JP4282192B2

JP4282192B2 - 反復式ターボ符号復号装置及び該装置の性能を最適化する方法

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Publication number: JP4282192B2
Application number: JP2000003003A
Authority: JP
Inventors: ソマヤズルブイ．スリニバサ
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1999-01-22
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2020-01-11
Also published as: EP1022860A1; DE60001988D1; EP1022860B1; DE60001988T2; JP2000216689A; US6665357B1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反復式ターボ符号復号装置及び該装置の性能を最適化する方法に関し、より詳細には、ディジタル通信システム用のチャネル符号化に有効な反復式ターボ符号復号装置及び該装置の性能を最適化する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
順方向誤り訂正（ＦＥＣ）は、伝送チャネル中のノイズによって引き起こされた“受信状態の”メッセージに含まれている誤りを受信機が検出して訂正できるデータ伝送システム用の誤り制御システムである。ＦＥＣは、データの再送を要求できる逆チャネルを欠くデータ伝送システム、又は遅延が過大なために再送が困難か、或いは、予想される誤り回数のために再送を繰り返す必要があるようなデータ伝送システムに関しては有効である。これらの理由により、ＦＥＣは、無線通信及び宇宙探査及び衛星データ通信システムでの使用が特に関心を呼んでいる。ＦＥＣは、入力メッセージ系列を写像し、伝送前のデータに冗長性と記憶を付加するシンボル系列を符号化するチャネル符号化に依拠する。
【０００３】
一般に、チャネル符号化は、ブロック符号化又は通常の符号化を用いてメッセージのビットストリームに冗長性を付加する。ブロック符号化は、メッセージを表現するビットストリームを固定長のブロックに分割し、各ブロックに個別に冗長符号シンボルを付加する。ブロック符号化は通常代数的手法で復号する。他方、畳込み符号化は、ビットストリームにそのコンテンツに基づいて連続的に冗長シンボルを付加する。畳込み符号化器において、メッセージのビットは、多数の個別のレジスタを有するシフトレジスタの中に、及びそこから外に順次シフトする。出力符号は、シフトレジスタのコンテンツに対してなされたモジュロ演算の結果であり、幾つかの場合は、入力ビットストリームは各順次メッセージシンボル又はビットとしてレジスタ中でシフトする。ビットストリームのセグメント化は、畳込み符号化の場合必要でないが、代表的には、符号化ビットストリームは伝送前に他の理由からブロック又はフレームに分割される。畳込み符号の復号は、発見的な又は試行錯誤的な方法で達成する。
【０００４】
ターボ符号は、２つ又はそれ以上の並列符号化器より生成される。各符号化器は、しばしば同一の畳込み符号化器であるが、ただし必要条件ではない。符号化器の１つ又はそれ以上にインタリーバ又はパーミュータが付加される。インタリーバは、付加符号化器の出力を組織的で擬似ランダムな方式で配置する。結果として、ターボ符号は、符号化器の個数に依存して２つ以上の同一入力情報ビットストリームと呼ばれる独立符号化シンボルストリームよりなる。ターボ符号は、比較的単純な成分符号と大きなインタリーバを有し、性能が伝送チャネルの理論的限界値又はシャノンの限界値に近いので特別な関心を呼んでいる。
【０００５】
ターボ符号の復号は、反復プロセスであり、第１モジュラ復号器の結果が第２モジュラ復号器への入力部分を形成し、以後同様に、所要の反復数に達するまで続いて行く。ターボ符号が２つの並列連鎖した符号よりなっている場合、モジュラターボ符号の復号装置は２つの直列接続した復号器から構成され、インタリーバが復号器を分離し、第１復号器の出力が次の復号器の入力として使用できるように順番を変える。２つ以上の並列構成符号を有するターボ符号用の復号器は多数の形式を取ることができる。
【０００６】
畳込み符号化器は、入力シンボルのシーケンスに基づいて符号ツリー又はトレリス線図を通るパスを追跡することにより符号化する状態機械である。“受信状態”シンボルの符号化メッセージから、畳込み符号の復号器は、伝送中に生じた誤りを訂正しながら復号メッセージのシンボルを出力する符号ツリー又はトレリスを通るパスの再追跡を試みる。畳込み符号を復号する１つの技法は、トレリス図を通る“最大尤度”パスを追跡するアルゴリズムに依拠する。ターボ符号の復号に使用する“最大尤度”アルゴリズムの１つが軟出力ビタビアルゴリズム（ＳＯＶＡ）である。ＳＯＶＡアルゴリズムを用いる復号器（成分復号器）は対数尤比、即ち、観察された信号値を与えられた２つの結果（２値“１”及び“０”）を得る条件付確率比の対数を計算又は推定する。成分復号器の出力は複数の符号の付いた数である。符号は復号メッセージシンボルの極性を表す。大きさは、復号シンボルが原メッセージシンボルと同一である確率を表わす“軟”又はアナログ値である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ターボ符号の復号装置は、逐次反復により最終復号シンボル系列に収束し、誤り率性能は、反復のしきい値回数に達するまで改善される。復号装置の誤り率性能は、一般に、反復を追加することにより改善されるが、改善率は低下する。各反復は時間を要し復号の完了を遅延させる。これまで、特定のターボ符号復号装置で実行される反復回数は、復号器にハード配線されていた。その復号器にハード配線される反復数の最適化は、復号器の運転時の待ち時間と誤り率の間で妥協点を見つけることを含んでいる。さらに、ノイズのランダムな性質により、“受信状態”のデータ系列は、不同に劣化し、同一レベルの誤り訂正を達成するためには異なる反復数を要する。
