JP3685269B2 - 透明２進畳み込み符号を組み入れた回転不変トレリスコーダ及び方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレリス符号化変調を使用するデジタルデータ通信に関し、特に回転不変トレリス符号化／復号化をQPSKまたはQAM送信装置に組み入れるための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が特に適している応用の一つは、デジタルテレビ信号の送信である。 例えば、デジタル化され、圧縮されたテレビ(NTSC)または高品位テレビ(HDTV)信号のデジタルデータは、VHF、UHF、衛星チャネルまたはケーブルテレビアナログチャネルを通じてエンドユーザに送信される。アナログチャネルを通じてデジタルデータを通信するために、データは例えばパルス振幅変調(PAM)の方式を使って変調される。典型的に、QAMまたはSSB変調が、有効チャネル帯域幅を効果的に使用するために選択される。QAMは、２つのPAM信号の直角または直交組み合わせである。平面座標として見たとき、結合されたPAM信号は、可能送信レベルの信号空間またはコンスタレーションを形成する。各送信された点はシンボルと呼ばれる。例えば、２つの独立の直角４レベルAM信号は、４ビットを符号化する16-QAMコンスタレーションを形成する。３２点コンスタレーションは、シンボルあたり５ビットを符号化する従属６レベルAM直角信号により形成される。QAMにより許容されるものより低いキャリア対ノイズ比(CNR)を有する装置においては、４点コンスタレーションを有するQPSKのようなより低い変調オーダーが有用である。
【０００３】
パルス振幅変調において、各信号は、振幅レベルが固定セットのレベルから選択されたパルスである。16-QAMにおいて、各直角PAM信号は、均一間隔の振幅レベル−3、−1、1、3からスケールされたバイポーラ振幅を選択する。デジタル通信装置におけるスペクトル効果は、帯域幅の単位あたり１秒間の送信情報量、すなわち帯域幅に対するデータ速度の比として定義される。非常に高い帯域幅効果を有する変調装置は、狭い有効帯域幅で高いデータのスループットを必要とするような応用において適している。QAM及びSSBは、トレリス符号変調(TCM)のような非常に効果的な前方向誤り訂正符号とともに使用された時、非常に低いビット誤り率をもたらす帯域幅有効変調を与える。
【０００４】
トレリス符号変調は、帯域制限チャネルを通じてデジタル送信するための結合符号化及び変調技術として発達した。送信に使用される帯域幅を増加させるような畳み込み符号の２レベルPAMへの従来の応用と違って、TCMはその代わりコンスタレーションのサイズを増加させる。TCMにおいて、一連の符号化ビットはコンスタレーションシンボルを区切る一連のグループ内へ畳み込んで符号化される。QAMコンスタレーションの各符号化グループに対し、グループの特定のコンスタレーション要素を選択することによって多くの未符号化ビットが送信される。ほとんどのTCMは、畳み込み符号トレリスのひとつの工程を、２つのQAM成分(I、Q)から成る１つの送信シンボルへマッピングする。そのような２次元(2-D)符号は、2-Dシンボル当たり整数個の情報ビットのスループットを達成する。
【０００５】
レシーバにおいて、送信グループのシーケンスは軟判定最尤(Soft-decision maximum likelihood)畳み込み符号デコーダにより復号化される。そのようなTCMは、同じ情報速度で未符号化変調と比較して３から６デシベル以上、付加的ノイズに対しデジタル送信の粗さを改良する。畳み込み符号の効果的な最尤復号化に対し広く使用されているのは、A. J. Viterbi及びJ. K. Omuraにより開示されたビタビアルゴリズムである(Principles of Digital Communications and Coding、 New York、 McGraw Hill 1979.)。高率Ｒ畳み込み符号の復号化はいくつかの出力ビットの低率符号を周期的に削除することにより得られるパンクチュアド符号を使用することで単純化される。率1/n符号は率m/kにパンクチュアされ、率1/nデコーダに対する単純な変更により容易に復号化され得る。そのようなデコーダの例が、通常に譲渡された同時継続中の米国特許出願第08/054、642号、1993年5月5日出願の"Apparatus and Method for Communicating Digital Data Using Trellis Cording with Punctured Convolutional Codes"に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
位相の曖昧さからの早急な復元は、モデム設計に非常に重要である。典型的なレシーバ内のすべてのトラッキング・ループ、例えば自動利得制御、適応イコライザー、及びキャリア・タイミング・ループのようなものの中で、キャリア復元ループが最も壊れやすく、ノイズを生じさせる。位相の曖昧さは、前方向誤り訂正(FEC)の主な再同期化を要求しながらキャリアタイミングスリップを引き起こし、それがFEC出力でバースト誤りを導く。ビタビアルゴリズム（または、他のシーケンス・エスティメータ）はその現象を検出し、復号化を再開する。したがって、FECの状態を変化させないように位相回転から早急に復元する符号化方法を与えることが所望される。そのような符号化方法は、ミキシング工程で導入された大量の位相ノイズを消去できるレシーバにおいて特に有用である。
【０００７】
トラック位相ジッタに対し、キャリア・タイミング・ループ帯域幅が典型的に開かれており、該ループ内の信号対ノイズ比を損なっている。これが、位相フリップへの露出となり、位相ノイズを扱うレシーバの能力を制限する。キャリア・タイミング・グループ・スリップから急速に復元することにより、FECの出力で現れる大きなバースト誤りの危険無しで、よりアグレッシブな位相ノイズ消去が実行可能となる。
【０００８】
特にトレリス符号化とともに使用される際、多重レベル変調技術の直面するひとつの問題は、通信チャネルから受信される信号内で発生する９０°位相の曖昧さである。そのような位相の曖昧さは受信されたシンボルの完全な位相を決定することを困難にする。同一グループ内の９０°だけオフセットされた一つの点かまたは他の点のいずれが受信されたかに関して、間違った仮定が為された時、復号化誤りが発生する。
【０００９】
QPSKまたはQAM送信装置内で使用するための、回転不変トレリス符号化／復号化方法を与えることが有利である。その方法は、あらゆる９０°の倍数の位相の曖昧さを解決する。レシーバ内での位相フリップからの早急な復元が与えられなければならない。誤りの伝搬は小さくなり、逆に符号化利得は影響されなくなる。
【００１０】
本発明は上記利点を有する回転不変トレリス符号化／復号化方法を与える。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
２次元シンボル変調を使用してレシーバへ送信されるべき入力データを符号化するために、本発明に従って、回転不変トレリスコーダが与えられる。前記入力データを処理するためにプレコーダが与えられる。該プレコーダーは、前記レシーバでの相手方ポストコーダにより与えられるロジックの逆である非線形ロジックから成る。エンコーダはパンクチュアド符号であるところの、透明２進畳み込み符号を使用してプレコード(precoded)されたデータを符号化する。符号化されたデータをエンコーダから複数の信号点を有する２次元の信号空間にマッピングするための手段が与えられる。信号点は特定の２進コードにより識別され、（I、Q）で表示される２つの最少有意ビットが、信号空間の回りに各９０°の位相回転に対し、（数９）のように置換されかつ部分的に補足される。各点に対する残りのほとんどの有意ビットは回転に対して不変である。
【数９】
【００１２】
図示された実施例において、プレコーダは、第１入力データストリームWj及び第２入力データストリームZjデータを以下の関係式に従って、遅延データXj-1及びYj-1のフィードバックを使いながら、対応するプレコードされたデータストリームXj及びYjにそれぞれ変換する。
【数１０】
【００１３】
プレコーダから出力されたXj及びYjデータストリームは、信号空間内の信号点にマッピングされた２つの最少有意ビットのシンボルを与えるべく畳み込んで符号化される。QAM実施例において、QPSK実施例とは反対に符号化ビットに加え未符号化ビットが与えられる。マッピング手段により使用するための入力データから該未符号化ビットを分離するための手段が与えられる。該未符号化ビットは、信号空間内の信号点にマッピングされているシンボルのほとんどの有意ビットを表している。
【００１４】
トレリスコーダから出力されたシンボルを復号化するのに使用するためのデコーダが与えられる。ビタビ・アルゴリズムのような、少なくともひとつのシーケンス・エスティメータが、受信データストリームからプレコードされたデータを復元するために使用される。復元されたプレコードデータの９０°回転に不変の出力データを与えるべく、復元されたプレコードデータを受信し処理するためのポストコーダが与えられる。
