CN1890934A - 用于校正通信路径中数据错误的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有校正通信路径中数据错误功能的发送和接收装置。在发送装置中，冗余比特添加单元将冗余比特添加到已由分割单元以单个比特进行分割的每一数据比特；以及交织器进行交织。该发送装置发送信号，该信号已经过FM调制单元FM调制。在接收装置中，符号判定单元在每一奈奎斯特点对已由FM解调单元FM解调的信号进行符号判定；比特转换单元根据符号判定的结果进行比特转换；以及帧恢复单元从已由去交织器去交织的比特串中，删除由发送装置的冗余比特添加单元所添加的冗余比特。因此，即使在通信状态不是处于优选的环境时，其也能够确实地利用简单的结构进行纠错。

Description

用于校正通信路径中数据错误的装置和方法

技术领域

本发明涉及用于校正通信路径中数据错误的发送装置、接收装置、数据发送方法以及数据接收方法。

背景技术

目前，对校正通信路径中数据错误的技术的研究已在多个方面取得进展。某些技术具有接近香农极限的能力。

特别是，在移动通信中，由于通信路径中的错误特性显著地变化，因而需要十分强的错误校正。

至于错误校正技术，已知例如ARQ(自动重复请求)等重发技术，以及FEC(前向纠错)技术。ARQ技术用于通过请求发送机重发在接收后具有错误的数据的技术(因而该技术被分类为后向的)。FEC技术是用于预先设计要发送和接收的数据，以便发送可靠的数据，并在接收机处去除错误的技术(因而，该技术是前向的)。应当注意到，通常的做法是：在数据通信中同时使用FEC和ARQ，而仅在需要对声音和图像进行同时处理时使用FEC。

但是，在使用ARQ等的发送和接收装置中，重发增加得越多，发送效率降低得越多。而且，在使用ARQ等的发送和接收装置中，难以发送和接收通过电话呼叫或流发送的话音数据或图像数据，这是因为需要同时处理。

由于此原因，如日本专利公开号2002-3444413(第6-8页，图1)中所述，对于用于电子邮件等的数据通信和话音数据或图像数据的发送，已经建议使用FEC技术等的发送和接收装置通过执行对接收的数据的纠错尽量恢复所接收的数据，而不重新发送该数据。这种发送和接收装置利用分组码(block code)或卷积码进行纠错。

然而，在使用常规FEC技术的发送和接收装置中，纠错计算很复杂，增加了计算处理。为此，在这种发送和接收装置中，还需要相当的存储容量以用于计算。

而且，FEC方法的发送和接收装置导致这样的缺点，即，其中恰恰相反的，当通信路径中数据错误超出纠错的处理能力时，会出现更多的错误。

特别是，在例如语音呼叫的通信中，并不希望这种缺点。因为语音具有许多为人的感观所捕获的因子，因此更重要的是能够识别在即使包括某些噪声的语音中说了哪些词。换句话说，如果FEC致使多的多的错误，那么进行数据插值、重复或丢弃(丢失)等。这一处理也被称为坏帧掩蔽处理(Bad Frame Masking process)。当这一坏帧掩蔽处理频繁地进行时，呼叫的内容其本身很可能变得不可听闻。

发明内容

考虑到这些现有问题产生了本发明，并且本发明的目的是提供一种能够确实进行纠错的技术方法，以及采用该技术方法的发送装置、接收装置、数据发送方法及数据接收方法。

为实现上述发明目的，根据本发明第一观点的发送装置基本包括：冗余比特添加单元，其用于将冗余比特数据添加到提供的数据的每一比特以产生编码数据；以及调制单元，其用于发送调制波信号，该信号基于上述冗余比特添加单元所产生的编码数据而产生。

在本发明的发送装置中，上述冗余比特添加单元优选排列添加有上述冗余比特数据的符号，使得添加有该冗余比特数据的数据的欧氏距离(Euclidean distance)变大，或者将冗余比特数据添加到上述提供的数据的每一比特，使得生成格雷码(Gray code)。