【０００８】
本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたものであり、平均して最少の復号反復数で所定の誤り訂正レベルを実現する最適化性能を有するターボ符号復号装置及びその復号方法を提供することをその目的とする。また、本発明は、各メッセージの誤り訂正要求によく対応できるよう動作する復号装置を提供することをその目的とする。さらに、本発明は、復号プロセスを最適化することにより、許容誤り率でのメッセージ復号時の待ち時間を短縮し、復号装置のコストと複雑さを軽減させることをその目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の技術手段は、複数の復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）前記ターボ符号復号装置による逐次反復の各反復に対して前記制限値にほぼ等しい前記出力の数を決定するステップと、
（ｃ）前記出力の数が逐次反復間に実質上不変となった時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴としたものである。
【００１０】
本発明の第２の技術手段は、第１の技術手段において、前記制限値にほぼ等しい前記出力の数は、前記制限値とほぼ等しく該制限値が持つ符号と同じ符号を持つ前記出力の数であることを特徴としたものである。
【００１１】
本発明の第３の技術手段は、第１の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴としたものである。
【００１２】
本発明の第４の技術手段は、複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）第２の前記直列復号器が、夫々第１回目の反復と第２回目の反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第１の数と第２の数を決定するステップと、
（ｃ）第１の前記直列復号器が、前記第２回目の反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第３の数を決定するステップと、
（ｄ）前記出力の前記第１と第２と第３の数がほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴としたものである。
【００１３】
本発明の第５の技術手段は、第４の技術手段において、前記出力の前記第１と第２と第３の数は、前記制限値とほぼ等しく該制限値が持つ符号と同じ符号を持つ前記出力の数であることを特徴としたものである。
【００１４】
本発明の第６の技術手段は、第４の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴としたものである。
【００１５】
本発明の第７の技術手段は、複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）前記復号器が前記反復実行中に生成した実質上全ての出力が前記制限値にほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴としたものである。
【００１６】
本発明の第８の技術手段は、第７の技術手段において、前記実質上全ての出力は、前記制限値とほぼ等しく該制限値と同じ符号を持つ前記実質上全ての出力であることを特徴としたものである。
【００１７】
本発明の第９の技術手段は、第７の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴としたものである。
【００１８】
本発明の第１０の技術手段は、複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）第１の前記直列復号器が１反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第１の数を決定するステップと、
（ｃ）最後の前記直列復号器が前記反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第２の数を決定するステップと、
（ｄ）前記出力の前記第１と第２の数が実質上等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴としたものである。
【００１９】
本発明の第１１の技術手段は、第１０の技術手段において、前記出力の前記第１の数と第２の数は、前記制限値にほぼ等しく該制限値が持つ符号と同じ符号を持つ前記出力の数であることを特徴としたものである。
【００２０】
本発明の第１２の技術手段は、第１０の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴としたものである。
