编码器、解码器、编码方法以及解码方法
【专利摘要】一种编码器包括：预编码器，根据预设的编码方案对输入信息对象进行编码并且将经编码的信息对象存储在预编码器缓存中；采样编号/地址生成单元，生成每个采样的采样编号和地址，该地址相应于每个采样的每个比特和预编码器缓存的地址；多路复用器，选择与由采样编号/地址生成模块生成的地址相应的预编码器缓存的比特；采样缓存，存储从多路复用器输出的每个采样的比特；控制分组生成模块，生成包括有关由所述采样编号/地址生成模块生成的采样编号的信息的控制分组；分组组装单元，将所述采样缓存中的采样与通过由所述控制数据生成模块生成的控制分组组装在一起；和调制模块，根据预设方案将从分组组装单元输出的分组调制为声音信号。
【专利说明】编码器、解码器、编码方法以及解码方法
[0001]本申请是申请号为201080027662.8、申请日为2010年5月18日、发明名称为“编
码器、解码器、编码方法以及解码方法”的申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]所建议的技术方案涉及编码和解码方案(scheme)以及用于无线通信系统的数据发送和接收设备，具体来说，涉及使用用于短距离数据传输的声学通信信道在固定设备或移动设备和移动(包括便携式)设备之间执行近程(short range)通信的系统的设施。
【背景技术】
[0003]用于不同类型通信信道的编码和数据传输装置是众所周知的，并且包括用于将信息对象分解为数据分组的分解器(disassembler)，其中以一定的序列将每个分组传递到纠错编码单元、交织器、控制数据添加单元。
[0004]经编码的分组被传递给调制器、同步序列添加单元并且进一步传递给编码器输出端，以便通过通信信道发送(J.Proakis, " Digital Communications",第4版，McGraw-Hill, 2000年,第469页)。数据传输的高抗噪声度(high noise immunity)通常借助于具有高冗余度的编码来实现，高冗余度使得在具有相当大干扰的通信信道中传输对象时无错接收概率增加，但是另一方面导致对象传输速度的显著降低。
[0005]存在借助于可听音调进行传输的信息对象传输系统，其在接收部分和发送部分中都包括收发器T (包括发送装置)。虽然如此，在发送期间，收发器Tl还包括用于将信息对象分解为数据分组的分解器，每个数据分组被以一定顺序传递给编码器和交织器。此外，收发器Tl包括调制器，其中经变换的分组经音频信号调制并且通过数-模转换器(DAC)和扬声器传递到收发器2。在收发器2的模-数转换器(ADC)处接收的同时，通过麦克风接收到的音频信号被数字化，然后接连被传送至同步单元、解调器、解交织器、解码器、数据恢复器。同时，每个输入的数据分组都被恢复，渐进地接收到所发送的对象并且确定其质量/完整性。在失败的情况下，在传递相应的信号之后，收发器T2发送该信号到收发器Tl，建立通过声学通信信道进行发送的新参数(例如，声学音调的功率被提高)，并且对象被重复地传送到收发器T2。这样的系统的一个缺点是:由于在接收部分和发送部分(它们中的每一个都必须包含收发器)中的装置之间必须有反馈机构而导致接收部分和发送部分中的装置复杂；对于变化的噪声状况的响应慢，以及因而导致的信息对象传输的速度低。
[0006]还存在这样的声学传输系统([I]和[2])，其中信息对象传输速度是恒定的，不考虑干扰(声学的)或环境(声学信道的噪声电平)。而且，存在反馈通信信道，用于调整纠错码的调制类型或者速度。
[0007]最接近的模拟是没有反馈的声学数据传输系统(美国专利N0.7349481，申请日2008 年 3 月 25 日，发明名称 “communication using audible tones”)，其中，发送装置对信息对象整体进行编码并且循环地重复其发送。接收模式下的接收装置试图接收经编码的对象直到实现其无错误接收为止。[0008]该系统的缺点是其效率低。在接收期间存在至少一个错误的情况下，将会进行重复发送并且发送的代码和可听音调参数保持不变。因此，在对象传输期间，特别是传输大量数据期间，错误接收的概率急剧增大，并且传输速度降低并且对于通信信道中的任意信噪比都可能不是最佳的。因此，需要具有高抗噪声度(在对象编码期间产生大量冗余(校验)数据)或者提高的传输速度的信息对象传输，具有高抗噪声度的信息对象传输使得可以借助于一到两次的影响速度的重发来提供无错误接收，在具有提高的传输速度的信息对象传输的情况下，通信信道中的噪声增加对抗噪声度产生不利影响并且可能根本接收不到该对象。
【发明内容】
[0009]技术问题
[0010]所建议的技术决策涉及用于无线通信系统的编码和信息发送设备。
[0011]所建议的技术方案的目的是创建编码器、发送装置和信息对象发送系统，所述编码器、发送装置和信息对象发送系统在所选择的通信信道中使用最佳数量的发送信息和最佳冗余的纠错码来使得信息对象的传输速度与现有的设备和系统相比能够显著增加。这样的装置和系统的创建将使任意大小的信息对象能够被发送，这将显著地增加它们的应用范围。
[0012]技术方案
[0013]通过这样的事实实现该目的:在编码器、发送装置和信息对象发送系统中，通过主要信道和控制信道对接收到的数据(信息对象及其大小)进行编码。同时，首先通过任意已知方法对信息对象进行编码，然后从结果得到的数据块中形成特定大小的伪随机采样。
[0014]以高冗余对包括对象大小和当前采样编号的控制数据进行编码。然后，最佳数量的采样和控制分组被组合成用于发送的数据分组，该数据分组被转换为用于通过通信信道发送的信号。通过通信信道连续发送伪随机数据分组来发送信息对象，这使得能够在迭代解码期间以高速进行大信息对象的无错误接收。
[0015]在这里的编码器中实现该目的:预编码器(P)，其第一输入和第二输入是该编码器的相应数据输入端；以及调制器，通过同步序列添加单元(SSAU)连接至该编码器的输出端。
