JP4121701B2

JP4121701B2 - 改良されたデータ伝送のための方法および回路構成

Info

Publication number: JP4121701B2
Application number: JP2000519983A
Authority: JP
Inventors: フーバー，クラウス
Original assignee: ドイッチェテレコムアーゲー
Priority date: 1997-11-06
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2018-07-31
Also published as: US6925129B1; ES2289793T3; JP2001523070A; DE59814079D1; EP0958685B1; WO1999025103A3; DE19748880C1; WO1999025103A2; EP0958685A2; ATE371325T1

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、請求項１および９のそれぞれの前提部による、改良されたデータ伝送のための方法および回路構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
通信工学において、伝送対象の信号を表すために直交基底関数を利用する伝送方法は公知であり、実用化もされている。かかる伝送方法は、例えば、書籍、Ｒ．Ｅ．Ｂｌａｈｕｔ、情報のデジタル伝送、Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ、Ｒｅａｄｉｎｇ、１９９０年、第２章および３章に記載されている。
【０００３】
この場合、ベースバンドにおけるメッセージ信号ｓ（ｔ）は、直交基底関数の和として表される。信号ｓ（ｔ）に、メッセージｍ＝（ｍ_０，ｍ_１，ｍ_２．．．ｍ_ｋ−１）（ここで、ｍ_ｊは適切に選んだアルファベットから選択される）を組み込むためには、以下のように信号を形成する。
【０００４】
ｓ（ｔ）＝ｍ_０ｆ_０（ｔ）＋ｍ_１ｆ_１（ｔ）＋．．．＋ｍ_Ｋ−１ｆ_Ｋ−１（ｔ）。
【０００５】
結果として、メッセージ信号は、Ｋ次元の空間内における１点として見なすことができ、その値−タプル（ｍ_０，ｍ_１，．．．，ｍ_ｋ−１）によって特徴付けられる。全ての許容可能な信号全体は、信号コンステレーションと呼ばれる。実際上、特に知られているのは、本出願の図１に示すような、いわゆる１６−ＱＡＭ信号コンステレーションのような二次元信号コンステレーションである。前記１６−ＱＡＭ信号コンステレーションは、例えば、上述の書籍の６３ページに記載されている。ここで考慮する全ての信号コンステレーションにおいては、２つの信号点間の最小距離は１に正規化されているものと仮定する。しかしながら、マルチレベル変調法を効率良く使用するための公知の伝送技法は、いまだ、信号コンステレーションの信号エネルギの最適な利用を可能としていない。第１に、極めて効率的な信号コンステレーションは、しかしながら、信号点の数が２の累乗ではないという欠点を有する場合があり、第２に、１６−ＱＡＭのような頻繁に採用される信号コンステレーションは、いまだ、単純かつ最適な方法で用いて低データ・レートの伝送を行うことができない。
【０００６】
直交基底関数を用いて伝送対象の信号を表し、例えば公知のハフマン法をソース符号化方法として用いた、改良されたデータ伝送およびマルチレベル変調法の効率的な使用に関する基本的な理論的調査は、Ｆ．Ｒ．Ｋｓｃｈｉｓｃｈａｎｇ、Ｓ．Ｐａｓｕｐａｔｈｙ、「ガウスのチャネルのための最適な非均一シグナリング」、情報理論に関するＩＥＥＥの取扱い、Ｖｏｌ．３９、Ｎｏ．３、１９９３年５月、ｐｐ．２８１−３００に発表されている。しかしながら、回路構成の形態および／またはかかる回路構成の動作のための対応した方法に関する前記調査の実際的な履行は、開示されていない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、信号コンステレーションの信号エネルギの最適な使用を可能とし、１６−ＱＡＭのような頻繁に採用される信号コンステレーションを単純かつ最適な方法で用いて低データ・レートの伝送を行うことができる、マルチレベル変調法を効率的に用いた、改良されたデータ伝送のための方法および回路構成を生成することである。
