JP3230767B2 - トレリス符号化ｑａｍを利用して圧縮画像信号の伝送方法および装置 - Google Patents
トレリス符号化ｑａｍを利用して圧縮画像信号の伝送方法および装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】本発明は、１９９１年７月２６日に出願し
た米国特許出願番号第０７／７３６，７３８号の一部継
続出願である。 【０００２】 【産業上の利用分野】本発明は、トレリス符号化直交振
幅変調（ＱＡＭ）に関し、さらに具体的には、ＱＡＭ伝
送を符号化する実用的な方法に関する。本発明は特に、
高精細度テレビジョン（ＨＤＴＶ）システムにおける圧
縮画像信号の伝送に適用することができる。 【０００３】 【従来の技術】例えば高精細度テレビジョン（ＨＤＴ
Ｖ）信号の放送に使用するディジタル化画像信号のごと
きディジタルデータは、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。 【０００４】アナログ伝送路でディジタルデータを伝送
するには、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「コンステレーション」と呼ばれる１つのパタ
ーンで一緒に伝送される。 【０００５】パルス振幅変調の場合、各信号は伝送シン
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点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。ま
た３２ビットＱＡＭでは、一般に−５、−３、−１、
１、３、および５のシンボル振幅を使用する。ディジタ
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。 【０００６】一方、衛星通信システムによく見られる四
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
単純なコンステ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テレーションパター
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。 【０００７】ＱＰＳＫ変調は、帯域制限は主要な問題で
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。 【０００８】トレリス符号化変調（ＴＣＭ）は、帯域制
限通信路でのディ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、重要な符号化の利点を達
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
ディ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
な利点は、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、ＴＣＭ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。 【０００９】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、ＱＰ
ＳＫ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。 【００１０】出力と帯域の両方が制限され、しかも低価
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、役に立ちそうにながった。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。 【００１１】出力および帯域が制限されており、かつデ
ィ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
ディジタル通信がある。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、Ｈ
ＤＴＶ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。単独の６ＭＨｚの帯域で完全なＨＤＴＶ性能を達成
するために、ＤＣＴ変形符号化に基づく高効率の独自の
圧縮アルゴリズムが、放送に関するＩＥＥＥ会議録第３
６巻第４号２４５−２５４頁（１９９０年１２月）の
Ｗ．パイク著「ディジサイファ−完全ディジタルの通信
路互換性ＨＤＴＶ放送システム」（W. Paik, "Digiciph
er - All Digital, Channel Compatible, HDTV Broadca
st System", IEEE Transactions on Broadcasting, Vo
l. 36, No.4, December 1990, pp. 245-254）によって
提案されており、これを参照によってここに組み込む。 【００１２】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ＱＰ
ＳＫ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、ＱＡＭ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。 【００１３】ＨＤＴＶの分野で非常に高いデータ信頼性
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。 【００１４】データ信頼性の要件は、分割と共働（divi
de and concur ）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。 【００１５】さらに詳細な連結符号化方式の説明は、
Ｇ．Ｃ．クラーク・ジュニア、Ｊ．Ｂ．ケイン共著「デ
ィジタル通信の誤り訂正符号化」（１９８１年）（G.C.
Clark,Jr. and J.B. Cain，"Error-Correction Coding
for Digital Communications",Plenum Press, New Yor
k,1981 ）、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 Contro
l Coding: Fundamentals and Applications", Prentice
-Hall, 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
−６７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. U
ngerboeck, "Channel Coding with Multilevel/Phase S
ignals", IEEE Transactions on Information Theory,
Vol. IT-28, No. 1, pp. 55-67, January 1982 ）、Ｉ
ＥＥＥ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 Modulati
on with Redundunt Signal Sets -- Part I: Introduct
ion, -- Part II: State of the Art", IEEE Communica
tions Magazine, 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Ｉ
Ｔ−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.
Caulderbank and N.J.A. Sloane, "New Trellis Codes
Basedon Lattices and Cosets", IEEE Transactions o
n Information Theory, Vol.IT-33, No. 2, pp. 177-19
5, March 1987 ）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., "TheVite
rbi Algorithm", Proceedings of the IEEE , Vol. 61,
No. 3, March1973）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。 【００１６】 【発明が解決しようとする課題】連結符号化システムに
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。 【００１７】ＨＤＴＶ放送システムでは、カバレッジ
（有効範囲）／局間隔と映像品質とが互いに背反する特
性であるために、最適のバランスを見出すことが必要で
ある。低次ＱＡＭ（例えば１６−ＱＡＭ）は、受信搬送
波対雑音比が低いという性能特性のために、高次ＱＡＭ
（例えば６４−ＱＡＭ）より高いカバレッジを提供し、
局間隔をより密にすることができる。一方、高次ＱＡＭ
は帯域効率が高いので、低次ＱＡＭより高い画像品質を
提供する。どの次数のＱＡＭを選択するかは、地形配置
や利用可能な／許可された送信機の出力、および通信路
の条件などによって非常にしばしば左右される。これら
のパラメータは非常にしばしば送信側で決定できること
ができ、ＱＡＭ伝送モードを自動的に選択できるＱＡＭ
通信システムを装備することができる。このようなシス
テムは当然、送信機で使用されたＱＡＭの次数を自動的
に高い信頼度で検出できる受信機を装備し、送信された
信号を正しく受信できるようにしなければならない。こ
れらの特徴を提供するシステムは、１９９２年３月２４
日出願の共通譲渡された同時係属出願である米国特許出
願番号第０７／８５２，３３０号「モード選択的直交振
幅変調通信システム」に開示されており、参照によって
ここに組み込む。 【００１８】圧縮画像を含むＨＤＴＶ信号の通信のため
には、帯域効率が高く、出力要件が低いデータ変調シス
テムを装備すると有利であろう。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。 【００１９】本発明は、上記の利点を持つ変調システム
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、ＨＤＴＶ通信に特に便利なトレリス符
号化ＱＡＭシステムにまで拡張する。 【００２０】 【課題を解決するための手段】本発明に従って、高精細
度テレビジョン信号を伝送する方法を提供する。ＨＤＴ
Ｖ信号の画像部分はＰＣＭビデオデータのブロックに分
割する。動きの予測と補償を用いてブロックを処理し、
ＤＰＣＭデータを生成する。所定の判定基準に基づい
て、各ブロックごとにＰＣＭ画像データおよびＤＰＣＭ
データの１つを送信のために選択する。例えば、送信の
ための最小限のビット数を生成する代替法を選択するこ
ともできる。選択されたデータを、離散余弦変換を用い
て圧縮し、変換係数のブロックを生成する。次に、これ
を量子化してその符号化効率を高める。量子化された変
換係数を次に、可変長符号化する。結果として得られる
係数を、リード−ソロモン外側符号とトレリス内側符号
とを連結した符号化構造を用いて符号化し、送信のため
の符号化信号を生成する。直交振幅変調を用いて、符号
化された信号を送信する。 【００２１】好適実施例では、リード−ソロモン外側符
号によって生成されたシンボルを、最初のインターリー
ブフォーマットに従ってインターリーブし、その後にト
レリス内側符号によって発生する可能性のあるバースト
誤りを分散させる。トレリス内側符号によって生じる符
号化信号を、第２インターリーブフォーマットに従って
インターリーブし、その後に前記符号化信号の伝送路に
沿って発生する可能性のあるバースト誤りを分散させ
る。 【００２２】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調を用い
て送信される高精細度テレビジョン信号の場合、前記信
号を含む搬送波を受信する。受信された搬送波を復調し
て、圧縮画像情報を含むインターリーブ変調関数を復元
する。復元された変調関数を次にデインターリーブし、
連結復号器の内側トレリス復号アルゴリズムで復号し
て、圧縮画像情報を表わすインターリーブされたリード
−ソロモンシンボルを復元する。復元されたリード−ソ
ロモンシンボルをデインターリーブし、連結復号器の外
側リード−ソロモン復号アルゴリズムに入力する。リー
ド−ソロモン復号アルゴリズムは、デインターリーブさ
れたリード−ソロモンシンボルから可変長符号化係数を
復元する。復元された可変長符号化係数を復号して、前
記画像情報を表わす変換係数を復元する。次に変換係数
を逆変換して、ＰＣＭおよびＤＰＣＭフォーマットの少
なくとも１つによる画像データを復元する。復元された
ＤＰＣＭデータを動き補償を用いて処理し、復元された
ＤＰＣＭで表わされるＰＣＭ画像データを復元する。復
元されたＰＣＭ画像データを、ＨＤＴＶテレビジョン受
信機への出力用にフォーマット化する。 【００２３】本発明はさらに、ＨＤＴＶ信号用の特定の
ＱＡＭ伝送構造をも提供する。Ｎ点から成るＱＡＭコン
ステ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、コンステ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、コンステ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
りのビットと共に写像して、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。 【００２４】図に示す実施例では、２ビットの符号語は
変調関数の最下位ビットを構成し、コンステレーション
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、コンステ
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。 【００２５】変調関数を伝送した後、それを受信側で復
元する。復元された変調関数を枝刈りし、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値を表
