JP3230766B2 - トレリス符号化qamを使用したデジタルデータ通信方法および装置 - Google Patents
トレリス符号化qamを使用したデジタルデータ通信方法および装置Info
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Description
幅変調(QAM)に関し、さらに詳しくは、QAM伝送
を符号化する実用的方法に関する。
V)信号の放送に使用するデジタル化画像信号のごとき
デジタルデータは、VHFやUHFの地上通信用アナロ
グ伝送路でエンドユーザへ伝送することができる。アナ
ログ伝送路では、その入力波形がゆがんだり変形して伝
送される。波形のゆがみは通常は統計学的であるが、暗
熱雑音や衝撃雑音、フェージングなどが起こりうるの
で、相加的および/または相乗的な場合もある。伝送路
によってもたらされる変形は、周波数変換、非線形また
は高調波ひずみ、および時間分散である。
るには、例えばパルス振幅変調(PAM)を用いてデー
タを変調する。一般的には直交振幅変調(QAM)を使
用して、利用可能な通信路の帯域幅内で伝送できるデー
タ量を増大する。QAMはPAMの一種であり、多ビッ
ト数の情報が、例えば16または32の点を含むことの
できる「コンスタレーション」と呼ばれる1つのパター
ンで一緒に伝送される。
ボルによって決定される振幅レベルを持つパルスであ
る。16ポイントQAMでは、一般に各直角位相チャネ
ルに−3、−1、1、および3のシンボル振幅を使用す
る。デジタル通信システムの帯域効率は、単位帯域幅当
りの毎秒伝送ビット数と定義される。つまり、帯域幅に
対するデータレートの比率である。高いデータレートお
よび小さい占有帯域が要求される適用分野では、帯域効
率の高い変調システムが使用される。QAMは帯域効率
の高い変調である。
相シフトキーイング(QPSK)などの変調方式は、よ
く確立され理解されている。QPSKでは、QAMより
単純なコンスタレーションパターンが得られる。特に、
QPSKシステムで使用するコンスタレーションパター
ンは、一般に位相が相互に90度づつ離れている同一振
幅の4個のシンボルしか含まない。したがって、4個の
シンボルは円の回りに均等間隔で配置される。
はないが出力が制限されるシステムに適している。一
方、QAM変調は、出力要件は主要な問題ではない帯域
が制限されるシステムで有利である。したがって、QP
SKは衛星通信システムにおいて卓越した方式として使
用されてきた。一方、QAMは地上およびケーブルシス
テムに好適である。QPSKの普及の結果、トレリス符
号化QPSK変調を実現する集積回路はすでにできてお
り、簡単に手に入る。
限通信路でのデジタル伝送のために符号化と変調を組み
合わせた技術として発展してきた。これは、QAMのご
とき従来の符号化しないマルチレベル変調に比べて、帯
域効率を低下することなく、重要な符号化利得を達成す
ることができる。TCM方式は冗長非2進変調を、変調
信号の選択を支配して符号化信号シーケンスを生成する
有限状態符号器と組み合わせて利用する。受信側では、
雑音のある信号を軟判定最尤シーケンス復号器によって
復号化する。こうした方式は、相加的雑音に対するデジ
タル伝送の頑強性を、従来からの符号化しない変調に比
較して3−6dB高めることができる。このような利得
は、他の周知の誤り訂正方式で要求される帯域拡大や実
効情報率の低下を伴なうことなく達成される。「トレリ
ス」という用語を使用するのは、2進畳込み符号のトレ
リス図によく似た状態遷移(トレリス)図によってこの
方式を説明することができるからである。違いは、TC
Mが畳込み符号化の原理を任意の大きさの信号セットに
よる非2進変調まで拡張することである。トレリス符号
化QPSK変調を実現するためのコンポーネントを入手
しやすいということは、QPSK技術が卓越している衛
星通信等の適用分野のために低価格の通信システムを設
計する上で、非常に有利である。しかし、こうしたコン
ポーネントは、QAMを好適とするような他の符号化伝
送システムを実現するには役に立たなかった。
格のコンポーネント(特に低価格のデータ復号器)が要
求される適用分野では、従来のQAMシステムは、必要
とされる符号器および復号器回路が複雑であり比較的高
価であるために、役に立ちそうになかった。実際、QA
Mトレリス符号器および復号器は、高価な特別注文の集
積回路チップに実現するのが一般的である。
ジタルデータ通信に低価格の解決策が必要とされる1つ
の適用分野として、圧縮高精細度テレビジョン信号のデ
ジタル通信がある。圧縮HDTV信号を伝送するシステ
ムは、毎秒15−20メガビット(Mbps)程度のデ
ータレート、5−6MHz程度の占有帯域(従来の米国
テレビジョン標準方式委員会(NTSC)方式によるテ
レビチャネルの帯域幅)、および非常に高いデータ信頼
性(つまり非常に小さいビット誤り率)が要求される。
このデータレート要件は、高品質の圧縮テレビ画像を提
供する必要性から生じている。帯域幅の制約は、HDT
V信号は既存の6MHzテレビチャネルを使用するし、
かつ現在のNTSC放送信号と共存しなければならない
という米国連邦通信委員会の規定によるものである。こ
の組合せのデータレートと占有帯域では、帯域効率の高
い変調システムが必要にある。実際、データレート対帯
域幅比は3または4程度でなければならない。つまり、
符号化をせず帯域効率が2であるQPSKのような変調
方式は適さない。帯域効率がもっと高いQAMのような
