JP4540284B2

JP4540284B2 - 変化するグループ化係数を有するヒエラキカルｑａｍ伝送システム

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Publication number: JP4540284B2
Application number: JP2001540483A
Authority: JP
Inventors: フォレストセトルティモシー; ピータークラウストーマス; ラマスワミークマー
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 1999-11-23
Filing date: 2000-11-22
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2020-11-22
Also published as: EP1232623B1; BR0015782A; MXPA02005141A; BRPI0015782B1; DE60023337T2; JP2003515976A; KR20020068355A; EP1232623A1; KR100684233B1; CN100425044C; AU2045701A; CN1423884A; US7274653B1; WO2001039454A1; DE60023337D1

Description

【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ヒエラキカルＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）伝送システムに関する。
【０００２】
（発明の背景）
伝送のために個別の信号を単一の搬送波に結合することは知られている。例えば、米国特許第5,710,754は、アナログベクトル変調されたアナログ信号を含んで、ＱＰＳＫやＱＡＭ変調のようなデジタルベクトル変調を使用して送信されるデジタル信号を結合するシステムを開示している。ベクトルプレーンにおいては、デジタル信号は、所定の位置のセットの一つを連続的に仮定する。ベクトル空間は、所定の位置のそれぞれを取り囲むアナログ信号によって占有される。所定の位置の一にてアナログ信号によって占有された空間を、所定の位置の隣接するアナログ信号によって占有された空間で重畳しないようにするために、アナログ信号によって占有されたベクトル空間の振幅は、自動利得制御編成によって制限される。
他の例としては、米国特許第5,966,412号は、発明者がRamaswamyで、１９９９年１０月１２日に特許されたものであり、旧型のＱＰＳＫ（quadrature phase shift keyed）レシーバと下位互換であるとともに、より高速のデータレート、又はより高精度のデータを供給するための、より高機能のレシーバによって受信可能なさらなるデータストリームをさらに可能にする変調方式を開示している。図１は上記米国特許第5,966,412号に開示されたヒエラキカルＱＡＭ伝送方式を示すブロック図である。図１は伝送チャネル２００を介してデータレシーバ３００に接続されたデータトランスミッタ１００を示す。
【０００３】
図１を説明する。第１入力端子ＤＡＴＡ１は第１データ信号源（図示せず）に接続されており、第２の入力端子ＤＡＴＡ２は第２データ信号源（図示せず）に接続されている。第１および第２データ信号は個別で独立したデータを表すことができ、あるいは、関連するデータ信号、例えば、（この伝送システムのスループットを高めるために）同一データ信号の個別のコンポーネント搬送する信号か、（現存する旧型のレシーバとの下位互換性を維持しつつ、エンハンスド（enhanced）信号を送信するために、これについては後述する）同一データ信号の基本ポーションと補足ポーションを搬送する信号を表すこともできる。第１入力端子ＤＡＴＡ１は第１誤り検出／訂正エンコーダ１０２の入力端子に接続されている。第１エンコーダ１０２の出力端子はレベル１ＱＰＳＫ変調器１０４の入力端子に接続されている。レベル１ＱＰＳＫ変調器１０４の出力端子は信号コンバイナ（signal combiner）１０６の第１入力端子に接続されている。
【０００４】
第２入力端子ＤＡＴＡ２は第２誤り検出／訂正エンコーダ１０８の入力端子に接続されている。第２エンコーダ１０８の出力端子はレベル２ＱＰＳＫ変調器１１０の入力端子に接続されている。レベル２ＱＰＳＫ変調器１１０は利得Ｇを有する可変利得増幅器１１１の入力端子に接続されている。可変利得増幅器１１１の出力端子は信号コンバイナ１０６の第２入力端子に接続されている。信号コンバイナ１０６の出力端子は、結合され変調された信号を生成するものであり、伝送チャネル２００に接続されている。この図示の例では、この伝送チャネルは直接衛星テレビ信号伝送システムであり、この伝送チャネルには、トランスミッタ１００における地上送信局（破線で表す送信アンテナで示す）と、この地上送信局からデータを受信し、そのデータを複数の地上受信局に再放送するための通信衛星（図示せず）とが含まれている。これら複数の地上受信局のうちの１つの地上局３００を図１に示すが、これは、破線で示す受信アンテナで示すように、再放送されたデータ信号を受信し処理するものである。
【０００５】
伝送チャネル２００の出力部はレベル１ＱＰＳＫ復調器３０２の入力端子に接続されている。レベル１復調器３０２の出力端子は第１誤り検出／訂正デコーダ３０４と遅延回路３０６のそれぞれの入力端子に接続されている。第１データコーダ３０４の出力端子は出力端子ＤＡＴＡ１′に接続され、リエンコーダ３０８の入力端子に接続されている。リエンコーダ３０８の出力端子は減算器３１０の減数入力端子に接続されている。遅延回路３０６の出力端子は減算器３１０の被減数入力端子に接続されている。減算器３１０の差分出力端子は第２誤り検出／訂正デコーダ３１２の入力端子に接続されている。第２デコーダ３１２の出力端子は第２データ出力端子ＤＡＴＡ２′に接続されている。
