JP5506232B2

JP5506232B2 - 多値符号化方法、その復号化方法及び多値信号の伝送装置

Info

Publication number: JP5506232B2
Application number: JP2009098917A
Authority: JP
Inventors: まどか斉藤; 真本田; 英樹清野
Original assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2009-04-15
Filing date: 2009-04-15
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-04-15
Also published as: JP2010252022A

Description

本発明は、多値符号化方法、その復号化方法及び多値信号の伝送装置に係り、特に、直流成分の通過しづらい伝送路を用いて動画像のようなデータを伝送するに好適な、例えば２値４値符号化・復号化方法及び伝送方法、及び送信装置及び受信装置等の伝送装置に関するものである。

強度多値伝送方式を用いて１シンボル当りのデータ伝送容量を増やし、比較的安価な低速デバイスを使用して大容量のデータを伝送することが知られている。この強度多値伝送方式は、１シンボルに複数ビットの情報を与える符号化方式であり、強度(信号レベル)を変えることで多ビットの情報を付与する。例えば、２ビット分の情報を付与するものを４値伝送方式と称し、（００，０１，１０，１１)の４種類の各ビット組に異なる強度を割り当てる。受信側では、信号レベルを識別して、１シンボル当り２ビットのデータに復号する。

また、直流成分の通過しづらい伝送路を用いてデータ伝送する場合、予め信号の直流成分を低減する例えばマンチェスタ符号が知られている。この方式は、「０」「１」のバイナリ状態を信号の立ち上りエッジと立下りエッジの２つの遷移に対応させるものである。即ち、信号の前半が高く後半が低い信号(１→０)を「０」と定義し、その逆(０→１)を「１」と定義する。例えば、０,０,０のビット列を符号化すると、伝送路上を通過する信号は１,０,１,０,１,０となり、同値連続によって生じる直流成分を低減できる。

多値伝送において、連続して同じシンボルを取らずに、送受信装置間の電圧レベルの違いがあっても、受信時に正しくシンボルを検出できる伝送路符号方法及び復号方法として、例えば、特許文献1に記載された技術が知られている。

特開２００４−８０８２７号公報

例えば、強度４値伝送方式を用いたデータ伝送の場合、伝送路上での振幅劣化や変動に起因して、受信側でレベル識別を誤ると、データの復号ができなくなる。通常のデジタル伝送では２種類の信号レベルを識別すれば良いが、強度４値伝送方式の場合、４種類の信号レベルを識別する必要があるため、伝送路上でのレベル変動を最小限に抑えることが重要である。

ところで、本発明者らは製品開発に当たり、直流成分の通過しづらい伝送路に強度４値伝送方式を適用することを試みた。その結果、４種類の信号レベル(０,１,２,３)の遷移によって、次の様な現象が起こることを見出した。即ち、同じ信号レベルが連続する符号を送信した場合、後段のレベルが次第に下がることがわかった。実験によると、例えば、信号レベルが「３→３→３」の信号を伝送すると、受信側ではその信号レベルが「３→２→１」となり、後段に行くほど下がることがわかった。更にまた、同一信号レベルとなる符号を送信しているにも拘らず、前段の影響を受けて、そのレベルが変動することがわかった。例えば、レベル「３」の信号を送信した場合、前段のレベルが「０」の場合より、前段のレベルが「２」の場合の方がそのレベルが小さくなることがわかった。

これら２つの現象はいずれも、前段もしくは後段からのレベル差が小さくなる場合に、その信号の直流成分が大きくなり(即ち直流信号のように見え)、伝送路上での劣化が起こることに起因する。予め信号の直流成分を低減して伝送路上での直流成分劣化の影響を受けづらくする符号化としてマンチェスタ符号があるが、信号レベルが４種類となることで従来の定義(「０」の前段に「１」、「１」の前段に「０」)を適用できなくなる。

