JP4224818B2 - 符号化方法及び符号化装置並びに復号方法及び復号装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力情報語系列をフレーム単位で同期ワードを挿入しながらＬＤＰＣ（Low Density Parity Check）符号による符号化を行う場合の符号化方法と符号化装置、及びその符号化された符号語系列を元の情報語系列に復号するための復号方法と復号装置に関する。

近年、誤り訂正符号の性能の論理的限界であるシャノン限界に近い通信容量で信号伝送を可能にする符号化・復号アルゴリズムとして、低密度パリティ検査行列によるＬＤＰＣ符号や、連接畳み込み符号を用いたターボ符号が知られている。
それらの符号化・復号方式によれば、非常に低いＳ/Ｎ比の伝送条件下での信号伝送が可能になり、移動体通信やディジタル放送や光ディスク等の記録媒体に対する情報の記録／再生への利用と研究が盛んに行われている。

特に、ＬＤＰＣ符号は、ブロック誤り率特性がよく、ターボ符号などの復号特性にみられるエラーフロア現象が殆ど生じない等の利点があり、誤り訂正符号として注目を集めている。
また、下記の非特許文献１にあるように、特殊な検査行列を用いることによりＬＤＰＣ符号を組織符号として求めることが可能であり、パリティビットを独立したビット列として生成できる。

ところで、前記の通信・放送技術での伝送制御や記録媒体への情報の記録／再生において、フレーム同期信号は送受信上の同期の確立やデータのシリアル・パラレル変換等の処理に係る基準となるが、伝送路上での条件は主信号系列と同等であり、フレーム同期信号に誤りが発生すると安定した送受信や記録／再生が行えなくなる。
従って、多種多様な同期信号検出方式が提案されているが、下記の特許文献１においては、「送信装置と受信装置とが１又は２ビット以上のフレーム同期用信号を使用する場合において、送信装置はフレーム同期用信号を主信号系列と共に誤り訂正符号部で符号化して送信し、受信装置はその受信系列を誤り訂正復号部により復号して、その復号データからフレーム同期を得るフレーム同期方式」が開示されている。
即ち、フレーム同期用信号にも主信号系列と同様に誤り訂正符号化を施して伝送するため、安定的にフレーム同期信号が得られるとするものである。

特開平９−１８４６６号公報 和田山著 「低密度パリティ検査符号とその復号法」 トリケップス刊 ２００２年６月 p．32-33，p．92-95

前記特許文献１のフレーム同期方式のように、フレーム同期用信号も主信号系列と共に誤り訂正符号化を施して伝送する方式を採用すると、伝送路での信号の劣化があっても復号側でフレーム同期信号を復元して安定したフレーム同期が実現でき、またＳ/Ｎ比が低い伝送路に対応するためにフレーム同期用ビット数を増加させる必要もなくなる。
しかし、前記のＬＤＰＣ符号を用いる場合、復号側では同期ワード（フレーム同期用信号）に基づいて復号単位のデータ範囲を設定するため、同期ワードとそれに後続する主信号の符号列とを符号化単位にすると復号が不可能になる。
そこで、本発明は、情報語系列をフレーム単位で同期ワードを挿入しながらＬＤＰＣ符号による符号化を行う場合に、同期ワードも符号化して安定した同期動作が得られるようにする符号化方法と符号化装置、並びにその符号化に対応した復号方法と復号装置を提供することを目的として創作された。

本発明の符号化方法は、入力された情報語系列を所定ビット数毎に同期ワードが挿入された符号語系列に符号化する符号化方法において、情報語系列を所定規則に従って符号化して第１符号語系列を生成し、前記第１符号語系列に対して、先頭に同期ワードを付加すると共に、所定ビット数毎に同期ワードを挿入する処理を施し、前記同期ワードを挿入した後における前記第１符号語系列の前記所定ビット数の符号化データとそれに後続する前記同期ワードとで構成されるデータブロックと組織符号に対応する低密度パリティ検査行列とからパリティビット列を生成し、前記データブロックと前記パリティビット列とで構成される第２符号語系列を得、前記第２符号語系列のビット列を、前記データブロックと前記パリティビット列とを区別することなくＮＲＺＩ変換した信号として出力することを特徴とするものである。