【０００８】
本発明の目的は、その方法に関して、請求項１の特徴部において記載された方法によって達成される。
【０００９】
この方法の別の設計および／または実施形態については、請求項２ないし８および１２ないし１５に記載されている。
【００１０】
本発明の目的は、その回路構成に関しては、請求項９の特徴部に記載された回路構成によって達成され、別の実施形態については、請求項１０ないし１２の特徴部に記載されている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の別の設計および実施形態を、以下の詳細な説明に示す。
ここに述べる方法および記載する回路構成は、信号コンステレーションの信号エネルギの最適な使用を可能とする。これは、２つの点で、技術的な用途に有利であり得る。第１に、極めて効率的である信号コンステレーションは、しかしながら、信号点の数が２の累乗でないという欠点を有する場合がある。かかる信号コンステレーションは、今や、単純な方法で、ビット・ストリング等の実用化されているデータ・フォーマットに適合させることができる。第２に、１６−ＱＡＭのような頻繁に採用される信号コンステレーションを、単純かつ最適な方法で用いて、低データ・レートの伝送を行うことができる。従って、１６−ＱＡＭ信号コンステレーションを用いて、通常の信号点当たり４ビットの代わりに、信号点当たり平均３ビットを伝送することができる。これは、例えば、信号コンステレーションとして点｛（＋−１／２，＋−１／２），（＋−（１＋３）／２，０），（０，＋−（１＋３）／２）を有する８−ＱＡＭを用いた、既存の送信機および受信機において、最適化した確率で１６−ＱＡＭに切り替える（すなわち信号点当たり３ビット）ために、技術的に有用であり、同時に約１ｄＢのパワー利得がある。
【００１２】
この方法は、有利に用いることができる更に別の特徴を有する。これは、入力データ・ストリームが、均一に分布したシーケンス、特にビット・ストリングである場合に、特に単純な再符号化を行える可能性があることである。かかる場合、ハフマン法のような損失の無い伸長方法を用いて再符号化を達成することができる。従って、対応する圧縮法を用いて、受信機端における逆の再符号化処理を実行する。均一に分布したシーケンスまたはビット・ストリングは、例えば暗号化によって得る。これが意味するのは、おそらくは煩わしいと思われるこのようなシーケンス／ストリングの保証または発生は、付加価値処理の追加すなわち暗号化によって達成可能であるということである。暗号化は、今後の伝送システムにおいて一層大きな役割を果たすはずであり、今日すでに多くのシステムと共に供給されているので、この新たな方法は特に実用的である。チャネルを介して伝送される信号点への入来ソース・ビット・ストリームの再符号化において、チャネルを介した伝送の結果として時間に対して変動するビット・レートを、ソース・データのビット・レートに適合させるように機能するバッファとして、一時レジスタを利用する。回路の実施において、前記一時レジスタは、規定の固定長を有する。この結果、実際には、いわゆるバッファ・オーバーフローの問題が生じる。この問題を解決するために、本例において、チャネル・データ・レートをソース・データ・レートよりも大きくすることが提案されており、チャネル・データ・レートは、ソース・データ・レートよりもわずかに大きいと有利である。従って、比較的少ない労力および費用で、一時レジスタ長またはバッファ長を規定することが可能であり、オーバーフローの確率は無視できるほど小さい（公知の）ものとなる。チャネル・データ・レートをソース・データ・レートよりも大きくした場合、チャネルは、ソースからまだ入手可能でない情報の伝送準備が整っているということが起こり得る。この作用は、ここでは、例えばソース・データの代わりに同期データを伝送することで利用される。更に別の解決法は、同期データの代わりに他のヘッダまたはユーザ・データを伝送することにある。チャネル・データ・レートが高くなればなるほど、一時レジスタは短くなり得る。
【００１３】
本発明の更に別の利点、特徴、および可能な適用は、図面および表を参照して記載する以下の例示的な実施形態から明らかになる。
【００１４】
参照符号の添付リストにおいて用いる用語および参照符号は、説明、特許請求の範囲、要約書および図面において用いられる。
【００１５】
以下に、図面を参照して、例示的な実施形態に基づいて、本発明を更に詳細に説明する。
