JP2654321B2 - トレリス符号化の方法および装置 - Google Patents
トレリス符号化の方法および装置Info
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Description
る。
信システムに応用すると、通信システムの電力および帯
域幅の効率が改善する。トレリス符号化変調方式は、加
法性白色ガウス雑音(AWGN)や「フェーディング」
性のチャネルによって特徴付けられる通信チャネルに応
用されてきた。AWGNチャネルの例は、商用電話回線
のモデム間の伝送路である。「フェーディング」性のチ
ャネルの例は、受信信号が弱すぎて有用な情報を全く伝
えられないことが時々あるようなセルラ移動無線のチャ
ネルである。
コンステレーションと共に用いられる。ただし、N≧
1、かつコンステレーションの2N次元の各シンボル
は、多数の情報ビットを表す。特にN>1の場合、2N
次元コンステレーションは、構成要素となるN/M個の
2M次元コンステレーションを連結することによって形
成することができる。通常は、M=1であるから、N個
の構成要素の2次元(2D)コンステレーションが使用
される。
選択された2N次元のシンボルレートおよびビットレー
トにより、2N次元のシンボル1個当たりのビットが半
端な数となる、すなわち小数のビットレートとなること
がある。例えば、電話の音声帯域の用途においては、
2,742.86(19,200/7)の2次元シンボ
ルレートが一般的である。しかし、同時に、標準的なビ
ットレートの限られた集合から選択されたビットレー
ト、例えば14,400ビット/秒で、最も今日的なデ
ータ伝送が実行される。前記のシンボルレートおよびビ
ットレートと共に2Dコンステレーションを用いると、
2Dシンボル当たり14,400/2,742.86=
5.25ビットという小数のビットレートになる。
ス符号化変調方式を適用する場合、従来の技術では、小
数の情報ビットをトレリス符号化することはできないと
されていた(1990年7月10日、L.F.ウェイ
(Wei)に発行された米国特許第4,941,154号参照)。前
記の従来技術に示されているように、2N次元のシンボ
ル区間あたりm情報ビットという平均小数レートに対し
て、m=n+kで、nが正の整数で、かつkが正である
が整数でない場合、各2N次元シンボル区間にn+kの
中のn情報ビットをn+1の符号化されたビットへと符
号化するために、トレリス符号器を使用する。そのn+
1ビットによって、各部分集合が2N次元コンステレー
ションからの2N次元シンボルからなる2n+1の部分集
合から1つを選択する。しかし、残りの小数情報ビット
kは、トレリス符号化されず、整数k’となるように予
め符号化され、これを用いて、送信のために選択された
部分集合から2N次元シンボルが選択される。
る課題は、前記の問題点を克服したトレリス符号化を行
う方法および装置を与えることである。
術によれば、小数の情報ビットは、トレリス符号化がで
きないので、結果として符号化されずに残される。しか
し、本発明によれば、トレリス符号器の各状態から発生
することが許される状態遷移の数を整数の整数乗でない
数に制限することにより、小数ビットをトレリス符号化
することが可能である。さらに、本発明のトレリス符号
器では、異なる状態遷移は異なる確率で使用される。
フトキーイング(12-PSK)コンステレーション
(これは、2Dシンボルあたり2.5情報ビットという
小数ビットレートに耐え得る)を用いて、説明のための
小数ビットのトレリス符号を構成する。このトレリス符
号化方式は、セルラ移動無線用途、すなわちフェーディ
ング性のチャネルを背景として示すが、さらに、フェー
ディング性のチャネルへの用途に必要とされる時間変化
性も有する。
システムにおいて小数のビットをトレリス符号化するこ
とが可能である。具体的には、トレリス符号器の各状態
から始まる許される状態遷移の数を整数の整数乗でない
数に制限する。さらに、このトレリス符号器において
は、異なる状態遷移は異なる確率で使用される。
動無線などのフェージング性のチャネルに適用され、2
Dコンステレーションを用いるトレリス符号化変調シス
テムのブロック図を図1に示す。データ源210が、導
線211上に入力ビットストリームをm=2.5ビット
/2Dシンボルの平均小数レートで生成する。このビッ
トストリームは、直列/並列変換器220に印加され
る。変換器220は、シンボル2つ分のビットを収集し
て、導線221〜223上に5つの出力ビットを並列に
与える。導線221〜223は、4次元(4D)前符号
器235に通じる。(前符号器235に適用する場合の
「4D」という形容詞の意味は、その符号器が2つの2