而且，提供到上述冗余比特添加单元的数据是其中预先确定了其重要度的高和低数据，并且上述冗余比特添加单元可以为具有比特排列了的数据的高重要度的的比特数据添加冗余比特。

而且，上述调制单元可以根据多值FSK方法进行调制。

根据本发明第二观点的接收装置操作来接收基于添加有冗余比特数据使得生成编码数据的数据而产生的信号，并基本包括：解调单元，其用于解调上述接收的信号；符号判定单元，其用于在每一奈奎斯特间隔对通过上述解调单元解调的信号进行符号判定；比特转换单元，其用于将已通过上述符号判定单元执行符号判定而提供的符号值，转换为比特值；以及数据恢复单元，其用于通过从已由上述比特转换单元转换的该比特值的数据中删除添加的冗余比特，构成数据串，来恢复原始数据。

在本发明的接收装置中，上述接收信号优选是已根据多值FSK方法调制的信号，上述解调单元通过将所接收的信号转换为与上述接收信号的频率对应的电压的信号，来对所接收的信号进行解调，并且上述符号判定单元通过将已由上述解调单元解调的该信号的电压与预设的阈值进行比较，来执行该符号判定。

而且，已由上述比特转换单元产生的比特数据是这样的数据，即，其中比特被排列使得预先确定了其重要度的高低，并且具有高重要度的比特数据被添加有冗余比特。上述数据恢复单元可以将添加到上述具有高重要度的比特数据的冗余比特删除。

根据本发明第三观点的数据发送方法基本包括如下步骤：将冗余比特添加到所提供的数据的每一比特，以产生编码数据；以及将已基于上述产生的编码数据而产生的信号发送。

根据本发明第四观点的数据接收方法基本包括如下步骤：接收已基于添加有冗余比特数据使得产生编码数据的数据而产生的信号；解调所接收的信号；在每一奈奎斯特间隔对已解调的信号进行符号判定；将作为符号判定结果提供的符号值转换为比特值；以及通过从已转换了的上述比特值的数据中删除所添加的冗余比特来构成数据串，以恢复原始数据。

附图说明

图1是示出根据本发明实施例的发送和接收装置结构的框图；

图2是示出话音声码器(vocoder)的数据帧结构的框图；

图3是示出数据帧重要度的图示；

图4是示出在使用4值奈奎斯特FSK的情况下眼图(eye pattern)和符号判定的内容的图示；

图5是示出图1中所示的发送装置操作的图示；

图6是示出图1中所示的接收装置操作的图示；

图7是示出图1中所示的发送和接收装置的错误特性的图示；以及

图8是示出在图1中所示的发送和接收装置中BER和PESQ之间关系的图示。

具体实施方式

将参考附图说明根据本发明实施例的发送和接收装置。

图1示出根据该实施例的发送和接收装置的结构。

根据本发明该实施例的发送和接收装置包括发送装置11和接收装置21。

用于发送已根据所提供的数据进行了调制的信号的发送装置11，设有分割单元12、冗余比特添加单元13、交织器14、基带信号产生单元15、FM调制单元16和发射天线17。

在这一实施例中，以示例的方式，说明其中根据4值根奈奎斯特FSK(4-value root Nyquist FSK)方法发送话音声码器的情况。

该话音声码器是用于以数字格式表示声音信号的系统，其中分析并提取一组声音参数，以从这些参数重组该声音。

如图2所示，将话音声码器的数据帧化并处理，其中以时间单位将信息划界。

以20msec的单位将话音声码器的数据帧化。话音声码器的数据帧包括话音数据和纠错数据，并且一帧中比特的数目为72比特(3600bps)。该话音数据是描述声音信息的数据，而该纠错数据是用于校正错误和检测话音数据中的该错误的数据。

