专利名称：使用比特置信值的信号处理方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及信号处理的方法和用于信号处理的设备。
背景技术：
欧洲专利说明书no.EP 0 987 863 A1描述了一种用于解调8-PSK调制信号的系统，涉及将符号划分成其I和Q分量，并将这些作为输入比特提供给维特比(Viterbi)解码器。
1998年9月19-22日IEEE Vehicular TechnologyConference(IEEE车辆技术会议)第5卷第2954-8页，V Franz和GBauch撰写的标题为“Turbo-detection for Enhanced Data for GSMEvolution”的文章描述了一种用于通过迭代程序改善均衡和解码的技术，其中卷积解码器的输出被重新编码，并被用于在另一个均衡尝试之前生成符号概率(继之以另一个解码尝试)。
该解决方法的实质缺点在于，需要相当大的处理功率(procrssingpower)。
发明内容
本发明的一个目的是提供改善的PSK信号的解调。
本发明的另一个目的是提供改善的发射符号的解码。
本发明的另一个目的是提供改善的发射信号的性能。
本发明的又一个目的是提供块差错率的显著降低，而不明显增加所需要的处理功率。
根据本发明，提供一种处理数据信号的方法，包括接收包含有PSK符号的数据序列，将该数据序列划分成符号比特，给符号内的每个比特分配置信值(confidence value)，和执行与所分配的置信值相关的比特流的卷积解码。
以这种方式，该方法可以在降低块差错率的情况下提供解码操作的增强性能。
该方法还可以包括下述特征中的任何一个或多个·分配置信值包括利用格雷码(Gray code)将符号映射到二进制比特；
·将有关映射确定的数据合并在查找表内，以便参考；·重新编码硬判决作为(I，Q)对，并从中取出软判决；·通过带有白化匹配滤波的判决反馈均衡执行解调；·使用数字处理器进行均衡；·使用专用信号处理硬件进行均衡；·在卷积解码之前的去交织、去凿孔(de-puncturing)和增量冗余步骤。
本发明的另一方面提供一种可直接装载到数字计算机的内存储器中的计算机程序产品，包括用于在所述产品在计算机上运行时执行本发明的方法的各个步骤的软件部分。
本发明的另一方面提供一种计算机程序，用于当在计算机上运行所述程序时执行本发明的方法的各个步骤。
本发明还提供一种载体，其可以包括电信号，用于实施本发明的计算机程序。
本发明的另一方面提供本发明的方法的计算机程序的电子分布。
本发明的另一方面提供用于处理数据信号的设备，包括装置，用于接收包含有PSK符号的数据序列；映射装置，用于将数据序列映射到符号的比特，并给符号内的每个比特分配置信值；和装置，用于执行与所分配的置信值相关的比特流的卷积解码。
本发明的另一方面提供一种包含有这样的设备的用于处理数据信号的系统。
本发明的另一方面提供一种从本发明的方法或从本发明的设备中导出的查找表。
本发明的另一方面提供一种用于使用这样的查找表的方法和一种用于使用这样的查找表的设备。
本发明通常可应用于8电平PSK信号，并且尤其适合于例如使用特别包含有EDGE服务的GSM标准的数字蜂窝通信。
本发明还可以应用于高级格雷码星座点(例如用于CDMA2000标准和UMTS标准)和数据编码与前向纠错。此外，本发明还可以应用于数字视频广播和OFDM调制。
为了可以更容易地理解本发明，现在仅通过例子参考附图提供描述，在附图中图1是包含有本发明的用于手机的无线电接收机的方框图；图2是包含有本发明的均衡器的方框图；图3是本发明的信号处理的其余部分的方框图；图4是8-PSK调制的示意图；和图5图示块差错测试系统。
具体实施例方式
图1图示用于具有EDGE服务能力的UMTS/GSM接收机的双变换(dual-conversion)接收机结构。在天线10上接收到的GSM信号传送给低噪声放大器11，并传送到混频器12上，以便输入给100kHz的低中频单元13(与用于CDMA节点的零中频相对照)，从而允许信道滤波器的集成(在这个结构中，数字地执行信道滤波)，而不存在与用于窄带系统的零IF接收机相关的性能损耗，随后，传送给放大器14、混频器15和随后传送给A/D单元16。
