专利名称：提供自适应前向纠错的装置和方法
技术领域：
本发明总的来说涉及数据通信和数据通信系统及设备，具体地说，涉及在通信系统中用于自适应地提供最佳的前向纠错的装置和方法，其中，根据预测的噪声短脉冲的出现来进行最优化。
一种采用数字编码视频、语音和其它数据形式的此类专用通信系统是目前由位于伊利诺斯州、Schaumburg的摩托罗拉公司开发的CableCommTM系统。在CableCommTM系统中，使用混合光纤和同轴电缆来在现有有线电视线路上提供充分的带宽给接收站，诸如提供给位于(例如)具有有线电视能力的家庭的个人用户接入单元。同轴和光纤电缆被进一步连接到位于中央位置的光缆终端(称为“数据转发器”)，在其上驻留有控制、接收和发射装置的中央位置。数据转发器装置可以连接到任何的网络或者其它信息源，诸如互联网、在线服务、电话网络、和视频/电影用户服务。利用CableCommTM系统，可以在下行流方向上将数字数据从数据转发器发射到单个用户，或者在上行流方向上从用户发射到数据转发器。
在CableCommTM系统的一个实施例中，利用64-正交幅度调制(“QAM”)、以30Mbps(每秒兆比特)的速率，通过具有在88-860MHz的频谱中的6Mhz的信道上发射下行流数据。预料到存在这样的不对称要求相比于上行数据传输，在下行方向上要发射显著的大量数据，为上行数据发射提供较少的容量。在从5-42MHz的频率带宽中，在5-42MHz的频率带宽中，上行信道利用π/4差分正交相移键控(π/4-DQPSK)调制，其中在所述5-42MHz的频率带宽中，码元速率为384k码元/秒，其中有2比特/码元。通信系统被设计为具有多点配置，也就是许多终端用户在上行方向上发射到数据转发器，一个或多个数据转发器终端站在下行方向上发射到终端用户。通信系统被设计为异步传输，用户独立地发射和接收诸如音频或文本文件的编码数字数据的分组。这种数据传输类型通常是短脉冲(bursty)，用户根据轮询、竞争或其它在数据转发器建立的协议来在选择的信道上以不确定的时间间隔来接收或发射数据，而不是在专用或电路交换连接上更多或较少连续地传输同步信息流。
对于异步数据传输，为了由接收方进行可靠地检测，将数据组织成可识别的帧或分组将是所希望的。在CableComTM系统中，数据分组报头包括定时和同步信息以确保精确地接收和解码数据。定时信息后跟有源信息和应用信息，可以对其进行编码以达到安全(加密)和检错和纠错。前向纠错校验和信息(以比特形式附加到源信息或应用信息上)允许在接收端进行检错和纠错。
传输信道的损伤(impairment)和在通信设备中的错误不可避免地产生一比特或更多比特的错误，(当出现在传输字的信息部分中时将是最麻烦的)，因此，最好是在接收端进行检测，并且如果可能则在接收端在解码过程中进行纠错。检错和纠错(称为前向纠错)的基本前提是除了信息之外，还传输称为检验比特(或校验字节、校验和比特或者前向纠错比特)的附加比特。前向纠错要求将比仅仅传输信息所必需的更多比特附加到传输字上，使得能够在接收端进行检错和纠错处理。
由于包括纠错信息而出现的一个问题是这种附加增加了整个字或分组大小，增加了数据传输的系统开销，从而相应地降低了数据吞吐量。同样，由于包括纠错信息通常增加了系统响应时间或者延迟，因为在接收端解码校验和字时进行的检错和如果必要时纠错过程消耗了额外的时间。为了将额外的系统开销至少限制到一定程度，选择可以纠正的数据错误数目(称为前向纠错能力)来满足通信系统的要求的性能。然而，系统引起的开销量直接正比于选择的前向纠错能力。可能有这样的情形，诸如低噪声条件，其中前向纠错能力“过剩”，因此，通过降低前向纠错能力可以达到较高的数据吞吐量。但是，纠错能力不足时，由于纠错方案不能对传输的数据中的错误进行纠错，需要重传输不可纠正的字，导致系统的整个吞吐量性能下降。理想地，应用的纠正能力需要与通信信道的损伤等级匹配。已经知道有各种现有技术的方法提供了纠错能力。然而，这些方法通常仅利用固定的纠错能力，不考虑信道的特定噪声条件以及当提供了低噪声条件时增加数据吞吐量和较低响应等待时间的可能。
由于信道上的损伤或噪声水平可随时间变化，要求可修改的和灵活的纠错能力来提供充分的纠错，以精确地接收数据，同时使为增加的数据吞吐量的系统开销最小。转让给本发明的受让人的美国专利5,699,365提供了有限度的自适应和灵活的纠错能力。在该专利中公开的装置和方法监视通信信道的参数，然后将实际的参数值与阈值进行比较。如果监视的参数不在阈值之内，将附加程度的前向纠错加到发射的比特流上。不利的是，这种现有的机制缺少这样的能力定量地确定在给定通信信道上以给定时间来施加最佳的前向纠错能力。现有技术集中于修订前向纠错参数，得到错误项，例如比特错误、分组错误、帧错误等。而且，这种措施通过逐渐地适应新的噪声条件来达到最好的方案，它没有对最好的前向纠错配置进行即时估计。本发明解决了这种问题，其给噪声进行特征化，且分析噪声特性以为前向纠错选择优化的参数。本发明不是依赖于必须随时间而变化的传统反馈控制环路。
