JP2004056724A

JP2004056724A - 誤り訂正復号化方法

Info

Publication number: JP2004056724A
Application number: JP2002215126A
Authority: JP
Inventors: Toshio Arai; 新井　利男; Yoshinori Matsuzawa; 松澤　義範; Motoki Maruyama; 丸山　元樹; Yoshifumi Nishiyama; 西山　良文
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Toko Electric Corp
Current assignee: Takaoka Toko Co Ltd; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2002-07-24
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】誤り訂正復号化における誤訂正を防止して信頼性及び伝送品質の向上を可能にする。
【解決手段】畳み込み符号器の状態遷移に従って送信される符号化データを受信側でビタビ復号化する際に、推定した状態遷移に従って出力されるべき符号化データと実際の受信符号データとの不一致を検出して受信符号データの誤りを訂正するようにした誤り訂正復号化方法であって、各ビットごとに符号化データと受信符号データとを比較して両者の一致不一致により所定のメトリックを演算し、このメトリックの累積値に基づいて前記状態遷移を推定する誤り訂正復号化方法に関する。受信符号データの各ビットのうち伝送路の外乱により受信符号データに誤りを生じる可能性が高いビットのメトリックの重みを他のビットのメトリックの重みと異ならせる。
【選択図】　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば直交周波数分割多重（ＯＦＤＭ：Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｉｖｉｓｉｏｎ　Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）のようなマルチキャリア変復調方式において、畳み込み符号を用いて誤り訂正復号化を行うための復号化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、配電線を利用して各種電気量や温湿度等の情報を収集する配電線搬送技術が盛んに研究されている。特に、１０ｋＨｚ以下の周波数帯域では電波法等による出力、搬送周波数、伝送速度等の制約が比較的緩やかであり、信号の減衰も少ないことから、低周波帯域を利用した配電線搬送技術が注目されてきている。
【０００３】
一方、マルチキャリア変復調方式の一種であるＯＦＤＭは、周波数間隔を（１／有効シンボルの時間間隔）として各キャリア間を直交させ、符号間干渉がないようにした多数のサブキャリアを使用して各搬送波に低ビットレートの信号を割り当て、全体として所望のビットレートを得るようにしたものであり、
１）有効シンボル（変調信号の一度の変化によって送ることができるデータ）長を長くできる、
２）ガードインターバル（信号の一部を繰り返し伝送する期間）を設けることで遅延波の影響（ゴースト）を低減できる、
３）周波数利用率が高い、
等の利点を有している。
このため、最近では、配電線搬送においても情報データの変復調方式としてＯＦＤＭを適用することが多くなっている。
【０００４】
ここで、図４は送信側から伝送される符号列（伝送するべき情報データを符号化した符号化データ）、ＯＦＤＭ信号の周波数スペクトル、受信側による復調後の復号（受信符号データ）の関係を示している。
ＯＦＤＭのようなマルチキャリア変復調方式では、単一雑音（ＣＷ雑音）が存在すると、その雑音周波数付近のサブキャリアの伝送品質が劣化する。ＣＷ雑音は配電線の負荷が掃除機等のモータ負荷である場合に発生しやすく、そのスペクトルも幅を持つ。また、ＯＦＤＭのようにサブキャリアの周波数間隔が極めて狭い場合には、ＣＷ雑音によって数本のサブキャリアの伝送品質が劣化することとなる。
【０００５】
図４では、符号化データを構成する有効シンボルの各ビットがａ１，ａ２，……，ａ１０、ｂ１，ｂ２，……，ｂ１０、ｃ１，ｃ２，……，ｃ１０であり、これらがそれぞれ１０本のサブキャリアに対応して変調され、復調後の受信符号データのうちａ５に対応するＡ５，ｂ５に対応するＢ５、ｃ５に対応するＣ５が何れもＣＷ雑音によって誤りの確率が高くなることを示している。
