的周期。然后，根據X和Y值，使用方程(1)和(2)來計算CW_LENGTH和CB_LENGTH。相反，可以選擇希望的置信度，然后，根據均值和協方差值以及假設的概率密度函數來計算CW_LENGTH和CB_LENGTH，以獲得概率。(參見由羅伯特V.霍格和艾洛特A.塔尼斯所著的、由紐約的Macmillan出版社1983年出版的“Probability and Statistical Inference(概率和統計推理)-第二版”的5.3-5.5節，獲得完整的關于置信間隔及其計算的說明。)圖3是采用本發明教導的接收機140的方框圖。通過通信介質115傳送的通信信號被輸入到模擬前端(例如，包括如本領域普通技術人員熟知的濾波器、放大器、調諧器)。從模擬前端輸出的模擬信號142被輸入到信號處理模塊144(例如，包括模數轉換器、匹配濾波器、相位解旋轉器、和比特限幅器)。信號處理器144產生的比特流被輸入到下面將要討論的前向糾錯處理器146。在一個實施例中，均使用數字信號處理器來實現信號處理器144和前向糾錯處理器146。前向糾錯處理器146使用附加到接收的碼字上的校驗和字節來產生并且輸出糾正的比特流。接收機140也確定錯誤矢量幅度值，并且根據本發明的教導來計算最佳的前向糾錯參數。反過來看信號處理器144，從其中將錯誤矢量幅度輸出到短脈沖處理單元148。如圖2所示，在每一采樣時間內，在信號處理器144的比特限幅部分中導出錯誤矢量幅度。將在短脈沖處理單元148內確定的噪聲短脈沖持續時間和短脈沖周期(將在下面進一步的討論)輸入到前向糾錯參數優化器150。下面將結合圖6介紹前向糾錯參數優化器150的詳細情況。給前向糾錯優化器150輸入置信度值，用戶計算最佳參數。優化的前向糾錯參數(CW_LENGTH和CB_LENGTH)被輸入到發射機152，并且被通過通信介質115發射，以實現與接收機140通信的發射機發送的數據流。優化的前向糾錯參數也被輸入到前向糾錯處理器146，以實現對接收到的比特流進行糾正。
圖4和5說明了在短脈沖處理單元148內實現的流程，用于識別短脈沖的出現，確定短脈沖周期(圖4)，和確定短脈沖持續時間(圖5)。下面定義了一些值，也說明了它們在圖4和5中的用途錯誤矢量幅度測試值(EVMtest)在測試窗口內也就是當系統試圖確定是否已經發生噪聲短脈沖短脈沖時的平均錯誤矢量幅度。
錯誤矢量幅度場值(EVMfloor)當沒有噪聲短脈沖短脈沖時的平均錯誤矢量幅度。
錯誤矢量幅度最大值(EVMmax)為了達到規定誤碼率，對于給定的調制類型可以忍受的最大錯誤矢量幅度值。
錯誤矢量幅度短脈沖值(EVMburst)在噪聲短脈沖短脈沖期間的平均錯誤矢量幅度。
Δ防止在圖4的短脈沖搜索狀態和圖5的短脈沖處理狀態之間的不必要的和無效的切換(toggling)的滯后項。
圖4的流程開始于步驟170(表示開始的噪聲短脈沖短脈沖搜索狀態)，后面跟著步驟171，在此，處信號處理器144輸入新的錯誤矢量幅度采樣值(第p個采樣值)。記住，如圖2所示，在每一個采樣值或碼元遞增時得到錯誤矢量幅度采樣值。以信號傳送波特率或碼元速率來計算錯誤矢量幅度采樣值。在一個實施例中，傳送波特率為384千波特，導致錯誤矢量幅度采樣速率為384千波特；然而，可以支持任何的碼元速率，如果在信號處理器144中提供了足夠的功率來支持以這種碼元速率進行計算。然后，流程轉到步驟172，在此步驟，遞增短脈沖周期計數器。短脈沖周期計數器的值代表自上一次短脈沖開始起的采樣或碼元周期的數目。