【０００６】
第１エンコーダ１０２は、動作中、第１データ信号ＤＡＴＡ１を符号化し、周知の方法により誤り検出／訂正する。周知の誤り検出／訂正符号はどれもエンコーダ／デコーダ対１０２／３０４、１０８／３１２によってインプリメントすることができ、これら周知の誤り検出／訂正符号は、上記米国特許第5,966,412号に記載されているように、連結（concatenate）することができる。第１エンコーダ１０２は、符号化された第１データ信号ＤＡＴＡ１を表す符号化されたビットのストリームを生成する。レベル１変調器１０４は、周知の方法で、４つのクォドラント（quadrant）のうちの１つのクォドラントに位置するＱＰＳＫ信号を生成するため、連続する２組の２つの符号化されたデータビットを処理する。なお、各組はシンボルと称される。同様に、第２エンコーダ１０８は、周知の方法で、誤り検出／訂正するため、第２データ信号ＤＡＴＡ２を符号化する。レベル２変調器１１０も、４つのクォドラントの１つに位置するＱＰＳＫ信号を生成するため、２つの符号化されたデータビットの組を処理する。当業者にとって当然のことであるが、付加的なデータ信号（ＤＡＴＡ３など）は付加的なエンコーダによってそれぞれ誤り検出／訂正符号化することができ、また、付加的なＱＰＳＫ変調器（レベル３など）は付加的なＱＰＳＫ信号を生成するため、２つの符号化されたデータビットのそれぞれの付加的な組に応答することができる。レベル１変調器１０４からのＱＰＳＫ信号には重み１が与えられ、レベル２変調器１１０からのＱＰＳＫ信号には、可変利得増幅器１１１によって重みまたは利得０．５が与えられ、レベル３変調器には重み０．２５が与えられる、という具合である。ついで、すべての重み付けされたＱＰＳＫ信号は、信号コンバイナ１０６によって結合されて単一の変調信号にされて、伝送チャネル２００を介して送信される。
【０００７】
レベル１ＱＰＳＫ変調器１０４は、第１エンコーダ１０２からの２つの符号化されたデータビットの組に応答して、その結合された信号を４つのクォドラントのうちの１つのクォドラントに位置させる。そして、各クォドラントは４つのサブクォドラントに分割されていると考えることができる。レベル２ＱＰＳＫ変調器１１０は、第２エンコーダ１０８からの２つの入力データビットの組に応答して、その接続された信号をレベル１ＱＰＳＫ変調器１０４によって、選択されたクォドラントの４つのサブクォドラントのうちの１つのサブクォドラントに位置させる。そのサブクォドラントは、さらに４つのサブサブクォドラントに分割されるものと考えることができ、第３のエンコーダ（図示せず）からの２つの入力データの組に応答して、その接続された信号を４つのサブサブクォドラントのうちの１つのサブサブクォドラントに位置させる、という具合である。
【０００８】
旧型のレシーバ（図１に破線３００′で示す）は、受信した信号がＩ−Ｑプレーンのどこに位置するかを検出することができるレベル１ＱＰＳＫ復調器３０２のみを含んでいる。この情報から、誤り検出／訂正デコーダ３０４は、受信した第１データストリーム内の対応する２つの符号化されたビットを決定することができる。誤り検出／訂正デコーダ３０４は、元の第１データ信号ＤＡＴＡ１を表す受信したデータ信号ＤＡＴＡ１′を生成するため、伝送チャネルによって生じたいかなる誤りもさらに訂正することができる。したがって、このようなレシーバは、付加的に変調されたデータ信号ＤＡＴＡ２、（ＤＡＴＡ３）、等々がある場合に、第１データ信号ＤＡＴＡ１を適切に受信し復号し処理することができる。このようなレシーバにとって、レベル２（およびレベル３等）ＱＰＳＫ変調器によって組み込まれた信号は、単なるノイズとみえる。
【０００９】
一方、高機能のレシーバ３００は、受信した変調信号がどのクォドラントに位置するかを検出することができ、したがって第１データ信号ＤＡＴＡ１を表す２つのデータビットの連続する組を受信し、復号し処理することができる。ついで、高機能のレシーバ３００のリエンコーダ３０８は、指示されたクォドラントの中央に位置する理想信号を再生成し、それは受信した変調信号から減算される。この操作により、送信された信号クォドラントの中心点が原点に変換される。減算した残りがＱＰＳＫ変調信号であって、０．５で重み付けされ、第２データ信号ＤＡＴＡ２を表している。ついで、この信号がこの信号に対応する２ビットの組を示すどのサブクォドラントに位置するかを決定するため、この信号が第２デコーダ３１２によって復号される。したがって、第２データ信号ＤＡＴＡ２を表す２つの受信したデータビットの連続する組が受信され、復号され、処理される、という具合である。このような伝送システムは、許容されるシンボルのコンステレーションとみられるものに対してクゥドラチャ（quadrature）に、搬送波を変調することによってオペレートするものであり、ＱＡＭ（quadrature amplitude modulation）の一形式である。このような方式は、ヒエラキカル（hierachical）ＱＡＭ伝送システムと称される。というのは、このシステムは、旧型のレシーバと下位互換性を保ちながら、別のレベルのデータ信号を送信するためか、単一信号で別のレベルのディテール（detail）を送信するために、使用することができるからである。
【００１０】
