JP6820168B2 - 送信装置及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）方式又はシングルキャリア方式におけるデジタルデータの伝送技術に関し、特に、放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ：Field Pickup Unit）をそれぞれ構成する送信装置及び受信装置に関する。

無線でデジタルデータを放送又は通信する伝送システムでは、誤り訂正符号として、内符号と外符号の連接符号が用いられ、この内符号には畳込み符号、或いはターボ符号等のビット単位のパンクチャ処理（符号化率変更処理）を可能とするものが採用されているものが多い。

このパンクチャ処理により伝送特性（ビット誤り特性）を変更することができ、送信側ではデータの伝送に先立って符号化率を変更するよう制御することができる。

ＯＦＤＭ方式又はシングルキャリア方式における現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）は、それぞれ送信側及び受信側で内符号に畳込み符号を使用し外符号にリードソロモン（ＲＳ）符号を使用しており、送信側ではデータ伝送に先立って、所定のビットパンクチャパターンに基づくパンクチャ処理によって符号化率を変更することができる（例えば、非特許文献１，２，３参照）。この符号化率変更は同一構成の誤り訂正符号化器・復号器を用いて情報ビットに対する冗長ビットの割り当て量の変更のみで実現可能である。

同じく、現行の地上デジタル放送の伝送方式においても畳込み符号を使用しており、所定のビットパンクチャパターンに基づくパンクチャ処理によって符号化率を変更することができる。しかしながら、これらの伝送システムは、実質的に、複数の符号化率を達成するための個々の符号化器（復号器も同様）を設けているのに等しく、信号伝送中に符号化率を変更可能とするよう構成されていない。

尚、現行規格の高度ＢＳデジタル放送の伝送方式や、欧州規格のＤＶＢ−Ｓ２／Ｔ２／Ｃ２などの伝送システムでは、ＬＤＰＣ符号を採用するものとなっており、予め規定された範囲内で符号化率を変更することができる。ただし、これらの伝送方式においても、符号化率ごとにＬＤＰＣ符号に固有の検査行列の構成が異なるため、複数の符号化率を実現するには複数の符号化率を達成するための個々の符号化器が必要となり、信号伝送中の符号化率制御など、効率的にデータ伝送量を変えることは難しい。

例えば、代表してＯＦＤＭ方式の無線伝送装置（ＦＰＵ）について説明するに、図７に、現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）にそれぞれ対応する送信装置１００及び受信装置２００の概略構成を示している。

送信装置１００は、誤り訂正符号化器１０１、変調部１０５、周波数変換部１０６、送り返し情報抽出部１０７、及び符号化率切替制御部１０８を備える。尚、インターリーブ処理などの図示は省略している。

誤り訂正符号化器１０１は、ＲＳ符号を外符号とし、畳込み符号を内符号とした連接符号からなり、この連接符号の間にバイト単位で畳込みインターリーブ処理を施す外インターリーバが設けられ、データストリームを入力し誤り訂正符号化処理を施して、変調部１０５に出力する。

尚、誤り訂正符号化器１０１は、内符号の畳込み符号の符号化処理後に、所定のビットパンクチャパターンに基づくパンクチャ処理によって符号化率を変更することができるが、実質的に、複数の符号化率を達成するための個々の符号化器を設けているのと等価である。そこで、図７では、符号化率Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄのいずれかを選択するよう切り替え可能な符号化器が並設されている例を示している。

変調部１０５は、所定の符号化率が設定された誤り訂正符号化後のビット列から伝送するシンボルを構成し、伝送するシンボルについてＯＦＤＭ変調のサブキャリア（ただし、シングルキャリア方式であればそのキャリアであり、本願明細書中、総括して「キャリア」と称する。）に応じて直交平面へのマッピングを行い、本例では各キャリアが互いに直交するようＯＦＤＭフレームを構成し、各キャリアを多重したＯＦＤＭ信号（ただし、シングルキャリア方式であれば、その変調方式に応じた信号）を生成し、周波数変換部１０６に出力する。

周波数変換部１０６は、変調部１０５から得られる中間周波数帯の信号（本例では中間周波数帯のＯＦＤＭ信号）を伝送用の高周波数帯へとシフト変換して変調信号を生成し外部に出力する。

送り返し情報抽出部１０７は、受信装置２００から所定フォーマットで伝送される制御情報を受信して所定の送り返し情報を抽出し、符号化率切替制御部１０８に出力する。送り返し情報は、受信装置２００における受信品質を示すものとするか、又は符号化率を変更するよう指示する旨を示すものとすることができる。

符号化率切替制御部１０８は、送り返し情報抽出部１０７によって抽出した送り返し情報を基に、誤り訂正符号化器１０１における符号化率を変更するよう制御する。

尚、誤り訂正符号化器１０１における符号化率を変更するためには、操作者による直接制御により行うこともでき、このため直接制御と送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方が可能なように構成される。

一方、受信装置２００は、周波数変換部２０１、復調部２０２、誤り訂正復号器２０３、受信品質監視部２０７、及び送り返し情報生成部２０８を備える。尚、デインターリーブ処理などの図示は省略している。

周波数変換部２０１は、送信装置１００から伝送される変調信号を受信して中間周波数帯の信号（本例では中間周波数帯のＯＦＤＭ信号）に変換し復調部２０２に出力する。

復調部２０２は、中間周波数帯の信号（本例では中間周波数帯のＯＦＤＭ信号）に対し復調処理を施し誤り訂正復号器２０３に出力する。

誤り訂正復号器２０３は、復調処理を施して得られる誤り訂正ブロックに対し送信側の誤り訂正符号化器１０１による符号化処理に対応する復号処理を施し、データストリームを復元する。

