JPH07307684A

JPH07307684A - 符号化スペクトル拡散通信方式

Info

Publication number: JPH07307684A
Application number: JP6097567A
Authority: JP
Inventors: Harumi Okaji; 晴美小梶; Hiroki Uchiyama; 博喜内山
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1994-05-11
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 1995-11-21

Abstract

(57)【要約】【目的】伝送信号における拡散符号系列の位相を入力
情報信号に基づいて変化させる多値のスペクトル拡散通
信方式において、情報信号系列と振幅値の割り当てに際
し、符号化を導入することで誤り率を低下させる。【構成】送信側では、情報ビット列d(t)がＱビット毎
に直並列変換器１により直並列変換された後、符号化率
Ｑ／（Ｑ＋Ｑ´）の畳込み符号器２に入力される。畳込
み符号器２からの出力Ｑ＋Ｑ'ビットのビットパターン
に応じて、２の（Ｑ＋Ｑ´）乗個の位相から一つを選択
し、疑似雑音信号発生器４で生成した疑似雑音信号の位
相を遅延回路を用いて選択した位相分だけずらして伝送
する。受信側では受信系列に最も近い伝送系列を選び出
す最尤復号を行なう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、符号化スペクトル拡散
通信方式に関し、より詳細には、冗長ビットを拡散符号
の位相の選択に用い、符号化による情報伝送速度の低下
を招かないようにした符号化スペクトル拡散通信方式に
関する。例えば、無線ＬＡＮ(Local Area Network)に適
用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のスペクトル拡散通信方式について
記載した公知文献としては、例えば、特開平４−２７３
６３２号公報がある。この公報のものは、伝送信号にお
ける拡散符号系列の位相を入力情報に基づいて変化させ
ることで、周波数利用効率の改善を図ったものである。
また、特開平４−１２０８２７号公報のものは、拡散信
号の位相を情報信号で直接変調し、簡単な回路構成で同
期復調可能としたものである。また、特開平４−１３７
８３５号公報のものは、Ｍ＋Ｌ−１＋ｊのスロット
（Ｌ:拡散信号の周期，ｊ:ｊ≧０）よりなるフレームに
おいて、拡散信号の挿入スロット位置を送信すべきＭ値
の情報信号に対応させ、拡散信号を伝送するものであ
る。

【０００３】さらに、特開平６−６１９７２号公報のも
のは、スペクトル拡散通信を用いた符号分割多元接続
（ＣＤＭＡ）セルラ移動無線通信システムに関するもの
で、簡単なハードウェアで誤り訂正能力とセル当りの同
時接続数の増加を実現するために、移動局と各基地局と
がスペクトル拡散された４次元以上の多次元トレリス符
号化変調信号によって通信するものである。

【０００４】スペクトル拡散通信方式を用いたディジタ
ル信号伝送において、情報伝送速度を向上させるため
に、伝送信号における拡散符号系列の位相を入力情報信
号Ｑビットのビットパターンに基づいて変化させる方式
が提案されている。これはＱビットのビットパターンに
応じて２のＱ乗値の位相を割り当て拡散信号の位相をシ
フトして伝送するもので、同じ伝送レートでＱ倍の情報
ビットが送信できる。復調は、受信した拡散信号の位相
シフト量と逆拡散信号の位相のシフト量が一致した時相
関値出力が最大になることを用いる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
符号化スペクトル拡散通信方式においては、通信路にお
ける雑音の影響や、他の拡散信号との符号間干渉などに
より相関出力が非希望の位相で最大値をとる場合には、
復号誤りを受けることになる。この復号誤りを軽減する
ために情報信号に誤り訂正符号化を施し、誤り訂正符号
を用いることで同じ誤り率を得るためのＳ／Ｎを、符号
化なしの場合に比べて改善する方式がある。Ｓ／Ｎの改
善度は符号化利得と呼ばれ、誤り訂正符号を用いること
で符号化利得を得ることができる。しかし、伝送レート
が一定の場合には情報伝送速度の低下を招くという問題
点があった。また、前述した特開平６−６１９７２号公
報に記載のものは、従来のスペクトル拡散通信の１次変
調にトレリス符号化変調方式を用いたもので、従来通
り、１次変調と２次変調とが必要になる。しかしなが
ら、本発明においては、情報信号にトレリス符号化を施
し、その出力で拡散信号の位相を直接変調するので、１
次変調，２次変調に相当する部分が１つですむことにな
る。