本発明の目的は、同じ信号レベルが連続する符号列が生じることを防止して、信号の直流成分を低減することが可能な、強度多値伝送を実現することにある。

本発明に係る多値符号化方法は、２値信号のビット列からなるデータを、多値化したｍ信号レベル（ｍは２^ｎ、ｎは２以上の整数、ｋはｍ〜０間の各整数）に割り当てて多値信号を生成する多値符号化方法であって、多値化後の信号レベルが（ｍ−ｋ）の場合、信号レベルがｋとなるビット符号を、該ｍ値信号となるビット信号の前段に付加し、その付加されたビット列信号をｍ値信号に変換して多値信号を生成することを特徴とする多値符号化方法として構成される。

好ましい例によれば、２値のビット列からなるデータを、４値化した信号レベルに割り当てて４値信号を生成する４値符号化方法であって、
多値化後の信号レベルが０の場合、その前段に信号レベルが３となるビット符号を付加し、
多値化後の信号レベルが１の場合、その前段に信号レベルが２となるビット符号を付加し、
多値化後の信号レベルが２の場合、その前段に信号レベルが１となるビット符号を付加し、
多値化後の信号レベルが３の場合、その前段に信号レベルが０となるビット符号を付加し、
その付加されたビット列信号を４値信号に変換して４値信号を生成することを特徴とする４値符号化方法として実現される。

本発明に係る多値伝送方法は、好ましくは、２値のビット列からなるデータを、多値化した信号レベルに割り当てて多値信号を生成して伝送する多値伝送方法において、
２値信号のビット列（第１のビット列）が「１」か「０」を判定するステップと、該判定の結果、ビット「１」の場合にはその前段にビット「０」を挿入し、又は該判定の結果、ビット「０」の場合にはその前段にビット「１」を挿入して、第２のビット列を作成するステップと、該第２のビット列を多値の信号レベルに割り当てて多値信号を生成するステップと、を有し、該多値化した信号を伝送することを特徴とする多値伝送方法として構成される。

本発明に係る多値信号の復号化方法は、好ましくは、多値化信号レベルに割り当てられた多値信号を、２値のビット列データに復号化する多値信号の復号化方法において、
多値信号を所定の変換規則に従って２値のビット列データに変換し、変換後の該２値のビット列データの前段のビットを逐一間引きして２値信号を得ることを特徴とする復号化方法として構成される。

本発明に係る多値信号伝送装置は、好ましくは、２値信号のビット列から多値信号を作成して該多値信号を伝送する多値信号伝送装置において、２値信号のビット信号を入力して、反転した信号を出力する複数のインバータと、該インバータの出力信号と、該インバータを通さない信号を並列入力して、シリアル信号な信号を出力する複数のマルチプレクサと、該複数のマルチプレクサからの出力される、２値のビット列信号を多値レベルの信号に変換する多値変換手段とを有することを特徴とする多値信号伝送装置として構成される。

本発明に係る多値信号の復号化装置は、好ましくは、多値化信号レベルに割り当てられた多値信号を、２値のビット列データに復号化する多値信号の復号化装置において、多値信号を所定の変換規則に従って２値のビット列データに変換する多値２値変換手段と、該多値２値変換手段から出力される２値のビット列データの前段のビットを順次間引きする間引き手段を有し、該間引き手段の出力信号として２値信号を得ることを特徴とする復号化装置として構成される。

本発明によれば、同じ信号レベルが連続する符号が無くなり、信号の直流成分を低減することができる。また、同一信号レベルの前段レベルが一意的に決まるため、前段の影響によるレベル変動を低減することができる。

一実施例による符号化装置の構成例を示す図。一実施例における符号化装置における信号処理フローチャート。一実施例における復号化装置の構成例を示す図。一実施例における復号化装置における信号処理フローチャート。一実施例による伝送システムの例を示す図。一実施例における伝送信号の遷移を示す図。一実施例による２−８値変換における符号化規則を示す図。一実施例における２−４値変換器１３の一例を示す図。一実施例における４−２値変換器３１の一例を示す図。一実施例における４値信号の閾値を示す図。