尚、誤り訂正復号器２０３は、送信側で設定されている符号化率に対応するよう所定のビットパンクチャパターンに基づくパンクチャ処理によって符号化率を変更することができ、実質的に、複数の符号化率を達成するための個々の復号器を設けているのと等価である。そこで、図７では、符号化率Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ，Ｒｄのいずれかを選択するよう切り替え可能な復号器が並設されている例を示している。

受信品質監視部２０７は、変調誤差比（ＭＥＲ）や受信電力、或いはビット誤り量等の受信品質を監視しており、送信側の符号化率を変更させるか否かを判別し、送信側の符号化率を変更させる際には、その旨を送り返し情報生成部２０８に出力する。

送り返し情報生成部２０８は、受信装置２００における受信品質を示すものとするか、又は符号化率を変更するよう指示する旨を示す送り返し情報を生成し、所定フォーマットの制御情報を用いて送信装置１００に向けて送信することにより符号化率を変更させるようフィードバック制御を行い、誤り訂正復号器２０３に対しても符号化率の変更を設定する。

尚、誤り訂正復号器２０３は、送信装置１００の誤り訂正符号化器１０１における符号化率の変更に応じて、操作者による直接制御により行うこともでき、このため直接制御と送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方が可能なように構成される。

このように、現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）は、データ伝送に先立って、伝送路に応じて誤り訂正符号化率を変えることにより、誤り耐性を変更することができる。例えば長距離や移動環境のように伝搬環境が悪い状態の伝送では符号化率を下げ、短距離・固定環境のように伝搬環境が良い状態の伝送では符号化率を上げることが例として挙げられる。符号化率を上げることで伝送する映像の品質を上げることができ、データの高速伝送を実現できる。

ただし、現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）に基づく送信装置１００及び受信装置２００では、誤り訂正符号化器１０１及び誤り訂正復号器２０３にて符号化率毎の符号化器及び復号器を切り替えると、これらを通るビット列の伝送レートが切り替わる。このため、切れ目のない映像ストリームなどを伝送する場合、伝送中に符号化率の切り替えを行うよう構成されていない。しかしながら、映像ストリームと他のデータ（データファイル等）を多重化したデータストリーム、或いは映像ストリーム自体も可変レートのものを用いる場合、伝送中の符号化率を切り替え可能とすることが要望される。

一方、３ＧＰＰにより規格化されたＬＴＥ（Long Term Evolution）規格（ＴＳ ３６．２１２）以降における通信端末では、符号化率を可変化するものがある（例えば、非特許文献４参照）。図８に、ＬＴＥに基づく通信端末３００の概略構成を示している。

通信端末３００は、ターボ符号化器３０１、ビットパンクチャ処理部３０２、送受信部３０３、ビットデパンクチャ処理部３０４、及びターボ復号器３０５を備える。実際には、誤り訂正符号化器として連接符号で構成され、インターリーブ処理等が設けられるが、その図示を省略している。

ターボ符号化器３０１は、図９に示すように、第１要素符号化器３１１、第２要素符号化器３１２、ターボ符号内インターリーバ３１３、及び多重化部３１４を備える。

ターボ符号化器３０１は、入力ビットとしてＮビットを入力すると、図示しないバッファメモリに格納され、情報ビット系列（系列Ｓ）、第１パリティビット系列（Ｐ１）及び第２パリティビット系列（Ｐ２）の３つの出力系統のビット列を多重化部３１４により時分割で多重化して出力するようになっている。

情報ビット系列（系列Ｓ）は、入力ビットと同じビット列であり、終端ビットが付加されて多重化部３１４に入力される。

第１パリティビット系列（Ｐ１）は、入力ビットに対し第１要素符号化器３１１により畳込み符号化処理を施したビット列であり、終端ビットが付加されて多重化部３１４に入力される。

第２パリティビット系列（Ｐ２）は、入力ビットに対しターボ符号内インターリーバ３１３によりインターリーブ処理が施されたビット列を、第２要素符号化器３１２により第１要素符号化器３１１と同じ畳込み符号化処理を施して得られるビット列であり、終端ビットが付加されて多重化部３１４に入力される。

ターボ符号内インターリーバ３１３は、ＱＰＰ（quadratic polynomial permutation：２次多項式置換）に基づくインターリーブ処理であり、ターボ符号化器３０１内の第１及び第２要素符号化器３１１，３１２における畳込み符号化処理の状態数である８の倍数単位でビット分散する。

多重化部３１４は、入力ビットＮに対し情報ビット系列（系列Ｓ）、第１パリティビット系列（Ｐ１）及び第２パリティビット系列（Ｐ２）の３つの出力系統にそれぞれ終端ビットとして４ビット（合計１２ビット）が付加されたものをそれぞれ入力し、典型的には時分割で多重化し、合計出力ビットとして３Ｎ＋１２ビットのビット列を、図８に示すビットパンクチャ処理部３０２に出力する。

ビットパンクチャ処理部３０２は、ターボ符号化器３０１から入力されるビット列に対し、符号化率の変更処理を行い、送受信部３０３に出力する。

送受信部３０３は、基地局や他の通信端末などの外部装置との双方向通信を行う。

ビットデパンクチャ処理部３０４は、送受信部３０３を経て通信相手の外部装置により得られるビット列を入力し、当該通信相手の外部装置により設定されている符号化率の変更処理により誤り訂正符号化時の符号化率の誤り訂正ブロックを復元し、ターボ復号器３０５に出力する。

ターボ復号器３０５は、ビットデパンクチャ処理部３０４から入力される誤り訂正ブロックに対し、誤り訂正ブロック内でビット尤度（０／１の確からしさ）を基に繰り返し復号処理を施すことでビット誤りを訂正する処理を行い、データを復元する。

