JP6940988B2 - 符号化器、復号器、送信装置及び受信装置 - Google Patents

Description

本発明は、衛星放送及び地上放送並びに固定通信及び移動通信の技術分野に関するものであり、特に、デジタルデータの符号化器、復号器、送信装置及び受信装置に関する。

デジタル伝送方式では、各サービスで利用可能な周波数帯域幅において、より多くの情報が伝送可能なよう、多値変調方式がよく用いられる。周波数利用効率を高めるには、変調信号１シンボル当たりに割り当てるビット数（変調次数）を高めるのが有効であるが、周波数１Ｈｚあたりに伝送可能な情報速度の上限値と信号対雑音比の関係はシャノン限界で制限される。

現在利用されている地上デジタル放送では、誤り訂正符号を用いた受信装置における情報訂正が行われている。パリティビットと呼ばれる冗長信号を送るべき情報に付加することで信号の冗長度（符号化率）を制御し、雑音に対する耐性を上げることが可能である。誤り訂正符号と変調方式は密接に関わっており、信号対雑音比に対する周波数利用効率の理論的な上限値はシャノン限界と呼ばれる。シャノン限界に迫る性能を有する強力な誤り訂正符号の一つとしてＬＤＰＣ（Low Density Parity Check）符号が１９６２年にギャラガーによって提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

ＬＤＰＣ符号は、非常に疎な検査行列Ｈ（検査行列の要素が０と１からなり、且つ１の数が非常に少ない）により定義される線形符号である。

ＬＤＰＣ符号は符号長を大きくし、適切な検査行列を用いることによりシャノン限界に迫る伝送特性が得られる強力な誤り訂正符号であり、次世代の放送サービスである４Ｋ・８Ｋスーパーハイビジョン衛星放送の伝送方式を規定するＡＲＩＢ ＳＴＤ−Ｂ４４（以下、高度衛星放送方式と呼ぶ。例えば、非特許文献２参照）においてもＬＤＰＣ符号が採用されている。多値変調とＬＤＰＣ符号をはじめとする強力な誤り訂正符号を組み合わせることで、より高い周波数利用効率の伝送が可能となってきている。

高度衛星放送方式を例にした場合、本方式におけるＬＤＰＣ符号の符号長は、前方向誤り訂正方式（ＦＥＣ：Forward Error Correction）フレームで構成され、４４８８０ビットであり、ＢＰＳＫ限界（信号点配置をＢＰＳＫとした場合の信号対雑音比に対する周波数利用効率の理論的な上限値）から約１ｄＢ以内の性能を有することが示されている（例えば、非特許文献３参照）。

また、高度衛星放送方式においては、ＬＤＰＣ符号化率として、４１／１２０（≒１／３）、４９／１２０（≒２／５）、６１／１２０（≒１／２）、７３／１２０（≒３／５）、８１／１２０（≒２／３）、８９／１２０（≒３／４）、９３／１２０（≒７／９）、９７／１２０（≒４／５）、１０１／１２０（≒５／６）、１０５／１２０（≒７／８）、及び、１０９／１２０（≒９／１０）の１１種類が定められている。

R. G Gallager, "Low Density Parity Check Codes," in Research Monograph series Cambridge, MIT Press, 1963 "高度広帯域衛星デジタル放送の伝送方式 標準規格 ARIB STD-B44 2.1版、平成28年3月25日改定、一般社団法人 電波産業会（ARIB） 鈴木他、"高度ＢＳデジタル放送用ＬＤＰＣ符号の設計"、映像情報メディア学会誌、一般社団法人映像情報メディア学会、映像情報メディア vol.62、No.12、2008年12月1日、pp.1997-2004

昨今、現行の衛星・地上放送による２Ｋサービスや、衛星放送による４Ｋ・８Ｋスーパーハイビジョンに加え、新たに地上放送による４Ｋ・８Ｋスーパーハイビジョン（以下、次世代地上放送）の提供が期待されている。しかしながら、４Ｋ・８Ｋスーパーハイビジョン（以下、４Ｋ・８Ｋ）は情報量が膨大であり、十分に高いサービス時間率を維持して次世代地上放送網を構築するには、劣悪な伝搬環境による雑音に埋もれない、十分高い送信電力が求められる。また、衛星放送の場合、衛星中継器における非線形歪や、降雨減衰による電力低下が主な信号劣化要因であるが、地上放送においては、マルチパスフェージングや都市雑音など、地上伝搬特有の信号劣化が発生する。よって、次世代地上放送における誤り訂正符号の基本性能としては、符号長が長いＬＤＰＣ符号を適用することで、なるべくシャノン限界に迫る非常に誤り訂正能力が高いことが求められる。さらに、放送事業者によって、放送品質とサービス時間率のバランスのとり方は異なることから、複数の符号化率を適時切り替えることで、情報ビットレートの選択が柔軟に変更でき、少なくとも、上述の高度衛星方式と同等以上の選択肢を用意することが望ましい。

次世代地上放送における符号化率の選択肢としては、符号長を６９１２０ビットとし、符号化率は２／１６、３／１６、４／１６、５／１６、６／１６、７／１６、８／１６、９／１６、１０／１６、１１／１６、１２／１６、１３／１６、１４／１６の合計１３種類が検討されている。この符号化率数は、高度衛星放送方式で採用された１１種類よりも十分に広範囲な選択肢である一方、符号化率毎に、シャノン限界に近い性能を有するＬＤＰＣ符号検査行列を設計する必要がある。従って、地上放送における地上伝搬特有の信号劣化が発生することを加味し、尚且つ当該符号化率にとって最適化された検査行列とするための技法が求められる。

