JPH06204898A

JPH06204898A - 誤り訂正符号化復号化方法

Info

Publication number: JPH06204898A
Application number: JP5001591A
Authority: JP
Inventors: 卓 ▲高▼島; Taku Takashima; Yoshiaki Asakawa; 吉章淺川; Hidetoshi Sekine; 英敏関根; Makoto Onishi; 誠大西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1993-01-08
Filing date: 1993-01-08
Publication date: 1994-07-22

Abstract

(57)【要約】【目的】バースト的にデータを伝送する通信システム
で、誤り検出記号が付加された畳み込み符号を適用した
場合の終結ビットの付加による実効符号化率の低下を防
止する。【構成】畳み込みされる情報系列のうち誤り検出符号化
されたものを最終状態を決定する最後の(K-k)個の位置
に配置して符号化して終結ビットを省略して伝送し、復
号器６３で最尤状態及びそれに準ずる状態から誤りが検
出されない状態を選択して復号する。【効果】誤り検出を付加した情報系列を畳み込み符号化
することにより情報の信頼度は向上するが、実効符号化
率は低下する。本発明を用いることにより、実効符号化
率の低下を抑えて情報の信頼度を向上させることが可能
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誤り訂正方法に係わ
り、特にバースト伝送を行う通信システムに適用する誤
り検出を付加した畳み込み符号と最尤復号を用いた誤り
訂正符号化復号化方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、データ転送の信頼性を高めるた
め、伝送途中で生ずる伝送データの誤りを訂正する誤り
訂正技術が多方面で良く用いられている。特に畳み込み
符号を用いて符号化し、ヴィタビ復号により最尤復号す
る方法は、誤り訂正能力が大きく各方面に適用されてい
る。更に、復号データ中に誤りが存在する場合の影響が
深刻なものとなることが予想される場合、畳み込み符号
化されるデータにＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）
による誤り検出を付加するということも行われる。本発
明の説明の準備として、４次の生成多項式によるＣＲＣ
と、符号化率1/2、拘束長k=3の畳み込み符号を例にとっ
てヴィタビ復号の原理を説明しておく。４次のＣＲＣの
生成多項式は

【０００３】

【数１】

【０００４】で表される。

【数１】のＣＲＣ符号器は図１の様に構成される。図１
において1,2,3,4は遅延素子で、5,6,7は排他的論理和ゲ
ートである。情報ビットX(x)が入力される度に符号器の
状態が遷移し、生成多項式による除算が行われる。最終
的に、全情報ビットの入力が終了した時点で生じる剰余
を検査記号として情報ビットに付加して情報系列とす
る。図3-bの情報系列は、図中の情報ビットをＣＲＣ符
号化器に入力して得られた検査ビットを付加したもので
ある。受信側では、復号系列を生成多項式で除算し、剰
余が生じなければ誤りが存在しないと判断される（この
ことを以後、CRCが成立する、と呼ぶことにする）。

【０００５】符号化率R=1/2、拘束長k=3の畳み込み符号
の生成多項式は

【０００６】

【数２】

【０００７】で表される。数２でDは単位時間の遅延を
表し、加算は排他的論理和で行われる。xは情報ビット
である。数２の畳み込み符号器は図２の様に構成され
る。図２において21,22は遅延素子で、2ビットのシフト
レジスタを構成している。23,24,25は排他的論理和ゲー
トである。シフトレジスタの記憶内容 l,mの2ビットに
よって、符号器の動作状態が表される。情報ビットxが
シフトレジスタに入力される度に、符号器の状態が遷移
し、かつ送信符号として（g0,g1）の２ビットが送出さ
れる。伝送路において、これに誤り系列が加わり、受信
系列となる。復号器では、この受信系列から符号器の遷
移状態を推定し、最も確からしい（最尤）状態遷移を選
んで、これから情報系列を推定する。

