JP3896661B2 - トレリス符号化方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、コンピューター用のデータストレージ等に使用される記録再生装置、通信装置等に用いられるトレリス符号化方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、ディジタル伝送信号の符号化および変調において符号誤り率を低減させるための有効な手法の一つとしてのトレリス符号化変調方式の研究開発が盛んに行われている。図8に、一般的な記録再生装置のディジタル信号処理のためのブロック図の一例を示す。入力データは、m/n符号化器11によってm:nの比に変換された符号とされる。ここで、mは符号化前のデータビット長、nは符号化後のデータビット長である。m/n符号化器11から出力される符号は、D/A変換器12によって記録矩形波に変換され、記録再生回路13に供給される。記録再生回路13は、磁気ヘッド、あるいは光ピックアップ等(図示せず)を駆動して磁気ディスク、あるいは光磁気ディスク等の記録媒体(図示せず)に対する記録を行う。
【0003】
一方、磁気ヘッド、あるいは光ピックアップ等によって記録媒体から再生された再生波は、アナログ等化器14によって所定の目標等化特性に等化された後、A/D変換器15によってディジタル信号に変換される。そして、符号検出器16によって符号検出された後、n/m復号器17によってn:mの比で出力データ変換される。ここで、アナログ等化器14による等化が充分でない場合には、A/D変換器15と符号検出器16との間にディジタル等化器が設けられる場合もある。また、近年では、符号検出器16として最尤検出器が一般的に使用される。
【0004】トレリス符号化変調方式は、符号化器11における符号化規則を符号検出器16としての最尤検出器における尤度計算に利用する手法である。このトレリス符号化変調方式は、信号の最尤検出を行う際の2乗ユークリッド距離を上昇させることによって符号誤り率を低減させる符号化変調方式で、これを論理的に構成する符号の一つとしては、符号系列の累積直流電荷RDS(Running Digital Sum)あるいは累積交流電荷ADS(Alternating Digital Sum),若しくはその両方について一定の制限を課すことによって、周波数軸上での符号スペクトルのヌルポイントとパーシャルレスポンス等化された信号スペクトルのヌルポイントとを一致させた、マッチドスペクトラルヌル(MSN)型符号が知られている。
【0005】
このトレリス符号化変調方式を実用化するにあたっては、信号の最尤検出時に推定信号の確定ができない可能性のある符号系列、すなわち準破滅的符号系列QCS(Quasi-Catastrophic Sequence)を、その符号系列の中から予め全て除去しておく必要があり、このQCSを除去するための有効な手法の一つとして時変トレリス線図(time-varying Trellis) を用いる方法が提案されている。
【0006】
この時変トレリス線図を用いるQCS除去方法は、例えばFredrickson らの論文(L.Fredrickson,et.al,IEEE Trans.on Magn., vol.31,no.2,pp.1141-1148,Mar.1995) 等に記載されている。具体的な手法としては、トレリス削除法(pruend trellis)、状態並べ替え法(state permutation) 、符号分割法(set-partition) 等、幾つかの方法が知られている。
【0007】
図9に、NRZ変調を前提とした一般的な9状態において、RDSが−4以上+4以下となるという条件が課された場合の状態遷移図の一例を示す。かかる条件の下では、RDSの振幅であるDSV(Digital Sum Variation) が8となる。
【0008】上述の条件に沿ってRDSを制御した符号は、DCにスペクトラルヌルを有しており、1−D(Dは周波数軸上で1ビット分の遅延を表す遅延演算子)の等化特性をもつダイコードチャンネルのMSN符号として知られている。また、この符号を1ビット毎にインターリーブした符号は、DCおよびナイキスト周波数点においてスペクトラルヌルを有する、1−D2の等化特性をもつPR4(Partial Response class−4)チャンネルのマッチドスペクトラルヌル符号として知られている。一方、符号のナイキスト周波数点においてスペクトラルヌルを有する符号は、1+Dの等化特性をもつデュオバイナリチャンネル、すなわち、PR1(Partial Response class−1)チャンネルのMSN符号として知られている。