在步驟174，在步驟171輸入的錯誤矢量幅度采樣值被加到先前的錯誤矢量幅度采樣值，并且計算平均值，表示在圖2所示的限幅窗口上的錯誤矢量測試值(平均值)。注意，EVM測試窗口的長度可以僅僅是圖2示出的一個采樣值或者幾個采樣值的平均值。在決定步驟176，將計算出的錯誤矢量幅度測試值和錯誤矢量幅度場平均值(代表通信介質115上沒有噪聲的錯誤矢量平均或預期值)與Δ數值之和進行比較。如果錯誤矢量測試值小于錯誤矢量幅度場與Δ值之和，則沒有噪聲短脈沖，流程轉到步驟178。由于上一個計算出的錯誤矢量幅度值指出沒有發生短脈沖，使用第m個采樣值來更新錯誤矢量幅度場值，且將第n個采樣值從EVMfloor值計算中撤出。然后，流程返回到步驟171以輸入(p+1)采樣值。
如果在確定步驟176的結果是肯定的，則流程流向確定步驟180，在此步驟，將錯誤矢量幅度測試值與錯誤矢量幅度最大值進行比較。建立錯誤矢量幅度最大值以避免當短脈沖小于一些預定的最大值時聲明短脈沖的發生。在一個實施例中，對于以1×10-6的最大允許的誤碼率的16-QAM調制，錯誤矢量最大值大約為21dB。如果在步驟180的結果是否定的，流程返回步驟178，在此更新錯誤矢量幅度場值。
如果在確定步驟180的確定是肯定的，則噪聲開始于第m個采樣值，且在步驟182，記錄或者從短脈沖周期計數器中讀出它。記住，短脈沖周期計數器(見步驟172)存儲代表短脈沖周期的值，即為自前面的短脈沖開始起的逝去的時間。在步驟182獲得的短脈沖周期被輸入到如圖3所示的前向糾錯參數優化器150，用于計算最佳的前向糾錯參數。由于圖4的流程已經檢測到發生短脈沖，在步驟184，初始化短脈沖周期計數器為1。然后，在步驟186，如結合圖5的介紹，將短脈沖持續計數器重設為1，并且在短脈沖持續期間遞增該計數器。在步驟188，通過將錯誤矢量幅度短脈沖值設為等于錯誤矢量幅度測試值，初始化錯誤矢量幅度短脈沖值。如在圖5的流程圖中所介紹，這允許在短脈沖處理狀態期間檢測短脈沖的末尾。最后，在步驟188之后，流程進入如圖5中所述的短脈沖處理狀態190。
圖5的步驟196代表短脈沖處理狀態的開始，在此之后，在步驟197讀取下一個錯誤矢量幅度采樣值。這是緊跟在從圖4的步驟中最后讀出的采樣值之后的采樣值(如果在圖4的步驟171讀出第p個采樣值，則在圖5的步驟197中讀出第p+1個采樣值。在步驟198，遞增存儲代表短脈沖間的時間的值的短脈沖周期計數器。短脈沖周期是從短脈沖的末尾起到下一個短脈沖的開始的逝去的時間。在步驟200，利用來自步驟197的新的錯誤矢量幅度采樣值(p+1)來更新錯誤矢量幅度測試值。在確定步驟202，將錯誤矢量幅度測試值與錯誤矢量幅度脈沖值和Δ值之差進行比較。記住，在圖4的步驟188中，當第一次檢測到短脈沖時(第m個采樣值)，將錯誤矢量幅度短脈沖值初始化為錯誤矢量幅度測試值。如果確定步驟202的結果是肯定的，則錯誤矢量幅度測試值(即，在測試窗口上的平均值)已經相對短脈沖錯誤矢量幅度下降(declined)，指出短脈沖已經結束，且流程轉到步驟206。
如果在步驟202的結果是否定的，流程轉到步驟204，在此，將錯誤矢量幅度測試值與最大錯誤矢量幅度進行比較。記住，最大錯誤矢量幅度取決于調制類型和希望的誤碼率。如果錯誤矢量幅度測試值已經低于最大值，則短脈沖已經結束，且流程轉向步驟206。注意，來自步驟確定步驟202或206的肯定結果表明短脈沖結束，在此之后讀出短脈沖持續值(如在步驟212中的遞增)。這個值代表來自圖3的短脈沖處理單元148的短脈沖持續信號輸出。如步驟208所示，流程返回到圖4的短脈沖搜索狀態。