図２ａはヒエラキカル１６ＱＡＭ伝送システムにおいて許容されるシンボルのＩ−Ｑプレーンにおけるコンステレーションを示す図であり、上記米国特許第5,966,412号で示すようなものである。図２ａでは、２ビットよりなる第１組は、生成されたシンボルがどのクォドラントに位置するかを決定する。これら２ビットが「００」である場合、そのシンボルは右上のクォドラント内に位置し、レベル１変調器１０４はＩ＝１、Ｑ＝１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これら２ビットが「０１」である場合、そのシンボルは左上のクォドラント内に位置し、レベル１変調器１０４はＩ＝−１、Ｑ＝１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これら２ビットが「１０」である場合、そのシンボルは右下のクォドラント内に位置し、レベル１変調器１０４はＩ＝１、Ｑ＝−１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これら２ビットが「１１」である場合、そのシンボルは左下のクォドラント内に位置し、レベル１変調器１０４はＩ＝−１、Ｑ＝−１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これは、関連するクォドラントの中央にある適切なビット対によって図２ａに示されている。
【００１１】
上述したが、図２ａの右上のクォドラントに示すように、各クォドラントはそれ自体がサブクォドラントに分割されるものと考えることができる。２ビットよりなる第２組は、そのシンボルがどのサブクォドラント内に位置するかを決定する。サブクォドラントを決定するために、上述したクォドラントを決定するのと同じマッピングが使用される。すなわち、これら２ビットが「００」である場合、そのシンボルは右上のサブクォドラント内に位置し、レベル２変調器はＩ＝１、Ｑ＝１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これら２ビットが「０１」である場合、そのシンボルは左上のサブクォドラント内に位置し、レベル２変調器はＩ＝−１、Ｑ＝１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これら２ビットが「１０」である場合、そのシンボルは右下のサブクォドラント内に位置し、レベル２変調器はＩ＝１、Ｑ＝−１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。これら２ビットが「１１」である場合、そのシンボルは左下のサブクォドラント内に位置し、レベル２変調器はＩ＝−１、Ｑ＝−１のようなＩ−Ｑ信号を生成する。可変利得増幅器１１１（図１）は、レベル２変調器１１０からの信号に０．５の重みによって重み付けし、したがって、サブクォドラント内の点はそのクォドラントの中心点に対して±０．５に位置する。これらの位置のそれぞれを図２ａの黒丸で示す。なお、４ビットの２進数は、第１組の２ビットを右側のビット対、第２組の２ビットを左側のビット対として、２ビットの第１組と第２組の組み合わせを示している。
【００１２】
上記のようなヒエラキカルＱＡＭシステムの異なるレベルによって、各データストリームにおけるビット誤り率のパフォーマンスが異なることが知られている。一般に、レベル１データストリームのビット誤り率は、レベル２（以上）のデータストリームのビット誤り率よりも良好である。しかし、ヒエラキカルＱＡＭ伝送システムの全体的なパフォーマンスは、異なるレベルによって、各データストリームのビット誤り率が同一であるときに、最適化される。したがって、伝送システムの全体的なビット誤り率を最適化するだけではなく、伝送システムの異なるレベルのそれぞれのビット誤り率をより綿密に一致させることが望ましい。
クォドラント（又はサブクォドラント）内の送信されたコンステレーションデータポイントの間隔を変更することによって、レベル１及びレベル２の相対的なビット誤り率のパフォーマンスは変化されることができる。欧州特許出願公開第EP-A-0 594 505は、従来技術としてのエラーパフォーマンスを変更するために、グループ縮小及び拡張の使用を開示しているが、このグループ縮小を実行するための回路について開示も示唆もされておらず、また、グループ化係数を選択するいずれの基準についても開示も示唆もされていない。
Kimその他による記事”Performance of Multiresolution OFDM on Frequency-Selective Fading Channels”もまた、ヒエラキカルＱＡＭコンステレーションのグループ化係数は、それぞれの信号のビット誤り率を変更するために変化することができることを開示している。この記事は、信号強度がレシーバ位置において減少するので、多重変調を使用して、受信信号の素直な劣化(graceful degradation)を提供することを開示する。
Russelその他による記事”Terrestrial Digital Video Broadcasting for Mobile Reception Using OFDM”は、ヒエラキカルＱＡＭコンステレーションのグループ化係数は、それぞれの信号のビット誤り率を変更するために変化することができるシステムを開示している。この記事もまた、信号強度が減少するので、多重変調を使用して、受信された信号の素直な劣化を提供することに関連する。これらの参考文献には、考えられる又は言及された旧型のレシーバへのシステムの下位互換性はない。
【００１３】
（発明の概要）
本発明者は、ビット誤り率のパフォーマンスをより密に一致させるために、クォドラント（またはサブクォドラント）内の送信されたコンステレーションデータポイントの間隔を変更することによって、レベル１およびレベル２データストリームの相対的なビット誤り率のパフォーマンスを変化させることができる、ことを理解している。
【００１４】
