JP3827588B2 - 軟判定復号装置及び無線通信装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多相位相変調方式の移動体通信などの無線通信における軟判定復号装置及び無線通信装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、このような分野の技術としては、次のような文献に記載されるものがあった。
（１）文献１：ＩＥＥＥ Transactions on Communications Technology）、COM‐19［5](1971−10）、A. J.VITERBI“Convolutional Codes and Their Performance in Communication Systems）”P.751-772
（２）文献２；B.SKLAR“DIGITAL COMMUNICATIONS”（1988）PRENTICE HALL sec. 6.3.4、 P.333−337
（３）文献３；特許番号 第２７１０６９６号
【０００３】
一般に、移動通信、衛星通信などの無線通信においては、無線回線におけるマルチパスフェージングなどの影響による受信信号の品質劣化を改善するため、種々のダイバーシチ受信、等化、符号誤り制御などの対策が施される。符号誤り制御の一種である畳み込み符号化は、符号化レート、拘束長、生成多項式により一意に決まる畳み込み符号生成規則に基づいて行われる。この生成規則を図形化したものがトレリス図形と呼ばれる一種の状態遷移図である。畳み込み符号は、その復号の際、受信信号とトレリス図形上の可能な経路（パス）を照らし合わせ、最もそれらしいパス（最適パス）を選択することで、受信信号のビット誤りを訂正することが可能である。ビタビ復号は、畳み込み符号の復号法として最も一般的な方法であり、信号値そのものによりトレリス図形の選択可能な信号系列と比較する硬判定と、信号値がその値をとる確からしさ（尤度）により比較する軟判定とがある。
【０００４】
ディジタル変調方式の一つであるＰＳＫ変調方式は、搬送波の位相にビット値を割り当てる。例えば、４相ＰＳＫ（ＱＰＳＫ）の場合、４つの位相＝π／４、３π／４、５π／４、７π／４のそれぞれに対して２ビットが割り当てられ、
位相＝π／４の時 →（０、０）、
３π／４の時→（０、１）、
５π／４の時→（１、１）、
７π／４の時→（１、０）
が得られる。しかし、受信信号の絶対位相の確定は、一般に困難であるから、時間的に連続して送信される位相の差をとり、この差に割り当てられたビット値により送信信号を再生する差動のＰＳＫ方式がより現実的である。
【０００５】
従来、提案されている軟判定ビタビ復号方法については、文献１に記載されており、その方法を図７及び図８を参照しつつ説明する。図７は、畳み込み符号化の説明図である。畳み込み符号化を行う場合、入力ｍビットに対し、出力ｎビットが生成されるとき、符号化レートはｍ／ｎとなる。最新の入力ビットを含めて過去のｋビットから出力を生成する時、拘束長ｋという。この場合、長さｋの生成多項式がｎ個必要となる。図７は符号化レート＝１／２、拘束長＝３、生成多項式＝１１１、１０１の場合を示す。
【０００６】
図７では、最新入力ビットを含む３ビットがバッファに蓄えられ、畳み込みにより２ビットの出力が得られる。生成多項式は１１１と１０１であるから、出力の一方はバッファの全ビットの論理和となり、もう一方はバッファの１番目と３番目のビットの論理和となる。
【０００７】
図８は図７の畳み込み符号化の生成規則を状態遷移図化したトレリス図形である。この図８の縦方向は最新ビットを含まないバッファ内の状態を示し、２ｋ−１の状態が生じる。例では４となる。各状態において、０が入力された場合は、実線に沿って次の状態に移り、実線上の２ビットが出力される。また、１が入力された場合は、破線に沿って次の状態に移り、破線上の２ビットが出力される。
【０００８】
