JP3566651B2 - 信号の符号化 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は信号の符号化に関し、必ずというわけではないが、特に、音声信号のデジタル符号化に関する。
【０００２】
現代のセルラー無線電話システムでは、サンプルされ、デジタル化された音声信号は、エアインターフェースを介する送信に先行して符号化され、送信信号によって占められるチャネル帯域幅が小さくなる。例えば、欧州通信標準化機構（ ＥＴＳＩ） が規定する移動通信用広域システム（ ＧＳＭ） フェーズ１を考えると、音声信号は分割されて２０ｍｓの時間フレームとなり、各フレームはレギュラーパルス励振−長期予測（ ＲＰＥ−ＬＴＰ） アルゴリズムを用いて符号化され、長期および短期の冗長性が信号から取り除かれる。この符号化処理の結果各２０ｍｓフレームに対して１セットの２６０ビットが生じる。
【０００３】
受信装置が、符号化された信号の中へ伝送中に入り込んだエラーを識別し、できるかぎりそれらを訂正可能であることが望ましい。これは、例えば誤り訂正符号化によって可能となる。しかし、誤り訂正符号化によって冗長な情報が送信信号の中に入り込み、それによって信号帯域幅が大きくなる。信号帯域幅の大幅な増大を防止するために、ＧＳＭフェーズ１システムでは、符号化フレームのうちの主観的（ｓｕｂｊｅｃｔｉｖｅｌｙ）最上位１８２ビットに対してのみ誤り訂正符号化を行い、残りの７８ビットについては保護しないままに放置する。特に、ＧＳＭでは、最上位１８２ビット（ ＣＲＣによって保護される５０ビット含む） に対する１／ ２レート畳み込み符号化に加えて、最上位５０ビットに対して３ビット巡回冗長検査（ ＣＲＣ） が用いられる。ＣＲＣおよび畳み込み符号化によって、フレーム当たりのビット数が２６０から４５６へ増加する（ この４５６ビット単位を「チャネル符号化フレーム」あるいは単に「符号語（ｃｏｄｅｗｏｒｄ）」と呼ぶことが多い） 。
【０００４】
ＧＳＭでは、符号語は一連の無線バーストによって送信され、「周波数ホッピング（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈｏｐｐｉｎｇ） 」を利用して、前のバーストの搬送周波数と次のバーストの搬送周波数に対してバーストの搬送周波数がシフトされる。この周波数ホッピングの利用によって、与えられた搬送周波数のデータを妨害するいわゆる「バースト・エラー」の影響が軽減される傾向がある。無線バースト中に符号語のビットをインタリーブすることにより、符号語全体にバースト・エラーの影響をより均等に拡散することも可能である。これを行うことによりバースト・エラーを訂正する畳み込み符号化の能力が増加する傾向がある。インタリーブの一般的概念を図１に示す。この図で４５６ビットの符号語が４つの連続無線バーストでインタリーブされ、各バーストには１１４の情報ビットが含まれる（ 典型的には１つのバーストには他のデータビットも含まれるが、明瞭にするためにこれらのデータビットは図１から省かれている） 。
【０００５】
ビットの保護の有無にかかわらず、ＧＳＭでは符号語のビットがインタリーブされる。例えば、１５の非保護ビットのストリームが後続する２５の保護ビットＡ０〜Ａ２４のストリームから成る４０ビット符号語という単純化されたケースについて考察する。これらの非保護ビットは３つのマルチビット符号化パラメータＸ_０ 〜Ｘ_４ 、Ｙ_０ 〜Ｙ_６ 、Ｚ_０ 〜Ｚ_２ から成る。これらの４０ビットは図２に示されているような４つの１０ビット無線バーストにインタリーブされる。既に説明したように、連続バーストは異なる搬送周波数で送信される。
【０００６】