変調方式が必要である。しかし、先に述べたように、Q
AMシステムは、大量消費される適用分野に実現するに
は高価すぎることが難点であった。
が要求される理由は、高度に圧縮した情報源材料(つま
り圧縮画像)が伝送路誤りに弱いという事実による。デ
ータの本来の値を簡潔に記述するために、信号の自然冗
長性は除かれている。例えば、24時間に誤りを1ビッ
ト未満として15Mbpsで送信するシステムの場合、
ビット誤り率(BER)は、1012 個の伝送ビットに
おける誤りが1回未満でなければならない。
vide and conquer )による問題解決法である連結符号
化の手法を用いることによって、事実上満たされること
が多い。こうした符号化の枠組では2つの符号を使用す
る。「内側」変調符号は伝送路をきれいに片付け、「外
側」復号器に穏当なシンボル誤り率を伝送する。内側符
号は通常、「軟判定」(つまり、精巧に量子化された伝
送路データ)を用いて効果的に復号化できる符号化変調
である。周知の方法として、内側符号として畳込みまた
はトレリス符号を使用し、一形態の「ビタビアルゴリズ
ム」をトレリス復号器とする方法がある。外側符号はほ
とんどの場合が、t−誤り訂正「リード−ソロモン」符
号である。HDTVデータ通信に要求されるデータレー
ト範囲内で作動するこうしたリード−ソロモン符号化シ
ステムは広く利用することができ、数社の製造業者の集
積回路に実現されている。外側復号器は、内側復号器を
くぐり抜けた大多数のシンボル誤りを除去するので、最
終出力の誤り率が非常に小さくなる。
G.C.クラーク・ジュニア、J.B.ケイン共著「デ
ジタル通信の誤り訂正符号化」(1981年)(G.C.Cl
ark, Jr. and J.B.Cain,"Error-Correction Coding fo
r Digital Communications", Plenum Press,New York,1
981 )、およびS.リン、D.J.コステロ・ジュニア
共著「誤り制御符号化:基礎と応用」(1983年)
(S. Lin and D.J. Costello, Jr., "Error ControlCod
ing: Fundamentals and Applications", Prentice-Hal
l, Englewood Cliffs, New Jersey, 1983 )に見ること
ができる。また、トレリス符号化については、情報理論
に関するIEEE会議録第IT−28巻第1号55−6
7頁(1982年1月)のG.ウンガーべック著「マル
チレベル/位相信号による伝送路符号化」(G. Ungerbo
eck,"Channel Coding with Multilevel/Phase Signal
s", IEEE Transactions on Information Theory, Vol.
IT-28,No. 1, pp. 55-67, January 1982 )、IEEE
通信雑誌第25巻第2号5−21頁(1987年2月)
のG.ウンガーべック著「冗長信号セットを用いたトレ
リス符号化変調−−第I部:序論、−−第II部:最新技
術」(G.Ungerboeck, "Trellis-Coded Modulation with
Redundunt Signal Sets -- Part I:Introduction, --
Part II: State of the Art", IEEE Communications Ma
gazine,Vol. 25,No. 2, pp. 5-21, February 1987 )、
および情報理論に関するIEEE会議録第IT−33巻
第2号177−195頁(1987年3月)のA.R.
コールダーバンク、N.J.A.スローン共著「格子と
剰余系に基づく新しいトレリス符号」(A.R.Caulderban
k and N.J.A. Sloane, "New Trellis Codes Based on L
attices and Cosets", IEEE Transactions on Informat
ion Theory, Vol. IT-33,No. 2, pp. 177-195, March 1
987 )で詳細に議論されている。ビタビアルゴリズムに
ついては、IEEEの会報第61巻第3号(1973年
3月)のG.D.フォーニー・ジュニア著「ビタビアル
ゴリズム」(G.D. Forney, Jr., "The Viterbi Algorit
hm", Proceedings of the IEEE , Vol. 61, No. 3, Ma
rch 1973)に説明されている。リード−ソロモン符号化
方式については、前出のクラーク・ジュニアら(Clark,
Jr. et al)、およびリンら(Lin et al )の記事で討
議されている。
おける内側変調符号の出力における誤り率性能は、信号
対雑音比(SNR)に大きく依存する。ある符号はSN
Rが低いときに性能がよく、誤り率が低くなり、別の符
号はSNRが高いときに性能がよくなる。つまり、連結
符号システムでも非連結符号化システムでも、変調符号
の最適化には、指定SNR範囲によって異なる解決策が
必要になることを意味する。
調システムを装備すると有利である。そうしたシステム
は、最小占有帯域および非常に高いデータ信頼性で高い
データレートを持たなければならない。低価格で大量生
産するために、こうしたシステムに使用する受信機の複
雑さを最小限に抑えなければならない。システムは、個
別化をできるだけ少なくし、容易に入手できるコンポー
