JP3998637B2 - 雑音排除情報伝送方法 - Google Patents

Description

〔技術分野〕
本発明は、雑音排除情報伝送方法に関するものであり、通信、測定、その他のシステムに使用することができる。

〔背景技術〕
現在、さまざまな誤り検出符号および／あるいは誤り訂正符号を使った、送信された情報の雑音排除性を上げるためのたくさんの方法が知られている。

本発明に最も近い類似技術は、以下のステップを含む雑音排除情報伝送方法である。すなわち、送信側において：第１のサンプリング関数を用いてｋビットの情報ディジタルサンプルの列（ｋは整数、ｋ＞１）をアナログ信号に変換するステップと、該得られたアナログ信号に冗長な情報信号を補うステップと、該補ったアナログ信号を通信回線を介して送信するステップと；受信側において：該送信されたアナログ信号を上記通信回線から受信するステップと、該受信したアナログ信号から上記情報ディジタルサンプルの列を復元するステップと、該復元した情報ディジタルサンプルを上記冗長な情報を用いて訂正するステップとを含む(В.Л. Банкет, В.М. Дорофеев. Цифровые методы в спутниковой связи. [V.L. Banket, V.M. Dorofeyev. Digital methods in satellite communications.] - Москва: Радио и связь [Moscow, Radio and Communications], 1988, pp. 131-142 - in Russian)。

この方法の問題点は、冗長な情報が送信された情報の半分を形成しているために、通信路容量が小さいことである。

〔発明の要約〕
そこで、本発明の目的は、送信された情報の雑音排除性（noise immunity）を減らすことなしに伝送通信路容量を上げることを可能にする雑音排除情報伝送方法を提供することにある。

この課題を解決するために、本発明に係る雑音排除情報伝送方法は、送信側において：第１のサンプリング関数を用いてｋビットの情報ディジタルサンプルの列（ｋは整数、ｋ＞１）をアナログ信号に変換するステップと、該得られたアナログ信号に冗長な情報信号を補うステップと、該補ったアナログ信号を通信回線を介して送信するステップと、受信側において：該送信されたアナログ信号を上記通信回線から受信するステップと、該受信したアナログ信号から上記情報ディジタルサンプルの列を復元するステップと、該復元した情報ディジタルサンプルを上記冗長な情報を用いて訂正するステップとを含み、特に、送信側において：ｍ個の情報ディジタルサンプル（ｍは整数、ｍ＞１）を含む、ｎ個の時間間隔（ｎは整数、ｎ＞１）のそれぞれについて、情報サンプル間で少なくとも１つの基準点を選択するステップと、選択した各基準点において、所定の時間間隔の上記ｍ個の情報ディジタルサンプルが第２のサンプリング関数を使って変換されたアナログ信号の値を、ｋビットのサンプルの最小ビットである（ｋ−ｉ）ビット（ｉは受信側で使用された復調器の操作閾値に依存する整数、ｋ＞ｉ＞１）のサンプルの形式で決定するステップと、上記アナログ信号を補うために、付加的な時間間隔で、ｎ個の基準点におけるサンプルを上記冗長な情報信号に変換するステップと、受信側の入力で、所定の信号対雑音比に依存した、各ｋビットの情報サンプルの最大ｉビットを送信するための電力レベル間の差を選択するステップであって、基準点の上記（ｋ−ｉ）ビットのサンプルを送信するための電力レベルで、干渉から上記最大ビットをより強く保護するために、上記最大ｉビットを送信するために意図された電力レベルのために選択された差よりも小さい電力レベル間の差を選択するステップと、受信側において：該受信した信号から復元したｋビットのディジタルサンプルに基づき、上記復元したサンプルから最大ｉビットの減算によって最小（ｋ−ｉ）ビットを得るステップと、該得た最小（ｋ−ｉ）ビットに基づき、第２のサンプリング関数を用いてエンベロープを構成し、各基準点でこのエンベロープの値を得るステップと、特定の基準点において得た上記エンベロープの上記値と、対応する上記受信した信号から復元した値とを比較するステップと、該比較した値が所定の精度で一致する場合、各時間間隔でディジタルサンプルを正確に受信したと決定するステップと、該比較した値が上記のように一致しない場合、訂正され一致を保証する（ｋ−ｉ）ビットのディジタルサンプルの集合を選ぶステップとをさらに含む。