図２の無線バーストのなかの１つがバースト・エラーによって完全に損なわれ、その他の３つのバーストはエラーから免れた場合について考察する。どのバーストが損なわれたかにかかわらず、ＸとＹパラメータのなかの１つが損なわれ（ １． ０エラー確率） 、一方、Ｚパラメータが損なわれる確率は０． ７５である。ＧＳＭフェーズ２（ 拡張フルレート音声コーデック：ＧＳＭ０６． ６０を使用） では、典型的にはパラメータＸ、Ｙ、Ｚによって励振ベクトル中のそれぞれのパルス位置が規定される。したがって、たとえたった１つのパラメータビットがエラーになっても、パラメータが伝える情報のすべてが失われる。このため、高い確率で、単一のバースト・エラーによって励振ベクトルの実際の損失が生じる結果となる。
【０００７】
すでに述べたように、図２はインタリーブの単純化された例を示すものにすぎない。ＧＳＭで用いられるチャネル符号化とインタリーブ処理についてのより詳細な記述はＭｏｕｌｙおよびＰａｕｔｅｔ、１９９２年、ＩＳＢＮ：２− ９５０７１９０− ０− ７による「移動通信用ＧＳＭシステム」に記載されている。ＥＴＳＩ勧告ＧＳＭ０５． ０３，１９９７年１１月に、ＧＳＭフェーズ２＋に対して提案されたチャネル符号化およびインタリーブ処理の詳細が記載されている。このＧＳＭ勧告（ 章３． １． ３，表１） で、符号語ビットが、図１と２に示されている縦の列の代わりに、バースト構造の中へ対角線上に挿入されるという点に特に留意のこと。
【０００８】
前記パラグラフで述べた従来のインタリーブ処理の欠点を解決すること、あるいは少なくとも和らげることが本発明の目的である。特に、非保護マルチビット・パラメータをバースト・エラーに対してより耐性のある（ｒｏｂｕｓｔ）方法で、符号語ビットのインタリーブを提供することが本発明の目的である。
【０００９】
これらの目的およびその他の目的は、ビット毎の方法ではなく、パラメータ毎の方法によって非保護ビットをインタリーブすることにより達成される。
【００１０】
本発明の第１の態様によれば、複数の無線バーストを用いて、送信チャネルで符号語を送信する方法が提供され、その符号語は保護ビットからなる第１の順序付けられたシーケンスと非保護ビットからなる第２の順序付けられたシーケンスとを有する。また、それらの無線バーストは、１セットの時系列順のビット位置をまとめて提供し、その方法は、
無線バースト中の第１および第２のセットのビット位置を規定するステップと、
隣接する保護ビットが異なる無線バーストに割り当てられるように、ビット位置の前記第１のセットに前記第１のシーケンスの連続ビットを無線バーストに関して循環的に割り当てるステップと、
ビット位置の前記第２のセットに前記第２のシーケンスの連続ビットをビット位置の時系列順に割り当てるステップと、
割り当てられたビットを有する無線バーストを送信するステップとを有する。
【００１１】
本発明の実施例は、無線バーストの間に符号語の保護ビットのインタリーブを与えて、これらのビットが保護される符号化処理がバースト・エラーのような伝送エラーに対して耐性があるようにするものである。また、これらの実施例は、非保護パラメータをつくり、パラメータ・ビットの近似的グループ分けを行って単一のまたは限られた数の無線バーストとし、それによって単一バースト・エラーにより影響を受けるパラメータの数を最少化するものである。
【００１２】
符号語は、前記第１のシーケンスの保護ビットと共に無線バーストに対して前記循環的方法で割り当てられる追加の非保護ビットを有してもよい。この非保護ビットの追加は、例えば、符号化パラメータがいくつかの符号語ビットから成る場合に好適となる場合がある。なぜならこれらの符号語ビットのほんの１つでも非保護である場合には前記第２のシーケンス中にその非保護ビットを含むことにより得られる利点は存在しなくなるからである。
【００１３】
好適には、前記複数の無線バーストがシーケンシャルに、かつ、異なる周波数帯域で送信されることが望ましい。無線バーストには、符号語から割り当てられたデータ・ビット以外のデータ・ビットが追加して含まれていてもよい。