本発明は、ＬＤＰＣ符号化率３／１６に関して、地上放送用の誤り訂正符号としてＬＤＰＣ符号の適用及びその性能改善を図り、耐雑音性に優れたデジタルデータの符号化器、復号器、送信装置及び受信装置を提供することを目的とする。

本発明に係る送信装置及び受信装置において、本発明に係る符号化器及び復号器はＬＤＰＣ符号率３／１６のＬＤＰＣ符号に関する処理を備え、さらにＬＤＰＣ符号率３／１６の特性を効果的に改善させる検査行列初期値テーブルを用いてＬＤＰＣ符号に関する処理を実行する。また、本発明に係る送信装置及び受信装置は、当該ＬＤＰＣ符号率３／１６の検査行列初期値テーブルを用いたＬＤＰＣ符号の検査行列が、ビットインターリーブ機能を生じさせるためにパリティインターリーブを施した部分行列を含むよう構成する。

また、本発明の符号化器は、符号化率毎に固有の検査行列を用いてデジタルデータをＬＤＰＣ符号化する符号化器であって、６９１２０ビットからなる符号長で符号化率毎に予め定めた検査行列初期値テーブルを初期値として、符号化率３／１６に応じた情報長に対応する部分行列の１の要素を、列方向に複数種類のサイクル数で周期的に配置して構成した部分行列を含む検査行列を用いてＬＤＰＣ符号化を行う手段を備え、前記符号化率３／１６の検査行列初期値テーブルに基づく検査行列は、前記部分行列として、第１のサイクル数で周期的に１の要素を列方向に配置する第１の部分行列と、前記第１のサイクル数とは異なる第２のサイクル数で周期的に１の要素を列方向に配置する第２の部分行列と、前記第１のサイクル数毎に行方向へシフトし前記第２のサイクル数で周期的に１の要素を列方向に配置することでパリティインターリーブを施した第３の部分行列と、を含み、前記第１の部分行列を部分行列Ａ、前記第２の部分行列を部分行列Ｃ、及び前記第３の部分行列を部分行列Ｄとしたときの初期値を示す前記符号化率３／１６の検査行列初期値テーブル（表１）は、以下の表からなることを特徴とする。

また、本発明の復号器は、本発明の符号化器で符号化したデータを、前記検査行列に基づいてＬＤＰＣ復号することを特徴とする。

また、本発明の送信装置は、本発明の符号化器を備えることを特徴とする。

また、本発明の受信装置は、本発明の復号器を備えることを特徴とする。

本発明によれば、地上放送における非常に劣悪な雑音環境においても、ＬＤＰＣ符号の性能を高め周波数利用効率の向上を実現することが可能となる。

本発明による一実施例のＬＤＰＣ符号化率３／１６の伝送システムにおける送信装置の主要な構成要素のみを概略的に示すブロック図である。 本発明による一実施例のＬＤＰＣ符号化率３／１６の伝送システムにおける受信装置の主要な構成要素のみを概略的に示すブロック図である。 （ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明による一実施例のＬＤＰＣ符号化率３／１６の伝送システムにおける伝送フレームの構成を示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６の検査行列Ｈを示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６の部分行列Ｂを示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６の部分行列Ｉを示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６の部分行列Ａを示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６の部分行列Ｃを示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６の部分行列Ｄを示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６のＱＰＳＫ変調適用時のＣ／Ｎ対ＢＥＲ特性を示す図である。 本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６のＱＰＳＫ変調適用時のシャノン限界との差を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明による一実施例の伝送システムにおける送信装置１及び受信装置２を説明する。本発明による一実施例の伝送システムは、次世代地上放送伝送方式を想定した図１に示す送信装置１、及び図２に示す受信装置２から構成され、次世代地上放送伝送方式で用いるＬＤＰＣ符号を、前方誤り訂正符号として最適化したものとなっている。

まず、図１を参照して、本発明による一実施例の送信装置１について説明する。

〔送信装置〕
図１は、本発明による一実施例の送信装置１の主要な構成要素のみを概略的に示すブロック図である。この送信装置１は、フレーム生成部１１１、エネルギー拡散部１１２、ＢＣＨ符号化部１１３、ＬＤＰＣ符号化部１１４、変調部１１５を備え、主信号の入力ビット列を送信する場合に、後述する図３に示した伝送フレームの信号を生成してから変調信号を生成するまでの一連の処理を行う。以下、ＬＤＰＣ符号化部１１４は、単に符号化器とも称する。また、送信装置１は、変調方式及び符号化率といった伝送に関するパラメータを含むＴＭＣＣ信号を生成し主信号より前に伝送する手段として、ＴＭＣＣ生成部１２を有する。ＴＭＣＣ生成部１２は、主信号の信号処理を行う主信号処理部１１とは別構成により接続し、伝送フレーム生成部１１１から発生される主信号に対して、ＴＭＣＣ信号を時分割多重により伝送することで、主信号とは独立して、受信装置２に対し伝送に関するパラメータを伝送することが可能である。また、ＴＭＣＣ生成部１２は、後述するＬＤＰＣ符号化部１１４や、変調部１１５に対して、ＴＭＣＣ信号が指定するＬＤＰＣ符号化率（以下、単に「符号化率」とも称する）、及び変調方式を指定する機能を有する。以後、図１に示す送信装置１の各構成要素について説明する。