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。 【００２６】本発明はさらに、ＱＡＭ伝送のためにディ
ジ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点のＱＡＭコンステレーションパ
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
ステレーションパターンのシンボル点をそれぞれＮ／４
個ずつ含む。符号語を残りのビットと共に写像し、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。 【００２７】図に示す実施例では、符号語は変調関数の
最下位ビットを構成し、前記コンステレーションパター
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、コンステレーシ
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。 【００２８】復号装置も本発明に従って提供する。受信
機は、受信した搬送波を復調して、Ｎ点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コンステ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
調関数を枝刈り（pruning）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
する枝刈り手段を装備する。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。 【００２９】図に示す実施例では、符号語は変調関数の
最下位ビットから成り、コンステ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。枝刈り手段は、コンステレーション座標のマトリッ
クスの各列の復元Ｎ点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。 【００３０】連結復号器も提供する。連結方式の実施例
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。 【００３１】 【実施例】図１は、ＱＡＭデータを伝送するための連結
方式の符号化システムを示す。伝送するディジタル情報
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。 【００３２】挟み込まれたシンボルはＱＡＭトレリス符
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。 【００３３】符号器２０の出力は、ＱＡＭコンステレー
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テレー
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
テ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に下記数４の受信データを入力して、送信情
報を復元する。本発明による復号器を以下に詳しく説明
する。 【数４】【００３４】復号器３２により復号された出力は、上述
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。 【００３５】本発明では、ＱＰＳＫ符号をトレリス符号
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
ステ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テレーション点を決
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。 【００３６】図２は、本発明による符号器を示す。デー
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−1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２ n −ＱＡＭ写像回路５０に
送られる。畳込み符号器４８は、ゼネレータを８進数で
１７１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は２ n −ＱＡＭ写
像回路へ送られ、ｎビットのシンボルをＱＡＭコンステ
レーション上の特定のコンステレーション点に写像する
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、コンステ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コンステレーシ
ョンからコンステ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。 【００３７】ＱＡＭ伝送（符号化）では、ＱＰＳＫ符号
の符号語および残りの未符号化ビットをＱＡＭコンステ
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
コンステレーション点のラベル付けを記述しなければな
らない。 ＭＯＤ：｛０，１｝N→Ｒ2 以下に説明する写像は、次のような望ましい特徴を備え
ている。（１）ＱＡＭの直角位相の曖昧さの影響がＱＰ
ＳＫ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ＱＰＳＫシ
ステムと同様の方法で処理される）。（２）最上位ディ
ジットはコンステ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）。 【００３８】１６−ＱＡＭ（ｍ5＝ｍ4＝０）の場合、次
のマトリックスによって記述されるラベル付けを考える
（ｍ5＝ｍ4＝ｍ 3 ＝ｍ 4 ＝０の場合、ＱＰＳＫ）。 【数１】 ３２−ＱＡＭ（ｍ5＝０）の場合、次のマトリックスを
追加する。 【数２】６４−ＱＡＭの場合、次のマトリックスを追加する。 【数３】 【００３９】ＱＰＳＫ符号器の出力は、変調器入力の最
下位ビット（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）はコンステレー
ションの大きさを決定する。未符号化ビットが無い（ｍ
5＝ｍ4＝ｍ3 ＝ｍ4 ＝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−Ｑ
ＡＭが生成される。未符号化ビットが３個の場合（ｍ4
ｍ3ｍ2）、３２−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コンステレーションが９
０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。 ００→０１→１１→１０→００； 行は変化しない。つまり、未符号化ビットのラベル付け
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。 【００４０】本発明による１６−ＱＡＭおよび３２−Ｑ
ＡＭのコンステ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で示すコンステレ
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
ンステレーション点がある。これらのコンステレーショ
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つのコンステ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、ｍ
３によって識別される。こうして、８２ｃはサブセット
００、このサブセット内の点０１１として定義される。
８４ａ、８６ａ、および８８ａ等、残りの各コンステレ
ーション点も同様に識別される。 【００４１】３２ビットＱＡＭの場合、破線の四角９０
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。 【００４２】本発明で使用するラベル付け構造の特徴
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はコンステレーション点
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
テレーション点があるので、コンステレーション点間の
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。 【００４３】図３は、本発明によるＱＡＭトレリス復調
器の実現を示す。受信したシンボルデータは、入力端子
６０から枝刈回路６２に入力される。枝刈回路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。 【００４４】枝刈回路６２は、事前に計算されたメトリ
ックの組および様々な組の入力値である上記（数４）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。上記（数４）で表せる値は
ＰＲＯＭをアドレス指定して、対応する記憶されたメト
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、超高速枝刈動作が可能になる。ビタビ復号器は、
枝刈回路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。 【００４５】図３に示すビタビ復号器６８は、従来のＱ
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。 【００４６】先に述べたＱＡＭ変調器を使用するシステ
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ＱＡＭコンス
テレーション（つまりＭＯＤ（ｍ）の範囲）に属し、ｗ
Kは雑音である。量子化関数は、下記（数７）の関係に
従って下記（数５）で示した信号と下記（数６）で示し
たデータの両方を推定する。最尤探索（ＭＬ）の場合、
可能なメッセージｍ∈｛０，１｝Nにおける対数尤度関
数−log（ｐ（ｙk│ＭＯＤ（ｍ））を最小にする。 【数５】 【数６】 【数７】 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８】 を満たす。ただし、‖・‖2はユークリッド距離の２乗
（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。 【００４７】符号化ＱＰＳＫおよびＱＡＭシステムで
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１４)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。 【数１４】 最近接点復号化の場合、選択されるメトリックは、 メトリック（ｙk；ｍ）＝‖ｙk−ＭＯＤ（ｍ）‖2 となる。実際には、実現の目的のためにメトリック自体
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。 【００４８】軟判定復号可能なＱＰＳＫ符号に基づくト
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。下記の（数９）で示したｍ1，ｍ0∈｛０，
１｝2の各選択に対する最近接点検出では、条件付き硬
判定は最小値を得るｍ n-1 ，．．．，ｍ 2 の選択に対応
する。 【数９】 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、枝刈り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枝刈りする。 【００４９】枝刈りは、先に述べたＱＡＭ変調マトリッ
クスによって容易に説明される。枝刈り動作は、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。 【００５０】枝刈り動作が完了すると、軟判定情報がＱ
ＰＳＫ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。）ＱＰ
ＳＫ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
ｍ n-1 ，．．．，ｍ2ｓ）が、復号されたＱＰＳＫ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。 【００５１】ＱＰＳＫ復号器がＭＬであれば（ＱＰＳＫ
変調の場合）、上記の枝刈り／ＱＰＳＫ復号法もまたＭ
Ｌ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、Ｑ
ＡＭ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）。 【００５２】図３に示す実施例では、枝刈回路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４
８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
６８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、枝刈回路から出力され
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。 【００５３】図１に関連して述べたように、復号した出
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。 【００５４】ｔ−誤り訂正の場合の任意の入力シンボル
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、次式
（数１０） 【数１０】によって限定することができる。次に、次式（数１１） 【数１１】 によって出力ビット誤り率を近似化する。さらに、リー
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
次式（数１２） 【数１２】 となる。ただし、Ｐmodはｎビットのシンボルの誤り率