【００１４】
好適には、符号語はオーディオ信号の時間フレームに対応する符号化データを有することが望ましい。さらに好適には、このオーディオ信号は音声信号であることが望ましい。本発明の方法は、伝送チャネルがセルラーシステムの移動通信装置と基地送受信局との間のエアインターフェースであるセルラー無線電話システムに対して特に適用可能である。
【００１５】
好適には、前記第２の順序付けられたシーケンスが複数のマルチビット符号化パラメータを有し、与えられたパラメータのビットがシーケンス中の隣接位置を占めることが望ましい。
【００１６】
好適には、ビットの前記第１の順序付けられたシーケンスが畳み込み符号化によって保護されることが望ましい。さらにその第１のシーケンスは巡回冗長検査符号によって保護されてもよい。
【００１７】
本発明の実施例は、前記複数の無線バーストを用いて少なくとも２つの符号語を送信するように構成されてもよい。この方法は無線バーストのビット位置に符号語のビットをインタリーブする段階を有する。例えば、第１の符号語に対して、無線バーストの偶数番号のビット位置によってビット位置の前記第１および第２のセットが与えられ、一方、第２の符号語に対しては、ビット位置の前記第１および第２のセットが奇数番号のビット位置によって与えられてもよい。無線バーストは受信装置によって用いられるトレーニング・シーケンスまたは同期シーケンスを構成するような追加データ・ビットを有してもよい。
【００１８】
本発明の第２の態様によれば、複数の無線バーストを用いて送信チャネルで符号語を送信する装置が提供される。その符号語は保護ビットの第１の順序づけられたシーケンスと、非保護ビットの第２の順序づけられたシーケンスとを有し、無線バーストは時系列順のビット位置のセットをまとめて提供し、その装置は、
符号語を受信する入力部と、
無線バーストにおける第１および第２のセットのビット位置を規定するためのメモリと、
隣接する保護ビットが異なる無線バーストに割り当てられるように、前記第１のシーケンスの連続ビットを前記第１のセットのビット位置に無線バーストに関して循環的方法で割り当て、次いで、前記第２のセットのビット位置に前記第２のシーケンスの連続ビットをビット位置の時系列順に割り当てるための信号処理手段と、
割り当てられたビットを含む無線バーストを送信するための送信装置とを有する。
【００１９】
好適には、本発明の装置はオーディオ信号の時間フレームを符号化してそれぞれの符号語に変え、前記入力部へその符号語を出力する音声符号器を有することが望ましい。
【００２０】
本発明の第３の態様によれば、前記本発明の第２の態様による装置を有する移動通信装置が提供される。
【００２１】
本発明の第４の態様によれば、セルラー無線電話ネットワークの基地局コントローラが提供され、その基地局コントローラは前記本発明の第２の態様に準拠する装置を有する。
【００２２】
本発明をよりよく理解するために、また、同発明の実現方法を示すために、例を挙げて添付図面を参照する。
【００２３】
図１と２は、前述したセルラー無線電話コーデックで使用される従来型のビット・インタリーブ処理を示す。図３は、この処理の実現に使用できるような音声コーデックを概略的に示す。サンプルされ、デジタル化された音声信号が音声符号器１の入力部へ与えられる。現在のＧＳＭフェーズ１システムでは、この符号器によって、レギュラーパルス励振−長期予測（ ＲＰＥ−ＬＴＰ） アルゴリズムが実現される。このアルゴリズムによって符号器１の出力部において音声信号の各２０ｍｓフレームに対して１セットの２６０ビットが生成される。
【００２４】