【0009】
以下、図9の状態遷移図を用いて生成される14ビットのトレリス線図に対して、QCSを除去するために、上述した3種類の時変トレリス法を適用した例について図10、図11および図12を参照して説明する。図10〜図12において、白抜きおよび黒塗りの四角形で表された各状態は、符号の正負の極性を各々表しており、図9のRDSを表す状態の各々に対して1状態づつ割当てられる。
【0010】
トレリス削除法は、符号の終点付近(図10では11ビット目以降)でRDSの制限幅を狭くすることによってトレリス線図上のパスの一部を削除するものである。図10には、トレリス削除法による時変トレリス線図の一例として、図9の状態遷移図における状態5(RDS=0)を始点・終点とする符号を図示した。
【0011】
図11は、状態並べ替え法による時変トレリス線図の一例である。状態並べ替え法は、符号の終端において到達した状態を並べ替えるようにした方法である。状態並べ替え法には幾つかの方法が提案されているが、図11に示したものは、符号生成効率が最良と考えられるMittelholzer(IEEE Trans.on Magn,Vol.31,No.6,pp.3027-3029,Nov.1995)らの方法によるものである。この方法による符号は、図9において状態4、6を始点とし、状態2、4、6、8の一部を終点とし、符号終点での状態を始点での状態へ並べ替えることによって生成される。
【0012】次に、図12は、符号分割法による時変トレリス線図の一例である。符号分割法は、符号語の始点の状態に応じて、遷移するパスを別個に符号化するものである。但し、符号分割法においては、符号分割を行うビットの位置が符号語の前の方にある程、簡単なトレリス線図となるが生成できる符号語数が少なくなるという問題がある。図12にはトレリス線図の簡単さと、生成できる符号語数とのバランスが適当と思われる11番目のビットで符号分割した例を示した。図12の時変トレリス線図によれば、第1図における状態4、6を始点または終点とし、11番目のビット位置で状態1、3、あるいは7、9を通過しない符号が生成される。
【0013】
上述したような時変トレリス線図を用いるトレリス符号の一部は、近年、一部のハ−ドディスクドライブにおいて実用化されている。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
図10に示したような時変トレリス線図を用いる、トレリス削除法によるトレリス符号は、トレリス線図上の遷移の一部を削除するという比較的単純な操作によって得られるので、信号復号器の構成を比較的簡単なものとすることができるという利点を有する。その反面、かかるトレリス符号においては、利用できる符号語の数が少ないという問題があった。すなわち、このトレリス符号では、符号化効率、すなわち符号化前の符号ビット数を符号化後の符号ビット数で除した値を0.8以上とすることは困難である。例えば図10に示されるような14ビット符号で利用できる符号語数は3250であり、符号語数が1:1に対応した12/14変換(符号化効率0.857)符号を生成させるのに必要な符号語数4096を生成させることは不可能である。
【0015】
一方、図11に示したような時変トレリス線図を用いる、状態並べ替え法によるトレリス符号も、トレリス線図上の遷移の一部を削除するという比較的単純な操作によって得られるので、図10を参照して上述したトレリス符号と同様に、信号復号器の構成を比較的簡単なものとすることができるという利点を有する。さらに、このトレリス符号においては、利用できる符号語の数が多く、例えば図11に示されるような14ビット符号で利用できる符号語数は4250であり、12/14変換符号を生成させるのに必要な符号語数4096より多い。従って、このトレリス符号によれば、12/14変換符号を生成させることが可能である。
【0016】しかしながら、かかるトレリス符号では、状態の並べ替えを行うので、符号のADSあるいはRDSの有限性が喪失される、すなわち生成された符号がマッチドスペクトラルヌル符号では無くなってしまうという問題が生じる。
【0017】