纠错数据由5比特的CRC数据、5比特的CRC保护数据和18比特的声音保护数据构成。

一帧中话音数据的比特数目为44比特，而纠错数据的比特数目为28比特。

该话音数据的每一比特数据都已经以对于人的听觉的重要度的降序排序。该话音数据配置有18比特的保护的话音数据和26比特的未保护的话音数据。

保护的话音数据是即使在通信装置并未处于优选的环境使得可能出现许多错误时也要保护的高重要度的数据。举例来说，在例如语音呼叫的通信中，由于语音具有许多要在人的感官中捕获的要素，因此重要的是能够识别甚至叠加有噪声的语音中所说的词。

在发送声音或图像的情况下，如果在高有效位中出现错误，那么在人的感觉中该比特被捕获为与该信息无关的噪声。在该话音声码器中，将用于配置该语音的这种有效数据处理为保护的话音数据。

例如，在语音的情况中，在声码器数据中存在声压数据、音调频率数据等。假设该声码器数据的数据由16比特的声压数据、10比特的第一音调信息和10比特的第二音调信息构成，如图3所示。图3中示出，在各数据中，最左边的比特是最高有效位(MSB)，而最右边的比特是最低有效位(LSB)。在图3中示出的示例中，假设该数据的这些比特已根据重要度进行了排列，其中阴影的比特是高有效位，且最高有效位具有最高的重要度。应当注意，被认为具有高重要度的这些比特可以通过验证或模拟声码器等的算法来预先确定。

随着位变高，由于该位中的错误而对信息的影响也变得更为显著。举例来说，在“FFFF”的数据中，当在最高有效位中出现错误时，该数据变为“7FFF”，导致十进制数32768的差异。然而，在最低有效位中出现错误时，仅出现1的差异。

这也与图像数据类似。举例来说，通过合成红和绿产生黄。当在最高有效位中出现错误时，则会改变颜色。

因而，如何保护高重要度的比特数据是很重要的。本实施例以简单的结构保护这种高重要度的比特数据。

回到图1，分割单元12被提供有如图2中所示的话音声码器的数据，并以单个比特来划分所提供的数据。如上所述，应当注意，被认为具有高重要度的这些比特可以通过验证或模拟声码器等的算法来预先确定，并且该话音声码器数据的比特已经以重要度的降序排列。

冗余比特添加单元13将“1”的比特添加到已由分割单元12所分割的各比特数据中的高重要度的比特，并产生2比特数据。

交织器14以2比特为单位，在已由冗余比特添加单元13所产生的保护的话音数据的比特与未保护的话音数据的比特之间互换(interchange)，以在该帧上分配有效位或CRC的排列，并生成用于减轻由于定相(phasing)等而引起的组错误(block error)的数据串。

基带信号产生单元15基于已由交织器14所互换的该数据串，产生基带信号。

FM调制单元16利用已由基带信号产生单元15所产生的该基带信号，根据4值根奈奎斯特FSK方法，调制载波。该FM调制单元16设有根余弦滤波器，并且利用已由基带信号产生单元15所产生的基带信号，产生这样的信号，即，其中眼图形成为如图4中所示。发射天线17将已由FM调制单元16进行了FM调制的信号发射为无线电波。

接收装置21设有接收天线22、FM解调单元23、符号判定单元24、比特转换单元25、去交织器26和帧恢复单元27。

接收天线22接收从发送装置11发射的无线电波，并将该无线电波转换为FSK方法的信号。

FM解调单元23通过将已由接收天线22转换的FSK方法的信号转换成基于其频率的电压的电压信号，来进行FM解调，并产生检测信号。

符号判定单元24在已由FM解调单元23产生的检测信号的奈奎斯特点处，进行符号判定。利用FM解调单元23的检测信号，眼图绘制如图4所示。根据4值FSK方法，在该眼图中观测到达三个开口部分。

该点被设置为奈奎斯特点，预设三个阈值th+、th0和th-，以用于执行符号判定。符号判定单元24通过在奈奎斯特点将这三个阈值th+、th0和th-与检测信号的电压进行比较，来执行符号判定。