また、本発明の復号方法は、前記符号化方法によって得られた前記第２符号語系列のＮＲＺＩ変換信号を前記情報語系列に復号する復号方法であって、前記ＮＲＺＩ変換信号に逆ＮＲＺＩ変換を施して前記第２符号語系列を得、前記第２符号語系列に対するビット列の相関比較により前記同期ワードの位置を検出し、前記同期ワードの位置情報に基づいて前記データブロックと前記パリティビット列に対応するデータ範囲を復号処理単位に設定して、前記低密度パリティ検査行列を用いたsum-productアルゴリズムによる復号を行い、前記復号により得られた前記データブロックの同期ワードをタイミング情報として用いながら、次の復号対象のデータ範囲を復号した後の符号化データを所定規則に従って前記情報語に復号することにより前記情報語系列を得ることを特徴とするものである。

本発明の符号化方法では、情報語系列を所定規則で第１符号語系列に符号化した後、その符号語系列の先頭と所定ビット数毎に同期ワードを挿入して同期ワードと符号化データとの繰り返しからなるデータ列とするが、符号化データとそれに後続する同期ワードとで構成されるデータブロックを単位としてＬＤＰＣ符号に符号化する。即ち、時系列で、同期ワード→［符号化データ・同期ワード］→［符号化データ・同期ワード］→・・・・の順になるデータ列の括弧内（データブロック）がＬＤＰＣ符号への符号化単位となる。
従って、各符号化単位（データブロック）の同期ワードは、次の符号化単位（データブロック）を復号する際のデータ列の範囲を求める基準となる。
そして、この発明における各データブロックのＬＤＰＣ符号への符号化は組織符号に対応する低密度パリティ検査行列を用いて行われるため、その符号化後には［符号化データ・同期ワード］のデータブロックはそのままのビット列として残り、そのデータブロックとパリティビット列とで第２符号語系列が構成されることになる。
次に、本発明の復号方法によれば、前記第２符号語系列では符号化単位のデータブロックがそのままビット列で残っているため、先頭の同期ワードも含めて、ビット列の相関比較によって同期ワードの位置が検出・確認でき、データブロックとパリティビット列に対応する範囲を復号処理単位として設定して復号することができる。
尚、ここでのビット列の相関比較とは、同期ワードと完全に一致する状態だけでなく、緩和した条件に基づいた一定の相関があればよく、要するに同期ワードのビットパタンと推定される相関性が認められれば足りる。
前記の復号は前記低密度パリティ検査行列を用いたsum-productアルゴリズムによるものであり、データブロックに誤りがある場合には反復復号による誤り訂正がなされて符号化データと同期ワードからなる第１符号語系列が得られる。
従って、先頭の同期ワード以外の同期ワードについては誤りが発生していても訂正復号されるため、第１符号語系列から情報語系列へ復号する際の同期動作等の安定化が図れる。