如上所述，存在对一种方法和装置的需要在通信系统中，当通信信道上出现短脉冲或脉冲噪声时，例如在信道上突然出现然后又突然消失的、具有相对短的持续时间的噪声时，提供自适应前向纠错。几种此类噪声短脉冲短脉冲可能以快速连续的方式出现，在此之后信道将在一期间内无噪声。一些现有的技术可能需要相对长的时间来适应噪声短脉冲短脉冲及在短脉冲过后恢复。根据本发明的装置和方法确定持续时间以及噪声短脉冲期间的统计特征，然后确定要求用来克服噪声影响的最佳前向纠错参数。因此，本发明提供了在动态变化的噪声环境中提供改善的前向纠错。采用统计技术来建立前向纠错参数，从而改善前向纠错参数优化(由于改善了噪声特性)，同时使系统开销和等待时间最小，因而增加了数据吞吐量。有利地是，本发明的装置和方法可预测地响应通信信道上的、与噪声相关的条件的改变，并且根据那些预测来建立最佳的前向纠错能力。
图1说明根据本发明教导的通信系统100的方框图。通信系统100包括主站101(在一个实施例中为主收发机)，经通信介质115连接到多个次级站110，112，114和116(在一个实施例中为收发机)。在优选实施例中，通信介质115为混合光纤和同轴电缆。正如本领域普通技术人员所公知，在其它实施例中，通信介质可以是同轴电缆、光缆、双绞铜线等，也可以是包括空中、大气或者用于无线和卫星的通信的空间。主站101也连接到网络105，其可包括诸如互联网、在线服务、电话和有线电视网络、数字分组网络和其它通信网络。在其它实施例中，次级站110，112，114和116可以连接到不止一个主站，并且可以进一步通过诸如上面提到的多个通信介质连接到每一个主站。同样，网络105并不是本发明所要求的必须部件，因为可以采用其它通信介质115来实现本发明的原理。
在优选实施例中，通信介质115具有或者支持多个通信信道。为了容易进行说明，主站101在其上发射信息信号或者其它数据到诸如次级站114的次级站的通信信道被称为下行信道。类似地，将次级站114在其上发射信息信号或其它数据到主站101的通信信道称为上行通信信道。正如本领域普通技术人员所知，上行和下行信道可以是相同的物理信道(例如，通过使用时分或频分或者码分多址)或者可以是单独的物理信道。如上所述，在CableCommTMSystem的优选实施例中，通信介质为混合光线同轴电缆，下行信道的频谱为88-860MHz，上行信道的频谱为5-42MHz。
根据本发明的特定应用，主站101可以是简单的发射机，用于与次级站110，112，114和116中的一个或多个进行点对点或点对多点通信。在另一个实施例中，主站101可以是双向收发机，用于与次级站110，112，114和116进行点对点或点对多点通信。在主站101是CableCommTMSystem的部件的实施例中，主站101包括多个处理器、存储单元和发射机，用于与次级站110，112，114和116中的每一个进行双向通信，以在上行和下行方向上提供不同的信号。多个处理器提供了与上行和下行数据协议相关的功能，诸如发送轮询消息或确认消息。实质上，处理器控制与主站101相关的各种功能。每一个接收机可包括可从伊利诺斯州的摩托罗拉公司获得的摩托罗拉68302处理器、摩托罗拉56000系列数字信号处理器、ZIF SYN集成电路、和可从位于加利福尼亚的Milpitas的LSI Logic公司获得的LSI LogicL64714(Reed-Slomon解码器)，用于对前向纠错和循环冗余校验字节进行解调和解码。在优选实施例中，同样根据实现的功能，每一个发射机可包括摩托罗拉68302处理器、摩托罗拉56000系列数字信号处理器、ZIF SYN集成电路、和LSI Logic L64714(Reed-Slomon解码器)，用于对前向纠错和循环冗余校验调制和编码。因此，如在此的使用，不管专用硬件实现如何以及是否可能实现或不实现的附加特征，主站101可执行所有的数据和其它信号接收和发射功能。最后，主站包括网络接口设备(其在本技术领域中是公知的)，用于在那些提供了网络105的实施例中与网络105连接。可以参考一般转让的美国专利5,699,365(如上所述)，得到如在CableCommTMSystem中使用一样的主站101的附加详细信息。
同样，每一个次级站110，112，114和116包括处理器和存储器单元，用于经通信介质115接收和发送双向通信。可以将每一个次级站连接到数据终端装置，用于处理次级站接收到的数字数据。在一个实施例中，次级站110，112，114和116的组件执行这样的功能，如QAM解调和前向纠错解码(用于下行信号)，QPSK调制和前向纠错编码(用于上行信号)，和发射电平(level)及频率调整，而与特定硬件实现无关。在优选实施例中，用于控制次级站110，112，114和116中的每一个的处理器为摩托罗拉的M68302处理器(也就是公知的集成多协议处理器)，包括相关存储器。处理器连接到Ethernet端口或者RS232接口，用于连接计算机、工作站或其它数据终端装置。处理器也连接到信道接口单元，用于通过通信介质115进行通信。根据实现的功能，信道接口单元包括摩托罗拉68HC11集成电路、ZIFSYN集成电路、Broadeom BCM 3100 QAMLink集成电路(可从位于加利福尼亚的Irvine的Broadcom公司获得)、摩托罗拉的TxMod集成电路、和LSI Logic L64711和L64714集成电路，用于执行前述的功能。一般地，可以查阅转让的美国专利5,699,365，获得如在CableCommTMSystem应用中使用的次级站110，112，114和116的附加的详细细节。