本発明に係る方法の付加的な特徴は、上記の方法において、例えば、各時間間隔において、ある時間間隔のｍ番目の情報ディジタルサンプルと、次の時間間隔の１番目の情報ディジタルサンプルとの間に、１つの基準点を選択するステップ、あるいは、各時間間隔において、ある時間間隔のディジタルサンプル間に、２つの基準点を選択するステップをさらに含むことである。

またこの場合、各基準点が各ディジタルサンプル間の時間区間の中央に選択されてもよい。

また、ｎ，ｍ，ｋの個数値が、１＜ｎ＜１２８，８＜ｍ＜８１９２，２＜ｋ＜１４、の範囲でそれぞれ選ばれる。

〔発明を実施するための最良の形態〕
本発明の実施の形態について図１から図４を参照しながら説明すれば、以下のとおりである。

本発明に基づいた雑音排除情報伝送方法は、例えば、図１，図２にそれぞれブロック図が示される送信側および受信側よりなる通信システムにおいて実行される。

図１に示すように、通信システムの送信側は、エンベロープ（envelope）形成器１と、冗長情報形成器２と、加算器３と、キャリア周波数を伝送する一方側波帯（one-sideband）のユニット４とを含む。形成器１・２の情報入力はそれぞれ第１・第２の情報入力１５・１６であり、形成器１・２の同期入力はフレーム同期入力１７と結合されている。形成器１・２の出力は、出力がキャリア周波数を伝送する一方側波帯のユニット４と接続されている加算器３の入力と結ばれている。また、上記ユニット４の出力は、例えばラジオ無線のような伝送通信路５の入力と接続されている。

図１のダイアグラムにおいて、第１のエンベロープ形成器１は情報列のディジタルサンプル列を多段階の信号に変換することを完成する。冗長情報形成器２は、同じ情報列の基準点のディジタルサンプルを、レベルの数がエンベロープ形成器１の出力の信号におけるレベルの数未満である多段階の信号に変換する。キャリア周波数を伝送する一方側波帯のユニット４は、公知のユニットであり、加算器３からの総和信号のキャリア周波数の一方側波帯変調を保証する。

図２に示すように、この通信システムの受信側は、キャリア周波数から転送する一方側波帯のユニット６と、クロック周波数抽出器７と、フレーム同期抽出器８と、メイン−冗長情報分割器９と、第１および第２のアナログディジタル（Ａ／Ｄ）変換器１０・１１と、最小桁ビット抽出器１２と、最小桁ビット復号器１３と、出力メッセージ形成器１４を含む。ユニット６の入力は伝送通信路５の出力に接続されている。ユニット６の出力は、クロック周波数抽出器７とフレーム同期抽出器８との入力につながれ、またメイン−冗長情報分割器９の情報入力ともつながっている。分割器９の第１・第２の出力はそれぞれ、クロック入力がクロック周波数抽出器７とつながっている第１および第２のＡ／Ｄ変換器１０・１１の情報入力とつながっている。フレーム同期抽出器８の出力は、第２出力がまた最小桁ビット復号器１３の第１入力に接続されている分割器９の同期入力と接続されている。Ａ／Ｄ変換器１０・１１の出力は最小桁ビット抽出器１２の入力と接続されている。上記抽出器１２の出力は復号器１３の第２入力につながっており、復号器１３の出力と第２のＡ／Ｄ変換器１１の出力は、出力メッセージ形成器１４の第１・第２入力と接続されており、上記形成器１４の出力は受信側の出力となっている。なお、受信側のユニットによって行われる機能については後述する。