【００２１】
本発明の第１３の技術手段は、反復式ターボ符号復号装置であって、
（ａ）複数の直列復号器と、
（ｂ）該復号器の複数の出力を該出力に対するしきい値と比較する比較器と、
（ｃ）前記復号器が生成した、前記しきい値にほぼ等しい前記出力の数をカウントするカウンタと、
（ｄ）前記しきい値にほぼ等しい出力の数が逐次反復の間不変である時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させる判定器とを有する反復式ターボ符号復号装置を特徴としたものである。
【００２２】
本発明の第１４の技術手段は、第１３の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズム復号器であることを特徴としたものである。
【００２３】
本発明の第１５の技術手段は、反復式ターボ符号復号装置であって、
（ａ）複数の直列復号器と、
（ｂ）該復号器の出力を該出力に対するしきい値と比較する比較器と、
（ｃ）第１の前記直列復号器と後続の前記直列復号器が各々生成した、前記しきい値にほぼ等しい前記出力の第１の数と第２の数をカウントするカウンタと、
（ｄ）前記出力の第１の数が前記出力の第２の数とほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させる判定器とを有する反復式ターボ符号復号装置を特徴としたものである。
【００２４】
本発明の第１６の技術手段は、第１５の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズム復号器であることを特徴としたものである。
【００２５】
本発明の第１７の技術手段は、反復式ターボ符号復号装置であって、
（ａ）複数の直列復号器と、
（ｂ）該復号器の出力を該出力に対するしきい値と比較する比較器と、
（ｃ）該しきい値にほぼ等しい前記出力の数をカウントするカウンタと、
（ｄ）第１及び後続の反復を実行する最後の前記直列復号器と、前記後続反復を実行する第１の前記直列復号器が各々生成した前記出力で、前記しきい値にほぼ等しい前記出力の第１と第２と第３の数を蓄積するメモリと、
（ｅ）前記出力の前記第１と第２と第３の数がほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させる判定器とを有する反復式ターボ符号復号装置を特徴としたものである。
【００２６】
本発明の第１８の技術手段は、第１７の技術手段において、前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズム復号器であることを特徴としたものである。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明は、上述のごとき先行技術の欠点を、複数の復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の運転性能を最適化する方法を供給することにより克服する。この方法は、復号器（成分復号器）の出力の制限値を定めるステップと、ターボ復号器による逐次反復ごとの制限値とほぼ等しい復号器出力数を算定するステップと、制限値にほぼ等しい復号器の出力数が逐次反復に対してほぼ不変になった時にターボ符号復号装置の運転を終了させるステップよりなる。メッセージ系列の復号におけるターボ符号復号装置の動作展開は、成分復号器の出力制限値を決定し、その制限値に等しいか又は近似する出力の数を監視することにより制御できる。もし、制限値に近似又は飽和する出力数がターボ符号復号装置による逐次反復の間変化しなければ、メッセージの復号に進展がないことを示す。したがって、データを失うことなく、ターボ符号復号装置の運転を終了することができる。
【００２８】
複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する第２の技法は、復号器の出力用制限値を確定することと、第１反復及び第２反復を各々実行中に第２直列復号器により生成された制限値にほぼ等しい第１出力数と第２出力数を決定（計算）することと、第２反復中に第１直列復号器により生成された制限値にほぼ等しい第３出力数を決定することと、第１，第２及び第３の出力数値がほぼ等しくなるとターボ符号復号装置の運転を終了させることよりなる。
【００２９】
複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する第３の技法は、復号器の出力用制限値を確定することと、反復を実行する第１直列復号器により生成された制限値とほぼ等しい第１の出力数を決定することと、反復を実行する最後の直列復号器により生成された制限値にほぼ等しい第２の出力数を決定することと、第１と第２の出力数がほぼ等しくなるとターボ符号復号装置の運転を終了することよりなる。
【００３０】
複数の直列成分復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する第４の技法は、成分復号器の出力用制限値を確定することと、反復を実行中に、直列成分復号器により生成された全ての出力数がほぼ等しくなればターボ符号復号装置の運転を終了することよりなる。復号プロセスの進展を監視し、進展が遅くなるか停止した時に復号の反復を終了することにより、どんなに特殊なメッセージストリームの復号時における遅延も最少にすることができ、同時に、如何なる“受信状態の”シンボル系列についても十分な誤り率を達成できる。