【０００６】
ここで、伝送誤りを訂正するための周知の誤り訂正符号化及び復号化技術について述べる。
図５は、送信側において、Ｍビットの情報データに冗長ビットを付加してＮビットの符号化データを生成するＭ／Ｎ畳み込み符号器の構成を示すもので、具体的には符号化率Ｒ（＝Ｍ／Ｎ）を１／２とした１／２畳み込み符号器の例である。
図において、Ｘ_ｉは入力される情報データ、Ｘ_ｏは伝送路に出力される符号化データ、Ｄ_１，Ｄ_２は遅延器、２１，２２，２３は排他的論理和（ＥＸ−ＯＲ）回路、３１はパラレル／シリアル変換器、Ｘ_ｉ１，Ｘ_ｉ２はそれぞれ排他的論理和回路２１，２３の出力データである。
【０００７】
遅延器Ｄ_１，Ｄ_２の状態がそれぞれ（０，０），（１，０），（０，１），（１，１）のとき（例えば（０，０）は遅延器Ｄ_１が“０”、遅延器Ｄ_２が“０”の状態を示す）、各状態をＳ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３とする。
図６はこれらの状態遷移図であり、情報データの入力によってある状態からある状態へ遷移する場合に排他的論理和回路２１，２３から出力されるデータＸ_ｉ１，Ｘ_ｉ２を示している。例えば、初期状態Ｓ_０においてＸ_ｉ＝０が入力された場合には、遅延器Ｄ_１，Ｄ_２の状態は依然として（０，０）であり（状態Ｓ_０は変わらない）、データＸ_ｉ１，Ｘ_ｉ２は｛００｝が出力され、初期状態Ｓ_０においてＸ_ｉ＝１が入力された場合には、遅延器Ｄ_１，Ｄ_２の状態は（１，０）に変化する（状態Ｓ_０から状態Ｓ_１に遷移する）ので、その際にデータＸ_ｉ１，Ｘ_ｉ２としては｛１１｝が出力される。
【０００８】
このため、図５の１／２畳み込み符号器に情報データとしてＸ_ｉ＝｛０，１，０，０，１，１，１｝が逐次入力されると、状態はＳ_０→Ｓ_１→Ｓ_２→Ｓ_０→Ｓ_１→Ｓ_３→Ｓ_３と遷移し、データＸ_ｉ１，Ｘ_ｉ２は、｛００｝→｛１１｝→｛１０｝→　｛１１｝→｛１１｝→｛０１｝→｛１０｝と変化するので、パラレル／シリアル変換器３１を経た符号化データはＸ_ｏ＝｛００，１１，１０，１１，１１，０１，１０｝となる。
【０００９】
一方、受信側で行われる復号化では、受信符号データと畳み込み符号器が発生し得る符号化データとを比較して、送信したであろう符号を推定する誤り訂正復号化、いわゆるビタビ復号化が実行される。
図７は、トレリス線図によるビタビ復号化の原理を説明するためのものであり、時刻１〜８において受信した受信符号データＸ_ｏが、例えば｛００，１１，１０，００，０１，０１，１１，１１｝であるときに、これらを畳み込み符号器が発生し得る符号化データと逐次比較して、両者が一致したときは“１”、不一致のときは“０”という得点を与える。この得点を状態判定要素（メトリック）と言うものとし、メトリックの累積値が大きい方の状態のルートを確定していくことで送信したであろう符号を推定し、受信符号データの誤りを訂正するものである。
【００１０】
図８は、図７の一部拡大図である。復号側では符号器の初期状態がＳ_０であることが判っているとすると、前述のように状態Ｓ_０からはＳ_０またはＳ_１にしか遷移し得ないため、その時の出力データは｛００｝または｛１１｝である。
これらの出力データを時刻１における受信符号データと各ビットごとに比較すると、Ｓ_０からＳ_０に遷移する時は出力データ｛００｝と受信符号データ｛００｝とが２ビットとも一致するので、メトリック（の累積値）として「２」を与える。また、Ｓ_０からＳ_１に遷移する時は出力データ｛１１｝と受信符号データ｛００｝とが一致するビットは０であるから、メトリック（の累積値）として「０」を与える。
【００１１】
この場合、メトリックの累積値は、Ｓ_０からＳ_０に遷移した時の「２」がＳ_０からＳ_１に遷移した時の「０」より大きいため、時刻１における状態遷移としてはＳ_０からＳ_０への遷移が選択され、確定する。図８では、この様子を太い矢印で示してある。
【００１２】
次に、時刻２における受信符号データが｛１１｝であるとすると、前記同様にＳ_０からＳ_０に遷移した時の出力データ｛００｝及びＳ_０からＳ_１に遷移した時の出力データ｛１１｝が受信符号データ｛１１｝とそれぞれ比較される。その結果、Ｓ_０からＳ_０に遷移する時は出力データ｛００｝と受信符号データ｛１１｝とが一致するビットは０であるから、メトリックの累積値は従来通り「２」であり、Ｓ_０からＳ_１に遷移する時は出力データ｛１１｝と受信符号データ｛１１｝とが２ビットとも一致するので、メトリックの累積値は「４（＝２＋２）」となる。