図面を参照して本発明の一実施例について説明する。
以下の例は、２値信号−４値信号の符号化・復号化について例示する。
図１は、２値信号を４値信号に符号化する符号化装置の構成例を示す。図１の下段には、それぞれの回路部における信号変換を示すテーブルＴ１，Ｔ２が示してある。
この符号化装置はデータ伝送システムにおいて送信装置に適用される。入力される２値信号のビット列信号に対して、本発明に特徴的な信号変換処理を行い、その変換処理された２値信号を４値のレベル信号に変換する装置である。この符号化装置は、入力される２値信号（ビット０ｎ、１ｎ）の値が、「０」の場合はその前段に「１」を付加し、「１」の場合はその前段に「０」を付加する。そこで、入力される２値信号の極性を反転する、２つのインバータ１１１，１１２（総じて１１という）と、インバータ１１１の出力信号と２値信号（上位ビット１ｎ）を並列入力して、シリアル列の２値信号を出力するマルチプレクサ１２１と、２値信号（下位ビット０ｎ）とインバータ１１２の出力信号を並列入力してシリアル列の２値信号を出力するマルチプレクサ１２２と（これらのマルチプレクサを総じて１２という）、マルチプレクサ１２１，１２２の出力信号である２値信号（ビット１及び０）を４値のレベル信号に変換して、４値信号を出力する２−４値変換器１３を有して構成される。

図８に２−４値変換器１３の一例を示す。
スイッチＳＷ１，ＳＷ０には、電圧源「１」、「０」がそれぞれ印加されており、上位ビット１の入力（“１”入力）によってスイッチＳＷ１がオンとなり、下位ビット０の入力（“１”入力）によってスイッチＳＷ０がオンとなる。電圧源「０」の電圧源「１」の電圧レベルの１／２である。電圧加算器８１には、スイッチＳＷ１及びＳＷ０からの信号か入力され、それらの信号の電圧レベルを加算して、４値のレベル信号を出力する。
例えば、上位ビット１及び下位ビット０にそれぞれ「１」「１」が入力されると、スイッチＳＷ１及びＳＷ０がオンとなり、電圧加算器８１はそれらの電圧を加算して、レベル３の４値信号を出力する。

Ｔ１は、入力信号の２値信号がインバータ１１で反転されること、及びマルチプレクサ１２で入力信号のビットＸの前段（ＭＳＢ）に反転されたビットが付加される様子を示す。前段（ＭＳＢ）のビットは言わばダミービットであり、後段（ＬＳＢ）のビットが本来伝送すべきデータ信号である。
Ｔ１に示す符号変換は、入力２値信号のビット値の状態に応じて、その前段に「０」又は「１」を付加するものであり、その変換規則は、以下の通りである。
多値化後の信号レベルが０の場合、その前段に信号レベルが３となる符号を付加する。
多値化後の信号レベルが１の場合、その前段に信号レベルが２となる符号を付加する。
多値化後の信号レベルが２の場合、その前段に信号レベルが１となる符号を付加する。
多値化後の信号レベルが３の場合、その前段に信号レベルが０となる符号を付加する。
この変換規則によって、４値化後の信号について同じ信号レベルが連続することを防止するものである。
Ｔ２は２値４値の変換規則を示す。２値信号の（００）（０１）（１０）（１１）が４値信号（０）（１）（２）（３）にそれぞれ変換される。

図２は、２値信号を４値信号に符号化する符号化処理フローを示す。
伝送すべき２値信号が送信装置に入力されると（Ｓ２０１，２０２）、その２値信号のビットを反転する（Ｓ２１１，２１２）。その後、当初の２値信号の当初のビットが「０」の場合にはその前段に、反転された「１」を挿入し、「１」の場合にはその前段に、反転された「０」を挿入する（Ｓ２２１〜２３２）。このように当初の入力信号の前段に「０」又は「１」が挿入された２値信号（ここでは、この信号を符号化２値信号という）は、２値４値変換器１３で、４値の信号レベルに変換されて（Ｓ２４）、出力される。

図６は伝送信号の遷移を示す。
（Ａ）は従来技術による多値伝送方式の伝送信号の２値４値変換の様子を示す。（Ｂ）は本発明による伝送信号の符号化及び２値４値変換を示す。
（Ａ）のように、従来の２値４値変換部を持つ送信部に入力される２値信号（Ｓｉ）は、４値の信号レベルに変換されて４値信号（Ｓｏ）として出力される。入力信号のうちＳ３−Ｓ６は、同じ値が４回連続しており、４値の信号レベル（Ｌ３）は本来実線で示すようにレベルＬ３を維持しなくてはならないところ、実際には直流成分の減衰によって点線のように低下する。特に、この直流成分の減衰は、安価な伝送路を使用したデータ伝送ほど顕著であり、その結果、受信側では４値信号を正しく２値信号に復号化できないことになる。