本発明に基づいた雑音排除情報伝送方法は、図１・図２に示した通信システムで以下のように実現される。

情報メッセージはｋビットのディジタルサンプルの形式で情報入力１５に入る。個数ｋは、使用された通信回線間のそれぞれのプロトコルに基づいて選ばれる（例えば、電話技術ではプロトコルＶ３２，Ｖ３４，Ｖ９２；ラジオ通信では国際基準３０８，３０９，３１０）。エンベロープ形成器１で、多段階信号の値はこれらのサンプルと関連づけられている。図３は、ｋ＝３の場合の多段階信号におけるレベル分布を示す。この場合において、レベル（振幅もしくはエネルギー）は不規則に分布している。すなわち、図３において、多段階信号の複数ペアのレベルは、１つのペアのレベルよりもより大きな間隔があく。これによると、多段階信号のレベル間は、いつも『禁止された（prohibited）』符号語に対応するレベルである。一般にこれらの異なる関係は、通信システムにおいて所定の信号対雑音比に依存する。

図４に、形成器１の出力で与えられる波形を示す。なお、ここでは、フレーム同期やクロック同期の問題は考慮しない。なぜならこれら２つの同期は、公知の方法によって保障することができ、また、本発明の特許請求の範囲に含まれないからである。

図４に示すように、ディジタルサンプルのフレームつまりプロセスの時間間隔はｍ個のディジタルサンプルを含む（例えばｍ＝１２８）。各時間間隔において、基準点が選ばれ、ディジタルサンプル間に配置される。１つの時間間隔におけるこれらの点の最小値は１である。この場合、基準点は与えられた時間間隔の最後の（ｍ番目の）ディジタルサンプルと次の時間間隔の１番目のディジタルサンプルとの間に選ばれる。基準点の数が多いとき、それらは１つの時間間隔の内側に配置される。（必須ではないが）できれば、基準点はディジタルサンプル間の中央に配置することが好ましい。

基準点において、各ディジタルサンプルは決定され、基準点に対してこれらのディジタルサンプルは、情報ディジタルサンプルよりも（ｋ−ｉ）ビット分の数だけ少ない。例えば、ｉ＝１、ｋ＝３のとき基準点のサンプルは２ビットしか持たない。基準点において、これらのサンプルは、いくつかの所定のサンプリング関数を使ってディジタルサンプルからアナログ信号を構成することを用いて得られる。このサンプリング関数としては、例えば、

のタイプのよく知られた関数や、また例えば、

のタイプの関数が利用できる。それぞれのディジタルサンプルによって乗算されたサンプリング関数の合計信号は、基準点のサンプルを定義する。

これらの（ｋ−ｉ）ビットのサンプルが、形成器１と同じように、基準点のディジタルサンプルを多段階ではあるが、形成器１での信号よりも少ないレベルの数を持つ多段階の信号の値に変換する冗長情報形成器２の情報入力に入る。上記の例において、形成器２の信号におけるこれらのレベルの数は４である。

各形成器１・２は、変換された信号を一時的に保存するバッファを含む。これは、例えば、示されたいくつかのフレームから基準点のサンプルを集める１つのフレームによって、送信されたメッセージのさまざまなフレーム（プロセスの時間間隔）を与えるためである。前述の場合において、１２８サンプルの１フレームで、１６サンプルによって符号化された、８つの基準点の値を送信することが可能である。もし、情報メッセージが３２個の時間間隔を持ち、基準点が境界（borders）において選ばれる場合、３２個の基準点を送信するために４個の時間間隔だけが必要である。加算器３は４の時間間隔の間に形成器２から多段階の信号の総和を行い、そしてその後、３２の時間間隔の間に形成器１から多段階の信号の総和を行う。共通のエンベロープの形式で結果の信号は、合計信号の一方側波帯の変調を行い、信号をキャリア周波数へ伝送するユニット４に供給される。送信ためには、もう１つ別のサンプリング関数を使うほうが好ましいけれども、前述したように、同じサンプリング関数を使うことが可能である。ユニット４の出力からの信号は、伝送通信路５へ入る。なお、ここでは、キャリア周波数へ信号を伝送する問題は、伝送通信路を介して信号を伝送するの問題とともに、これらの操作は公知技術によって行うことができ、また、本発明の特許請求の範囲に含まないので、考慮しない。