【０００６】本発明は、このような実情に鑑みてなされ
たもので、伝送信号における拡散符号系列の位相を入力
情報信号に基づいて変化させるスペクトル拡散通信方式
において、情報信号の所定ビット毎に冗長ビットを付加
し、付加された全ビットのビットパターンに応じて複数
個の位相から一つを選択し、選択した位相分だけ位相を
ずらした拡散信号を伝送するようにした符号化スペクト
ル拡散通信方式を提供することを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、（１）伝送信号における拡散符号系列の
位相を入力情報に基づいて変化させ、多値情報を伝送す
る多値スペクトル拡散通信方式において、送信側で情報
信号の所定ビット毎に冗長ビットを付加し、付加された
全ビットのビットパターンに応じて複数個の位相から一
つを選択し、拡散信号の位相を選択した位相分だけシフ
トし、前記拡散信号を伝送し、受信側では受信系列に最
も近い伝送系列を選び出す最尤復号法を用いて復号する
こと、更には、（２）情報信号の所定ビット毎に冗長ビ
ットを付加する付加手段がトレリス符号化アルゴリズム
を用いること、更には、（３）前記（１）又は（２）に
おいて、前記最尤復号法がヴィタビアルゴリズムである
こと、更には、（４）前記（１）,（２）又は（３）に
おいて、前記付加された全ビットのビットパターンに応
じて複数個の位相から一つを選択する場合、全ビットの
ビットパターンと複数個の位相の割り当てが集合分割法
を用いること、更には、（５）前記（３）において、送
信側と同じ拡散信号を発生する拡散信号発生手段と、該
拡散信号発生手段により生成した逆拡散信号の位相を送
信側で設定した位相分シフトするシフト手段と、該シフ
ト手段より生成した複数個の逆拡散信号と受信信号との
相関値を求める演算手段とを有し、該演算手段により得
られた相関値を尤度の評価値として用い、該尤度の最も
大きい符号語に最尤復号すること、更には、（６）前記
（１）において、前記拡散符号系列がマンチェスタ化符
号系列であることを特徴としたものである。

【０００８】

【作用】前記構成を有する本発明の符号化スペクトル拡
散通信方式は、スペクトル拡散通信方式を用いたディジ
タル信号伝送するに際し、情報伝送速度を向上させるた
めに、伝送信号における拡散符号系列の位相を入力情報
信号Ｑビットと冗長ビットＱ′のビットパターンに基づ
いて変化させるスペクトル拡散通信方式であり、Ｑ＋
Ｑ′ビットのビットパターンに応じて２の(Ｑ＋Ｑ´）
乗個の位相を割り当てることにより、符号化なしの場合
に対して符号化利得を得ることができる。

【０００９】

【実施例】本発明の実施例を説明する前に、本発明に係
る最尤復号法（maximum likelihood decoding）につい
てその概要を説明する。周波数分割により、無線通信路
（radio channel）を割り当てる場合には、なるべく多
くのチャネル数を一定帯域内に確保したいため、必要帯
域幅を極力挟帯域にしたいが、誤り訂正符号（error-co
rrecting code）を採用すると、伝送しようとする情報
に余分の冗長性を付加することになるため、帯域増加を
もたらす。しかしながら、スペクトル拡散システムにお
いては、情報変調とスペクトル拡散変調の帯域比を大き
くとることが、処理利得（process gain）を大きくする
ので、情報変調波の挟帯域化が必要とされている。スペ
クトル拡散システムでは、拡散した帯域幅を一定とした
ままで、情報変調信号の所要帯域幅を自由に操作できる
ため、誤り訂正符号の導入により、情報変調信号の帯域
拡張と交換に符号化利得を得、同一の誤り率を更に低い
ＳＮ比で実現できる。