ここで、図８に示すＬＴＥに基づく通信端末３００におけるビットパンクチャ処理部３０２の処理について、図１０に示すフローチャートを基に、図１１乃至図１４を参照しながら説明する。

まず、図１０に示すように、ビットパンクチャ処理部３０２は、図示しないバッファメモリを備え、処理単位ビット数Ｎの情報ビット系列Ｓと、対応するパリティビット系列Ｐ１，Ｐ２を入力して保持し、図１１（ａ）に示すように、所定ビット数（３２ビット）毎の列に並び替える（ステップＳ１０）。終端ビット部分は別に保持しておく。

続いて、ビットパンクチャ処理部３０２は、ステップＳ１０で並び替えたビット系列Ｓ，Ｐ１，Ｐ２を、図１１（ｂ）に示すような所定のパンクチャパターンにより並び替える列サブブロックインターリーブ処理を実行する（ステップＳ１１）。この列サブブロックインターリーブ処理の実行後のビット列を、図１１（ｃ）に示している。

続いて、ビットパンクチャ処理部３０２は、図１２（ａ）に示すように、系列Ｐ２のみ１ビットサイクリックシフトを実行する（ステップＳ１２）。

続いて、ビットパンクチャ処理部３０２は、図１２（ｂ）に示すように、系列Ｐ１，Ｐ２のビット系列についてビットインタレースを実行し、各系列Ｐ１，Ｐ２のビットが交互に配置されるようにする（ステップＳ１３）。このビットインタレース処理の実行後のビット列を、図１２（ｃ）に示している。

続いて、ビットパンクチャ処理部３０２は、図１３（ａ）に示すように、ビット出力開始位置を２列シフトする処理を実行する（ステップＳ１４）。このときのビット出力開始位置からのビット列を、図１３（ｂ）に示している。

最終的に、ビットパンクチャ処理部３０２は、変更する符号化率に応じた列数でビット出力開始位置から出力する（ステップＳ１５）。例えば、図１４に例示するように、符号化後ビットは列ごとに送信され、符号化率Ｒ＝１／２では６４列送信する。符号化率を上げる場合は列数を少なくし、下げる場合は列数を多くする。またターボ復号器の復号に必要な終端ビット（終端ビットの送信順は問わない）も同時に送信するよう出力する。

このように、図８乃至図１４に示すビットパンクチャ処理を行って符号化率の変更を可能とする通信端末３００は、現在のスマートフォンなど幅広い機器で使用されている。符号化率を変える場合には、同一の符号化器・復号器を用いながら、図１４において送信する列数を変更するのみで実現できるため、通信中に符号化率を変えることや、通信パケットごとに符号化率を制御することも容易である。

"テレビジョン放送番組素材伝送用可搬形ＯＦＤＭ方式デジタル無線伝送システム ARIB STD-B33 1.2版"、［online］、平成23年3月28日改定、一般社団法人 電波産業会（ARIB）、［平成28年7月12日検索］、インターネット〈URL：http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/2-STD-B33v1_2.pdf〉 "1.2GHz/2.3GHz帯テレビジョン放送番組素材伝送用可搬形OFDM方式デジタル無線伝送システム ARIB STD-B57 2.0版"、［online］、平成26年3月18日改定、一般社団法人 電波産業会（ARIB）、［平成28年7月12日検索］、インターネット〈URL：http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/2-STD-B57v2_0.pdf〉 "テレビジョン放送番組素材伝送用可搬形マイクロ波帯デジタル無線伝送システム ARIB STD-B11 2.2版"、［online］、平成17年11月30日改定、一般社団法人 電波産業会（ARIB）、［平成28年8月15日検索］、インターネット〈URL：http://www.arib.or.jp/english/html/overview/doc/2-STD-B11v2_2.pdf〉 "3GPP Specification detail (3GPP TS 36.212)"、［online］、3GPP The Mobile Broadband Standard、［平成28年7月12日検索］、インターネット〈URL：http://www.3gpp.org/dynareport/36212.htm〉

上述したように、現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）では、データ伝送に先立って、所定のビットパンクチャパターンに基づくパンクチャ処理によって符号化率を変更することができるが、符号化率が異なる場合、符号化器と復号器はそれぞれ別々のものを用意する必要がある。

このため、図７に示すような送信装置１００及び受信装置２００は、データストリームの伝送中での符号化率の変更ができない点や、変更可能な符号化率の数が増えるほどハードウェアの規模が大きくなるという問題がある。また、このような符号化器・復号器は、実際に使用されていない符号化率でも仕様上規定されているために実際に使用しない符号化器・復号器を設ける必要が生じ、ハードウェア利用効率が低下するという問題がある。

一方で、図７に示すような送信装置１００及び受信装置２００に対し、誤り訂正処理にターボ符号を採用し、単にＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理（図８乃至図１４）を適用することで、同一の構成の符号化器・復号器を用いて符号化率の変更ができる。このように構成した場合には、データストリームの伝送中での符号化率を送受間で定めたタイムスケジュールに基づいて動的に変更することができるため、実用上の利便性を高めることができる。

ただし、ＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理では、ビット誤り（ＢＥＲ）カーブ特性が全体的に急峻になるように、情報ビット系列（系列Ｓ）をもパンクチャ処理する仕組みとなっている（図１３（ａ）参照）。しかしながら、ＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理では、符号化率が所定値以上に高くなると、復号に必要な情報が足りずビット誤り（ＢＥＲ）カーブ特性で非常に高いビット誤り率のエラーフロアを引くことになるため（この現象を本願明細書中、“致命的なパンクチャ(Catastrophic Puncturing)”と称する。）、使用できる符号化率が制限されるという問題がある。