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。 【００５５】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−ＱＡＭ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。 【００５６】図７の曲線は、トレリス符号化シミュレー
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、次式
（数１３） 【数１３】 に従ってリード−ソロモンブロック誤りの確率を計算す
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。 【００５７】図７の曲線は、システムを特定のＣＮＲ以
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。 【００５８】図８は、ディジタルＨＤＴＶ通信システム
の基本的構成部品を示す。ＨＤＴＶ符号器１１０は、制
御コンピュータ１１２の制御下で画像情報、音声情報、
データ、およびテキストを受信する。符号化された情報
は、本発明に従ってＱＡＭを使用して高周波搬送波を変
調するＶＨＦ／ＵＨＦ送信機１１４によって送信され
る。消費者の家庭で、ＨＤＴＶ受信機がＱＡＭ変調され
たデータストリームを受信する。チューナ１１６によ
り、視聴者は視聴する特定の番組を選択することができ
る。選択された番組はＨＤＴＶ復号器１１８で復号さ
れ、ＨＤＴＶモニタ１２０には出力画像信号を、音声増
幅器１２２を介してスピーカ１２４には音声信号をそれ
ぞれ出力する。データおよびテキストもまたモニタ１２
０を介して視聴者に提供される。ＶＨＦやＵＨＦ地上伝
送に一般的なマルチパスひずみを克服するために、適応
等化回路を装備することができる。以下に詳しく説明す
るフォワード誤り訂正復号器は、受信信号の事実上全て
のランダムまたはバースト誤りを訂正する。 【００５９】図９は、送信前にＨＤＴＶ信号の画像部分
を符号化するために使用できるディジタル画像符号器の
ブロック線図である。画像情報源からのアナログ赤・緑
・青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）入力は、一般に１３０で示す前置回
路で処理される。Ｒ、Ｇ、Ｂ入力はディジタル化される
前に、低域フィルタで濾波され、クランプ処理される。
低域フィルタは、折返し成分やその他のスプリアス信号
を適切に除去するように設計される。クランプ処理は、
水平帰線消去期間中に適切なＤＣレベルを回復する。 【００６０】アナログ−ディジタル変換後、Ｒ、Ｇ、Ｂ
信号はＹＵＶ色空間に変換される。クロミナンス情報の
解像度は、知覚される画像品質にはわずかな影響だけ
で、輝度の解像度に相対的に低下することができる。Ｕ
およびＶのクロミナンス成分は、水平方向で４分の１、
垂直方向で２分の１に抑制される（デシメーション）。 【００６１】水平方向のデシメーションは、例えばサブ
サンプリングの前にディジタルＦＩＲフィルタを適用す
ることによって達成することができる。水平方向の内挿
は、復号器でゼロ埋め込みを実施し、利得を４倍にして
同じフィルタリングを適用することによって実施する。
垂直方向の１／２のデシメーションは、フィールドを１
つおきに捨てることによって達成する。復号器は、各ク
ロミナンスフィールドを２回繰り返すことによって、イ
ンターレースされた信号を復元する。２つの異なるフィ
ールドにまたがる垂直方向のデシメーションは、動きの
表現を幾分劣化させるが、この劣化は容易には知覚され
ず、大きな問題にはならない。 【００６２】輝度信号（Ｙ）は、クロミナンス前処理回
路をバイバスする。従って、完全な解像度が維持され
る。次に、マルチプレクサ１３２で一度に１画像ブロッ
クづつクロミナンス成分と輝度成分を多重化する。次
に、全ての成分を同一の圧縮処理にかける。復号器で
は、成分を再び分離し、クロミナンス信号を内挿し戻し
て完全な解像度にする。 【００６３】画像信号は、離散余弦変換（ＤＣＴ）を用
いて２つの異なる経路で圧縮する。最初の"ＰＣＭ"経路
では、画像を１３３でＤＣＴ変換し、生成された係数を
量子化回路１３５で量子化する。動き予測および補償法
を使用し、画像フレームの現われ方の予測に基づいて弁
別信号を提供する２番目の"ＤＰＣＭ"経路では、予測と
実際の画像間の差を１３４でＤＣＴ変換する。結果とし
て得られるＤＣＴ変換係数を量子化回路１３６で量子化
し、セレクタ１３７へ出力し、ここで、どちらの経路が
最小数のビットを生成したか等の所定の判定基準に基づ
き、ＰＣＭまたはＤＰＣＭのどちらかの経路から、量子
化された係数を選択する。画像データの各ブロックに選
択された係数は、可変長符号器１３８に入力する。これ
は、例えば従来型のハフマン符号器で構成することがで
きる。可変長符号語を先入れ先出しレジスタ１４０に出
力し、そこからさらに送信機へ出力する。 【００６４】ＤＣＴは、１ブロックの画素を新しいブロ
ックの変換係数に変換する。好適実施例では、８×８の
ブロックサイズを使用する。その理由は、このサイズを
越えると、変換符号化の効率があまり向上しないのに、
複雑度がかなり高くなるためである。次に、変換をそう
した各ブロックに適用し、画像全体を変換する。復号器
では逆変換を適用して、元の画像を復元する。 【００６５】エネルギを少数の係数に圧縮するのにＤＣ
Ｔが効果的でなくなる場合がある。例えば、入力信号が
白色雑音の場合、画像エネルギは変換後も、画素領域内
にあったときと変わらないほどランダム配分される。こ
うした条件下では、画像の圧縮がずっと困難になり、実
際、何らかの形の偽像か何かを導入しなければ、圧縮す
ることができない。幸運なことに、こうした条件下で
は、より静かな条件下におけるより、偽像がずっと目立
たなくなる傾向がある。また、そうした条件はテレビ画
像では一般的でなく、テレビ画像では通常、隣接画素間
に水平と垂直の高度な相関関係が存在する。 【００６６】本発明のシステムで使用する画像圧縮技術
は、ＤＣＴ係数を表わすのに必要なビット数を減少させ
るのに非常に効果的である。これらの技術は係数量子
化、可変長符号か、動きの予測と補償、動き補償とフレ
ーム内符号化の統合、および適応フィールド／フレーム
符号化を含む。動きの予測と補償技術および動きの補償
とフレーム内符号化の統合技術については、１９９１年
１１月２６日に発行された米国特許第５，０６８，７２
４号「ディジタルテレビジョン用の適応動き補償」にも
っと詳細に説明されており、これを参照によりここに組
み込む。これらの機能を実行する回路機構１５０を、図
９に示す。 【００６７】適応フィールド／フレーム符号化は、１９
９２年２月２５日に発行された米国特許第５，０９１，
７８２号「ディジタル画像の連続ブロックを適応圧縮す
る装置と方法」に開示されており、これを参照によりこ
こに組み込む。１９９２年３月３日に発行された米国特
許第５，０９３，７２０号「インターレースしたディジ
タルテレビジョン信号の動き補償」および１９９１年１
０月１５日に発行された米国特許第５，０５７，９１０
号「動き補償された連続ビデオ画像のリフレッシュ方法
および装置」は、本発明のシステムのごときＨＤＴＶ通
信システムを実行するのに役立つさらに別の動き補償技
術を開示しており、これらを両方とも参照によってここ
に組み込む。 【００６８】係数量子化は、符号化効率を向上するため
に、画像に小さい変化を導入するプロセスである。これ
は、まずＤＣＴ係数のそれぞれに重みを付け、次に復号
器に転送する８ビットを選択することによって達成され
る。各係数の重みはいったん割り当てられると固定さ
れ、変更されない。こうして、例えば各係数を最初に１
２ビットの数字として表わし、これをさらにそれぞれの
重み付けの因子で割ることができる。しかし、所望のデ
ータレートを達成するには、別のスケーリングがまだ必
要かもしれない。したがって、重みを付けた係数を量子
化因子で割る。量子化因子は量子化レベルによって決定
され、量子化レベルはシーンの複雑度と知覚特性に基づ
いて定期的に調整される。本発明の好適実施例では、量
子化レベルは０から３１の範囲である。量子化レベル０
のときに最大精度になり、量子化レベル３０のときに最
小精度になる。レベル３１は確保されており、データが
送信されないことを復号器に知らせる。 【００６９】１２ビットのＤＣＴ係数を重み付け因子と
量子化因子の両方でスケーリング（基準化）した後、下
位８ビットを選択する。ほとんどの場合に、上位４ビッ
トはゼロになり、したがって情報は失われない。しか
し、重み付け因子と量子化因子が両方とも小さいとき
は、オーバフローやアンダフローの発生を防止するため
に、結果として得られる係数をクリップすることが必要
になる場合がある。 【００７０】以上に示した量子化方法は、ＤＣ係数には
適用されない。量子化レベルに関係なく、ＤＣ係数の上
位８ビットが常に選択される。 【００７１】量子化は、変換係数の振幅を低下すること
によって、圧縮可能性（compressibility）を向上す
る。結果を利用するために、可変数のビットをこれらの
係数に割り当てるアルゴリズムが必要である。可変長符
号器は統計的符号化技術を使用し、これは量子化プロセ
スとは異なり、情報を保存するので画像が劣化しない。 【００７２】本発明の好適実施例では、可変長符号化に
ハフマン符号化を使用する。ハフマン符号化は、理論的
エントロピ限界に近づき、全ての可能な事象の確率の先
験的知識を与えることのできる最適統計符号化法として
よく知られている。符号器はこのような確率分布を生成
し、任意のフレームを転送する前にこれらを復号器に転
送する。次に、この表を用いてハフマン符号語を誘導す
る。発生の確率が最も高い事象に、比較的短い符号語が
割り当てられる。復号器も同一のコードブックを維持し
ており、各符号語を実際の事象に突き合わせることがで
きる。ハードウェアを単純にするために、処理された広
範囲の材料に基づいて生成された固定ハフマン表を使用
すると便利である。ハフマン符号化については、上述の
Ｗ．パイクの「ディジサイファ−完全ディジタルの通信
路互換性ＨＤＴＶ放送システム」」と題する記事に詳細
に記述されている。 【００７３】本発明の動き予測および補償サブシステム
１５０は、まず次のフレームがどのように現われるかを
予測し、次に予測と実際の画像との差を送信することに
よって画像情報を圧縮する。適正な予測値は単なる前の
フレームである。この種の時間差動符号化（ＤＰＣＭ）
は、動きがほとんど無い場合、あるいは空間的な細部が
ほとんど無い場合には、非常によく機能するが、その他
のときには、あまり効果的ではなく、場合によっては、
次のフレームを予測せずに単に符号化しただけのとき
（ＰＣＭ）より悪くなることもある。 【００７４】動き補償は、動きが発生するときに時間圧
縮構造の性能を改善する手段である。動き補償を適用す
るには、その前のフレーム以後に何が動いたか、またそ
れがどこに動いたかを決定することがまず必要である。
この情報が符号器側が分かれば、次に、前のフレームを
移動または変位させ、まだ転送されていない次のフレー
ムをより正確に予測することができる。符号器は復号器
と同一予測を再生した後、予測と実際の画像との差を決
定する。動きの予測に使用されるモデルに動きが一致し
た場合、および動きの予測が正確であり、信号に雑音が
無い場合には、この誤りは実際にゼロとなる。 【００７５】前のフレームの変位は、フレーム、部分フ
レーム、または画素単位で実行することができる。つま
り、各フレーム、部分フレーム、または各画素のそれぞ
れに一意の変位（動きベクトル）を生成することができ
る。しかし、１フレーム当り単独の動きベクトルを生成
することは、画像全体の単純なパン動作をモデル化する
ことができるだけであるので、その有用性は制限され
る。理想的には、各画素に一意の動きベクトルを生成す
る。しかし、動き予測は複雑なプロセスであり、次のフ
レームの知識が要求されるので、符号器でしか実行する
ことができず、復号器で利用可能な画素当りの動き情報
を作成することに含まれるオーバヘッドは過剰になる。
したがって、４つのＤＣＴブロックに等しい横寸法およ
び２つのＤＣＴブロックに等しい縦寸法を持つ「スーパ
ーブロック」に等しい部分領域を選択し、部分フレーム
単位で動き予測を実行することが望ましい。この大きさ
は、クロミナンス成分の水平サブサンプリングの４倍お
よび垂直サブサンプリングの２倍と互換性があり、同じ
動きベクトルを単独クロミナンスＤＣＴブロックを変位
させるために使用することが可能である。 【００７６】図９の符号器ブロック線図に示すように、
動き補償回路機構１５０は、セレクタ１３７の出力から
ＤＣＴ変換１３４の入力へフィードバックされる構成で
結合する。同様に、復号器１６０（図１０）の動き補償
１６２も逆ＤＣＴ変換の出力位置に設置する。画像を直
接変換符号化する代わりに、動き補償を用いて画像の予
測をまず生成する。次に、この予測と実際の画像の間の
差を変換符号化し、変換係数を正規化し、統計的に符号
化する。動き予測を誘導する２つのフレームの２番目は
常に、復号器によって再生された後に現われる前のフレ
ームである。したがって、符号器は復号器の処理のモデ
ル、つまり復号器の構成部品１６２に匹敵するフレーム
遅延および動き補償回路を含む。 【００７７】先に述べたように、動き補償を使用して差
を符号化する代わりに、ブロックを直接ＰＣＭ符号化す
ることによって、ビットレートがより低くなることがた
まにある。したがって、最小可能なビットレートを得る
ために、符号器は２つの方法のそれぞれに必要なビット
数を決定し、次にブロックごとに所用ビット数が最小の
方法を選択する。復号器にその選択を通知するために必
要なおーばヘッドは、１ブロック当り１ビットである。 【００７８】ＨＤＴＶ伝送システムでは、多数の様々な
テレビ番組が、伝送のために共通データストリームとし
て一つに多重化されるようになることを理解すべきであ
る。符号器における各単独チャネル画像処理部は、可変
速度のハフマン符号化データをチャネル伝送に必要な固
定出力レートに整合させるために、レートバッファを装
備する必要がある。このレートバッファは、図９に示す
ように１フレームＦＩＦＯ１４０として実現することが
できる。ＦＩＦＯの総記憶量は、±１画像フィールドの
変動を処理するのに充分な大きさである。 【００７９】画像出力バッファＦＩＦＯのオーバフロー