[0016]同时，预编码器(P)的至少一个输入/输出端耦接到多路复用器的相应输入/输出端，多路复用器通过采样缓存(SB)连接至分组组装单元(PAU)的第一输入端，从而形成主要编码器信道，而该编码器的第二输入端通过依次连接的控制数据生成单元(CDSU)和控制数据编码器(CDE)连接到分组组装单元的第二输入端，由此形成控制信道。
[0017]采样编号生成器(SNG)耦接到控制数据生成单元(⑶SU)，并且通过编码器地址生成器(EAG)耦接到多路复用器，而且编码器地址生成器(EAG)连接至该编码器的第二输入端，分组组装单元(PAU)的输出端耦接到该调制器。该编码器被配置为使采样编号生成器(SNG)能够启动。
[0018]优选的是，预编码器(P)包括依次连接的容器压制单元(CXU)，其第一输入和第二输入用作该预编码器(P)、重复/交织单元(RIU)、卷积编码器(CC)、预编码器缓存(PB)的各个输入。[0019]优选的是，该编码器的第二输入端耦接到重复/交织单元(RIU)。
[0020]还优选的是，该调制器是具有多个载波的调制器。
[0021]还优选的是，分组组装单元的输出端通过谱校正器(SC)耦接到调制器。
[0022]优选的是，编码器包括至少一个附加输入端和/或输出端。
[0023]优选的是，编码器的附加输入端通过依次连接的通信信道分析器(CCA)和谱估计器(SE)耦接到谱校正器(SC)。它使得能够提供对于通信信道中变化的干扰环境的动态响应。
[0024]在这样的发送装置中实现该目的:该发送装置被配置为向需要供电的全部电路元件分别供电，并且包括编码器、数-模转换器(DAC)和扬声器。同时，在上述实施例中的一个中实现所述编码器。
[0025]优选的是，发送装置和/或编码器包括至少一个附加输入端和/或输出端。
[0026]推荐的是，发送装置的麦克风Ml连接到编码器的附加输入端——该附加输入端作为发送装置的附加输入端，并且通过发送装置的模-数转换器(ADC1)、通过依次连接的通信信道分析器(CCA)和谱估计器(SE)连接至谱校正器(SC)。由此使得能够在利用人对声学噪声的听觉感知的特性的同时，提供对通信信道中变化的干扰(特别是声学的)环境的动态响应。
[0027]还在信息对象发送系统中实现该目的，该系统包括被配置为使得能够向需要供电的全部电路元件提供相应电力的发送装置和接收装置。发送装置包括编码器、数-模转换器和扬声器。在上述实施例中的一个中实现所述编码器。另外，发送装置可以包括麦克风(Ml)和模-数转换器(ADC1)，以便应用和考虑人的声学噪声的听觉感知的特征，在发送每个分组期间根据发送装置和接收装置之间的声学信道条件改变所发送可听音调的特征。
[0028]系统的接收装置包括接收设备麦克风(M2)，其通过接收装置的模-数转换器(ADC2)连接至解码器的输入端。该解码器包括依次连接至解码器的输入端的同步器和解调器，以及依次连接至解码器输出端一作为接收装置的数据输出端一的数据完整性校验单元(DI⑶)和解包/恢复单元(URU)。
[0029]此外，在解码器中，接收到的分组被划分为主要(采样)信道数据和控制信道数据。出于该目的，解调器耦接到第一多路分离器(DM1)，该第一多路分离器(DMl)的第一输出端耦接到第二多路分离器(DM2)的第一输入端，第二多路分离器(DM2)的输出端通过各个求和单元()连接至存储器缓存(SB)的相应输入端。第一多路分离器(DMl)的第二输出端连接到控制信道解码器(CCD)，控制信道解码器的第一输出端和第二输出端连接到解码器地址生成器(DAG)的相应输入端，解码器地址生成器的输出端连接到第二多路分离器(DM2)的第二输入端。存储器缓存(SB)通过迭代解码器(ID)连接到数据完整性校验单元(DI⑶)。
[0030]推荐的是，解调器通过通信信道评估/补偿单元(CCE⑶)连接到第一多路分离器(DM1)。
[0031]优选的是，接收装置和/或该解码器包括至少一个附加输入端和/或输出端。
[0032]推荐的是，数据完整性校验单元(DI⑶)连接到解码器的附加输出端，该附加输出端作为接收装置的附加输出端。
[0033]优选的是，数据完整性校验单元(DI⑶)结构使得迭代终止命令能够发布给迭代解码器。[0034]例如，所建议的技术决策的实施方式可以基于设备、借助于升级设备的内置基本软件、通过程序来实现，所述设备包括以下部件:
[0035]-扬声器和处理器(用于发送装置)；以及
[0036]-麦克风和微处理器(用于接收装置)。
[0037]设备的附加软件连同它们的基本软件一起具有分块结构，将用于处理、组装、发送、外部以及内部的单元之间的命令和信息交换。
[0038]移动电话、小型数字助理、笔记本式计算机、录音电话机、音频播放器和其它类似装置可以用作所述设备。
[0039]将通过借助于可听音调的信息对象发送系统的示例示出编码器、发送装置和信息对象发送系统(在下文中称作系统)的更加详细的组成和操作，该系统包括作为优选版本的具有编码器的发送装置以及作为优选版本的具有解码器的接收装置。
[0040]有益效果
[0041]本发明在所选择的通信信道中使用最佳数量的发送信息和最佳冗余的纠错码来创建使得信息对象的传输速度与现有的设备和系统相比能够显著增加的编码器、发送装置和信息对象发送系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]本发明的上述及其他方面、特征和益处将从以下结合附图的详细说明中更加明显，附图中:
[0043]图1是作为优选变形的发送装置的框图；
[0044]图2示出发送信号的幅度谱的分布的示例:(a)——在均匀的声学噪声谱的情况下；(b)—在存在集中在窄带上的声学噪声的情况下；
[0045]图3是作为优选变形的接收装置的框图；以及
[0046]图4示出所建议的系统参数与传统方法的比较(以对象传输所需的时间对通信信道中的信噪比的依赖关系的形式)。