在3G UMTS标准中公开了GSM/EDGE标准的细节，例如参见在参考文献3GPP TS 45.004，v 4.2.0(2001-11)下公开的技术规范。
蜂窝电话手机能够接收EDGE调制信号，并且EDGE(EnhancedData-rates for GSM Evolution(用于GSM发展的增强数据速率))协议根据成功的GSM蜂窝电话标准建立，从而在使用与GSM相同的无线电频谱量时提供更快的通信链路。更快的数据传输使得诸如网页浏览等动作以可容忍的速度在手机上运行；已经发现允许使用传统的GSM调制进行网页浏览的WAP手机是极其慢的。
GSM是使用时分多址以允许最多达八个手机同时使用同一200kHz频率信道的数字传输方案。当进行呼叫时，在一端上的发射机(和在另一端上的相应接收机)对于以270.833kbit/s的比特率持续156.25个比特的突发(burst)被接通，并在再次被接通之前对于七个其他的突发周期被停止使用。调制方案是高斯滤波最小频移键控(GMSK)，这是一种频率调制形式。
比特率是足够高的，以致于典型的传播条件导致符号间干扰(ISI)。为了允许此，发送训练序列20(预定义的比特序列)作为突发的一部分。使用当这个训练序列到期时接收到的信号来解决无线电传播条件已使信号如何失真，以及使用估计器21提供定时和相位参考。
除了所发射信号的若干拷贝之外(全部在不同的时间上和具有不同的幅度与相位)，还存在噪声，这是热噪声或来自使用同一频率的其它小区的干扰。
在给定接收的抽样序列和根据训练序列20推导出的I SI的情况下，通过计算可能的比特序列，均衡器22确定发射的序列是什么。
对于GSM来说，常用的均衡器是维特比均衡器，它依赖于每个比特仅影响在它之后的少量比特(一个窗口，通常多达9比特长)。通过在给定接收的序列和预期的符号间干扰的情况下计算发送的9个比特的所有可能集合的概率，最可能的集合具有正确的第一比特。
随后固定这个比特，并向下移位其余的比特，在窗口内考虑新的未知比特和相应接收的抽样。必须同时考虑的不同序列概率的数量是29＝512(对于每个比特，不同的512)。通过考虑在该窗口内的所有可能序列，维特比均衡器提供非常好的结果。
甚至利用维特比均衡器，结果也不完美。随着从训练序列获得的越多，则比特错误的风险越大。为此，GSM标准将重要的比特放置得靠近训练序列20，并将较不重要的比特放置在突发的末尾的较远位置。在典型的市区条件下，最小可接受标准是具有8％的错误解码的比特。这在人们正在收听的话音上引起了喀啦声(click)和啸哨声，但是这通常是可忍受的。
为了发送数字信息，进一步的纠错是必需的。使用卷积编码，通常1/2速率(以便对于将要发送的每个信息比特，实际发送两个比特的序列)。卷积编码比简单的重复更为复杂，并且性能改善相应地优于重复。
一种编码方案的质量度量是“最小距离(minimum distance)”-在已创建另一个有效编码序列之前，编码序列内的多少比特必需是错误的。在错误接收比特的情况下，它并不符合在其之前或之后的比特。因此，使用维特比最大似然序列算法来解码该比特序列。
在无线电信道上，在突发内可能会出现比特错误，例如因为均衡器22已移动而距离训练序列20太远，或者因为瞬时噪声(spark ofnoise)，或者因为短衰落。因为卷积编码使用邻近比特来纠正错误比特，交织这些比特是有用的，以便用于解码的邻近比特对于传播并非邻近的。
当使用GSM数据链路时，因为训练序列、卷积编码和控制信息以及1/8占空因数的所有开销，270.833kbit/s的原始比特率转变成9600数据bit/s。
EDGE对GSM标准引入了两个改变用于数据编码的更多选择和更有效的调制。
当已知传播条件足够好以致于原始误码率远低于8％时，则可以使用较弱的卷积编码(或者完全不使用)。虽然有可能使用(例如)2/3速率卷积编码器，这并不是EDGE标准所采用的解决方案。相反，它使用1/2速率编码器，但是随后在称作凿孔(puncturing)的处理中丢弃了均匀分布的一部分输出比特。这允许比特率增加到17.6kbit/s。