【００１６】
【実施例】
すでに述べたように、公知の伝送方法は、伝送対象の信号を表すために直交基底関数を用いる。この場合、メッセージ信号ｓ（ｔ）は、直交基底関数の和として表される。メッセージ信号は、Ｋ次元空間内の１点として見なすことができる。全ての許容可能な信号点全体は、信号コンステレーションと呼ばれており、図１に示すいわゆる１６−ＱＡＭ信号コンステレーション（これは２次元信号コンステレーションの１つを表す）は、特によく知られている。
【００１７】
信号コンステレーションが合計Ｍ個の信号点を有し、その各々のＭ_ｊは信号エネルギＥ_ｊを有し、かかる信号点の発生の確率がｐ_ｊに等しい場合、以下に与える式に従って確率を設定することにより、当該パワーのパワー／情報レートに従った最適な値が得られる。値Ｌは、合計で何個の異なるエネルギ・レベルが生じるかを示す。
【００１８】
【数１】

（ｊ＝１、２、．．．、ＬおよびＥ_ｊ＋１＞Ｅ_ｊ）
【００１９】
ここで、図２における六角形の信号コンステレーションを例として与える。正規化のために、信号点間の最小距離は１として選択されている。ここで、Ｌ＝４エネルギ・レベルである。Ｅ_１＝０、Ｅ_２＝１、Ｅ_３＝３およびＥ_４＝４である。信号エネルギがゼロである信号点は１つあり（Ｍ_１＝１）、各々の信号エネルギが１、３および４である信号点は６個ある。すなわち、Ｍ_２＝Ｍ_３＝Ｍ_４＝６である。
【００２０】
例えば、規定の確率分布を有するデータ・ストリームを、対応する信号点に対してマッピングするために、ハフマン法のような損失の無いデータ圧縮アルゴリズムを利用する。前記データ圧縮アルゴリズムは、対応する信号点が上述の確率で発生することを保証する。ハフマン法は、例えば、Ｄ．Ａ．ハフマン、「最小冗長コードの構築のための方法」、Ｐｒｏｃ．ＩＲＥ、Ｖｏｌ．４０、１９５２年９月、１０９８−１１０１ページに記載されている。以下の例では、１およびゼロの確率が同一であると共にビットが統計的に独立している２進ビット・ストリングを、１９の信号点を有する図２に示す信号コンステレーションによって、信号点当たり平均Ｈ＝４ビットを効率的に伝送可能であるように再符号化する。次いで、図４における表１から、個々の信号点の発生の確率を得る。データ圧縮法の使用によって、例えば表２に見出されるような種類の対応関係が得られる。図５における表２に示すような対応関係により、最適な平均信号エネルギＥ_S＝１．７２２４に極めて近くなる。１．８１２５の平均信号エネルギが得られる。比較すると、従来の１６−ＱＡＭ信号コンステレーションは、２．５の平均信号エネルギを有する。換言すると、公知の１６−ＱＡＭと比較すると、この単純な方法によって、１０ｌｇ（２．５／１．８１２５）ｄＢ、すなわち約１．４ｄＢの改善が得られる。より複雑な対応関係を用いることで、最適な値に望み通りに近付けることができる。例示の目的のために、先の対応関係を用いると、コインによって生成したビット・ストリング０１１１０１００００１１１１１００１１１０１１１１０００１は、信号点Ｚ_３２Ｚ_１Ｚ_２５Ｚ_２３Ｚ_２５Ｚ_２１Ｚ_２４Ｚ_２５によって伝送される。Ｚ_１はエネルギ・ゼロの信号点であり、Ｚ_２ｊ（ｊ＝１．．６）はエネルギ１の信号点であり、Ｚ_３ｊはエネルギ３の信号点であり、Ｚ_４ｊはエネルギ４の信号点である。これに応じて、伝送後の復号をその後に行う。
【００２１】
以下で、図３による基本的な図に基づいて、上述の方法を実施するための回路構成の構造について詳細に説明する。
【００２２】
データ・ソース１がデータ・ストリーム２を供給すると仮定する。次いで、再符号化器３は、変調器４が正確な確率で対応する信号点を選択することを保証する。データ・ストリーム２が伝送チャネル５を介して伝送された後、次の復調器６の後に、再符号化器７による対応する逆の動作が続き、その結果、最終的に、データ・ストリーム２はデータ・シンク８に到着する。構成要素１、３ないし８間の接続／伝送線またはチャネル上で、各データ・ストリーム２は、各ライン／チャネル上の矢印の先端部によって識別される。
【００２３】