【具体实施方式】
[0047]图1中呈现的系统的发送装置包括编码器1，其第一输入(Inl)和第二输入(In2)是与信息相关的。数-模转换器(DAC102)和扬声器103依次连接至编码器的输出。发送装置105的麦克风(Ml)通过发送装置编码器的模-数转换器ADC104连接到编码器的用于通信信道诊断的附加输入(ad.1nput)。
[0048]编码器I包括:预编码器10，用于根据预设的编码方案对输入信息对象进行编码并且将信息对象存储在预编码器缓存中；采样编号(sample number) /地址生成单元12，用于生成每个采样的采样编号和地址，该地址相应于每个采样的每个比特和预编码器缓存的地址；多路复用器110，用于选择与由采样编号/地址生成模块12生成的地址相应的每个预编码器缓存的比特；采样缓存111，用于存储从多路复用器110输出的每个采样的比特；控制分组(packet)生成模块14，用于生成包括有关由采样编号/地址生成模块12生成的采样编号的信息的控制分组；分组组装单元112，用于将存储在采样缓存111中的采样和由控制数据生成模块14生成的控制分组组装在一起；以及调制模块16，用于根据预设方案将从分组组装单元112输出的分组调制成声音信号。
[0049]而且，编码器I还可以包括谱计算模块18，用于接收有关外部声音通信信道的信息并且基于接收到的声音通信信道计算声谱，并且调制模块16还可以包括用于基于谱计算模块18提供的信息补偿声音信号的谱的配置。
[0050]采样编号/地址生成模块12可以包括采样编号生成器115和编码器地址生成器116，并且控制分组生成模块14可以包括控制数据生成单元113和控制数据编码器114。而且，调制模块16可以包括谱校正单元117、调制器118和同步序列添加单元119，并且谱计算模块18可以包括通信信道分析器120和谱估计器121。
[0051]将在下文中更详细地描述所述编码器I和发送装置的配置和操作。
[0052]在图1所示的实施例中，编码器I包括下列依次连接并且组成预编码器10的装置:输入数据的容器压制单元(container compacting unit, (XU) 106,其输入端同时是预编码器、编码器和发送装置的第一输入端(Inl)和第二输入端(In2);重复/交织单元(RIU)107 ;卷积编码器(CE) 108 ;和预编码缓存(PB) 109。预编码器缓存109的输入端/输出端是预编码器10的输入端/输出端并且耦接到多路复用器110的相应输入端/输出端。多路复用器输出端通过采样缓存(SB)Ill连接到分组组装单元(packet assembly unit,PAU)112的第一输入端(Ini)。通过该方式，形成准备主要编码器数据的信道(主要(primary)信道)。
[0053]编码器I的第二输入端(In2)连接到控制数据生成单元(⑶SU)113的第一输入端(Inl)并且通过控制数据编码器(⑶E) 114进一步连接到分组组装单元(PAU) 114的第二输入端(In2)。同时，形成编码器控制数据准备的信道(控制信道)。
[0054]采样编号生成器(SNG) 115的输出端耦接到控制数据生成单元(⑶SU)的第二输入端(In2)，并且通过编码器地址生成器(EAG) 116耦接到多路复用器，还连接至编码器的第二输入端(In2)。编码器I的第二输入端(In2)可以耦接到重复/交织单元107的附加输入端。
[0055]分组组装单元(PAU) 112的输出端通过依次连接的谱校正单元117、调制器118和同步序列添加单元(SSAU) 119，连接到编码器的输出端。
[0056]编码器I的附加输入端(AddIn)通过依次连接的用于计算所传送的信号的最佳幅度谱(amplitude spectrum)的通信信道分析器(CCA)120和谱估计器(SE)121连接到谱校正单元117的附加输入端。
[0057]可以设想编码器I和/或发送装置的其它附加输入端(图1中未示出)。例如，用于发信号到必需的特定编码器单元以传送输入数据的起始输入端、以及可替换通信信道的输入端，也将用于发送命令到输入数据传送终端的编码器。
[0058]发送装置电路被配置为使得能够向需要电力的全部电路元件供电。
[0059]包括发送装置的、系统的发送部分如下工作。
[0060]当编码器1、数-模转换器102、模-数转换器104、扬声器103和麦克风105通电并且处于待命模式下时发送装置被开启。
[0061]在输入数据(信息对象IO文件、消息、应用等等)进入发射机的第一输入端(Inl)以及关于IO大小的数据进入发射机的第二输入端(In2)(关于IO大小的数据同时进入到编码器地址生成器116以及控制数据生成单元113的第一输入端(Inl)期间进行编码的预备阶段，在容器压制单元106中信息对象被打包到标准容器中。出于该目的，标头标签被添加到该信息对象以及设置用于完整性校验的字节(例如，校验和、CRC、哈希码等等)。
[0062]而且，在容器压制单元106中，可以借助于纠错码(例如Reed — Solomon码)对容器进行编码。容器(来自容器压制单元(CCU))以及信息对象(IO)的大小(来自CCU或者来自编码器的第二输入端(In2))被传递给重复/交织单元107，其中容器的数据比特被重复限定的次数并且被混合。这样的重新排列的伪随机函数取决于信息对象大小。
[0063]此后，在卷积编码器108中进行卷积码编码。众所周知，在接收部分处进行迭代解码的情况下，以所指出的方式(也即，在重复并且交织之后进行卷积编码)形成编码比特能够实现代码的高抗噪声度。然而，在所建议的用这样的方式进行编码的技术方案中，信息对象(用于发送的数据块)不直接发送给调制器然后在通信信道中传送。它被从卷积编码器传送到预编码器缓存109。
[0064]用于发送的数据块被存储在预编码器缓存中，供在主编码阶段使用。预备阶段仅在通过通信信道(在本实施例中——声学信道)传送开始之前执行一次，从而在必需根据改变的通信信道调整传输特性的情况下保持预编码器缓存内容不变。