伝送通信路５を通過後、合計エンベロープは実伝送通信路５における干渉のためにいくつかの歪みが生じる。これは、合計エンベロープのいくつかの値の歪みをもたらす。しかしながら、形成器１で形成された信号には、レベルのグループ間に間隔があけられているため、情報信号の最大ビットつまりｋビットのサンプルの最大ビットは正確に復号される。これは受信側において、実質的にはいつも、送信された値を１つもしくは他のペアのレベル（図３参照）に当てはめることが可能であることを意味する。この場合、値ｋとｉが上記の例における値と異なるとき（それぞれ３と１）、多段階の信号形式は図３に示したものとは異なる。しかし他の場合、ｉ個の最大ビットが他のビットよりも大きな雑音排除として送信される。それゆえそれらは実質的に誤りなしに決定できる。

受信側において（図２参照）、ユニット６は受信された信号をキャリア周波数から伝送する。抽出器７・８は、受信された信号から、受信側の後のユニットで使用されるクロック周波数およびフレーム同期周波数をそれぞれ抽出する。特に、抽出器８からのフレーム同期信号は、送信側でグループ化されたフレームのグループ（時間間隔のグループ）を分離するために分割器９に供給される。なお、キャリア周波数から信号を伝送し、クロック周波数およびフレーム同期周波数を抽出する処理は、適当な公知技術によって行われるので、本発明の特許請求の範囲にはない。

分割器９は、フレーム同期およびクロック同期の信号により、第１・第２の出力として、情報メッセージが符号化された信号および基準点における値が符号化された信号をそれぞれ出力する。これらの分割された信号は、Ａ／Ｄ変換器１０・１１にそれぞれ供給される。そして、Ａ／Ｄ変換器１０・１１は、最小桁ビット抽出器１２の入力へディジタルサンプルを出力する。この抽出器１２において、最大ビットは受信された信号から減算される。抽出器１２の出力から、情報信号の最小ビットは最小ビット復号器１３の入力に供給される。この復号器１３のもう１つの入力には、受信された信号から抽出された基準点の値が供給される。復号器１３では、抽出器１２で得た最小ビットにより、受信された情報サンプルのエンベロープが、送信側において基準点におけるエンベロープの値を定義するために使われたものと同じサンプリング関数を使って構成される。伝送通信路５における最小ビットで雑音の影響（干渉）のために、このエンベロープはおそらく送信側におけるエンベロープと異なる。基準点におけるこの構成されたエンベロープの値は、同じ基準点における値と比較され、分割器９において受信信号から得られる。これらの値が所定の精度と一致した場合、復号器１３は各信号を出力形成器１４に出力する。この場合、出力形成器１４は、Ａ／Ｄ変換器１１からのサンプルをそのまま変化させずに通過させる。

復号器１３が上記値が一致しないことを検出したとき、つまり基準点において、サンプリング関数を使って計算された値と受信信号より得た値との間の差が規定の閾値を上回る場合、各信号は形成器１４に入力される。そして、形成器１４は、この信号に従って、伝送通信路において歪んだサンプルの正確な値を計算し、これらの値を出力する。

ソフトウェアでユニット１２‐１４を実行することは都合が良い。

本発明に基づいた方法を使った通信システムのシミュレーション結果を表に示す。この結果は、帯域幅３．１ＫＨｚを持つ電話通信路において、誤りイベント確率が１０^−８より悪くない場合に得られたものである。この表で示すように、この方法に基づいた情報送信雑音排除は、信号対雑音比が４０ｄＢで３９Ｋｂｉｔ／ｓの閾値であるシャノンの閾値と近似する。その際、通信路容量が冗長なしの伝送から２倍減少されるビタビ符号化と比較して、伝送通信路容量は増大する。

なお、本発明を具体的な実施例を参照して説明したが、これは特許請求の範囲を制限するものではなく、本発明の範囲は特許請求の範囲の記載に従って、均等物を考慮して決められるべきものである。