本発明の原理によれば、ＱＡＭ伝送システムはレベル１およびレベル２データストリームのソースを含み、各データストリームは連続するシンボルを搬送する。レベル１およびレベル２データストリームソースに接続されているヒエラキカルＱＡＭトランスミッタは、ヒエラキカルＱＡＭ信号を生成する。このヒエラキカルＱＡＭ信号において、レベル１シンボルがＩ−Ｑプレーンの４つのクォドラントのうちの１つにおけるデータポイントによって表され、レベル２シンボルがそのレベル１データポイントを含んでいるクォドラントの中心点を取り囲む４つのサブクォドラントの１つにおけるデータポイントによって表される。ＱＡＭトランスミッタは、レベル１データストリームに応答し、レベル１シンボルを表すレベル１ＱＰＳＫ信号を生成するレベル１ＱＰＳＫ変調器と、レベル２データストリームに応答し、レベル２シンボルを表すレベル２ＱＰＳＫ信号を生成するレベル２ＱＰＳＫ変調器と、を備える。ＱＡＭトランスミッタは、さらにヒエラキカルＱＡＭ信号を生成するため、レベル１ＱＰＳＫ信号を係数１で重み付けし、レベル２ＱＰＳＫ信号をグループ化係数で重み付けし、重み付けされたレベル１およびレベル２ＱＰＳＫ信号を結合するＱＡＭ信号発生器を備える。ＱＡＭ信号発生器は、グループ化係数に設定された利得を有する可変利得増幅器であって、前記重み付けされたレベル２ＱＰＳＫ信号を生成する可変利得増幅器と、レベル１ＱＰＳＫ信号と重み付けされたレベル２ＱＰＳＫ信号を結合する信号コンバイナ（１０６）と、を備える。レベル２データポイントは、レベル１およびレベル２データストリームのビット誤り率パフォーマンスをより密に一致させるように設定されたグループ化係数だけその中心点から離れて配置される。
【００１５】
（詳細な説明）
図３ａおよび図３ｃは、図１に示す伝送システムの各部をより詳細に示すブロック図であり、grayコードマッパーをさらに含んでいる。図３ｂは、図３ａおよび図３ｃに示すgrayコードマッパーのオペレーションを示すテーブルである。まず、図２ｂを説明する。図２ｂはすべてのロケーションにおける隣接ポイントが１ビットポジションだけ異なるデータ値を表すコンステレーションを示す。このコンステレーションを生成するため、符号化されたレベル２データ信号の２ビットの組をサブクォドラントのロケーションにマッピングするかどうかは、当該サブクォドラントがどのクォドラントに存在するかに依存する。図２ｂの右上のクォドラント（００）は、図２ａ内のクォドラントと同一である。しかし、左上のクォドラントでは、左右の列が入れ替わっている。右下のクォドラントでは、上下の行が入れ替わり、左下のクォドラントでは、左右の列が入れ替わるとともに上下の行が入れ替わっている。これら入れ替えは、トランスミッタ１００で単純なマッピングオペレーションによって行うことができ、その後、符号化された第２データ信号ＤＡＴＡ２は変調され、ついで、受信した符号化されたデータ信号が復調され、その後、レシーバ３００内で単純なデマッピングオペレーションが行われる。
【００１６】
図３ａはトランスミッタ１００の一部を示す。レベル１シンボル（図１の第１エンコーダ１０２からの２ビット）は、レベル１変調器１０４のそれぞれの入力端子とgrayコードマッパー１１２とに接続されている。レベル１変調器１０４からのＩ（in-phase）信号は、第１加算器１０６（Ｉ）の第１入力端子に接続されており、レベル１変調器１０４からのＱ（quadrature）信号は、第２加算器１０６（Ｑ）の第１入力端子に接続されている。第１加算器１０６（Ｉ）と第２加算器１０６（Ｑ）とを組み合わせることにより、図１の信号コンバイナ１０６が構成される。レベル２シンボル（第２エンコーダ１０８からの２ビット）は、レベル２変調器１１０の入力端子に接続されている。レベル２変調器１１０のＩ出力端子は、grayコードマッパー１１２のＩ入力端子に接続されており、レベル２変調器１１０のＱ出力端子はgrayコードマッパー１１２のＱ入力端子に接続されている。grayマッパー１１２のＩ出力端子は、第１加算器１０６（Ｉ）の第２入力端子に接続されており、grayマッパー１１２のＱ出力端子は、第２加算器１０６（Ｑ）の第２入力端子に接続されている。可変利得増幅器１１１は、減衰係数が０．５になるように調整され、grayコードマッパー１１２と信号コンバイナ１０６との間に接続されているが、図を簡略にするため図示しない。
【００１７】
動作中、２つの符号化されたデータビットによって表されるレベル１シンボルが、レベル１エンコーダ１０２（図１）から受信される。レベル１シンボルは、周知の方法で変調された信号のクォドラントを表すＩおよびＱコンポーネント信号の組を生成するため、レベル１変調器１０４によってＱＰＳＫ変調される。例えば、シンボルが０である場合、すなわち２ビットが００である場合、右上のクォドラントが示される（Ｉ＝１、Ｑ＝１）。シンボルが１である場合、すなわち２ビットが０１である場合、左上のクォドラントが示される（Ｉ＝−１、Ｑ＝１）。シンボルが２である場合、すなわち２ビットが１０である場合、右下のクォドラントが示される（Ｉ＝１、Ｑ＝−１）。シンボルが３である場合、すなわち２ビットが１１である場合、左下のクォドラントが示される（Ｉ＝−１、Ｑ＝−１）。同様にして、レベル２シンボルは、周知の方法で変調された信号のサブクォドラントを表すＩとＱコンポーネント信号の組を生成するため、レベル２変調器１１０によってＱＰＳＫ変調される。レベル２変調器は、レベル１変調器１０４と全く同様の方法で変調された信号を生成する。すなわち、２ビットが００（０）である場合、右上のサブクォドラントが示される（Ｉ＝１、Ｑ＝１）。２ビットが０１（１）である場合、左上のサブクォドラントが示される（Ｉ＝−１、Ｑ＝１）。２ビットが１０（２）である場合、右下のサブクォドラントが示される（Ｉ＝−１、Ｑ＝１）。２ビットが１１（３）である場合、左下のサブクォドラントが示される（Ｉ＝−１、Ｑ＝−１）。ついで、この変調信号は、０．５によって重み付けされる（図示しない）。