本発明による伝送信号の符号化及び２値４値変換によれば、伝送信号の直流成分の減衰を防止できる。即ち、（Ｂ）に示すように、入力される２値信号（１）は、上記（Ａ）の場合と同じである。この２値信号は、マルチプレクサ１２から出力する時には、（２）に示すように、本来の信号ビットＳ１〜Ｓ７の前段に、本発明の上記変換規則に従ったダミービットＤ１〜Ｄ７がそれぞれ付加された、符号化２値信号となる。因みに、同じビット値Ｓ３〜Ｓ６の前段には、それぞれ「００」が付加されている。

（２）の状態の符号化２値信号は、２値４値変換器１３で４値信号に変換されると、（３）に示すようになる。即ち、従来であれば同じ信号レベルに変換されたはずの、信号ビットＳ３〜Ｓ６には、その前段に「００」が付加されたために、図示のように、本来のデータ部分（レベルＬ３）と、ダミービット部分（Ｌ０）が交互に繰り返されるので、同じ直流成分が連続することを避け、４値信号の減衰が防げる。

図３は、４値信号を２値信号に復号化する復号化装置の構成例を示す。この復号化装置は、データ伝送システムにおける受信装置に適用される。図１の下段には、それぞれの回路部における信号変換を示すテーブルＴ３，Ｔ４が示してある。
４値２値変換器３１は、受信された４値信号を、Ｔ３に示す変換規則に従って２値信号に変換する。復号化された２値信号は間引き回路３２１，３２２（総じて３２という）で、前段（ＭＳＢ）のビットが間引かれ、後段（ＬＳＢ）のビットが出力信号として取り出される。間引き回路３２では、送信側で挿入されたダミービットが取り除かれることになる。間引き回路３２は、例えば、２値信号を２ビットずつ入力する２ビットレジスタと、その後段ビットを選択するセレクタによって構成される。

図９に４−２値変換器３１の一例を示す。
４−２変換器３１は、２つの比較器９１，９３、及び電圧減算器９２を備えて構成される。比較器９１及び電圧減算器９２の一入力には、閾値「１」が印加され、比較器９３の−端子には閾値「０」が印加される。４値信号は、比較器９１の＋端子及び電圧減算器９２の一入力に入力される。また、電圧減算器９２の出力は比較器９３の＋端子に入力される。比較器９１の出力は上位ビット１となり、比較器９３の出力は下位ビット０となる。比較器９１．９３の入出力に関して、＋端子の入力が−端子の入力よりも大きい場合、「１」を出力し、＋端子の入力が−端子の入力よりも小さい場合、「０」を出力する。

例えば、４値信号としてレベル３の信号が入力した場合、レベル３と閾値「１」が比較される。信号レベルと閾値との関係は、図１０に示すように予め設定されている。レベル３の場合、閾値１よりも大であるので、比較器９１の出力（上位ビット１）は「１」となる。また、電圧減算器９２において、レベル３から閾値「１」が減算され、その差分が出力される。図１０によれば、この出力レベルは閾値「０」より高く、レベル２よりも小さい。その後、比較器９３で閾値「０」と比較される。比較の結果、＋端子の入力が−端子の入力よりも大きいので、「１」が下位ビット０の出力として出力される。よって、レベル３の４値信号は、２値信号（１１）に復号化される。

図４の復号化処理フローを参照する。
復号化装置に、例えば図６（Ｂ）に示すような、４値信号が入力されると（Ｓ４０）、その４値信号は、４値２値変換器３１で２値信号に変換される（Ｓ４２）。変換後の２値信号は、図６（Ｂ）（２）に示すように、ダミービットが付加された状態のビット列信号である。
間引きステップ（Ｓ４３１，４３２）において、２値信号のビット列から、前段（ＭＳＢ）のビットが除去されると、本来のデータ部のビット列のみが残った２値信号（図６（Ｂ）（１））が得られる（Ｓ４４１、Ｓ４４２）。