【０００８】ヴィタビ復号器の動作原理を図３を用いて
更に詳細に説明する。図３-bはトレリス線図と言われる
もので、状態遷移の時間的変化を表現したものである。
時刻tmとtm+1の間での遷移は図３-aの様に表される。こ
こで、遷移の枝に表記したx/g0,g1は、符号器がその遷
移をしたときの情報ビットxと、出力する符号系（g0,g
1）の値を示している。例えば、状態10から情報ビット0
が入力されると、符号系列11を出力して、状態00に遷移
する。今、情報ビット系列xとして、1,1,0,0,1,0,1,1,
0,1,0,"0,0"がシフトレジスタに順次入力されるとす
る。シフトレジスタの初期値は"0,0"とし、また情報ビ
ット系列の最後にシフトレジスタをクリヤする為の終結
ビット"0,0"を付加してある。図2を参照して符号系列を
求めると、11,10,10,…の様になる。この状態遷移に対
するパスを図3-bの太い実線で示す。受信側では、この
符号系列に伝送路における誤り系列が加わった受信系列
11,00,10,…が受信される。復号器では受信系列を参照
して、符号器が取りうる全ての状態遷移を追跡し、符号
器の状態遷移を推定する。

【０００９】ここで状態遷移の確からしさを数量的に表
す為、尤度を定義する。すなわち、受信系列r0,r1と
（候補）符号系列とのハミング距離をその枝の尤度とす
る。例えば受信系列が01であるとき各符号系列の（枝）
尤度は、

【００１０】

【表１】

【００１１】の様に与えられる。状態尤度は遷移間の枝
尤度を積算したものである。

【００１２】各状態に至る枝は2本ずつあるので、遷移
の度に尤度の小さい（確からしい）枝が選ばれる。図３
-bでは、選択された枝を実線で、捨てられた枝を破線で
表してある。また状態を示す白丸の脇につけた数字は各
時点での状態尤度を表す。例えば、時点4の状態00に
は、時点3の状態00及び状態10から遷移してくるが、各
々の状態尤度は3,0となり、尤度の小さい状態10からの
遷移が選ばれ、時点4での状態00の尤度は、0となる。こ
うして最終的に選ばれた枝の連なり（生き残りパス）
が、ヴィタビ復号器が最尤推定した符号系列である。

【００１３】CRCによる誤り検出を付加したヴィタビ復
号器の構成を図4に示す。図4で、41は枝尤度計算回路、
42は加算比較選択回路、43は状態尤度メモリ、44はパス
メモリ、45は最尤判定回路である。46はＣＲＣ入力多項
式生成回路、47は生成多項式による除算回路である。

【００１４】枝尤度計算回路41は表1に示した方法によ
り、受信信号から状態遷移の確からしさ（枝尤度）を求
める。加算比較選択回路42は状態尤度メモリ43に記憶さ
れている直前状態の状態尤度に、枝尤度を加算して、新
しい状態尤度を求め、1つの状態に至る複数の状態遷移
の状態尤度を比較し、その中から最大の尤度を持つ遷移
を選択して、選択された遷移の状態尤度を新しい状態尤
度として状態メモリ43を更新する。また同時に選択され
た遷移の情報J(i)（状態j=J(i)から状態iに遷移したこ
とを表す）をパスメモリ44に送る。パスメモリ44は、こ
の遷移情報あるいは、遷移した状態番号を系列的に記憶
しておき、最尤判定部45で、最終時点で選択されて残っ
た状態遷移から復号結果を得る。ＣＲＣ入力多項式生成
回路46では、復号結果のなかでＣＲＣによる誤り検出が
かけられているビットを送信側でのＣＲＣ符号化器への
入力順と同じ順序に並べ換え、生成多項式による除算回
路47に送る。生成多項式による除算回路では、ＣＲＣ入
力多項式を生成多項式で除算して剰余を検査し、復号結
果中ＣＲＣによる誤り検出を付加されているビットの誤
りに関する情報を得る。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で述べた
ＣＲＣ誤り検出付加の畳み込み符号-ヴィタビ復号方法
を、バースト的に情報を伝送する通信システムの誤り訂
正符号化復号化方法として用いると、バースト毎に符号
器のシフトレジスタをクリヤする為の終結ビットを付加
して伝送しなければならない。符号化率をk/nとする
と、終結ビットは拘束長Kに対してK-kビット必要とな
る。CRCの次数をmとし、情報ビットがMビットとする
と、バースト当たりの送信符号ビット長はn{(M+m)+(K-
k)}/kであり、実効的な符号化率はkM/[n{(M+m)+(K-k)}]
となって、畳み込み符号の符号化率k/nより低くなる。
すなわち、バースト長Mが小さく、拘束長Kが大きく、CR
Cの次数が大きいほど実効的な符号化率の低下は著し
い。バースト長は伝送システムに依存するものであり変
更できないため、実効符号化率を上げるには、拘束長K
を小さくするか、もとの符号の符号化率を上げるか、CR
Cの次数を低くする必要がある。拘束長を小さくする
と、畳み込み符号の訂正能力は下がる傾向にあり、符号
化率を上げるには、puncture符号を用いる等の方法があ
るが、構成が複雑になり、訂正能力の若干の低下が避け
られなかった。またCRCの次数を下げると、誤りの検出
能力が低下する。