除了GMSK之外，在EDGE标准中还介绍了用于8符号相移键控(8PSK)的选择。这在相同的符号速率(270833符号/秒)和相同的调制带宽(200kHz)内执行，但是因为每个符号可以发送三个比特，所以原始比特速率被增至三倍到812.5kbit/s。虽然保持1/8占空因数(因此，分配给一个用户的信道容量)，当条件足够好时，有用的数据速率增加到59.2kbit/s。
一种调制改变的向下趋势是维特比均衡器将需要跟踪89＝134217728个序列概率，并且甚至随着计算能力的提高，因为引入了GSM，所以为正在被解码的每个符号执行如此至多的计算也将是不现实的。因此，使用不同的技术执行解调，例如带有白化匹配滤波器的判决反馈均衡器。在去凿孔和去交织之后，维特比解码器依然是用于除去卷积编码的最佳选择。
因为电源效率在电池供电的蜂窝电话机中很重要，所以仅在预期打算用于该手机的突发时，接收机才是激活的。模拟无线电部分在突发期间被加电。数字信号处理基本上被延迟，直到该突发结束，将整个突发作为单个矢量来处理。
因为从训练序列20向外(所以在时间上向向和向后)执行在均衡器22上的均衡，该实施方式必需使用存储器，并且这在数字域内是最简单的。可以将均衡器算法实施为数字信号处理器内的软件，但是也可以将其实施为专用信号处理硬件。均衡器22的输出是116比特(GMSK)或符号(8PSK)，即少于训练序列的157.25和如图2所示的保护间隔。由映射装置28将8PSK符号映射到比特，所述映射装置28也给符号内的每个比特分配置信值。
去交织30、去凿孔31和增量冗余块32随后，如图3所示。符号-比特映射将馈送给去交织器30的比特数量从116增加到348。
即使在没有来自均衡器的软判决的情况下，卷积解码器33最有效地工作，如果安排它提取软输入，因为凿孔比特的值是未知的，而不是作为1或0被接收到(经受噪声和干扰)。
解码器33可以(例如)采用+1.0作为合理确信逻辑1，-1.0如同合理确信逻辑0，和0.0，以表示比特同等可能地是1或0。
本发明保证改善了符号-比特的映射，利用卷积解码器采用软输入的事实。
PSK符号的检查表明比其它比特更确信地获知一些解码比特，因为即使正确的符号变成与均衡器选择的一个符号相邻的一个符号，比特之一将保持不变。使“合理确信”比特具有值±1.0，“非常确信”比特被分配值±α，其中α是大于1.0的值。α的最佳值取决于传播条件(可能是在均衡和噪声/干扰之后符号间干扰的相对强度)。因为难以测量传播条件是什么，所以推荐α的固定值，预先通过系统模拟确定该值。所选择的值是一种折中，并可以向视为难以满足的标准部分进行加权，或者向实际上最可能出现的条件进行加权。
在符号和比特的集合更加复杂的情况下(例如16QAM或64QAM)，可能需要更多等级的置信度，但是依然可以将它们从“均衡器解码的符号”到“每个比特为1或0的概率”放入查找表内。
如果均衡器能够生成更多的信息，通过确定星座点在复平面上的位置，而不是哪个符号最靠近，通过在查找表内的规定点之间内插将获得甚至更好的结果。
实质上，本发明是卷积系统的发展，该卷积系统包含判决反馈均衡器，它生成硬判决，并选择给出接收信号的最可能的符号，但是并不提供有关接收信号与该符号的邻近程度的信息或者是否存在几乎可能的另一个符号的信息。在这个常规系统中，在符号和它们表示的二进制模式具有直接转换。这样的一种系统采取硬符号判决，并同样生成硬二进制输出。尽管这个转换是正确的，但是它并不表明这些比特的不同置信程度，假定该符号可能是错误的。
如果使用8-PSK调制，这些符号围绕一个圆均匀被间隔开，如图4所示。为了降低误码率，如果将所发送的符号6错误地解码为符号5，如表1所示，利用格雷码将这些符号映射到二进制比特。
表1如果在存在噪声的情况下解码符号5，则所发射的符号可能实际上是4或6。查看表1中的二进制模式，就明白所发射的信号是4、5还是6，比特1依然是零。如果所发射的符号实际上分别是4或6，则在符号5中将解码为1的比特0或比特2可能是0。因此，当接收到符号5时，与获知比特0和2为1相比，以更大的置信度获知比特1是0。