伝送フレーム生成部１１１は、ＬＤＰＣ符号化率に応じた伝送フレーム構成に基づき、主信号の入力ビット列を、所定の長さに区切り、ＬＤＰＣ符号化を可能とする伝送フレームを生成する。本例では、ＬＤＰＣ符号化率３／１６について、図３に示すように、主信号の入力ビット列は、情報ビット長として１２９６０ビット毎に区切られ、都度、後続する機能ブロックに出力される。

（ＬＤＰＣ符号化率３／１６の伝送フレーム構成）
図３（ａ），（ｂ）は、それぞれ本発明による一実施例のＬＤＰＣ符号化率３／１６の伝送システムにおける伝送フレームの構成を示している。特に、図３（ａ）は、誤り訂正符号として、ＬＤＰＣ符号化率３／１６のＬＤＰＣ符号のみを用いる場合の伝送フレームの構成を示しており、図３（ｂ）は、誤り訂正符号として、外符号としてのＢＣＨ符号、及び内符号としてのＬＤＰＣ符号化率３／１６のＬＤＰＣ符号よりなる連接符号を用いる場合の伝送フレームの構成を示している。そして、図３（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す伝送フレームは、次世代地上放送伝送方式で用いるＬＤＰＣ符号を基本とする伝送フレームを想定している。

まず、図３（ａ）に示す伝送フレームは、ＬＤＰＣ符号化率３／１６を満たす情報ビット及びＬＤＰＣパリティから構成される。本発明による一実施例の送信装置１は、図３（ａ）に示す伝送フレーム構成を用いることにより、符号化及び変調を行う。そして、本発明による一実施例の受信装置２（図２を参照。詳細については後述する。）は、この伝送フレーム構成に基づいて、復調及び誤り訂正符号の復号を行う。

また、図３（ｂ）に示す伝送フレームは、図３（ａ）の変形として、情報ビット、ＢＣＨパリティ、及びＬＤＰＣパリティから構成され、図３（ａ）に示す伝送フレームと同様に、本発明による一実施例の送信装置１及び受信装置２に適用可能である。図３（ｂ）において、K_bchはＢＣＨ符号のパリティビット長に相当する。外符号の一例として、高度衛星放送方式で利用可能なＢＣＨ符号を適用する場合を示しており、K_bchは１９２ビットである。ＢＣＨパリティは基本的に情報ビットの一部として扱われ、ＬＤＰＣ符号で訂正しきれない軽微なビット誤りを保護する役割を有する。ＬＤＰＣパリティ長が等しい場合、図３（ａ）及び図３（ｂ）は、ＬＤＰＣ符号の訂正能力は同等である。しかしながら、誤り訂正の大部分の能力はＬＤＰＣ符号に依存するため、主として、図３（ａ）に示す伝送フレームを前提に説明する。

図３（ａ）に示すように、ＬＤＰＣ符号化率３／１６の場合、次世代地上放送伝送方式を想定した伝送フレーム長は、ＬＤＰＣ符号長である６９１２０ビットに相当する。６９１２０ビットは３６０の整数倍で構成され、３６０×１９２で分割することが可能である。また、情報ビット長は１２９６０ビットであり、１２９６０／６９１２０＝３／１６であることから、本伝送フレームはＬＤＰＣ符号化率３／１６を満たしている。また、符号長６９１２０ビットは、高度衛星放送方式におけるＬＤＰＣ符号長４４８８０ビットよりも十分長いことから、よりシャノン限界に近い誤り訂正能力が期待できる。

図１に示すように、エネルギー拡散部１１２は、伝送フレーム生成部１１１の出力ビット列に対し、エネルギー拡散（ビットランダム化）を行う。これは、擬似ランダムな「１」及び「０」のパターンを、Ｍ系列を使って発生させ、これとスロット内のデータとでＭＯＤ２により加算することにより実現する。これにより、「１」又は「０」が連続することがなくなることから、後述する受信装置２において、同期再生の安定化を図ることができる。

ＢＣＨ符号化部１１３は、外符号として、必要に応じて設けられる誤り訂正符号化処理であり、所定のデータに対してＢＣＨ符号化を施す。ＢＣＨ符号化の符号化処理は、非特許文献２に規定されているものと同様とすることができ、その詳細は省略する。尚、図３（ａ）に示す伝送フレームの構成を用いる場合、図１に示す送信装置１において、ＢＣＨ符号化部１１３の処理は不要である。

ＬＤＰＣ符号化部１１４は、ＴＭＣＣ生成部１２で生成するＴＭＣＣ信号が指定する所定の符号化率に基づき、エネルギー拡散部１１２を経て入力される所定のデータ（又はＢＣＨ符号化部１１３を経て入力されるＢＣＨ符号化データ）に対して、ＬＤＰＣ符号化を施す。尚、本発明に係る符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）のＬＤＰＣ符号化率３／１６におけるＬＤＰＣ符号検査行列を用いたＬＤＰＣ符号化についての詳細は、後述する。