このため、メトリックの累積値は、Ｓ_０からＳ_１に遷移した時の「４」がＳ_０からＳ_１に遷移した時の「２」より大きいため、時刻２における状態遷移としてはＳ_０からＳ_１への遷移が選択され、確定する。
【００１３】
次いで、時刻３における受信符号データが｛１０｝であるとすると、Ｓ_１からＳ_２に遷移する時は出力データ｛１０｝と受信符号データ｛１０｝とが一致するビットは２であるから、メトリックの累積値は「６（＝４＋２）」となり、Ｓ_１からＳ_３に遷移する時は出力データ｛０１｝と受信符号データ｛１０｝とが一致するビットは０であるから、メトリックの累積値は従来通り「４」である。
このため、メトリックの累積値は、Ｓ_１からＳ_２に遷移した時の「６」がＳ_１からＳ_３に遷移した時の「４」より大きいため、時刻３における状態遷移としてはＳ_１からＳ_２への遷移が選択され、確定する。
【００１４】
これにより、時刻１〜３では、Ｓ_０→Ｓ_０→Ｓ_１→Ｓ_２という状態遷移が推定され、その間に畳み込み符号器から出力された符号化データは｛００１１１０｝であることが判る。従って、この例では、時刻１，２，３の受信符号データ｛００１１１０｝に誤りはないことになる。
前述した図７は、このようにして畳み込み符号器における状態遷移のすべての可能性について、状態遷移に伴って出力されるデータ及びメトリックの累積値を時刻１〜８にわたって推定したものである。
【００１５】
この図７において、大小の黒丸は各状態を示し、大きい黒丸は確定した状態、小さい黒丸は未確定の状態である。また、各状態の黒丸間を結ぶ太い実線矢印、細い実線矢印、破線矢印は状態遷移として考えられるすべての可能性を示しており、その中で、太い実線矢印は確定した状態遷移、細い実線は未確定の状態遷移を示し、更に、破線矢印は、他にメトリック累積値が大きくて一層確からしい状態遷移が存在するため、排除しても差し支えない状態遷移を示している。
【００１６】
また、黒丸で示した各状態の上下に記されたメトリックの累積値は、その状態に遷移する元の状態が二つある場合に、それぞれのルートについてメトリックの累積値を示したものであり、特にゴシック体で示した数字は上下の累積値のうち大きい方を示している（つまり、ゴシック体の累積値に至った状態遷移の方が他方の状態遷移よりも確からしいことを示す）。なお、上下の累積値が等しい場合には、例えば上の累積値に至った状態遷移のルートを選択するものと予め決めておく。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
さて、前述したように伝送路上でＣＷ雑音等の影響を受けた符号は誤る確率が高いため、前記トレリス線図による誤り訂正の必要が大きいものであるが、符号誤りの確率が高い分だけ誤訂正する確率も高くなり、その結果、復号化の信頼性や伝送品質が低下することになる。
【００１８】
ここで、図９〜図１１は、畳み込み符号器から出力された符号化データが｛００，１１，１０，００，０１，０１，１１，１１｝であったにも関わらず、ＣＷ雑音等の外乱によって受信符号データが｛００，１１，００，００，０１，０１，１１，０１｝となり、５ビット目及び１５ビット目の符号が誤っている（アンダーラインを付してある）場合のトレリス線図を示している。図９は時刻６までの状態、図１０は時刻７までの状態、図１１は時刻８までの状態である。
なお、状態遷移が確定した場合には、その状態のメトリックの累積値を強制的に０としている。例えば、図１０において状態Ｓ_１３のメトリック累積値は「２」であるが、図１１では「０」としてある。
【００１９】
いま、図１１に示すように、時刻９においてＳ_０→Ｓ_０→Ｓ_１という状態遷移が確定しているとすると、時刻８から時刻９への状態遷移として候補となるものはＳ_ａ，Ｓ_ｂ，Ｓ_ｃ，Ｓ_ｄである。このときの遷移元の状態を図示のようにＳ_０８，Ｓ_１８，Ｓ_３８とする。
この場合、時刻３の状態Ｓ_１（Ｓ_１３）からは時刻４におけるＳ_２（Ｓ_２４）及びＳ_３（Ｓ_３４）への遷移が考えられ、その際の出力データはそれぞれ｛１０｝，｛０１｝であって、遷移後のメトリック累積値は何れも「１」である。また、時刻８において前述の状態Ｓ_０８，Ｓ_１８，Ｓ_３８に至るための時刻４の状態としては、Ｓ_２（Ｓ_２４）及びＳ_３（Ｓ_３４）の何れも可能性がある（Ｓ_２４またはＳ_３４の何れかから、Ｓ_０８，Ｓ_１８，Ｓ_３８の何れかに至る実線のルートが存在する）。