ネントを使用して実現することができなければならな
い。
を提供する。特に本発明の方法および装置は、データ信
頼性を犠牲にすることなく、トレリス符号化QPSKシ
ステムの範囲をトレリス符号化QAMシステムにまで拡
張する。
伝送を用いてデジタルデータを伝送する方法を提供す
る。N−ポイントのQAMコンスタレーションパターン
を、4つのサブセットに分割する。各サブセットは、コ
ンスタレーションパターンのN/4のシンボル点を含
む。4つのサブセットのそれぞれに、異なる2ビットの
符号語を割り当てる。伝送するシンボルを、符号化率1
/2の2進畳込み符号化アルゴリズムでそのシンボルの
第1ビットを処理することによって符号化し、コンスタ
レーションパターンの中でそのシンボルが存在するサブ
セットに割り当てる2ビットの符号語を生成する。この
2ビットの符号語をシンボルの残りのビットと共にマッ
ピングして、変調関数を生成する。残りのビットは、符
号語によって定義されるサブセットに含まれるN/4個
のシンボル点の1つをシンボルに相関させるものであ
る。通信路で伝送するために、搬送波を変調関数で変調
する。
変調関数の最下位ビットを構成し、コンスタレーション
パターンの座標のマトリックスの列を定義する。残りの
ビットは、変調関数の最上位ビットを構成し、コンスタ
レーションパターンの大きさを決定する。連結方式の場
合、情報ビットは最初に例えば、リード−ソロモン符号
のごときt−シンボル誤り訂正符号を使用して、シンボ
ルに符号化する。符号化されたこれらのシンボルを次に
トレリス符号器へ渡し、そこで搬送波に望ましい変調を
行なう。
元する。復元された変調関数をプルーニングし、サブセ
ットに対応する1組のメトリックを生成し、かつ残りの
ビットによって識別される信号点の様々な条件付き決定
を表わす多数のバイトを生成する。このメトリックを、
符号化率1/2の2進畳込み符号を復号するアルゴリズ
ム(例えばビタビアルゴリズム)で使用して、最初のビ
ットを復元する。復元された最初のビットを符号化率1
/2の2進畳込み符号化アルゴリズムで使用して、符号
語を再生する。再生された符号語に応答して、条件付き
決定バイトの1つを選択する。次に、選択されたバイト
を復元された最初のビットと組み合わせて、復号した出
力を生成する。
タルデータを符号化する装置を提供する。符号器は、伝
送するシンボルを最初のビットと少なくとも1つの残り
のビットに分解するパージング手段を含む。また、最初
のビットを符号化率1/2の2進畳込み符号化アルゴリ
ズムで符号化し、NポイントのQAMコンスタレーショ
ンパターンの4つのサブセットの1つを定義する2ビッ
ト符号語を作成する手段を装備する。各サブセットは、
コンスタレーションパターンのシンボル点をそれぞれN
/4個づつ含む。符号語を残りのビットと共にマッピン
グし、変調関数を生成する。残りのビットは、符号語に
よって定義されるサブセットに含まれるN/4個のシン
ボル点の1つをシンボルに相関させる。また、通信路で
伝送するために搬送波を変調関数で変調する手段を装備
する。さらに、誤り訂正アルゴリズムを用いて情報ビッ
トを符号化して、パージング手段によって分解されるシ
ンボルを生成する外側符号器を装備することができる。
最下位ビットを構成し、前記コンスタレーションパター
ンの座標マトリックスの列を定義する。残りのビット
は、変調関数の最上位ビットを構成し、コンスタレーシ
ョンパターンの大きさを決定する。符号化手段はトレリ
ス符号化アルゴリズムを使用することができる。
信機は、受信した搬送波を復調して、n−ビットQAM
変調関数を復元する。この変調関数において、2ビット
の符号語は多数のQAMコンスタレーションサブセット
の1つを識別し、残り(n−2)のビット部は前記1つ
のサブセット内の1つの信号点を表わす。さらに、復元
された変調関数をプルーニングして、前記サブセットに
対応する1組のメトリックを生成し、かつ(n−2)ビ
ット部によって識別される信号点の多数の条件付き決定
値を表わす多数の(n−2)ビットのサブグループを生
成するプルーニング手段を装備する。このメトリック
を、符号化率1/2の2進畳込み符号を復号するアルゴ
リズムに使用して、最初のビットを復元する。次に、復
元された最初のビットを、符号化率1/2の2進畳込み
符号化アルゴリズムを用いて符号化し、符号語を再生す
る。さらに、再生された符号語に応答して、多数の(n
−2)ビットのサブグループから1つを選択する手段を
装備する。選択されたサブグループを復元された最初の
ビットと組み合わせて、復号した出力を生成する。
最下位ビットから成り、コンスタレーション座標のマト
リックスの列を定義し、一方、選択されたサブグループ
は最上位ビットを構成し、マトリックスの行を定義す
る。プルーニング手段は、コンスタレーション座標のマ
トリックスの各列の復元Nポイント変調関数を量子化す
るものであり、条件付き決定値は各列の最適選択から成
り、そのメトリックの組は各選択の品質を表わす。この
メトリックを、軟判定アルゴリズムを使用して畳込み符
号を復号する復号器と共に使用する。
では、誤り訂正アルゴリズムを用いて出力を復号する外
側復号器を装備する。図に示す実施例では、連結復号器
に使用する内側復号アルゴリズムはビタビアルゴリズム
から成る。外側のシンボル誤り訂正アルゴリズムは、リ
ード−ソロモン符号で構成することができる。受信機で
受信される搬送波信号は、高精細度テレビジョン搬送波
信号で構成することができる。