【００１０】誤り訂正符号には、大きく分けて、ブロッ
ク符号（block code）と畳込み符号（convolutional co
de）とがある。ｎビットで構成される符号語（code wor
d）があり、その構成ビットのうち、ｋビットが情報
で、残りの（ｎ−ｋ）ビットがその符号語だけの誤り検
出や訂正のための検査ビット（check bit）である場合
をブロック符号という。

【００１１】畳込み符号には組織畳込み符号（systemat
ic convolutional code）と非組織畳込み符号（nonsyst
ematic convolutional code）がある。組織畳込み符号
は、ブロック符号と同様に、情報ビットと誤り訂正用に
付加されたビットが識別できるものである。すなわち、
符号器に入力される情報ビットと、符号器から出力され
る符号語（code word）とに同じものがある。一方、非
組織畳込み符号は、情報ビットが符号語の中に明確に示
されないので、情報ビットはそのまま出力されることは
ない。

【００１２】畳込み符号の符号器への入力と出力の表現
法には、入力ビットと出力ビットの関係を一欄表の形と
まとめた樹枝状符号（tree-code）表現がある。また、
この他に格子状表現（trellis diagram；トレリスダイ
ヤグラム）がある。この格子状表現は、樹枝状符号表現
と異なり、符号器の入出力の軌跡を該符号器を構成する
シフトレジスタの状態間を結ぶ線で表現したものであ
る。

【００１３】畳込み符号の復号化に際しては、受信デー
タの判定を行う。この判定には硬判定（hard decisio
n）と軟判定（soft decision）がある。硬判定の場合
は、例えば、検波出力レベルが０より大きい１と、０よ
り小さい０との２つの量子化レベルで判定する。軟判定
は、硬判定の欠点を補うもので、検波出力レベルを複数
レベルで量子化し、それぞれのレベルに応じて確からし
さの重みづけをして、判定結果を復号器へ出力するもの
である。

【００１４】受信データの硬判定の結果、あるレベルの
state（例えば、シフトレジスタの最初の２ビット分格
納された内容）では、２つの入力パス（path）があると
すると、受信データと各パスで得られるデータとの間の
ハミング距離を計算し、その計算結果からハミング距離
の短い方のpathを生き残り（survivor）pathとして残
す。このようにして、各レベルの各stateにおけるハミ
ング距離を求めて生き残りpathを求める。

【００１５】この距離をパスmetric（メトリック）とい
い、このパスmetricを比較して最もそれらしい（ハミン
グ距離の近い）パス上のデータを送信データと判定す
る。この復号アルゴリズムは、最尤復号法（maximum li
kelihood decoding）と呼ばれ、また、このアルゴリズ
ムを考えた人名からViterbi(ヴィタビ)アルゴリズムと
呼ばれる。以上のことは、「スペクトル拡散通信システ
ム」（横山光雄著，科学技術出版社，昭63年5日20日発
行，pp.165〜170，213〜222）に記載されている。

【００１６】なお、前述のものは、ハミング距離の計算
について説明してあるが、本発明においては、送信側で
は信号間の距離がハミング距離でなく、ユークリッド距
離を最大にするような符号化変調方式を用いており、受
信側では、受信した系列をユークリッド距離が最も近い
信号のパスにヴィタビ復号することで実現している。な
お、畳込み符号及び集合分割法については、「符号理論
入門」（岩重好裕著，昭晃堂発行，1992，pp.135〜19
8）に記載されている。

【００１７】実施例について、図面を参照して以下に説
明する。図１は、本発明による符号化スペクトル拡散通
信方式の一実施例を説明するための構成図で、図中、１
は直並列変換器、２はトレリス（trellis）符号化器、
３は位相変調器、４は疑似雑音信号発生器、５は尤度計
算部、６は最尤復号器である。

【００１８】送信側では、情報ビット列d(t)が直並列変
換器１によりＱビット毎に直並列変換された後、符号化
率Ｑ／（Ｑ＋Ｑ´）の畳込み符号器（convolutional en
coder）２に入力される。畳込み符号器２からの出力Ｑ
＋Ｑ′ビットのビットパターンに応じて、２の(Ｑ＋Ｑ
´）乗個の位相から一つを選択し、疑似雑音信号発生器
４で生成した疑似雑音信号の位相を遅延回路を用いて選
択した位相分だけずらして伝送する。符号化器には、例
えば、トレリス符号化器を用いる。