[0065]应当记住，可以利用任意已知方法形成所建议的技术决策的其它实施例中的预编码器。在这种情况下，可以使用具有任意冗余的纠错码。
[0066]然后，执行编码的基本阶段。在开启的发送装置中，利用任意已知方法(即，利用来自起始输入或者重复/交织单元的命令)执行采样编号生成器115的启动。采样编号生成器生成具有限定的周期的标识号(随机值或者连续值)以用于从预编码器缓存中采样比特，并且将所述标识号传递给编码器地址生成器以及传递给控制数据生成单元113的第二输入端(In2)。
[0067]当来自编码器I的第二输入端(In2)的数据进入编码器地址生成器116 (这意味着信息对象进入编码器I)时，接收到的来自采样编号生成器115的采样编号的值将伪随机编码器地址生成器116初始化，形成具有k个地址的地址集，它们被依次传递到多路复用器110。根据该地址集，经由多路复用器110的输入/输出端，执行从预编码器缓存109伪随机采样k个比特，并且将它们存储在采样缓存111中。编码器地址生成器116生成范围在I到N内的k个地址，其中N是预编码器缓存109中针对容器的预定大小的比特数目。而且，根据编码器的第二输入端(In2)的值，也即，根据信息对象大小，来适当地确定k。
[0068]在这种情况下，不仅在一个集合中而且在伪随机生成后面的地址集合期间地址可能再现一次或者更多次。在优选变形中，编码器地址生成器的伪随机函数被指定为使得生成的地址的再现间隔最大。同时，应当注意，在考虑在接收装置中提供最佳解码器的条件下，采样重复不会导致发送系统的速度和抗噪声度的显著降低，如图3所呈现的那样。
[0069]来自采样缓存的采样比特没有被应用附加纠错编码的情况下被传递到分组组装单元112的第一输入端(Ini)。这样，在所谓的“主要信道”中结束对信息对象片段传送的准备。
[0070]在信息从编码器的第二输入端(In2)通过控制数据生成单元的第一输入端(Inl)进入控制数据生成单元的时刻，从采样编号生成器输入到控制数据生成单元的第二输入端(In2)的采样编号的值将控制数据生成单元的操作初始化，该控制数据生成单元组装包含对象大小和/或容器大小(考虑容器压制单元操作)、采样标识号以及其它辅助信息的控制数据。控制数据编码器114中的控制数据由纠错码进行编码，并且添加专用校验符号(例如，其CRC、校验和、等等)用于在接收到控制分组时校验控制分组的完整性，所述控制分组被发送到分组组装单元的第二输入端(In2)。这样，在“主要信道”中形成每个采样的同时，与之相对应地在所谓的“控制信道”中形成控制分组。
[0071]通常，利用高冗余码进行控制信道中的代码化，从而实现高抗噪声度，以使得能够在通信信道中的噪声和干扰严重的条件下接收控制信道。同时，控制信道仅包含与主要信道中的信息量相比很少量的信息，这也是为什么受控制信道存在制约的累积冗余相对较小的原因。
[0072]这样的双信道代码化体制(主要信道中的冗余与控制信道冗余相比要小)也提供使较大对象的信息对象传送速度显著增长的可能性(主要信道的数据冗余越低，借助于伪随机采样的信息对象传送速度就越高)。通过使主要信道和控制信道具有相同等级的抗噪声度，信息对象传送速度由于迭代接收各个采样的概率高以及相应地成功恢复信息对象而显著提高。
[0073]主信道和控制信道可以具有不同的安全机制以及不同的物理格式。控制信道携带这样的信息，该信息使得可以实现主信道的解码并且包括通过主信道发送的信息对象的长度以及当前采样的采样编号。采样编号用作将主信道的数据布置通知给接收装置的特定标识符。
[0074]总的来说，主信道的编码操作包括两个阶段。在第一阶段，原始信息对象被重复若干次然后被交织。然后，得到的对象可以通过使用例如具有1/(R+1)比率的卷积码来编码(也就是说，针对信息对象的每个原始比特生成R个奇偶校验比特)，并且在卷积编码器108中编码的全部比特都存储在预编码器缓存中。在第二阶段，在每个分组生成间隔期间，根据由编码器地址生成器116生成的地址，从存储在预编码器缓存109中的比特当中选择预设比特的集合。之后，这些比特连同控制信道数据一起被发送。
[0075]控制分组比特和采样比特形成最佳大小的数据分组。基于两个考虑来选择最佳分组大小:一方面，如所述的那样，通过主要信道传送的数据量必须显著地大于控制信道中的数据量，以使得控制信道中代码的高冗余不会显著地影响发送系统的累积效率；另一方面，在许多应用中分组传输时间必须相对较短(例如，I秒)，这是因为过长的分组可能导致在对象一特别是较小对象一的接收期间发生不期望的延迟。
[0076]在分组组装单元中借助于一种或者若干种调制(诸如BPSK、QPSK、n-QAM)来调制数据分组，并且添加用于简化接收装置中的评估和信道均衡过程的专用导频符号。在所考虑的系统中，可以使用利用一个或者多个载波的宽带调制(例如，0FDM、CDMA等等)。为了降低可听音调对用户的可感知性，同时保持音调的平均功率和宽带特性，在将音调谱(tonespectrum)发送到调制器118之前在谱校正器117中校正音调谱，在其能力中可以使用例如滤波器。可以自适应地执行谱校正。
[0077]如果装置包括麦克风(Ml) 105和模-数转换器104，那么就可以进行这样的校正。在这种情况下，在通信信道分析器(CCA) 120中以限定的周期分析可听音调，所述音调从麦克风(Ml) 105通过模-数转换器(ADCl) 104传递至通信信道分析器(CCA) 120，通信信道分析器(CCA) 120评估通信信道中声学噪声的电平和谱组成。在这样的情况下，在给定的系统实施例中，声学噪声是指除了由发送装置本身发射的信号之外的所有可听音调(语音、音乐、通知的可听音调等等)。然后，依照在谱估计器(SE)121中实现的、声学感知的心理声学模型，进行最佳信号谱的计算，通过该计算，信号在其声学可感知性不变的情况下功率最大。