方式の符号化システムを示す。伝送するデジタル情報
が、入力端子10からリード−ソロモン符号器などのシ
ンボル誤り訂正符号器12に入力される。符号器12は
情報を、多数の連続するnビットのシンボル16から成
る符号語14に変換する。符号器12に外側畳込み符号
を使用することもできるが、伝送系で誤りが集中発生し
やすい性質、ハード量子化データしか使用できないとい
う事実、および速度の高い符号が望ましいことを考慮す
ると、2進ストリームのnビットのセグメントから成る
シンボルを使用するリード−ソロモン符号が外側符号に
適した選択ということになる。リード−ソロモン符号は
ブロック内のシンボル誤り数にしか依存しないので、n
−ビットの1つのシンボル内のバースト誤りに影響され
ない。しかし、連結システムの性能は、シンボル誤りの
長時間のバーストによってひどく劣化する。したがっ
て、リード−ソロモン符号器12の出力にインターリー
バ18を設置し、符号化動作の間に(個々のビットでは
なく)シンボルを挟み込むようにする。挟み込みの目的
は、シンボル誤りのバーストを分解することである。
号器20へ入力される。本発明では、符号器20は、以
下に詳細に述べるように、QPSK符号をトレリス符号
化QAM変調システムへ組み込む。
ションパターンの実平面(I)と虚平面(Q)の座標を
表わすシンボルから成る。1つのそうしたコンスタレー
ション点22を、図1に象徴的に示す。このシンボルが
従来の送信器24によって、伝送路26を介して送信さ
れる。伝送路は様々なひずみや遅延をもたらし、信号は
受信機28に受信される前にゆがむ。その結果、受信さ
れたシンボルに実現される座標値は、送信された座標値
と厳密に相関しなくなり、受信された点30は、コンス
タレーションパターンの実際に送信された点22とは異
なる位置になる。受信点の正確な位置を決定し、それに
よって実際に送信された通りのデータを得るために、軟
判定畳込み復号アルゴリズムを使用するQAMトレリス
復号器32に受信データ下記数1の受信データを入力し
て、送信情報を復元する。
のインターリーバ18と逆の効果を生じるデインターリ
ーバ34に入力される。デインターリーブされたデータ
はリード−ソロモン復号器36に入力されて、元の情報
ビットを復元する。
化QAMシステムに組み込むことによって、低SNR領
域の作動時に低いビット誤り率で、データレートが高く
帯域効率がよいシステムを提供する。この目的を達成す
るために、両方で1つのシンボルを定義するQPSK符
号の符号語と「未符号化」ビットを、一意にQAMコン
スタレーションに割り当てる。また、軟判定復号器と
「未符号化」ビットが表わすコンスタレーション点を決
定する技術とを結合すことによって、受信信号を復号す
る。
タビット(例えば図1のインターリーバの出力)は、入
力端子40から従来のパージング回路42に入力され
る。送信するn−ビットのシンボルが分解されて生成さ
れた最初のビットは、線路46に出力して畳込み符号器
48に送られる。残りのn−2個の「未符号化」ビット
は、線路44に出力して2n−QAMマッパー50に送
られる。畳込み符号器48は、ゼネレータを8進数で1
71および133とする符号化率1/2、状態数64の
畳込み符号を使用する。符号器48の2ビットの出力と
(n−2)ビットの未符号化ビット(全部でnビット)は
2n−QAMマッパーへ送られ、nビットのシンボルをQ
AMコンスタレーション上の特定のコンスタレーション
点にマッピングするためのラベルとして使用される。畳
込み符号器48からの「符号化」された2ビット出力
は、実際にはQPSK符号語であり、コンスタレーショ
ンサブセットの選択に使用される。未符号化ビットは、
QAMコンスタレーションからコンスタレーションサブ
セット内の特定の信号点を選択するのに使用される。
の符号語および残りの未符号化ビットをQAMコンスタ
レーションに割り当てなければならない。この目的のた
めに、次の変調関数MOD(m)∈R2によってQAM
コンスタレーション点のラベル付けを記述しなければな
らない。
を備えている。(1)QAMの直角位相の曖昧さの影響
がQPSK符号語に現われるが、未符号化ビットは曖昧
さの影響を受けない(つまり、直角位相の曖昧性はQP
SKシステムと同様の方法で処理される)。(2)最上
位ディジットはコンスタレーションの大きさを制御する
(つまり16/32/64−QAMの入れ子構造)。
のマトリックス(数2)によって記述されるラベル付け
を考える(m5=m4=m3 =m2 =0の場合、QPS
K)。
(数3)を追加する。
する。
(LSB)m1m0を構成し、マトリックスの列を選択す
る。最上位ビット(MSB)はコンスタレーションの大
きさを決定する。未符号化ビットが無い(m5=m4=m
3 =m2 =0)場合、QPSKが生成される。未符号化
ビットが2個の場合(m3m2)、16−QAMが生成さ
れる。未符号化ビットが3個の場合(m4m3m2)、3
2−QAMが生成される。未符号化ビットが4個の場合
(m5m4m3m2)、64−QAMが生成される。それ以
上の場合、QAMコンスタレーションが90度づつ回転
する影響により、マトリックスの列が次のように回転す
る。
は、0°、90°、180°、および270°の回転に
よって影響されない。受信機(復号器)における直角位
相の曖昧さの処理は、QPSK符号器だけに任されてい
る。QPSK受信機で曖昧さの解決に使用される方法は
どの方法でも、このラベル付けを用いるQAMシステム
に直接組み込むことができる。例えば、QPSK符号自