【００３１】
本発明の最適化反復ターボ符号復号装置は、また、複数の直列復号器と、復号器の複数の出力を出力に対するしきい値と比較する比較器と、しきい値とほぼ等しい復号器の生成出力数をカウントするカウンタと、しきい値にほぼ等しい出力数が、逐次反復に対して不変になった時にターボ符号復号装置の運転を終了させる決定ユニットで構成している。最適化ターボ符号復号装置の第２の実施態様において、反復中に飽和した最初と最後の直列復号器の出力数を比較して復号の進行（遂行）を決定する。第３の実施態様においては、最初の反復を行う最初の直列復号器の出力数を、第１及び後続の反復を行う最後の直列復号器の出力数と比較して、復号の遂行を判断し、さらなる反復が必要か否かを決定する。
本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明を添付の図面を参照して読めば容易に理解される。
【００３２】
本発明においては、ディジタル通信システムに使用されるターボ符号を最大尤度アルゴリズムの逐次反復によって復号する。ターボ符号の復号装置は、各モジュールが２台以上の直列復号器よりなるモジュラ装置である。１台の復号器又はモジュールの出力が次の復号器又はモジュールの入力の一部となる。復号の遂行は、復号器の出力に対する制限値を確立し、この制限値にほぼ等しい１台以上の復号器の出力の数を測定することによって監視できる。制限値に近似するか又は飽和する出力数が、逐次反復又は逐次直列復号器によって変化しなくなれば、メッセージの復号において更なる遂行は無くなる。ターボ符号復号装置の性能は、構成復号器の飽和した出力数が逐次反復又は復号装置の動作に対して変化しない時に、復号プロセスの反復を終了させることにより、最適化することができる。
【００３３】
図１は、チャネル符号化を内蔵する通信リンクを示すブロック図である。前方向誤り訂正（ＦＥＣ）は、通信リンク２におけるノイズの結果としてディジタルメッセージに発生し得る誤りを検出して訂正するために用いられる。ビット系列又はシンボル系列（ｍ₁,ｍ₂,…,ｍ_j，…）よりなるメッセージ４は情報源６から生じる。通信リンク２がＦＥＣを含んでいれば、メッセージ系列４は、伝送前に符号化装置１０により符号シンボル系列８（Ｃ₁,Ｃ₂,…,Ｃ_j,…）に符号化される。符号語系列８は変調装置１２に送られ、通信リンク２のノイズを含む通信の伝送チャネル１６で伝送するのに適した信号１４（｛ｓ_j（ｔ）｝）に符号化される。伝送チャネル１６はノイズの影響を受け受信機２０に歪み信号（｛ｓｄ_j（ｔ）｝）をもたらす。受信機２０において、復調装置２２は伝送時に歪みを受けた信号を復調ビットストリーム２４（Ｚ₁,Ｚ₂,...Ｚ_j,…）に変換する。復調ビットストリーム２４は、次に復号装置により復号され、その際、“受信状態の”メッセージ内の誤りが特定、訂正され、訂正され復号化された出力メッセージストリーム２８（ｍ'₁,ｍ'₂,…,ｍ'_j，…）が生成される。出力メッセージストリーム（複合メッセージ）は使用されるために情報シンク３０に送られる。
【００３４】
幾つかのチャネル符号化技法が通信システム内の誤り訂正（ＦＥＣ）のために使用されている。通信チャネルの理論的な、すなわちシャノンの限界値に近い特性を達成する１つの技法が、ターボ符号化である。ターボ符号は、交錯並行連結符号（interleaved parallel concatenated codes）である。成分符号は畳込み符号であることが多いが、他の技法で生成した符号であってもよい。
【００３５】
図２は、組織的な反復式畳込み符号化装置の１例を示すブロック図である。片括弧で示したターボ符号符号化装置４０の１例は、２つの並列反復式系統的な畳込み符号化器（畳込み成分符号化器）４２，４４（各々片括弧で示す）よりなり、追加インタリーバ４６が符号化器４４の入力に取り付けられている。ターボ符号符号化装置は、２台を超える符号化器で、夫々追加する符号化器の入力にインタリーバを取り付けて構成してよい。このターボ符号符号化装置４０は、３つの中間出力であるＣ₀（４７）,Ｃ_C1（４８），Ｃ_C2（５０）を有し、これらの中間出力は出力多重化器５４によって１つの符号化直列ビットストリームに結合される。ターボ符号符号化装置４０の符号化率又は入力メッセージシンボルｍの数の出力符号シンボルＣの数に対する比率は１／３である。
【００３６】
ターボ符号符号化装置４０は、符号化器中間出力の１つ、Ｃ₀（４７）を構成する入力メッセージ又はフレームｍ（５６）のシンボルを有する組織的な符号化装置である。中間出力Ｃ_C1（４８）及びＣ_C2（５０）は、各々、第１，第２の成分畳込み符号化器４２，４４の出力である。第１と第２の畳込み符号化器４２，４４は、各々、１台のシフトレジスタ５８と１対のモジュロ２の加算器６０，６２を含んでいる。シフトレジスタ５８は２つの独立したレジスタＴ１（６４）とレジスタＴ２（６６）よりなる。符号化器４２，４４への入力ビットストリームのシンボルｍ_j（５６）又はｍ（α）_j（６８）は、一度に１ビットづつシフトレジスタ５８に送られる。シフトレジスタ５８のコンテンツがメッセージの始点において既知であり、またメッセージの全てが完全に各シフトレジスタ５８を通って移動するように、ターボ符号符号化装置は、メッセージ又はフレームの終わりの既知状態までシフトレジスタを“フラッシュ”するために十分なビット（通常ゼロ）を加えるパディングユニット７０を含む。畳込み符号化器はメッセージに冗長ビットを、メッセージ全体が１つのコードになるような連続条件で加える。しかしながら、符号化メッセージデータは、しばしば、固定長の伝送フレームに分割される。