図８を参照しつつ、畳み込み符号化された符号を復号する方法として、最も一般的なビタビアルゴリズムについて説明する。復号側では、トレリス図上の実線、あるいは破線上のビット列に相当する信号を受信し、トレリス図上での経路を予測することで、原信号を再生する。ただし、後述するように、パスメモリ長分の遅延（ディレイ）が生じる。トレリス図にあるように、各状態に入力される経路（ブランチ）は、それぞれ２本ずつあり、各ブランチには符号化と同じ規則に基づいた２ビットのブランチシンボルが割り当てられている。
【０００９】
まず、２ビットが入力されると、各状態への入力ブランチについて、それぞれ入力ビットとのブランチメトリック（metric、規準）を計算し、このブランチメトリックの優る方を選択する。選択されたブランチがつながる前の状態におけるブランチメトリックの累積（パスメトリック）と、選択されたブランチのメトリックの和を取り、各状態における新たなパスメトリックとする。こうして、各状態につながるブランチが求まる毎に、各状態に至る経路（パス）情報をメモリ（パスメモリ）に蓄えておく。ここで、ブランチを選択していく結果の累積がパスになる。あるいは、パスの最小単位がブランチである。
【００１０】
２ビット入力毎に前記処理を繰り返すと、文献２に記載されたパス絞り込みの過程に従い、やがて過去のパスは一つに絞られていくので、求められたパスから、畳み込み符号化前の信号が求められる。実際の装置のパスメモリ長は有限となるので、パスメモリ長を超えてもパスが収束しない場合は、その時点でパスメトリックが最良の経路を選択することになる。
【００１１】
次に、硬判定と軟判定の違いについて説明する。
入力ビット値そのものを使用して、トレリス図上の可能なパスとのメトリックを計算する方法が硬判定と呼ばれる。一方、入力ビット値がその値をとる確からしさ（尤度）を使用する方法が軟判定と呼ばれる。軟判定の方が硬判定より、メトリック計算の精度が高くなり、ビットエラー訂正能力は高くなる。
【００１２】
例えば、無線に限らずディジタル信号伝送において、硬判定の場合は、ある受信レベルを閾値とし、受信信号のレベルが閾値より大きい場合は、入力ビットを１とし、小さい場合は０とすることで信号値を決定する。これに対し、軟判定の場合は、まず、７値の閾値を設定し、受信信号のレベルに応じ、８通りの領域に分割し、それぞれに０〜７の値Ｎｓを与える。すなわち、
・１であることが確実な領域、
・０であることが確実な領域、
・０でも１でもどちらでもとれる領域、
・どちらかといえば１に近い領域
などに分ける。ここで、図８のトレリス図上のブランチシンボル０、１を−１、１とし、０〜７の値Ｎｓを（２×Ｎｓ−７）に変換することで、入力ビットとブランチシンボルの積和（相関）が大きいブランチを選択していくビタビアルゴリズムが可能となる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術では、軟判定復号装置で多相相位相変調方式における使用は複雑な演算処理が必要であった。そのためにＬＳＩなどで回路を実現する場合、演算処理用の回路が大きくなり、チップサイズが増大するという問題があった。また演算処理回路が大きくなると、それに比例して回路で使用される消費電力が大きくなり、長時間通話、長時間待受けという点で携帯端末に不向きであった。
【００１４】
本発明は、このような従来の問題点を解決するものであり、小規模な演算処理回路でビット尤度の算出が容易となり、ビット誤り率特性のよい再生信号を得ることができる軟判定復号装置及び無線通信装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、多相位相変調方式の受信搬送波を位相信号に変換する位相変換手段と、
前記位相変換手段により変換された位相信号を情報位相データと既知位相データに振り分けるデータ判定手段と、
前記データ判定手段により振り分けられた情報位相データと前記多相位相変調方式のそれぞれの固有の位相データとを比較し、位相差が最も小さくなる固有の位相データを選択する位相選択手段と、
グレイ符号化の性質を利用して、前記データ判定手段により振り分けられた情報位相データに対するビット重み付け係数を算出するビット重み付け手段と、
位相差の大きさに対して単調減少し、位相差の絶対値が０のときはシンボル尤度の最大値をとり、位相差が多値変調で送信する固有の隣り合う２つの位相の中間となる位相のとき位相尤度の最小値をとる関数により、前記データ判定手段により振り分けられた情報位相データの位相尤度を算出する第１の位相尤度生成手段と、