特に、符号のRDSを有限に制限することは、系の低周波数帯域の雑音を低減させるためにしばしば非常に有効であることが一般的に知られている。例えば、アジマス記録を行うテープ系記録再生システムにおいては、たとえPR4(パーシャルレスポンスクラス4)等化のような信号スペクトルの直流成分を抑圧する等化方式を用いた場合であっても、信号のRDSを有限に制限すること無しには、クロストークを充分に抑圧することは困難である。また、符号のADSを有限に制限することは、ナイキスト周波数の信号周波数帯域における信号等化誤差に起因する系の信号対雑音比の劣化を抑圧するために有効と考えられる。
【0018】
一方、図12に示したような時変トレリス線図を用いる、符号分割法によるトレリス符号は、上述した状態並べ替え法によるトレリス符号と同様に、利用できる符号語の数が多い。例えば図12に示されるような14ビット符号で利用できる符号語数は4247であり、12/14変換符号を生成させるのに必要な符号語数4096より多いので、12/14変換符号を生成させることが可能である。さらに、このトレリス符号は、RDSおよびADSの有限性が保たれるという利点をも有するが、反面、信号復号器において付加的なトレリス遷移を必要とするため、図10や図11を参照して上述したトレリス符号と比較して、信号復号器の構成が複雑になるという問題点を有している。
【0019】
以上の説明から明らかなように、QCSの除去を意図してこれまでに提案されているトレリス符号は、生成できる符号語が少ない、または、RDSあるいはADSの有限性が損なわれる、或いは、信号復号器の構成が複雑になるというような不具合の内の何れかを問題点として有するものであった。
【0020】従って、この発明の目的は、QCSが除去されたトレリス符号であって、上述したような不具合が解消されたトレリス符号、すなわち、生成できる符号語が多く、RDSあるいはADSが有限に制限され、さらに信号復号器の構成を簡単なものとすることが可能なトレリス符号を提供することにある。
【0021】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、トレリス線図上のパスの一部を削除することによってその準破滅的符号系列を除去する時変トレリス線図を用いて作成されるマッチドスペクトラルヌル型トレリス符号において、
符号の起点および終点の符号極性を考慮した状態数が各々2であり、かつ2種類の符号系列を組み合わせることを特徴とするトレリス符号化方法である。
【0022】
以上のような発明によれば、従来から行われているトレリス削除法(pruned Trellis method)が有する良好な特性(すなわち、信号復号器の構成が簡単であり、また、符号のRDSあるいはADSの有限性が保持される)を保ったまま,生成できる符号語数を増加させる(すなわち、符号生成効率を向上させる)ことができる。
【0023】
このため、符号化率の高いマッチドスペクトラルヌル型符号を構成することができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について説明する。図1に、この発明の一実施形態における符号を生成するための状態遷移図の一例を示す。この状態遷移図は、RDSが−4以上+4以下であり、従ってDSVが8となる符号を生成するためのものであり、NRZI変調を前提とした8状態の状態遷移図である。後述するように、この発明における符号は、符号語長n(ビット数)が偶数の場合には、符号の始点および終点の状態における符号極性を考慮すると、一般的に用いられる図9のような状態遷移図から直接生成させることは不可能となる。そこで、以下の説明は、図1の状態遷移図を前提として行う。
【0025】
次に、図2および図3を参照してこの発明の一実施形態におけるトレリス削除法について説明する。まず、この発明の一実施形態における偶数ビット符号の一例を図2に示す。この一例は、以下に説明する2種類の符号(符号Aと符号B)が交互に接続されてなるものである。符号Aは、図1における状態4,5の何れかを始点とし(従って、始点におけるRDSが−2または+2となる)、状態1、4の何れかを終点とする(従って、終点におけるRDSが−2、0または+2となる)符号である。また、符号Bは、状態1、4の何れかを始点とし(従って、始点におけるRDSが−2、0または+2となる)、状態4、5の何れかを終点とする(従って、終点におけるRDSが−2または+2となる)符号である。
【0026】