図５は伝送システムの構成例を示す。
この伝送システムは、送信側の伝送装置５１と受信側の伝送装置５６とが、伝送路５０を介して接続される。伝送装置５１は、本発明による規則に従って、入力される２値信号Ｓ１のビット列の前段にビット「０」又は「１」を付加し、その信号を４値信号に変換する符号化部５２（図１に示した）を備える送信回路５３と、符号化部５２からの出力信号のレベルを増幅して４値信号を出力するリニアアンプ５４を有して構成される。

一方、伝送装置５６は、伝送路５０を通して伝送された４値信号の信号レベルを所定の範囲内で調整するＡＧＣ５９と、ＡＧＣ５９の出力信号である４値信号から２値信号に変換すると共に、本発明の規則に従って２値のビット列から前段のビットを間引いた（後段のビットを選択した）ビット列２値信号Ｓ２を出力する復号化部（図３）５７を備える受信回路５８を有して構成される。
本発明者らによれば、この種の伝送システムを、数Ｇｂｐｓ以上の伝送容量が必要とされるハイビジョン動画伝送装置に適用すれば、将来はより安価に装置を実現することができる。

以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されることなく種々変形して実施することができる。
例えば、上記実施例は、２値４値変換における符号化及び復号化処理について言及している。しかし、本発明は２値４値変換に限定されず、例えば、２値８値変換、一般には２^ｎ値変換等にも適用できる。
図７を参照するに、（Ａ）は本発明による２値４値変換規則を示している。即ち、本来のデータビットに対応する４値の信号レベル３，２，１，０に対応して、その４値信号レベル０，１，２，３を表すダミーのビットが、マルチプレクサで付加される。

図７（Ｂ）は、２値８値変換による本発明の符号化処理である。２値４値変換の規則から類推可能と思われるが、４個のインバータと４個のマルチプレクサを用いて、本来のデータビットに対応する８値の信号レベル７，６，５，４，３，２，１，０に対応して、その８値信号レベル０，１，２，３，４，５，６，７を表すダミーのビットがマルチプレクサで付加される。
上記２値４値変換処理、及び２値８値変換処理の説明から、本来のデータ部のレベルと付加されるダミーデータの信号レベルはお互いがそのレベルを相殺するような関係にあり、お互いの平均値は、一定となることが理解されるであろう。
なお、多値信号の復号化処理は、図３及び図４に示す例と同様である。

また他の変形例について言えば、図５に示した例は、図１〜図４の符号化手段及び復号化手段を、伝送路を用いて伝送するシステム又は方法に適用した例である。しかし、本発明はデータ伝送システム又はその伝送方法に限定されない。例えば、図１〜図４の符号化手段及び復号化手段を、同一装置内に適用して、多値信号の伝送する手段をプリント基板上に形成した信号配線によって構成することも可能である。この装置は例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）であり、ＰＣに接続されたデジタルカメラで撮影した動画や画像データを、符号化手段において本発明に従って多値信号に変換し、信号配線を伝播した多値信号を復号化手段で復号化して２値信号を得て、その２値信号を装置内のプロセッサで画像処理する場合に適用可能である。

更に他の変形例によれば、図１及び図３に示した、符号化装置及び復号化装置の各機能はハードウェア構成ではなくて、その一部又は全部をソフトウェアで実現してもよい。その場合、例えば図１のインバータ及びマルチプレクサ、更には２値４値変換器の各機能は、コンピュータプロセッサでプログラムを実行させることによって実現する。復号化装置の機能をソフトウェアで実現する場合も同様である。

このように、本発明の実施例によれば、１つの信号レベルに伝送符号２ビットを割り当てているので、１シンボル当りの伝送容量が従来のマンチェスタ符号の２倍になり、同一の伝送容量の場合は伝送速度を半分にすることが可能である。
また、２値４値変換において特徴的な符号変換を行うとによって、同一な信号レベルの連続が無くなり、これにより信号の直流成分を低減でき、伝送路上での直流成分の劣化の影響を低減することができる。更に、インバータとマルチプレクサ等の簡単な回路要素で、２値４値の符号化装置を実現することが可能である。