如果來自確定步驟202和204的結果都是否定的，則噪聲短脈沖還在繼續。因此，在步驟210，更新在短脈沖(EVMburst)期間的錯誤矢量幅度平均值。在步驟212，遞增短脈沖持續計數器，且流程返回開始短脈沖處理狀態196。之后，當短脈沖顯著(extant)時，繼續圖5的處理過程，根據在步驟197、在每一個處理循環中讀出的新的EVM采樣值來更新短脈沖持續計數器和短脈沖周期計數器，以及在短脈沖(EVMburst)期間的平均錯誤矢量幅度。
圖6是說明前向糾錯參數優化器150的運行的流程圖。圖6的流程開始于步驟220，在此之后，流程轉到步驟222，在此，更新與短脈沖持續和短脈沖周期(表示為步驟222的輸入)相關的統計均值和協方差。短脈沖持續時間從圖5的步驟206得到，而短脈沖周期值從圖4的步驟182得到。然后，流程進行到決定步驟224，接收作為輸入的用戶確定的置信度，該置信度表示計算出的前向糾錯能力將糾正在數據傳輸期間出現的所有字節錯誤的可能性。在決定步驟224，確定是否已經獲得足夠多的短脈沖持續時間和短脈沖周期采樣值數目來獲得希望的置信度。讀者可參見紐約的Macmillan出版社在1983年出版的、由羅伯特V.霍格和艾洛特A.塔尼斯所著的“概率和統計推斷—第二版”中的第5.6節“采樣大小(sample size)”，以獲得對如何確定適當的采樣大小的完整說明。如果要求更多的采樣值，流程從決定步驟224返回到開始步驟220，使得可以在計算前向糾錯參數之前收集附加的采樣值。當獲得足夠的采樣值時，流程從決定步驟224轉向步驟226，在此，利用來自步驟222的協方差和均值以及輸入步驟224的置信度，從方程(1)和(2)中計算出碼字長度的糾錯參數和糾錯字節的數目。讀者可參見由羅伯特V.霍格和艾洛特A.塔尼斯所著的、由紐約的Macmillan出版社1983年出版的“Probability andStatistical Inference(概率和統計推理)--第二版”的5.3，5.4和5.5節，獲得完整的關于如何根據協方差、均值和置信度間隔來估計參數的完整說明。如圖3所示那樣，將這些參數傳輸到發射機152。因此，當噪聲信道條件改編時，錯誤矢量幅度將改變，圖4，5和6的流程將改變前向糾錯參數CW_LENGTH和CB_LENGTH，施加到發射的數據流上。
盡管已參考了優選實施例對本發明進行了闡述，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明進行不同的改變和發明中的要素進行等價替換而不背離本發明的范圍。此外，在不背離基本范圍的情況下，可以進行修改本發明的教導以適應特定的應用。因此，本發明不應只限于作為用于試圖實現本發明的最佳模式所公開的特定的實施例，而應當包括所有落入所附權利要求范圍的實施例。
權利要求
1.一種用于自適應確定要施加到在通信信道上傳送的碼字的前向糾錯參數、以及用于檢測和糾正在所述碼字中的某些錯誤的方法，其中所述碼字包括信息部分和糾錯部分，所述方法包括(a)確定表示通信信道上出現噪聲的至少一個統計度量；和(b)根據所述統計度量來建立所述碼字的屬性。
2.如權利要求1中所述方法，其中，所述屬性為所述糾錯部分的長度。
3.如權利要求1的所述方法，其中，從包括所述碼字長度和信息長度的組中選出所述屬性。