如上所述，在优选的CableCommTMSystem系统中的通信介质的上行信道处于5和42MHz之间的频率范围，并且可能易受来自多个噪声源的干扰影响。类似地，无线通信系统受到以随机和不可预测的方式干扰信道的噪声源的影响。优选地，在通信信道上，例如在与优选实施例相关的上行信道上，采用前向纠错以补偿由噪声引起的数据传输错误或其它失真。前向纠错包括纠错码，其被附加到信息比特或应用比特上以允许接收机检测和纠正可能已经在数据传输期间出现的一些错误类型和大小。诸如次级站112的发射单元从信息数据中生成纠错码，并且将纠错码附加到信息数据上进行传输。诸如主站101的接收单元使用纠错码来检测在信息数据中接收到的错误，并且纠正纠错比特(或字节)的数目所允许的检测到的错误。因此，在接收数据之前，接收单元必须知道在发射机处采用的纠错码类型，以在接收机处完成正确地解码和纠错。在以固定周期间隔或者以与通信链路的质量的改变一致的不规则间隔出现的参数交换消息期间，可以用现有的装置来完成前向纠错信息的交换。
本发明的优选实施例允许为前向纠错优化Reed-Solomn纠错码，诸如在上行信道中使用。下行信道使用带有可变交织器的Reed-Solomn纠错码。Reed-Solomn纠错码是块纠错码，其中通过固定大小的块数据来计算纠错码。通常，由参数对(n，k)来规定Reed-Solomn码，其中“n”为码字大小，“k”为块大小(也就是信息字节数目)。因此，n字节的码字由k个信息字节加上n-k个纠错码字节组成。可以由Reed-Solomn码纠错的最大数目的码元错误(其中，码元通常是8比特的字节)t＝(n-k)/2。一种经常使用的Reed-Solomn码为(128，122)码，其中码字大小为128字节，每一个码字包括122个信息字节和6个纠错码字节。因此，对这种数据进行操作的解码器可以纠正128个字节的码字中的多达三个不同的错误字节。显然，这意味着三个错误字节不需要位于连续的字节中。可以将本发明的教导应用到其它的纠错码上，诸如其他的块码或结合链接码(concatentated code)一起使用的块码。
在典型的现有技术的前向纠错实现中，将前向纠错参数设定为预定的和固定的值，以补偿在通信信道上预见到的噪声的特定电平。如果噪声电平增加超过了预期电平，前向纠错方案将无法纠正所有的传输错误。因此，必须重新传输破坏的数据，或者在最坏的情况下，通信信道不再可用。由于重新传输时间，导致数据吞吐量显著地下降，或者在最坏情况下，数据吞吐量被消除。类似地，如果噪声电平降低到低于预期电平，由于传输了不需要的太多纠错字节，实际的数据吞吐量将低于信道支持的最大的吞吐量。
建立前向纠错参数要求平衡纠错码所添加的系统开销量(因为纠错码使用本可以用来传输信息的带宽，因而降低了信息吞吐量)和由于信道条件而需要的纠错数量(其可用于通过避免重传输来增加数据吞吐量)。在最佳的情况中，为了使在给定通信信道上的信息吞吐量最大，纠错码利用足够精确的纠错来不多也不少地补偿存在的噪声电平。太强的纠错能力将降低吞吐量，因为过多地传输了不需要的纠错码的系统开销。不足的前向纠错能力也降低吞吐量，因为由于重传输接收到发生错误的信息产生了系统开销。然而，通信信道上的噪声电平随时间而变化，因此，提出在任何给定的时间，选择比最佳情况少的固定的一组前向纠错参数。如上所述，一种现有的方法选择固定的一组前向纠错参数来补偿典型的或预期的噪声电平，但是当噪声超过规定的阈值时停止使用通信信道。显然，在可用的通信信道的数目有限的情况下，这种现有技术的方法使用固定的纠错码参数不是最佳的。而且，重要的是使通信装置(例如，通信系统的接收机)引入的吞吐量延迟或等待时间(latency)最小。例如，可以将轮询协议中的吞吐量延迟定义为在前向纠错码之前发送轮询消息与接收对在前向纠错解码之后的轮询消息的响应之间的时间。通常，由于用于纠错编码和解码的处理和计算时间要求而导致前向纠错码在通信装置中引入附加的吞吐量延迟。吞吐量延迟量通常正比于码的纠错能力。例如，交织/解交织过程引入的延迟正比于交织深度，Reed-Solomn编码/解码过程引入的延迟正比于码字大小和纠错字节的数目。而且，当利用块前向纠错码时，必须在完成解码之前接收到整个码块，因此，不可能在接收到最后比特之前处理传输的第一比特。