【００１６】本発明の目的は、バースト伝送する通信シ
ステムにおいて、誤り検出を付加した畳み込み符号を用
いて誤り訂正を行う際に、終結ビットによる実効符号化
率の低下を防止できる誤り訂正符号化復号化方法を提供
することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、畳み込み符号化される情報系列にCRCによる誤り検
出が付加されていることを利用して、送信符号の削減を
図る。図3を用いてこれを説明する。図3のトレリス線図
を見ると、最終的なパスの決定には、時点 t=11での状
態が指定されればよいことが分かる。畳み込み符号器の
構成から、時点t=11の状態は、シフトレジスタに記憶さ
れるビット列を表すものであり、 t=10,11の情報系列に
よって決定されるのは明らかである。よって、終結ビッ
トを付加しなくともt=10,11の情報系列を正しく推定す
ることができれば、復号できることが分かる。図3-b に
示した送信符号のうち、終結ビットによる符号系列4bit
を除いた場合のトレリス線図を図5に示す。終結ビット
を用いない場合、図5のt=11の状態のように状態10,11の
２状態が最尤状態となる場合もあり、最尤復号を行った
場合、終端状態近傍の誤り率が増大する傾向にある。し
かし、図5の情報系列のように、t=10,11の情報系列にCR
Cによる誤り検出が付加されている場合には、複数の最
尤状態パスのうち、CRCが成立する復号系列の状態を選
択することで、正しい状態を推定することが可能とな
る。これは、CRCによる誤り検出の付加で生じた冗長度
の一部を、終結ビットを省いた場合の最終状態の推定に
用いているためと考えられる。

【００１８】上記のCRC付加による冗長度を利用して終
結ビットを省略するためには、以下のような条件が必要
となる。まず、CRC符号化されたビットが最終状態を決
定できる(K-k)ビット、最低でも存在しなければならな
い。また、初期のシフトレジスタ状態と、最終状態を決
定するための情報系列がCRC符号化されたビットとなる
ようなビット配置を、前もって送受信間で決めておく必
要がある。符号化率R=k/n、拘束長Kの畳み込み符号を用
いて、m次のCRCによる誤り検出をM 個のバースト情報記
号の一部もしくは全体に付加して符号化する場合、従来
の方法では、(K-k)個の終結ビットを付加してR=k/nの符
号化を行うので、n{(M+m)+(K-k)}/k個のバースト符号と
なるが、このうち、終結ビットによる符号n(K-k)/k個を
除いたn(M+m)/k個の符号ビットを送信する。受信側で
は、最尤もしくはそれに準ずる状態に至るパスから復号
される系列から、送信側と同じCRC 入力多項式を生成し
てCRCの成立を検査し、最終状態を推定する。ここで、
最尤もしくはそれに準ずる状態に限定してCRCの成立を
検査するのは、CRCの誤成立を防ぐためである。こうし
て、送信符号系列のビット数を26から22に削減すること
ができる。この場合、実効符号化率は従来の7/26に対し
て7/22となる。