体が巡回変化しない場合には、QPSKの差動符号化を
使用することができる。
AMのコンスタレーションパターンのラベル付けを、図
4に図表形式で示す。一般に数字80で示すコンスタレ
ーションパターンは、前出の16−QAMおよび32−
QAMのマトリックスに対応する。具体的に16−QA
Mの例を説明すると、破線の四角90の中に16個のコ
ンスタレーション点がある。これらのコンスタレーショ
ン点は、図5でトークン82、84、86、88によっ
て示される4つのサブセットに分割される。各サブセッ
トは4つのコンスタレーション点を含む。こうして、白
丸で示したサブセット82の場合、四角90の中に4つ
の点82a、82b、82c、および82dがある。サ
ブセット自体は、図6に数字92で示す2つの符号化ビ
ット(QPSKビット)m0 、m1 によって定義され
る。16−QAMの場合、各サブセット内の特定の点
は、図6に数字94で示す「未符号化」ビットm2、m3
によって識別される。こうして、82cはサブセット0
0、このサブセット内の点011として定義される。8
4a、86a、および88a等、残りの各コンスタレー
ション点も同様に識別される。
の外側の16個の点が追加される。これらの点も同様に
ラベル付けされるが、この場合は図6に94で示す3つ
のビットm2 、m3 、m4 が全部使用される。このよう
な方法のラベル付けをより高レベルのQAMに拡張でき
ることは理解されよう。
は、図5に示すように、各QPSKシンボルのハミング
重みが、ユークリッド重みを因数xで割った値に等しい
ということである。ただし、xはコンスタレーション点
間の(最小距離)2に対応する。実施例では、図4に示
すように、各直角通信路(quadrature channels )で
1、−1、3、−3、5、−5のQAMレベルにコンス
タレーション点があるので、コンスタレーション点間の
最小距離は2であり、ハミング重みはユークリッド重み
を4で割った値に等しい。
器の実現を示す。受信したシンボルデータは、入力端子
60からプルーナー62に入力される。プルーナー62
は復元された変調関数を処理して、QPSK符号語によ
って定義されるサブセットに対応するメトリックの組を
生成すると共に、伝送された未符号化ビットによって識
別される信号点の多数の条件付き決定を表わす多数の
(n−2)ビットのサブグループを生成する。特に、4
つのメトリックが線路66に出力し、符号化率1/2、
状態数64のビタビ復号器68に送られる。4組の(n
−2)ビットの条件付き決定は線路64に出力される。
リックの組および様々な組の入力値である下記数5の条
件付き判定を含む参照用テーブルを記憶した、プログラ
ム可能読出し専用メモリ(PROM)のごとき記憶装置
で構成することができる。
記憶されたメトリックおよび決定を出力するために使用
される。これにより、超高速プルーニング動作が可能に
なる。ビタビ復号器は、プルーナーから受け取ったメト
リックの履歴の蓄積を用いて、QPSK符号語を復号す
る。
PSK符号化構成用に入手できる従来型の符号化率1/
2の復号器とすることができる。したがって、本発明の
復号器を実現するために、特別注文のビタビ復号器を使
用してトレリス符号を復号する必要はない。
ムに軟判定QPSK復号器を組み込んだ場合の信号検出
のプロセスを考える。まず、QPSKまたはQAM信号
の硬判定検出過程で、受信信号 yk=xk+wk′ を量子化する。ただし、信号xkはQPSKまたはQA
Mコンスタレーション(つまりMOD(m)の範囲)に
属し、wk'は雑音である。量子化関数は、下記数8の関
係に従って下記数6で示した信号と下記数7で示したデ
ータの両方を推定する。
1}Nにおける対数尤度関数−log(p(yk│MOD
(m)))を最小にする。ただし、p(yk |xk)は、xk
を送信したときにykを受信する条件付き確率である。
ランダムメッセージの場合、ML検出により誤りの確率
が最小になる。尤も一般的な量子化の方法は最近接点
(ユークリッド)検出であり、これは数9
(つまり2乗の和)である。相加性のガウス性雑音の場
合、最近接点検出はMLである。
は、符号語を効果的に復号するために、軟判定情報を復
号器に提供しなければならない。この軟判定情報はしば
しば、シンボルメトリックとして記述される。このメト
リックは、yk を受信したときに下記数10で示した特
定のシンボルが送信されたとする判定の品質を示す。
が量子化される。例えば、可能な各メッセージm1,m0
∈{0,1}2に対するQPSKでは、最近接点メトリ
ック‖yk−MOD(m1,m0)‖2 は、相加性ガウス
性雑音のMLメトリックである。
レリス符号化QAM変調では、4個のシンボルメトリッ
クおよび4個の条件付き硬判定を復号器に供給しなけれ
ばならない。下記数11で示したm1,m0∈{0,1}
2の各選択に対する最近接点検出
m2の選択に対応する。シンボルメトリックおよび条件
付き硬判定を決定するプロセスは、プルーニングとして
知られている。トレリス符号化QAMでは、未符号化ビ
ットはトレリスの「並列」ブランチとして現われ、シン
ボルメトリックの計算および条件付き硬判定により、単
独の最適ブランチ以外を全部、並列エッジの組からプル
ーニングする。
トリックスによって容易に説明される。プルーニング動
作は、マトリックスの各列の受信シンボルykの量子化
を含むだけである。すると条件付き硬判定が各列の最適
選択になり、メトリックはその判定の品質に対応する。