これらの２６０ビットの正確な性質については本明細書では詳細に説明しない。これらのビットを用いて近似的に音声信号の対応するフレームを再構成できると言うだけで十分である（ 詳細についてはＧＳＭ規格と勧告を参照のこと） 。しかし、２６０ビットのそれぞれのサブセットによってある一定のマルチビット符号化パラメーが規定されることがここでは当面の問題に関係している。また、この２６０ビットをあらかじめ決められた主観的なリスニング・テストに従って重要度の順序にランク付けを行うことも関係している。したがって、再構成されたフレームに対してほとんど影響のないビットに高いインデックス（ｉｎｄｅｘ）が与えられ、一方、再構成されたフレームに対して著しい影響を持つビットに低いインデックスが与えられる。分類器２によって、符号器１の出力から主観的最上位１８２ビット（ クラスＩ） が選択され、巡回冗長検査（ ＣＲＣ） ユニット３へこれらのビットが与えられる。このユニット３によって主観的最上位５０ビットから３ビットＣＲＣ符号が生成される。次いで、これらのクラスＩビットは３ビットＣＲＣ符号と共に畳み込み符号器４へ与えられ、その符号器４によってクラスＩビットの各々について、畳み込み符号化用４テール（ｔａｉｌ）ビットの各々について、および、ＣＲＣ３ビットの各々について２ビットが生成される。したがって、音声信号の各フレームについて畳み込み符号器４の出力は３７８ビットから成る。次いで、これらのビットは、分類器２によって出力された残りの主観的最下位７８ビット（ クラスＩＩ） とマルチプレクサ５において合成され、入力音声信号の各２０ｍｓフレームに対して４５６ビット符号語が与えられる。符号語は無線周波数送信機５ｂに与えられる。
【００２５】
マルチプレクサ５は、各符号語のビットをインタリーブして４つの無線バーストになるように構成される。従来のインタリーブ・パターンは図１に示されている（ また図２に例示されている） 。しかし、この従来のパターンはいくつかの無線バーストにわたって符号化パラメータの非保護ビットを拡散し、パラメータがバースト・エラーによって影響を受ける確率が大きくなる傾向がある。既に説明したように、パラメータが無駄になるにはパラメータの単一のビット損失が生じさえすれば十分である場合が多い。
【００２６】
したがって、図４に示されるようなインタリーブ・パターンが代わりに用いられる。図２の場合と同じように、図４でも、２５の保護ビットＡ０〜Ａ２４と、３つの符号化パラメータ、Ｘ_０ 〜Ｘ_２４、Ｙ_０ 〜Ｙ_６ 、およびＺ_０ 〜Ｚ_２ から成る１５の非保護ビットの単純化された例が用いられる。２５の保護ビットが従来の方法で４つの１０ビット無線バーストに循環的に割り当てられる。しかし、この割り当てが完了したとき、非保護ビットが無線バーストの残りのビット位置の時系列順にパラメータ毎に割り当てられる、すなわち、第１のパラメータＺのビットが無線バースト１のビット位置７、８、９に順次割り当てられ、次いで、パラメータＸのビットがバースト２のビット位置６〜９とバースト３のビット位置６に順次割り当てられ、最後にパラメータＹのビットがバースト３のビット位置８と９とバースト４のビット位置６〜９に順次割り当てられる。保護ビットと非保護ビットの無線バースト位置へのマッピングは、２つの無線バースト・ビット位置のそれぞれのセットを規定するプロセッサ／ メモリ５ａの制御の下でマルチプレクサ５により行われる。
【００２７】
この割り当て処理は、１つまたはせいぜい２つの無線バーストに与えられたパラメータのビットを集中させる。単一バースト・エラーが４つの無線バーストの中の１つを破壊する状況を考えると、パラメータＺでエラーが発生する確率は０． ２５、パラメータＸでエラーが発生する確率は０． ５であり、パラメータＹでエラーが発生する確率も０． ５である。これは図２のビット割り当てから結果として生じるエラー確率よりも著しい改善を示すものである。
【００２８】