尚、前記符号化方法の発明は、情報語系列を所定規則に従って符号化して第１符号語系列を生成する第１符号化手段と、前記第１符号語系列に対して、先頭に同期ワードを付加すると共に、所定ビット数毎に同期ワードを挿入する同期ワード挿入手段と、前記同期ワードを挿入した後における前記第１符号語系列の前記所定ビット数の符号化データとそれに後続する前記同期ワードとで構成されるデータブロックと組織符号に対応する低密度パリティ検査行列とからパリティビット列を生成するパリティ生成手段と、前記データブロックと前記パリティビット列とで構成される第２符号語系列を生成する第２符号化手段と、前記第２符号語系列のビット列を、前記データブロックと前記パリティビット列とを区別することなく、ＮＲＺＩ変換して出力するＮＲＺＩ変換手段とを具備した符号化装置によって実行させることができる。
また、前記復号方法の発明は、前記ＮＲＺＩ変換信号に逆ＮＲＺＩ変換を施して前記第２符号語系列を得る前置復号手段と、前記第２符号語系列に対するビット列の相関比較により前記同期ワードの位置を検出する同期ワード位置検出手段と、前記同期ワードの位置情報に基づいて前記データブロックと前記パリティビット列に対応するデータ範囲を復号処理単位に設定して、前記低密度パリティ検査行列を用いたsum-productアルゴリズムによる復号を行う第１復号手段と、前記復号により得られた前記データブロックの同期ワードをタイミング情報として用いながら、次の復号対象のデータ範囲を復号した後の符号化データを所定規則に従って前記情報語に復号して前記情報語系列を得る第２復号手段とを具備した復号装置によって実行させることができる。

本発明の符号化方法及び符号化装置並びに復号方法及び復号装置によれば、伝送路上でエラーが発生しても同期ワードを訂正復号できるように同期ワードも主信号系列のデータと共に誤り訂正符号化を施す場合において、ＬＤＰＣ符号として符号化することを可能にし、安定した同期動作とＬＤＰＣ符号による伝送上の利点を実現する。

以下、本発明を適用した実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
先ず、図１は符号化装置及び記録・伝送系を示すブロック回路図である。
同図において、１は符号化装置であり、入力される画像や音声のディジタル信号は予め離散化手段（図示せず）によってバイナリ系列に変換されており、フォーマット部１０によってインタリーブ・外符号付加等の処理が施されて情報語系列となり、変調部１１へ入力される。

変調部１１では、符号化テーブル１１aを用いてランレングスやＤＳＶ（Digital Sum Value）を考慮した所定の符号変換規則に基づいた変調を行い、その変調後の符号語系列を同期ワード挿入部１２へ出力する。
同期ワード挿入部１２では、前記符号語系列に対して所定ビット数毎に同期ワードを挿入する。

同期ワードが挿入された後の符号語系列はパリティ生成・付加部１３に出力され、パリティ生成・付加部１３では組織符号に対応した低密度パリティ検査行列を用いて同期ワード挿入後の符号語系列を符号化する。
即ち、組織符号に対応した低密度パリティ検査行列に基づいた符号化の場合には、元の同期ワード挿入後の符号語系列はそのまま符号として残り、符号化演算によって得られたパリティビット列がその符号に付加されることになる。
但し、同期ワード挿入後の符号語系列における符号化単位は、図２（Ａ）に示すように、１フレーム分の符号語列とそれに後続している同期ワードとされる。

以下、その符号化によるパリティの生成と符号語列への付加について具体的に説明する。
先ず、この実施形態では、同期ワード挿入部１２において符号語系列に１８６０ビット（１フレーム分）毎に同期ワードが挿入され、その同期ワードは１２ビットからなる特定ビットパタンで構成されているとし、次の数式１に示すような組織符号に対応した低密度パリティ検査行列：Ｈを用意している。

符号化単位となる１フレーム分の符号語列とそれに後続している同期ワードの合計ビット数は１８７２ビットであるが、１１７個のパリティビットを生成させるために、１１７行・１９８９（=1872+117）列の構成とされている。
また、この生成行列は、その右側の１１７行・１１７列の正方形領域における対角線に沿った成分は全て「１」であり、その正方形領域における前記対角線より右上側領域の成分は全て「０」とされていると共に、前記対角線より左側の領域については「０」又は「１」の成分が配設されるが、「１」の成分が疎な領域となっている。

そして、符号化単位のビット列（１フレーム分の符号語列とそれに後続している同期ワード）を［ｕ(1)，ｕ(2)，・・・・・・・，ｕ(1872)］とし、未知のパリティビットを［ｐ(1)，ｐ(2)，・・・，ｐ(117)］として、次の数式２に係る行列式を演算することにより各パリティビットを求める。