【００１９】

【作用】以上説明したように、本発明の誤り訂正符号化
復号化方法の採用により、従来のCRCによる誤り検出を
付加する畳み込み符号において、終結ビットを加えるこ
とに起因する実効符号化率の低下を抑えることができ
る。符号化率R=k/n、拘束長K の畳み込み符号を用い
て、m次のCRCをによる誤り検出をM 個のバースト情報記
号の一部もしくは全体に付加して符号化する場合、実効
符号化率Reは、

【００２０】

【数3】

【００２１】とすることが可能となる。数3と従来の方
法による実効符号化率kM/[n{(M+m)+(K-k)}]を比較する
とわかるように、この方法は、バースト長Mが小さく、
拘束長Kが大きく符号化率R=k/nが小さいほうが効果が大
きくなる。

【００２２】畳み込み符号は情報記号をその前後K-1個
の情報記号と畳み込んで符号化し、その情報量を前後に
分散して伝送する方法と考えられるが、情報記号の最初
と最後のビットはその前後に初期状態ビット、終結ビッ
トを持ち、他のビットよりも冗長度が大きい。また、CR
Cによる誤り検出を付加した情報記号を畳み込み符号化
する場合には、誤り検出を付加された情報記号は、大き
な冗長度を持つことになる。終結ビットを削減すること
で減少した情報記号の最後のビットの冗長性をCRCによ
る誤り検出による冗長性で補うのが本発明の方法と言え
る。そのため、情報系列の最初のビットに関しては従来
の方法と同じく他のビットよりも冗長度の高いビットと
なり、より重要なビットをこの位置に配することで、誤
りによる影響を軽減することが期待できる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を用いて本発明の実施例を説明す
る。図6は、図1に示す４次のCRC生成多項式によるCRC符
号器、図2に示す符号化率R=1/2、拘束長K=3の畳み込み
符号器と、図４のヴィタビ復号器を用いる、誤り訂正符
号復号方法に本発明を適用した実施例である。図6にお
いて、60はCRC 符号化器及び畳み込み符号器、61は信号
伝送路、62は伝送路で誤り系列が加算される機能を図示
した加算器、64は各最終状態に至るパスによる復号系列
からCRC入力多項式を生成する回路、65は64で生成され
たCRC入力多項式を検査する回路、66は最尤もしくはそ
れに準ずる状態のなかからCRCが成立する状態を選択し
その状態に至るパスによる復号系列を出力する回路であ
る。41〜44は図4中のヴィタビ復号器の構成要素と同様
の機能を有するものであり、同一番号を付けてある。62
の加算器は、実際にものとして存在するのではなく、伝
送路において送信信号に雑音が加わり、その結果誤りが
発生する過程を模式的に図示したものである。また、事
前情報67は、符号器のシフトレジスタの初期状態、情報
ビットのうちCRC符号化されるビットの畳み込み符号で
の配置の情報からなる。

【００２４】符号器60では、まず情報ビットのうち、CR
Cによる誤り検出を付加するビットを、CRC符号化器に順
次入力して検査ビットを生成する。畳み込み符号化器で
は、初期状態にシフトレジスタをセットし、CRC符号化
されたビットが最終状態を決定するビットとなるような
配置順で情報系列が入力されて符号系列を出力し、伝送
路に送出する。図5で説明した例に従えば、7ビットの情
報ビットからCRCによる検査ビット4ビットを求めたの
ち、畳み込み符号器の初期状態を"0,0" として、情報ビ
ットと検査ビットを合計11ビット入力する。こうして得
られた22ビットの符号系列を送出する。