【００１５】
QAMデータを修正するべく、符号化または未符号化ビットを復元するよう受信データストリームを枝刈りする(pruning)ための手段がデコーダ内に与えられる。符号化ビットはシーケンス・エスティメータに入力される。ポストコーダからのポストコード(postcoded)されたデータと組み合わせるべく、未符号化同相データ(I)または未符号化直角位相データ(Q)を選択するための手段が与えられる。シーケンス・エスティメータにより復元されたプレコードデータは、未符号化Iまたは未符号化Qデータを選択するための選択手段を動作させる際に使用するべく再符号化される。
【００１６】
上記関係により、プレコーダは、第１入力データストリームWj及び第２入力データストリームZjデータを、対応するプレコードされたデータストリームXj及びYjにそれぞれ変換するところで、ポストコーダはデータストリームから復元されたプレコードデータ、すなわちXj’及びYj’をそれぞれ以下の関係にしたがって、第１出力データストリームWj’及び第２出力データストリームZj’に変換する。
【数１１】
【００１７】
本発明は、回転不変トレリスコーダ内で使用するためのプレコーダも与える。該プレコーダの第１経路は、第１入力データストリームWjを、対応するプレコードされたデータXjに変換するための複数の排他的ＯＲゲートを有する。第２経路は、第２入力データストリームZjを対応するプレコードされたデータYjに変換するための複数の排他的なＯＲゲートを有する。第１フィードバック経路が、第１経路からプレコードされたデータXjを得るよう結合されている。該第１フィードバック経路は、先行データXj-1を与えるための遅延手段を含む。第２フィードバック経路が、第２経路からプレコードされたデータYjを得るよう結合されている。該第２フィードバック経路は、先行データYj-1を与えるための遅延手段を含む。第１及び第２フィードバック経路は、少なくとも一つの共通排他的ＯＲゲート及び少なくとも一つの共通ＡＮＤゲートを有する。プレコーダは第１及び第２データストリームを以下の関係に従って、プレコードされたデータに変換する。
【数１２】
【００１８】
回転不変トレリスデコーダ内で使用するためのポストコーダが与えられる。該ポストコーダは、ビタビ・アルゴリズムのようなシーケンス・エスティメーション・アルゴリズムを使用して復元された受信プレコードデータストリームXj’から出力データストリームWj’を与えるための複数の排他ＯＲゲートを有する第１経路を含む。第２経路はシーケンス・エスティメーション・アルゴリズムを使用して復元された受信プレコードデータストリームYj’から出力データストリームZj’を与えるための複数の排他ＯＲゲートを有する。ＡＮＤゲートは、第１及び第２経路からそれぞれ排他的ＯＲのプレコードデータストリームXj’及びYj’を受信するべく接続された第１入力を有する。該ＡＮＤゲートの第２入力は、第１及び第２経路からそれぞれ排他ＯＲの遅延データストリームXj-1’及びYj-1’を受信するべく接続される。ＡＮＤゲートは第１経路内の排他ＯＲゲートの一つの入力に結合された出力を有する。ポストコーダは以下の関係に従って、プレコードデータストリームXj’及びYj’から出力データストリームWj’及びZj’を生成する。
【数１３】
【００１９】
回転不変トレリス符号化変調を可能とするための、デジタルデータを符号化する方法が与えられる。透明２進畳み込み符号で符号化され、その後レシーバで復号化されかつポストコードされる際、符号化されるビットストリームはまず回転不変性を与えるべくプレコードされる。該プレコードされたビットは符号化情報を与えるべく、透明２進畳み込み符号を使用して符号化される。該符号化された情報は、複数の信号点を有する２次元信号空間へマッピングされる。該信号点は特定の２進コードで表され、そこでは(I、Q)で示される２つの最少有意ビットが、信号空間回りの各９０°の位相回転に対し（数１４）のように置換されかつ部分的に補足される。各点に対する残りの大部分のビットはそのような回転に対し不変である。
【数１４】
【００２０】
本発明により与えられる符号化情報は、同相(I)及び直角位相(Q)データを表す。該I及びQデータは、信号空間マッピングに従って通信チャネルを通じて送信される。該I及びQデータは、通信チャネルから受信されかつ復調される。該I及びQデータに対する符号化情報はプレコードビットを復元するために復号化される。復元されたプレコードビットは、ビットストリームを復元するためにプレコード工程と逆の効果を与えるべくポストコードされる。
【００２１】
QAM送信に対してこの方法が使用される際には、データはプレコード工程に先だって、未符号ビットのストリーム及び符号化されるべきビットストリームへと分離される。該未符号化ビットは信号空間内のほとんどのビットの信号点にマッピングされる。符号化されるべきビットストリームから引き出された符号化情報は、最少ビットの信号点へマッピングされる。未符号化ビット及び符号化情報は同相及び直角位相データを表す。I及びQデータは信号空間マッピングに従って、通信チャネルを通じて送信される。I及びQデータは通信チャネルから受信されかつ復調される。復調されたIデータは対応する未符号化ビット及び符号化情報を復元するべく枝刈りされる。復調されたQデータはまた対応する未符号化ビット及び符号化情報を復元するべく枝刈りされる。I及びQデータ用に枝刈りされた符号化情報はプレコードされたビットを復元するべく復号化される。復元されたプレコードビットはエンコーダで符号化済みのビットストリームを復元するべくポストコードされる。復元されたプレコードビットは、制御信号を与えるべく透明２進畳み込み符号を使用して再符号化される。IデータまたはQデータから枝刈りされた未符号化ビットは、デジタルデータを再構成するために、ポストコード工程により復元されたビットストリームと結合するべく、該制御信号に応答する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は、回転不変トレリス符号化方法を、９０°位相の曖昧さに関する２次元シンボル（例えば、QPSKまたはQAM）送信装置に組み込むための方法及び装置を与える。この方法は、パンクチュアド符号を含むあらゆる透明２進畳み込み符号と両立可能である。そのような符号の例が、J. A. Heller及びI. M. Jacobsにより、64状態コードとして説明されている（"Viterbi Decoding for Satellite and Space Communication、" IEEE Trans. Commun. Technol.、 COM-19、 pp. 835-848、 October 1971.）。
【００２３】
回転不変(RI)エンコーダ／アンコーダを有するRIトレリスコードは、QPSK及びQAMのような送信装置において９０°位相の曖昧さを扱う方法として、非常に所望される。本発明の符号化方法は透明２進畳み込み符号を利用する。２進畳み込み符号(BCC)は、あらゆる符号語の補数(complement)が常に符号語であるとき、透明(transparent)であると言われる。BCCは線形符号であるため、すべて１のシーケンスが符号語である場合に限り、該BCCは透明である。ジェネレータ・マトリクスG(D)（ランクkのk×nの多項式マトリクス）及びパリティ・チェック・マトリクスH(D)（ランクn−kのn−(k×n)多項式マトリクス、G(D)H(D)t＝0）によって説明される(n、k)BCCに対し、H(D)の列の和が1−Dで割り切れるときにのみ該符号は透明である。
【００２４】
回転不変コードは常に回転不変エンコーダ／アンコーダを有する。該エンコーダ／アンコーダは、符号語がアンコーダに渡される前にまず０°、９０°、１８０°、または２７０°回転される際、あらゆる符号語に対するアンコーダの出力は同じ出力である、という性質を有する。言い換えれば、符号語及びその回転したものはアンコーダで同一の出力を生成する。そのようなアンコーダは、エンコーダが例えば無限インパルス応答(IIR)フィルタ内と同様のフィードバックを有する一方、レシーバでの有限誤り伝搬を保証するため、例えば有限インパルス応答(FIR)フィルタ内と同様にフィードバック無しであることが要求される。
【００２５】
透明２進畳み込み符号は、特定表示された２次元信号空間へマッピングされる。特に、連続シンボルグループ内の相手方シンボルは最少有意ビット(I、Q)により表示され、その結果、反時計回りに９０°回転したとき該最少有意ビットは（数１５）のように置換されかつ部分的に補足される。QPSKコンスタレーションに対し、もし４点を表示する２ビットが(Ij、Qj)により示されれば、以下のようになる。
【数１５】
【数１６】
このマッピングのキーは以下で表される９０°回転にある。
【数１７】
【００２６】