このため、ＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理では、当該“致命的なパンクチャ”となる符号化率を極力高くするために、図１２（ａ）に示す系列Ｐ２のサイクリックシフトを行っている。図９に示すターボ符号化器３０１におけるターボ符号内インターリーバ３１３は、ターボ符号化器３０１内の第１及び第２要素符号化器３１１，３１２における畳込み符号化処理の状態数である８の倍数単位でビット分散する処理であるため、ＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理で、系列Ｐ２のサイクリックシフトにより系列Ｐ１とパンクチャ位置をずらすことが可能である。

これにより、系列Ｐ１で“致命的なパンクチャ”となる符号化率であっても、系列Ｐ２での“致命的なパンクチャ”を防ぐことで、ＢＥＲカーブ特性はやや劣化するが、エラーフロアは引かなくなるようにして、使用できる符号化率の範囲を広げるようにしている。しかしながら、これでもエラーフロアが残る符号化率が無くなるわけではなく依然として使用できる符号化率の範囲は制限され、また当該サイクリックシフト処理が１回増えることによる処理増加の方が、実装上の負担となりうる。

特に、主として映像ストリームを伝送する放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）では、使用できる符号化率の範囲が制限されることは好ましくない。

従って、使用自由度の高い符号化率の設定を可能とし、連続的に符号化率を変更可能とし、信号伝送中での符号化率の変更を可能とし、ハードウェア構成が簡素になるとともに、ハードウェアの利用効率を高めることを可能とする、デジタルデータの無線伝送装置（ＦＰＵ）として構成される送信装置及び受信装置が望まれる。

本発明の目的は、使用自由度の高い符号化率の設定を可能とし、連続的に符号化率を変更可能とし、信号伝送中での符号化率の変更を可能とし、ハードウェア構成が簡素になるとともに、ハードウェアの利用効率を高めることを可能とする、デジタルデータの無線伝送装置として構成される送信装置及び受信装置を提供することにある。

本発明の送信装置は、デジタルデータの無線伝送装置として構成される送信装置であって、伝送するデータに対し誤り訂正符号としてターボ符号による符号化処理を施し、情報ビット系列、第１パリティビット系列、及び第２パリティビット系列からなる誤り訂正ブロックを生成する誤り訂正符号化手段と、前記誤り訂正ブロックについて、前記情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することにより符号化率を変更する符号化率変更処理手段と、を備え、前記符号化率変更処理手段は、前記誤り訂正ブロックについて所定ビット数毎の列で並ぶように第１の並び替えを行う手段と、前記第１の並び替えの後に、所定のパンクチャパターンにより第２の並び替えを行う手段と、前記第２の並び替えの後に、前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列の各ビットが交互に配置されるようにビットインタレースを実行する手段と、前記ビットインタレースを実行した後に、前記情報ビット系列について列数を１／２倍、且つ行数を２倍とし、前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列を１つのパリティビット系列となるよう行毎に合成する第３の並び替えを行う手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の送信装置において、操作者による直接制御と、受信側からの送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方により、前記符号化率変更処理手段における符号化率を変更可能に構成されていることを特徴とする。

更に、本発明の受信装置は、デジタルデータの無線伝送装置として構成される受信装置であって、送信側でターボ符号による符号化処理が施された情報ビット系列、第１パリティビット系列、及び第２パリティビット系列からなる誤り訂正ブロックについて、前記情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することにより符号化率を変更する符号化率変更処理が施されたビット列に対し、送信側の当該符号化率変更処理の逆処理を行って、誤り訂正ブロックを復元する符号化率変更手段と、前記符号化率変更手段により復元した誤り訂正ブロックに対し、前記ターボ符号による符号化処理に対応する所定の繰り返し復号法により誤り訂正復号処理を施すターボ復号手段と、を備え、前記符号化率変更手段は、送信側の当該符号化率変更処理が施されたビット列に対し、該ビット列における情報ビット系列について列数を２倍、且つ行数を１／２倍とし、該ビット列における１つのパリティビット系列について行毎に合成されている前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列を分離するよう第１の復元用の並び替えを行う手段と、前記第１の復元用の並び替えの後に、送信側でビットインタレースが実行されて交互に配置されている前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列について該ビットインタレースの逆処理を行う手段と、該ビットインタレースの逆処理の後に、送信側と同一の所定のパンクチャパターンにより前記情報ビット系列、前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列について第２の復元用の並び替えを行う手段と、前記第２の復元用の並び替えの後に、送信側で所定ビット数毎の列で並ぶように並び替えが行われているビット列に対し、該並び替えの逆処理を行って、前記ターボ復号手段により誤り訂正復号処理を施すための誤り訂正ブロックを復元する手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の受信装置において、操作者による直接制御と、受信品質に基づいて生成した送信側への送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方により、前記符号化率変更手段における符号化率を変更可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、符号化率の変更について、復号時の性能に大きな影響を与える情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することによって実現されるため、使用自由度の高い符号化率の設定を可能とし、連続的に符号化率を変更可能である。

このため、誤り訂正符号化率、並びにビット誤り特性を容易に変更することができる。

また、本発明によれば、データストリームの伝送中での符号化率を、送受間で定めたタイムスケジュールに基づいて動的に変更することができ、可変伝送レートの映像や、映像とファイル送信の多重化も容易に実施できるようになる。

また、本発明によれば、符号化率の変更に伴う複数の符号化器・復号器を使用することがないため、ハードウェア構成が簡素になるとともに、ハードウェアの利用効率を高めることができる。