Dシンボル区間に関係付けられたビットに関して動作す
るという事実である。)前符号器235において、直列
/並列変換器220からの5つの出力ビットの中の3
つ、すなわち、導線223上のそれらのビットが、小数
ビット符号器230によって2つのビット対に変換され
る。小数ビット符号器230は、図2の小数ビット変換
器テーブルに示したように奇数の入力ビットを偶数の出
力グループへと分割するので、小数ビット符号器として
知られている。具体的には、小数ビット符号器230に
おいて、図2に示したテーブルによって導線223上の
ビットを変換し、その出力を導線231および232に
与える。図2のテーブルから次のことが分かる。すなわ
ち、導線231および232上の各対の出力ビットは、
3つのビットパターン00、01、および10がとれる
だけであり、これらは、それぞれ3/8、3/8、およ
び1/4という異なる確率で使用される。さらに、図2
は、出力ビットパターンには11が許されないことを示
している。
30からの第1(第2)の出力グループは、導線221
(222)上の2つのビットによって表される。次に、
その第1(第2)の出力グループは、並列/直列変換器
240への3つの入力ビットを与えるために導線221
(222)と対にされる。変換器240は、その出力導
線241に、最初は導線221および231上の3ビッ
トを、次には導線222および232上の3ビットを、
というように交互に印加する。導線241上の3ビット
は、ビット変換器245に与えられ、そこで、図3に示
したビット変換器テーブルに従って変換される。ビット
変換器245の目的は、以下で説明するトレリス符号器
260の説明を簡単にするためである。ビット変換器2
45の出力は、導線251を介してトレリス符号器26
0に与えられる。トレリス符号器260は、図4に示し
た説明のための2Dでレート3/4の16状態トレリス
符号器を実施する。トレリス符号器260の組み合わせ
論理は、図4に示した式に従って動作する。
入力には可能なビットパターンがすべて現れるわけでは
ない。Y3nY2nに対しては、ビットパターン11が発
生することはないが、このことは、前記の4D前符号器
235を使用することによって可能となる。さらに、本
発明によれば、トレリス符号器260の各状態から発生
する状態遷移の数は、2またはその他の整数の累乗では
ないが、これを図5に示す。同図において、記入された
枠は許される状態遷移を表す。同図において、現在の各
状態からは、6つの状態遷移があるだけである。枠内の
数は、符号器がそれに対応する状態遷移を行ったときの
符号器の出力ビットパターンY3nY2nY1nY0nを表
す。この出力ビットパターンは、図6の12−PSKコ
ンステレーションから2Dシンボルを選ぶのに使用され
る。さらに、トレリス符号器260への入力ビットパタ
ーンは異なる確率で現れるので、トレリス符号器260
の現在の状態からの異なる状態遷移は、同様に確からし
くは使用されない。以上の結果として、入力ビットスト
リームの小数部分、すなわちm=2.5ビット/2Dシ
ンボルがトレリス符号化される。さらに、4D前符号器
およびトレリス図表の設計に関しては、次の点に注意を
要する。すなわち、(1)180度離れた2Dシンボル
は、同じ確率で使用され、かつ(2)すべてのトレリス
状態が使用される。
ーンが、2Dコンステレーション写像器265によっ
て、図6に示したような12−PSKコンステレーショ
ンから特定の2Dシンボルへと写像される。トレリス符
号器260およびコンステレーション写像器265は共
に、特定のトレリス符号化変調方式を表す符号化変調回
路270を構成する。次に、コンステレーション写像器
265の出力---すなわち、符号化変調回路270の出
力---における2DシンボルPnが、インタリーバ280
によって処理される。インタリーバ280の出力におけ
る2DシンボルQnは、12階差分位相シフトキーイン
グ(12−DPSK)変調器285によって差分的に符
号化される。フェーディング性のチャネルに対しては、
信号の振幅および搬送波の位相に早い変化が起こり得る
ため、DPSKは、好ましい変調/復調方式である。図
6に示した2Dコンステレーションから、12−DPS
K変調はπ/12だけシフトされるという効果により、
2Dシンボル0はπ/12ラジアンだけシフトされるこ
とに注意が必要である。送信される信号のピーク電力対
平均電力の比率を縮小するには、π/12シフトの12
−DPSK変調を使用することが望ましい。12-DP
SK変調器285の出力は、フェーディング性のチャネ
ル40を介して受信機30に伝送される。
器340およびデインタリーバ330は、12−DPS
K変調器140およびインタリーバ130のそれぞれ逆