図１は、本発明に従うエンコーダを示したものである。符号化されるべき連続データが端子10を通じてパーザ12に入力され、そこでQPSKより高い変調レベルの場合（例えば、QAM）には、該データは、経路16を通じてマッパー26に出力される未符号化ビットUj、並びにプレコーダに同様に入力される第１及び第２データストリームWj及びZjへ分離される。プレコーダ14は、エンコーダで適正に符号化されマッピングされかつレシーバで適正に復号化されポストコードされたとき、レシーバでの回転不変に表されたデータを与えるべく、データストリーム(Wj、Zj)をプレコードする。プレコーダ14から出力されたプレコードデータ(Xj、Yj)は、付加的フィードバックマトリクス18、20にそれぞれ入力される。プレコーダの２つの２進出力は、別々の２進畳み込みエンコーダ22、24で独立に符号化される。ライン16上の残りの未符号化情報UjとともにBCC出力は、送信されるべきQAMコンスタレーション点を選択するべく結合される。QPSK実施例においては、未符号化ビットは無く、ライン16は不要である。
【００２７】
BCC出力のマッピングは、それらがI及びQ座標の最少有意ビットを独立に選択するように行われる。さらに、未符号化または並列エッジ(Parallel edge)情報Ujは回転不変である。
【００２８】
多項式ジェネレータマトリクスG(D)により説明された透明コードの符号化は、フィードフォワード・ジェネレータG(D)以前の付加的フィードバック・ジェネレータ・マトリクスF-1(D)により達成される。この構成は選択コードのさまざまなエンコーダに対して有効である。例えば、システマチック・エンコーダも可能である。エンコーダに要求される点は、もしG(D)（または、F-1(D)）への入力が０が１になるように補足されるなら、出力が補足されるということのみである。これは透明BCCに対して常に可能である。
【００２９】
プレコーダ14は、透明BCC及び上記信号セットの回転不変ラベル（図４〜６とともに、以下に詳細に説明される）と結合されるとき、回転不変となる構造を有する。好適実施例において、該プレコーダは、以下の関係にしたがって、遅延データXj-1及びYj-1のフィードバックを使いながら、Wj及びZjデータを対応するプレコードされたデータXj及びYjにそれぞれ変換する。
【数１８】
ここで、シンボル（数１９）は排他ＯＲ操作及びシンボル（数２０）はＡＮＤ操作を表す。
【数１９】
【数２０】
【００３０】
相手方ポストコーダは、図７で詳細に説明されるようにデコーダで必要とされる。通信チャネルから復元されたプレコードデータXj’及びYj’を、以下の関係に従って、それぞれWj’及びZj’データに変換する。
【数２１】
【００３１】
Xj、Yj、Wj及びZjの要素は、(1)通信チャネル内に導入される誤り、及び(2)トランスミッタとレシーバの絶対位相の間の９０°、１８０°、または２７０°の位相不一致により、プレコーダでの対応する要素と同一ではないということを表すためにのみ、ポストコーダ方程式内で下準備される。しかし理想的には、位相不一致に関し、これらの要素はプレコーダ及びポストコーダの両方で同一である。
【００３２】
上記関係において、(1)該ポストコーダはプレコーダを逆にしたものである、(2)ポストコーダの出力はマップ（数２２）（またはこのマップの整数べき）のもとでは同一である、(3)ポストコーダ関数はフィードバック無し（すなわち、それは入力の引窓(Sliding window)関数を表す）であり、したがって誤り伝搬を制限する、ということがわかる。
【数２２】
【００３３】
図２には、プレコーダ14の好適動作が示されている。Wj情報は複数の排他ＯＲゲート34、36を有する第１経路へ端子30を通じて入力される。Zj情報は複数の排他ＯＲゲート40、42、44を有する第１経路へ端子32を通じて入力される。第１フィードバック経路は、第１経路からプレコードされたデータXjを得るべく結合され、先行データXj-1を与えるための遅延手段38（例えば、フリップフロップ）を含む。第２フィードバック経路は、第２経路からプレコードデータYjを得るべく結合される。該第２フィードバック経路は、先行データYj-1を与えるための遅延手段46を含む。該第１及び第２フィードバック経路は少なくとも一つの共通排他ＯＲゲート48及びひとつの共通ＡＮＤゲート50を有する。図２に示された方法により、透明BCC及び信号セットの回転不変ラベルと結合されるとき回転不変となるXj及びYj要素を与えるために、上記プレコーダの関係に従って、Wj及びZj情報を処理することが可能であることが当業者であれば理解できる。
【００３４】
図３には、ポストコーダ130の好適動作が示されている。Xj’要素はWj’情報を与えるための複数の排他ＯＲゲート64、66を有する第１経路へ端子60を通じて入力される。Yj’要素はZj’情報を与えるための複数の排他ＯＲゲート70、76を有する第２経路へ端子62を通じて入力される。ＡＮＤゲート74は、排他ＯＲゲート70を通じて、第１及び第２経路からそれぞれプレコードされたデータXj’及びYj’の排他ＯＲを受信するべく結合された第１入力を有する。ＡＮＤゲート74は、遅延手段68、78及び排他ＯＲゲート72を通じて、第１及び第２経路からそれぞれ遅延信号データXj-1’及びYj-1’の排他ＯＲを受信するべく結合された第２入力を有する。ＡＮＤゲート74の出力は第１経路の排他ＯＲゲート64の入力に結合される。図３に示されたポストコーダ130は、上記ポストコーダ関係に従って、通信チャネルから復元されたXj’及びYj’データを処理する。
【００３５】
図４は、本発明のQPSK実施例に従った回転不変ラベリングを示したものである。シンボル群×、＋、＊及び○の隣の数は、８進法のレファレンスである。QPSK信号空間80は４つの点を含み、それぞれが４つのシンボル群の一つの中にある。本発明の回転不変ラベリングは、シンボル×の最少有意ビットが（0、0）、シンボル＋の最少有意ビットが（1、0）、シンボル＊の最少有意ビットが（1、1）、及びシンボル○の最少有意ビットが（0、1）である。したがって、９０°、１８０°、２７０°及び３６０°の反時計回りの回転のもとで、ラベルが以下のように変化する。
【数２３】
【００３６】
QPSK信号空間内の４つの点をラベリングする２ビットが（Ij、Qj）により表されれば、以下の関係を満足することがわかる。
【数２４】
【００３７】
このラベリングをQAM変調に拡張するために、点は、(1)２つの最少有意ビット（Ij、Qj）が９０°の回転で（数２５）を満足し、(2)残りのほとんどの有意ビットが９０°回転不変である、という方法でラベリングされる。そのようなラベリングは、すべての９０°対称QAM信号セット（例えば、正方及びクロスコンスタレーション）に対して存在する。
【数２５】
【００３８】
図５は、16-QAM実施用のラベリングを示す。再び、シンボルのラベリングは８進法で示され、上記ラベリング関係から成る。16-QAM実施において、信号空間90は４つの変調レベル91、93、95及び97を含む。例えば、変調レベル93は、４つの点、＋（ラベル06）、＊（ラベル07）、○（ラベル05）及び×（ラベル04）を含む。04は２進ビットでは0100で表される。06は0110と表される。07は0111と、05は0101とそれぞれ表される。信号空間90の変調レベル93以内のあらゆる９０°反時計回りの回転は、残り大部分のビットを不変にした状態で２つの最少有意ビットの左のひとつを置換しかつ補足する。このことは、信号点＋（06）を信号点＊（07）と比較すれば、関係式（数２６）を使って最少ビットが10から11に変化することでわかる。同時に、ほとんどの有意ビット01は変調レベル93において点＋及び＊のそれぞれに対し同一のまま残る。ラベリング関係は、図５に示された16-QAMコンスタレーション内のすべての点に対し、正しく保持される。
【数２６】
【００３９】
図６は64-QAM実施を示したものである。再び、ラベリング関係は信号空間94内のすべての点に対し保持される。図４、５と同様に、図６の各シンボルは８進法表示で注釈される。
【００４０】
本発明により与えられる回転不変性は、図４〜６のシンボルラベリングを参照すれば容易に理解できる。単純化のために、図５を参照すれば、×から＋への反時計回りの回転は、信号空間内で実際の点がどこに現れたかとは無関係に常に９０°位相シフトを表すことがわかる。信号空間全体が９０°、１８０°または２７０°シフトされれば、×シンボル及び＋シンボルの間の関係は９０°のままである。同様にして、＊シンボルは常に＋からの９０°シフトを表し、○シンボルは常に＊からの９０°シフトを表し、×シンボルは常に○からの９０°シフトを表す。回転不変性は、位相を変化させて符号化することにより達成され、それは実際の位相値にはよらない。
【００４１】
図７は本発明により使用されるデコーダのブロック図である。送信チャネルから受信されたデータは端子100を通じて通常のレシーバ及び適応イコライザー102に入力される。周知のように多くのハードウエアは一つのＩＣ内に納めることが可能であるが、ここでは、同相(I)データ及び直角位相(Q)データのそれぞれに対する処理ハードウエアを別々に示している。
【００４２】