如下面更加详细的介绍，本发明的方法和装置提供了一种技术，其根据预测的噪声短脉冲持续时间噪声短脉冲干扰或出现的速率来改变两个或多个数据通信站之间的通信信道中的前向纠错参数。所述噪声短脉冲的持续时间和速率的预测是根据收集到的采样值和从接收到的错误矢量幅度计算出的统计特征来进行的。当前向纠错配置参数动态改变时，在接收和发射站之间传送它们。
将应用了本发明教导的数据流划分成多个前向纠错帧，也称为码字。每一个码字被进一步划分成两部分将信息传送到接收站并且在出错的情况下进行纠正的应用或信息数据，和允许接收站检测和纠正应用或信息数据中的错误的纠错部分。码字的纠错部分也称为纠正字节、校验字节、或校验和。可以通过增加纠错字节的数目、降低整个码字长度，或者都执行这些操作来增加任何前向纠错方案的纠正能力。然而，增加前向纠错能力，降低了最大的信道数据吞吐量，结果增加了纠错系统开销字节的数目。类似地，降低前向纠错能力，增加了最大的信道数据吞吐量，因为降低了前向纠错系统开销。最后，不论何时降低纠错字节的数目或者码字长度，都降低等待时间。在速率和噪声的持续时间突发的理想情况中，在通信信道中的破坏数据比特是事先已知的并且是不变的，两个前向纠错参数码字长度(CW_LENGTH)和纠错的字节数目(CB_LENGTH)计算如下CW_LENGTH＝(每一个噪声短脉冲开始之间的比特数目)/8方程(1)CB_LENGTH＝2*(ROUND_UP((每一噪声短脉冲一比特存在的持续时间)/8+1) 方程(2)根据方程(1)，CW_LENGTH等于噪声短脉冲短脉冲周期，定义为在连续的短脉冲的开始之间出现的字节数目。使用CW_LENGTH的这个值，确保了每一个码字仅仅被单个噪声短脉冲中断。计算纠错字节的数目(CB_LENGTH)以确保在噪声短脉冲持续期间纠正出现的所有错误字节，并且在方程(2)中给出。Reed-Solomn前向纠错算法对整个字节进行操作。如果噪声短脉冲短脉冲跨越一字节中的单个比特，则认为整个字节被破坏。因此，计算的CB_LENGTH必须考虑没有确切地开始和结束于字节边界的噪声短脉冲短脉冲。(ROUND_UP函数和“+1”纠正此类噪声/字节失调。)要求乘以两个因子，因为Reed-Solomn前向纠错算法要求多达要纠正的信息字节数目的两倍的多个校验字节。根据这些方程，通信介质115支持在每一个码字传输期间传输(CW_LENGTH-CB_LENGTH)的信息或应用数据，后面有等于CB_LENGTH的纠错字节的数目。当然，噪声短脉冲短脉冲持续时间和周期既没有事先知道，也不是不变的，因此，必须根据本发明的教导对它们进行统计估计。
本发明通过使用接收机的限幅函数(slicer function)(在此，将模拟信号转换成数字比特流)提供的错误矢量幅度(也称为限幅错误)来确定噪声短脉冲短脉冲的持续时间和周期。错误矢量幅度代表与解码数字信号成模拟信号相关的噪声引起的错误。本质上，该错误值代表实际上正确地解码特定数字比特的不确定性。由于噪声出现在信道上，总是存在一些可能性由于在传输期间引入了加性信道噪声，被解码为1的数字比特实际上被传输为零。错误矢量幅度表示这种错误的程度。确定的错误矢量幅度值被用来连续地产生更新的统计均值和协方差估计，该估计统计地描述噪声短脉冲短脉冲的持续时间和周期，这样的统计被用来计算最佳的前向纠错参数。在一种实现中，本发明的教导可以将吞吐量效率提高多达25％。虽然该算法要求的错误矢量幅度计算不是大多数商业上的成品(COTS)接收机芯片提供的一般度量，存在其它的机会来产生这种度量。特别地，以诸如摩托罗拉56003的可编程数字信号处理器来实现的接收机允许在比特限幅函数期间对错误矢量幅度计算进行编程。类似地，在专用集成电路(ASIC)中实现的接收机也允许通过将该函数设计到ASIC中来实现错误矢量幅度计算。
根据错误矢量幅度，当满足两个条件时，声明噪声短脉冲短脉冲。首先，错误矢量幅度必须超过可能将错误引入到数据传输系统中的阈值(EVMmax)。错误矢量幅度低于阈值，被认为是由噪声短脉冲短脉冲产生的统计上的不显著，因此不可能导致在传输数据中发生错误。值EVMmax被选择为在通信介质115种采用的调制类型以及系统用户可以忍受的最大允许误码率的函数。例如，如果通信信道使用16QAM调制，且最大允许误码率为1×10-6，则最大错误矢量幅度将大约为21dB。在通信教材中，包括在Herinrich Meyr，Marc Moeneclaey，和Stefan A.Fechtel所著的，纽约的John Wiley和Sons公司在1998年发表的“Digital Communication Receivers-Synchronization，ChannelEstimation，and Signal Processing”中，可容易地获得示出用于不同调制类型的误码率和错误矢量幅度之间的关系的曲线。