将类似的分析应用于所有八个符号。将1的置信映射写为在+1的常规值上的+α，并将0的置信映射写为-1的常规值上的-α，这产生改进的映射表，如表2所示(它表示8-PSK比特的改进映射，以提供更软的输入给卷积解码器)。使用作为大于单位1的某一值的α，因此可以将8-PSK符号的硬判决转换成馈送给卷积解码器的更软判决。这种技术并不影响原始的误码率，但是能够显著地改善编码的误码率和块差错率。
表2用于α的最佳值取决于传播条件。在静态灵敏度条件下，已经将最佳值确定为大约3.4，提供实现规定的块差错率所需要的SNR内高达4dB的降低。因为最严格的测试是TU50同信道，所以必需为这些条件优化α。根据表3总结的仿真(它表示在TU50同信道条件下对于改善解码观察到的益处)，得出结论用于α的最佳值是1.7，接收机性能的改善大约0.7dB。这是小的改进，但是非常有利。
表3因而，本发明涉及在支持EDGE标准(用于GSM发展的增强数据速率)的蜂窝电话机内使用的无线电接收机。在这个标准中，卷积编码数据比特，并且随后格雷编码在8-PSK符号上。格雷编码确保在(由于噪声)接收的符号与所发送的符号相邻时，仅出现一个比特错误。
举另外一个例子，如果发送的符号是110，并且接收机出现错误和选择相邻符号(111或100)，在任一情况下，将仅具有一个比特是错的。
在已知的系统中，使用硬判决，解调器必需选择一个符号-不能说信号处于两个符号之间。这是因为在选出符号间干扰(这在GSM/EDGE内是主要问题)时，解调器需要处理许多事情。
随后，将这些符号转换成比特流，以便馈送给卷积解码器。在一种公知系统中，执行的转换是直接的二进制到整数的转换(使用映射，1映射为+1，和0映射为-1)。
本发明涉及改进的转换，其使用已知符号内的比特为不同等级的置信度的观察。如果查看符号110，则它可能实际上是111或100。与其它两个比特相比，更强烈地获知前导1。因此，它应当映射为某个其它值，比1更确定。假设这个值为α，大于或等于1的恒定值。随后，将110映射为(α，1，0)。整个映射表变成000→(-α，-1，-1)001→(-1，-α，1)010→(-α，1，-1)011→(-1，α，1)100→(α，-1，-1)101→(1，-α，1)110→(α，1，-1)111→(1，α，1)随后，卷积解码器33可以使用这些作为软判决，提供更佳的性能。
当α为1.0时(参考性能)，使用低于所期望信号8dB的同信道干扰源(interferer)的MCS-5编码，观察到0.311的块差错率。如果α增加到3.4，则块差错率降低到0.044。这等价于大于2dB的信噪比改善。3和4之间的值提供了最佳的结果，尽管它不是决定性的。
因而，将映射确定的相关数据合并在查找表内，在适当的时候由接收机单元进行参考。
因而，在本发明中，格雷编码确保在(由于噪声)所解码的符号邻近所发射的符号时，仅出现一个比特错误，例如与110邻近的符号是111和100。
在本发明中，建议由解调器执行软判决，将增加的置信度分配给在一个符号内与相邻符号内相同的比特。在上面的例子中，与另外两个比特的值相比，利用更高的确信度，已知第一比特是1。对于这个例子，使用二进制到整数映射(因此1映射到+1和0映射到-1)，将该符号表示为(α，1，-1)。随后，由标准的卷积解码器使用这些值。已经发现3和4之间的α的值提供特别好的结果。
公知的现有技术采用具有所接收信号的I和Q分量的起始位置(并未提到如何减轻导致符号间干扰的多径传播)。它们仅建立根据所测量的(I，Q)矢量在何处结束能够生成有关所有比特的软判决。
本发明利用生成硬判决的多路径均衡器(因而丢失了有用的信息)的输出开始，从生成软判决的均衡器获得好的结果。
本发明采取硬判决，将它们重新编码成(I，Q)对，并且随后从中提取软判决。以这样的方式，本发明从判决反馈均衡器获得软判决。本发明软化了由生成硬判决的均衡器进行的判决。
本发明可以提供块差错率的显著降低，而不显著增加所需要的处理功率。
本发明尤其可应用于用于EDGE电话的接收机的实施(增强的GSM数据速率)和使用格雷编码符号的标准的其它接收机。