Iデータとして表されるデータは、プルーナ108により未符号化ビットに枝刈りされ、セレクタ118内に入力される前にバッファ110（例えば、フリップフロップ）により遅延される。符号化ビットは、標準ビタビデコーダから成るシーケンス・エスティメータ112へ入力される。他に、例えば連続復号化アルゴリズムのようなビタビ・アルゴリズム以外のアルゴリズムを使用することも可能である。該シーケンス・エスティメータはプレコードビットSj’（エンコーダにおいて、プレコーダ14によりプレコードされたような）を復元し、BCCエンコーダ114により再符号化される。該再符号化されたプレコードビットは、結合器132内で復元されかつポストコードされたコードビットWj’及びZj’のデータストリームと結合するために、適正な未符号化ビットUj’を選択するべく、セレクタ118を動作させるような制御信号を与える。
【００４３】
例えば、セレクタ118は、BCCエンコーダ114、126からの２つのビットが遅延ステージ110、122から出力された未符号化データビットの４つの可能な組み合わせの中から選択するのに使用されるところのマルチプレクサ回路から成る。該未符号化ビットは大部分のシンボルの有意ビットであり、かつ回転不変である。符号化ビットがシーケンス・エスティメータにより識別され、BCCエンコーダ114、126により再符号化されれば、それらは使用されるマッピングにより、Iデータ経路またはQデータ経路MSB（大部分の有意ビット）のいずれが選択に適しているかを識別する。他の実施例において、セレクタ118は、BCCエンコーダ114、126から出力された２つのビットによりアドレスされるルックアップ・テーブルであり得る。
【００４４】
Iデータとして示されるデータ用の復元された符号ビットは、図１に示される付加的フィードバックマトリクス18の逆である付加的フィードバックマトリクス116により処理される。これらのビット(Xj’)はポストコーダ130内でポストコードされ、それは図３に関して上で説明された。
【００４５】
Qデータで表されたデータの処理はIデータで示されたものと同一である。プルーナ120は、未符号化ビットを枝刈りし、それがセレクタ118に入力される前にバッファ122により遅延される。シーケンス・エスティメータ124、BCCエンコーダ126、及び付加的フィードフォワード・マトリクス128はエレメント112、114及び116と同等である。
【００４６】
復号化データは、同様に入力データの９０°の倍数の回転に無関係であるということは、図７に関して注意すべきである。ポストコーダ130、再エンコーダ114、126及び付加的フィードフォワード・マトリクス116、128は、フィードバックを有しないため、入力の引窓関数である出力を実際に与えることにより、誤りの伝搬が制限される。さらに、アンコーダを通過したような、復号化されたビットの誤り伝搬は、再エンコーダ114、126内の誤り伝搬により典型的に支配される。
【００４７】
図８は、図１及び７で示されるようなエンコーダ22、24、114及び126に対して使用されるBCCエンコーダ(F(D)=1)の例を示したものである。本発明に従ってあらゆる透明BCCが使用されるが、パンクチュア率4/5及び3/4符号が以下のように与えられる。
【数２７】
【００４８】
本発明はQPSK及びQAM実行装置とともに使用するための回転不変トレリス符号を与えるものである。符号化の方法は、透明２進コードの使用、特定の２次元信号空間マッピング、及び入力の位相と無関係に同一のポストコーダ出力を与えるプレコーディング及びプレコーディング関数を含む。
【００４９】
発明は、特定の実施例について説明されてきたが、特許請求の範囲に記載されている発明の思想及び態様から離れることなくさまざまな付加及び変更が可能であることは当業者の知るところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う回転不変エンコーダのブロック図である。
【図２】 図１のエンコーダ内で使用されるプレコーダの実施例を示したものである。
【図３】 図１のエンコーダから受信された信号用に、デコーダ内で使用されるポストコーダの実施例を示したものである。
【図４】 本発明に従うQPSK実行例に対するコンスタレーション図である。
【図５】 本発明に従う16-QAM実施例に対するコンスタレーション図である。
【図６】 本発明に従う64-QAM実施例に対するコンスタレーション図である。
【図７】 本発明に従うデコーダのブロック図である。
【図８】 本発明に従って使用される２進畳み込み符号エンコーダのブロック図である。
【符号の説明】
10 入力端子
12 パーザ
14 プレコーダ
16 経路
18、20 付加的フィードバックマトリクス
22、24 ２進畳み込みエンコーダ
26 マッパー
【発明の属する技術分野】
本発明は、トレリス符号化変調を使用するデジタルデータ通信に関し、特に回転不変トレリス符号化／復号化をQPSKまたはQAM送信装置に組み入れるための方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明が特に適している応用の一つは、デジタルテレビ信号の送信である。 例えば、デジタル化され、圧縮されたテレビ(NTSC)または高品位テレビ(HDTV)信号のデジタルデータは、VHF、UHF、衛星チャネルまたはケーブルテレビアナログチャネルを通じてエンドユーザに送信される。アナログチャネルを通じてデジタルデータを通信するために、データは例えばパルス振幅変調(PAM)の方式を使って変調される。典型的に、QAMまたはSSB変調が、有効チャネル帯域幅を効果的に使用するために選択される。QAMは、２つのPAM信号の直角または直交組み合わせである。平面座標として見たとき、結合されたPAM信号は、可能送信レベルの信号空間またはコンスタレーションを形成する。各送信された点はシンボルと呼ばれる。例えば、２つの独立の直角４レベルAM信号は、４ビットを符号化する16-QAMコンスタレーションを形成する。３２点コンスタレーションは、シンボルあたり５ビットを符号化する従属６レベルAM直角信号により形成される。QAMにより許容されるものより低いキャリア対ノイズ比(CNR)を有する装置においては、４点コンスタレーションを有するQPSKのようなより低い変調オーダーが有用である。
【０００３】
パルス振幅変調において、各信号は、振幅レベルが固定セットのレベルから選択されたパルスである。16-QAMにおいて、各直角PAM信号は、均一間隔の振幅レベル−3、−1、1、3からスケールされたバイポーラ振幅を選択する。デジタル通信装置におけるスペクトル効果は、帯域幅の単位あたり１秒間の送信情報量、すなわち帯域幅に対するデータ速度の比として定義される。非常に高い帯域幅効果を有する変調装置は、狭い有効帯域幅で高いデータのスループットを必要とするような応用において適している。QAM及びSSBは、トレリス符号変調(TCM)のような非常に効果的な前方向誤り訂正符号とともに使用された時、非常に低いビット誤り率をもたらす帯域幅有効変調を与える。
【０００４】
トレリス符号変調は、帯域制限チャネルを通じてデジタル送信するための結合符号化及び変調技術として発達した。送信に使用される帯域幅を増加させるような畳み込み符号の２レベルPAMへの従来の応用と違って、TCMはその代わりコンスタレーションのサイズを増加させる。TCMにおいて、一連の符号化ビットはコンスタレーションシンボルを区切る一連のグループ内へ畳み込んで符号化される。QAMコンスタレーションの各符号化グループに対し、グループの特定のコンスタレーション要素を選択することによって多くの未符号化ビットが送信される。ほとんどのTCMは、畳み込み符号トレリスのひとつの工程を、２つのQAM成分(I、Q)から成る１つの送信シンボルへマッピングする。そのような２次元(2-D)符号は、2-Dシンボル当たり整数個の情報ビットのスループットを達成する。
【０００５】
レシーバにおいて、送信グループのシーケンスは軟判定最尤(Soft-decision maximum likelihood)畳み込み符号デコーダにより復号化される。そのようなTCMは、同じ情報速度で未符号化変調と比較して３から６デシベル以上、付加的ノイズに対しデジタル送信の粗さを改良する。畳み込み符号の効果的な最尤復号化に対し広く使用されているのは、A. J. Viterbi及びJ. K. Omuraにより開示されたビタビアルゴリズムである(Principles of Digital Communications and Coding、 New York、 McGraw Hill 1979.)。高率Ｒ畳み込み符号の復号化はいくつかの出力ビットの低率符号を周期的に削除することにより得られるパンクチュアド符号を使用することで単純化される。率1/n符号は率m/kにパンクチュアされ、率1/nデコーダに対する単純な変更により容易に復号化され得る。そのようなデコーダの例が、通常に譲渡された同時継続中の米国特許出願第08/054、642号、1993年5月5日出願の"Apparatus and Method for Communicating Digital Data Using Trellis Cording with Punctured Convolutional Codes"に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