【００２５】復号器では、事前情報67を用いて、パスメ
モリを初期化する。その後受信系列をヴィタビ復号して
最終状態に達したならば、各最終状態に至るパスから推
定される復号系列と、事前情報を用いてCRC符号語を構
成する。そして、最尤もしくはそれに準ずる状態に対し
てCRC成立を検査し、成立する状態を選択して復号出力
を行う。最終状態を決定するビットがCRC符号化されて
いるため、複数の状態で最尤もしくはそれに準ずる状態
となっていてもCRCが成立する状態を選択することで高
い確度で正しく復号することが可能となる。この、CRC
成立検査による状態推定の過程において、CRCが成立す
る状態が存在しない場合、及び複数の状態で成立する場
合は、正しい復号ができないと見なし、誤り情報を出力
する。

【００２６】こうして、本発明による誤り訂正方法によ
り、CRC誤り検出付加畳み込み符号化において、終結ビ
ットを省くことによる実効符号化率の改善と、その時の
誤り率を改善できる。図5で説明した例に従えばバース
ト長は11であり、実効符号化率は従来の7/26に対し、7/
22となる。

【００２７】CRC誤り検出を付加する畳み込み符号が用
いられる代表的な例に、低ビットレートの音声符号化に
よる無線通信等の誤り訂正が挙げられる。低ビットレー
トの音声符号化では、符号化されたビットの誤り感度に
大きな偏在が存在する。そのため、誤りが存在すると聴
覚上の劣化が著しいビットにCRCによる誤り検出を付加
して、畳み込み符号化を行うという方法がとられてい
る。そこで、本発明の他の実施例として、低ビットレー
トの音声符号化による通信に適用した場合を説明する。

【００２８】この場合の符号器復号器の構成を図示した
のが図7である。図中、701は音声符号器から出力される
重要な符号ビットの経路、702はその中でも聴覚的に最
重要なビットの経路、703は重要度の低いビットの経路
である。また、71は7ビットCRC符号器、72はレート1/2
の畳み込み符号器、73は重要な符号ビットの畳み込み符
号系列と非重要ビットとを多重化してインタリーブをか
けて伝送路に送りだすインタリーブ回路、74は事前情
報、75は伝送路、76は誤り系列加算回路、78はデインタ
リーブ回路、791は重要ビットの復号出力経路、792は聴
覚上最重要なビットに関する誤り情報伝送経路、そし
て、793は重要度の低いビットの経路である。また、77
は図6と同様の構成の本方法の復号器である。

【００２９】音声符号器からの符号ビットは、まず、重
要なビットと重要度の低いビットに分けられる。重要度
の低いビットは経路703で誤り訂正の符号化を受けずに
インタリーブ回路73に送られる。重要ビットは更に聴覚
的に最重要なビットとそれ以外のものに分けられる。聴
覚的に最重要なビットは経路702にそってCRC符号化器71
に送られ、誤り検出符号化される。そして、その他の重
要な符号ビットと共に畳み込み符号器に入力される。こ
の畳み込み符号器において、CRC符号化された最重要な
ビットは畳み込み符号の最終状態決定の為のビット位置
に一部配置する。また、本発明による方法では、畳み込
み符号の最初の部分の冗長度は高い状態に保たれてお
り、最終状態決定ビット以外の最重要ビットを畳み込み
符号の最初の部分に配置することで最重要ビットに対す
る誤り率を改善することも可能となる。このようにして
符号化された重要な符号ビットの符号系列はインタリー
ブ回路に送られ、703を経由して送られた非重要ビット
と共に伝送路75に送出される。