4.如權利要求1中所述方法，其中，步驟(a)包括確定第一統計度量，第一統計度量代表在通信信道上出現噪聲短脈沖的周期；確定第二統計度量，第二統計度量代表在通信信道上出現的噪聲短脈沖的持續時間；和其中，所述碼字的屬性基于第一和第二統計度量。
5.如權利要求4中所述方法，其中，第一統計度量為平均噪聲短脈沖周期。
6.如權利要求4中所述方法，其中，第一統計度量為噪聲短脈沖持續時間的均值和協方差。
7.如權利要求4中所述方法，其中，第二統計度量為噪聲短脈沖周期的均值。
8.如權利要求4中所述方法，其中，第二統計度量為噪聲短脈沖持續時間的均值和協方差。
9.如權利要求4中所述方法，其中，第一和第二統計度量是基于多個采樣值，以產生統計上有效的第一和第二統計度量。
10.如權利要求4中所述方法，其中，第一和第二統計度量是基于多個采樣值，以為第一和第二統計度量提供預定的置信度。
11.如權利要求1中所述方法，其中，以調制載波的形式通過通信信道傳送所述碼字，且在將所述載波信號轉換為數字基帶信號的過程中執行步驟(a)。
12.如權利要求1中所述方法，其中，通過發射點和接收點之間的通信信道來傳送所述碼字，其中，在所述發射點實現所述碼字屬性，在所述接收點確定所述至少一個統計度量，且至少一個統計度量被提供作為到發射點的輸入，用于根據所述輸入統計度量來建立所述碼字的屬性。
13.如權利要求1中所述方法，其中，所述步驟(b)包括接收外部提供的置信度，該置信度代表所述建立的碼字允許糾正在所述碼字的信息部分中的錯誤的概率和所述置信度確定的概率相一致。
14.一種自適應地確定用于傳送包括信息部分和糾錯部分的碼字的通信信道的前向糾錯參數的方法，其中，所述通信信道包括接收機，用于響應所述碼字而產生數字信號，其中每一個碼字包括多個數據碼元，且數據碼元值的不確定性為錯誤矢量幅度，所述方法包括(a)確定錯誤矢量幅度場；(b)將所述錯誤矢量幅度場與錯誤矢量幅度值進行比較；(c)在所述錯誤矢量幅度值超過所述錯誤矢量幅度場期間，確定噪聲短脈沖的持續時間；(d)確定連續的噪聲短脈沖之間的周期；和(e)根據所述噪聲短脈沖持續時間和所述噪聲短脈沖周期來確定一個或多個前向糾錯參數。
15.如權利要求14中所述方法，其中，所述錯誤矢量幅度場為在沒有噪聲短脈沖期間的多個錯誤矢量幅度采樣值上的錯誤矢量幅度值的平均值。
16.如權利要求14中所述方法，其中，步驟(b)進一步包括將所述錯誤矢量幅度場與為每一個數據碼元所確定的每一個錯誤矢量幅度值進行比較。
17.如權利要求14中所述方法，其中，所述錯誤矢量幅度值是為多個數據碼元計算的平均錯誤矢量幅度值。
18.如權利要求14中所述方法，其中，所述噪聲短脈沖周期為多個噪聲短脈沖的平均噪聲短脈沖周期。
19.如權利要求14中所述方法，其中，所述噪聲短脈沖持續時間為多個連續噪聲短脈沖的平均噪聲短脈沖持續時間。
20.如權利要求14中所述方法，進一步包括步驟(f)當沒有噪聲短脈沖時，使用所述錯誤矢量幅度值，重新計算錯誤矢量幅度場。
21.一種用于自適應地確定要施加到在第一設備和第二設備之間傳送的碼字的前向糾錯參數的方法，其中所述碼字包括信息部分和糾錯部分，所述方法包括(a)確定表示噪聲可以破壞一個或多個碼字的至少一個統計度量；和(b)根據所述統計度量來建立所述碼字的屬性。
22.如權利要求21中所述方法，其中，從包括所述碼字長度和糾錯部分的長度的組中選出所述屬性。
23.如權利要求21中所述方法，其中，所述統計度量為所述噪聲短脈沖周期的平均值和協方差。