位相の曖昧さからの早急な復元は、モデム設計に非常に重要である。典型的なレシーバ内のすべてのトラッキング・ループ、例えば自動利得制御、適応イコライザー、及びキャリア・タイミング・ループのようなものの中で、キャリア復元ループが最も壊れやすく、ノイズを生じさせる。位相の曖昧さは、前方向誤り訂正(FEC)の主な再同期化を要求しながらキャリアタイミングスリップを引き起こし、それがFEC出力でバースト誤りを導く。ビタビアルゴリズム（または、他のシーケンス・エスティメータ）はその現象を検出し、復号化を再開する。したがって、FECの状態を変化させないように位相回転から早急に復元する符号化方法を与えることが所望される。そのような符号化方法は、ミキシング工程で導入された大量の位相ノイズを消去できるレシーバにおいて特に有用である。
【０００７】
トラック位相ジッタに対し、キャリア・タイミング・ループ帯域幅が典型的に開かれており、該ループ内の信号対ノイズ比を損なっている。これが、位相フリップへの露出となり、位相ノイズを扱うレシーバの能力を制限する。キャリア・タイミング・グループ・スリップから急速に復元することにより、FECの出力で現れる大きなバースト誤りの危険無しで、よりアグレッシブな位相ノイズ消去が実行可能となる。
【０００８】
特にトレリス符号化とともに使用される際、多重レベル変調技術の直面するひとつの問題は、通信チャネルから受信される信号内で発生する９０°位相の曖昧さである。そのような位相の曖昧さは受信されたシンボルの完全な位相を決定することを困難にする。同一グループ内の９０°だけオフセットされた一つの点かまたは他の点のいずれが受信されたかに関して、間違った仮定が為された時、復号化誤りが発生する。
【０００９】
QPSKまたはQAM送信装置内で使用するための、回転不変トレリス符号化／復号化方法を与えることが有利である。その方法は、あらゆる９０°の倍数の位相の曖昧さを解決する。レシーバ内での位相フリップからの早急な復元が与えられなければならない。誤りの伝搬は小さくなり、逆に符号化利得は影響されなくなる。
【００１０】
本発明は上記利点を有する回転不変トレリス符号化／復号化方法を与える。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
２次元シンボル変調を使用してレシーバへ送信されるべき入力データを符号化するために、本発明に従って、回転不変トレリスコーダが与えられる。前記入力データを処理するためにプレコーダが与えられる。該プレコーダーは、前記レシーバでの相手方ポストコーダにより与えられるロジックの逆である非線形ロジックから成る。エンコーダはパンクチュアド符号であるところの、透明２進畳み込み符号を使用してプレコード(precoded)されたデータを符号化する。符号化されたデータをエンコーダから複数の信号点を有する２次元の信号空間にマッピングするための手段が与えられる。信号点は特定の２進コードにより識別され、（I、Q）で表示される２つの最少有意ビットが、信号空間の回りに各９０°の位相回転に対し、（数９）のように置換されかつ部分的に補足される。各点に対する残りのほとんどの有意ビットは回転に対して不変である。
【数９】
図示された実施例において、プレコーダは、第１入力データストリームWj及び第２入力データストリームZjデータを以下の関係式に従って、遅延データXj-1及びYj-1のフィードバックを使いながら、対応するプレコードされたデータストリームXj及びYjにそれぞれ変換する。
【数１０】
プレコーダから出力されたXj及びYjデータストリームは、信号空間内の信号点にマッピングされた２つの最少有意ビットのシンボルを与えるべく畳み込んで符号化される。QAM実施例において、QPSK実施例とは反対に符号化ビットに加え未符号化ビットが与えられる。マッピング手段により使用するための入力データから該未符号化ビットを分離するための手段が与えられる。該未符号化ビットは、信号空間内の信号点にマッピングされているシンボルのほとんどの有意ビットを表している。
【００１４】
トレリスコーダから出力されたシンボルを復号化するのに使用するためのデコーダが与えられる。ビタビ・アルゴリズムのような、少なくともひとつのシーケンス・エスティメータが、受信データストリームからプレコードされたデータを復元するために使用される。復元されたプレコードデータの９０°回転に不変の出力データを与えるべく、復元されたプレコードデータを受信し処理するためのポストコーダが与えられる。
【００１５】
QAMデータを修正するべく、符号化または未符号化ビットを復元するよう受信データストリームを枝刈りする(pruning)ための手段がデコーダ内に与えられる。符号化ビットはシーケンス・エスティメータに入力される。ポストコーダからのポストコード(postcoded)されたデータと組み合わせるべく、未符号化同相データ(I)または未符号化直角位相データ(Q)を選択するための手段が与えられる。シーケンス・エスティメータにより復元されたプレコードデータは、未符号化Iまたは未符号化Qデータを選択するための選択手段を動作させる際に使用するべく再符号化される。
【００１６】
上記関係により、プレコーダは、第１入力データストリームWj及び第２入力データストリームZjデータを、対応するプレコードされたデータストリームXj及びYjにそれぞれ変換するところで、ポストコーダはデータストリームから復元されたプレコードデータ、すなわちXj’及びYj’をそれぞれ以下の関係にしたがって、第１出力データストリームWj’及び第２出力データストリームZj’に変換する。
【数１１】
本発明は、回転不変トレリスコーダ内で使用するためのプレコーダも与える。該プレコーダの第１経路は、第１入力データストリームWjを、対応するプレコードされたデータXjに変換するための複数の排他的ＯＲゲートを有する。第２経路は、第２入力データストリームZjを対応するプレコードされたデータYjに変換するための複数の排他的なＯＲゲートを有する。第１フィードバック経路が、第１経路からプレコードされたデータXjを得るよう結合されている。該第１フィードバック経路は、先行データXj-1を与えるための遅延手段を含む。第２フィードバック経路が、第２経路からプレコードされたデータYjを得るよう結合されている。該第２フィードバック経路は、先行データYj-1を与えるための遅延手段を含む。第１及び第２フィードバック経路は、少なくとも一つの共通排他的ＯＲゲート及び少なくとも一つの共通ＡＮＤゲートを有する。プレコーダは第１及び第２データストリームを以下の関係に従って、プレコードされたデータに変換する。
【数１２】
回転不変トレリスデコーダ内で使用するためのポストコーダが与えられる。該ポストコーダは、ビタビ・アルゴリズムのようなシーケンス・エスティメーション・アルゴリズムを使用して復元された受信プレコードデータストリームXj’から出力データストリームWj’を与えるための複数の排他ＯＲゲートを有する第１経路を含む。第２経路はシーケンス・エスティメーション・アルゴリズムを使用して復元された受信プレコードデータストリームYj’から出力データストリームZj’を与えるための複数の排他ＯＲゲートを有する。ＡＮＤゲートは、第１及び第２経路からそれぞれ排他的ＯＲのプレコードデータストリームXj’及びYj’を受信するべく接続された第１入力を有する。該ＡＮＤゲートの第２入力は、第１及び第２経路からそれぞれ排他ＯＲの遅延データストリームXj-1’及びYj-1’を受信するべく接続される。ＡＮＤゲートは第１経路内の排他ＯＲゲートの一つの入力に結合された出力を有する。ポストコーダは以下の関係に従って、プレコードデータストリームXj’及びYj’から出力データストリームWj’及びZj’を生成する。
【数１３】
回転不変トレリス符号化変調を可能とするための、デジタルデータを符号化する方法が与えられる。透明２進畳み込み符号で符号化され、その後レシーバで復号化されかつポストコードされる際、符号化されるビットストリームはまず回転不変性を与えるべくプレコードされる。該プレコードされたビットは符号化情報を与えるべく、透明２進畳み込み符号を使用して符号化される。該符号化された情報は、複数の信号点を有する２次元信号空間へマッピングされる。該信号点は特定の２進コードで表され、そこでは(I、Q)で示される２つの最少有意ビットが、信号空間回りの各９０°の位相回転に対し（数１４）のように置換されかつ部分的に補足される。各点に対する残りの大部分のビットはそのような回転に対し不変である。
【数１４】
本発明により与えられる符号化情報は、同相(I)及び直角位相(Q)データを表す。該I及びQデータは、信号空間マッピングに従って通信チャネルを通じて送信される。該I及びQデータは、通信チャネルから受信されかつ復調される。該I及びQデータに対する符号化情報はプレコードビットを復元するために復号化される。復元されたプレコードビットは、ビットストリームを復元するためにプレコード工程と逆の効果を与えるべくポストコードされる。
【００２１】