本発明による一実施形態の送信装置及び受信装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明に係る符号化率変更処理の一例を示すフローチャートである。 （ａ）,（ｂ）は、それぞれ本発明に係る符号化率変更処理の動作例を示す図である。 本発明による一実施形態の送信装置及び受信装置に関するシミュレーション用の概略構成を示すブロック図である。 （ａ）乃至（ｆ）は、それぞれ符号化率をパラメータとした本発明と従来（ＬＴＥ）との性能比較を示す図である。 本発明と従来（ＬＴＥ）とのＢＥＲカーブ特性の比較を示す図である。 従来方式の現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）に基づく送信装置及び受信装置の概略構成を示すブロック図である。 従来方式のＬＴＥに基づく通信端末の概略構成を示すブロック図である。 従来からのターボ符号化器の概略構成を示すブロック図である。 従来方式のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理の一例を示すフローチャートである。 （ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ従来方式のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理の動作を示す図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ従来方式のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理の動作を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ従来方式のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理の動作を示す図である。 従来方式のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理の動作を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による一実施形態の送信装置１０及び受信装置２０について、詳細に説明する。

図１は、本発明による一実施形態の送信装置１０及び受信装置２０の概略構成を示すブロック図である。本実施形態の例では、主として非特許文献１，２に規定されるＯＦＤＭ方式の無線伝送装置（ＦＰＵ）として構成可能な送信装置１０及び受信装置２０について説明する。ただし、詳細に後述する本発明に係る符号化率変更処理は、非特許文献３に規定されるシングルキャリア方式の無線伝送装置（ＦＰＵ）として構成可能な送信装置及び受信装置に適用することも可能である。

（送信装置）
図１に示す送信装置１０は、外符号符号化器１１、外インターリーバ１２、ターボ符号化器１３、符号化率変更処理部１４、変調部１５、周波数変換部１６、送り返し情報抽出部１７、及び符号化率切替制御部１８を備える。尚、変調部１５の前段に内インターリーバ（ビット・周波数・時間インターリーバ）が設けられるが、その図示及び説明は省略する。

外符号符号化器１１は、データストリームを入力し、外符号として、リードソロモン（ＲＳ）符号、又はＢＣＨ符号の誤り訂正符号化処理を施し、外インターリーバ１２に出力する。

外インターリーバ１２は、外符号の誤り訂正符号化処理を施した誤り訂正ブロックに対しバイト単位で畳込みバイトインターリーブ処理を施し、ターボ符号化器１３に出力する。外インターリーバ１２は、例えば現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）に準じた畳込みバイトインターリーブ処理とすることができるが、これに限定する必要はない。

ターボ符号化器１３は、図９に示すターボ符号化器３０１と同様に構成され、内符号として、ターボ符号の誤り訂正符号化処理を施し、情報ビット系列（系列Ｓ）、第１パリティビット系列（系列Ｐ１）、及び第２パリティビット系列（系列Ｐ２）からなる誤り訂正ブロックを生成し、符号化率変更処理部１４に出力する。

符号化率変更処理部１４は、バッファメモリ１４１及びビット並び替え部１４２からなり、ターボ符号の誤り訂正符号化処理を施した誤り訂正ブロックをバッファメモリ１４１に格納し、バッファメモリ１４１に格納した誤り訂正ブロックについて、ビット並び替え部１４２により、情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することにより符号化率を変更して、変調部１５に出力する。尚、変調部１５の前段には、現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）と同様に、内インターリーバ（ビット・周波数・時間インターリーバ）等が設けられるが、その図示及び説明は省略する。

尚、符号化率変更処理部１４による符号化率変更処理は、詳細に後述する。

変調部１５は、所定の符号化率が設定された誤り訂正符号化後のビット列から伝送するシンボルを構成し、伝送するシンボルについてキャリア変調（本例では、ＯＦＤＭ変調とするが、シングルキャリア方式であればその変調方式）に応じて直交平面へのマッピングを行い、当該キャリア変調の変調方式に応じた中間周波数帯の信号を生成し、周波数変換部１６に出力する。

周波数変換部１６は、変調部１５から得られる中間周波数帯の信号（本例では中間周波数帯のＯＦＤＭ信号）を伝送用の高周波数帯へとシフト変換して変調信号を生成し外部に出力する。

送り返し情報抽出部１７は、受信装置２０から所定フォーマットで伝送される制御情報を受信して所定の送り返し情報を抽出し、符号化率切替制御部１８に出力する。送り返し情報は、受信装置２０における受信品質を示すものとするか、又は符号化率を変更するよう指示する旨を示すものとすることができる。

符号化率切替制御部１８は、送り返し情報抽出部１７によって抽出した送り返し情報を基に、符号化率変更処理部１４における符号化率を変更するよう制御する。

尚、符号化率変更処理部１４における符号化率を変更するためには、操作者による直接制御により行うこともでき、このため直接制御と送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方が可能なように構成される。

即ち、本発明に係る送信装置１０は、図７に示す現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）に対応する送信装置１００と比較して、ターボ符号を内符号とし、尚且つターボ符号による符号化率を変更可能に、符号化率変更処理部１４を設けている点で構成要素が異なり、その他の構成要素は同様とすることができる。

（受信装置）
一方、図１に示す受信装置２０は、周波数変換部２１、復調部２２、符号化率変更処理部２３、ターボ復号器２４、外デインターリーバ２５、及び外符号復号器２６を備える。尚、復調部２２の後段に内デインターリーバ（ビット・周波数・時間デインターリーバ）が設けられるが、その図示及び説明は省略している。