24.如權利要求23中所述方法，其中，所述噪聲短脈沖周期被測量作為連續的噪聲短脈沖的開始之間的時間。
25.如權利要求23中所述方法，其中，所述噪聲短脈沖周期被測量作為連續的噪聲短脈沖的結束之間的時間。
26.如權利要求21中所述方法，其中，所述統計度量為所述噪聲短脈沖持續時間的平均值和協方差。
27.如權利要求21中所述方法，其中，所述第一和第二設備中的每一個有選擇地工作在發射或接收模式，根據所述統計度量來建立所述碼字的屬性的步驟是在所述接收設備處執行，且被傳送到所述發射設備，用于將隨后從所述發射設備傳送來的碼字應用到所述接收設備上。
28.如權利要求27中所述方法，其中，在接收模式中，解碼器接收所述碼字，用于為所述碼字的每一個數據碼元產生所述錯誤矢量幅度值。
29.一種產品，其包括包含計算機可用介質的計算機程序產品，所述計算機可用介質具有為傳送包括信息部分和糾錯部分的碼字的通信信道自適應地確定前向糾錯的計算機可讀代碼，其中所述通信信道包括接收機，其響應通過通信道傳送的信號而產生數字信號，且數據碼元值的不確定性為所述錯誤矢量幅度，所述產品包括用于確定錯誤矢量幅度值的計算機可讀程序代碼模；用于比較所述錯誤矢量幅度場和所述錯誤矢量幅度值的計算機可讀程序代碼模塊；用于當所述錯誤矢量幅度值超過所述錯誤矢量幅度場時，確定噪聲短脈沖的持續時間的計算機可讀程序代碼模塊；確定連續的噪聲短脈沖的周期的計算機可讀程序代碼模塊；用于根據所述噪聲短脈沖持續時間和所述噪聲短脈沖周期，確定一個或多個前向糾錯參數的計算機可讀程序代碼模塊；
30.一種用于自適應地確定將信號從第一發射機傳送到接收機的通信信道的前向糾錯參數的裝置，其中所述信號由碼字以數據碼元的形式調制，且每一個碼字包括信息部分和糾錯部分，其中，在碼字中的數據碼元的不確定性為錯誤矢量幅度，所述裝置包括在接收機處的解調器，用于解調接收到的信號；響應所述解調器輸出信號的信號處理模塊，用于產生碼字，其中所述信號處理模塊進一步產生表示數據碼元值的不確定性的錯誤矢量幅度；響應所述錯誤矢量幅度的噪聲短脈沖處理模塊，所述噪聲短脈沖處理模塊包括(a)確定錯誤矢量幅度場的第一模塊；(b)比較所述錯誤矢量幅度場和錯誤矢量幅度值的第二模塊；(c)在所述錯誤矢量幅度超過所述錯誤矢量幅度場期間，確定噪聲短脈沖的持續時間的第三模塊；(d)確定連續噪聲短脈沖的周期的第四模塊；參數優化器，其響應所述噪聲短脈沖持續時間和所述噪聲短脈沖周期，且進一步響應外面產生的、代表前向糾錯參數將糾正在由所述通信信道上的噪聲引起的所述碼字中的錯誤的概率的置信度，其中，所述參數優化器響應所述置信度、所述噪聲短脈沖持續時間和所述噪聲短脈沖周期，確定前向糾錯參數；第二發射機，用于將所述前向糾錯參數發射到第一發射機，其中，第一發射機實現在所述發射的碼字中的優化的前向糾錯參數。
31.如權利要求30的裝置，其中，從由所述碼字長度和所述糾錯部分長度組成的組中選出所述前向糾錯參數。
全文摘要
本發明公開了一種基于噪聲短脈沖及其發生的速率的自適應前向糾錯技術。利用描述所述噪聲短脈沖持續時間和周期的統計來確定前向糾錯參數。由在解碼過程中計算的錯誤矢量幅度確定噪聲短脈沖的出現、持續時間和周期。
文檔編號H04L1/00GK1479897SQ01820154
公開日2004年3月3日 申請日期2001年11月30日 優先權日2000年12月6日
發明者邁克爾J·庫珀, 邁克爾J 庫珀 申請人:摩托羅拉公司