報がQPSK符号の復号器に入力される。(この時間中
に、条件付き硬判定が記憶され、QPSK判定を待
つ。)QPSK復号器は軟判定情報を用いてQPSK情
報(つまりm1,m0s)を復号する。その後、残りの情
報(つまりmn-1 ,...,m2 s)が、復号されたQ
PSK情報およびそれまでに記憶された条件付き硬判定
を用いて、周知の方法で決定される。
変調の場合)、上記のプルーニング/QPSK復号法も
またMLである。例えば、QPSK符号が最近接点(つ
まりビタビ)復号化による2進畳み込み符号であるなら
ば、QAMトレリス復号アルゴリズムもまた最近接点で
ある(つまり、受信シーケンスに最も近い符号語を探索
する)。図3に示す実施例では、プルーナー62から出
力されるメトリックスは復号器68によって復号され、
図2の符号器の線路46に出力された単独ビットに対応
する単独ビットを復元する。このビットは符号率1/
2、状態数64の畳込み符号器70(図2の符号器48
と同一)で再符号化され、2ビットQPSK符号語を再
生する。再生された符号語は、サブグループが復号器6
8によって導入された遅延と等しい時間量だけ遅延バッ
ファ72によって遅延した後、プルーナーから出力され
た4つの(n−2)ビットのサブグループの1つを選択
するのに使用される。選択された(n−2)ビットのサ
ブグループは次に、並直列変換回路76で復号器68か
ら復元された単独ビットと結合され、トレリス復号出力
を生成する。
力は穏当なシンボル誤り率を示すが、これを外側復号器
によってさらに改善しなければならない。このように、
復号出力をデインターリーバ38およびリード−ソロモ
ン外側復号器36(図1)によってさらに処理し、元の
情報ビットを復元する。
誤り率に対する出力ビット誤り率の推定値を、リード−
ソロモン符号は簡単に計算することができる。q=2l
の有限体における(拡張)リード−ソロモン符号は、パ
ラメータ(nRSk,t)を有する。ただしブロック長n
RS≦q+1、寸法k=nRS−2t、誤り訂正能力は誤り
t個である。入力シンボル誤り率Pinを持つ無記憶シン
ボル誤り通信路の場合、出力シンボル誤り率は、次の数
12
ド−ソロモン符号のlビットのシンボルが、より小さい
nビットのシンボル(例えば、トレリス符号化QAM変
調の復号シンボル)から構成される場合、入力誤り率は
次の数14
である。符号化変調を使用する場合、「無記憶」通信路
を保証するためには、挟込みの使用が必須である。図7
は、従来の符号化率2/3の符号を使用して復号した場
合と、本発明に従ってトレリス符号化QAMの符号化率
1/2のQPSK構成を使用した場合の2通りの連結シ
ステムの性能を示す。図7のグラフは、受信信号の搬送
波対信号比(CNR)に対するリード−ソロモンブロッ
ク誤り率を表わしている。1つのブロックでmビットの
シンボルが1つ以上誤り状態になると、ブロック誤り
(つまり符号語誤り)が発生する。曲線100は、符号
化1/2,状態数64の本発明による連結リード−ソロ
モントレリス符号化16−QAMシステムの性能を示
す。曲線104は、トレリス符号化32−QAMを用い
た同様のシステムの性能を表わす。曲線102は、符号
化2/3、状態数16の従来のトレリス符号化16−Q
AM復号器の性能を表わす。曲線106は、符号化2/
3、状態数16の従来のトレリス符号化32−QAM復
号器の性能を表わす。
ションの結果を用いて、mビットのリード−ソロモンシ
ンボルが誤りPRSsym になる確率を推定した後、次の数
15
ることによって決定したものである。ただし、Lはリー
ド−ソロモンブロック長(1ブロック当りのmビットの
シンボル数)であり、tは1ブロック当りの訂正可能な
リード−ソロモンシンボル誤り数である。16−QAM
システムは8ビットのシンボルを1ブロック当り116
個使用し、32−QAMシステムは8ビットのシンボル
を1ブロック当り155個使用する。どちらのリード−
ソロモン符号も、8ビットのリード−ソロモンシンボル
を1ブロック当り最高5個まで訂正することができる。
下で作動したい場合、あるいはそうする必要がある場合
には、曲線100、104で表わした本発明によるトレ
リス符号化法が明らかに正しい選択であることを示す。
しかし、CNRが高いときでも、トレリス復号器は従来
のQPSKビタビ復号回路チップを使用して、費用効果
の高いトレリス復号器を製造することができるので、本
発明のトレリス符号化法は優れた選択である。
ョン信号のごとき、出力と帯域が制限された信号のデジ
タル伝送用の実用的システムを提供するものであること
がよく理解されるはずである。QPSK変調の符号に基
づく符号化変調構成を、QAMに基づく変調システムに
直接組み込み、トレリス符号化QAMを形成する。これ
により、帯域効率とデータ信頼性が両方とも高く、容易
に実現可能な構造が得られる。
きたが、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明
の精神および範囲から逸脱することなく、実施例に多く
の適応や変形が可能であることを理解されよう。
のブロック線図である。
図である。
図である。
Mコンスタレーションパターンを示す図である。
セットのラベル付けを定義する図表である。
スタレーション点のラベル付けを示す図表である。
技術の符号化QAM構成の性能と比較したグラフであ
る。
Claims (25)
- 【請求項1】QAM伝送を使ってデジタルデータを通信す
るための方法であって、 シンボルの第1ビットを処理することによってNポイン