QAM送信に対してこの方法が使用される際には、データはプレコード工程に先だって、未符号ビットのストリーム及び符号化されるべきビットストリームへと分離される。該未符号化ビットは信号空間内のほとんどのビットの信号点にマッピングされる。符号化されるべきビットストリームから引き出された符号化情報は、最少ビットの信号点へマッピングされる。未符号化ビット及び符号化情報は同相及び直角位相データを表す。I及びQデータは信号空間マッピングに従って、通信チャネルを通じて送信される。I及びQデータは通信チャネルから受信されかつ復調される。復調されたIデータは対応する未符号化ビット及び符号化情報を復元するべく枝刈りされる。復調されたQデータはまた対応する未符号化ビット及び符号化情報を復元するべく枝刈りされる。I及びQデータ用に枝刈りされた符号化情報はプレコードされたビットを復元するべく復号化される。復元されたプレコードビットはエンコーダで符号化済みのビットストリームを復元するべくポストコードされる。復元されたプレコードビットは、制御信号を与えるべく透明２進畳み込み符号を使用して再符号化される。IデータまたはQデータから枝刈りされた未符号化ビットは、デジタルデータを再構成するために、ポストコード工程により復元されたビットストリームと結合するべく、該制御信号に応答する。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明は、回転不変トレリス符号化方法を、９０°位相の曖昧さに関する２次元シンボル（例えば、QPSKまたはQAM）送信装置に組み込むための方法及び装置を与える。この方法は、パンクチュアド符号を含むあらゆる透明２進畳み込み符号と両立可能である。そのような符号の例が、J. A. Heller及びI. M. Jacobsにより、64状態コードとして説明されている（"Viterbi Decoding for Satellite and Space Communication、" IEEE Trans. Commun. Technol.、 COM-19、 pp. 835-848、 October 1971.）。
【００２３】
回転不変(RI)エンコーダ／アンコーダを有するRIトレリスコードは、QPSK及びQAMのような送信装置において９０°位相の曖昧さを扱う方法として、非常に所望される。本発明の符号化方法は透明２進畳み込み符号を利用する。２進畳み込み符号(BCC)は、あらゆる符号語の補数(complement)が常に符号語であるとき、透明(transparent)であると言われる。BCCは線形符号であるため、すべて１のシーケンスが符号語である場合に限り、該BCCは透明である。ジェネレータ・マトリクスG(D)（ランクkのk×nの多項式マトリクス）及びパリティ・チェック・マトリクスH(D)（ランクn−kのn−(k×n)多項式マトリクス、G(D)H(D)t＝0）によって説明される(n、k)BCCに対し、H(D)の列の和が1−Dで割り切れるときにのみ該符号は透明である。
【００２４】
回転不変コードは常に回転不変エンコーダ／アンコーダを有する。該エンコーダ／アンコーダは、符号語がアンコーダに渡される前にまず０°、９０°、１８０°、または２７０°回転される際、あらゆる符号語に対するアンコーダの出力は同じ出力である、という性質を有する。言い換えれば、符号語及びその回転したものはアンコーダで同一の出力を生成する。そのようなアンコーダは、エンコーダが例えば無限インパルス応答(IIR)フィルタ内と同様のフィードバックを有する一方、レシーバでの有限誤り伝搬を保証するため、例えば有限インパルス応答(FIR)フィルタ内と同様にフィードバック無しであることが要求される。
【００２５】
透明２進畳み込み符号は、特定表示された２次元信号空間へマッピングされる。特に、連続シンボルグループ内の相手方シンボルは最少有意ビット(I、Q)により表示され、その結果、反時計回りに９０°回転したとき該最少有意ビットは（数１５）のように置換されかつ部分的に補足される。QPSKコンスタレーションに対し、もし４点を表示する２ビットが(Ij、Qj)により示されれば、以下のようになる。
【数１５】
【数１７】
図１は、本発明に従うエンコーダを示したものである。符号化されるべき連続データが端子10を通じてパーザ12に入力され、そこでQPSKより高い変調レベルの場合（例えば、QAM）には、該データは、経路16を通じてマッパー26に出力される未符号化ビットUj、並びにプレコーダに同様に入力される第１及び第２データストリームWj及びZjへ分離される。プレコーダ14は、エンコーダで適正に符号化されマッピングされかつレシーバで適正に復号化されポストコードされたとき、レシーバでの回転不変に表されたデータを与えるべく、データストリーム(Wj、Zj)をプレコードする。プレコーダ14から出力されたプレコードデータ(Xj、Yj)は、付加的フィードバックマトリクス18、20にそれぞれ入力される。プレコーダの２つの２進出力は、別々の２進畳み込みエンコーダ22、24で独立に符号化される。ライン16上の残りの未符号化情報UjとともにBCC出力は、送信されるべきQAMコンスタレーション点を選択するべく結合される。QPSK実施例においては、未符号化ビットは無く、ライン16は不要である。
【００２７】
BCC出力のマッピングは、それらがI及びQ座標の最少有意ビットを独立に選択するように行われる。さらに、未符号化または並列エッジ(Parallel edge)情報Ujは回転不変である。
【００２８】
多項式ジェネレータマトリクスG(D)により説明された透明コードの符号化は、フィードフォワード・ジェネレータG(D)以前の付加的フィードバック・ジェネレータ・マトリクスF-1(D)により達成される。この構成は選択コードのさまざまなエンコーダに対して有効である。例えば、システマチック・エンコーダも可能である。エンコーダに要求される点は、もしG(D)（または、F-1(D)）への入力が０が１になるように補足されるなら、出力が補足されるということのみである。これは透明BCCに対して常に可能である。
【００２９】
プレコーダ14は、透明BCC及び上記信号セットの回転不変ラベル（図４〜６とともに、以下に詳細に説明される）と結合されるとき、回転不変となる構造を有する。好適実施例において、該プレコーダは、以下の関係にしたがって、遅延データXj-1及びYj-1のフィードバックを使いながら、Wj及びZjデータを対応するプレコードされたデータXj及びYjにそれぞれ変換する。
【数１８】
【数１９】
相手方ポストコーダは、図７で詳細に説明されるようにデコーダで必要とされる。通信チャネルから復元されたプレコードデータXj’及びYj’を、以下の関係に従って、それぞれWj’及びZj’データに変換する。
【数２１】
Xj、Yj、Wj及びZjの要素は、(1)通信チャネル内に導入される誤り、及び(2)トランスミッタとレシーバの絶対位相の間の９０°、１８０°、または２７０°の位相不一致により、プレコーダでの対応する要素と同一ではないということを表すためにのみ、ポストコーダ方程式内で下準備される。しかし理想的には、位相不一致に関し、これらの要素はプレコーダ及びポストコーダの両方で同一である。
【００３２】
上記関係において、(1)該ポストコーダはプレコーダを逆にしたものである、(2)ポストコーダの出力はマップ（数２２）（またはこのマップの整数べき）のもとでは同一である、(3)ポストコーダ関数はフィードバック無し（すなわち、それは入力の引窓(Sliding window)関数を表す）であり、したがって誤り伝搬を制限する、ということがわかる。
【数２２】
図２には、プレコーダ14の好適動作が示されている。Wj情報は複数の排他ＯＲゲート34、36を有する第１経路へ端子30を通じて入力される。Zj情報は複数の排他ＯＲゲート40、42、44を有する第１経路へ端子32を通じて入力される。第１フィードバック経路は、第１経路からプレコードされたデータXjを得るべく結合され、先行データXj-1を与えるための遅延手段38（例えば、フリップフロップ）を含む。第２フィードバック経路は、第２経路からプレコードデータYjを得るべく結合される。該第２フィードバック経路は、先行データYj-1を与えるための遅延手段46を含む。該第１及び第２フィードバック経路は少なくとも一つの共通排他ＯＲゲート48及びひとつの共通ＡＮＤゲート50を有する。図２に示された方法により、透明BCC及び信号セットの回転不変ラベルと結合されるとき回転不変となるXj及びYj要素を与えるために、上記プレコーダの関係に従って、Wj及びZj情報を処理することが可能であることが当業者であれば理解できる。
【００３４】
図３には、ポストコーダ130の好適動作が示されている。Xj’要素はWj’情報を与えるための複数の排他ＯＲゲート64、66を有する第１経路へ端子60を通じて入力される。Yj’要素はZj’情報を与えるための複数の排他ＯＲゲート70、76を有する第２経路へ端子62を通じて入力される。ＡＮＤゲート74は、排他ＯＲゲート70を通じて、第１及び第２経路からそれぞれプレコードされたデータXj’及びYj’の排他ＯＲを受信するべく結合された第１入力を有する。ＡＮＤゲート74は、遅延手段68、78及び排他ＯＲゲート72を通じて、第１及び第２経路からそれぞれ遅延信号データXj-1’及びYj-1’の排他ＯＲを受信するべく結合された第２入力を有する。ＡＮＤゲート74の出力は第１経路の排他ＯＲゲート64の入力に結合される。図３に示されたポストコーダ130は、上記ポストコーダ関係に従って、通信チャネルから復元されたXj’及びYj’データを処理する。