【００１８】
これらの２つの変調信号の組み合わせによって生じるコンステレーションは、図２ａに示されるようなものになる。grayコードマッパー１１２は、図２ｂに示されるコンステレーションを生成するため、レベル２変調器１１０からのＩおよびＱ信号をオペレーションする。図３ｂはgrayコードマッパー１１２によって適用されるマッピングを示す。レベル１シンボルが０であり、右上のクォドラントを示す場合、サブクォドラントは不変であり、すなわちレベル２変調器からのＩ出力信号とＱ出力信号は変化しない。したがって、Ｉ出力信号、すなわちgrayコードマッパー１１２からのＩoutは、Ｉ入力信号Ｉinと同一であり（Ｉout＝Ｉin）、grayコードマッパー１１２からのＱ出力信号Ｑoutは、Ｑ入力信号Ｑinと同一である（Ｑout＝Ｑin）。しかし、レベル１シンボルが１であり、左上のクォドラントを示す場合、図２から分かるように、列が入れ替わっている。すなわち、正のＩ値が負のＩ値になり、負のＩ値が正のＩ値になる。したがって、レベル１シンボルが１である場合、Ｉ出力信号は負のＩ入力信号であり（Ｉout＝−１in）、Ｑ出力信号はＱ入力信号と同じままである（Ｑout＝Ｉout）。レベル１シンボルが２であり、右下のクォドラントを示す場合、行が入れ替わる。すなわち、正のＱ値が負のＱ値になり、負のＱ値が正のＱ値になる。したがって、レベル１シンボルが２のとき、Ｉ出力信号はＩ入力信号と同一であり（Ｉout＝Ｉin）、Ｑ出力信号は負のＱ入力信号である（Ｑout＝−Ｑin）。レベル１信号が３であり、左下のクォドラントを示す場合、列が入れ替わるとともに行が入れ替わる。すなわち、正のＩ値が負になり、正のＱ値が負になり、負のＩ値が正になり、負のＱ値が正になる。したがって、レベル１シンボルが３である場合、Ｉ出力信号が負のＩ入力信号であり（Ｉout＝−Ｉout）、Ｑ出力信号が負のＱ入力信号である（Ｑout＝−Ｑin）。grayコードマッパー１１２によりこの機能が提供される。grayコードマッパー１１２によるＩとＱの値は、上記のように重み０．５によって重み付けされ（図を簡略にするため図示しない）、信号コンバイナ１０６によって、レベル１シンボルを表すＩおよびＱの値と結合される。その結果生じるコンステレーションを図２ｂに示す。
【００１９】
このようなマッピングは、同様のgrayコードマッパーを使用するレシーバ３００では、可逆である。図３ｃは、そのようなgrayコードマッパー３１４を含めてレシーバ３００の一部を示す。図３ｃでは、リエンコーダ３０８の出力端子は、grayコードマッパー３１４の入力端子に接続されている。減算器３１０（図１）からのＩ信号は、grayコードマッパー３１４のＩ入力端子に接続されおり、減算器３１０からのＱ信号は、grayコードマッパー３１４のＱ入力端子に接続されている。grayコードマッパー３１４のＩ出力端子は、第２データコーダ３１２のＩ入力端子に接続されており、grayコードマッパー３１４のＱ出力端子は第２デコーダ３１２のＱ入力端子に接続されている。
【００２０】
動作中、リエンコーダ３０８は、受信したレベル１シンボルの理想的な表現である信号を生成する。すなわち、受信したレベル１信号が右上のクォドラント内に位置すると判定された場合は、リエンコーダ３０８は値０を有する信号を生成し、左上のクォドラント内に位置すると判定された場合は値１、右下のクォドラント内に位置すると判定された場合は値２、左下のクォドラント内に位置すると判定された場合は値３を生成する。このシンボルはgrayコードマッパー３１４に供給される。減算器３１０からのＩ信号およびＱ信号は、図３ｂに示すが、上記と同様の方法でgrayコードマッパー３１４によって処理される。当業者にとって当然のことであるが、レシーバ３００内のgrayコードマッパー３１４は、図３ａのgrayコードマッパー１１２と同一の方法でオペレートし、トランスミッタ１００とは逆の機能をパフォームする。
【００２１】
トランスミッタ１００およびレシーバ３００内のgrayコードマッパー（１１２および３１２）を使用すると、図３ａについて上述した方法によって、図２ｂに示すようなコンステレーションを使用することができる。上記のgrayコードマッパー機能を使用する伝送システムは、隣接するコンステレーションポイントが高々１ビット異なるコンステレーションを生成するため、そのシステムのビット誤り率を増加させることになる。上記のようにgrayコーディングを使用すると、レベル２ビット誤りの数が半減することを、シミュレーションは示している。よって、約１／４ｄＢというＳＮＲ（signal to noise）に余分にマージンが提供される。この改善は僅かであるが、他にも強化されるので、この伝送システムのパフォーマンスは全体として改善されることになる。
【００２２】
図４は図１の伝送システムの一部をより詳細に示すブロック図であり、異なるレベルに対して異なる誤り検出／訂正符号をオペレートすることを示す。上述したように、ＱＰＳＫ変調のレベルが異なると、衛星放送で採用される非線形高出力増幅器によってより高レベルの変調でコンステレーションポイント間の距離が圧縮されることに起因する劣化（degradation）のレベルも異なる。具体的にいうと、ビット誤りは、本質的には、低レベルのヒエラキカル変調においてよりも、高レベルのヒエラキカル変調において生じる。レベル１とレベル２信号のビット誤り率をより密に一致させるために、異なるパフォーマンス特性を有する誤り検出／訂正符号が個別のデータストリームで使用されている。具体的にいうと、より高いデータストリームではより強力な誤り検出／訂正コード化が使用され、より低レベルのデータストリームではあまり強力でない誤り検出／訂正コード化が使用されることになる。であるから、この伝送システムの全体的なパフォーマンスおよび情報伝送能力が最適化されることになる。