周波数変換部２１は、送信装置１０から伝送される変調信号を受信して中間周波数帯の信号（本例では中間周波数帯のＯＦＤＭ信号）に変換し復調部２２に出力する。

復調部２２は、中間周波数帯の信号（本例では中間周波数帯のＯＦＤＭ信号）に対し復調処理を施し、図示しない内デインターリーブ処理を経て符号化率変更処理部２３に出力する。

符号化率変更処理部２３は、バッファメモリ２３１及びビット並び替え部２３２からなり、復調された誤り訂正ブロックをバッファメモリ２３１に格納し、バッファメモリ２３１に格納した誤り訂正ブロックについて、ビット並び替え部２３２により、送信側の符号化率変更処理部１４の処理に対する逆処理を施して、ターボ復号器２４に出力する。

ターボ復号器２４は、送信側のターボ符号化器３０１に対応する誤り訂正符号の復号処理を施し、外デインターリーバ２５に出力する。ターボ符号は、誤り訂正ブロック内でビット尤度（０／１の確からしさ）を基に繰り返し復号処理を施すことでビット誤りを訂正する処理である。

外デインターリーバ２５は、送信側の外インターリーバ１２による外インターリーブ処理に対応する逆処理を行い、外符号復号器２６に出力する。

外符号復号器２６は、外デインターリーバ２５によるデインターリーブ処理が施された信号に対して送信側の外符号符号化器１１による外符号の復号処理を施し、データストリームを復元する。

即ち、本発明に係る受信装置２０は、図７に示す現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）に対応する受信装置２００と比較して、ターボ符号を内符号とし、ターボ符号を内符号とし、尚且つターボ符号による符号化率を変更可能に、符号化率変更処理部１４を設けている点で構成要素が異なり、その他の構成要素は同様とすることができる。

（符号化率変更処理）
ここで、図１に示す符号化率変更処理部１４による符号化率変更処理について、図２に示すフローチャートを基に、図３等を参照しながら説明する。

まず、図２に示すように、符号化率変更処理部１４は、バッファメモリ１４１に、処理単位ビット数Ｎの情報ビット系列Ｓと、対応するパリティビット系列Ｐ１，Ｐ２を入力して保持し、前述した図１１（ａ）と同様に、所定ビット数（３２ビット）毎の列に並び替える（ステップＳ１）。終端ビット部分は別に保持しておく。

続いて、符号化率変更処理部１４は、ビット並び替え部１４２により、ステップＳ１で並び替えたビット系列Ｓ，Ｐ１，Ｐ２を、前述した図１１（ｂ）と同様に、所定のパンクチャパターンにより並び替える列サブブロックインターリーブ処理を実行する（ステップＳ２）。この列サブブロックインターリーブ処理の実行後のビット列は、図１１（ｃ）に示した通りである。

続いて、符号化率変更処理部１４は、ビット並び替え部１４２により、“前述した図１２（ａ）のような系列Ｐ２のみ１ビットサイクリックシフトを実行することなく”、前述した図１２（ｂ）と同様に、系列Ｐ１，Ｐ２のビット系列についてビットインタレースを実行し、各系列Ｐ１，Ｐ２のビットが交互に配置されるようにする（ステップＳ３）。

続いて、符号化率変更処理部１４は、ビット並び替え部１４２により、“前述した図１３（ａ）に示すようなビット出力開始位置を２列シフトする処理を実行することなく”、図３（ａ）に示すように、系列Ｓについて列数を１／２倍、行数を２倍とし、系列Ｐ１，Ｐ２を１つのパリティビット系列となるよう行毎に合成する並び替えを実行する（ステップＳ４）。

最終的に、符号化率変更処理部１４は、ビット並び替え部１４２により、変更する符号化率に応じた列数でビット出力開始位置から出力する（ステップＳ５）。即ち、図３（ｂ）に例示するように、図３（ａ）に示す２次元ビット列から、符号化後ビットは列ごとに送信され、符号化率Ｒ＝１／２では３２列送信する。符号化率を上げる場合は列数を少なくし、下げる場合は列数を多くする。またターボ復号器の復号に必要な終端ビット（終端ビットの送信順は問わない）も同時に送信するよう出力する。

ここでは列数と表記しているが、１ビット単位で送信量を制限することが可能である。そして、符号化率変更処理部１４による符号化率変更処理では、情報ビット系列である系列Ｓに対しパンクチャ処理を行わないため、高い符号化率でも上述したような“致命的なパンクチャ”を引き起こすことがない。また、符号化率変更処理部１４による符号化率変更処理では、符号化後・復号前のサイクリックシフト処理を行わないため、より簡易に可変符号化率の実装が実現できる。

尚、受信装置２０における符号化率変更処理部２３は、送信装置１０の符号化率変更処理部１４による符号化率変更処理の逆処理を行う。

即ち、符号化率変更処理部２３は、まず、送信側の符号化率変更処理部１４による符号化率変更処理が施されたビット列に対し、該ビット列における情報ビット系列について列数を２倍、且つ行数を１／２倍とし、該ビット列における１つのパリティビット系列について行毎に合成されている第１パリティビット系列（系列Ｐ１）、及び第２パリティビット系列（系列Ｐ２）を分離するよう第１の復元用の並び替えを行う。

続いて、符号化率変更処理部２３は、送信側でビットインタレースが実行されて交互に配置されている第１パリティビット系列（系列Ｐ１）、及び第２パリティビット系列（系列Ｐ２）について該ビットインタレースの逆処理を行う。

続いて、符号化率変更処理部２３は、送信側と同一の所定のパンクチャパターンにより情報ビット系列（系列Ｓ）、第１パリティビット系列（系列Ｐ１）、及び第２パリティビット系列（系列Ｐ２）について第２の復元用の並び替えを行う。