またはアンダフローを防止するために、ＦＩＦＯ入力ブ
ロックレートを絶えず調整することが必要である。これ
は、多重量子化レベル符号化構造を使用して達成され
る。量子化レベルが上昇すると、量子化は粗になり、ブ
ロックは短くなり、ＦＩＦＯ入力ブロックレートは高く
なる。量子化レベルが最小レベルのゼロまで低下する
と、量子化は密になり、ブロックは長くなり、ＦＩＦＯ
入力ブロックレートは低くなる。この調整には、ＦＩＦ
Ｏへのビットレートを比較的一定に維持するという必須
効果がある。バッファの状態は継続的に監視され、格納
されたブロック数が所定のウィンドウ以内に維持される
限り、量子化レベルは変化しない。バッファレベルが低
しきい値以下まで降下するか、あるいは高しきい値以上
に上昇すると、量子化レベルがそれぞれ低下または上昇
する。非常に単純な画像の伝送中にアンダフローの発生
を防止するために、埋め込みビットをチャネルに挿入す
ることができる。対応するＦＩＦＯ １６４を、可変長
復号器の前の復号器（図１０）に装備する。復号器もま
た、一般に１７０で示されるクロミナンスプロセッサを
含み、必要なＲＧＢ出力を再生する。 【００８０】図１１は、圧縮画像データを伝送するため
に使用する基本的な通信システムブロックを示す。これ
らは、送信側にＦＥＣ符号化１８０、送信フィルタ１８
２、およびＱＡＭ変調を含む。伝送路によって生じる干
渉および雑音は、それぞれ１８６、１８０で示す。受信
側には、復調器１９０、受信フィルタおよび適応量子化
回路１９２、トラッキングサブシステム１９４、および
ＦＥＣ復号器１９６が装備されている。フィルタ１８２
および１９２は、パルス整形に使用する。適応量子化
は、一般的なＶＨＦまたはＵＨＦ受信に見られる反射
（マルチパス）を処理するために使用する。 【００８１】先に詳細に述べた連結トレリス符号化およ
びブロック符号化構造を用いて、伝送路誤りの影響に対
して防護する。２つの別個のインターリーバを使用する
ＦＥＣ符号器の特定の実施例を、図１２に示す。また、
対応するＦＥＣ復号器の実施例を図１３に示す。図にあ
るように、ＦＥＣ符号器はリード−ソロモン符号器２０
０を含み、その後に第１インターリーバ２０２が続き、
リード−ソロモン外側符号によって生成されたシンボル
を第１インターリーブフォーマットに従ってインターリ
ーブする。インターリーブは、トレリス内側符号によっ
てその後に発生する可能性のあるバースト誤りを分散す
る効果を持つ。トレリス符号器２０４は、ＩおよびＱ信
号成分を第２インターリーバ２０６に出力し、ここで、
トレリス内側符号によって生成された符号化信号を第２
インターリーブフォーマットに従ってインターリーブす
る。これは、その後に符号化信号の伝送路に沿って発生
する可能性のあるバースト誤りを分散する効果を持つ。 【００８２】復号器で、符号化信号はインターリーバ２
１０によって処理され、圧縮画像情報を表わすインター
リーブされたリード−ソロモンシンボルを復元するため
に、トレリス復号器２１２へ送られる。トレリス復号器
２１２（例えば、１６−ＱＡＭの場合には符号化率３／
４、３２−ＱＡＭの場合には符号化率４／５）は、軟判
定の使用を容易にサポートするので、内側符号に使用す
る。トレリス復号器によって復元されたリード−ソロモ
ンシンボルは、別のデインターリーバ２１４でデインタ
ーリーブされた後、リード−ソロモン復号器２１６に入
力される。 【００８３】リード−ソロモン復号器２１６（例えば、
１６−ＱＡＭの場合には符号化率１０６／１１６、ｔ＝
５、３２−ＱＡＭの場合には符号化率１４５／１５５、
ｔ＝５）は、トレリス復号器によって発生するバースト
誤りを内蔵バースト誤り訂正能力で処理できるので、外
側符号に使用する。 【００８４】例えば平均最小二乗（ＬＭＳ）アルゴリズ
ムを使用する適応等化回路を受信機に装備することがで
きる。こうした等化回路は、雑音、マルチパス、および
干渉の存在時に軟判定のための信号コンステレーション
を最適化するように係数が常時調整される、２５６タッ
プ復号ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタを用いて
構成することができる。適応等化回路は、ＮＴＳＣ干渉
除去を向上するために、画像、色、および音声搬送周波
数で干渉ＮＴＳＣ信号のノッチフィルタリングを自動的
に行なうように設計することができる。 【００８５】これで、本発明が、圧縮高精細度テレビジ
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。 【００８６】本発明を特定の実施例に関連して説明して
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。
た米国特許出願番号第０７／７３６，７３８号の一部継
続出願である。 【０００２】 【産業上の利用分野】本発明は、トレリス符号化直交振
幅変調（ＱＡＭ）に関し、さらに具体的には、ＱＡＭ伝
送を符号化する実用的な方法に関する。本発明は特に、
高精細度テレビジョン（ＨＤＴＶ）システムにおける圧
縮画像信号の伝送に適用することができる。 【０００３】 【従来の技術】例えば高精細度テレビジョン（ＨＤＴ
Ｖ）信号の放送に使用するディジタル化画像信号のごと
きディジタルデータは、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。 【０００４】アナログ伝送路でディジタルデータを伝送
するには、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「コンステレーション」と呼ばれる１つのパタ
ーンで一緒に伝送される。 【０００５】パルス振幅変調の場合、各信号は伝送シン
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点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。ま
た３２ビットＱＡＭでは、一般に−５、−３、−１、
１、３、および５のシンボル振幅を使用する。ディジタ
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。 【０００６】一方、衛星通信システムによく見られる四
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
単純なコンステ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テレーションパター
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。 【０００７】ＱＰＳＫ変調は、帯域制限は主要な問題で
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。 【０００８】トレリス符号化変調（ＴＣＭ）は、帯域制
限通信路でのディ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、重要な符号化の利点を達
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
ディ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
な利点は、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、ＴＣＭ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。 【０００９】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、ＱＰ
ＳＫ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。 【００１０】出力と帯域の両方が制限され、しかも低価
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、役に立ちそうにながった。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。 【００１１】出力および帯域が制限されており、かつデ
ィ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
ディジタル通信がある。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、Ｈ
ＤＴＶ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。単独の６ＭＨｚの帯域で完全なＨＤＴＶ性能を達成
するために、ＤＣＴ変形符号化に基づく高効率の独自の
圧縮アルゴリズムが、放送に関するＩＥＥＥ会議録第３
６巻第４号２４５−２５４頁（１９９０年１２月）の
Ｗ．パイク著「ディジサイファ−完全ディジタルの通信
路互換性ＨＤＴＶ放送システム」（W. Paik, "Digiciph
er - All Digital, Channel Compatible, HDTV Broadca
st System", IEEE Transactions on Broadcasting, Vo
l. 36, No.4, December 1990, pp. 245-254）によって
提案されており、これを参照によってここに組み込む。 【００１２】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ＱＰ
ＳＫ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、ＱＡＭ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。 【００１３】ＨＤＴＶの分野で非常に高いデータ信頼性
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。 【００１４】データ信頼性の要件は、分割と共働（divi
de and concur ）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。 【００１５】さらに詳細な連結符号化方式の説明は、
Ｇ．Ｃ．クラーク・ジュニア、Ｊ．Ｂ．ケイン共著「デ
ィジタル通信の誤り訂正符号化」（１９８１年）（G.C.
Clark,Jr. and J.B. Cain，"Error-Correction Coding
for Digital Communications",Plenum Press, New Yor
k,1981 ）、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 Contro
l Coding: Fundamentals and Applications", Prentice
-Hall, 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
−６７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. U
ngerboeck, "Channel Coding with Multilevel/Phase S
ignals", IEEE Transactions on Information Theory,
Vol. IT-28, No. 1, pp. 55-67, January 1982 ）、Ｉ
ＥＥＥ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 Modulati
on with Redundunt Signal Sets -- Part I: Introduct
ion, -- Part II: State of the Art", IEEE Communica
tions Magazine, 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Ｉ
Ｔ−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.
Caulderbank and N.J.A. Sloane, "New Trellis Codes
Basedon Lattices and Cosets", IEEE Transactions o
n Information Theory, Vol.IT-33, No. 2, pp. 177-19
5, March 1987 ）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., "TheVite
rbi Algorithm", Proceedings of the IEEE , Vol. 61,
No. 3, March1973）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。 【００１６】 【発明が解決しようとする課題】連結符号化システムに
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。 【００１７】ＨＤＴＶ放送システムでは、カバレッジ
（有効範囲）／局間隔と映像品質とが互いに背反する特
性であるために、最適のバランスを見出すことが必要で
ある。低次ＱＡＭ（例えば１６−ＱＡＭ）は、受信搬送
波対雑音比が低いという性能特性のために、高次ＱＡＭ
（例えば６４−ＱＡＭ）より高いカバレッジを提供し、
局間隔をより密にすることができる。一方、高次ＱＡＭ
は帯域効率が高いので、低次ＱＡＭより高い画像品質を
提供する。どの次数のＱＡＭを選択するかは、地形配置
や利用可能な／許可された送信機の出力、および通信路
の条件などによって非常にしばしば左右される。これら
のパラメータは非常にしばしば送信側で決定できること
ができ、ＱＡＭ伝送モードを自動的に選択できるＱＡＭ
通信システムを装備することができる。このようなシス
テムは当然、送信機で使用されたＱＡＭの次数を自動的
に高い信頼度で検出できる受信機を装備し、送信された
信号を正しく受信できるようにしなければならない。こ
れらの特徴を提供するシステムは、１９９２年３月２４
日出願の共通譲渡された同時係属出願である米国特許出
願番号第０７／８５２，３３０号「モード選択的直交振
幅変調通信システム」に開示されており、参照によって
ここに組み込む。 【００１８】圧縮画像を含むＨＤＴＶ信号の通信のため