また、この発明の一実施形態における奇数ビット符号の一例を図3に示す。この一例は、以下に説明する2種類の符号(符号Aと符号B)が交互に接続されてなるものである。符号Aは、図1における状態4、5の何れかを始点とし(従って、始点におけるRDSが−2または+2となる)、状態2、3の何れかを終点とする(従って、終点におけるRDSが−1または+1となる)符号である。また、符号Bは、状態2、3の何れかを始点とし(従って、始点におけるRDSが−1または+1となる)、状態4、5の何れかを終点とする(従って、終点におけるRDSが−2または+2となる)符号である。
【0027】以上のような、この発明の一実施形態におけるトレリス符号の利点について説明する。比較のために、従来のトレリス削除法による符号についてまず説明する。比較例として従来のトレリス削除法による符号を参照するのは、以下のような理由による。すなわち、符号分割法はトレリス線図が複雑となるため復号器の構成が複雑化するという短所を有し、また、状態並べ替え法は符号のマッチドスペクトラルヌル特性が損なわれるという短所を有するので、何れもこの発明の目的を達成するためには不適当な符号化方法である。従って、従来のトレリス削除法による符号のみが比較例として適当であると考えられる。
【0028】
図4に、従来のトレリス削除法における偶数ビット符号の一例(以下、比較例1と表記する)を示した。比較例1は、図1における状態1を始点・終点とする符号である(従って、始点・終点におけるRDSが0となる)。また、図5に、従来のトレリス削除法における奇数ビット符号の一例(以下、比較例2と表記する)を示した。比較例2は、図1における状態1を始点とし(従って、始点におけるRDSが0となる)、状態2を終点とする(従って、終点におけるRDSが−1または+1となる)符号Aと、状態2を始点とし(従って、始点におけるRDSが−1または+1となる)、状態1を終点とする(従って、終点におけるRDSが0となる)符号Bとが交互に接続されてなる符号である。
【0029】
そして、この発明の一実施形態における偶数ビット符号(図2を参照して上述した符号)および奇数ビット符号(図3を参照して上述した符号)と、比較例1および比較例2について符号のビット数nと生成される符号語数uの関係を図6に示した。図6において、横軸は符号のビット数nであり、縦軸は2を底とする符号語数uの対数値をnで割ることによって得られる符号生成効率(log2 u)/nである。
【0030】
図6から、この発明の一実施形態における偶数ビット符号および奇数ビット符号、すなわちこの発明によるトレリス削除法で生成された符号は、比較例1および比較例2、すなわち従来のトレリス削除法で生成された符号よりも多くの符号語を生成できることがわかる。但し、この発明の一実施形態における偶数ビット符号においては、図6中の符号Aによる符号語数uが符号Bによる符号語数uよりも小さい。このため、かかる偶数ビット符号全体について生成可能な符号語数は、符号Bによる符号語数uと等しい。
【0031】
この発明におけるトレリス削除法で生成された符号によれば、従来のトレリス削除法で生成された符号に対して、符号生成効率がビット数nが偶数の場合におよそ31%改善され、また、ビット数nが奇数の場合にはおよそ61%改善される。
【0032】
次に、m/n変換符号、すなわち符号化前の原信号ビット数mをビット数nの符号語に変換する変換符号に対してこの発明によるトレリス削除法を適用してなる符号の特性について、図7を参照して説明する。図7には、5種類のm/n変換符号にこの発明によるトレリス削除法を適用してなる符号について、符号化効率、原信号における符号語の総数2m 、符号Aおよび符号Bとして生成し得る符号語数uの値の一例を示した。m/n変換符号として生成し得る符号語数は、符号A,符号Bとして生成し得る符号語数uの値(符号A,符号Bについて異なる時は小さいほうのuの値)である。
【0033】
図7から、何れの符号についても、生成し得る符号語数が原信号における符号語の総数2m より大きいことがわかる。従って、この発明によるトレリス削除法を適用してなる符号を用いることにより、DSV=7の20/23変換符号、DSV=8の12/14、24/27変換符号、DSV=10の16/18変換符号等を各々構成することが可能である。また、これらの変換符号については、符号化効率(上述したように符号化前のビット数を符号化後のビット数で除した値)が何れも0.8以上である。このように、従来よりも符号化効率を高めることができれば、例えば磁気記録システムについてより高い線密度で信号を記録することができる。なお、これらと同等の変換符号は、従来のトレリス削除法によっては構成し得ない。
【0034】