当在奈奎斯特点处的该检测信号的电压超过阈值th+时，符号判定单元24判断符号值是+3。当在奈奎斯特点处的该检测信号的电压等于或大于阈值电压th0、且等于或小于阈值th+时，符号判定单元24判断符号值是+1。当在奈奎斯特点处的该检测信号的电压小于阈值th0、且等于或大于阈值th-时，符号判定单元24判断符号值是-1。当在奈奎斯特点处的该检测信号的电压小于阈值th-时，符号判定单元24判断符号值是-3。

比特转换单元25将已由符号判定单元24判断的该符号值，转换为基于符号值的比特值的比特。如图4中所示，如果已由符号判定单元24判断的该符号值是+3，那么该比特转换单元25将该符号值+3转换成比特值“0，1”。如果该符号值是+1，那么该比特转换单元25将该符号值+1转换成比特值“0，0”。如果该符号值是-1，那么该比特转换单元25将该符号值-1转换成比特值“1，0”。如果该符号值是-3，那么该比特转换单元25将该符号值-3转换成比特值“1，1”。应当注意，已由比特转换单元25比特转换了的这些比特的排列，已成为格雷码。

去交织器26以2比特单位，重新互换已由比特转换单元25比特转换了的数据。

帧恢复单元27从已由去交织器26重新互换的数据中删除冗余比特，并产生原始数据帧。

下面，将描述根据实施例的发送和接收装置的操作。

发送装置11的分割单元12以单个比特对如图5中(a)所示提供的话音声码器中包括CRC 5比特的保护的话音数据进行分割，并生成如图5中(b)所示每一具有一个比特的比特数据。而且，分割单元12将未保护的话音数据以两比特进行划分。

如图5中(c)所示，冗余比特添加单元13将“1”的比特添加到从保护的话音数据，包括该CRC 5比特，分割来的每一比特数据，并产生2比特数据。

如图5中(c)所示，通过由冗余比特添加单元13将冗余比特“1”添加到保护的话音数据的每一比特数据，保护的话音数据的比特数据当然将对应于符号值+3或-3。换句话说，符号值+3和符号值-3之间的间隔变大，从而奈奎斯特点处的增益变大。

交织器14以已经由冗余数据添加单元13产生了的2比特数据为单位，在添加有冗余比特的比特和保护的话音数据的比特的对，与2比特的未保护的话音数据之间互换，并产生如图5中(d)所示的数据串。

基带信号产生单元15基于已由交织器14进行了互换的该数据串，来生成基带信号。

FM调制单元16利用已由基带信号产生单元15所生成的基带信号，根据4值根奈奎斯特FSK方法，来调制载波。发射天线17将已由FM调制单元16进行了FM调制的该信号发射为无线电波。

接收装置21的接收天线22接收从发送装置11发送的无线电波，并将该无线电波转换为FSK方法的信号。FM解调单元23将已由接收天线22转换的该FSK信号转换为基于其频率的电压的电压信号，并产生检测信号。

符号判定单元24通过将在已由FM解调单元23所产生的检测信号的奈奎斯特点处的电压，与预设的三个阈值th+、th0和th-进行比较，来执行符号判定。

比特转换单元25将已由符号判定单元24判断的该符号，转换为基于该符号值的比特值的比特。

如图6中(e)所示，如果作为符号判定单元24判断结果的该符号值是-3，那么如图6中(f)所示，比特转换单元25将该符号值转换为比特值“1，1”。类似的，比特转换单元25根据符号判定值进行比特转换。应当注意，比特转换了的数据的比特排列已成为格雷码的排列。

如图6中(g)所示，去交织器26将已由比特转换单元25比特转换了的数据互换，使得该数据成为添加有冗余比特的比特和保护的话音数据的比特的对，及2比特未保护的话音数据的数据排列形式。

帧恢复单元27从已由去交织器26重新互换了的数据中，删除添加到保护的话音数据的冗余比特，如图6中(h)所示，并如图6中(i)所示，组合各比特，以生成原始数据帧。

当仅关注保护的比特数据时，作为结果，发送装置11已进行2值调制，而不是4值调制。而且，接收装置21仅删除低位比特，并且作为结果，由接收装置21进行的处理将可能等效于进行该二值的解调。