【００３７】
ターボ符号符号化装置４０において、メッセージ系列ｍ（５６），ｍ＝［１０１０１］は第１畳込み符号化器４２の入力例である。反復畳込み符号化器４２，４４において、２つのレジスタＴ１（６４），Ｔ２（６６）のコンテンツと入力ビットのモジュロ２の加法計算が、モジュロ２加算器６０によりなされ、フィードバックビットＦ（７２）が生成される。畳込み符号化器の出力Ｃ_C1（４８）又はＣ_C2（５０）は、加算器６２で計算されたＴ２レジスタ６６のコンテンツとフィードバックビットＦ（７２）のモジュロ２の合計である。第１畳込み符号化器４２の出力Ｃ_C1は符号化ビットストリーム［１１０１１］である。第２畳込み符号化器４４の入力ｍ（α）（６８）は、インタリーバ４６によって再配置されたメッセージ系列ｍ（５６）である。インタリーバは、入力シンボルを或る擬似ランダムな方法で再配置し、各入力シンボルを表わす複数のコードシンボルが出力ビットストリームＣ（５２）中で互いに分離されるようにする。誤り訂正を実行するターボ符号は、部分的には、数百ビットをインタリーブする大きなターボインタリーバを使用することに起因する。インタリーブは、同一のメッセージビットストリームに関連する、２つ以上（成分符号数による）の個別に符号化したシンボルストリームを生成する。ターボ符号復号装置は、符号のこの構造を利用し、１つのシンボルストリーム中のビットに関する固有でない（付帯的な）情報を残りのストリーム中のビットから導出し、この情報を用いて、正しく復号されたシンボルを推定する。この推定は復号プロセスの逐次反復の間に洗練される。
【００３８】
例示のインタリーバ４６において、入力シンボルは、入力系列ｍ₁の第１ビットが畳込み符号化器入力系列６８の第４ビットｍ（α₄）になり、第２入力ビットｍ₂が第３ビットｍ（α₃）になるように順次規定したテーブルに基づき再配置される。その結果、第２畳込み符号化器４４の出力Ｃ_C2（５０），Ｃ_C2＝［０１１００］は、符号化器内の符号化プロセスが同じであっても、第１畳込み符号化器４２の出力とは異なる。さらに、インタリーブの結果として、入力メッセージシンボルを表わす３つの符号化出力シンボルが出力ビットストリーム５２に分離される。
【００３９】
図３は、図２の符号化装置の反復畳込み符号化器の動作の１例を示すトレリス線図である。畳込み符号化器は状態機械であり、その運転は符号ツリー又はトレリス線図によって追跡されたパスにより表現することができる。トレリス線図の各ノード８０は、入力時点又は符号化段階８２（ｔ₀,ｔ₁,…）における符号化器４２のシフトレジスタの状態（トレリスの左の縦列に示した状態）に対応している。２つのパスがトレリスの各ノードを出る。次の符号化段階における次の状態に至るパスは、状態の遷移を惹起するメッセージビットにより決定される。入力メッセージビット“１”は、符号化器に破線で示したパスを辿らせ、入力メッセージビット“０”は符号化器に実線で示したパスを辿らせる。各パスに対する出力コードシンボル８４は、パス付近に示してある。たとえば、ｔ₁においてビット“１”は符号化器４２中でシフトされ、符号化器を初期状態“００”８６（パディングの結果）から次の状態“１０”８８に移行させる。符号化器は、第１ノード“００”８６を出発し、次の状態“１０”８８に行くと、入力“１”に対応するパス（破線）上に出てコードシンボル“１１”９０を出力する。同様に、次のメッセージビット“０”は、次のコードシンボル“０１”９２を生成するために第２ノード（ｔ₁における状態“１０”）からの出発パスを決定し、符号化器を次の状態（ｔ₂の時点における状態“１１”）９４に移行させる。符号化器は、全てゼロの状態で起動させ、終了させることが望ましい。入力系列［１０１］の場合、ゼロ終了状態を実現するために２つの余分なビット［０１］を必要とする。入力メッセージ系列［１０１］プラス２つのパディングビット［０１］のためのトレリスを通るパスを辿り、出力コード［１１０１１００１１１］を生成する。図２の符号化器の出力は、出力符号化器（２台の符号化器の各々に対するトレリス線図）の出力であり、原メッセージシンボルと多重化される。
【００４０】
ターボ符号の復号は、反復プロセスであり、ターボ符号復号装置は、本質的にモジュール構造であり、第１モジュールの出力（第１反復結果）は、次の反復プロセスに用いられる次のモジュールの第１復号器への入力の一部である。
【００４１】
図４は、本発明によるターボ符号の復号装置を示す図である。例示のモジュール式ターボ符号の復号装置は、特定ターボ符号符号化装置の符号化器（成分符号化器）の数に等しい複数の直列式成分復号器（直列式復号器）１００，１０２を有している。成分コード数が２つより多い場合は復号器を他の配置も可能であり、本発明はこれらの他の配置構成で使用することも可能である。伝送時に生じた誤りを含んでいる“受信状態”の符号化伝送データＺ（１０４）は、復調装置２２から復号装置２６で受信される。入力デマルチプレクサ（入力逆多重化器）１０６において、受信状態データストリームＺ（１０４）は、符号化器の３つの中間出力であるＣ₀（４７）,Ｃ_C1（４８），Ｃ_C2（５０）の“受信状態”バージョンを表わす３つの構成ストリームストリームＺ₀（１１０）,Ｚ_C1（１０８），Ｚ_C2（１１２）に分離される。
【００４２】