[0078]具体来说,在谱估计器(SE)中应用频率隐藏效应(concealment effect),其在图2上示出，其中在具有声学噪声(虚线)的通信信道中利用实线指示优选信号谱。这样，假如声学噪声电平接近均匀(图2(a))，那么幅度谱的分布与人耳对噪声信号的平均敏感度成反t匕(例如，在标准ITU-R468中确定这样的敏感度特征)。
[0079]在在某些频率中表现出峰值的严重声学干扰的情况下，最佳分布在考虑频率隐藏效应的情况下由人耳对噪声信号的敏感度来确定。在图2 (b)上给出了这样的分布示例。严重的不想要的可听音调屏蔽位于相邻频率间隔上的信号分量，这就是为什么在相邻频率上，所传送信号的强度会在没有主观增大所传送信号的音量的情况下增强。
[0080]估计数据被从谱估计器传送给谱校正器，其中针对每个数据分组根据变化的通信信道进行信号的谱校正，其更进一步提高接收装置的无错误数据接收的概率(因此也提高传输速度)，并且使发射机信号几乎不被用户注意到。
[0081]而且，在调制器118中，校正符号被调制，从而获得信息信号，并且在同步序列添加单元119中，同步信号在时域中被添加到数据信号，以便简化接收装置中的同步和信道
对准过程。通过这样的方式获得的传输信号被传递给数-模转换器102和扬声器103-
至通信信道。
[0082]因此，来自信息对象的伪随机采样被连续传送到通信信道。
[0083]图3上呈现的系统的接收装置包括解码器2，接收装置的麦克风(M2) 203通过接收装置的模-数转换器(ADC2) 202连接到解码器2的输入(In)。
[0084]解码器2包括:解调模块20，用于根据预设的调制方案解调输入声音信号；第一多路分离器207，用于决定从解调模块20输出的每个接收比特的软值(soft value)以及将采样比特和包含相应采样的信息的控制分组比特相互分开；地址生成模块22，用于生成与相应采样的每个比特相应的地址；第二多路分离器208，用于接收采样比特的软判决以及根据由地址生成模块22生成的地址信息多路分离并输出软判决；求和单元，用于将针对第二多路分离器208的每个输出的软判决求和；存储器缓存210，用于存储来自求和单元209的经求和的软判决；以及解码模块24，用于解码存储在存储器缓存210中的采样。
[0085]解调模块20包括同步器204、解调器205和通信信道估计/补偿单元206，地址生成模块22包括控制信道解码器211和解码器地址生成器212。而且，解码模块24包括迭代解码器213、数据完整性校验单元214和容器解包/恢复单元215。
[0086]在下文中，将更详细地描述根据本发明的解码器2和接收装置的配置和操作。
[0087]解码器2包括解码器输入同步器204、解调器205、通信信道估计/补偿单元(CCECU) 206和第一多路分离器(DMl) 207，它们依次相互连接。
[0088]第一多路分离器(DM1)207的第一输出端(Outl)耦接到第二多路分离器(DM2)208的第一输入端(Inputl)，第二多路分离器(DM2)208的输出端通过各个求和单元(E )209连接至存储器缓存(SB)210的相应输入端。求和单元的数目相应于编码器的预编码器缓存中的比特数。
[0089]第一多路分离器(DM1)207的第二输出端(0ut2)连接到控制信道解码器211，控制信道解码器211的第一和第二输出端连接到解码器地址生成器212的相应输入端，解码器地址生成器212的输出端耦接到第二多路分离器(DM2) 208的第二输入端(In2)。
[0090]存储器缓存210通过依次连接的迭代解码器(ID) 213、数据完整性校验单元(DI⑶)214和解包/恢复单元215耦接到解码器的输出端，其作为接收装置的数据输出端(Out)。同时，数据完整性校验单元的附加输出连接到迭代解码器的附加输入端以及解码器的附加输出端，该解码器的附加输出端作为接收装置的附加输出端(AddOut)。
[0091 ] 接收装置电路被配置为使得能够向要求供电的全部电路元件分别供电。
[0092]系统的包括接收装置的接收部分通过以下方式运行:
[0093]接收装置在解码器2、模-数转换器(ADC2) 202和麦克风(M2) 203通电以及处于待命模式时开启。
[0094]来自通信信道的信号通过麦克风(M2) 203被传递到模-数转换器(ADC2) 202，在模-数转换器202中该信号被数字化并且被传送到解码器的输入端。在同步器204中，在由同步信号检测到传输信号之后，信号的边界被恢复并且进行采样频率的校正性调整，接收进入的信号(incoming signal)。此后，接收的信号被传递到具有一个或者多个载波的解调器205，该解调器205是对应于调制器118实现的(基于滤波器组(bank)或者快速傅立叶转换(参见例如[I]))。在通信信道评估/补偿单元(CCE⑶)206中，使用导频符号，进行通信信道和噪声分量的评估并且适应性地评估失真谱。在第一多路分离器207中，确定接收到的比特的“软”值，从而将“主要”信道的采样比特和用于“控制”接收信道的控制分组比特分离。
[0095]控制分组的“软”判决被传递给控制信道解码器211，该控制信道解码器211是依照控制数据编码器114设计的。在控制分组被成功解码的情况下，容器大小数据通过控制信道解码器的第一输出端并且采样标识号通过控制信道解码器的第二输出端被传送至伪随机解码器地址生成器212的相应输入端，该伪随机解码器地址生成器212与发送装置的编码器地址生成器相似。同时，在解码器地址生成器中生成比特地址，其与发送装置编码器的预编码器缓存的地址相对应。
[0096]与采样相应的“软”判决由第二多路分离器(DM2) 208依照解码器地址生成器生成的地址信息进行多路分离。此后，每个接收到的采样的“软”判决逐渐在相应的求和单元(Σ)209中累加(每个存储单元相应于预编码器缓存109中的一比特)。因此，在一定数目的接收采样之后，累加的“软”判决被保存在存储器缓存210中。一旦限定的所需最小数目的“软”判决被递送到与来自预编码器缓存109的数据包比特相应的存储器缓存(由迭代解码器213确定)，在迭代解码器213中开始对从预编码器缓存109接收到的数据包的“软”判决的解码过程。