続いて、符号化率変更処理部２３は、送信側で所定ビット数（３２ビット）毎の列で並ぶように並び替えが行われているビット列に対し、該並び替えの逆処理を行って、ターボ復号器２４により誤り訂正復号処理を施すための誤り訂正ブロックを復元する。

（シミュレーション）
従来課題として上述したように、現行規格の放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）に対し、情報ビット系列（系列Ｓ）を間引くビットパンクチャ処理を実行すると、所定値以上の符号化率では、復号に必要な情報が足りずビット誤り（ＢＥＲ）カーブ特性で非常に高いビット誤り率のエラーフロアを引く性質があるため、使用できる符号化率が制限されるおそれがある。

特に、主として映像ストリームを伝送する放送用素材の無線伝送装置（ＦＰＵ）では、使用できる符号化率の範囲が制限されることは好ましくない。

このため、本発明に係る送信装置１０及び受信装置２０では、それぞれ符号化率変更処理部１４及び符号化率変更処理部２３を設けて、復号時の性能に大きな影響を与える情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することによって符号化率変更処理を行うよう構成している。

そこで、符号化率変更処理部１４，２３による設定する符号化率の使用自由度を確認するために、図４に示す処理系統の送信装置１０ａ及び受信装置２０ａについてシミュレーションを行った。図４は、本発明による一実施形態の送信装置１０ａ及び受信装置２０ａに関するシミュレーション用の概略構成を示すブロック図である。

送信装置１０ａは、ターボ符号化器１３ａ、及び符号化率変更処理部１４ａを備える例とした。

ターボ符号化器１３ａは、図１に示す送信装置１０における繰り返し復号用符号化器１３に対応する一例として、２０４バイト（１６３２ビット）ずつビット列が入力され、符号化率１／３（拘束長４ビット）のターボ符号による誤り訂正を施すものとした。尚、ターボ符号化器１３ａは、図９に示すターボ符号化器３０１と同様の構成とし、ターボ符号内インターリーバ３１３は、１６３２ビットのＱＰＰインターリーブ処理を行うものとした。

また、符号化率変更処理部１４ａは、符号化率ＲをパラメータとするＲ＝０．９９〜０.３３の範囲で６種類の可変符号化率でシミュレーションを行った。

送信装置１０ａは、ＡＷＧＮ伝送路を経て受信装置２０ａへＯＦＤＭ変調時にＱＰＳＫで伝送する伝送システムとし、ＡＷＧＮ伝送路ではホワイトノイズが付加されるものとした。

一方、受信装置２０ａは、符号化率変更処理部２３ａ、及びターボ復号器２４ａを備える例とした。符号化率変更処理部２３ａ、及びターボ復号器２４ａは、それぞれ送信装置１０ａの各構成要素の逆処理を行う処理部であり、図１に示す受信装置２０を簡易的に模擬している。ターボ復号器２４ａは、繰り返し回数８回のＭａｘ−lｏｇ−ＭＡＰ復号による繰り返し復号法とした。

図５（ａ）乃至（ｆ）に、それぞれ符号化率をパラメータとした本発明と従来（ＬＴＥ）との性能比較を示している。また、図５（ａ）乃至（ｆ）に示すシミュレーション結果をより分かりやすく、ＢＥＲカーブ特性の比較として図６に示している。

従来のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理は、図５を参照すると、符号化率Ｒ＝０．９０以上でエラーフロアが生じることが分かる。これは情報ビットをパンクチャする場合、符号化率Ｒ＝０．９０以上では系列Ｐ１或いは系列Ｐ１，Ｐ２で“致命的なパンクチャ”が発生することによる（図６に図示する“Ａ”，“Ｂ”の領域）。

つまり、従来のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理では、符号化率Ｒ＞１６／１７で、図６に図示する“Ａ”の領域で示されるような系列Ｐ１，Ｐ２で“致命的なパンクチャ”が発生し、１６／１９＜符号化率Ｒ≦１６／１７で、図６に図示する“Ｂ”の領域で示されるような系列Ｐ１だけ“致命的なパンクチャ”が発生する。このため、従来のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理では、使用可能な符号化率Ｒとして、符号化率Ｒ≦１６／１８に制限されることになる。

これに対して、本発明に係る符号化率変更処理では、元の情報ビット例を系列Ｓとして全て送信するため、符号化率Ｒ＝０．９９でもエラーフロアが生じることはない。また符号化率Ｒ＝０．８９，０．８３では、従来のＬＴＥに基づくビットパンクチャ処理の方が若干良い特性を得られているが、例えば外符号をＲＳ（２０４，１８８）符号とした時に擬似エラーフリーとみなすことができるＢＥＲ＝１０^−４を基準とする場合、その差は０．１ｄＢ以下であり、大きな特性劣化とはならないことが分かる。

このように、符号化率変更処理部１４により符号化率の変更を可能とする送信装置１０、並びに、符号化率変更処理部２３により符号化率変更処理部１４の処理に対する逆処理を行って符号化率の変更を可能とする受信装置２０は、復号時の性能に大きな影響を与える情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することによって実現されるため、使用自由度の高い符号化率の設定を可能とし、連続的に符号化率を変更可能である。

このため、送信装置１０及び受信装置２０は、誤り訂正符号化率、並びにビット誤り特性を容易に変更することができる。

また、送信装置１０及び受信装置２０は、データストリームの伝送中での符号化率を送受間で定めたタイムスケジュールに基づいて動的に変更することができ、可変伝送レートの映像や、映像とファイル送信の多重化も容易に実施できるようになる。