変調部１１５は、ＴＭＣＣ生成部１２で生成するＴＭＣＣ信号が指定する所定の変調方式に基づき直交変調を施して、変調信号を生成する。変調方式には、例えば、ＢＰＳＫ（π／２シフトＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying））、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）、８ＰＳＫ、１６ＡＰＳＫ（Amplitude and Phase-Shift Keying）（或いは１６ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation））、３２ＡＰＳＫ（３２ＱＡＭ）、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭ、１０２４ＱＡＭ等が含まれる。

次に、図２を参照して、本発明による一実施例の受信装置２について説明する。

〔受信装置〕
図２は、本発明による一実施例の受信装置２の主要な構成要素のみを概略的に示すブロック図である。この受信装置２は、復調部２１１、ＬＤＰＣ復号部２１２、ＢＣＨ復号部２１３、及びエネルギー逆拡散部２１４を含む主信号の信号処理を行う主信号処理部２１と、ＴＭＣＣ復調・復号部２２とを備えている。

復調部２１１は、入力された変調信号を直交復調し、ＬＤＰＣ復号部２１２に対し復調したＩＱ信号（同相成分Ｉと直交位相成分Ｑの直交信号）を出力する。尚、ＴＭＣＣ復調・復号部２２は、復調部２１１に先立ちＴＭＣＣ信号の復調・復号を行い、復調部２１１に対して、主信号の変調に適用した変調方式を指定する。また、後述するＬＤＰＣ復号部２１２に対しては、主信号のＬＤＰＣ符号化に適用した符号化率を指定する。本発明に係る符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）にてＬＤＰＣ符号化処理を行う際の符号化率は３／１６に相当する。

ＬＤＰＣ復号部２１２は、ＬＤＰＣ符号用の復号器として構成され、復調部２１１からＩＱ信号が入力されると共に、ＴＭＣＣ復調・復号部２２により検出された変調方式及びＬＤＰＣ符号化率の情報が入力され、所定の変調方式及びＬＤＰＣ符号化率に合わせた復号を行う。尚、本発明に係る符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）の検査行列を用いたＬＤＰＣ復号についての詳細は後述する。

ＢＣＨ復号部２１３は、送信装置１のＢＣＨ符号化部１１３によりＢＣＨ符号化した信号に対し、復号を行う。尚、図３（ａ）に示す伝送フレームの構成を用いる場合、図２に示す受信装置２において、ＢＣＨ復号部２１３の処理は不要である。

エネルギー逆拡散部２１４は、送信装置１のエネルギー拡散部１１２において擬似ランダム符号がＭＯＤ２により加算された処理を元に戻すため、再度同じ擬似ランダム符号をＭＯＤ２により加算し、エネルギー逆拡散処理を行う。これにより、受信装置２における信号処理部２１は、送信装置１から送信された主信号の入力ビット列に対応する出力ビット列を復元して外部に出力する。

以上のように、本発明による一実施例の送信装置１及び受信装置２は、長い符号長を持つＬＤＰＣ符号による誤り訂正符号に対応した伝送フレームを用いて、変調方式と符号化率とを自由に組み合わせることができる。従って、主信号として伝送するＭＰＥＧ−２ ＴＳ又はその他のデジタルデータストリームを効率良く伝送することが可能である。

次に、本発明に係るＬＤＰＣ符号化率３／１６における符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）及び復号器（ＬＤＰＣ復号部２１２）の各処理過程を順に説明する。

まず、一実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）の処理過程について説明する。

（ＬＤＰＣ符号化率３／１６における符号化器の処理過程）
本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、部分行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｉ，Ｏにより６個の領域に分割された検査行列Ｈを生成し、この検査行列Ｈを用いてＬＤＰＣ符号パリティの生成を行う。ＬＤＰＣ符号化率３／１６における検査行列Ｈの基本構成を図４に示す。検査行列Ｈの行方向の長さがＬＤＰＣ符号長に相当し、ＬＤＰＣ符号長Ｎ＝６９１２０と設定する。本検査行列の符号化率は３／１６であることから、検査行列Ｈの列方向の長さがＬＤＰＣパリティ長に相当し、ＬＤＰＣパリティ長Ｐ＝５６１６０ビットである。

図４において、部分行列Ａ，Ｃ，及びＤは、上述の表１に示す検査行列初期値テーブルを用いて構成される部分行列であり、部分行列ＢにはＬＤＧＭ構造（図５）を適用する。ＬＤＧＭ構造の行重み（検査行列の行方向の１の数）は１行目が１で残りの行重みは全て２、列重みは全ての列で２（ただし、最後列のみ１）である階段行列である。部分行列Ｂのサイズは、行方向、列方向ともに１８００ビットである。また、部分行列Ｉは、対角行列（図６）を適用する。対角行列の行重みは全て１である。部分行列Ｉのサイズは、行方向、列方向ともに５４３６０ビットである。部分行列Ｏは、零行列に相当する。