には、帯域効率が高く、出力要件が低いデータ変調シス
テムを装備すると有利であろう。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。 【００１９】本発明は、上記の利点を持つ変調システム
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、ＨＤＴＶ通信に特に便利なトレリス符
号化ＱＡＭシステムにまで拡張する。 【００２０】 【課題を解決するための手段】本発明に従って、高精細
度テレビジョン信号を伝送する方法を提供する。ＨＤＴ
Ｖ信号の画像部分はＰＣＭビデオデータのブロックに分
割する。動きの予測と補償を用いてブロックを処理し、
ＤＰＣＭデータを生成する。所定の判定基準に基づい
て、各ブロックごとにＰＣＭ画像データおよびＤＰＣＭ
データの１つを送信のために選択する。例えば、送信の
ための最小限のビット数を生成する代替法を選択するこ
ともできる。選択されたデータを、離散余弦変換を用い
て圧縮し、変換係数のブロックを生成する。次に、これ
を量子化してその符号化効率を高める。量子化された変
換係数を次に、可変長符号化する。結果として得られる
係数を、リード−ソロモン外側符号とトレリス内側符号
とを連結した符号化構造を用いて符号化し、送信のため
の符号化信号を生成する。直交振幅変調を用いて、符号
化された信号を送信する。 【００２１】好適実施例では、リード−ソロモン外側符
号によって生成されたシンボルを、最初のインターリー
ブフォーマットに従ってインターリーブし、その後にト
レリス内側符号によって発生する可能性のあるバースト
誤りを分散させる。トレリス内側符号によって生じる符
号化信号を、第２インターリーブフォーマットに従って
インターリーブし、その後に前記符号化信号の伝送路に
沿って発生する可能性のあるバースト誤りを分散させ
る。 【００２２】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調を用い
て送信される高精細度テレビジョン信号の場合、前記信
号を含む搬送波を受信する。受信された搬送波を復調し
て、圧縮画像情報を含むインターリーブ変調関数を復元
する。復元された変調関数を次にデインターリーブし、
連結復号器の内側トレリス復号アルゴリズムで復号し
て、圧縮画像情報を表わすインターリーブされたリード
−ソロモンシンボルを復元する。復元されたリード−ソ
ロモンシンボルをデインターリーブし、連結復号器の外
側リード−ソロモン復号アルゴリズムに入力する。リー
ド−ソロモン復号アルゴリズムは、デインターリーブさ
れたリード−ソロモンシンボルから可変長符号化係数を
復元する。復元された可変長符号化係数を復号して、前
記画像情報を表わす変換係数を復元する。次に変換係数
を逆変換して、ＰＣＭおよびＤＰＣＭフォーマットの少
なくとも１つによる画像データを復元する。復元された
ＤＰＣＭデータを動き補償を用いて処理し、復元された
ＤＰＣＭで表わされるＰＣＭ画像データを復元する。復
元されたＰＣＭ画像データを、ＨＤＴＶテレビジョン受
信機への出力用にフォーマット化する。 【００２３】本発明はさらに、ＨＤＴＶ信号用の特定の
ＱＡＭ伝送構造をも提供する。Ｎ点から成るＱＡＭコン
ステ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、コンステ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、コンステ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
りのビットと共に写像して、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。 【００２４】図に示す実施例では、２ビットの符号語は
変調関数の最下位ビットを構成し、コンステレーション
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、コンステ
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。 【００２５】変調関数を伝送した後、それを受信側で復
元する。復元された変調関数を枝刈りし、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値を表
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。 【００２６】本発明はさらに、ＱＡＭ伝送のためにディ
ジ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点のＱＡＭコンステレーションパ
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
ステレーションパターンのシンボル点をそれぞれＮ／４
個ずつ含む。符号語を残りのビットと共に写像し、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。 【００２７】図に示す実施例では、符号語は変調関数の
最下位ビットを構成し、前記コンステレーションパター
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、コンステレーシ
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。 【００２８】復号装置も本発明に従って提供する。受信
機は、受信した搬送波を復調して、Ｎ点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コンステ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
調関数を枝刈り（pruning）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
する枝刈り手段を装備する。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。 【００２９】図に示す実施例では、符号語は変調関数の
最下位ビットから成り、コンステ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。枝刈り手段は、コンステレーション座標のマトリッ
クスの各列の復元Ｎ点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。 【００３０】連結復号器も提供する。連結方式の実施例
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。 【００３１】 【実施例】図１は、ＱＡＭデータを伝送するための連結
方式の符号化システムを示す。伝送するディジタル情報
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。 【００３２】挟み込まれたシンボルはＱＡＭトレリス符
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。 【００３３】符号器２０の出力は、ＱＡＭコンステレー
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テレー
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
テ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に下記数４の受信データを入力して、送信情
報を復元する。本発明による復号器を以下に詳しく説明
する。 【数４】【００３４】復号器３２により復号された出力は、上述
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。 【００３５】本発明では、ＱＰＳＫ符号をトレリス符号
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
ステ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テレーション点を決
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。 【００３６】図２は、本発明による符号器を示す。デー
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−1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２ n −ＱＡＭ写像回路５０に
送られる。畳込み符号器４８は、ゼネレータを８進数で
１７１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は２ n −ＱＡＭ写
像回路へ送られ、ｎビットのシンボルをＱＡＭコンステ
レーション上の特定のコンステレーション点に写像する
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、コンステ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コンステレーシ
ョンからコンステ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。 【００３７】ＱＡＭ伝送（符号化）では、ＱＰＳＫ符号
の符号語および残りの未符号化ビットをＱＡＭコンステ
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
コンステレーション点のラベル付けを記述しなければな
らない。 ＭＯＤ：｛０，１｝N→Ｒ2 以下に説明する写像は、次のような望ましい特徴を備え
ている。（１）ＱＡＭの直角位相の曖昧さの影響がＱＰ
ＳＫ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ＱＰＳＫシ
ステムと同様の方法で処理される）。（２）最上位ディ
ジットはコンステ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）。 【００３８】１６−ＱＡＭ（ｍ5＝ｍ4＝０）の場合、次
のマトリックスによって記述されるラベル付けを考える
（ｍ5＝ｍ4＝ｍ 3 ＝ｍ 4 ＝０の場合、ＱＰＳＫ）。 【数１】 ３２−ＱＡＭ（ｍ5＝０）の場合、次のマトリックスを
追加する。 【数２】６４−ＱＡＭの場合、次のマトリックスを追加する。 【数３】 【００３９】ＱＰＳＫ符号器の出力は、変調器入力の最
下位ビット（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）はコンステレー
ションの大きさを決定する。未符号化ビットが無い（ｍ
5＝ｍ4＝ｍ3 ＝ｍ4 ＝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−Ｑ
ＡＭが生成される。未符号化ビットが３個の場合（ｍ4
ｍ3ｍ2）、３２−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コンステレーションが９
０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。 ００→０１→１１→１０→００； 行は変化しない。つまり、未符号化ビットのラベル付け
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。 【００４０】本発明による１６−ＱＡＭおよび３２−Ｑ
ＡＭのコンステ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で示すコンステレ
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
ンステレーション点がある。これらのコンステレーショ
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つのコンステ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、ｍ
３によって識別される。こうして、８２ｃはサブセット
００、このサブセット内の点０１１として定義される。
８４ａ、８６ａ、および８８ａ等、残りの各コンステレ
ーション点も同様に識別される。 【００４１】３２ビットＱＡＭの場合、破線の四角９０
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。 【００４２】本発明で使用するラベル付け構造の特徴
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はコンステレーション点
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
テレーション点があるので、コンステレーション点間の
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。 【００４３】図３は、本発明によるＱＡＭトレリス復調
器の実現を示す。受信したシンボルデータは、入力端子
６０から枝刈回路６２に入力される。枝刈回路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。 【００４４】枝刈回路６２は、事前に計算されたメトリ
ックの組および様々な組の入力値である上記（数４）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。上記（数４）で表せる値は
ＰＲＯＭをアドレス指定して、対応する記憶されたメト
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、超高速枝刈動作が可能になる。ビタビ復号器は、
枝刈回路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。 【００４５】図３に示すビタビ復号器６８は、従来のＱ
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。 【００４６】先に述べたＱＡＭ変調器を使用するシステ
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ＱＡＭコンス
テレーション（つまりＭＯＤ（ｍ）の範囲）に属し、ｗ