また、送信装置１０及び受信装置２０は、符号化率の変更に伴う複数の符号化器・復号器を使用することがないため、ハードウェア構成が簡素になるとともに、ハードウェアの利用効率を高めることができる。

以上、特定の実施形態の例を挙げて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態の例に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、本発明に係る一実施形態の例では、外符号をＲＳ符号とする例を主として説明したが、ＢＣＨ符号としても同様である。

従って、本発明に係る送信装置及び受信装置は、上述した実施形態の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によってのみ制限される。

本発明によれば、符号化率変更に関する性能及び自由度が向上するので、ＯＦＤＭ伝送方式又はシングルキャリア方式におけるデジタルデータの送信装置及び受信装置の用途に有用である。

１０ 本発明に係る送信装置
１１ 外符号符号化器
１２ 外インターリーバ
１３ ターボ符号化器
１４ 符号化率変更処理部
１５ 変調部
１６ 周波数変換部
１７ 送り返し情報抽出部
１８ 符号化率切替制御部
２０ 本発明に係る受信装置
２１ 周波数変換部
２２ 復調部
２３ 符号化率変更処理部
２４ ターボ復号器
２５ 外デインターリーバ
２６ 外符号復号器
２７ 受信品質監視部
２８ 送り返し情報生成部
１０ａ 本発明に係るシミュレーション用の送信装置
１３ａ ターボ符号化器
１４ａ 符号化率変更処理部
２０ａ 本発明に係るシミュレーション用の受信装置
２３ａ 符号化率変更処理部
２４ａ ターボ復号器
１００ 従来方式に基づく送信装置
１０１ 誤り訂正符号化器
１０５ 変調部
１０６ 周波数変換部
１０７ 送り返し情報抽出部
１０８ 符号化率切替制御部
１４１ バッファメモリ
１４２ ビット並び替え部
２００ 従来方式に基づく受信装置
２０１ 周波数変換部
２０２ 復調部
２０３ 誤り訂正復号器
２０７ 受信品質監視部
２０８ 送り返し情報生成部
２３１ バッファメモリ
２３２ ビット並び替え部
３００ 従来方式に基づく通信端末（ＬＴＥ）
３０１ ターボ符号化器
３０２ ビットパンクチャ処理部
３０３ 送受信部
３０４ ビットデパンクチャ処理部
３０５ ターボ復号器
３１１ 第１要素符号化器
３１２ 第２要素符号化器
３１３ ターボ符号内インターリーバ
３１４ 多重化部

Claims (4)

1. デジタルデータの無線伝送装置として構成される送信装置であって、
   伝送するデータに対し誤り訂正符号としてターボ符号による符号化処理を施し、情報ビット系列、第１パリティビット系列、及び第２パリティビット系列からなる誤り訂正ブロックを生成する誤り訂正符号化手段と、
   前記誤り訂正ブロックについて、前記情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することにより符号化率を変更する符号化率変更処理手段と、を備え、
   前記符号化率変更処理手段は、
   前記誤り訂正ブロックについて所定ビット数毎の列で並ぶように第１の並び替えを行う手段と、
   前記第１の並び替えの後に、所定のパンクチャパターンにより第２の並び替えを行う手段と、
   前記第２の並び替えの後に、前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列の各ビットが交互に配置されるようにビットインタレースを実行する手段と、
   前記ビットインタレースを実行した後に、前記情報ビット系列について列数を１／２倍、且つ行数を２倍とし、前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列を１つのパリティビット系列となるよう行毎に合成する第３の並び替えを行う手段と、
   を備えることを特徴とする送信装置。
2. 操作者による直接制御と、受信側からの送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方により、前記符号化率変更処理手段における符号化率を変更可能に構成されていることを特徴とする、請求項１に記載の送信装置。
3. デジタルデータの無線伝送装置として構成される受信装置であって、
   送信側でターボ符号による符号化処理が施された情報ビット系列、第１パリティビット系列、及び第２パリティビット系列からなる誤り訂正ブロックについて、前記情報ビット系列を欠損させることなくパンクチャビット量を変更することにより符号化率を変更する符号化率変更処理が施されたビット列に対し、送信側の当該符号化率変更処理の逆処理を行って、誤り訂正ブロックを復元する符号化率変更手段と、
   前記符号化率変更手段により復元した誤り訂正ブロックに対し、前記ターボ符号による符号化処理に対応する所定の繰り返し復号法により誤り訂正復号処理を施すターボ復号手段と、を備え、
   前記符号化率変更手段は、
   送信側の当該符号化率変更処理が施されたビット列に対し、該ビット列における情報ビット系列について列数を２倍、且つ行数を１／２倍とし、該ビット列における１つのパリティビット系列について行毎に合成されている前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列を分離するよう第１の復元用の並び替えを行う手段と、
   前記第１の復元用の並び替えの後に、送信側でビットインタレースが実行されて交互に配置されている前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列について該ビットインタレースの逆処理を行う手段と、
   該ビットインタレースの逆処理の後に、送信側と同一の所定のパンクチャパターンにより前記情報ビット系列、前記第１パリティビット系列、及び前記第２パリティビット系列について第２の復元用の並び替えを行う手段と、
   前記第２の復元用の並び替えの後に、送信側で所定ビット数毎の列で並ぶように並び替えが行われているビット列に対し、該並び替えの逆処理を行って、前記ターボ復号手段により誤り訂正復号処理を施すための誤り訂正ブロックを復元する手段と、
   を備えることを特徴とする受信装置。
4. 操作者による直接制御と、受信品質に基づいて生成した送信側への送り返し情報に基づくフィードバック制御のいずれか一方、又は双方により、前記符号化率変更手段における符号化率を変更可能に構成されていることを特徴とする、請求項３に記載の受信装置。