より複雑な４５６ビット符号語の例へ戻ると、図５に、図３の符号器で符号化された信号を復号化し、さらに図４に例示したビット割り当て処理を利用するに適した復号器が概略的に示されている。インタリーブされた符号語ビットを含む４つの無線バーストがデマルチプレクサ６によって受信される。デマルチプレクサ６はインタリーブされたシーケンスを並べ替えて、保護クラスＩビットを含む第１のシーケンス７および非保護クラスＩＩビットを含む第２のシーケンス８とする。クラスＩビットのシーケンスは畳み込み復号器９に与えられ、次いで、ＣＲＣユニット１０へ与えられ、そこで、ＣＲＣ３ビットを用いて最上位５０ビット中のエラー・チェックが行われる。次いで、マルチプレクサ１１を用いて（ エラー訂正された） クラスＩビットとクラスＩＩビットとが合成され、各フレームについて、音声復号器１２で復号化される２６０ビット符号化フレームが生成される。ＣＲＣユニット１０によって受信符号語の最上位５０ビット中にエラーが検出された場合には、受信フレームデータはユニット１０によって廃棄される。例えば、少なくとも１つあるいはそれ以前のフレームに基づいて、フレーム置換ユニット１３により生成された代替フレームが導入される場合もある。
【００２９】
ＧＳＭでは、インタリーブ処理は前述の単純化された例よりもさらに複雑である。特に、４つの連続する無線バーストで単一符号語を送信する代わり、８つの連続する無線バーストでインタリーブされた、２つの連続する符号語が同時に送信される。例えば、１つの符号語が奇数ビットの８つの無線バーストに割り当てられ、他の符号語は偶数ビットに割り当てられる。これは２つの符号語ＢとＣについて図６に示されている。奇数ビット位置のなかで、第１のセットの位置は符号語Ｂの保護ビットを搬送するために規定され、第２のセットは符号語Ｂの非保護ビットを搬送するために規定される。次いで、保護ビットは、バースト構造にわたってビット毎にかつ対角線上に割り当てられ（ ＧＳＭ０５． ０３，章３． １． ３，表１参照） 、非保護ビットは前述のようにパラメータ毎に割り当てられる。同様の処理が符号語Ｃと無線バーストの偶数ビット位置について実行される。
【００３０】
以下の表１（その１、その２）は、第１列にＧＳＭフェーズ１フルレートコーデック用非保護（ クラスＩＩ） ビットを表にするものである。表１の第２列はＧＳＭ規格０５． ０３で規定されているこれらのビットの従来のバースト・マッピング（ ０〜７） を示す。第３列は、前述のパラメータ毎のビット割り当て処理による修正されたバースト・マッピングを示し、０５． ０３マッピングに対する変化が下線付きで示されている。太線で囲まれた部分のパラメータ・ビットは２つまたはそれ以上の非保護ビットを持つパラメータに属するビットであって、パラメータ毎の割り当てはバースト・エラーの性能の改善を達成する対象ビットである。
【００３１】
本発明の範囲から逸脱することなく様々な変更を前記実施例に対して行うことができることを当業者は理解するであろう。特に、現在のＧＳＭフェーズ１規格の改訂版に対して本発明を好適に適用することができる。例えば、ＧＳＭフェーズ２＋では、拡張フルレート（ ＥＦＲ） 音声コーデック（ ＧＳＭ０６． ６０） が用いられ、音声フレーム用符号語（ 可変長の） には代数的に規定された励振ベクトルが含まれる。この場合、非保護ビット（ パラメータ毎に割り当てられた） は励振ベクトル中のパルスの位置を規定するビットから成る傾向がある。ＵＭＴＳのような第３世代システムを含むＧＳＭシステム以外の無線電話システムにおいて、一連の無線バースト中の非保護符号語ビットのパラメータ毎の割り振りを適用することができる。
【表１】

【表２】

【図面の簡単な説明】
【図１】図１はセルラー無線電話システムのためのビット・インタリーブ処理を示す。
【図２】図２は符号語の保護ビットおよび非保護ビットの割り当てを示す単純化された例についてビット・インタリーブ処理を示す。
【図３】図３は音声符号化システムを概略的に示す。
【図４】図４は図２の単純化された例について修正されたビット割り当て処理を示す。