【００３５】
図４は、本発明のQPSK実施例に従った回転不変ラベリングを示したものである。シンボル群×、＋、＊及び○の隣の数は、８進法のレファレンスである。QPSK信号空間80は４つの点を含み、それぞれが４つのシンボル群の一つの中にある。本発明の回転不変ラベリングは、シンボル×の最少有意ビットが（0、0）、シンボル＋の最少有意ビットが（1、0）、シンボル＊の最少有意ビットが（1、1）、及びシンボル○の最少有意ビットが（0、1）である。したがって、９０°、１８０°、２７０°及び３６０°の反時計回りの回転のもとで、ラベルが以下のように変化する。
【数２３】
QPSK信号空間内の４つの点をラベリングする２ビットが（Ij、Qj）により表されれば、以下の関係を満足することがわかる。
【数２４】
このラベリングをQAM変調に拡張するために、点は、(1)２つの最少有意ビット（Ij、Qj）が９０°の回転で（数２５）を満足し、(2)残りのほとんどの有意ビットが９０°回転不変である、という方法でラベリングされる。そのようなラベリングは、すべての９０°対称QAM信号セット（例えば、正方及びクロスコンスタレーション）に対して存在する。
【数２５】
図５は、16-QAM実施用のラベリングを示す。再び、シンボルのラベリングは８進法で示され、上記ラベリング関係から成る。16-QAM実施において、信号空間90は４つの変調レベル91、93、95及び97を含む。例えば、変調レベル93は、４つの点、＋（ラベル06）、＊（ラベル07）、○（ラベル05）及び×（ラベル04）を含む。04は２進ビットでは0100で表される。06は0110と表される。07は0111と、05は0101とそれぞれ表される。信号空間90の変調レベル93以内のあらゆる９０°反時計回りの回転は、残り大部分のビットを不変にした状態で２つの最少有意ビットの左のひとつを置換しかつ補足する。このことは、信号点＋（06）を信号点＊（07）と比較すれば、関係式（数２６）を使って最少ビットが10から11に変化することでわかる。同時に、ほとんどの有意ビット01は変調レベル93において点＋及び＊のそれぞれに対し同一のまま残る。ラベリング関係は、図５に示された16-QAMコンスタレーション内のすべての点に対し、正しく保持される。
【数２６】
図６は64-QAM実施を示したものである。再び、ラベリング関係は信号空間94内のすべての点に対し保持される。図４、５と同様に、図６の各シンボルは８進法表示で注釈される。
【００４０】
本発明により与えられる回転不変性は、図４〜６のシンボルラベリングを参照すれば容易に理解できる。単純化のために、図５を参照すれば、×から＋への反時計回りの回転は、信号空間内で実際の点がどこに現れたかとは無関係に常に９０°位相シフトを表すことがわかる。信号空間全体が９０°、１８０°または２７０°シフトされれば、×シンボル及び＋シンボルの間の関係は９０°のままである。同様にして、＊シンボルは常に＋からの９０°シフトを表し、○シンボルは常に＊からの９０°シフトを表し、×シンボルは常に○からの９０°シフトを表す。回転不変性は、位相を変化させて符号化することにより達成され、それは実際の位相値にはよらない。
【００４１】
図７は本発明により使用されるデコーダのブロック図である。送信チャネルから受信されたデータは端子100を通じて通常のレシーバ及び適応イコライザー102に入力される。周知のように多くのハードウエアは一つのＩＣ内に納めることが可能であるが、ここでは、同相(I)データ及び直角位相(Q)データのそれぞれに対する処理ハードウエアを別々に示している。
【００４２】
Iデータとして表されるデータは、プルーナ108により未符号化ビットに枝刈りされ、セレクタ118内に入力される前にバッファ110（例えば、フリップフロップ）により遅延される。符号化ビットは、標準ビタビデコーダから成るシーケンス・エスティメータ112へ入力される。他に、例えば連続復号化アルゴリズムのようなビタビ・アルゴリズム以外のアルゴリズムを使用することも可能である。該シーケンス・エスティメータはプレコードビットSj’（エンコーダにおいて、プレコーダ14によりプレコードされたような）を復元し、BCCエンコーダ114により再符号化される。該再符号化されたプレコードビットは、結合器132内で復元されかつポストコードされたコードビットWj’及びZj’のデータストリームと結合するために、適正な未符号化ビットUj’を選択するべく、セレクタ118を動作させるような制御信号を与える。
【００４３】
例えば、セレクタ118は、BCCエンコーダ114、126からの２つのビットが遅延ステージ110、122から出力された未符号化データビットの４つの可能な組み合わせの中から選択するのに使用されるところのマルチプレクサ回路から成る。該未符号化ビットは大部分のシンボルの有意ビットであり、かつ回転不変である。符号化ビットがシーケンス・エスティメータにより識別され、BCCエンコーダ114、126により再符号化されれば、それらは使用されるマッピングにより、Iデータ経路またはQデータ経路MSB（大部分の有意ビット）のいずれが選択に適しているかを識別する。他の実施例において、セレクタ118は、BCCエンコーダ114、126から出力された２つのビットによりアドレスされるルックアップ・テーブルであり得る。
【００４４】
Iデータとして示されるデータ用の復元された符号ビットは、図１に示される付加的フィードバックマトリクス18の逆である付加的フィードバックマトリクス116により処理される。これらのビット(Xj’)はポストコーダ130内でポストコードされ、それは図３に関して上で説明された。
【００４５】
Qデータで表されたデータの処理はIデータで示されたものと同一である。プルーナ120は、未符号化ビットを枝刈りし、それがセレクタ118に入力される前にバッファ122により遅延される。シーケンス・エスティメータ124、BCCエンコーダ126、及び付加的フィードフォワード・マトリクス128はエレメント112、114及び116と同等である。
【００４６】
復号化データは、同様に入力データの９０°の倍数の回転に無関係であるということは、図７に関して注意すべきである。ポストコーダ130、再エンコーダ114、126及び付加的フィードフォワード・マトリクス116、128は、フィードバックを有しないため、入力の引窓関数である出力を実際に与えることにより、誤りの伝搬が制限される。さらに、アンコーダを通過したような、復号化されたビットの誤り伝搬は、再エンコーダ114、126内の誤り伝搬により典型的に支配される。
【００４７】
図８は、図１及び７で示されるようなエンコーダ22、24、114及び126に対して使用されるBCCエンコーダ(F(D)=1)の例を示したものである。本発明に従ってあらゆる透明BCCが使用されるが、パンクチュア率4/5及び3/4符号が以下のように与えられる。
【数２７】
本発明はQPSK及びQAM実行装置とともに使用するための回転不変トレリス符号を与えるものである。符号化の方法は、透明２進コードの使用、特定の２次元信号空間マッピング、及び入力の位相と無関係に同一のポストコーダ出力を与えるプレコーディング及びプレコーディング関数を含む。
【００４９】
発明は、特定の実施例について説明されてきたが、特許請求の範囲に記載されている発明の思想及び態様から離れることなくさまざまな付加及び変更が可能であることは当業者の知るところである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に従う回転不変エンコーダのブロック図である。
【図２】 図１のエンコーダ内で使用されるプレコーダの実施例を示したものである。
【図３】 図１のエンコーダから受信された信号用に、デコーダ内で使用されるポストコーダの実施例を示したものである。
【図４】 本発明に従うQPSK実行例に対するコンスタレーション図である。
【図５】 本発明に従う16-QAM実施例に対するコンスタレーション図である。
【図６】 本発明に従う64-QAM実施例に対するコンスタレーション図である。
【図７】 本発明に従うデコーダのブロック図である。
【図８】 本発明に従って使用される２進畳み込み符号エンコーダのブロック図である。
【符号の説明】
10 入力端子
12 パーザ
14 プレコーダ
16 経路
18、20 付加的フィードバックマトリクス
22、24 ２進畳み込みエンコーダ
26 マッパー
Claims (13)
- ２次元シンボル変調を通じてレシーバに送信されるべき入力データを符号化するための回転不変トレリスコーダであって、
前記入力データを処理するためのプレコーダであって、前記レシーバで相手方ポストコーダにより与えられるロジックと逆の非線形ロジックから成るところのプレコーダと、
前記プレコーダでプレコードされたデータを、透明２進畳み込み符号を使って符号化するためのエンコーダと、