在图5中，图示了已经用于获得表3所示的结果的误码率和块差错率测试系统。
在相同的模拟中测量用于EDGE编码数据的原始(未编码)误码率和块差错率，以允许使用图5中系统的直接性能比较。将新的块图示为带有阴影。误码率计算所涉及的差别在于，所使用的比特序列是使用随机比特馈送的卷积编码器33的输出，而不是原始随机比特。这并不产生明显的区别，因为解调器并不知道禁用的比特序列，但是可能存在转换统计上的一些改变。
为了确定这是否将改变系统的仿真性能，使用随机比特和通过EDGE编码器馈送的随机比特运行静态灵敏度测试，从中表明对于在-115dBm至-100dBm范围内的信号，用于编码和未编码系统的原始比特之间的差是小的。
在本发明的说明书和权利要求书中，在单元之前的“一”或“一个”并不排除多个这样的单元的存在。此外，字词“包括”并不排除除了所列出的单元或步骤之外的其它单元或步骤的存在。
在权利要求书中括号内的参考标记用于辅助理解而不是用于限制。
通过阅读本说明书，对于本领域的普通技术人员来说，其它的修改将是显而易见的。这样的修改可能涉及在信号处理领域内已知的并且可以用于替代在此已经描述的特征或者附加这些特征使用的其它特征。
权利要求
1.一种处理数据信号的方法，包括接收包含有PSK符号的数据序列，将该数据序列划分成符号的比特，给符号内的每个比特分配置信值，和执行与所分配的置信值相关的比特流的卷积解码。
2.根据权利要求1的方法，其中分配置信值的步骤包括利用格雷码将符号映射到二进制比特。
3.根据任一前面权利要求的方法，包括将有关映射确定的数据包含在查找表内，以便参考。
4.根据任一前面权利要求的方法，包括重新编码硬判决为(I，Q)对，并从中提取软判决。
5.根据任一前面权利要求的方法，包括通过带有白化匹配滤波的判决反馈均衡执行解调。
6.根据任一前面权利要求的方法，包括使用数字处理器(22)用于均衡。
7.根据权利要求1-5之中任一权利要求的方法，包括使用专用信号处理硬件(22)用于均衡。
8.根据任一前面权利要求的方法，包括在卷积解码之前的去交织、去凿孔和增量冗余步骤。
9.一种可直接装载到数字计算机的内存储器中的计算机程序产品，包括用于在所述产品在计算机上运行时执行权利要求1-8之中任意一个或多个权利要求的步骤的软件代码部分。
10.一种用于处理数据信号的设备，包括用于接收包含有PSK符号的数据序列的装置(10)；映射装置(28)，用于将数据序列映射到符号的比特，并给符号内的每个比特分配置信值；和用于执行与所分配的置信值相关的比特流的卷积解码的装置(33)。
11.根据权利要求10的设备，其中映射装置(28)适于利用格雷码将符号映射到二进制比特。
12.根据权利要求10或11的设备，包括包含有用于参考的有关映射确定的数据的查找表。
13.根据权利要求10-12之中任一权利要求的设备，包括重新编码硬判决为(I，Q)对的装置和从中提取出软判决的装置。
14.根据权利要求10-13之中任一权利要求的设备，包括通过带有白化匹配滤波的判决反馈均衡执行解调。
15.根据权利要求10-14之中任一权利要求的设备，包括用于均衡的数字处理器(22)。
16.根据权利要求10-15之中任一权利要求的设备，包括用于均衡的专用信号处理硬件(22)。
17.根据权利要求10-16之中任一权利要求的设备，包括在卷积解码之前去交织、去凿孔和实施增量冗余的装置(30，31，32)。
18.一种查找表，利用权利要求1-9之中任一权利要求的方法或权利要求10-17之中任一权利要求的设备来生成。
全文摘要
在具有EDGE服务能力的UMTS/GSM接收机中，将包含有PSK符号的数据序列划分成比特，这些比特被分配有置信值，并被输入给卷积解码器(33)，以提供改善的解码。
文档编号H04L1/00GK1726684SQ200380106350
公开日2006年1月25日 申请日期2003年12月3日 优先权日2002年12月17日
发明者D·阿利 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司