前記第１の位相尤度生成手段により算出された情報位相データの位相尤度と、前記ビット重み付け手段により算出されたビット重み付け係数と、前記位相選択手段により選択された固有の位相データから軟判定ビットデータを生成するビット尤度生成手段と、
前記データ判定手段により振り分けられた既知位相データの位相尤度を算出する第２の位相尤度生成手段と、
前記第２の位相尤度生成手段により算出された既知位相データの位相尤度からフレームに対する尤度を算出するフレーム尤度算出手段と、
前記ビット尤度生成手段により生成された軟判定データビットと、前記フレーム尤度算出手段により算出されたフレーム尤度データとを乗算することにより、フレーム尤度付き軟判定データを算出する乗算手段と、
前記乗算手段により算出されたフレーム尤度付き軟判定ビットデータを軟判定復号する復号手段とを、
有することを特徴とする。
このように構成したことにより、小規模な演算処理回路でビット誤り率特性のよい再生信号を得ることができる。
【００１６】
本発明はまた、検出された位相と、検出された位相と多相位相変調方式で送信する固有の位相との位相差と、外部から設定されるパラメータからグレイ符号化の性質を利用して、ビット重み付け係数を算出することを特徴とする。
また、フレーム尤度付き軟判定ビットデータを軟判定ビタビ復号又はブロック復号することを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の軟判定復号装置を示し、この軟判定復号装置は無線回線におけるマルチパスフェージングなどの影響を受けた受信信号１に対してビットエラーを訂正して再生信号７を生成する。次に、本実施形態の軟判定復号装置を図１〜図３を参照しつつ説明する。受信信号１が入力されると位相変換部２では受信信号１を位相信号２２に変換する。位相信号２２はデータ判定部１０により、ユーザが必要な情報データ１１と、軟判定復号装置において既にデータパターンが知られている既知データ１２とに分類される。情報データ１１は位相選択部８と、ビット重み付け部９と情報データ位相尤度生成部４に印加され、既知データ１２は既知データ位相尤度生成部１８に印加される。
【００１８】
図２は一例として、８値位相変調の場合の位相と割当てデータ（３ビット）を示している。この位相と割当てデータの関係を以下に示す。
０ ：（１，１，１）
π／４ ：（０，１，１）
π／２ ：（０，１，０）
３π／４：（０，０，０）
π ：（０，０，１）
５π／４：（１，０，１）
３π／２：（１，０，０）
７π／４：（１，１，０）
【００１９】
位相選択部８では、情報データ１１が例えば、図２の□印で示すように位相φ（π／４≦φ≦３π／８）のとき、π／４とπ／２の間の位相に存在しているので、固有の位相＝π／４と検出位相φとの位相差をθ１＝φ−π／４とし、固有の位相＝π／２と検出位相φとの位相ずれをθ２＝π／２−φとし、θ１≦θ２の場合では、位相差の小さくなる固有の位相pbit＝π／４を選択する。
【００２０】
また、情報データ位相尤度生成部４には、位相変換部２の出力として位相差の小さいθ１の値を入力し、情報データ位相尤度生成部４は位相差θ１から情報データの位相尤度iphsを次式（１）の関数より算出する。
iphs＝（cos４θ１＋１）／２ …（１）
ただし、０≦θ１≦π／８
（８相位相変調の場合、位相差θ１の最大値はπ／８である。）
【００２１】
また、ビット重み付け部９では、情報データ１１の位相をもとに、ビット重み付け係数ｋを算出する。図３はビット重み付け係数ｋの大小関係を示した図である。この図はグレイ符号が互いに隣り合う位相において変化ビットが１ビットであり、他のビットは変化しないことを利用している。例えば、図２に示すような検出位相φ（π／４≦φ≦３π／８）のとき、位相の正方向で最も近い位相はπ／２であり、位相の負方向で最も近い位相はπ／４である。位相π／２、π／４ともシンボルの第１番目のビットは「０」であり、第２番目のビットは「１」であり、それぞれ同一値となっている。しかし、第３番目のビットは位相π／２では「０」であり、位相π／４では「１」となっておりそれぞれ異なる。検出位相φが無線回線の影響によりπ／４≦φ≦π／２であったとしても第１番目のビットと第２番目のビットは同一の値をとるので、第３番目のビットより重み付け係数ｋを大きくしている。