【図５】図５は音声復号化システムを概略的に示す。
【図６】図６は符号化された音声信号の２つの連続フレームに対応する２つの符号語のビットのインタリーブを示す。

Claims (11)

1. 複数の無線バーストを用いて、伝送チャネルで符号語を送信する方法であって、前記符号語が保護ビットの第１の順序付けられたシーケンスと非保護ビットの第２の順序付けられたシーケンスとを有し、前記無線バーストが１セットの時系列順のビット位置をまとめて提供するように成される方法において、
   前記無線バースト中の第１および第２のセットのビット位置を規定するステップと、
   隣接する保護ビットが異なる無線バーストに割り当てられるように、ビット位置の前記第１のセットに前記第１のシーケンスの連続ビットを前記無線バーストに関して循環的に割り当てるステップと、
   ビット位置の前記第２のセットに前記第２のシーケンスの連続ビットをそれらビット位置の時系列順に割り当てるステップと、
   前記割り当てられたビットを含む無線バーストを送信するステップとを有する方法。
2. 異なる周波数帯域でシーケンシャルに前記複数の無線バーストを送信する請求項１に記載の方法。
3. 前記符号語が、オーディオ信号の時間フレームに対応する符号化されたデータを有する請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第２の順序付けられたシーケンスが複数のマルチビット符号化パラメータを有し、与えられたパラメータのビットが前記シーケンスにおいて隣接位置を占め、それらのビットが同じ無線バーストに割り当てられるようになされる請求項３に記載の方法。
5. 前記第１の順序付けられたビット・シーケンスが畳み込み符号化によって保護される請求項３または４に記載の方法。
6. 前記複数の無線バーストを用いて少なくとも２つの符号語を送信するステップを有する方法において、前記無線バーストのビット位置で前記符号語のビットをインタリーブするステップを有する請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 第１の符号語に対して、ビット位置の前記第１および第２のセットが無線バーストの偶数番号のビット位置によって提供され、第２の符号語に対して、ビット位置の前記第１および第２のセットが奇数番号のビット位置によって提供される請求項６に記載の方法。
8. 複数の無線バーストを用いて送信チャネルで符号語を送信するための装置であって、前記符号語が保護ビットの第１の順序づけられたシーケンスと、非保護ビットの第２の順序づけられたシーケンスとを有し、前記無線バーストが時系列順のビット位置のセットをまとめて提供するようになされる装置において、
   符号語を受信する入力部と、
   前記無線バーストにおける第１および第２のセットのビット位置を規定するためのメモリ（ ５ａ） と、
   隣接する保護ビットが異なる無線バーストに割り当てられるように、前記第１のシーケンスの連続ビットを前記第１のセットのビット位置に無線バーストに関して循環的に割り当て、次いで、前記第２のセットのビット位置に前記第２のシーケンスの連続ビットをビット位置の時系列順に割り当てるための信号処理手段（ ５） と、
   前記割り当てられたビットを含む無線バーストを送信するための送信装置（ ５ｂ） とを有する装置。
9. オーディオ信号の時間フレームを符号化してそれぞれの符号語とするための、また、前記符号語を前記入力部へ提供するための音声符号器（ １） を有する請求項８に記載の装置。
10. 請求項８または９に記載の装置を有する移動通信装置。
11. 請求項８または９に記載の装置を有するセルラー無線電話ネットワークの基地局コントローラ。

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