【００３０】伝送路で誤り系列が付加された後、伝送系
列は、デインタリーブ回路78に送られる。ここで、再び
重要なビットの符号系列と、非重要ビットに分離され、
非重要ビットはそのまま、経路793を経由して音声復号
器に入力される。重要なビットは、ヴィタビ復号と、最
尤及びそれに準ずる状態に対するCRC成立検査によって
最終状態を推定して復号し、経路791より音声復号器に
入力する。この過程で、最尤及びそれに準ずる状態に対
してCRCが成立しなかった場合は、聴覚的に最重要なビ
ットに誤りが存在するものとして誤り情報を経路792よ
り音声復号器に入力する。この方法を用いることによ
り、従来の方法よりも多くのビットを保護することが可
能となり、誤り時の音質劣化が抑さえられた。

【００３１】以上本発明を、R=1/2,K=3の畳み込み符号
にm=4のCRC誤り検出を付加した場合と、音声符号器に適
用した場合について説明した。本発明は、これらの場合
以外でも、誤り訂正だけでなく、検出を必要とする場合
には有効な方法である。

【００３２】

【発明の効果】本発明によれば、バースト的にデータを
伝送する通信システムにおいて、CRC等による誤り検出
を付加した畳み込み符号による誤り訂正符号化復号化方
法を採用した場合の終結ビットによる実効符号化率の低
下を抑え、かつ、誤り率の劣化を抑制することができ
る。誤り検出を付加した畳み込み符号では、一般に情報
ビットの信頼度は向上するが、訂正、及び誤り検出が可
能な情報ビット数が少なくなってしまう。これに対し、
本発明は、多くのビットの信頼度向上をもたらす効果を
持つ。本発明では、CRC符号化されたビットが最終状態
を決定するビット数(K-k)ビット必要となるが、実際にC
RCによる誤り検出を付加して畳み込み符号を行う際にこ
れ以下のビット数しかCRC符号化されないことはまずな
いためほとんど制約とはならない。処理的には、CRC成
立検査を行う部分が若干増加するが、極くわずかなもの
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】CRC符号器の構成図である。

【図２】畳み込み符号器の構成図である。

【図３】図２の畳み込み符号器の動作を表すトレリス線
図である。

【図４】ヴィタビ復号器とCRC誤り検出器の構成ブロッ
ク図である。

【図５】本発明の原理を示すトレリス線図である。

【図６】本発明の１実施例の構成図である。

【図７】本発明の第２の実施例の構成図である。

【符号の説明】

1〜4,21,22…遅延素子、5〜7,23〜25 …排他的論理和ゲ
ート、41…枝尤度計算回路、42…加算比較選択回路、43
…状態尤度メモリ、44…パスメモリ、45…最尤判定回
路、46,64…CRC入力多項式生成回路、47,65…CRC生成多
項式による除算回路、60…CRC符号器及び畳み込み符号
器、61,75…信号伝送路、67,74…事前情報、63,77…復
号器、66…最終状態推定回路、701〜703,791〜793…経
路、71…CRC符号化器、72…畳み込み符号化器、73…イ
ンタリーブ回路、78…デインタリーブ回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大西誠東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】k個の情報記号をn個の符号記号に符号化す
る符号化率R=k/n、拘束長Kの畳み込み符号をヴィタビ復
号器によって最尤復号する誤り訂正符号化復号化方法に
おいて、M個のバースト情報系列にm個の誤り検出検査記
号を付加した(M+m)個のバースト情報系列に終結情報を
付加せずにn(M+m)/k個の符号系列に符号化し送出するこ
とを特徴とする誤り訂正符号化復号化方法。
【請求項２】特許請求の範囲請求項１記載の誤り訂正符
号化復号化方法において、前記誤り検出検査記号を用い
て、前記バースト符号系列の終端状態を推定し、前記バ
ースト符号系列から、バースト情報系列を復号すること
を特徴とする誤り訂正符号化復号化方法。
【請求項３】特許請求の範囲請求項２記載の誤り訂正符
号化復号化方法において、前記誤り検出検査記号誤成立
を回避するために、該誤り検出検査記号による終端状態
推定に制限を加えることを特徴とする誤り訂正符号化復
号化方法。