【００２０】
つまり、時刻３の受信符号｛００｝を訂正するとしても、状態Ｓ_１３からＳ_２４への遷移による出力データ｛１０｝に従って訂正するか、あるいは、状態Ｓ_１３からＳ_３４への遷移による出力データ｛０１｝に従って訂正するかの二通りがあるため、訂正方法が一意的に定まらず、結果的に時刻３の受信符号｛００｝を誤訂正してしまうおそれがあった。
【００２１】
そこで本発明は、このような誤り訂正復号化における誤訂正を防止して信頼性及び伝送品質の向上を可能にした誤り訂正復号化方法を提供しようとするものである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、畳み込み符号器の状態遷移に従って送信される符号化データを受信側でビタビ復号化する際に、推定した状態遷移に従って出力されるべき符号化データと実際の受信符号データとの不一致を検出して受信符号データの誤りを訂正するようにした誤り訂正復号化方法であって、各ビットごとに符号化データと受信符号データとを比較して両者の一致不一致により所定のメトリックを演算し、このメトリックの累積値に基づいて前記状態遷移を推定する誤り訂正復号化方法において、
受信符号データの各ビットのうち伝送路の外乱により受信符号データに誤りを生じる可能性が高いビットのメトリックの重みを他のビットのメトリックの重みと異ならせるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、本実施形態は、図４に示したように、ＣＷ雑音等による符号の誤り、ひいてはその誤りの誤訂正が特定のサブキャリアで発生すること、言い換えれば受信符号化データの特定ビットで発生することに着目したものである。すなわち、図４の例ではａ１，ａ２，……，ａ１０，ｂ１，ｂ２，……，ｂ１０，ｃ１，ｃ２，……，ｃ１０からなる符号列の５ビット目、１５ビット目、２５ビット目に符号の誤りがある確率が高く、前述した従来の誤り訂正復号化ではこれらの各ビットで誤訂正が行われる確率が高い。
【００２４】
そこで、本実施形態では、上述したような受信符号データ中の誤りを生じやすい特定のビットのメトリック（当該ビットに対応する状態遷移の出力データのメトリック）に重み付けをすることとした。そして、その重み付けに当たっては、メトリックの累積値が最終的に小さくなるように小さい重みＷ（Ｗ＜１）を設定するようにした。
すなわち、状態遷移による出力データと受信符号データとが一致する場合に、従来ではメトリックとして“１”を与えていたのに対し、この実施形態ではメトリックを“０”（重みＷ＝０）に設定している。なお、重みＷの数値は０に限るものではなく、１以下の任意の数値で良い。
【００２５】
ここで、図１〜図３は、図９〜図１１と同様に、畳み込み符号器から出力された符号化データが｛００，１１，１０，００，０１，０１，１１，１１｝であったにも関わらず、ＣＷ雑音等の外乱によって受信符号データが｛００，１１，００，００，０１，０１，１１，０１｝となった場合のトレリス線図である。
図１は時刻６までの状態、図２は時刻７までの状態、図３は時刻８までの状態である。
【００２６】
この場合においても、受信符号データ全体の５ビット目及び１５ビット目の符号が誤っている可能性が高いため、状態遷移の出力データの当該ビットのメトリックを重み付けにより“０”にすれば、それ以後のメトリックの累積値は小さくなる。従って、最終的にその状態を経由するルートが選択される可能性は小さくなり、結果として誤りを誤訂正する可能性も小さくすることができる。
【００２７】
例えば、本実施形態における図２から図３への変化は、前述した図１０から図１１への変化に相当するが、この実施形態では５ビット目及び１５ビット目のメトリックを「０」としている（図２及び図３では５ビット目及び１５ビット目の出力データを□で囲んである）。
このため、図３の時刻３における状態Ｓ_１３からＳ_２４，Ｓ_３４への遷移に当たり、それぞれの出力データ（５ビット目，６ビット目に相当する）は｛１０｝，｛０１｝であるが、５ビット目のメトリックを“０”としたので、６ビット目に相当する｛０｝，｛１｝だけを受信符号データの６ビット目の｛０｝とそれぞれ比較することになる。
【００２８】