図５は、軟出力ビタビアルゴリズムに基づいた畳込み復号器の動作の例を示すトレリス線図である。復号器１００と１０２において、軟出力用ビタビアルゴリズム（ＳＯＶＡ）を用いて符号化メッセージを生成した場合にトレリス線図により符号化器が辿った“最尤”パスを再追跡する。図５に示すように、ビタビアルゴリズムを適用する場合、復号器は、プロセスの段階を通して直列作動する。各段階において、パスの距離（メトリック）１７０を、当初状態からその段階の全ての可能な状態までのパスについて計算する。パスメトリック１７０は、復号器の当初状態１７４から特定段階の各ノード１７６までの各パスに沿った累算差メトリック１７２である。２つのノード間パスの差メトリック１７２は、符号化器がこれらの２つのノード又は状態間の遷移をなす際に発生した、受信メッセージのコード語と該当コード語との間の差の測定値である。ビタビアルゴリズムによれば、系列を符号化する際に符号化器が辿ったであろう“最尤”パスは、最小パスメトリックを持つパスである。このパスは次の入力段階において使用するために保持され、メトリックの大きい方のパスは破棄する。このアルゴリズムをさらに深いトレリス線図中の入力段階に適用して行くと、遅延１８０の後に単一の“最尤”パスが出現する。受信メッセージ中の誤りが除去され、メッセージがトレリス線図を通るこのパスを辿れば正確に復号できる確率が高い。
【００４３】
修正ビタビアルゴリズム（軟出力ビタビアルゴリズム、すなわちＳＯＶＡ）をターボ符号復号装置に用い、軟又は硬な入力から“軟”又はアナログ出力を生成する。“軟”入力又は出力は、可能な信号の二進数値間の実信号レベル（８レベルの場合が多い）を量子化する。“軟”値（軟判定値）は信号値の信頼度とその極性を示している。
【００４４】
ターボ符号復号装置の復号器（成分復号器）に用いられるＳＯＶＡアルゴリズムには、２つの基本的なステップがある。第１ステップ（ビタビステップ）は、トレリスの各段階における各ノードの最大パスメトリック差の計算を追加したビタビアルゴリズムと類似である。第２ステップ（更新ステップ）において、ウィンドウ１７８を単一パスに収束するビタビのアルゴリズムの遅延に対応して設定する。このウィンドウ１７８は、復号器が段階から段階に移動するにつれて、トレリス線図に沿ってスライドする。生き残りパスに匹敵し生き残りパスより異なるビット判定を有する、全ての可能なパスの中から最小のパスメトリック差をウィンドウ内で検出する。最小パスメトリック差には現ビットの硬値に基づく符号が与えられ、ＳＯＶＡ出力の軟値となる。ＳＯＶＡアルゴリズムを適用する畳込み復号器の出力は、メッセージの各復号ビットに対する符号付き数値よりなる。数値の符号（“対数尤比”の符号）は、ビットの値又は極性を示す。数の大きさ（“対数尤比”の大きさ）は、正しい復号化の信頼度を示す。
【００４５】
ＳＯＶＡアルゴリズムを用い、ビタビアルゴリズムのパスのメトリック計算は、先行する復号器により供給される付帯的な情報（Ｌ_in（ｔ））を含む項を追加することにより増大する。トレリス線図中の特定時点ｔにおける各状態ｋごとに、パスメトリックＭ_k,tは、ｔ−１の時点における全ての各状態ｋ′からｔの時点における状態ｋへの有効な遷移をもってパスメトリックを延長して下記のように計算する。
【００４６】
【数１】

【００４７】
上式において、Ｌ_in（ｔ）は、先行復号器から供給される付帯的な情報であり、Ｌｃは、等式Ｌｃ=４ａＥｓ／Ｎ₀で計算されるチャネルの信頼性ファクタである。式中のａはチャネルのフェージング振幅であり、Ｅｓ／Ｎ₀はチャネルの信号対雑音比である。
【００４８】
図４に示すように、第１復号器１００は、ＳＯＶＡを組織的データＺ₀（１１０），第１復号器１００からの符号化データＺ_C1（１０８）及び初期の先験的な情報Ｌ_in1,j（１１４）に適用し、復号されたメッセージビットの値とその値が正しく復号された確率とを夫々示す複数の符号を付けた数値である軟出力（Ｌ（ｓｏｖａ１）１１６）を計算する。付帯的情報Ｌ（ｅ）（１２０）は、減算器１１８で、復号器の出力Ｌ（ｓｏｖａ１）（１１６）から、乗算器１２２で組織的データＺ₀（１１０）にチャネルの信頼性ファクタＬｃ（１２４）を乗じて得た積と先験的情報Ｌ_in1,j（１１４）を差し引くことにより得られる。インタリーブ後、付帯的情報Ｌ（ｅ）（１２０）は、先験的な情報Ｌ_in2,j（１２６）になり、第２復号器１０２に送られる。
【００４９】
第２復号器１０２用データは、第１復号器１００からのインタリーブして変形した先験情報Ｌ_in2,j（１２６）と、インタリーバ１２８で同様インタリーブした組織的データＺ₀（１１０）と、入力デマルチプレクサ１０６で入力メッセージビットストリームＺ（１０４）から分離したターボ符号符号化装置の第２符号化器の“受信状態”符号化出力Ｚ_C2（１１２）とよりなる。第２成分復号器１０２は、ＳＯＶＡアルゴリズムをこの第２符号化情報に適用し、第２軟出力Ｌｓｏｖａ２（１３０）を生成し、復号プロセスの反復を完了する。
【００５０】
所要回数の反復を完了すると、第２復号器の軟出力Ｌｓｏｖａ２（１３０）はスイッチ１３２により逆インタリーバ１３４に切り替えられ、コンバータ（変換器）１３６に送られ、ここで“硬”（二進数）値が、復号装置出力の“軟”（アナログ）値から復号メッセージ１３８のために選択される。
【００５１】
所要回数の反復が完了しなければ、第２復号器１０２の入力からのインタリーブされた組織的データＺ₀（１１０）とインタリーブされた固有情報Ｌ_in2,jを第２復号器の軟出力Ｌｓｏｖａ２（１３０）から減算器１４０により減算される。得られた付帯的情報Ｌｅ（１４２）は、インタリーブで変形させた固有情報Ｌ_in1,j+1（１４４）である。逆インタリーバ１３４で逆インタリーブ後、この固有情報Ｌ_in1,j+1（１４４）は、第１復号器１００の出力にフィードバックし復号プロセスの次の逐次反復に使用する。