[0097]这样的过程的例子已经众所周知(例如在[3]中描述类似过程)，并且与本申请的主题无关，因此这里没有对其详述。应当注意，解码可以在迭代解码器中开始，即使是在存储单元中的一部分单元没有被填充的情况下也是如此。同时，迭代解码时的代码特性将等同于类似的经打孔的代码特性[4，5]，也即，将接近于最佳。
[0098]在每次解码尝试之后，在数据完整性校验单元214中，向迭代解码器请求相应的迭代(严格判决)，使用这些严格判决来(依照编码器的规定)校验接收到的数据包的完整性。假如校验成功，那么接收到的数据包被传送到解包/恢复单元215，以进行解包以及容器提取和信息对象恢复。另外，迭代终止命令在数据完整性校验单元中形成并且被传递到迭代解码器。然后，信息对象通过接收装置的输出端传送到用户设备(到上层处理级别)。同时，可以使用接收设备的附加输出端(Addout)生成接收确认信号并且该确认信号经由接收设备的可选辅助(后向)通信信道(例如，通过射频信道、声学信道或者视觉(visual)信道)被发送到发送装置。
[0099]而且，倘若在(例如，按照数十次迭代确定的)完整的解码周期期间数据包没有被恢复并且经过第一多路分离器(DMl) 207的新采样已经到达(也即，存储器缓存内容被更新)，那么以限定的周期对来自存储器缓存的数据进行解码。在迭代解码器中，使用来自存储器缓存的新数据重复地开始解码过程。执行这样的重复解码过程直到解码器能够无错误地恢复预编码器缓存109的已发送数据包为止。
[0100]所描述的系统具有下列特征。
[0101]-第一，在不应用后向通信信道的情况下，系统能够在最小时间间隔内一假定在通信信道中存在某一信噪比一将信息对象从发射机传送到接收机。在正确选择卷积编码器(在CE中)以及重复/交织单元中的交织算法(这些是已知的并且在给出的申请中未进行描述)的情况下，用于通过任何通信信道的信息对象传送的该编码器并且该发送系统在较宽的信噪比范围内确保传输速度接近通信信道的信息吞吐量。
[0102]在图4上示出了传输速度对信噪比的依赖性。在图4上为了比较的目的，使用turbo码结合具有删除(erasure)的理想代码(例如，raptor码[6])给出系统的特性。如图4中的图示比较可见，使用具有固定码率的turbo码的传统系统被提供为用于限定的信噪比(在给出的一 6dB的例子中)，并且在这一点上保证传输速度接近通信信道的信息吞吐量。然而，在信噪比增加的情况下，传输速度保持不变并且显著地区别于信道的信息吞吐量。而且，在信噪比降低到小于一 6dB的情况下，传输速度急剧下降，这是因为通过这样的信噪比，具有固定码率的turbo码的校正能力不能够实现以低错误概率接收信息对象。
[0103]另一方面，所建议的系统-在一个点上(一 6dB)略略输给具有固定码的系统,这
使得能够实现在较宽的信噪比范围内传输速度接近信道的信息吞吐量。在给出的示例中，考虑冗余使用真实的发送系统，所述冗余与控制信道传输以及传送用于接收机中的信道均衡器的操作的导频信号所必需的传输有关。这是为什么实际传输速度不能接近信道的理论信息吞吐量的原因。此外，由于低信噪比，会出现与同步错误以及在控制信道接收时的错误相关的问题，非常低的信噪比(小于一 8dB)影响系统操作。
[0104]-第二，由于应用了发送信号的自适应谱调整，因此通过在保持信号的宽带特性的同时利用最小的声学可感知度来实现最大发送信号功率。
[0105]尽管参照本发明的实施例的特定变形示出和描述了本发明，但是本领域的专业人员必须理解，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的实质和范围的条件下可以在形式和内容上进行不同的变化。
[0106]参考文献
[0107][1]V.Gerasimov, ff.Bender, " Things that talk: Using sound fordevice-to-device and device-to-human communication, " IBM systems Journal, Volume39, Numbers3&4, 2000.[0108][2]USA Patent, US7349481, communication using audible tones.[0109][3]D.Divsalarj H.Jinj and R.J.McEl iece." Coding theoremsforr turbo-like' codes." Proc.36th Allerton Conf.0n communication, Control andComputing, Allertonj Illinois, Sept.1998，pp.201-210.[0110][4]J.Hagenauerj " Rate-compatible punctured convolutional codes (RCPCcodes) and their applications，" IEEE Trans.Commun., vol.36, n0.4, pp.389-400, 1988
[0111][5]A.S.Barbulescu and S.S.Pietrobonj " Rate compatible turbocodes, " IEE-Electronics Letters, vol.31，n0.7，pp.535-536，1995.[0112][6]A.Shokrollahij Raptor Codes, IEEE Trans.1nformation theory, vol.52, n0.6，pp.2551-2567，2006.