【００２２】
さらに第１番目のビットと、第２番目のビットの重み付けについて述べる。図３のように検出位相φ（π／４≦φ≦３π／８）のとき、位相選択部８で選択された位相はπ／４＝pbit＝（０，１，０）であり、第２番目のビットは「１」である。また、φ（π／４≦φ≦３π／８）から位相の負方向側に選択位相π／４が存在し、さらにその負方向側に隣り合う位相０におけるシンボルの第２番目のビットは「１」である。検出位相φが無線回線の影響により０≦φ≦３π／８であったとしても位相π／４の第２番目のビットと位相０の第２番目のビットは同一であることから、第１番目のビットより、第２番目のビットの重み付け係数ｋを大きくしている。
【００２３】
よって検出位相φ（π／４≦φ≦３π／８）のときは、図２において、π／４≦φ≦３π／８の範囲に存在し、そのシンボルのビット重み付け係数ｋは、第１ビットが「中」の大きさの重み付け係数、第２ビットが「大」の大きさの重み付け係数、第３ビットが「小」の大きさの重み付け係数となっている。同様な論理で、検出位相の位相範囲により、ビットの重み付け係数ｋを図３のように定めている。
【００２４】
ビット尤度生成部３では、位相尤度生成部４から算出された位相尤度iphsと、ビット重み付け部９で算出されたビット重み付け係数ｋと、位相選択されたシンボルのビット列pbitから軟判定ビットデータbitを生成する。第１番目のビットをbit（０）、そのときのビットの重み係数をｋ（０）、ビット尤度をｐbit（０）とし、第２番目のビットをbit（１）、そのときのビットの重み係数をｋ（１）、ビット尤度をｐbit（１）とし、第３番目のビットをbit（２）、そのときのビットの重み係数をｋ（２）、ビット尤度をｐbit（２）とすると、それそれの軟判定ビットデータbitは次式（２）で算出される。
bit（０）＝ｋ（０）・ｐbit（０）・（cos４θ１＋１）／２
bit（１）＝ｋ（１）・ｐbit（１）・（cos４θ１＋１）／２
bit（２）＝ｋ（２）・ｐbit（２）・（cos４θ１＋１）／２
ただし、０≦θ１≦π／８ …（２）
【００２５】
一方、既知データ位相尤度生成部１８では、既に知っているデータの位相と、既知データ１２の位相との位相差をφとすると、第ｉ番目のシンボルの既知データの位相尤度kphs（ｉ）を次式（３）の関数より算出する。
kphs（ｉ）＝（cos４φ＋１）／２ …（３）
【００２６】
フレーム尤度生成部１６では、既知データ１２のシンボル数をｎとすると、１フレームで同一値となるフレーム尤度fkphsを次式（４）の関数より算出する。

【００２７】
乗算部１３では、式（２）より算出された軟判定ビットデータbitとフレーム尤度データfkphsを次式（５）に示すように乗算することにより、第ｋ番目のフレーム尤度付き軟判定ビットデータｆbit（ｋ）を算出する。
fbit（ｋ）＝fkphs×bit（ｋ）
【００２８】
フレーム尤度付き軟判定ビットデータfbitはメモリ部１４に保存された後、デインタリーブ部１５によりデインタリーブされる。以上の処理により得られたデータを軟判定ビタビ復号器６へ出力する。軟判定ビタビ復号器６では、入力された軟判定データから再生信号７を出力する。
【００２９】
なお、本発明は図示の実施例に限定されておらず、種々の変形が可能である。その変形例としては、例えば、次のようなものがある。式（１）に限らず、θ１の大きさに対して単調減少し、かつθ１が０の場合は尤度の最大値をとり、θ１が多値変調方式で送信する固有の位相の場合は、尤度の最小値をとる関数であればよい。
【００３０】
図４は第２の実施形態を示し、ビット重み付け部９は、検出された位相と、検出された位相と多相位相変調方式で送信する固有の位相との位相差と、外部から設定されるパラメータからグレイ符号化の性質を利用して、ビット重み付け係数ｋを算出するように構成されている。他の構成は図１と同じである。
【００３１】