其次，测量的错误矢量幅度必须反映相对过去值的突然增加。施加这个条件是因为，本发明的前向纠错算法更好地适合纠正由噪声引起的短脉冲错误，而不是纠正随机分布的比特错误，尽管通过使用本发明得到了对随机分布的噪声的一些改进。为了估计是否满足第二条件，本发明计算错误矢量幅度的两个限幅窗口均值。参见图2，水平坐标代表时间，每一个垂直散列符号(hash mark)识别收集错误矢量幅度的时间。一个限幅窗口代表在没有噪声短脉冲短脉冲时的平均值或者期望的错误矢量幅度(图2中，称为EVMfloor值)。可以在系统启动时计算这个参数的初始值。如图所示，在错误矢量幅度采样值n和m-1之间计算EVMfloor值。第二限幅窗口是测试窗口，在此窗口中，平均多个测量到的错误矢量幅度以确定是否出现噪声短脉冲短脉冲(在图2中，称为EVMtest值)。在采样窗口期间，例如在采样值m和p之间，在给定的采样时间上没有出现短脉冲，则使用第m个采样值来重新计算错误矢量幅度场。因此，使用从采样值(n+1)到采样值m的EVM值来重新计算EVMfloor值(记住，这是一个平均值)。EVMfloor值的计算是具有固定长度的限幅窗口；当后来的值被加到右边时，从左边撤出采样值。在另一个实施例中，EVMfloor采样窗口大小是可以变化的。同样，如果在EVMtest采样窗口(记住，这也是一个平均值)没有检测到噪声短脉冲短脉冲，则使用采样值(m+1)，(m+2)...，(p+1)来重新计算EVMtest采样窗口。两个限幅窗口持续时间(在其上对值进行平均)可以与单个采样值一样长或一样短。
在本发明的操作中，将在采样时刻m，(m+1)，(m+2)，...，p确定的每一个EVMtest值与EVMfloor值加上小的△值或协方差值进行比较。也将EVMtest值与上面提到的阈值EVMmax进行比较。如果两种测试都是肯定的，则声明存在噪声短脉冲短脉冲。
一旦声明了噪声短脉冲短脉冲，噪声短脉冲短脉冲(单位为比特)的持续时间和连续短脉冲(单位也为比特)的开始之间的周期被测量作为向右限幅的EVMtest窗口。然后，计算短脉冲持续时间和周期的平均值和协方差，根据上面的方程(1)和(2)来从中导出最佳的CW_LENGTH和CB_LENGTH。特别地，一旦计算了均值和协方差，且为短脉冲持续时间和周期假设了概率密度函数(PDF)(通常使用正态分布)，可以计算将纠正所有短脉冲的CW_LENGTH和CB_LENGTH值的概率。例如，如果希望纠正95％的噪声错误，噪声持续时间的PDF将得出噪声持续时间值“X”，对于该值，对应于等于或少于95％的噪声引起的错误。类似地，噪声到达周期(或噪声短脉冲短脉冲周期)的PDF将得出噪声持续时间值“Y”，对于该值，对应于等于或大于95％的周期。然后，根据X和Y值，使用方程(1)和(2)来计算CW_LENGTH和CB_LENGTH。相反，可以选择希望的置信度，然后，根据均值和协方差值以及假设的概率密度函数来计算CW_LENGTH和CB_LENGTH，以获得概率。(参见由罗伯特V.霍格和艾洛特A.塔尼斯所著的、由纽约的Macmillan出版社1983年出版的“Probability and Statistical Inference(概率和统计推理)-第二版”的5.3-5.5节，获得完整的关于置信间隔及其计算的说明。)图3是采用本发明教导的接收机140的方框图。通过通信介质115传送的通信信号被输入到模拟前端(例如，包括如本领域普通技术人员熟知的滤波器、放大器、调谐器)。从模拟前端输出的模拟信号142被输入到信号处理模块144(例如，包括模数转换器、匹配滤波器、相位解旋转器、和比特限幅器)。信号处理器144产生的比特流被输入到下面将要讨论的前向纠错处理器146。在一个实施例中，均使用数字信号处理器来实现信号处理器144和前向纠错处理器146。前向纠错处理器146使用附加到接收的码字上的校验和字节来产生并且输出纠正的比特流。接收机140也确定错误矢量幅度值，并且根据本发明的教导来计算最佳的前向纠错参数。反过来看信号处理器144，从其中将错误矢量幅度输出到短脉冲处理单元148。如图2所示，在每一采样时间内，在信号处理器144的比特限幅部分中导出错误矢量幅度。将在短脉冲处理单元148内确定的噪声短脉冲持续时间和短脉冲周期(将在下面进一步的讨论)输入到前向纠错参数优化器150。下面将结合图6介绍前向纠错参数优化器150的详细情况。给前向纠错优化器150输入置信度值，用户计算最佳参数。优化的前向纠错参数(CW_LENGTH和CB_LENGTH)被输入到发射机152，并且被通过通信介质115发射，以实现与接收机140通信的发射机发送的数据流。优化的前向纠错参数也被输入到前向纠错处理器146，以实现对接收到的比特流进行纠正。
图4和5说明了在短脉冲处理单元148内实现的流程，用于识别短脉冲的出现，确定短脉冲周期(图4)，和确定短脉冲持续时间(图5)。下面定义了一些值，也说明了它们在图4和5中的用途错误矢量幅度测试值(EVMtest)在测试窗口内也就是当系统试图确定是否已经发生噪声短脉冲短脉冲时的平均错误矢量幅度。