【００５２】
ＳＯＶＡアルゴリズムの出力は、生き残りパスに沿う更新ウィンドウ中の最大パスメトリック差中の最小値に依存する。低い信号対雑音比（ＳＮＲ）の場合、最大パスメトリック差はおそらく小さい。高ＳＮＲの場合は、パスメトリック差は、おそらく大きく、ＳＯＶＡ出力値（Ｌｓｏｖａ）は大きくなる。これらの大きい値は、アルゴリズムの収束にマイナスの影響を及ぼし、アルゴリズムの性能はこの出力Ｌｓｏｖａを制限することにより改善することができる。
【００５３】
本発明では、ＳＯＶＡアルゴリズムの収束を、各反復時に制限レベルで飽和し、この数値が反復から反復までの間に変化しなければ反復を中止する復号器の出力数を比較することにより監視できるという予想外の方法を実現した。さらに、単一反復において個別復号器の各々によって生成された飽和出力数の変化を比較することにより、反復を継続するか否かを判定することができる。
【００５４】
本発明において、出力Ｌ（ｓｏｖａ）は復号器１００，１０２から比較器１５０に送り、ここで、各出力をしきい値又は制限値Ｔと比較する。しきい値Ｔと等しくなる、第１反復（Ｎ２，ｊ）及び逐次反復（Ｎ２，ｊ＋１）中の第２復号器１０２からとの出力Ｌ（ｓｏｖａ）の数と、逐次反復（Ｎ１，ｊ＋１）中の第１復号器１００の出力Ｌ（ｓｏｖａ）の数は、カウンタ１５１によってカウントし、メモリ１５２、１５４，１５６に記憶する。３つの飽和値Ｌ（ｓｏｖａ）数を判定器（判定ユニット）１５８で互いに比較する。３つの数がほぼ等しければ、アルゴリズムは収束したと宣言してよく、ターボ符号復号装置の運転を情報を失うことなく終了できる（１６２）。３つの数が等しくなければ、アルゴリズムは収束するまで継続し（１６４）、ターボ符号復号装置も最大反復数に達していない限り（１６０）運転を継続する（１６４）。
【００５５】
第２の技法及び装置は、逐次反復において飽和した第１と第２の復号器の出力を保管し比較する。飽和出力の数が逐次反復において変化しなければ、収束を宣言し、復号器を停止する。同様に、単一復号器の飽和出力を、飽和出力数に変化が殆ど又は全然無くなるまで、逐次反復中監視することができる。第４のより簡単な技法は、最後の直列復号器の出力を最初の直列復号器の出力と比較する。単一反復を行う最初と最後の復号器によって生成した飽和出力の数に変化がなくアルゴリズムの収束が示されるが、この方法を用いた連続運転の効果の確実性はやや劣る。もし、各復号器のＳＯＶＡ出力の全ての値が飽和していれば、アルゴリズムは収束し運転を終了できる。しきい値ＴとＬ（ｓｏｖａ）値は両方とも符号付きの値である。比較回数は、１つの符号を持つ出力だけを同じ符号を持つしきい値と比較することにより、５０％削減できる。
【００５６】
明細書に用いた用語と表現は、説明のためであり、制限を意味するものではない。かような用語と表現は、特徴又はその部分を表現する同等の用語と表現を除外することを意図したものでは決してない。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、平均して最少の復号反復数で所定の誤り訂正レベルを実現することが可能である。また、本発明によれば、各メッセージの誤り訂正要求によく対応できるよう動作可能である。さらに、本発明によれば、復号プロセスを最適化することにより、許容誤り率でのメッセージ復号時の待ち時間を短縮し、復号装置のコストと複雑さを軽減させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】チャネルの符号化を内蔵する通信リンクを示すブロック図である。
【図２】組織的な反復式畳込み符号化装置の１例を示すブロック図である。
【図３】図２の符号化装置の反復式畳込み符号化器の動作の１例を示すトレリス線図である。
【図４】本発明によるターボ符号の復号装置を示すブロック図である。
【図５】軟出力ビタビアルゴリズムに基づいた畳込み復号器の動作の１例を示すトレリス線図である。
【符号の説明】
４…メッセージ、６…情報源、８…シンボル系列、１０…符号化装置、１２…変調装置、１６…ノイズ伝送チャネル、２２…復調装置、２６…復号装置、２８…復号メッセージ、３０…情報シンク、４０…ターボ符号符号化装置、４２…第１符号化器、４４…第２符号化器、５４…出力多重化器、５８…シフトレジスタ、６０，６２…モジュロ２加算器、６４，６６…レジスタ、７０…パディングユニット、１００…第１復号器、１０２…第２復号器、１２８…インタリーバ、１３４…逆インタリーバ、１３６…変換器、１３８…復号メッセージ、１５０…比較器、１５１…カウンタ、１６２終了、１６４…継続、１７０…パスメトリック、１７２…累算差メトリック、１７４…当初状態、１７６…ノード、１７８…ウインドウ、１８０…遅延。

Claims

複数の復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）前記ターボ符号復号装置による逐次反復の各反復に対して前記制限値にほぼ等しい前記出力の数を決定するステップと、