チャネルを介して伝送される信号点への入来ソース・ビット・ストリームの再符号化において、チャネルを介した伝送の結果として時間に対して変動するビット・レートを、ソース・データのビット・レートに適合するように機能するバッファとして、一時レジスタ（図示せず）を利用する。回路の形態におけるそれぞれの実施において、一時レジスタまたはバッファは規定の長さを有し、これはおそらく、実際上、いわゆるバッファ・オーバーフローの問題を引き起こす。この問題は、チャネル・データ・レートをソース・データ・レートよりもわずかに大きくすることによって解決可能である。従って、比較的少ない労力および費用で、バッファ長または一時レジスタ長を規定することができ、バッファ・オーバーフローまたは一時レジスタ・オーバーフローの確率は無視できるほど小さい（公知の）ものとなる。
【００２４】
チャネル・データ・レートをソース・データ・レートよりもわずかに大きくした場合、回路構成の実際の履行において、チャネルが、ソースからまだ入手可能でない情報の伝送準備が整っているということが起こり得る。
【００２５】
この作用は、ソース・データの代わりに同期データを伝送することで好都合に利用することができる。更に、同期データの代わりに他のヘッダまたはユーザ・データを伝送可能である。ソース・データ・レートに対してチャネル・データ・レートが大きくなればなるほど、一時レジスタまたは一時バッファは短くすることができる。
【００２６】
上述のバッファ・オーバーフローまたはアンダーフローの問題に対する別の解決法は、レコーダ３において２つまたは可能な場合はそれ以上の再符号化テーブルを設け、一方のテーブルはソース・データ・レートよりも大きいチャネル・データ・レートへと導き、他方のテーブルはソース・データ・レートよりも小さいチャネル・データ・レートへと導くようにすることである。再符号化器３は、一時記憶装置の状態に応じて制御可能である。すなわち、一時記憶装置がオーバーフローの危険にある場合、ソース・データ・レートよりも大きいチャネル・データ・レートを選択する。逆の場合、すなわち一時記憶装置にほとんどデータが残っていない場合は、ソース・データ・レートよりも小さいチャネル・データ・レートを選択する。
【００２７】
図３から得られた図６は、上述の可能性を含む最も一般的な場合を示す。一時記憶装置９の機能として再符号化器３を制御する可能性は、図６において、制御ユニット／計算ユニット９を有する一時記憶装置からレコーダ３への破線によって示されている。図６において同様に示されているのは、任意選択の第２のデータ・ソース１’である（前記データ・ソースのレートがゼロに等しく、このソースが姿を消すという特別な場合のため）。第２のデータ・ソース１’は、上述のように、付加的なデータの伝送を可能とする。再符号化器３から第２のデータ・ソース１’への破線は、例えば、エラー訂正のために、この方法にチェック・データを組み込むことができる態様を示す。ソース・データ・レートおよび発生したチェック・キャラクタのレートは、共に、平均して、平均チャネル・データ・レートを超えてはならない。第２のデータ・ソース１’および制御／計算ユニット９を有する一時記憶装置と同様に、データ・シンク８と逆再符号化器７との間に、第２のデータ・シンク８’および制御／計算ユニット９’を有する一時記憶装置が挿入されている。
【００２８】
この方法の更なる改善のために、例えばＱＡＭまたは六角形の信号コンステレーションのために設計されている特別な符号化方法を用いることができる。この符号化方法は、クラウス，フーバー、「ガウスの整数上のコード」、情報理論に関するＩＥＥＥの取扱い、Ｖｏｌ．４０、Ｎｏ．１、１９９４年１月、ｐｐ．２０７−２１６および、クラウス，フーバー、「アイゼンシュタイン−ヤコビの整数上のコード」、有限分野：理論、応用及びアルゴリズム、（ラスベガス１９９３）、現代数学Ｖｏｌ．１６８、米国数学協会、Ｐｒｏｖｉｄｅｎｃｅ、Ｒｌ、ｐｐ．１６５−１７９ならびに、クラウス，フーバー、「トーラス上のコード」、情報理論に関するＩＥＥＥの取扱い、Ｖｏｌ．４３、Ｎｏ．２、１９９７年３月、ｐｐ．７４０−７４４の論文において、見出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】１６−ＱＡＭ信号コンステレーションを示す。
【図２】六角形の信号コンステレーションを示す。
【図３】マルチレベル変調法の効率的な使用による、改良されたデータ伝送に役立つ回路構成の基本的な図を示す。
【図４】図２における信号点の確率ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４を示す表１を示す。
【図５】２進データの信号点に対する、およびその逆のマッピングを表す表２を示す。