トQAMコンスタレーションのシンボルを対応する2ビッ
ト符号語を与えるべくレート1/2の2値畳込み符号化
アルゴリズムによって符号化する工程と、 変調関数を与えるべく前記2ビット符号語をシンボルの
残りのビットとともにマッピングする工程であって、前
記2ビット符号語は前記変調関数の最下位ビットを形成
し、前記残りのビットは前記変調関数の最上位ビットを
形成するところの工程と、 通信チャネル上で送信するために搬送波を変調関数で変
調する工程と、 から成り、 変調関数はサブセットの2つのグループを定義し、4つ
のN/4ポイントサブセットが前記2ビット符号語にした
がって定義され、そこでは各N/4ポイントサブセットは
異なる2ビット符号語と相関し、残りのビットは前記シ
ンボルを対応する2ビット符号語によって定義されるサ
ブセット内に含まれるN/4シンボルポイントの一つと関
連付ける、ところの第1グループと、 N/4個の4ポイントQPSKサブセットは前記残りのビット
に従って定義され、各QPSKサブセット内のポイントは共
通の残りのビットを有し、前記QAMコンスタレーション
内で互いに90°離隔されている、ところの第2グループ
とを含む、ところの方法。 - 【請求項2】請求項1に記載の方法であって、 前記2ビット符号語は前記コンスタレーションパターン
の座標のマトリクスの列を定義し、 前記残りのビットは前記コンスタレーションパターンの
サイズを決定する、ところの方法。 - 【請求項3】請求項1に記載の方法であって、前記デジ
タルデータは情報ビットから成り、また前記シンボルは
エラー訂正符号化アルゴリズムを使って前記情報ビット
の少なくとも一部を符号化することによって与えられ
る、ところの方法。 - 【請求項4】請求項3に記載の方法であって、前記畳込
み符号化工程はトレリス符号化アルゴリズムを使用す
る、ところの方法。 - 【請求項5】請求項1に記載の方法であって、さらに受
信機で前記搬送波を受信する工程と、 前記変調関数を回復するべく前記受信機において受信さ
れた搬送波を復調する工程と、 前記サブセットに対応するメトリクスのセットを与える
べく、及び残りのビットによって識別された信号ポイン
トの異なる条件付け決定を表す複数のバイトを与えるべ
く、回復された変調関数をプルーニングする工程と、 前記第1ビットを回復するべくレート1/2の2値畳込
み符号を復号化するためのアルゴリズム内で前記メトリ
クスを使用する工程と、 前記符号語を再作成するべくレート1/2の2値畳込み
符号化アルゴリズムを使って回復された第1ビット符号
化する工程と、 前記再作成された符号語に応答して異なる条件付け決定
を表す前記複数のバイトのひとつを選択する工程と、 前記選択されたバイトを復号化出力を与えるべく回復さ
れた第1ビットと結合する工程と、 から成る方法。 - 【請求項6】前記デジタルデータが情報ビットから成る
ところの請求項5に記載の方法であって、さらに伝送さ
れるべき前記シンボルを与えるべくエラー訂正符号化ア
ルゴリズムを使って前記情報ビットの少なくとも一部を
符号化する工程と、 シンボルエラー訂正復号化アルゴリズムを使って前記復
号化出力をさらに復号化する工程と、 から成る方法。 - 【請求項7】請求項5に記載の方法であって、復号する
ための前記アルゴリズムはビタビアルゴリズムである、
ところの方法。 - 【請求項8】請求項1に記載の方法であって、前記レー
ト1/2畳込み符号化アルゴリズムは64状態畳込み符号
を使用する、ところの方法。 - 【請求項9】QAM伝送を使ってデジタルデータを通信す
るための装置であって、 伝送されるべきシンボルを第1ビット及び少なくとも一
つの残りのビットに分解するための手段と、 シンボルの第1ビットを処理することによってNポイン
トQAMコンスタレーションのシンボルを2ビット符号語
を与えるべくレート1/2の2値畳込み符号化アルゴリ
ズムによって符号化するための手段と、 変調関数を与えるべく2ビット符号語をシンボルの残り
のビットとともにマッピングするための手段であって、
前記2ビット符号語は前記変調関数の最下位ビットを形
成し、前記残りのビットは前記変調関数の最上位ビット
を形成するところの手段と、 通信チャネル上で送信するために搬送波を前記変調関数
で変調するための手段と、 から成り、 変調関数はサブセットの2つのグループを定義し、4つ
のN/4ポイントサブセットが前記2ビット符号語にした
がって定義され、そこでは各N/4ポイントサブセットは
異なる2ビット符号語と相関し、残りのビットは前記シ
ンボルを対応する2ビット符号語によって定義されるサ
ブセット内に含まれるN/4シンボルポイントの一つと関
連付ける、ところの第1グループと、 N/4個の4ポイントQPSKサブセットは前記残りのビット
にしたがって定義され、各QPSKサブセット内のポイント
は共通の残りのビットを有し、前記QAMコンスタレーシ
ョン内で互いに90°離隔されている、ところの第2グル
ープとを含む、ところの装置。 - 【請求項10】請求項9に記載の装置であって、さらに
前記シンボルを与えるべくエラー訂正符号化アルゴリズ
ムを使って情報ビットを符号化するための外部エンコー
ダから成る装置。 - 【請求項11】請求項9に記載の装置であって、 前記符号語は前記コンスタレーションパターンの座標の
マトリクスの列を定義し、 前記残りのビットは前記コンスタレーションパターンの
サイズを決定する、ところの装置。 - 【請求項12】請求項9に記載の装置であって、前記符
号化手段はトレリス符号化アルゴリズムを使用する、と