符号化されたデータを前記エンコーダから複数の信号点を有する２次元信号空間へマッピングするための手段であって、前記信号点は、（Ij、Qj）で表される２つの最少有意ビットが信号空間の回りの９０°位相回転ごとに（数１）のように置換されかつ部分的に補足され、各点に対する残りの大部分の有意ビットはその回転に対し不変であるような特有の２進コードによりラベリングされる、ところの手段と、
から成り、
前記プレコーダは第１入力データストリームWj及び第２入力データストリームZjを、以下の関係に従って遅延データXj-1及びYj-1のフィードバックを使用して、対応するプレコードされたデータストリームXj及びYjへそれぞれ変換する、
ところのトレリスコーダ。
- 請求項１に記載のトレリスコーダであって、前記プレコーダから出力されたXj及びYjデータストリームが前記信号空間内の信号点へマッピングされるシンボルの２つの最少有意ビットを与えるよう畳み込んで符号化される、
ところのトレリスコーダ。 - 請求項２に記載のトレリスコーダであって、さらに
前記マッピング手段により使用するために前記入力データから未符号化ビットを分離するための手段と、
から成り、
前記未符号化ビットは前記信号空間内の信号点へマッピングされる前記シンボルの大部分の有意ビットを表す、
ところのトレリスコーダ。 - トレリスコーダによって符号化されたシンボルを復号化するために請求項１のトレリスコーダと組み合わせて使用するためのデコーダであって、
受信データストリームから前記プレコードされたデータを復元する際に使用するための少なくとも一つのシーケンス・エスティメータと、
から成り、
前記ポストコーダは、以下の関係に従って、データストリームXj’及びYj’から成る復元されたプレコードデータを、第１及び第２出力データストリームWj’及びZj’にそれぞれ変換し、復元されたプレコードデータの９０°回転に対して不変である出力データを与える、
- 請求項４に記載のデコーダであって、さらに
符号化及び未符号化ビットを復元するべく前記受信データストリームを枝刈りするための手段であって、該符号化ビットは前記シーケンス・エスティメータに入力されるところの手段と、
前記ポストコーダからの出力データと結合するべく、未符号化同相(I)データまたは未符号化直角位相(Q)データを選択するための手段と、
前記未符号化Iデータまたは前記未符号化Qデータを選択するべく前記選択手段を動作させる際に使用するため、前記シーケンス・エスティメータにより復元されたプレコードデータを再符号化するための手段と、
から成るデコーダ。 - 請求項４に記載のデコーダであって、前記透明２進畳み込み符号はパンクチュアされた符号である、
ところのデコーダ。 - 回転不変トレリスコーダ内で使用するためのプレコーダであって、
第１入力データストリームWjを対応するプレコードされたデータストリームXjに変換するための複数の排他ＯＲゲートを有する第１経路と、
第２入力データストリームZjを対応するプレコードされたデータストリームYjに変換するための複数の排他ＯＲゲートを有する第２経路と、
前記第１経路から前記プレコードされたデータストリームXjを得るべく接続された第１フィードバック経路であって、先行データXj-1を与えるための遅延手段を含むところの第１フィードバック経路と、
前記第２経路から前記プレコードされたデータストリームYjを得るべく接続された第２フィードバック経路であって、先行データYj-1を与えるための遅延手段を含むところの第２フィードバック経路と、
から成り、
前記第１及び第２フィードバック経路は、少なくとも一つの共通排他ＯＲゲートまたは少なくとも一つの共通ＡＮＤゲートを有し、
以下の関係に従って、前記第１及び第２入力データストリームを前記プレコードされたデータストリームに変換する、
ところのプレコーダ。
- 請求項７に記載のプレコーダと組み合わせて使用するためのポストコーダであって、
受信されたプレコードデータストリームXj’から出力データストリームWj’を生成するための複数の排他ＯＲゲートを有する第３経路と、
受信されたプレコードデータストリームYj’から出力データストリームZj’を生成するための複数の排他ＯＲゲートを有する第４経路と、
前記第３及び第４経路からそれぞれプレコードデータストリームXj’及びYj’の排他ＯＲを受信するべく接続された第１入力と、前記第３及び第４経路からそれぞれ遅延データストリームXj-1’及びYj-1’の排他ＯＲを受信するべく接続された第２入力とを有し、前記第３経路内に一つの排他ＯＲゲートの入力に接続された出力を有するところのＡＮＤゲートと、
から成り、
以下の関係に従って、前記プレコードされたデータストリームXj’及びYj’から前記出力データストリームWj’及びZj’を生成する、
ところのポストコーダ。
- 回転不変トレリスデコーダ内で使用するためのポストコーダであって、
シーケンス・エスティメーション・アルゴリズムを使用して復元された受信プレコードデータストリームXj’から出力データストリームWj’を与えるための複数の排他ＯＲゲートを有する第１経路と、
前記シーケンス・エスティメーション・アルゴリズムを使用して復元された受信プレコードデータストリームYj’から出力データストリームZj’を与えるための複数の排他ＯＲゲートを有する第２経路と、
前記第１及び第２経路からそれぞれプレコードされたデータストリームXj’及びYj’の排他ＯＲを受信するべく接続された第１入力と、前記第１及び第２経路からそれぞれ遅延データストリームXj-1’及びYj-1’の排他ＯＲを受信するべく接続された第２入力とを有し、前記第１経路内に一つの排他ＯＲゲートの入力に接続された出力を有するところのＡＮＤゲートと、
から成り、
以下の関係に従って、前記プレコードされたデータストリームXj’及びYj’から前記出力データストリームWj’及びZj’を生成する、
ところのポストコーダ。
- 回転不変トレリス符号化変調を可能とするようデジタルデータを符号化するための方法であって、
透明２進畳み込み符号により符号化され、その後レシーバにおいて復号化されかつポストコードされる際に、ビットストリームに対し回転不変性を与えるよう、該ビットストリームをプレコードする段階と、
符号化情報を与えるべく前記透明２進畳み込み符号を使用して、プレコードされたビットを符号化する段階と、
複数の信号点を有する２次元信号空間へ符号化情報をマッピングする段階であって、前記信号点は、（Ij、Qj）で表される２つの最少有意ビットが、信号空間内の９０°の回転ごとに（数７）のように置換されかつ部分的に補足され、各点に対する残りの大部分の有意ビットは回転に対し不変であるような特有の２進コードでラベリングされる、ところの段階と、
から成り、
前記プレコードする段階は、第１入力データストリームWj及び第２入力データストリームZjを、以下の関係に従って遅延データXj-1及びYj-1のフィードバックを使用して、対応するプレコードされたデータストリームXj及びYjへそれぞれ変換する段階から成る、
ところの方法。
- 前記符号化情報が同相(I)及び直角位相(Q)データの表現であるところの請求項１０に記載の方法であって、
前記信号空間マッピングに従って通信チャネルを通じて前記I及びQデータを送信する段階と、
前記通信チャネルからI及びQデータを受信しかつ復調する段階と、
プレコードされたビットを復元するべくI及びQデータ用の符号化情報を復号化する段階と、
前記プレコードする段階の効果を逆にし、前記ビットストリームを復元するべく、復元されたプレコードビットをポストコードする段階と、
から成る方法。 - 請求項１０に記載の方法であって、さらに
前記プレコードする段階に先だって、前記データを未符号化ビットストリーム及び符号化されるべきビットストリームに分離する段階と、
を含み、
前記未符号化ビットは前記信号空間内の信号点の大部分の有意ビットへマッピングされ、一方符号化されるべきビットストリームから引き出された符号化情報は前記信号点の最少有意ビットへマッピングされる、
ところの方法。 - 前記未符号化ビット及び符号化情報が同相(I)及び直角位相(Q)データの表現であるところの請求項１２に記載の方法であって、さらに
前記信号空間マッピングに従って、通信チャネルを通じてI及びQデータを送信する段階と、
前記通信チャネルからI及びQデータを受信しかつ復調する段階と、
対応する未符号化ビット及び符号化情報を復元するべく復調Iデータを枝刈りする段階と、
対応する未符号化ビット及び符号化情報を復元するべく復調Qデータを枝刈りする段階と、
プレコードされたビットを復元するべくI及びQデータ用に枝刈りされた符号化情報を復号化する段階と、
符号化されたビットストリームを復元するべく復元されたプレコードビットをポストコードする段階と、
制御信号を与えるべく前記透明２進畳み込み符号を使用して復元されたプレコードビットを再符号化する段階と、
前記デジタルデータを再構成するべく、前記ポストコードする段階により復元されたビットストリームと組み合わせるため、前記制御信号に応答して前記Iデータまたは前記Qデータから枝刈りされた未符号化ビットを選択する段階と、
から成る方法。
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