上述したこの発明の一実施形態は、ダイコードチャンネル用のトレリス符号にこの発明によるトレリス削除法を適用したものであるが、この発明は、ダイコードチャンネル用以外のトレリス符号に対しても適用することができる。例えば、上述の符号のRDSを制限した際の符号生成効率は、符号のADSを制限した際の符号生成効率と全く同じである。
【0035】
【発明の効果】
上述したように、この発明は、トレリス削除法、すなわちトレリス線図上のパスの一部を削除することによって準破滅的符号系列を除去する時変トレリス線図を用いて作成されるマッチドスペクトラルヌル型トレリス符号において、符号の起点および終点の符号極性を考慮した状態数が各々2である2種類の符号系列を組合わせることにより、符号化を行うようにしたものである。
【0036】
このような符号化方法によれば、生成できる符号語が多く(すなわち符号生成効率が高く)、RDSあるいはADSが有限に制限され、さらに信号復号器の構成を簡単なものとするトレリス符号を生成することができる。
【0037】
このため、従来の符号に比較して高い符号化効率の符号を得ることができるので、例えば磁気記録システム等の記録再生装置において記録線密度の向上に寄与することができる。また、各種の通信装置において伝送レートの向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る符号化方法において用いられる、累積直流電荷RDSが制限された符号を生成するための、NRZI変調を前提とした状態遷移図について説明するための略線図である。
【図2】この発明の一実施形態において用いられる、偶数符号語長でのトレリス削除型時変トレリス線図について説明するための略線図である。
【図3】この発明の一実施形態において用いられる、奇数符号語長でのトレリス削除型時変トレリス線図について説明するための略線図である。
【図4】偶数符号語長での、従来のトレリス削除型時変トレリス線図(比較例1)について説明するための略線図である。
【図5】奇数符号語長での、従来のトレリス削除型時変トレリス線図(比較例2)について説明するための略線図である。
【図6】この発明の一実施形態と、従来のトレリス削除型時変トレリス線図(比較例1、2)との間での符号生成効率の比較について説明するための略線図である。
【図7】この発明に係る符号化方法によって実現される変換符号の例について説明するための略線図である。
【図8】一般的な記録再生装置における信号処理について説明するためのブロック図である。
【図9】累積直流電荷RDSが制限された符号を生成するための、NRZ変調を前提とした状態遷移図について説明するための略線図である。
【図10】従来のトレリス削除法による、14ビット時変トレリス線図について説明するための略線図である。
【図11】従来の状態並べ替え法による、14ビット時変トレリス線図について説明するための略線図である。
【図12】従来の符号分割法による、14ビット時変トレリス線図について説明するための略線図である。
【符号の説明】
11・・・m/n符号化器、16・・・符号検出器
Claims (7)
- トレリス線図上のパスの一部を削除することによってその準破滅的符号系列を除去する時変トレリス線図を用いて作成されるマッチドスペクトラルヌル型トレリス符号において、
符号の起点および終点の符号極性を考慮した状態数が各々2であり、かつ2種類の符号系列を組み合わせることを特徴とするトレリス符号化方法。 - 請求項1において、
符号化後の直流累積電荷振幅値(DSV)あるいは交流累積電荷振幅値(Alternating DSV)が8以上であることを特徴とするトレリス符号化方法。 - 請求項2において、
符号化前のビット数を符号化後のビット数で除した符号化効率が0.8以上であることを特徴とするトレリス符号化方法。 - 請求項3において、
符号化前のビット数が12で、かつ符号化後のビット数が14であることを特徴とするトレリス符号化方法。 - 請求項3において、
符号化前のビット数が16で、かつ符号化後のビット数が18あるいは19であることを特徴とするトレリス符号化方法。 - 請求項3において、
符号化前のビット数が24で、かつ符号化後のビット数が27あるいは28であることを特徴とするトレリス符号化方法。 - 請求項3において、
符号化前のビット数が8で、かつ符号化後のビット数が10であることを特徴とするトレリス符号化方法。
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