図５は第３の実施形態を示し、軟判定ビタビ復号器６の代わりに軟判定ブロック復号器２００が設けられている。他の構成は図１と同じである。図６は第４の実施形態を示し、第２、第３の実施形態の組み合わせである。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、フレーム尤度付きビット尤度の算出が容易となり、ビット誤り率特性のよい再生信号を得るという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の軟判定復号装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の第１の実施の形態の軟判定復号装置の位相とシンボルとの関係を示す説明図
【図３】本発明の第１の実施の形態の軟判定復号装置のビット重み付け係数を示す説明図
【図４】本発明の第２の実施の形態の軟判定復号装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の第３の実施の形態の軟判定復号装置の構成を示すブロック図
【図６】本発明の第４の実施の形態の軟判定復号装置の構成を示すブロック図
【図７】畳み込み符号化の説明図
【図８】トレリス遷移を示す説明図
【符号の説明】
１ 受信信号
２ 位相変換部
３ ビット尤度生成部
４ 情報データ位相尤度生成部
６ 軟判定ビタビ復号器
８ 位相選択部
９ ビット重み付け部
１０ データ判定部
１３ 乗算部
１４ メモリ部
１５ デインタリーブ部
１６ フレーム尤度生成部
１８ 既知データ位相尤度生成部
２００ 軟判定ブロック復号器

Claims (4)

1. 多相位相変調方式の受信搬送波を位相信号に変換する位相変換手段と、
   前記位相変換手段により変換された位相信号を情報位相データと既知位相データに振り分けるデータ判定手段と、
   前記データ判定手段により振り分けられた情報位相データと前記多相位相変調方式のそれぞれの固有の位相データとを比較し、位相差が最も小さくなる固有の位相データを選択する位相選択手段と、
   グレイ符号化の性質を利用して、前記データ判定手段により振り分けられた情報位相データに対するビット重み付け係数を算出するビット重み付け手段と、
   位相差の大きさに対して単調減少し、位相差の絶対値が０のときはシンボル尤度の最大値をとり、位相差が多値変調で送信する固有の隣り合う２つの位相の中間となる位相のとき位相尤度の最小値をとる関数により、前記データ判定手段により振り分けられた情報位相データの位相尤度を算出する第１の位相尤度生成手段と、
   前記第１の位相尤度生成手段により算出された情報位相データの位相尤度と、前記ビット重み付け手段により算出されたビット重み付け係数と、前記位相選択手段により選択された固有の位相データから軟判定ビットデータを生成するビット尤度生成手段と、
   前記データ判定手段により振り分けられた既知位相データの位相尤度を算出する第２の位相尤度生成手段と、
   前記第２の位相尤度生成手段により算出された既知位相データの位相尤度からフレームに対する尤度を算出するフレーム尤度算出手段と、
   前記ビット尤度生成手段により生成された軟判定データビットと、前記フレーム尤度算出手段により算出されたフレーム尤度データとを乗算することにより、フレーム尤度付き軟判定データを算出する乗算手段と、
   前記乗算手段により算出されたフレーム尤度付き軟判定ビットデータを軟判定復号する復号手段とを、
   有する軟判定復号装置。
2. 前記ビット重み付け手段は、検出された位相と、検出された位相と多相位相変調方式で送信する固有の位相との位相差と、外部から設定されるパラメータからグレイ符号化の性質を利用して、ビット重み付け係数を算出するよう構成された請求項１に記載の軟判定復号装置。
3. 前記復号手段は、前記乗算手段により算出されたフレーム尤度付き軟判定ビットデータを軟判定ビタビ復号又はブロック復号するよう構成された請求項１又は２に記載の軟判定復号装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の軟判定復号装置を有する無線通信装置。

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