Kは雑音である。量子化関数は、下記（数７）の関係に
従って下記（数５）で示した信号と下記（数６）で示し
たデータの両方を推定する。最尤探索（ＭＬ）の場合、
可能なメッセージｍ∈｛０，１｝Nにおける対数尤度関
数−log（ｐ（ｙk│ＭＯＤ（ｍ））を最小にする。 【数５】 【数６】 【数７】 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８】 を満たす。ただし、‖・‖2はユークリッド距離の２乗
（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。 【００４７】符号化ＱＰＳＫおよびＱＡＭシステムで
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１４)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。 【数１４】 最近接点復号化の場合、選択されるメトリックは、 メトリック（ｙk；ｍ）＝‖ｙk−ＭＯＤ（ｍ）‖2 となる。実際には、実現の目的のためにメトリック自体
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。 【００４８】軟判定復号可能なＱＰＳＫ符号に基づくト
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。下記の（数９）で示したｍ1，ｍ0∈｛０，
１｝2の各選択に対する最近接点検出では、条件付き硬
判定は最小値を得るｍ n-1 ，．．．，ｍ 2 の選択に対応
する。 【数９】 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、枝刈り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枝刈りする。 【００４９】枝刈りは、先に述べたＱＡＭ変調マトリッ
クスによって容易に説明される。枝刈り動作は、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。 【００５０】枝刈り動作が完了すると、軟判定情報がＱ
ＰＳＫ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。）ＱＰ
ＳＫ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
ｍ n-1 ，．．．，ｍ2ｓ）が、復号されたＱＰＳＫ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。 【００５１】ＱＰＳＫ復号器がＭＬであれば（ＱＰＳＫ
変調の場合）、上記の枝刈り／ＱＰＳＫ復号法もまたＭ
Ｌ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、Ｑ
ＡＭ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）。 【００５２】図３に示す実施例では、枝刈回路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４
８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
６８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、枝刈回路から出力され
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。 【００５３】図１に関連して述べたように、復号した出
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。 【００５４】ｔ−誤り訂正の場合の任意の入力シンボル
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、次式
（数１０） 【数１０】によって限定することができる。次に、次式（数１１） 【数１１】 によって出力ビット誤り率を近似化する。さらに、リー
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
次式（数１２） 【数１２】 となる。ただし、Ｐmodはｎビットのシンボルの誤り率
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。 【００５５】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−ＱＡＭ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。 【００５６】図７の曲線は、トレリス符号化シミュレー
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、次式
（数１３） 【数１３】 に従ってリード−ソロモンブロック誤りの確率を計算す
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。 【００５７】図７の曲線は、システムを特定のＣＮＲ以
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。 【００５８】図８は、ディジタルＨＤＴＶ通信システム
の基本的構成部品を示す。ＨＤＴＶ符号器１１０は、制
御コンピュータ１１２の制御下で画像情報、音声情報、
データ、およびテキストを受信する。符号化された情報
は、本発明に従ってＱＡＭを使用して高周波搬送波を変
調するＶＨＦ／ＵＨＦ送信機１１４によって送信され
る。消費者の家庭で、ＨＤＴＶ受信機がＱＡＭ変調され
たデータストリームを受信する。チューナ１１６によ
り、視聴者は視聴する特定の番組を選択することができ
る。選択された番組はＨＤＴＶ復号器１１８で復号さ
れ、ＨＤＴＶモニタ１２０には出力画像信号を、音声増
幅器１２２を介してスピーカ１２４には音声信号をそれ
ぞれ出力する。データおよびテキストもまたモニタ１２
０を介して視聴者に提供される。ＶＨＦやＵＨＦ地上伝
送に一般的なマルチパスひずみを克服するために、適応
等化回路を装備することができる。以下に詳しく説明す
るフォワード誤り訂正復号器は、受信信号の事実上全て
のランダムまたはバースト誤りを訂正する。 【００５９】図９は、送信前にＨＤＴＶ信号の画像部分
を符号化するために使用できるディジタル画像符号器の
ブロック線図である。画像情報源からのアナログ赤・緑
・青（Ｒ、Ｇ、Ｂ）入力は、一般に１３０で示す前置回
路で処理される。Ｒ、Ｇ、Ｂ入力はディジタル化される
前に、低域フィルタで濾波され、クランプ処理される。
低域フィルタは、折返し成分やその他のスプリアス信号
を適切に除去するように設計される。クランプ処理は、
水平帰線消去期間中に適切なＤＣレベルを回復する。 【００６０】アナログ−ディジタル変換後、Ｒ、Ｇ、Ｂ
信号はＹＵＶ色空間に変換される。クロミナンス情報の
解像度は、知覚される画像品質にはわずかな影響だけ
で、輝度の解像度に相対的に低下することができる。Ｕ
およびＶのクロミナンス成分は、水平方向で４分の１、
垂直方向で２分の１に抑制される（デシメーション）。 【００６１】水平方向のデシメーションは、例えばサブ
サンプリングの前にディジタルＦＩＲフィルタを適用す
ることによって達成することができる。水平方向の内挿
は、復号器でゼロ埋め込みを実施し、利得を４倍にして
同じフィルタリングを適用することによって実施する。
垂直方向の１／２のデシメーションは、フィールドを１
つおきに捨てることによって達成する。復号器は、各ク
ロミナンスフィールドを２回繰り返すことによって、イ
ンターレースされた信号を復元する。２つの異なるフィ
ールドにまたがる垂直方向のデシメーションは、動きの
表現を幾分劣化させるが、この劣化は容易には知覚され
ず、大きな問題にはならない。 【００６２】輝度信号（Ｙ）は、クロミナンス前処理回
路をバイバスする。従って、完全な解像度が維持され
る。次に、マルチプレクサ１３２で一度に１画像ブロッ
クづつクロミナンス成分と輝度成分を多重化する。次
に、全ての成分を同一の圧縮処理にかける。復号器で
は、成分を再び分離し、クロミナンス信号を内挿し戻し
て完全な解像度にする。 【００６３】画像信号は、離散余弦変換（ＤＣＴ）を用
いて２つの異なる経路で圧縮する。最初の"ＰＣＭ"経路
では、画像を１３３でＤＣＴ変換し、生成された係数を
量子化回路１３５で量子化する。動き予測および補償法
を使用し、画像フレームの現われ方の予測に基づいて弁
別信号を提供する２番目の"ＤＰＣＭ"経路では、予測と
実際の画像間の差を１３４でＤＣＴ変換する。結果とし
て得られるＤＣＴ変換係数を量子化回路１３６で量子化
し、セレクタ１３７へ出力し、ここで、どちらの経路が
最小数のビットを生成したか等の所定の判定基準に基づ
き、ＰＣＭまたはＤＰＣＭのどちらかの経路から、量子
化された係数を選択する。画像データの各ブロックに選
択された係数は、可変長符号器１３８に入力する。これ
は、例えば従来型のハフマン符号器で構成することがで
きる。可変長符号語を先入れ先出しレジスタ１４０に出
力し、そこからさらに送信機へ出力する。 【００６４】ＤＣＴは、１ブロックの画素を新しいブロ
ックの変換係数に変換する。好適実施例では、８×８の
ブロックサイズを使用する。その理由は、このサイズを
越えると、変換符号化の効率があまり向上しないのに、
複雑度がかなり高くなるためである。次に、変換をそう
した各ブロックに適用し、画像全体を変換する。復号器
では逆変換を適用して、元の画像を復元する。 【００６５】エネルギを少数の係数に圧縮するのにＤＣ
Ｔが効果的でなくなる場合がある。例えば、入力信号が
白色雑音の場合、画像エネルギは変換後も、画素領域内
にあったときと変わらないほどランダム配分される。こ
うした条件下では、画像の圧縮がずっと困難になり、実
際、何らかの形の偽像か何かを導入しなければ、圧縮す
ることができない。幸運なことに、こうした条件下で
は、より静かな条件下におけるより、偽像がずっと目立
たなくなる傾向がある。また、そうした条件はテレビ画
像では一般的でなく、テレビ画像では通常、隣接画素間
に水平と垂直の高度な相関関係が存在する。 【００６６】本発明のシステムで使用する画像圧縮技術
は、ＤＣＴ係数を表わすのに必要なビット数を減少させ
るのに非常に効果的である。これらの技術は係数量子
化、可変長符号か、動きの予測と補償、動き補償とフレ
ーム内符号化の統合、および適応フィールド／フレーム
符号化を含む。動きの予測と補償技術および動きの補償
とフレーム内符号化の統合技術については、１９９１年
１１月２６日に発行された米国特許第５，０６８，７２
４号「ディジタルテレビジョン用の適応動き補償」にも
っと詳細に説明されており、これを参照によりここに組
み込む。これらの機能を実行する回路機構１５０を、図
９に示す。 【００６７】適応フィールド／フレーム符号化は、１９
９２年２月２５日に発行された米国特許第５，０９１，
７８２号「ディジタル画像の連続ブロックを適応圧縮す
る装置と方法」に開示されており、これを参照によりこ
こに組み込む。１９９２年３月３日に発行された米国特
許第５，０９３，７２０号「インターレースしたディジ
タルテレビジョン信号の動き補償」および１９９１年１
０月１５日に発行された米国特許第５，０５７，９１０
号「動き補償された連続ビデオ画像のリフレッシュ方法
および装置」は、本発明のシステムのごときＨＤＴＶ通
信システムを実行するのに役立つさらに別の動き補償技
術を開示しており、これらを両方とも参照によってここ
に組み込む。 【００６８】係数量子化は、符号化効率を向上するため
に、画像に小さい変化を導入するプロセスである。これ
は、まずＤＣＴ係数のそれぞれに重みを付け、次に復号
器に転送する８ビットを選択することによって達成され
る。各係数の重みはいったん割り当てられると固定さ
れ、変更されない。こうして、例えば各係数を最初に１
２ビットの数字として表わし、これをさらにそれぞれの
重み付けの因子で割ることができる。しかし、所望のデ
ータレートを達成するには、別のスケーリングがまだ必
要かもしれない。したがって、重みを付けた係数を量子
化因子で割る。量子化因子は量子化レベルによって決定
され、量子化レベルはシーンの複雑度と知覚特性に基づ
いて定期的に調整される。本発明の好適実施例では、量
子化レベルは０から３１の範囲である。量子化レベル０
のときに最大精度になり、量子化レベル３０のときに最
小精度になる。レベル３１は確保されており、データが
送信されないことを復号器に知らせる。 【００６９】１２ビットのＤＣＴ係数を重み付け因子と
量子化因子の両方でスケーリング（基準化）した後、下
位８ビットを選択する。ほとんどの場合に、上位４ビッ
トはゼロになり、したがって情報は失われない。しか
し、重み付け因子と量子化因子が両方とも小さいとき
は、オーバフローやアンダフローの発生を防止するため
に、結果として得られる係数をクリップすることが必要
になる場合がある。 【００７０】以上に示した量子化方法は、ＤＣ係数には
適用されない。量子化レベルに関係なく、ＤＣ係数の上
位８ビットが常に選択される。 【００７１】量子化は、変換係数の振幅を低下すること
によって、圧縮可能性（compressibility）を向上す
る。結果を利用するために、可変数のビットをこれらの
係数に割り当てるアルゴリズムが必要である。可変長符
号器は統計的符号化技術を使用し、これは量子化プロセ
スとは異なり、情報を保存するので画像が劣化しない。 【００７２】本発明の好適実施例では、可変長符号化に
ハフマン符号化を使用する。ハフマン符号化は、理論的
エントロピ限界に近づき、全ての可能な事象の確率の先
験的知識を与えることのできる最適統計符号化法として
よく知られている。符号器はこのような確率分布を生成
し、任意のフレームを転送する前にこれらを復号器に転
送する。次に、この表を用いてハフマン符号語を誘導す
る。発生の確率が最も高い事象に、比較的短い符号語が
割り当てられる。復号器も同一のコードブックを維持し
ており、各符号語を実際の事象に突き合わせることがで
きる。ハードウェアを単純にするために、処理された広
範囲の材料に基づいて生成された固定ハフマン表を使用
すると便利である。ハフマン符号化については、上述の
Ｗ．パイクの「ディジサイファ−完全ディジタルの通信
路互換性ＨＤＴＶ放送システム」」と題する記事に詳細