１１、１１１、１１２：インバータ１２、１２１、１２２：マルチプレクサ
１３：２値４値変換器
３１：４値２値変換器３２，３２１，３２２：間引き回路
５０：伝送路５１：伝送装置５２：符号化部５３：送信回路５４：リニアアンプ
５６：伝送装置５７：復号化部５８：受信装置９：ＡＧＣ。

Claims

２値信号のビット列からなるデータを、多値化したｍ信号レベル（ｍは２^ｎ、ｎは２以上の整数、ｋはｍ〜０間の各整数）に割り当てて多値信号を生成する多値符号化方法であって、
多値化後の信号レベルが（ｍ−ｋ）の場合、信号レベルがｋとなるビット符号を、該ｍ値信号となるビット信号の前段に付加し、その付加されたビット列信号をｍ値信号に変換して多値信号を生成することを特徴とする多値符号化方法。
２値のビット列からなるデータを、４値化した信号レベルに割り当てて４値信号を生成する４値符号化方法であって、
多値化後の信号レベルが０の場合、その前段に信号レベルが３となるビット符号を付加し、
多値化後の信号レベルが１の場合、その前段に信号レベルが２となるビット符号を付加し、
多値化後の信号レベルが２の場合、その前段に信号レベルが１となるビット符号を付加し、
多値化後の信号レベルが３の場合、その前段に信号レベルが０となるビット符号を付加し、
その付加されたビット列信号を４値信号に変換して４値信号を生成することを特徴とする４値符号化方法。
２値のビット列からなるデータを、多値化した信号レベルに割り当てて多値信号を生成して伝送する多値伝送方法において、
２値信号のビット列（第１のビット列）が「１」か「０」を判定するステップと、
該判定の結果、ビット「１」の場合にはその前段にビット「０」を挿入し、又は該判定の結果、ビット「０」の場合にはその前段にビット「１」を挿入して、第２のビット列を作成するステップと、
該第２のビット列を多値の信号レベルに割り当てて多値信号を生成するステップと、
を有し、該多値化した信号を伝送することを特徴とする多値伝送方法。
多値化信号レベルに割り当てられた多値信号を、２値のビット列データに復号化する多値信号の復号化方法において、
多値信号を所定の変換規則に従って２値のビット列データに変換し、変換後の該２値のビット列データの前段のビットを逐一間引きして２値信号を得ることを特徴とする復号化方法。
前記多値信号は、
多値化後の信号レベルが０の場合、その前段に信号レベルが３となる符号を付加し、
多値化後の信号レベルが１の場合、その前段に信号レベルが２となる符号を付加し、
多値化後の信号レベルが２の場合、その前段に信号レベルが１となる符号を付加し、
多値化後の信号レベルが３の場合、その前段に信号レベルが０となる符号を付加した信号であることを特徴とする請求項４の復号化方法。
２値信号のビット列から多値信号を作成して該多値信号を伝送する多値信号伝送装置において、
２値信号のビット信号を入力して、反転した信号を出力する複数のインバータと、
該インバータの出力信号と、該インバータを通さない信号を並列入力して、シリアル信号な信号を出力する複数のマルチプレクサと、
該複数のマルチプレクサからの出力される、２値のビット列信号を多値レベルの信号に変換する多値変換手段と
を有することを特徴とする多値信号伝送装置。
２つの前記インバータと、２つの前記マルチプレクサと、前記多値変換手段として２−４値変換器を有することを特徴とする請求項６記載の多値信号伝送装置。
前記多値変換手段から出力される多値信号の信号レベルを増幅するリニアアンプを有することを特徴とする請求項６又は７記載の多値信号伝送装置。
多値化信号レベルに割り当てられた多値信号を、２値のビット列データに復号化する多値信号の復号化装置において、
多値信号を所定の変換規則に従って２値のビット列データに変換する多値２値変換手段と、
該多値２値変換手段から出力される２値のビット列データの前段のビットを順次間引きする間引き手段を有し、該間引き手段の出力信号として２値信号を得ることを特徴とする復号化装置。
前記間引き手段は、２値変換されたビット列データから２ビットずつ入力するレジスタを有し、該レジスタに入力された２ビットデータの後段のビットを順次取り出すこと特徴とする請求項９の復号化装置。