部分行列Ａのサイズは、図７に示すように、１８００ビット（行）×１２９６０ビット（列）で構成される。

また、部分行列Ｃのサイズは、図８に示すように、５４３６０ビット（行）×１２９６０ビット（列）で構成される。

また、部分行列Ｄのサイズは、図９に示すように、５４３６０ビット（行）×１８００ビット（列）で構成される。

部分行列Ａ，Ｃ，Ｄのいずれにおいても、これら部分行列のサイズは有限であることから、以下の式（１）に基づき、検査行列の１の位置は算出される。
Ｈ_ｑ−ｊ＝ ｍｏｄ｛（ｈ_ｉ−ｊ+ ｍｏｄ((ｑ−１),３６０)) × Ｑ）,Ｐ｝ （１）
ここで、ｈ_ｉ−ｊのｉは検査行列初期値テーブルの行番号であり、ｈ_ｉ−ｊのｊは検査行列初期値テーブルの列番号である。Ｈ_ｑ−ｊは検査行列Ｈのｑ列目の１の行番号を示す。Ｈ_ｑ−ｊのｊは列重みの要素数の順番を示す。従って、列重み９の場合、ｊ＝１〜９である。ｑ＝１は検査行列初期値テーブルの１行目を用いることになる。また、ｍｏｄ（ｘ，ｙ）はｘをｙで割った余りを意味する。式（１）のＱは、符号化率毎に定まる値を持つサイクル数であり、Ｑは式（２）で求められる。

Ｑ＝各部分行列の行サイズ／３６０ （２）

よって、本実施例のＬＤＰＣ符号化率３／１６において、部分行列Ａの場合、Ｑ＝５（第１のサイクル数Ｑ１）、部分行列Ｃ、及び部分行列Ｄの場合、Ｑ＝１５１（第２のサイクル数Ｑ２）となる。

以下、より具体的に、ＬＤＰＣ符号化率３／１６における部分行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｉ，Ｏにより６個の領域に分割された検査行列Ｈを生成する方法について説明する。

まず、部分行列Ａ（図７）について説明する。本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、部分行列Ａを形成するために、上述の表１に示す検査行列初期値テーブルの一部から数値を読み出して、検査行列Ｈにおける部分行列Ａの領域内の１の位置を周期的に配置する。表１に示す検査行列初期値テーブルは、列方向に４１、行方向に最大１６の数値が記載されている。この数値は、部分行列Ａ，Ｃ及びＤで利用する検査行列の１の最初の位置（初期値）に相当する。即ち、表１中のｉ行目・ｊ列目の数値座標hi-j(数値）により、図４に示す検査行列Ｈ内の部分行列Ａ，Ｃ，Ｄにおける１の最初の位置を指定する。一例として、図７において、h1-1(952)は、部分行列Ａの１列目の１を９５２行目に配置することに相当し、h1-2（1540)は、部分行列Ａの１列目の１を１５４０行目に配置することに相当する。また、h2-1(560)は、部分行列Ａの３６１列目の１を５６０行目に配置し、h2-2(888)は部分行列Ａの３６１列目の１を８８８行目に配置することに相当する。

以上の関係に基づき、図７に示すように、本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、表１における検査行列初期値テーブルから、部分行列Ａの３６０列毎の１を配置する行位置を指定するための３６行・ｊ列（３列）の数値座標hi-j(数値）のすべてを読み出して当該指定される部分行列Ａ内の位置に１を最初に割り当て、この最初に割り当てた１の位置を基準にして１ビット分を行方向に右方シフトし、且つ第１のサイクル数Ｑ１＝５（５ビット）で列方向に下方シフトした位置に１を割り当てることを繰り返すことで、検査行列Ｈ内の部分行列Ａを構成する。

〈表１における検査行列初期値テーブルの部分行列Ａ用の数値座標hi-j(数値）〉
１行目：h1-1（952）からh1-3（1714）
２行目：h2-1（560）からh2-3（1582）
３行目：h3-1（358）からh3-3（1339)
・・・・
３６行目：h36-1（475）からh36-3（794）

このように、表１における部分行列Ａ用の数値座標hi-j(数値）における３６行（この３６行の各行が部分行列Ａの３６０列毎の最初の１列に相当）の数値を１列毎（この１列毎の数値が部分行列Ａの３６０列毎の最初の行位置に相当）に読み出し、図７に示すように、第１のサイクル数Ｑ１＝５シフトを繰り返すことで、３６０×３６＝１２９６０ビット（列）相当の検査行列Ｈにおける部分行列Ａの１の位置を指定することが可能となる。また、部分行列Ａの行数は３６０×Ｑ１＝１８００であり、部分行列Ａのサイズは、行方向が１２９６０ビット、列方向が１８００ビットとなる。

続いて、部分行列Ｃ（図８）について説明する。本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、部分行列Ｃを形成するために、上述の表１に示す検査行列初期値テーブルの一部から数値を読み出して、検査行列Ｈにおける部分行列Ｃの領域内の１の位置を周期的に配置する。表１に示す検査行列初期値テーブルは、列方向に４１、行方向に最大１６の数値が記載されている。部分行列Ｃが部分行列Ａと異なるのは、検査行列初期値テーブルにおける読み出し位置と、サイクル数である。

図８に示すように、本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、表１における検査行列初期値テーブルから、部分行列Ｃの３６０列毎の１を配置する行位置を指定するための３６行・ｊ列（最大１３列）の数値座標hi-j(数値）のすべてを読み出して当該指定される部分行列Ｃ内の位置に１を最初に割り当て、この最初に割り当てた１の位置を基準にして１ビット分を行方向に右方シフトし、且つ第２サイクル数Ｑ２＝１５１（１５１ビット）で列方向に下方シフトした位置に１を割り当てることを繰り返すことで、図４における検査行列Ｈ内の部分行列Ｃを構成する。