错误矢量幅度场值(EVMfloor)当没有噪声短脉冲短脉冲时的平均错误矢量幅度。
错误矢量幅度最大值(EVMmax)为了达到规定误码率，对于给定的调制类型可以忍受的最大错误矢量幅度值。
错误矢量幅度短脉冲值(EVMburst)在噪声短脉冲短脉冲期间的平均错误矢量幅度。
Δ防止在图4的短脉冲搜索状态和图5的短脉冲处理状态之间的不必要的和无效的切换(toggling)的滞后项。
图4的流程开始于步骤170(表示开始的噪声短脉冲短脉冲搜索状态)，后面跟着步骤171，在此，处信号处理器144输入新的错误矢量幅度采样值(第p个采样值)。记住，如图2所示，在每一个采样值或码元递增时得到错误矢量幅度采样值。以信号传送波特率或码元速率来计算错误矢量幅度采样值。在一个实施例中，传送波特率为384千波特，导致错误矢量幅度采样速率为384千波特；然而，可以支持任何的码元速率，如果在信号处理器144中提供了足够的功率来支持以这种码元速率进行计算。然后，流程转到步骤172，在此步骤，递增短脉冲周期计数器。短脉冲周期计数器的值代表自上一次短脉冲开始起的采样或码元周期的数目。在步骤174，在步骤171输入的错误矢量幅度采样值被加到先前的错误矢量幅度采样值，并且计算平均值，表示在图2所示的限幅窗口上的错误矢量测试值(平均值)。注意，EVM测试窗口的长度可以仅仅是图2示出的一个采样值或者几个采样值的平均值。在决定步骤176，将计算出的错误矢量幅度测试值和错误矢量幅度场平均值(代表通信介质115上没有噪声的错误矢量平均或预期值)与Δ数值之和进行比较。如果错误矢量测试值小于错误矢量幅度场与Δ值之和，则没有噪声短脉冲，流程转到步骤178。由于上一个计算出的错误矢量幅度值指出没有发生短脉冲，使用第m个采样值来更新错误矢量幅度场值，且将第n个采样值从EVMfloor值计算中撤出。然后，流程返回到步骤171以输入(p+1)采样值。
如果在确定步骤176的结果是肯定的，则流程流向确定步骤180，在此步骤，将错误矢量幅度测试值与错误矢量幅度最大值进行比较。建立错误矢量幅度最大值以避免当短脉冲小于一些预定的最大值时声明短脉冲的发生。在一个实施例中，对于以1×10-6的最大允许的误码率的16-QAM调制，错误矢量最大值大约为21dB。如果在步骤180的结果是否定的，流程返回步骤178，在此更新错误矢量幅度场值。
如果在确定步骤180的确定是肯定的，则噪声开始于第m个采样值，且在步骤182，记录或者从短脉冲周期计数器中读出它。记住，短脉冲周期计数器(见步骤172)存储代表短脉冲周期的值，即为自前面的短脉冲开始起的逝去的时间。在步骤182获得的短脉冲周期被输入到如图3所示的前向纠错参数优化器150，用于计算最佳的前向纠错参数。由于图4的流程已经检测到发生短脉冲，在步骤184，初始化短脉冲周期计数器为1。然后，在步骤186，如结合图5的介绍，将短脉冲持续计数器重设为1，并且在短脉冲持续期间递增该计数器。在步骤188，通过将错误矢量幅度短脉冲值设为等于错误矢量幅度测试值，初始化错误矢量幅度短脉冲值。如在图5的流程图中所介绍，这允许在短脉冲处理状态期间检测短脉冲的末尾。最后，在步骤188之后，流程进入如图5中所述的短脉冲处理状态190。
图5的步骤196代表短脉冲处理状态的开始，在此之后，在步骤197读取下一个错误矢量幅度采样值。这是紧跟在从图4的步骤中最后读出的采样值之后的采样值(如果在图4的步骤171读出第p个采样值，则在图5的步骤197中读出第p+1个采样值。在步骤198，递增存储代表短脉冲间的时间的值的短脉冲周期计数器。短脉冲周期是从短脉冲的末尾起到下一个短脉冲的开始的逝去的时间。在步骤200，利用来自步骤197的新的错误矢量幅度采样值(p+1)来更新错误矢量幅度测试值。在确定步骤202，将错误矢量幅度测试值与错误矢量幅度脉冲值和Δ值之差进行比较。记住，在图4的步骤188中，当第一次检测到短脉冲时(第m个采样值)，将错误矢量幅度短脉冲值初始化为错误矢量幅度测试值。如果确定步骤202的结果是肯定的，则错误矢量幅度测试值(即，在测试窗口上的平均值)已经相对短脉冲错误矢量幅度下降(declined)，指出短脉冲已经结束，且流程转到步骤206。
如果在步骤202的结果是否定的，流程转到步骤204，在此，将错误矢量幅度测试值与最大错误矢量幅度进行比较。记住，最大错误矢量幅度取决于调制类型和希望的误码率。如果错误矢量幅度测试值已经低于最大值，则短脉冲已经结束，且流程转向步骤206。注意，来自步骤确定步骤202或206的肯定结果表明短脉冲结束，在此之后读出短脉冲持续值(如在步骤212中的递增)。这个值代表来自图3的短脉冲处理单元148的短脉冲持续信号输出。如步骤208所示，流程返回到图4的短脉冲搜索状态。
如果来自确定步骤202和204的结果都是否定的，则噪声短脉冲还在继续。因此，在步骤210，更新在短脉冲(EVMburst)期间的错误矢量幅度平均值。在步骤212，递增短脉冲持续计数器，且流程返回开始短脉冲处理状态196。之后，当短脉冲显著(extant)时，继续图5的处理过程，根据在步骤197、在每一个处理循环中读出的新的EVM采样值来更新短脉冲持续计数器和短脉冲周期计数器，以及在短脉冲(EVMburst)期间的平均错误矢量幅度。