【図６】マルチレベル変調法の効率的な使用による、改良されたデータ伝送に役立つ回路構成の基本的な図を示す。
【符号の説明】
１、１’ データ・ソース
２データ・ストリーム
３再符号化器
４変調器
５チャネル
６復調器
７逆再符号化器
８、８’ データ・シンク
９、９’ 制御／計算ユニットを有する一時記憶装置

Claims

直交基底関数を用いて送信対象の信号を表す、改良されたデータ伝送およびマルチレベル変調方法の効率的な使用のための方法において、
平均信号エネルギを最適化するため、信号コンステレーションの規定の信号エネルギを有する各信号点の発生確率が該各信号点のエネルギレベルに依存して決まるような再符号化およびマッピングを送信データに対して施すことを特徴とする方法。
請求項１による方法において、直交方法を用いる目的のためにデータ・ストリングを適合させるため、公知のハフマン方法等のソース符号化方法を用いることを特徴とする方法。
請求項１または２のいずれか１項による方法において、伝送エラーに対する保護のため、前記変調方法およびチャネルに適合させたエラー訂正コードを利用し、前記コードのチェック・キャラクタが第２のデータ・ソース（１’）によって挿入されることを特徴とする方法。
請求項３による方法において、前記エラー訂正コードはブロック・コードであることを特徴とする方法。
請求項３による方法において、前記エラー訂正コードは畳み込みコードであることを特徴とする方法。
請求項４による方法において、前記ブロック・コードは、ガウスの整数を法とするガウスの整数上のコードであることを特徴とする方法。
請求項４による方法において、前記ブロック・コードは、アイゼンシュタイン−ヤコビの整数を法とするアイゼンシュタイン−ヤコビの整数上のコードであることを特徴とする方法。
請求項１ないし７のうちいずれか１項による方法において、前記入力データ・ストリームは暗号化されていることを特徴とする方法。
直交関数による改良されたデータ伝送方法を実施するための回路構成であって、
データ・ストリーム（２）のためのデータ・ソース（１）の後段に設けられた再符号化器（３）と、該再符号化器の出力信号が供給される変調器（４）と、該変調器（４）の出力信号が伝搬されるチャネル（５）と、該チャネルを伝搬してきた信号が入力される復調器（６）と、該復調器の出力信号が供給され、前記符号化器（３）と逆の動作を実行する逆符号化器（７）と、該符号化器（７）の出力信号が供給される、前記データ・ストリーム（２）のためのシンク（８）とを具備し、
平均信号エネルギを最適化するために、前記再符号化器（３）および前記変調器（４）は、信号コンステレーションの各信号点の発生確率が該各信号点のエネルギレベルに依存して決まるように、前記データ・ストリームに対する再符号化と、再符号化器（３）の出力信号に対するマッピングとをそれぞれ施す動作を行うことを特徴とする回路構成。
請求項１ないし８のうちいずれか１項による、直交関数による改良されたデータ伝送方法を実施するための回路構成において、制御／計算ユニット（９）を備えた一時記憶装置を設け、前記制御／計算ユニット（９）は、前記受信機および前記データ・シンクの端部における対応する逆の装置（８’および９’）と組み合わされて、前記再符号化器（３’）に、記憶オーバーフローが存在しないように、少なくとも２つの再符号化テーブル間で切り替えを行わせることを特徴とする回路構成。
直交関数による改良されたデータ伝送方法を実施するための請求項９または１０のうちいずれか１項による回路構成において、前記変調器（４）の前記出力は、バッファされて、特に一時レジスタまたはバッファを介して、前記チャネル（５）の前記入力に接続されていることを特徴とする回路構成。
請求項９、１０または１１による回路構成において、第２のデータ・ソース（１’）が、前記一時記憶装置に、ユーザ、同期、またはチェック・データのいずれかである付加的なデータを供給することを特徴とする回路構成。
請求項９または１０のうちいずれか１項による回路構成の動作のための請求項１による方法において、前記チャネルのデータ・レートは、前記ソースのデータ・レートよりも大きいことを特徴とする方法。
請求項１および／または１３による方法において、回路においてソース・ビットが存在しない場合、同期データを伝送することを特徴とする方法。
請求項１および／または１３による方法において、回路においてソース・ビットが存在しない場合、他の管理またはユーザ・データを伝送することを特徴とする方法。