【００２３】
図４において、図１と同一要素は同一番号を付してあり、これら同一要素の説明は省略する。図４において、トランスミッタ１００の第１誤り検出／訂正エンコーダ１０２は、外部エンコーダ１０２（Ｏ）と内部エンコーダ１０２（Ｉ）に区分し直列接続してある。同様に、第２誤り検出／訂正エンコーダ１０８は、外部エンコーダ１０８（Ｏ）と内部エンコーダ１０８（Ｉ）に区分し直列接続してある。他方で、レシーバ３００の第１誤り検出／訂正デコーダ３０４は、内部デコーダ３０４（Ｉ）と外部デコーダ３０４（Ｏ）に区分し直列接続してある。同様に、第２誤り検出／訂正デコーダ３１２は、内部デコーダ３１２（Ｉ）と内部エンコーダ３１２（Ｏ）に区分し直列接続してある。上記米国特許第5,966,412号に開示されたように、外部エンコーダ／デコーダの対は、ブロック符号化技術、例えば、Hamming符号、Hadamard符号、巡回符号、Reed-Solomon（ＲＳ）符号をインプリメントし、一方、内部エンコーダ／デコーダの対は畳み込み符号をインプリメントしている。
【００２４】
図４において、レベル２データストリームに使用される符号化は、レベル１データストリームに使用される符号化よりも強力である。具体的にいうと、レベル２データストリームの内部エンコーダ／デコーダの対で使用される畳み込み符号は、レベル１データストリームの内部エンコーダ／デコーダの対で使用される畳み込み符号よりも強力である。例えば、好ましい実施の形態では、第１内部エンコーダ／デコーダの対はレベル１のデータストリームを処理するが、レート（１／２）をインプリメントし、レート［］にパンクチャー（puncture）した、拘束長７の畳み込み符号をインプリメントしている。レベル２のデータストリームを処理する第２内部エンコーダ／デコーダの対は、パンクチャーせずに、レート（１／２）の畳み込み符号をインプリメントしている。レベル２のデータストリームの符号化は、レベル１のデータストリームの符号化よりも強力である。であるから、レベル１およびレベル２のデータストリームのビット誤り率のパフォーマンスがより密に一致し、伝送システムのパフォーマンスが全体的に最適化する。
【００２５】
上述しまた図１に示したように、レベル１復調器３０２およびデコーダ３０４は、受信したコンステレーションからＤＡＴＡ１信号を協働して検出する。この検出されたＤＡＴＡ１信号を表す信号であって、リエンコーダ３０８からの再構築された理想信号が、受信したコンステレーションから減算され、その結果、検出されたクォドラント内のサブクォドラントに別のコンステレーションを形成するため、受信したコンステレーションを変換するのが理想的である。しかし、この変換オペレーションは、受信したクォドラントの実際の「中心点」と、リエンコーダ３０８によって仮定される（レベル１のコンステレーションの原点から±１だけずれた）理想中心点との間に生じる不一致に、非常にセンシティブである。受信したコンステレーションのサイズと、理想コンステレーションのサイズが一致しないと、受信したクォドラントの実際の中心ポイントが、仮定した中心点からずれる。また、受信したコンステレーションがリエンコーダ３０８および減算器３１０によって変換されるとき、サブクォドラントの実際の中心点が、第２デコーダ３１２によって仮定される原点からずれる。したがって、サブクォドラントの中心点を適正な位置（原点）に配置して、第２デコーダ３１２によって正確に復号されるために、受信したチャネルの利得に適正に適合させなければならない。
【００２６】
公知の伝送システムでは、この伝送システムの利得は、受信されたデータポイントのコンステレーションを、データポイントの公知の理想コンステレーションと比較することによって、決定される。しかし、この方法で利得を正確に維持する上で幾つかの問題点がある。第１に、幾つかの伝送システムでは、コンステレーションポイントの位置がその理想位置から意図的に歪められる場合がある。その結果、生じたコンステレーションでは、図２に示されるように、ポイントが等間隔にならない。第２に、伝送チャネルは一定ではなく、非線形の程度が変化しノイジー（noisy）になる可能性がある。４つのクォドラントの中心点の位置を決定するため、すなわち、このようなシステムでは、利得を決定するため、４つのクォドラントのすべてのデータポイントの重心が決定される。
【００２７】
図７は受信データポイントのコンステレーションのクォドラントの重心を決定する回路のブロック図である。図７において、ローテータ（rotator）３２１は、レベル１復調器３０２（図１）からの連続する受信データポイントのＩおよびＱコンポーネントを表すＩおよびＱ値を受信する。ローテータ３２１のＩ出力端子は、ＩＬＰＦ（low pass filter）３２０の入力端子に接続してある。ローテータ３２１のＱ出力端子は、ＱＬＰＦ３２２の入力端子に接続してある。ＩＬＰＦおよびＱＬＰＦの各出力端子３２０および３２２は、マグニチュード計算回路３２４の対応する入力端子に接続してある。マグニチュード計算回路３２４の出力端子はリエンコーダ３０８に接続してある。
【００２８】