【权利要求】
1.一种编码器，包括: 预编码器，用于根据预设的编码方案对输入信息对象编码并且将经编码的信息对象存储在预编码缓存中； 采样编号/地址生成单元，用于生成每个采样的采样编号和地址，该地址相应于每个采样的每个比特和预编码器缓存的地址； 多路复用器，用于选择与由所述采样编号/地址生成模块生成的地址相应的、预编码器缓存的比特； 采样缓存，用于存储从所述多路复用器输出的每个采样的比特； 控制分组生成模块，用于生成包括有关由所述采样编号/地址生成模块生成的采样编号的信息的控制分组； 分组组装单元，用于将存储在所述采样缓存中的采样和由所述控制数据生成模块生成的控制分组组装在一起；以及 调制模块，用于根据预设方案将从所述分组组装单元输出的分组调制为声音信号。
2.如权利要求1所述的编码器，还包括谱计算模块，用于接收有关外部声音通信信道的信息以及获得所接收的声音通信信道的声谱，其中所述调制模块包括用于基于所述谱计算模块提供的信息补偿 声音信号的谱的配置。
3.如权利要求2所述的编码器，其中，所述谱计算模块包括: 通信信道分析器，用于通过外部麦克风和模-数转换器接收外部可听声音以及分析通信信道中声音噪声的谱结构和电平；以及 谱估计器，用于接收来自所述通信信道分析器的输出以及依照声学感知的心理声学模型计算最佳信号谱。
4.如权利要求1所述的编码器，其中，所述调制模块包括: 谱校正单元，用于校正从所述分组组装单元输出的分组的谱； 调制器，用于根据至少一个预设的调制方案来调制从所述谱校正单元输出的分组；以及 同步序列添加单元，用于在时域中将同步信号添加到所述调制器的输出信号。
5.如权利要求1至4中的任意一项所述的编码器，其中，所述预编码器包括: 容器压制单元，用于将标头标签添加到所述信息对象以及执行用于完整性校验的字节设置，由此将所述信息对象打包到标准容器中；以及 重复/交织单元，用于接收所述容器压制单元的输出数据，将所述输出数据重复限定的次数，以及交织经重复的数据，所述限定的次数是考虑所述信息对象的大小而确定的。
6.如权利要求5所述的编码器，其中，所述预编码器还包括卷积编码器，其用于接收从所述重复/交织单元输出的数据，对所述数据执行卷积码编码，以及将卷积码编码的结果存储在所述预编码器缓存中。
7.如权利要求1至4中的任意一项所述的编码器，其中，所述采样编号/地址生成模块包括: 采样编号生成器，用于以预设周期生成用于标识采样的采样编号；以及编码器地址生成器，用于在生成所述采样编号期间考虑所述信息对象的大小生成伪随机数量的地址。
8.如权利要求1至4中的任意一项所述的编码器，其中，所述控制分组生成模块包括: 控制数据生成单元，用于生成包括与所述信息对象的大小和所述采样编号相关的信息的控制数据；以及 控制数据编码器，用于通过根据预设方案对所述控制数据编码生成所述控制分组，该预设方案具有比所述采样的编码方案更高的抗噪声度。
9.一种解码器，包括: 解调模块，用于根据预设的调制方案解调输入声音信号； 第一多路分离器，用于将采样比特和包含相应采样的信息的控制分组比特相互分离； 地址生成模块，用于根据所述控制分组生成与所述相应采样的每个比特相应的地址信息； 第二多路分离器，用于接收采样比特的软判决以及根据由所述地址生成模块生成的地址信息将所述软判决多路分离并输出； 求和单元，用于将第二多路分离器的每个输出的软判决求和； 存储器缓存，用于存储来自所述求和单元的经求和的软判决；以及 解码模块，用于将存储在所述存储器缓存中的采样解码。
10.如权利要求9所述的解码器，其中，所述解调模块包括: 同步器，用于通过来自所述输入声音信号的同步信号检测进入的信号，恢复所述进入的信号的边界，以及执行所述采样频率的校正性调整；以及 解调器，用于根据一个或多个解调方案对从所述同步器输出的信号进行解调。
11.如权利要求10所述的解码器，其中，所述解调模块还包括通信信道估计/补偿单元，用于执行对所述通信信道和经所述解调器解调的信号中的噪声分量的失真谱进行评估和补偿。
12.如权利要求9所述的解码器，其中，所述地址生成模块包括: 控制信道解码器，用于接收控制分组比特，以及对包括与所发送信号的信息对象的采样编号和大小相关的信息的控制分组进行解码；以及 解码器地址生成器，用于考虑所述信息对象的大小生成伪随机数量的地址。
13.如权利要求9所述的解码器，其中，所述解码模块包括: 迭代解码器，用于对存储在所述存储器缓存中的信息执行迭代解码； 数据完整性校验单元，用于对经所述迭代解码器迭代解码的信息的完整性进行校验，以及当校验成功时输出所述信息；以及 容器解包/恢复单元，用于对从所述数据完整性校验单元输出的信息进行解包，提取所发送信息对象的容器，以及恢复所述信息对象。