よって、状態Ｓ_１３からＳ_２４へ至るルートでは、６ビット目の出力データ｛０｝と受信符号データの６ビット目の｛０｝とが一致するので、メトリックの累積値として「１」が与えられる。なお、遷移元である状態Ｓ_１３のメトリックは図１１と同様に０としている。また、状態Ｓ_１３からＳ_３４へ至るルートでは、６ビット目の出力データ｛１｝と受信符号データの６ビット目の｛０｝とが一致しないので、メトリックの累積値として「０」が与えられる。
【００２９】
このため、遷移後のメトリックが大きい状態遷移、すなわちＳ_１３からＳ_２４へ至るルートが選択されることになり、畳み込み符号器の出力データは｛１０｝であると推定される。従って、時刻３における受信符号データ｛００｝を｛１０｝へ一意的に訂正することができ、受信符号データ全体の５ビット目の｛０｝が｛１｝に訂正されることになる。
これに対し、図１１の例では状態Ｓ_１３からＳ_２４へ至るルートと状態Ｓ_１３からＳ_３４へ至るルートの何れも選択される可能性があり、各ルートに対応する出力データ｛１０｝，｛０１｝に応じて時刻３の受信符号データの訂正内容が異なるため、誤り訂正も一意的に定まらず、誤訂正の原因となるものであるが、本実施形態ではそのような不都合を生じるおそれがない。
【００３０】
なお、ＣＷ雑音等が解消すれば符号の誤りもなくなってくるので、復号の過程で符号の誤りがなくなってきたら、５ビット目、１５ビット目などのメトリックの重みを大きくすれば（例えば、重みＷ＝１とすれば）良い。
また、雑音周波数の前後についても符号が誤っている可能性がある場合には、連続する複数ビットのメトリックの重みを他のビットより小さくすることが有効である。
更に、最終的にメトリックの累積値が小さい方のルートを選択して状態遷移を推定する場合には、符号の誤りが生じる可能性のあるビットのメトリックの重みを他のビットよりも大きくすれば良い。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、例えば配電線搬送にＯＦＤＭのようなマルチキャリア変復調方式を用いる場合に、ＣＷ雑音等の外乱に起因する符号の誤訂正を防止することができ、信頼性の向上並びに伝送品質の向上を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態におけるトレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【図２】本発明の実施形態におけるトレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【図３】本発明の実施形態におけるトレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【図４】ＯＦＤＭ変復調方式において、伝送するべき符号列、ＯＦＤＭ信号の周波数スペクトル及び復号の関係を示す図である。
【図５】１／２畳み込み符号器の構成図である。
【図６】図５における状態遷移図である。
【図７】トレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【図８】図７の一部拡大図である。
【図９】メトリックに重み付けがない場合のトレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【図１０】メトリックに重み付けがない場合のトレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【図１１】メトリックに重み付けがない場合のトレリス線図によるビタビ復号化の説明図である。
【符号の説明】
２１〜２３　排他的論理和回路
３１　パラレル／シリアル変換器

Claims

畳み込み符号器の状態遷移に従って送信される符号化データを受信側でビタビ復号化する際に、推定した状態遷移に従って出力されるべき符号化データと実際の受信符号データとの不一致を検出して受信符号データの誤りを訂正するようにした誤り訂正復号化方法であって、各ビットごとに符号化データと受信符号データとを比較して両者の一致不一致により所定のメトリックを演算し、このメトリックの累積値に基づいて前記状態遷移を推定する誤り訂正復号化方法において、受信符号データの各ビットのうち伝送路の外乱により受信符号データに誤りを生じる可能性が高いビットのメトリックの重みを他のビットのメトリックの重みと異ならせることを特徴とする誤り訂正復号化方法。