動作中、ローテータ３２１は、受信した全ての値を、それらの値が受信されたクォドラントから、周知の方法で、右上のクォドラントに回転する。図５は受信したコンステレーションを示し、複数の連続する受信した変調データポイントの位置を示す。受信データポイントは、４つのクォドラントすべての受信したコンステレーションポイントの仮定した位置の近傍にそれぞれ分散される。図６は、受信したコンステレーションの右上のクォドラントを示し、そのクォドラントのすべてのデータポイントは、ローテータ３２１によってこの右上のクォドラントに回転されたものである。図６のクォドラントは、送信されたコンステレーションポイントが事前に意図的に歪まされたコンステレーション、及び／又は、伝送チャネル２００のオペレーションによって歪まされたコンステレーションを示す。ローテータ３２１からの、回転されたデータポイントのＩコンポーネントは、ｎ個のポイントのスライディング移動平均値でＬＰＦ３２０においてローパスフィルタリングされる。本実施の形態では、スライディング移動平均値は先行する５００個のデータポイントを使用して計算される。ローテータ３２１からの回転されたデータポイントのＱコンポーネントも、同様にスライディング移動平均値でローパスフィルタリングされる。当業者にとって当然のことであるが、ローパスフィルタ３２０、３２２はそれぞれのＩＩＲデジタルフィルタを使用して構築することもできる。このローパスフィルタリングのオペレーションにより、当該クォドラントにおいて、受信データポイントの重心のＩおよびＱコンポーネントをそれぞれ生成する。重心のマグニチュードの推定値は、マグニチュード計算回路３２４で計算される。例えば、仮にｒ_i［ｎ］がフィルタリングされたインフェーズ（in-phase）Ｉコンポーネントであり、ｒ_q［ｎ］がフィルタリングされたクォドラチャ（quadrature）Ｑコンポーネントであるとすれば、重心のマグニチュードは、
【００２９】
【数１】

【００３０】
から計算される。重心Ｍのマグニチュードは、理想的には√２＝１．４であるべきである。リエンコーダ３０８からの再構築された理想信号のマグニチュードは、計算された重心Ｍのマグニチュードに応じて調整される。リエンコーダ３０８からの再構築された理想信号のマグニチュードを適正に調整することによって、受信したクォドラントのそれぞれの中心点は、減算器３１０によって原点に適正に変換され、これによってレベル２以上のデータ信号を正確に復号することができる。
【００３１】
図７の回路は、線形、非線形に関わらず、伝送方法とは無関係にオペレートすることになる。この回路は、事前に歪んだ伝送コンステレーションが存在する場合にも適正にオペレートし、非標準グループ化係数（次に詳細に説明する）を用いても適正にオペレートする。この回路が線形チャネルを介してヒエラキカル１６ＱＡＭ伝送システムに対して使用されても、クォドラントの中心点の位置の正確な知識と比較して、測定できるほどの劣化はなく、この回路は良好にオペレートする、ことが判明している。この回路はノイズが存在しても良好にオペレートする。具体的には、この回路は、直接衛星テレビ信号伝送システムに見られるような、非線形チャネルによって生じるチャネル歪みのある場合にも良好にオペレートする。このような回路によれば、高レベルのデータストリームのパフォーマンスが改善される。すなわち、伝送システム全体のパフォーマンスが改善される。
【００３２】
再度、図１を説明する。周知のヒエラキカルＱＡＭ伝送システムでは、レベル２変調器１１０によって生成されたコンステレーションは、可変利得増幅器１１１において係数０．５で重み付けされた後にレベル１変調器１０４によって生成されたコンステレーションと、信号コンバイナ１０６において、結合される。重み係数０．５は、グループ化係数と称され、次に詳述するように、レベル１およびレベル２のデータストリームの相対的なパフォーマンスを変えるために変更することができる。図２ａを説明する。結果的に得られたコンステレーションは、等間隔のコンステレーションポイントにより構成される。
【００３３】
上述したように、そのように編成（arrangement）することにより、伝送システムは、レベル１データストリームのパフォーマンスが、ビット誤り率の観点から、レベル２データストリームのパフォーマンスよりも良好になる。グループ化係数を変更することによって、レベル１およびレベル２のデータストリームの相対的なパフォーマンスをより密に一致させることができる。
【００３４】
図８ａを説明する。可変利得増幅器の利得（図１の１１１）は０．３に調整される。その結果得られるコンステレーションポイントは、クォドラントの中心点から０．３だけ離れて配置される。当業者であれば分かることであるが、図２ａに示すコンステレーションにおいてよりも、図８ａに示すコンステレーションにおいては、あるクォドラント内のコンステレーションポイントが、他のクォドラント内のコンステレーションポイントからより離れている。これに対して、あるクォドラント内におけるコンステレーションポイントは、図２ａに示すコンステレーションポイントよりも互に近づいている。このようなシステムによれば、レベル１データ信号がどのクォドラントに入っているかの決定の正確性をより高くすることができるが、その反面、当該クォドラント内のレベル２データ信号のコンステレーションポイントの決定の正確性がより低くなるという犠牲をともなっている。したがって、図２ａのシステムと比較すると、レベル１データストリームのパフォーマンスは向上するが、レベル２データストリームのパフォーマンスが低下する。
【００３５】
図８ｂを説明する。可変利得増幅器（図１の１１１）の利得は、０．７になるように調整されている。その結果得られるコンステレーションポイントは、クォドラントの中心点から０．７だけ離れる。当業者にとって当然のことであるが、図２ａのコンステレーションにおけるよりも、図８ｂのコンステレーションにおいては、クォドラント内のコンステレーションポイントは、他のクォドラント内のコンステレーションポイントに近づいている。これに対して、クォドラント内におけるコンステレーションポイントは、図２ａのコンステレーションポイントよりも離れている。このようなシステムによれば、クォドラント内におけるレベル２データ信号のコンステレーションポイントをより正確に決定することができるが、これは、レベル１データ信号がどのクォドラントに入っているかの決定の正確性が低くなるという犠牲を伴う。したがって、図２ａのシステムと比較すると、レベル２データストリームのパフォーマンスは高くなり、レベル１データストリームのパフォーマンスが低くなる。