图6是说明前向纠错参数优化器150的运行的流程图。图6的流程开始于步骤220，在此之后，流程转到步骤222，在此，更新与短脉冲持续和短脉冲周期(表示为步骤222的输入)相关的统计均值和协方差。短脉冲持续时间从图5的步骤206得到，而短脉冲周期值从图4的步骤182得到。然后，流程进行到决定步骤224，接收作为输入的用户确定的置信度，该置信度表示计算出的前向纠错能力将纠正在数据传输期间出现的所有字节错误的可能性。在决定步骤224，确定是否已经获得足够多的短脉冲持续时间和短脉冲周期采样值数目来获得希望的置信度。读者可参见纽约的Macmillan出版社在1983年出版的、由罗伯特V.霍格和艾洛特A.塔尼斯所著的“概率和统计推断—第二版”中的第5.6节“采样大小(sample size)”，以获得对如何确定适当的采样大小的完整说明。如果要求更多的采样值，流程从决定步骤224返回到开始步骤220，使得可以在计算前向纠错参数之前收集附加的采样值。当获得足够的采样值时，流程从决定步骤224转向步骤226，在此，利用来自步骤222的协方差和均值以及输入步骤224的置信度，从方程(1)和(2)中计算出码字长度的纠错参数和纠错字节的数目。读者可参见由罗伯特V.霍格和艾洛特A.塔尼斯所著的、由纽约的Macmillan出版社1983年出版的“Probability andStatistical Inference(概率和统计推理)--第二版”的5.3，5.4和5.5节，获得完整的关于如何根据协方差、均值和置信度间隔来估计参数的完整说明。如图3所示那样，将这些参数传输到发射机152。因此，当噪声信道条件改编时，错误矢量幅度将改变，图4，5和6的流程将改变前向纠错参数CW_LENGTH和CB_LENGTH，施加到发射的数据流上。
尽管已参考了优选实施例对本发明进行了阐述，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行不同的改变和发明中的要素进行等价替换而不背离本发明的范围。此外，在不背离基本范围的情况下，可以进行修改本发明的教导以适应特定的应用。因此，本发明不应只限于作为用于试图实现本发明的最佳模式所公开的特定的实施例，而应当包括所有落入所附权利要求范围的实施例。
权利要求
1.一种用于自适应确定要施加到在通信信道上传送的码字的前向纠错参数、以及用于检测和纠正在所述码字中的某些错误的方法，其中所述码字包括信息部分和纠错部分，所述方法包括(a)确定表示通信信道上出现噪声的至少一个统计度量；和(b)根据所述统计度量来建立所述码字的属性。
2.如权利要求1中所述方法，其中，所述属性为所述纠错部分的长度。
3.如权利要求1的所述方法，其中，从包括所述码字长度和信息长度的组中选出所述属性。
4.如权利要求1中所述方法，其中，步骤(a)包括确定第一统计度量，第一统计度量代表在通信信道上出现噪声短脉冲的周期；确定第二统计度量，第二统计度量代表在通信信道上出现的噪声短脉冲的持续时间；和其中，所述码字的属性基于第一和第二统计度量。
5.如权利要求4中所述方法，其中，第一统计度量为平均噪声短脉冲周期。
6.如权利要求4中所述方法，其中，第一统计度量为噪声短脉冲持续时间的均值和协方差。
7.如权利要求4中所述方法，其中，第二统计度量为噪声短脉冲周期的均值。
8.如权利要求4中所述方法，其中，第二统计度量为噪声短脉冲持续时间的均值和协方差。
9.如权利要求4中所述方法，其中，第一和第二统计度量是基于多个采样值，以产生统计上有效的第一和第二统计度量。
10.如权利要求4中所述方法，其中，第一和第二统计度量是基于多个采样值，以为第一和第二统计度量提供预定的置信度。
11.如权利要求1中所述方法，其中，以调制载波的形式通过通信信道传送所述码字，且在将所述载波信号转换为数字基带信号的过程中执行步骤(a)。
12.如权利要求1中所述方法，其中，通过发射点和接收点之间的通信信道来传送所述码字，其中，在所述发射点实现所述码字属性，在所述接收点确定所述至少一个统计度量，且至少一个统计度量被提供作为到发射点的输入，用于根据所述输入统计度量来建立所述码字的属性。
13.如权利要求1中所述方法，其中，所述步骤(b)包括接收外部提供的置信度，该置信度代表所述建立的码字允许纠正在所述码字的信息部分中的错误的概率和所述置信度确定的概率相一致。
14.一种自适应地确定用于传送包括信息部分和纠错部分的码字的通信信道的前向纠错参数的方法，其中，所述通信信道包括接收机，用于响应所述码字而产生数字信号，其中每一个码字包括多个数据码元，且数据码元值的不确定性为错误矢量幅度，所述方法包括(a)确定错误矢量幅度场；(b)将所述错误矢量幅度场与错误矢量幅度值进行比较；(c)在所述错误矢量幅度值超过所述错误矢量幅度场期间，确定噪声短脉冲的持续时间；(d)确定连续的噪声短脉冲之间的周期；和(e)根据所述噪声短脉冲持续时间和所述噪声短脉冲周期来确定一个或多个前向纠错参数。