換言すれば、１１７元連立方程式を解くことによって各パリティビット［ｐ(1)，ｐ(2)，・・・，ｐ(117)］が求まることになる。
前記の低密度パリティ検査行列：Ｈが組織符号に対応したものである所以は、右上側領域の成分は全て「０」とされていることによって、１１７元連立方程式を解いた際に、パリティビット［ｐ(1)，ｐ(2)，・・・，ｐ(117)］以外は入力されたビット列［ｕ(1)，ｕ(2)，・・・・・・・，ｕ(1872)］がそのまま残るからである。

以上のようにして求められた１１７個のパリティビットは１フレーム分の符号語列とそれに後続している同期ワードの後に付加され、図２（Ｂ）に示されるような符号語系列として出力される。
もっとも、必ずしも同期ワードの後にパリティビット列をまとめて付加する必要はなく、図３に示すように符号語列のＮビット毎にパリティビットを１ビットずつ挿入して付加した構成であってもよい。
尚、同期ワード挿入部１２は変調部１１から出力される符号語系列の先頭に同期ワードを入れるが、その同期ワードの前には符号語列は存在しないためにパリティ生成・付加部１３における符号化対象とならず、その同期ワードはそのまま出力されることになる。

符号化装置１のパリティ生成・付加部１３で生成された符号語系列はＮＲＺＩ変換部１４へ出力され、ＮＲＺＩ（Non Return to Zero Inverted）方式の信号に変換された後、その変換後の信号が記録駆動部１５によって記録媒体に記録されるか、又は伝送符号化部１６で符号化圧縮等がなされた後に伝送路へ出力される。

次に、前記符号化装置１によって符号化された符号語系列を元の情報語系列へ復号する復号装置について説明する。
先ず、図４は復号装置を示すブロック回路図であり、この復号装置２には記録媒体から再生された信号や伝送路から受信した信号に所定の復号処理（伝送符号の復号処理や逆ＮＲＺＩ変換等）を施して得られた符号語系列が入力されている。
この復号装置では、先ず、入力符号語系列から同期ワード位置検出部がビット列の相関比較により同期ワードの位置を検出する。
今、入力符号語系列が図２（Ｂ）に示したものである場合、最初に先頭の同期ワードが入力され、同期ワード位置検出部２１はそれと推定されるビットパタンを検出するが、その同期ワードは符号化されていないため、そのままＭＡＰ（Maximum A Posteriori Probability）復号部２２・パリティ復号部２３・ＬＤＣＰ復号部２４をスルーパスさせる。
スルーパスせしめられた先頭の同期ワードは同期ワード検出部２５で検出されると、その検出信号を受けたシリアル／パラレル変換部２６がレディ状態となる。

前記の先頭の同期ワードに続いて１フレーム分の符号語列（１８６０ビット）と同期ワード（１２ビット）とパリティビット列（１１７ビット）が順に入力されるが、同期ワード位置検出部２１がその同期ワードと推定されるビット列を検出すると、その検出タイミング情報（同期ワードの位置情報）をＭＡＰ復号部２２へ出力する。
ＭＡＰ復号部２２では入力データを内蔵メモリに順次セーブさせており、同期ワード位置検出部２１から前記検出タイミング情報が得られると、その同期ワードの位置情報に基づいて、その同期ワードを挟んでいる符号語列からパリティビット列までのデータ範囲を復号処理単位として設定し、事後確率最大復号法による演算を実行してビット推定値を求め、その各推定値をパリティ復号部２３へ出力する。