に記述されている。 【００７３】本発明の動き予測および補償サブシステム
１５０は、まず次のフレームがどのように現われるかを
予測し、次に予測と実際の画像との差を送信することに
よって画像情報を圧縮する。適正な予測値は単なる前の
フレームである。この種の時間差動符号化（ＤＰＣＭ）
は、動きがほとんど無い場合、あるいは空間的な細部が
ほとんど無い場合には、非常によく機能するが、その他
のときには、あまり効果的ではなく、場合によっては、
次のフレームを予測せずに単に符号化しただけのとき
（ＰＣＭ）より悪くなることもある。 【００７４】動き補償は、動きが発生するときに時間圧
縮構造の性能を改善する手段である。動き補償を適用す
るには、その前のフレーム以後に何が動いたか、またそ
れがどこに動いたかを決定することがまず必要である。
この情報が符号器側が分かれば、次に、前のフレームを
移動または変位させ、まだ転送されていない次のフレー
ムをより正確に予測することができる。符号器は復号器
と同一予測を再生した後、予測と実際の画像との差を決
定する。動きの予測に使用されるモデルに動きが一致し
た場合、および動きの予測が正確であり、信号に雑音が
無い場合には、この誤りは実際にゼロとなる。 【００７５】前のフレームの変位は、フレーム、部分フ
レーム、または画素単位で実行することができる。つま
り、各フレーム、部分フレーム、または各画素のそれぞ
れに一意の変位（動きベクトル）を生成することができ
る。しかし、１フレーム当り単独の動きベクトルを生成
することは、画像全体の単純なパン動作をモデル化する
ことができるだけであるので、その有用性は制限され
る。理想的には、各画素に一意の動きベクトルを生成す
る。しかし、動き予測は複雑なプロセスであり、次のフ
レームの知識が要求されるので、符号器でしか実行する
ことができず、復号器で利用可能な画素当りの動き情報
を作成することに含まれるオーバヘッドは過剰になる。
したがって、４つのＤＣＴブロックに等しい横寸法およ
び２つのＤＣＴブロックに等しい縦寸法を持つ「スーパ
ーブロック」に等しい部分領域を選択し、部分フレーム
単位で動き予測を実行することが望ましい。この大きさ
は、クロミナンス成分の水平サブサンプリングの４倍お
よび垂直サブサンプリングの２倍と互換性があり、同じ
動きベクトルを単独クロミナンスＤＣＴブロックを変位
させるために使用することが可能である。 【００７６】図９の符号器ブロック線図に示すように、
動き補償回路機構１５０は、セレクタ１３７の出力から
ＤＣＴ変換１３４の入力へフィードバックされる構成で
結合する。同様に、復号器１６０（図１０）の動き補償
１６２も逆ＤＣＴ変換の出力位置に設置する。画像を直
接変換符号化する代わりに、動き補償を用いて画像の予
測をまず生成する。次に、この予測と実際の画像の間の
差を変換符号化し、変換係数を正規化し、統計的に符号
化する。動き予測を誘導する２つのフレームの２番目は
常に、復号器によって再生された後に現われる前のフレ
ームである。したがって、符号器は復号器の処理のモデ
ル、つまり復号器の構成部品１６２に匹敵するフレーム
遅延および動き補償回路を含む。 【００７７】先に述べたように、動き補償を使用して差
を符号化する代わりに、ブロックを直接ＰＣＭ符号化す
ることによって、ビットレートがより低くなることがた
まにある。したがって、最小可能なビットレートを得る
ために、符号器は２つの方法のそれぞれに必要なビット
数を決定し、次にブロックごとに所用ビット数が最小の
方法を選択する。復号器にその選択を通知するために必
要なおーばヘッドは、１ブロック当り１ビットである。 【００７８】ＨＤＴＶ伝送システムでは、多数の様々な
テレビ番組が、伝送のために共通データストリームとし
て一つに多重化されるようになることを理解すべきであ
る。符号器における各単独チャネル画像処理部は、可変
速度のハフマン符号化データをチャネル伝送に必要な固
定出力レートに整合させるために、レートバッファを装
備する必要がある。このレートバッファは、図９に示す
ように１フレームＦＩＦＯ１４０として実現することが
できる。ＦＩＦＯの総記憶量は、±１画像フィールドの
変動を処理するのに充分な大きさである。 【００７９】画像出力バッファＦＩＦＯのオーバフロー
またはアンダフローを防止するために、ＦＩＦＯ入力ブ
ロックレートを絶えず調整することが必要である。これ
は、多重量子化レベル符号化構造を使用して達成され
る。量子化レベルが上昇すると、量子化は粗になり、ブ
ロックは短くなり、ＦＩＦＯ入力ブロックレートは高く
なる。量子化レベルが最小レベルのゼロまで低下する
と、量子化は密になり、ブロックは長くなり、ＦＩＦＯ
入力ブロックレートは低くなる。この調整には、ＦＩＦ
Ｏへのビットレートを比較的一定に維持するという必須
効果がある。バッファの状態は継続的に監視され、格納
されたブロック数が所定のウィンドウ以内に維持される
限り、量子化レベルは変化しない。バッファレベルが低
しきい値以下まで降下するか、あるいは高しきい値以上
に上昇すると、量子化レベルがそれぞれ低下または上昇
する。非常に単純な画像の伝送中にアンダフローの発生
を防止するために、埋め込みビットをチャネルに挿入す
ることができる。対応するＦＩＦＯ １６４を、可変長
復号器の前の復号器（図１０）に装備する。復号器もま
た、一般に１７０で示されるクロミナンスプロセッサを
含み、必要なＲＧＢ出力を再生する。 【００８０】図１１は、圧縮画像データを伝送するため
に使用する基本的な通信システムブロックを示す。これ
らは、送信側にＦＥＣ符号化１８０、送信フィルタ１８
２、およびＱＡＭ変調を含む。伝送路によって生じる干
渉および雑音は、それぞれ１８６、１８０で示す。受信
側には、復調器１９０、受信フィルタおよび適応量子化
回路１９２、トラッキングサブシステム１９４、および
ＦＥＣ復号器１９６が装備されている。フィルタ１８２
および１９２は、パルス整形に使用する。適応量子化
は、一般的なＶＨＦまたはＵＨＦ受信に見られる反射
（マルチパス）を処理するために使用する。 【００８１】先に詳細に述べた連結トレリス符号化およ
びブロック符号化構造を用いて、伝送路誤りの影響に対
して防護する。２つの別個のインターリーバを使用する
ＦＥＣ符号器の特定の実施例を、図１２に示す。また、
対応するＦＥＣ復号器の実施例を図１３に示す。図にあ
るように、ＦＥＣ符号器はリード−ソロモン符号器２０
０を含み、その後に第１インターリーバ２０２が続き、
リード−ソロモン外側符号によって生成されたシンボル
を第１インターリーブフォーマットに従ってインターリ
ーブする。インターリーブは、トレリス内側符号によっ
てその後に発生する可能性のあるバースト誤りを分散す
る効果を持つ。トレリス符号器２０４は、ＩおよびＱ信
号成分を第２インターリーバ２０６に出力し、ここで、
トレリス内側符号によって生成された符号化信号を第２
インターリーブフォーマットに従ってインターリーブす
る。これは、その後に符号化信号の伝送路に沿って発生
する可能性のあるバースト誤りを分散する効果を持つ。 【００８２】復号器で、符号化信号はインターリーバ２
１０によって処理され、圧縮画像情報を表わすインター
リーブされたリード−ソロモンシンボルを復元するため
に、トレリス復号器２１２へ送られる。トレリス復号器
２１２（例えば、１６−ＱＡＭの場合には符号化率３／
４、３２−ＱＡＭの場合には符号化率４／５）は、軟判
定の使用を容易にサポートするので、内側符号に使用す
る。トレリス復号器によって復元されたリード−ソロモ
ンシンボルは、別のデインターリーバ２１４でデインタ
ーリーブされた後、リード−ソロモン復号器２１６に入
力される。 【００８３】リード−ソロモン復号器２１６（例えば、
１６−ＱＡＭの場合には符号化率１０６／１１６、ｔ＝
５、３２−ＱＡＭの場合には符号化率１４５／１５５、
ｔ＝５）は、トレリス復号器によって発生するバースト
誤りを内蔵バースト誤り訂正能力で処理できるので、外
側符号に使用する。 【００８４】例えば平均最小二乗（ＬＭＳ）アルゴリズ
ムを使用する適応等化回路を受信機に装備することがで
きる。こうした等化回路は、雑音、マルチパス、および
干渉の存在時に軟判定のための信号コンステレーション
を最適化するように係数が常時調整される、２５６タッ
プ復号ＦＩＲ（有限インパルス応答）フィルタを用いて
構成することができる。適応等化回路は、ＮＴＳＣ干渉
除去を向上するために、画像、色、および音声搬送周波
数で干渉ＮＴＳＣ信号のノッチフィルタリングを自動的
に行なうように設計することができる。 【００８５】これで、本発明が、圧縮高精細度テレビジ
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。 【００８６】本発明を特定の実施例に関連して説明して
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】連結符号化を使用したＱＡＭ伝送システムのブ
ロック線図である。 【図２】本発明によるトレリス符号器のブロック線図で
ある。 【図３】本発明によるトレリス復号器のブロック線図で
ある。 【図４】本発明によりサブセットに分割されたＱＡＭコ
ンステレーションパターンを示す図である。 【図５】図４のコンステレーションパターンのサブセッ
トのラベル付けを定義する図表である。 【図６】図４のコンステレーションパターンのコンステ
レーション点のラベル付けを示す図表である。 【図７】本発明による連結符号化構成の性能を先行技術
の符号化ＱＡＭ構成の性能と比較したグラフである。 【図８】本発明によるＨＤＴＶ通信システムのブロック
線図である。 【図９】図８のシステムに使用するディジタル画像符号
器のブロック線図である。 【図１０】図８のシステムに使用するディジタル画像復
号器のブロック線図である。 【図１１】本発明によるフォワード誤り訂正（ＦＥＣ）
符号化およびＱＡＭ変復調を含む伝送システムのブロッ
ク線図である。 【図１２】本発明によるＦＥＣ符号器のブロック線図で
ある。 【図１３】本発明によるＦＥＣ復号器のブロック線図で
ある。
ロック線図である。 【図２】本発明によるトレリス符号器のブロック線図で
ある。 【図３】本発明によるトレリス復号器のブロック線図で
ある。 【図４】本発明によりサブセットに分割されたＱＡＭコ
ンステレーションパターンを示す図である。 【図５】図４のコンステレーションパターンのサブセッ
トのラベル付けを定義する図表である。 【図６】図４のコンステレーションパターンのコンステ
レーション点のラベル付けを示す図表である。 【図７】本発明による連結符号化構成の性能を先行技術
の符号化ＱＡＭ構成の性能と比較したグラフである。 【図８】本発明によるＨＤＴＶ通信システムのブロック
線図である。 【図９】図８のシステムに使用するディジタル画像符号
器のブロック線図である。 【図１０】図８のシステムに使用するディジタル画像復
号器のブロック線図である。 【図１１】本発明によるフォワード誤り訂正（ＦＥＣ）
符号化およびＱＡＭ変復調を含む伝送システムのブロッ
ク線図である。 【図１２】本発明によるＦＥＣ符号器のブロック線図で
ある。 【図１３】本発明によるＦＥＣ復号器のブロック線図で
ある。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ
Ｈ０４Ｌ 27/34 Ｈ０４Ｌ 27/00 Ｅ
(72)発明者 スコット・エー・レリー
アメリカ合衆国カリフォルニア州ルーカ
ディア、ハイメタス・アヴェニュー1183
(72)発明者 クリス・ヒーガード
アメリカ合衆国ニューヨーク州イタカ、
アール・ディー・ナンバー２、ウッドラ
ンド・ロード４
(72)発明者 エドワード・エイ・クラウス
アメリカ合衆国カリフォルニア州サンデ
ィエゴ、アリアン・ドライブ2720−32
(72)発明者 ジェロルド・エイ・ヘラー
アメリカ合衆国カリフォルニア州デル・
マー、ランチョ・ヴィエジョ・ドライブ
4932
(56)参考文献 特開 平３−69295（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−235491（ＪＰ，Ａ)
特開 平２−195732（ＪＰ，Ａ)
米国特許5321725（ＵＳ，Ａ)
欧州特許524625（ＥＰ，Ｂ１)
ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ
ＯＮ ＢＲＯＡＤＣＡＳＴＩＮＧ，Ｖ
ＯＬ．36，ＮＯ．４，ＤＥＣＥＭＢＥＲ
1990 ＷＯＯ ＰＡＩＫ”ＤＩＧＩＣ
ＩＰＨＥＲ（ＴＭ）−ＡＬＬ ＤＩＧＩ
ＴＡＬ，ＣＨＡＮＮＥＬ ＣＯＭＰＡＴ
ＩＢＬＥ，ＨＤＴＶ ＢＲＯＡＤＣＡＳ
Ｔ ＳＹＳＴＥＭ"
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H04N 7/13 - 7/24
H03M 7/30 - 13/00
H04L 27/34
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】ディジタルテレビジョン信号を伝送する方
法において，前記方法が， 前記信号の画像部分をＰＣＭ画像データのブロックに分
割する段階と、 動き予測および補償を用いて前記ＰＣＭ画像データのブ
ロックを処理し、ＤＰＣＭデータを生成する段階と、 所定の判定基準に基づき、ブロックごとにＰＣＭ画像デ
ータおよびＤＰＣＭデータの１つを送信用に選択する段
階と、 選択されたデータを離散余弦変換を用いて圧縮し、変換
係数のブロックを生成する段階と、 前記変換係数を量子化し、その符号化効率を向上する段
階と、量子化の後に前記変換係数を可変長符号化する段
階と、 前記可変長符号化された係数を、リード−ソロモン外側
符号とトレリス内側符号の連結符号化構造によって符号
化し、送信用の符号化信号を生成する段階と、 ４つのサブセットを有するＮ点直交振幅変調（ＱＡＭ）
コンステレーションパターンから直交振幅変調（ＱＡ
Ｍ）シンボルとして 前記符号化信号を送信する段階と、 とから成り， それぞれのサブセットは，異なる２ビットの符号語で識
別されかつ前記Ｎ点ＱＡＭコンステレーションパターン
のシンボル点をＮ／４個ずつ含み 、前記トレリス内側符号は、前記リード−ソロモン外側符
号からのシンボルを、前記シンボルの第１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処理する
ことによって符号化し、前記コンステレーションパター
ンで前記シンボルが存在するサブセットに割り当てられ
る２ビットの符号語を提供し 、前記２ビット符号語は、変調関数を生成するために、前