15.如权利要求14中所述方法，其中，所述错误矢量幅度场为在没有噪声短脉冲期间的多个错误矢量幅度采样值上的错误矢量幅度值的平均值。
16.如权利要求14中所述方法，其中，步骤(b)进一步包括将所述错误矢量幅度场与为每一个数据码元所确定的每一个错误矢量幅度值进行比较。
17.如权利要求14中所述方法，其中，所述错误矢量幅度值是为多个数据码元计算的平均错误矢量幅度值。
18.如权利要求14中所述方法，其中，所述噪声短脉冲周期为多个噪声短脉冲的平均噪声短脉冲周期。
19.如权利要求14中所述方法，其中，所述噪声短脉冲持续时间为多个连续噪声短脉冲的平均噪声短脉冲持续时间。
20.如权利要求14中所述方法，进一步包括步骤(f)当没有噪声短脉冲时，使用所述错误矢量幅度值，重新计算错误矢量幅度场。
21.一种用于自适应地确定要施加到在第一设备和第二设备之间传送的码字的前向纠错参数的方法，其中所述码字包括信息部分和纠错部分，所述方法包括(a)确定表示噪声可以破坏一个或多个码字的至少一个统计度量；和(b)根据所述统计度量来建立所述码字的属性。
22.如权利要求21中所述方法，其中，从包括所述码字长度和纠错部分的长度的组中选出所述属性。
23.如权利要求21中所述方法，其中，所述统计度量为所述噪声短脉冲周期的平均值和协方差。
24.如权利要求23中所述方法，其中，所述噪声短脉冲周期被测量作为连续的噪声短脉冲的开始之间的时间。
25.如权利要求23中所述方法，其中，所述噪声短脉冲周期被测量作为连续的噪声短脉冲的结束之间的时间。
26.如权利要求21中所述方法，其中，所述统计度量为所述噪声短脉冲持续时间的平均值和协方差。
27.如权利要求21中所述方法，其中，所述第一和第二设备中的每一个有选择地工作在发射或接收模式，根据所述统计度量来建立所述码字的属性的步骤是在所述接收设备处执行，且被传送到所述发射设备，用于将随后从所述发射设备传送来的码字应用到所述接收设备上。
28.如权利要求27中所述方法，其中，在接收模式中，解码器接收所述码字，用于为所述码字的每一个数据码元产生所述错误矢量幅度值。
29.一种产品，其包括包含计算机可用介质的计算机程序产品，所述计算机可用介质具有为传送包括信息部分和纠错部分的码字的通信信道自适应地确定前向纠错的计算机可读代码，其中所述通信信道包括接收机，其响应通过通信道传送的信号而产生数字信号，且数据码元值的不确定性为所述错误矢量幅度，所述产品包括用于确定错误矢量幅度值的计算机可读程序代码模；用于比较所述错误矢量幅度场和所述错误矢量幅度值的计算机可读程序代码模块；用于当所述错误矢量幅度值超过所述错误矢量幅度场时，确定噪声短脉冲的持续时间的计算机可读程序代码模块；确定连续的噪声短脉冲的周期的计算机可读程序代码模块；用于根据所述噪声短脉冲持续时间和所述噪声短脉冲周期，确定一个或多个前向纠错参数的计算机可读程序代码模块；
30.一种用于自适应地确定将信号从第一发射机传送到接收机的通信信道的前向纠错参数的装置，其中所述信号由码字以数据码元的形式调制，且每一个码字包括信息部分和纠错部分，其中，在码字中的数据码元的不确定性为错误矢量幅度，所述装置包括在接收机处的解调器，用于解调接收到的信号；响应所述解调器输出信号的信号处理模块，用于产生码字，其中所述信号处理模块进一步产生表示数据码元值的不确定性的错误矢量幅度；响应所述错误矢量幅度的噪声短脉冲处理模块，所述噪声短脉冲处理模块包括(a)确定错误矢量幅度场的第一模块；(b)比较所述错误矢量幅度场和错误矢量幅度值的第二模块；(c)在所述错误矢量幅度超过所述错误矢量幅度场期间，确定噪声短脉冲的持续时间的第三模块；(d)确定连续噪声短脉冲的周期的第四模块；参数优化器，其响应所述噪声短脉冲持续时间和所述噪声短脉冲周期，且进一步响应外面产生的、代表前向纠错参数将纠正在由所述通信信道上的噪声引起的所述码字中的错误的概率的置信度，其中，所述参数优化器响应所述置信度、所述噪声短脉冲持续时间和所述噪声短脉冲周期，确定前向纠错参数；第二发射机，用于将所述前向纠错参数发射到第一发射机，其中，第一发射机实现在所述发射的码字中的优化的前向纠错参数。
31.如权利要求30的装置，其中，从由所述码字长度和所述纠错部分长度组成的组中选出所述前向纠错参数。
全文摘要
本发明公开了一种基于噪声短脉冲及其发生的速率的自适应前向纠错技术。利用描述所述噪声短脉冲持续时间和周期的统计来确定前向纠错参数。由在解码过程中计算的错误矢量幅度确定噪声短脉冲的出现、持续时间和周期。
文档编号H04L1/00GK1479897SQ01820154
公开日2004年3月3日 申请日期2001年11月30日 优先权日2000年12月6日
发明者迈克尔J·库珀, 迈克尔J 库珀 申请人:摩托罗拉公司