〈表１における検査行列初期値テーブルの部分行列Ｃ用の数値座標hi-j(数値）〉
１行目：h1-4（4127）からh1-16（49218）
２行目：h2-4（5282）からh2-16（54495）
３行目：h3-4（2085）からh3-16（55260)
・・・・
２６行目：h26-4（2108）からh26-16（55025)
２７行目：h27-4（4353）からh27-15（55305)
・・・・
３６行目：h36-4（16878）からh36-15（52390）

このように、表１における部分行列Ｃ用の数値座標hi-j(数値）における３６行（この３６行の各行が部分行列Ｃの３６０列毎の最初の１列に相当）の数値を１列毎（この１列毎の数値が部分行列Ｃの３６０列毎の最初の行位置に相当）に読み出し、図８に示すように、第２のサイクル数Ｑ２＝１５１シフトを繰り返すことで、３６０×３６＝１２９６０ビット（列）相当の検査行列Ｈにおける部分行列Ｃの１の位置を指定することが可能となる。また、部分行列Ｃの行数は３６０×Ｑ２＝５４３６０であり、部分行列Ｃのサイズは、行方向が１２９６０ビット、列方向が５４３６０ビットとなる。

続いて、部分行列Ｄ（図９）について説明する。本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、部分行列Ｄを形成するために、上述の表１に示す検査行列初期値テーブルの一部（表１のうち、３７行目から４１行目）から数値を読み出して、検査行列Ｈにおける部分行列Ｄの領域内の１の位置を周期的に配置する。ただし、部分行列Ｄは、部分行列Ｃと同じ第２のサイクル数Ｑ２＝１５１を適用するが、部分行列Ｃと異なるのは、検査行列初期値テーブルにおける読み出し周期に、第１のサイクル数Ｑ１＝５に相当する行方向のビットシフトを用いることで、パリティインターリーブを適用する点である。

図９に示すように、本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は、表１における検査行列初期値テーブルから、部分行列Ｄの３６０列毎の１を配置する行位置を指定するための５行・ｊ列（１３列）の数値座標hi-j(数値）のすべてを読み出して当該指定される部分行列Ｄ内の位置に１を最初に割り当て、この最初に割り当てた１の位置を基準にして第１のサイクル数Ｑ１＝５ビット分を行方向に右方シフトし、且つ第２サイクル数Ｑ２＝１５１（１５１ビット）で列方向に下方シフトした位置に１を割り当てることを繰り返すことで、図４における検査行列Ｈ内の部分行列Ｄを構成する。

〈表１における検査行列初期値テーブルの部分行列Ｄ用の数値座標hi-j(数値）〉
３７行目：h37-1（3582）からh37-13（48479）
３８行目：h38-1（3092）からh38-13（53758）
３９行目：h39-1（14340）からh39-13（53000)
４０行目：h40-1（4600）からh40-13（53988)
４１行目：h41-1（9551）からh41-13（50746）

このように、パリティインターリーブを適用した検査行列初期値テーブルの読み出し方法は、部分行列Ａ，Ｃとは異なる読み出し方法であり、表１における部分行列Ｄ用の数値座標hi-j(数値）における５行（この５行の各行が部分行列Ｄの最初の５列に相当）の数値を１列毎（この１列毎の数値が部分行列Ｄの最初の５列毎の行位置に相当）に読み出し、表１における部分行列Ｄ用の数値座標hi-j(数値）の１行分の読み出しを１セットとする。そして、図９に示すように、第１のサイクル数に相当するＱ１＝５ビット分の右シフトと、第２のサイクル数に相当するＱ２＝１５１分の下方シフトを３６０回繰り返すことで、３６０×５＝１８００ビット（列）相当の検査行列Ｈにおける部分行列Ｄの１の位置を指定することが可能となる。また、部分行列Ｄの行数は３６０×Ｑ２＝５４３６０であり、部分行列Ｄのサイズは、行方向が１８００ビット、列方向が５４３６０ビットとなる。

つまり、表１に示す部分行列Ｄにおける検査行列初期値テーブルと、検査行列Ｈにおける列番号の関係を以下に示す。
検査行列初期値テーブル３７行目の数値は、検査行列Ｈにおける１２９６１列目（即ち、部分行列Ｄの１列目）の１の最初の位置（サイクル数Ｑ１，Ｑ２で繰り返す最初の検査行列Ｈにおける行位置）が記載されている。
検査行列初期値テーブル３８行目の数値は、検査行列Ｈにおける１２９６２列目（即ち、部分行列Ｄの２列目）の１の最初の位置（サイクル数Ｑ１，Ｑ２で繰り返す最初の検査行列Ｈにおける行位置）が記載されている。
検査行列初期値テーブル３９行目の数値は、検査行列Ｈにおける１２９６３列目（即ち、部分行列Ｄの３列目）の１の最初の位置（サイクル数Ｑ１，Ｑ２で繰り返す最初の検査行列Ｈにおける行位置）が記載されている。
検査行列初期値テーブル４０行目の数値は、検査行列Ｈにおける１２９６４列目（即ち、部分行列Ｄの４列目）の１の最初の位置（サイクル数Ｑ１，Ｑ２で繰り返す最初の検査行列Ｈにおける行位置）が記載されている。
検査行列初期値テーブル４１行目の数値は、検査行列Ｈにおける１２９６５列目（即ち、部分行列Ｄの５列目）の１の最初の位置（サイクル数Ｑ１，Ｑ２で繰り返す最初の検査行列Ｈにおける行位置）が記載されている。