【００３６】
可変利得増幅器１１１（図１）の利得を適正に設定すれば、コンステレーションポイントのクラスタごとのグループ化を最適にして、レベル１およびレベル２データストリームのパフォーマンスにより密に一致させることができる。これは確定的なことであるが、非線形直接衛星テレビジョンチャネルを介して送信される１６ＱＡＭ伝送システムについては、約０．６から約０．７までのグループ化係数は、レベル１およびレベル２のデータストリームのビット誤り率のパフォーマンスにより密に一致する。これは、伝送システムのパフォーマンスを全体的に向上させることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理による伝送システムのブロック図である。
【図２】ヒエラキカル１６ＱＡＭ伝送システムのための許可シンボルのコンステレーションを示す図である。
【図３ａ】 grayコードマッパーをさらに含む、図１に示す伝送システムのそれぞれの部分のより詳細なブロック図である。
【図３ｂ】 grayコードマッパーのオペレーションを制御するデータを含むテーブルである。
【図３ｃ】 grayコードマッパーをさらに含む、図１に示す伝送システムのそれぞれの部分のより詳細なブロック図である。
【図４】異なるレベルに対する異なる誤り検出／訂正符号のオペレーションを示す、図１に示す伝送システムの一部のより詳細なブロック図である。
【図５】受信したコンステレーションの図である。
【図６】伝送チャネルによって歪んだ受信したコンステレーションの１つのクォドラントを示す図である。
【図７】コンステレーションの受信したコンステレーションのクォドラントの重心を決定する回路のブロック図である。
【図８】グループ化係数を使用して、ヒエラキカルＱＡＭ信号における異なるレベルの信号の相対的なビット誤り率パフォーマンスを変更するコンステレーションを示す図である。

Claims

伝送システムであって、
各データストリームが連続するシンボルを搬送するレベル１（ＤＡＴＡ１）およびレベル２（ＤＡＴＡ２）データストリームのソースと、
前記ソースに接続したヒエラキカルＱＡＭトランスミッタ（１００）であって、レベル１シンボルがＩ−Ｑプレーンの４つのクォドラントのうちの１つにおけるデータポイントによって表され、レベル２シンボルが、前記レベル１データポイントを含むクォドラントの中心点を取り囲む４つのサブクォドラントの１つにおけるデータポイントによって表されるヒエラキカルＱＡＭ信号を生成するＱＡＭトランスミッタであり、前記レベル２データポイントが、グループ化係数だけ中心点から離れて配置されているヒエラキカルＱＡＭトランスミッタ（１００）と、を備え、
前記ＱＡＭトランスミッタ（１００）は、
前記レベル１データストリーム（ＤＡＴＡ１）に応答し、前記レベル１シンボルを表すレベル１ＱＰＳＫ信号を生成するレベル１ＱＰＳＫ変調器（１０４）と、
前記レベル２データストリーム（ＤＡＴＡ２）に応答し、前記レベル２シンボルを表すレベル２ＱＰＳＫ信号を生成するレベル２ＱＰＳＫ変調器（１１０）と、を含み、
前記システムは、
前記ヒエラキカルＱＡＭ信号を生成するため、前記レベル１ＱＰＳＫ信号を係数１で重み付けし、前記レベル２ＱＰＳＫ信号を前記グループ化係数（Ｇ）で重み付けし、前記重み付けされたレベル１およびレベル２ＱＰＳＫ信号を結合するＱＡＭ信号発生器（１０６、１１１）であって、
前記ＱＡＭ信号発生器（１０６、１１１）は、
前記グループ化係数（Ｇ）に設定された利得を有する可変利得増幅器（１１１）であって、前記重み付けされたレベル２ＱＰＳＫ信号を生成する可変利得増幅器（１１１）と、
前記レベル１ＱＰＳＫ信号と前記重み付けされたレベル２ＱＰＳＫ信号を結合する信号コンバイナ（１０６）と、を備えたＱＡＭ信号発生器（１０６、１１１）と、
前記レベル１およびレベル２データストリームのビット誤り率パフォーマンスをより密に一致させるように設定されているグループ化係数と、を含む、ＱＡＭ信号発生器（１０６、１１１）を備えることを特徴とする伝送システム。
請求項１において、前記レベル１シンボルを表す中心点は、前記Ｉ−Ｑプレーンの原点から所定の距離だけ離れており、
前記グループ化係数は、前記所定の距離の２分の１よりも長くなるように設定されている
ことを特徴とする伝送システム。
請求項２において、前記グループ化係数は、約０．６と約０．７の間の係数であることを特徴とする伝送システム。
請求項１において、前記可変利得増幅器（１１１）は、約０．６と約０．７の間に設定された利得（Ｇ）を有することを特徴とする伝送システム。
請求項１において、前記ヒエラキカルＱＡＭトランスミッタ（１００）に接続した衛星地上局アンテナであって、前記ヒエラキカルＱＡＭ信号を人工衛星に送信するための衛星地上局アンテナをさらに備えたことを特徴とする伝送システム。
連続するシンボルを搬送するレベル１およびレベル２データストリームを受信する入力部であって、レベル１シンボルがＩ−Ｑプレーンの４つのクォドラントのうちの１つにおけるデータポイントによって表され、レベル２シンボルが前記レベル１データポイントを含む前記クォドラントの中心点を取り囲む４つのサブクォドラントの１つにおけるデータポイントによって表され、前記レベル２データポイントが、前記レベル１およびレベル２データストリームのビット誤り率パフォーマンスをより密に一致させるように設定されたグループ化係数だけ中心点から離れて配置されている入力部と、
前記入力部で受信したデータストリームに応答し、復調されたデータストリームを生成する復調器と、
デコーダを含む信号処理ネットワークであって、レベル１およびレベル２データを生成するために復調されたデータストリームに応答する信号処理ネットワークと
を備えたことを特徴とするＱＡＭ受信システム。