パリティ復号部２３は、符号化装置１側で図２（Ｂ）に示すような符号語系列が生成されている場合には、単に１９８９ビット分のビット推定値をＬＤＰＣ復号部２４へ出力させるだけであるが、図３のようにパリティビットを分散させた構成の符号語系列としている場合には、分散させたビットをビット列にまとめて再構成し、前記と同様のビット推定値の並びになるようにしてＬＤＰＣ復号部２４へ出力させる。
ＬＤＰＣ復号部２４では、符号化装置１側と同一の低密度パリティ検査行列：Ｈ（前記数式１）に対してパリティ復号部２３から得られた１９８９ビット分のビット推定値の転置行列を乗算し、前記検査行列の各行についてモジュロ２での積和演算を行って、その全ての行に係る演算結果が０になるか否かを確認する。

そして、演算結果が前記条件を満たした場合には、符号語列と同期ワードとパリティビット列が前記検査行列で生成されたものであるため、復号がなされたものとみなして符号語列と同期ワードを次段のシリアル／パラレル変換部２６へ出力させる。
一方、演算結果が前記条件を満たさない場合には、ＬＤＰＣ復号部２４がＭＡＰ復号部２２へ繰り返し復号のためのパラメータを出力し、ＭＡＰ復号部２２がそのパラメータに基づいて誤り訂正を実行することにより再び１９８９ビット分のビット推定値を求め、前記のパリティ復号部２３とＬＤＰＣ復号部２４による処理を実行する。

また、全ての行に係る演算結果が０にならない場合における前記の一連の復号処理は所定回数繰り返され、誤り訂正がなされて復号が完了すれば符号語列と同期ワードをシリアル／パラレル変換部２６へ出力させるが、所定回数繰り返しても前記演算結果が０にならない場合には、ＬＤＰＣ復号部２４が同期ワード位置検出部２１へ復号誤り信号を出力し、同期ワード位置検出部２１ではビットの相関比較条件を緩和する等の設定を行、次のフレームに係る符号語列と同期ワードとパリティビット列についての復号処理に移行する。
尚、所定回数繰り返しても前記演算結果が０にならない場合に、ＭＡＰ復号部２２がセーブしているビット列についてビットシフトを行って再度復号してみるような処理を実行させるようにしてもよい。

前記のように復号された後の符号語列と同期ワードはシリアル／パラレル変換部２６へ出力されるが、同期ワード検出部２５はその出力信号から同期ワードを検出するとシリアル／パラレル変換部２６へ検出信号を出力する。
ところで、この実施形態においては、今回復号されたフレームの符号語列に係る同期ワードは前回復号されたフレームでの同期ワードであり、今回復号された同期ワードは次回復号されるフレームの符号語列に係るものである。
従って、シリアル／パラレル変換部２６は、前回復号された同期ワードの検出タイミングに基づいて今回復号された符号語列をパラレルデータに変換し、今回復号された同期ワードの検出タイミングに基づいて次回復号される符号語列をパラレルデータに変換する。

そして、シリアル／パラレル変換部２６でパラレルデータに変換された符号語列は復調部２７へ出力される。
復調部２７は、符号化装置１側の変調部１１の符号化テーブル１１aに対応した復号テーブル２７aを有しており、パラレルデータに変換された符号語毎に復号テーブル２７aを用いて情報語に復号することにより元の情報語系列を出力させる。

本発明の実施形態に係る符号化装置と記録・伝送系を示すブロック回路図である。 （Ａ）は同期ワード挿入後の符号語系列であり、（Ｂ）は組織符号に対応した低密度パリティ検査行列に基づいて符号化した後の符号語系列を示す図である。 パリティビットを符号語列に分散させた場合の符号語系列を示す図である。 本発明の実施形態に係る復号装置のブロック回路図である。

符号の説明

１…符号化装置、１０…フォーマット部、１１…変調部、１１a…符号化テーブル、１２…同期ワード挿入部、１３…パリティ生成・付加部、１４…ＮＲＺＩ変換部、１５…記録駆動部、１６…伝送符号化部、２…復号装置、２１…同期ワード位置検出部、２２…ＭＡＰ復号部、２３…パリティ復号部、２４…ＬＤＰＣ復号部、２５…同期ワード検出部、２６…シリアル／パラレル変換部、２７…復調部、２７a…復号テーブル。