そして、図９において、検査行列初期値テーブル３７行目から読み出された数値は、Ｑ１＝５ビット毎に、Ｑ２＝１５１シフトされる。この操作を３６０回繰り返すことで、合計３６０列分、部分行列Ｄにおける１の位置が確定される。同様に、検査行列初期値テーブル３８行目から読み出された数値も、同じく、Ｑ１＝５ビット毎に、Ｑ２＝１５１シフトされ、合計３６０列分、部分行列Ｄにおける１の位置が確定される。以後、３９，４０，４１行目においても同じ処理を繰り返すことで、３６０列×５セット＝１８００ビット相当の部分行列Ｄにおける１の位置が確定される。よって、部分行列Ｄのサイズは、行方向が１８００ビット、列方向が５４３６０ビットとなる。このように、Ｑ１毎にＱ２シフトするパリティインターリーブを適用した部分行列Ｄを検査行列Ｈに含めることで、この部分行列Ｄに対し上位に連接する部分行列Ｂとの間で発生するサイクル４の発生を回避し、ＬＤＰＣ符号の復号性能を向上することが可能となる。つまり、ＬＤＰＣ符号における伝送特性劣化の要因の１つとしてエラーフロアの発生があり、このエラーフロアの発生要因としては検査行列Ｈに含まれる１の配置が例えばサイクル４の形状配置を多数持つとエラーフロアが発生する可能性が高くなることが分かっている。そこで、この問題を解決する手段として、部分行列Ｄを含む検査行列Ｈとしている。

以上の処理により求められたＬＤＰＣ符号化率３／１６における部分行列Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｉ、Ｏの集合行列である検査行列Ｈを用いて、パリティ検査方程式（３）により、ＬＤＰＣパリティを算出する。尚、符号化率３／１６の場合、情報ビット長は１２９６０ビットであることから、パリティ検査方程式においては、検査行列Ｈの１行目から１８００行目までは、ＬＤＧＭ構造に基づくパリティ計算が適用され、１８０１行目から５６１６０行目までは、対角構造に基づくパリティ計算が適用される。

Ｈ・Ｃ^Ｔ＝０ （３）

本実施例の符号化器（ＬＤＰＣ符号化部１１４）は６９１２０ビットを基本単位としており、また、６９１２０は１，２，３，４，５，６，８，１０，１１，１２，１５，１６等の値で割り切れる値である。よって本実施例の符号化器は、図１に示す送信装置１の機能ブロックとして適用した場合、非常に多様な変調多値数を用いることが可能であり、例えば、ＢＰＳＫ（π／２シフトＢＰＳＫ）、ＱＰＳＫ、８ＰＳＫ、１６ＡＰＳＫ（１６ＱＡＭ）、３２ＡＰＳＫ（３２ＱＡＭ）、６４ＱＡＭ、２５６ＱＡＭ、１０２４ＱＡＭ等、非常に多様な多値変調方式に対応可能である。よって、本実施例の送信装置１により非常に柔軟な変調方式及び符号化率を組み合わせた信号送信が可能となる。尚、ＬＤＰＣ符号化に用いた検査行列のための検査行列初期値テーブルは、補助情報として送信装置１から受信装置２に送信することができ、或いはまた、受信装置２により予め保持させてもよい。或いは、送信装置１から受信装置２に検査行列自体を送信することができ、又は、検査行列自体を受信装置２により予め保持させてもよい。

続いて、本実施例のＬＤＰＣ符号化率３／１６における復号器（ＬＤＰＣ復号部２１２）の処理過程について説明する。

（ＬＤＰＣ符号化率３／１６における復号器の処理過程）
本実施例の復号器（ＬＤＰＣ復号部２１２）は、部分行列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｉ，Ｏにより６個の領域に分割された検査行列Ｈを用いて、ＬＤＰＣ符号の復号処理を行う。以下の説明では簡単のため、変調方式はＢＰＳＫとする。

本実施例の復号器（ＬＤＰＣ復号部２１２）は、まず、送信シンボルｘ_ｎ及び受信シンボルｙ_ｎに基づいて対数尤度比λ_ｎ（ｎ＝１〜６９１２０）を算出する。対数尤度比λ_ｎとは送るビット０と１の確からしさの比の自然対数であり、送信シンボルｘ_ｎ及び受信シンボルｙ_ｎを用いて式（４）で表される。

λ_ｎ＝ ｌｎ｛Ｐ（ｙ_ｎ｜ｘ_ｎ＝０）／Ｐ（ｙ_ｎ｜ｘ_ｎ＝１）｝ （４）

式（４）により取得した対数尤度比、及び上述の符号化率３／１６に相当する検査行列Ｈ（図４に相当）を用いて、sum−product復号法等によるＬＤＰＣ復号法を行う。反復復号回数は任意の値とする。また、ＬＤＰＣ復号においてはsum−product復号法以外にもmin−sum復号法等、多様な手段が提案されているが、検査行列を用いた尤度比を最大化する様々な手法を本発明に係るＬＤＰＣ復号に適用可能である。