ころの装置。 - 【請求項13】請求項9に記載の装置であって、前記レ
ート1/2の2値畳込み符号化アルゴリズムは64状態畳
込み符号を使用する、ところの装置。 - 【請求項14】QAMシンボルデータを復号化するための
装置であって、 各ポイントがnビットシンボルによって表されるところ
のNポイントQAM変調関数を回復するべく受信された搬送
波を復調するための手段であって、2ビット符号語はQA
Mコンスタレーションの複数のサブセットのひとつを識
別し、各シンボルの残りの(n-2)ビット部分は前記ひと
つのサブセット内の信号ポイントを表すところの手段か
ら成り、 前記コンスタレーションはN/4個の4ポイントQPSKから
成り、各QPSKサブセット内のポイントは共通の残りの(n
-2)ビット部分を有し、また前記コンスタレーション内
で互いに90°離隔されており、 前記サブセットに対応するメトリクスのセットを与える
べく及び(n-2)ビット部分によって識別された信号ポイ
ントの複数の条件付け決定を表す複数の(n-2)ビットサ
ブグループを与えるべく回復された変調関数をプルーニ
ングするための手段が与えられ、 第1ビットを回復するべくレート1/2の2値畳込み符
号を回復するためのアルゴリズム内で前記メトリクスを
使用するためのデコーダ手段が与えられ、 前記符号語を再作成するべくレート1/2の2値畳込み
符号化アルゴリズムを使って回復された第1ビットを符
号化するための手段が与えられ、 前記再作成された符号語に応答して前記複数の(n-2)ビ
ットサブグループのひとつを選択するための手段が与え
られ、 復号化出力を与えるべく選択されたサブグループを回復
された第1ビットに結合するための手段が与えられる、 ところの装置。 - 【請求項15】請求項14に記載の装置であって、前記
符号語は前記変調関数内の最下位ビットから成り、コン
スタレーション座標のマトリクスの列を定義し、選択さ
れたサブグループは最上位ビットを形成し、前記マトリ
クスの行を定義する、ところの装置。 - 【請求項16】請求項14に記載の装置であって、前記
プルーニング手段はコンスタレーション座標のマトリク
スの各列に対して回復されたNポイント変調関数を量子
化し、前記条件付け決定は各選択の質を識別するメトリ
クスのセットを有する前記列の各々に対する最高の選択
から成る、ところの装置。 - 【請求項17】請求項14に記載の装置であって、前記
復号化手段は畳込み符号を復号化するために軟判定アル
ゴリズムを使用するデコーダから成る、ところの装置。 - 【請求項18】請求項14に記載の装置であって、さら
にシンボルエラー訂正アルゴリズムを使って前記出力を
復号化するための外部デコーダから成り、それによって
前記デコーダ手段と前記外部デコーダの組合せは連結デ
コーダを形成する、ところの装置。 - 【請求項19】請求項14に記載の装置であって、前記
復号化アルゴリズムはビタビアルゴリズムから成る、と
ころの装置。 - 【請求項20】請求項18に記載の装置であって、前記
シンボルエラー訂正アルゴリズムはリード・ソロモン符
号から成る、ところの装置。 - 【請求項21】請求項14に記載の装置であって、前記
搬送波はHDTV搬送波信号である、ところの装置。 - 【請求項22】請求項14に記載の装置であって、前記
レート1/2の2値畳込み符号化アルゴリズムは64状態
畳込み符号を使用する、ところの装置。 - 【請求項23】QAMシンボルデータを復号化するための
方法であって、NポイントQAM変調関数を回復するべく受
信された搬送波を復調する工程であって、各ポイントは
nビットシンボルによって表され、及び2ビット符号語
はQAMコンスタレーションの複数のサブセットのひとつ
を識別し、各記号の残りの(n-2)ビット部分は前記ひと
つのサブセット内の信号ポイントを表す、ところの工程
から成り、 前記コンスタレーションはN/4個の4ポイントQPSKサブ
セットから成り、各QPSKサブセット内のポイントは共通
の残りの(n-2)ビット部分を有し、前記コンスタレーシ
ョン内で互いに90°離隔されており、 回復された変調関数は、前記サブセットに対応するメト
リクスのセットを与えるべく及び(n-2)ビット部分によ
って識別された信号ポイントの複数の条件付け決定を表
す複数の(n-2)ビットサブグループを与えるべくプルー
ニングされ、 前記メトリクスは第1ビットを回復するべくレート1/
2バイナリ畳込み符号を復号化するためのアルゴリズム
内で使用され、 回復された第1ビットは前記符号語を再作成するべくレ
ート1/2の2値畳込み符号化を使って符号化され、 前記複数の(n-2)ビットサブグループのひとつが前記再
作成された符号語に応答して選択され、 選択されたサブグループは復号化出力を与えるべく回復
された第1ビットと結合される、ところの方法。 - 【請求項24】請求項23に記載の方法であって、前記
符号語は前記変調関数内の最下位ビットから成り、コン
スタレーション座標のマトリクスの列を定義し、選択さ
れたサブグループは最上位ビットを形成し前記マトリク
スの行を定義する、ところの方法。 - 【請求項25】請求項23に記載の方法であって、前記
レート1/2の畳込み符号化アルゴリズムは64状態畳込
み符号を使用する、ところの方法。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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