の動作を行う。従って、デインタリーバ330の出力
は、インタリーバ130の入力における2DシンボルP
nの順序に対応し、受信はされてもチャネルが狂った順
序の2Dシンボル^Pn(図において「P」上に「〜」
を冠した表記を、明細書においては「^P」と表す)で
ある。デインタリーバ330の出力は、最尤復号器30
0(例えば、ビタビ復号器)の入力であり、復号器30
0は、送信されたデータを復元するために、送信された
2Dシンボルの最尤値について判断を行う。
区間あたりの情報ビットの小数部分がトレリス符号化さ
れるような2N次元コンステレーションを用いるトレリ
ス符号化通信システムの送信器の部分である。データ源
110は、2N次元シンボルあたりm=n+k情報ビッ
トという平均レートで入力ビットストリームを導線11
1上に生成する。ただし、nは正であるが整数ではな
く、k>0である(すなわち、k如何によって、mは整
数になったり、小数になったりする)。このビットスト
リームは、変換器/前符号器150に印加され、これに
よって、出力ビットの連続するグループが導線151お
よび152に与えられ、各グループは、2N次元シンボ
ルの各区間に引き渡される。導線151上の出力ビット
のグループは、本発明の原理(説明済み)によりトレリ
ス符号器170に与えられる、すなわち、導線151上
の出力ビットのグループは、入力ビットストリームの小
数部分を表し、ここでは、2N次元シンボルの区間当た
りn情報ビットによって表される。同様に、導線152
上の出力ビットのグループは、2N次元シンボルの区間
当たりの情報ビットの残り、すなわち、k(これは、小
数であったり、そうでなかったりするが、トレリス符号
化はされない)を表す。導線171上のトレリス符号化
されたビットにより、2N次元コンステレーション写像
器180から2N次元シンボルの特定の部分集合が選択
される。導線152上の出力ビットのグループは、コン
ステレーション写像器180に印加される。kが従来の
技術の場合のように小数である場合、導線152上のこ
れらのビットも、変換器/前符号器150において前も
って符号化されていることがある。これらのビットによ
り、前記の選択された2N次元部分集合から特定の2N
次元シンボルが特定される。
もので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々
の変形例が考えられるが、それらはいずれも本発明の技
術的範囲に包含される。例えば、本発明をトレリス符号
器、コンステレーション写像器などと個別の機能構成ブ
ロックによって実施されるものとして説明したが、それ
らの構成ブロックの中の任意の1つ以上の機能を適切な
プログラムされたプロセッサ、およびデジタル信号プロ
セッサ(DSP)などを1つ以上用いて実現することも
可能である。さらに、フェーディング性のチャネルへの
応用という状況の範囲内で説明してきたが、本発明の原
理は、通信の他の分野にも適用することができる。例え
ば、本発明の原理は、データ通信で使用するためのモデ
ムの設計にも適用することができる。
なる数のトレリス状態を有するトレリス符号器、例えば
8状態トレリス符号器を使用することができる;信号点
コンステレーションは、2N次元であれば、4Dコンス
テレーション、あるいは1次元コンステレーションでも
可能である;さらに、信号点コンステレーションは、異
なる大きさのもの、例えば6−PSKも可能である。ま
た、コンステレーションは、多数の振幅および多数の位
相を有する直角振幅変調(QAM)型でも可能である。
て表したようなビット変換は、必要ではないが、本明細
書では、トレリス符号器の設計を簡単にするために使用
しただけである。
数のビットもトレリス符号化することができる。
通信システムのブロック図である。
小数ビット符号器の動作を定義する真理値表である。
ビット変換器の動作を定義する真理値表である。
16状態トレリス符号器のブロック図である。
リックスである。
12-PSKコンステレーションである。
通信システムのブロック図である。
Claims (14)
- 【請求項1】 m>0として、各シンボル区間につき平
均mビットのレートでデータビットのストリームを受信
するステップと、 トレリス符号器における各状態からの状態遷移の数が整
数の整数乗に等しくないようなトレリス符号器を用い
て、各シンボル区間に前記のmビットの小数部分を符号
化するトレリス符号化ステップとからなることを特徴と
する、送信機におけるトレリス符号化方法。 - 【請求項2】 pを整数として、各シンボル区間におい
て、受信したストリームのmビットをp個の出力ビット
へと予備的に符号化して、2p個の出力ビットパターン
のうちの1つを前記トレリス符号器に与える予備的符号