図１０は、検査行列初期値テーブル（表１）によるＬＤＰＣ符号化率３／１６についてＱＰＳＫ変調におけるＣ／Ｎ対ＢＥＲ特性（計算機シミュレーション）を示している。尚、図１０は、非特許文献２（ＡＲＩＢ ＳＴＤ−Ｂ４４）に基づくＢＣＨ符号（訂正能力１２ビット）による誤り訂正後の結果であり、復号アルゴリズムは、sum−product復号法（例えば、非特許文献１参照）を利用した。sum−product復号法の復号反復回数は５０回である。図１１に、符号化率３／１６におけるシャノン限界Ｃ／Ｎと、図１０から取得したＢＥＲ＝１×１０^−７点におけるＣ／Ｎの比較結果を示す。図１１より、本検査行列に基づく符号化器、復号器、送信装置１及び受信装置２を適用することで、シャノン限界に迫る復号性能が得られることがわかる。従って、表１に基づく検査行列Ｈの採用により、現行の地上デジタル放送では困難であったシャノン限界に対し１ｄＢ未満となる好ましい伝送性能が得られるようになる。

上述した実施例に関して、符号化器及び復号器、並びに送信装置１及び受信装置２として機能するコンピュータを構成し、符号化器及び復号器、並びに送信装置１及び受信装置２の各手段を機能させるためのプログラムを好適に用いることができる。具体的には、各手段を制御するための制御部をコンピュータ内の中央演算処理装置（ＣＰＵ）で構成でき、且つ、各手段を動作させるのに必要となるプログラムを適宜記憶する記憶部を少なくとも１つのメモリで構成させることができる。即ち、そのようなコンピュータに、ＣＰＵによって該プログラムを実行させることにより、上述した各手段の有する機能を実現させることができる。更に、各手段の有する機能を実現させるためのプログラムを、前述の記憶部（メモリ）の所定の領域に格納させることができる。そのような記憶部は、装置内部のＲＡＭ又はＲＯＭなどで構成させることができ、或いは又、外部記憶装置（例えば、ハードディスク）で構成させることもできる。また、そのようなプログラムは、コンピュータで利用されるＯＳ上のソフトウェア（ＲＯＭ又は外部記憶装置に格納される）の一部で構成させることができる。更に、そのようなコンピュータに、各手段として機能させるためのプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録することができる。また、上述した各手段をハードウェア又はソフトウェアの一部として構成させ、各々を組み合わせて実現させることもできる。

上述の実施例については代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換することができることは当業者に明らかである。例えば、ＬＤＰＣ符号化と組み合わされる場合の他の誤り訂正符号化として、ＢＣＨ符号化以外に、リードソロモン符号化などのブロック符号化のみならず、畳込み符号化であってもよく、又は他のＬＤＰＣ符号化を組み合わせても良い。従って、本発明は、上述の実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲によってのみ制限される。

本発明による符号化器及び復号器、並びに送信装置及び受信装置は、各種伝送方式においてＬＤＰＣ符号の符号長が異なる場合において、複数種類のデジタル変調方式を時分割多重する伝送システムにおいて有用である。

１ 送信装置
１１ 主信号処理部
１１１ 伝送フレーム生成部
１１２ エネルギー拡散部
１１３ ＢＣＨ符号化部
１１４ ＬＤＰＣ符号化部
１１５ 変調部
１２ ＴＭＣＣ生成部
２ 受信装置
２１ 主信号処理部
２１１ 復調部
２１２ ＬＤＰＣ復号部
２１３ ＢＣＨ復号部
２１４ エネルギー逆拡散部
２２ ＴＭＣＣ復調・復号部

Claims (4)

1. 符号化率毎に固有の検査行列を用いてデジタルデータをＬＤＰＣ符号化する符号化器であって、
   ６９１２０ビットからなる符号長で符号化率毎に予め定めた検査行列初期値テーブルを初期値として、符号化率３／１６に応じた情報長に対応する部分行列の１の要素を、列方向に複数種類のサイクル数で周期的に配置して構成した部分行列を含む検査行列を用いてＬＤＰＣ符号化を行う手段を備え、
   前記符号化率３／１６の検査行列初期値テーブルに基づく検査行列は、前記部分行列として、第１のサイクル数で周期的に１の要素を列方向に配置する第１の部分行列と、前記第１のサイクル数とは異なる第２のサイクル数で周期的に１の要素を列方向に配置する第２の部分行列と、前記第１のサイクル数毎に行方向へシフトし前記第２のサイクル数で周期的に１の要素を列方向に配置することでパリティインターリーブを施した第３の部分行列と、を含み、
   前記第１の部分行列を部分行列Ａ、前記第２の部分行列を部分行列Ｃ、及び前記第３の部分行列を部分行列Ｄとしたときの初期値を示す前記符号化率３／１６の検査行列初期値テーブルは、
   

   

   

   からなることを特徴とする符号化器。
2. 請求項１に記載の符号化器で符号化したデータを、前記検査行列に基づいてＬＤＰＣ復号することを特徴とする復号器。
3. 請求項１に記載の符号化器を備えることを特徴とする送信装置。
4. 請求項２に記載の復号器を備えることを特徴とする受信装置。

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