Claims (4)

1. 入力された情報語系列を所定ビット数毎に同期ワードが挿入された符号語系列に符号化する符号化方法において、
   情報語系列を所定規則に従って符号化して第１符号語系列を生成し、
   前記第１符号語系列に対して、先頭に同期ワードを付加すると共に、所定ビット数毎に同期ワードを挿入する処理を施し、
   前記同期ワードを挿入した後における前記第１符号語系列の前記所定ビット数の符号化データとそれに後続する前記同期ワードとで構成されるデータブロックと組織符号に対応する低密度パリティ検査行列とからパリティビット列を生成し、
   前記データブロックと前記パリティビット列とで構成される第２符号語系列を得、
   前記第２符号語系列のビット列を、前記データブロックと前記パリティビット列とを区別することなくＮＲＺＩ変換した信号として出力する
   ことを特徴とする符号化方法。
2. 請求項１の符号化方法によって得られた前記第２符号語系列のＮＲＺＩ変換信号を前記情報語系列に復号する復号方法であって、
   前記ＮＲＺＩ変換信号に逆ＮＲＺＩ変換を施して前記第２符号語系列を得、
   前記第２符号語系列に対するビット列の相関比較により前記同期ワードの位置を検出し、
   前記同期ワードの位置情報に基づいて前記データブロックと前記パリティビット列に対応するデータ範囲を復号処理単位に設定して、前記低密度パリティ検査行列を用いたsum-productアルゴリズムによる復号を行い、
   前記復号により得られた前記データブロックの同期ワードをタイミング情報として用いながら、次の復号対象のデータ範囲を復号した後の符号化データを所定規則に従って前記情報語に復号することにより前記情報語系列を得ることを特徴とする復号方法。
3. 入力された情報語系列を所定ビット数毎に同期ワードが挿入された符号語系列に符号化する符号化装置において、
   情報語系列を所定規則に従って符号化して第１符号語系列を生成する第１符号化手段と、
   前記第１符号語系列に対して、先頭に同期ワードを付加すると共に、所定ビット数毎に同期ワードを挿入する同期ワード挿入手段と、
   前記同期ワードを挿入した後における前記第１符号語系列の前記所定ビット数の符号化データとそれに後続する前記同期ワードとで構成されるデータブロックと組織符号に対応する低密度パリティ検査行列とからパリティビット列を生成するパリティ生成手段と、
   前記データブロックと前記パリティビット列とで構成される第２符号語系列を生成する第２符号化手段と、
   前記第２符号語系列のビット列を、前記データブロックと前記パリティビット列とを区別することなく、ＮＲＺＩ変換して出力するＮＲＺＩ変換手段と
   を具備したことを特徴とする符号化装置。
4. 請求項３の符号化装置によって得られた前記第２符号語系列のＮＲＺＩ変換信号を前記情報語系列に復号する復号装置であって、
   前記ＮＲＺＩ変換信号に逆ＮＲＺＩ変換を施して前記第２符号語系列を得る前置復号手段と、
   前記第２符号語系列に対するビット列の相関比較により前記同期ワードの位置を検出する同期ワード位置検出手段と、
   前記同期ワードの位置情報に基づいて前記データブロックと前記パリティビット列に対応するデータ範囲を復号処理単位に設定して、前記低密度パリティ検査行列を用いたsum-productアルゴリズムによる復号を行う第１復号手段と、
   前記復号により得られた前記データブロックの同期ワードをタイミング情報として用いながら、次の復号対象のデータ範囲を復号した後の符号化データを所定規則に従って前記情報語に復号して前記情報語系列を得る第２復号手段と
   を具備したことを特徴とする復号装置。

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