記シンボルの残りのビットと共に写像され、 前記シンボルの残りのビットは、前記符号語によって定
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つに、前記シンボルを関連させる、 ことを特徴とする方法。 【請求項２】前記連結符号化構造が、 前記リード−ソロモン外側符号によって生成されたシン
ボルを、第１インターリーブフォーマットに従ってイン
ターリーブし、その後にトレリス内側符号によって生成
される可能性のあるバースト誤りを分散する段階と、 前記トレリス内側符号によって生成された符号化信号
を、第２インターリーブフォーマットに従ってインター
リーブし、その後に前記符号化信号の伝送路に沿って生
成される可能性のあるバースト誤りを分散する段階と、 から成ることを特徴とする、請求項１記載の方法。 【請求項３】前記２ビットの符号語が前記変調関数の最
下位ビットを構成することと、 前記残りのビットが前記変調関数の最上位ビットを構成
することと、 を特徴とする、請求項１記載の方法。 【請求項４】前記方法がさらに、 前記搬送波を受信機で受信する段階と、 受信された搬送波を前記受信機で復調して、前記変調関
数を復元する段階と、 復元された変調関数を、第２インターリーブフォーマッ
トの逆を使用してデインターリーブする段階と、 デインターリーブされた変調関数を枝刈りして、前記サ
ブセットに対応する１組のメトリックを生成すると共
に、前記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段階
と、 符号化率１／２の２進畳込み符号を復号するトレリス符
号アルゴリズムに前記メトリックを使用して、前記第１
ビットを復元する段階と、 復元された第１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，前記符号語を再生
する段階と、 前記再生された符号語に応答して、前記条件付き決定バ
イトの１つを選択する段階と、 前記選択されたバイトを復元された第１ビットと結合し
て、復号された出力を生成する段階と、 復号された出力を第１インターリーブフォーマットの逆
を使用してデインターリーブする段階と、 から成ることを特徴とする，請求項１記載の方法。 【請求項５】前記装置がさらに、デインターリーブされ
た復号出力を、リード−ソロモンシンボル誤り訂正復号
アルゴリズムを用いて復号する段階、 から成ることを特徴とする、請求項４記載の方法。 【請求項６】前記方法において、前記リード−ソロモン
復号アルゴリズムが、デインターリーブされた復号出力
から可変長符号化係数を復元し、 前記方法がさらに、 前記復元された可変長符号化係数を復号して、前記画像
部を表わす変換係数を復元する段階と、 復元された変換係数を逆変換して、ＰＣＭおよびＤＰＣ
Ｍフォーマットの少なくとも１つにより画像データを復
元する段階と、 復元されたＤＰＣＭデータを動き補償によって処理し、
復元ＤＰＣＭデータで表わされるＰＣＭ画像データを復
元する段階と、 復元されたＰＣＭ画像データをディジタルテレビジョン
受信機への出力用にフォーマット化する段階と、 から成ることを特徴とする、請求項５記載の方法。 【請求項７】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調（ＱＡ
Ｍ）を用いて伝送されたディジタルテレビジョン信号を
復号する方法において、前記方法が、 前記信号を含む搬送波を受信する段階と、 受信した搬送波を復調して、前記圧縮画像情報を含むイ
ンターリーブされた変調関数を復元する段階と、 復元された変調関数をデインターリーブする段階と、 デインターリーブされた変調関数を、連結復号器の内側
トレリス復号アルゴリズムで復号し、圧縮画像情報を表
わすインターリーブされたリード−ソロモンシンボルを
復元する段階と、 復元されたリード−ソロモンシンボルをデインターリー
ブし、前記連結復号器の外側リード−ソロモン復号アル
ゴリズムに入力して、デインターリーブされたリード−
ソロモンシンボルから可変長符号化係数を復元する段階
と、 前記復元された可変長符号化係数を復号して、前記圧縮
画像情報を表わす変換係数を復元する段階と、 変換係数を逆変換して、ＰＣＭおよびＤＰＣＭフォーマ
ットの少なくとも１つにより画像データを復元する段階
と、 復元されたＤＰＣＭデータを動き補償によって処理し、
復元ＤＰＣＭデータで表わされるＰＣＭ画像データを復
元する段階と、 復元されたＰＣＭ画像データを、ディジタルテレビジョ
ン受信機への出力用にフォーマット化する段階と、から成り、 前記変調関数は、２ビットの符号語で多数のＱＡＭコン
ステレーションサブセットの１つを識別し、かつ残りの
ｎ−２ビット部で前記１つのサブセット内の信号点を表
わすＮ点ＱＡＭ変調関数から成り、 前記方法はさらに、 復元された変調関数を枝刈りして、前記サブセットに対
応する１組のメトリックを生成すると共に、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を
表わす多数のｎ−２ビットのサブグループを生成する段
階と、 前記メトリックを前記トレリス復号アルゴリズムで使用
して、符号化率１／２の２進畳込み符号を復号し、第１
ビットを復元する段階と 、復元された第１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復号し、前記符号語を再生する段階
と、 前記再生された符号語に応答して、前記多数のｎ−２ビ
ットのサブグループの１つを選択する段階と 、選択されたサブグループを復元された第１ビットと結合
して、リード−ソロモンシンボルを生成する段階と、 を含むことを特徴とする方法。 【請求項８】前記２ビット符号語が前記変調関数の最下
位ビットを構成することと、前記残りのビットが前記変
調関数の最上位ビットを構成することとを特徴とする、
請求項７記載の方法。 【請求項９】ディジタルテレビジョン信号を伝送する装
置において、前記装置が、 対応するＤＰＣＭデータを生成するために、動き予測お
よび補償を用いてＰＣＭ画像データのブロックを処理す
る手段と、 前記ＰＣＭブロックを、前記処理手段によって生成され
た対応するＤＰＣＭデータと比較し、所定の判定基準に
基づき、ブロックごとにＰＣＭ画像データおよびＤＰＣ
Ｍデータの１つを送信用に選択する手段と、 選択されたデータを離散余弦変換によって圧縮して変換
係数のブロックを提供する手段と、 前記変換係数のブロックを量子化してその符号化効率を
向上する手段と、 前記量子化手段の出力に連結して、前記変換係数を可変
長符号化する手段と、 リード−ソロモン外側符号器とトレリス内側符号器を含
み、前記可変長符号化された変換係数を符号化して送信
用の符号化信号を提供する手段と、４つのサブセットを有するＮ点直交振幅変調（ＱＡＭ）
コンステレーションパターンからの直交振幅変調（ＱＡ
Ｍ）シンボルとして 前記符号化信号を送信する段階と、 から成り， それぞれのサブセットは，異なる２ビットの符号語で識
別されかつ前記Ｎ点ＱＡＭコンステレーションパターン
のシンボル点をＮ／４個ずつ含み、 前記トレリス内側符号器は、前記リード−ソロモン外側
符号器からのシンボルを、前記シンボルの第１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処理
することによって符号化し、前記コンステレーションパ
ターンで前記シンボルが存在するサブセットに割り当て
られる２ビットの符号語を提供し， 前記２ビット符号語は、変調関数を生成するために、前
記シンボルの残りのビットと共に写像され、前記残りの
ビットは、前記２ビット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つに前記シ
ンボルと関連し， 前記送信手段は前記変調関数を使用して搬送波を変調す
ること、 を特徴とする装置。 【請求項１０】前記装置において、前記連結符号器が、 前記リード−ソロモン外側符号器によって生成されたシ
ンボルを第１インターリーブフォーマットでインターリ
ーブして、その後にトレリス内側符号器によって生成さ
れる可能性のあるバースト誤りを分散する第１インター
リーバと、 前記トレリス内側符号器によって生成された符号化信号
を第２インターリーブフォーマットでインターリーブし
て、その後に前記符号化信号の伝送路に沿って生成され
る可能性のあるバースト誤りを分散する第２インターリ
ーバと、 から成ること、を特徴とする請求項９記載の装置。 【請求項１１】前記２ビットの符号語が前記変調関数の
最下位ビットを構成することと、 前記残りのビットが前記変調関数の最上位ビットを構成
することと、 を特徴とする、請求項９記載の装置。 【請求項１２】前記装置がさらに、 前記搬送波を受信機で変調して前記変調関数を復元する
手段と、 復元された変調関数を、第２インターリーブフォーマッ
トの逆を使用してデインターリーブする手段と、 デインターリーブされた変調関数を枝刈りして、前記サ
ブセットに対応する１組のメトリックを生成すると共
に、前記残りのビットによって識別される信号点の様々
な条件付き決定を生成する手段と、 前記メトリックを受信するように連結され、符号化率１
／２の２進畳込み符号を復号して前記第１ビットを復元
するトレリス復号手段と、 復元された第１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、前記符号語を再生する
手段と、 前記再生された符号語に応答して、前記条件付き決定バ
イトの１つを選択する手段と、 前記選択されたバイトを復元された第１ビットと結合し
て、復号された出力を生成する手段と、 復号された出力を第１インターリーブフォーマットの逆
を使用してデインターリーブする手段と、と含む ことを特徴とする、請求項９記載の装置。 【請求項１３】前記装置がさらに、デインターリーブさ
れた復号出力を、リード−ソロモンシンボル誤り訂正復
号アルゴリズムを用いて復号する手段から成ることを特
徴とする、請求項１２記載の装置。 【請求項１４】前記装置において、前記リード−ソロモ
ン復号アルゴリズムが、デインターリーブされた復号出
力から可変長符号化係数を復元し、 前記装置がさらに、 前記復元された可変長符号化係数を復号して、変換係数
を復元する手段と、 復元された変換係数を逆変換して、ＰＣＭおよびＤＰＣ
Ｍフォーマットの少なくとも１つにより画像データを復
元する手段と、 復元されたＤＰＣＭデータを動き補償によって処理し、
復元ＤＰＣＭデータで表わされるＰＣＭ画像データを復
元する手段と、 前記復元ＤＰＣＭデータ処理手段および前記逆変換手段
から復元されたＰＣＭ画像データを、ディジタルテレビ
ジョン受信機への出力用にフォーマット化する手段を、から成ることを 特徴とする、請求項１３記載の方法。 【請求項１５】圧縮画像情報を含み、直交振幅変調（Ｑ
ＡＭ）を用いて伝送されたディジタルテレビジョン信号
を復号する装置において、前記装置が、前記ディジタルテレビジョン信号を含む搬送波を受信す
る手段と、 前記信号を含む搬送波を復調して、前記圧縮画像情報を
含むインターリーブされた変調関数を復元するＱＡＭ復
調器手段と、 復元された変調関数をデインターリーブする第１デイン
ターリーバと、 デインターリーブされた変調関数を、内側トレリス復号
器を使用して復号し、圧縮画像情報を表わすインターリ
ーブされたリード−ソロモンシンボルを復元する連結復
号器と、 デインターリーブされたリード−ソロモンシンボルから
可変長符号化係数を復元する、前記連結復号器の外側リ
ード−ソロモン復号器に入力するために、復元されたリ
ード−ソロモンシンボルをデインターリーブする第２デ
インターリーバと、 前記復元された可変長符号化係数を復号し、前記圧縮画
像情報を表わす変換係数を復元する手段と、 変換係数を逆変換して、ＰＣＭおよびＤＰＣＭフォーマ
ットの少なくとも１つにより画像データを復元する手段
と、復元されたＤＰＣＭデータを動き補償によって処理
し、復元ＤＰＣＭデータで表わされるＰＣＭ画像データ
を復元する手段と、 前記逆変換手段および前記処理手段から復元されたＰＣ
Ｍ画像データを、ディジタルテレビジョン受信機への出
力用にフォーマット化する手段と、 から成り、 前記変調関数は、２ビットの符号語で多数のＱＡＭコン
ステレーションサブセットの１つを識別し、かつ残りの
ｎ−２ビット部で前記１つのサブセット内の信号点を表
わすＮ点ＱＡＭ変調関数から成り、 前記装置がさらに 、復元された変調関数を枝刈りして、前記サブセットに対
応する１組のメトリックを生成すると共に、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を
表わす多数のｎ−２ビットのサブグループを生成する手
段と、 復元された第１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、前記符号語を再生する
手段と、 前記再生された符号器に応答して、前記多数のｎ−２ビ
ットのサブグループの１つを選択する手段と、 選択されたサブグループを復元された第１ビットと結合
して、リード−ソロモンシンボルを生成する手段と， を含み， 前記連結復号器は，前記内側トレリス復号器での使用の
ためにメトリックを受信するように連結され、符号化率
１／２の２進畳込み符号を復号して前記第１ビットを復
元する， ことを 特徴とする装置。 【請求項１７】前記装置がさらに、 前記ＱＡＭ復調器と前記連結復号器との間に連結された
適応等化回路から成ることを特徴とする、請求項１６記
載の装置。
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| US736738 | 1991-07-26 | ||
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| US908407 | 1992-07-10 |
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| JP21976392A Expired - Lifetime JP3230766B2 (ja) | 1991-07-26 | 1992-07-27 | 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 |
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