化ステップをさらに有することを特徴とする請求項1の
方法。 - 【請求項3】 前記2p個の出力ビットパターンには、
複数の異なる確率で使用される出力ビットパターンが含
まれることを特徴とする請求項2の方法。 - 【請求項4】 前記予備的符号化ステップは、 所定数のシンボル区間にわたって前記のmビットのスト
リームの一部を小数ビット符号化することにより、複数
の異なる確率で使用される出力ビットパターンを含む複
数の出力ビットパターンのうちの1つの出力ビットパタ
ーンを各シンボル区間に出力するステップと、 各シンボル区間に、前記1つの出力ビットパターンを、
前記のmビットのストリームの残りの部分と組み合わせ
て、前記2p個の出力ビットパターンのうちの1つを出
力するステップとからなることを特徴とする請求項2の
方法。 - 【請求項5】 前記トレリス符号化ステップは、Nを整
数として、各シンボル区間に各状態遷移を複数の2N次
元シンボルのうちの1つに写像するステップを有し、こ
れにより、該写像するステップは、複数のシンボル区間
にわたって2N次元シンボルのストリームを生成するこ
とを特徴とする請求項1の方法。 - 【請求項6】 m>0として、各シンボル区間につき平
均mビットのレートでデータビットのストリームを受信
するステップと、 複数の異なる確率の状態遷移を含むトレリス符号器を用
いて、各シンボル区間に前記のmビットの小数部分を符
号化するトレリス符号化ステップとからなることを特徴
とする、送信機におけるトレリス符号化方法。 - 【請求項7】 pを整数として、各シンボル区間におい
て、受信したストリームのmビットをp個の出力ビット
へと予備的に符号化して、2p個の出力ビットパターン
のうちの1つを前記トレリス符号器に与える予備的符号
化ステップをさらに有することを特徴とする請求項6の
方法。 - 【請求項8】 前記2p個の出力ビットパターンには、
複数の異なる確率で使用される出力ビットパターンが含
まれることを特徴とする請求項7の方法。 - 【請求項9】 m>0として、各シンボル区間につき平
均mビットのレートでデータビットのストリームを受信
する手段と、 各状態からの状態遷移の数が整数の整数乗に等しくない
ようにして、各シンボル区間に前記のmビットの小数部
分を符号化するトレリス符号化手段とからなることを特
徴とする、送信機におけるトレリス符号化装置。 - 【請求項10】 pを整数として、各シンボル区間にお
いて、受信したストリームのmビットをp個の出力ビッ
トへと予備的に符号化して、2p個の出力ビットパター
ンのうちの1つを前記トレリス符号器に与える予備的符
号化手段をさらに有することを特徴とする請求項9の装
置。 - 【請求項11】 前記2p個の出力ビットパターンに
は、複数の異なる確率で使用される出力ビットパターン
が含まれることを特徴とする請求項10の装置。 - 【請求項12】 前記予備的符号化手段は、 所定数のシンボル区間にわたって前記のmビットのスト
リームの一部を小数ビット符号化することにより、複数
の異なる確率で使用される出力ビットパターンを含む複
数の出力ビットパターンのうちの1つの出力ビットパタ
ーンを各シンボル区間に出力する手段と、 各シンボル区間に、前記1つの出力ビットパターンを、
前記のmビットのストリームの残りの部分と組み合わせ
て、前記2p個の出力ビットパターンのうちの1つを出
力する手段とからなることを特徴とする請求項10の装
置。 - 【請求項13】 前記トレリス符号化手段は、Nを整数
として、各シンボル区間に各状態遷移を複数の2N次元
シンボルのうちの1つに写像する手段を有し、これによ
り、該写像する手段は、複数のシンボル区間にわたって
2N次元シンボルのストリームを生成することを特徴と
する請求項10の装置。 - 【請求項14】 m>0として、各シンボル区間につき
平均mビットのレートでデータビットのストリームを受
信する手段と、 複数の異なる確率の状態遷移を含み、各シンボル区間に
前記のmビットの小数部分を符号化するトレリス符号化
手段とからなることを特徴とする、送信機におけるトレ
リス符号化装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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US758142 | 1991-09-12 | ||
US07/758,142 US5216694A (en) | 1991-09-12 | 1991-09-12 | Trellis coding for fractional bits |
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