〔産業上の利用可能性〕
本発明は、通信、測定、その他歪みなしに情報を送信したり変換したりする必要のあるアプリケーションに適用可能である。

図１は、本発明に基づいた方法を実行する通信システムの送信側の構成を示すブロック図である。 図２は、本発明に基づいた方法を実行する送信システムの受信側の構成を示すブロック図である。 図３は、情報サンプルのビットの電力レベル間の近似関係を示す図である。 図４は、隣接の時間間隔のサンプル間の基準点の配列を示す図である。

Claims (5)

1. 送信側において、
   第１のサンプリング関数を用いてｋビットの情報ディジタルサンプルの列（ｋは整数、ｋ＞１）をアナログ信号に変換するステップと、
   該得られたアナログ信号に冗長な情報信号を補うステップと、
   該補ったアナログ信号を通信回線を介して送信するステップと、
   受信側において、
   該送信されたアナログ信号を上記通信回線から受信するステップと、
   該受信したアナログ信号から上記情報ディジタルサンプルの列を復元するステップと、
   該復元した情報ディジタルサンプルを上記冗長な情報を用いて訂正するステップと、を含む雑音排除情報伝送方法であって、
   送信側において、
   ｍ個の情報ディジタルサンプル（ｍは整数、ｍ＞１）を含む、ｎ個の時間間隔（ｎは整数、ｎ＞１）のそれぞれについて、情報サンプル間で少なくとも１つの基準点を選択するステップと、
   選択した各基準点において、所定の時間間隔の上記ｍ個の情報ディジタルサンプルが第２のサンプリング関数を使って変換されたアナログ信号の値を、ｋビットのサンプルの下位（ｋ−ｉ）ビット（ｉは受信側で使用された復調器の操作閾値に依存する整数、ｋ＞ｉ＞１）のサンプルの形式で決定するステップと、
   上記アナログ信号を補うために、付加的な時間間隔で、ｎ個の基準点におけるサンプルを上記冗長な情報信号に変換するステップと、
   受信側の入力で、各ｋビットからなる情報サンプルの上位ｉビットを送信するための電力レベル間の差であって、上位ｉビットが互いに異なる情報サンプルに対応する２つの隣接する電力レベル間の差を、所定の信号対雑音比に応じて選択するステップであって、上位ビットが干渉からより強く保護されるよう、上位ｉビットを送信するための上記電力レベル間の差が、上記基準点において決定された下位（ｋ−ｉ）ビットのサンプルを送信するための電力レベル間の差であって、上位ｉビットが一致し、かつ、下位（ｋ−ｉ）ビットが互いに異なる情報サンプルに対応する隣接する２つの電力レベル間の差よりも大きく選択されるステップと、
   受信側において、
   該受信した信号から復元したｋビットのディジタルサンプルに基づき、上記復元したサンプルから上位ｉビットの減算によって下位（ｋ−ｉ）ビットを得るステップと、
   該得た下位（ｋ−ｉ）ビットに基づき、第２のサンプリング関数を用いてエンベロープを構成し、各基準点でこのエンベロープの値を得るステップと、
   特定の基準点において得た上記エンベロープの上記値と、対応する上記受信した信号から復元した値とを比較するステップと、
   該比較した値が所定の精度で一致する場合、各時間間隔でディジタルサンプルを正確に受信したと決定するステップと、
   該比較した値が上記のように一致しない場合、訂正され一致を保証する（ｋ−ｉ）ビットのディジタルサンプルの集合を選ぶステップと、をさらに含むことを特徴とする雑音排除情報伝送方法。
2. 各時間間隔において、ある時間間隔のｍ番目の情報ディジタルサンプルと、次の時間間隔の１番目の情報ディジタルサンプルとの間に、１つの基準点を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の雑音排除情報伝送方法。
3. 各時間間隔において、ある時間間隔のディジタルサンプル間に、２つの基準点を選択するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の雑音排除情報伝送方法。
4. 各基準点が各ディジタルサンプル間の時間区間の中央に選択されることを特徴とする請求項２または３に記載の雑音排除情報伝送方法。
5. ｎ，ｍ，ｋの個数値が、１＜ｎ＜１２８，８＜ｍ＜８１９２，２＜ｋ＜１４、の範囲でそれぞれ選ばれることを特徴とする請求項１に記載の雑音排除情報伝送方法。

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