（ｃ）前記出力の数が逐次反復間に実質上不変となった時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴とする反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記制限値にほぼ等しい前記出力の数は、前記制限値とほぼ等しく該制限値が持つ符号と同じ符号を持つ前記出力の数であることを特徴とする請求項１に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）第２の前記直列復号器が、夫々第１回目の反復と第２回目の反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第１の数と第２の数を決定するステップと、
（ｃ）第１の前記直列復号器が、前記第２回目の反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第３の数を決定するステップと、
（ｄ）前記出力の前記第１と第２と第３の数がほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴とする反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記出力の前記第１と第２と第３の数は、前記制限値とほぼ等しく該制限値が持つ符号と同じ符号を持つ前記出力の数であることを特徴とする請求項４に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項４に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）前記復号器が前記反復実行中に生成した実質上全ての出力が前記制限値にほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴とする反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記実質上全ての出力は、前記制限値とほぼ等しく該制限値と同じ符号を持つ前記実質上全ての出力であることを特徴とする請求項７に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項７に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
複数の直列復号器を含む反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法において、
（ａ）前記復号器の出力に対する制限値を確立するステップと、
（ｂ）第１の前記直列復号器が１反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第１の数を決定するステップと、
（ｃ）最後の前記直列復号器が前記反復を実行中に生成した前記制限値にほぼ等しい前記出力の第２の数を決定するステップと、
（ｄ）前記出力の前記第１と第２の数が実質上等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させるステップとを含んでなることを特徴とする反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記出力の前記第１の数と第２の数は、前記制限値にほぼ等しく該制限値が持つ符号と同じ符号を持つ前記出力の数であることを特徴とする請求項１０に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズムを用いることを特徴とする請求項１０に記載の反復式ターボ符号復号装置の性能を最適化する方法。
反復式ターボ符号復号装置であって、
（ａ）複数の直列復号器と、
（ｂ）該復号器の複数の出力を該出力に対するしきい値と比較する比較器と、
（ｃ）前記復号器が生成した、前記しきい値にほぼ等しい前記出力の数をカウントするカウンタと、
（ｄ）前記しきい値にほぼ等しい出力の数が逐次反復の間不変である時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させる判定器とを有する反復式ターボ符号復号装置。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズム復号器であることを特徴とする請求項１３に記載のターボ符号復号装置。
反復式ターボ符号復号装置であって、
（ａ）複数の直列復号器と、
（ｂ）該復号器の出力を該出力に対するしきい値と比較する比較器と、
（ｃ）第１の前記直列復号器と後続の前記直列復号器が各々生成した、前記しきい値にほぼ等しい前記出力の第１の数と第２の数をカウントするカウンタと、
（ｄ）前記出力の第１の数が前記出力の第２の数とほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させる判定器とを有する反復式ターボ符号復号装置。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズム復号器であることを特徴とする請求項１５に記載のターボ符号復号装置。
反復式ターボ符号復号装置であって、
（ａ）複数の直列復号器と、
（ｂ）該復号器の出力を該出力に対するしきい値と比較する比較器と、
（ｃ）該しきい値にほぼ等しい前記出力の数をカウントするカウンタと、
（ｄ）第１及び後続の反復を実行する最後の前記直列復号器と、前記後続反復を実行する第１の前記直列復号器が各々生成した前記出力で、前記しきい値にほぼ等しい前記出力の第１と第２と第３の数を蓄積するメモリと、
（ｅ）前記出力の前記第１と第２と第３の数がほぼ等しい時に、前記ターボ符号復号装置の運転を終了させる判定器とを有する反復式ターボ符号復号装置。
前記復号器は軟出力ビタビアルゴリズム復号器であることを特徴とする請求項１７に記載の反復式ターボ符号復号装置。