因而，尽管在4值的情况下，每一符号间隔是“2”，但是该符号间隔可以是“6”，其是2的三倍，并且在理论上，根据本实施例的这种结构，BER可以提高大约4.8dB。

这样，发送装置11根据4值FSK方法添加冗余比特，而接收装置21将已由发送装置11所添加的冗余比特删除。其结果是，尽管从特性的意思上来讲，这已等效于2值FSK方法，但是该调制方法仍保持是4值FSK方法。

图7中示出了在仅关注被保护比特的情况下的BER曲线。

在图7中，特性曲线L10表示根据本实施例的发送和接收装置的特性。特性曲线L11表示在其中已由具有1/2编码速率的维特比(Viterbi)解码器进行解码的情况下的特性。特性曲线L12表示在其中未进行纠错的情况下的特性。而且，图的右缘表示其中通信状态是最优选的情况，且该图表示通信状态随着Eb/No的值向左侧变化而恶化。

如图7中所示，如果通信状态是优选的，如以特性曲线L11所示的，通过利用维特比解码器解码的纠错效果较大，而BER低。但是，随着通信状态恶化，通过利用根据本实施例的发送和接收装置解码的纠错效果在其纠错能力的效果上将比利用维特比解码器的情况更大。

而且，图8中示出了在其中将根据本实施例的发送和接收装置应用到实际声码器的情况下的语音质量特性。

为评估语音质量，使用ITU-T推荐的PESQ(语音质量的感知评估，Perceptual evaluation of speech quality)。应当注意，在图8中，类似于图7，L10、L11和L12分别表示根据本实施例的发送和接收装置的特性、维特比解码器的特性、以及在其中未进行纠错的情况下的特性。

如图8中所示，如果该BER低，换句话说，如果通信状态是优选的，那么通过利用维特比解码器解码的语音质量要比利用根据本实施例的发送和接收装置的稍为优选。但是，这一差异是很微小的，并且在实际听取声音并比较时，这并不是个可辨别的差异。如果BER高，换句话说，通信状态不是优选的，则通过利用根据本实施例的发送和接收装置解码的语音质量，要比利用维特比解码器更为优选，并且可以实现高的语音质量。

如上所述，根据本分实施例，发送装置11将冗余比特添加到话音声码器的每一数据比特，并且在交织之后，FM调制并发送该信号。接收装置21在进行FM解调之后进行符号判定，进行比特转换去交织，并然后删除由发送装置添加的冗余比特。

因而，即使在通信状态不是处于优选环境时，也能够确实地进行纠错。特别是，本实施例的发送和接收装置将适合于通过电话呼叫或流传输语音或图像。

而且，通过执行其中发送装置11将冗余比特添加到数据，并然后接收装置21删除解调的数据的冗余比特的简单处理过程，执行纠错。因此，与其中进行许多操作、并利用需要相当的存储容量的维特比解码器等的FEC方法相比，其能够具有简单的结构，因为不需要用于纠错的操作或存储容量。此外，其能够实现具有低电功耗，因为其不须具有高速的处理器操作。

应当注意，在实现本发明中可以构思多种形式，并且其不限于上述的实施例。

例如，在上述实施例中，已描述了其中通过利用4值根奈奎斯特FSK进行语音呼叫的情况。然而，要处理的数据并不限于话音数据，该数据可以是图像数据。FSK并不限于4值的，其可以是等于或大于4值的多值的。此外，不仅该FSK，而且例如PSK等的其他调制方法也可以使用。

此外，在上述实施例中，描述了例如电话呼叫或流的示例，其中限定了比特重要度。然而，本发明还可以良好地应用到其中期望在协议或电子邮件通信中简单地提高增益的情况。

而且，本实施例可以由软件来执行。在此情况，发送装置11和接收装置21设有处理器以执行该软件。即使本实施例由软件执行，由于其不须执行例如利用FEC的那些操作，因而程序简单，并且能够降低程序所需的存储容量。