14.如权利要求13所述的解码器，其中，所述解码器根据所述数据完整性校验单元的校验结果生成接收确认信号，并且所述解码器经由通信信道将所述接收确认信号发送到发射机侧。
15.一种编码方法，包括以下步骤: 根据预设的编码方案对输入信息对象进行编码； 从经编码的数据中选择预设的比特集并且将所选择的比特集作为采样输出； 生成包括有关采样编号的信息的控制分组，该采样编号用于标识该采样；将所述采样与所述控制分组组装在一起；以及 根据预设方案将组装的分组调制为声音信号， 该编码方法还包括接收有关外部声音通信信道的信息以及获得所接收的声音通信信道的声谱的步骤，其中当执行声音信号的调制时补偿所述声音信号的谱。
16.如权利要求15所述的编码方法，其中，获得所述声谱的步骤包括以下步骤: 通过外部麦克风和模-数转换器接收外部可听声音以及分析通信信道中声音噪声的谱结构和电平；以及 依照声学感知的心理声学模型计算最佳信号谱。
17.如权利要求16所述的编码方法，其中，将所述组装的分组调制为声音信号的步骤包括以下步骤: 根据所计算的最佳信号谱校正所述组装的分组的谱； 根据至少一个预设的调制方案调制所述分组；以及 在时域中将同步信号添加到经调制的信号。
18.如权利要求15至17中任意一项所述的编码方法，其中，对输入信息对象进行编码的步骤包括以下步骤: 将标头标签添加到所述信息对象以及执行用于完整性校验的字节设置，由此将所述信息对象打包到标准容器中；以及 接收打包的数据，考虑信息对象的大小将接收的数据重复限定的次数，以及交织经重复的数据。`
19.如权利要求18所述的编码方法，其中，对输入信息对象编码的步骤还包括以下步骤:接收经重复和交织的数据，以及对所述数据执行卷积码编码。
20.如权利要求15至17中任意一项所述的编码方法，其中，从经编码的数据中选择预设的比特集的步骤包括以下步骤: 以预设周期生成用于标识采样的采样编号；以及 在生成所述采样编号期间考虑信息对象的大小生成伪随机数量的地址。
21.如权利要求15至17中任意一项所述的编码方法，其中，生成控制分组的步骤包括以下步骤: 生成包括与所述信息对象的大小和所述采样编号相关的信息的控制数据；以及 通过根据预设方案对所述控制数据进行编码来生成所述控制分组。
22.—种解码方法，包括以下步骤: 根据预设的调制方案解调输入声音信号； 将经解调的接收比特中的采样比特和包含相应采样的信息的控制分组比特相互分离； 根据所述控制分组生成与所述相应采样的每个比特相应的地址信息； 对各条所生成的地址信息所针对的采样比特的软判决进行求和；以及 对经求和的信息执行采样解码。
23.如权利要求22所述的解码方法，其中，解调输入声音信号的步骤包括以下步骤: 通过来自所述输入声音信号的同步信号检测进入的信号，恢复所述进入的信号的边界，以及对所述采样频率执行校正性调整；以及根据一个或多个解调方案解调所述进入的信号；以及 对所述通信信道和经解调的信号中的噪声分量的失真谱执行评估和补偿。
24.如权利要求22所述的解码方法，其中，生成地址信息的步骤包括以下步骤: 接收控制分组比特，以及对包括与所发送信号的信息对象的采样编号和大小相关的信息的控制分组进行解码；以及 考虑所述信息对象的大小生成伪随机数量的地址。
25.如权利要求22所述的解码方法，其中，执行采样解码的步骤包括以下步骤: 对经求和的信息执行迭代解码； 校验经迭代解码的信息的完整性，以及当校验成功时输出该信息；以及对输出的通过所述数据完整性校验的信息进行解包，提取所发送信息对象的容器，以及恢复所述信息对象。
26.如权利要求25所述的 解码方法，其中，校验经迭代解码的信息的完整性的步骤包括: 生成接收确认信号；以及 经由通信信道发送该接收确认信号到发射机侧。
27.—种编码和解码方法，其包括: 编码过程，包括以下步骤: 根据预设的编码方案对输入信息对象进行编码； 从经编码的数据中选择预设的比特集并且将所选择的比特集作为采样输出； 生成包括有关采样编号的信息的控制分组，该采样编号用于标识该采样； 将所述采样与所述控制分组组装在一起；以及 根据预设方案将组装的分组调制为声音信号，和解码过程，包括以下步骤: 根据预设的调制方案解调输入声音信号； 将经解调的接收比特中的采样比特和包含相应采样的信息的控制分组比特相互分离； 根据所述控制分组生成与所述相应采样的每个比特相应的地址信息； 对各条所生成的地址信息所针对的采样比特的软判决进行求和；以及 对经求和的信息执行采样解码。
【文档编号】H04L1/00GK103746778SQ201410054360
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2010年5月18日 优先权日:2009年5月18日
【发明者】郑熙远, 朴胜建, 李起相, 高俊豪, 李相默, S.智德科夫 申请人:三星电子株式会社