在本实施例中，以示例的方式说明了话音声码器。然而，本实施可以不仅应用到话音声码器，而且可以应用到数据通信。在此情况，期望被较强保护的数据部分和其他数据可以分别应用为本实施例中的保护的数据和未保护的数据。

而且，在要在数据通信等中使用的数据中，在每次通信的内容变化时，比特的数目可以变化。此外，例如，如同是其中“FF”和“FE”分别是用于指示发送和接收的标志的情况，甚至最低有效位也可以具有与高位相同的重要度。在这种情况下，本实施例将变得十分有效，例如，如果3比特的控制标志加到数据的末端，使得仅这3个比特在错误中强，并且因此可以定义重要度。

而且，在本实施例中，冗余比特添加单元13将冗余比特数据添加到所提供的数据的每一比特，使得生成格雷码。但是，如果冗余比特添加单元13排列添加有该冗余比特数据的符号，使得添加有冗余比特数据的该数据的欧氏距离变大的话，那么这并不限于上述实施例。

工业可应用性

根据本发明，能够提供一种发送装置和接收装置，尽管其结构简单，即使当传输路径中的通信状态处于不良环境时，其也能够确实地执行纠错。

Claims (10)

1.一种发送装置，包括：

冗余比特添加单元，其用于将冗余比特数据添加到所提供的数据的每一比特以产生编码数据；以及

调制单元，其用于发送调制波信号，该信号是基于上述冗余比特添加单元所产生的编码数据而产生的。

2.如权利要求1所述的发送装置，其中：

所述冗余比特添加单元排列添加有上述冗余比特数据的符号，使得添加有冗余比特数据的数据的欧氏距离变大。

3.如权利要求1所述的发送装置，其中：

所述冗余比特添加单元将冗余比特数据添加到所述提供的数据的每一比特，使得生成格雷码。

4.如权利要求1至3中任一项所述的发送装置，其中：

提供到所述冗余比特添加单元的数据是其中预先确定了其重要度的高和低的数据，并且所述冗余比特添加单元为所述比特排列了的数据中具有高重要度的比特数据添加冗余比特。

5.如权利要求1至4中任一项所述的发送装置，其中：

所述调制单元根据多值FSK方法进行调制。

6.一种接收装置，其用于接收基于添加有冗余比特数据使得生成编码数据的数据而产生的信号，所述接收装置包括：

解调单元，其用于解调所述接收的信号；

符号判定单元，其用于在每一奈奎斯特间隔对已通过所述解调单元解调的信号进行符号判定；

比特转换单元，其用于将已通过由所述符号判定单元执行符号判定而提供的符号值，转换为比特值；以及

数据恢复单元，其用于通过从已由所述比特转换单元转换的该比特值的数据中删除添加的冗余比特，构成数据串，以恢复原始数据。

7.如权利要求5所述的接收装置，其中：

所述接收信号是已根据多值FSK方法调制的信号，所述解调单元通过将所接收的信号转换为与所述接收的信号的频率对应的电压的信号，来解调所接收的信号，并且所述符号判定单元通过将已由所述解调单元解调的信号的电压与预设的阈值进行比较，来执行该符号判定。

8.如权利要求6或7所述的接收装置，其中：

已由所述比特转换单元产生的比特数据是这样的数据，即，其中比特被排列使得预先确定了其重要度的高和低，并且具有高重要度的比特数据被添加有冗余比特，并且其中所述数据恢复单元将添加到所述具有高重要度的比特数据的冗余比特删除。

9.一种发送数据的方法，所述方法包括如下步骤：

将冗余比特添加到所提供的数据的每一比特，以产生编码数据；以及

将已基于所述产生的编码数据而产生的信号发送。

10.一种接收数据的方法，所述方法包括如下步骤：

接收已基于添加有冗余比特数据使得生成编码数据的数据而产生的信号；

解调所接收的信号；

在每一奈奎斯特间隔对已解调的信号进行符号判定；

将作为符号判定结果提供的符号值转换为比特值；以及

通过从已转换了的所述比特值的数据中删除所添加的冗余比特来构成数据串，以恢复原始数据。

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