【００１９】図２は、トレリス符号化器の構成図の一例
で、図中、７はトレリス符号化器、７ａ，７ｂはシフト
レジスタである。トレリス符号化器７は、符号化率が２
／３で、２ビットの情報ビット列(a1,a2)に対して１ビ
ットの冗長ビットa3が付加される。３ビットの符号器出
力(a1,a2,a3)のビットパターンより２³値の位相から一
つを選択する。ビットパターンと位相のマッピングの例
を表１に示す。表１で、Ｌは疑似雑音信号の周期、Δは
チップ長である。

【００２０】

【表１】

【００２１】このようにして変調されたスペクトル拡散
信号s(t)を、最尤復号（maximum likelihood decodin
g）により復号する。尤度の評価値としては、受信信号s
(t)と送信側で設定した位相分だけシフトした２の(Ｑ＋
Ｑ´）乗個の逆拡散信号との相関値などを用いる。最尤
復号としてヴィダビ（Viterbi）アルゴリズムを用いた
場合、符号化利得Ｇは符号化距離Ｄ'と符号化しない場
合の距離ＤよりＧ＝２０ｌｏｇＤ´／Ｄ［ｄＢ］ …（１）で表される。ここで符号化距離Ｄ'は、トレリス線図（t
rellis diagram；格子状表現）においてある状態から出
発し、同じ状態に合流するパスの距離のうち最も小さい
距離である。

【００２２】図３は、図２のトレリス符号化器に対する
トレリス線図である。〇はシフトレジスタの内部状態を
表し、状態間を結ぶ線は信号(a1,a2,a3)を表している。
以下、(a1,a2,a3)をそのビットパターンに応じて０〜７
(0:(a1,a2,a3)=(0,0,0),1:(0,0,1),2:(0,1,0),3:(0,1,
1),4:(1,0,0),5:(1,0,1),6:(1,1,0),7:(1,1,1))を用い
て表すことにする。図２に示した畳込み符号器を用い、
最尤復号としてヴィタビアルゴリズムを用いた場合の符
号化距離は、(0)と(4)、(1)と(5)、(2)と(6)、(3)と(7)
間の距離となる。表１のようにマッピングした時、符号
化距離Ｄ'はＤ´＝（１／２）ＬΔ、符号化をしない場
合の距離ＤがＤ＝（１／４）ＬΔより、Ｇ＝２０ｌｏｇ(Ｄ´／Ｄ)＝２０ｌｏｇ２＝６［ｄＢ］ …（２）の符号化利得を得る。表１は集合分割法に基づきマッピ
ングした例である。

【００２３】集合分割法は、例えば、８相位相変調の信
号点をいくつかの部分集合に継続的に分割していき、そ
の各々の部分集合に含まれる信号点間の最小距離が、単
調に増大するようにすることであり、これを集合分割に
よるマッピング（mapping byset partitioning）とい
う。

【００２４】請求項１では拡散符号系列の位相を入力情
報信号に基づいて変化させるスペクトル拡散通信方式に
おいて、情報信号Ｑビットに符号化を施して冗長ビット
Ｑ′を付加し、このＱ＋Ｑ′ビットの位相を選択するた
めに用い、Ｑ＋Ｑ′ビットのビットパターンに応じて２
の(Ｑ＋Ｑ´）乗値の位相から一つを選択し、その位相
分だけずらした拡散信号を伝送し、最尤復号するスペク
トル拡散通信方式について述べたものである。

【００２５】符号化器として請求項２に述べたように、
例えば、図２に示したトレリス符号化器を用い、この符
号化出力Ｑ＋Ｑ′ビットと位相のマッピングを、例えば
表１のように請求項４に述べた集合分割法に従って行な
い、最尤復号として請求項３に述べたヴィタビアルゴリ
ズムを用いた場合に符号化利得を得ることが出来る。

【００２６】すなわち、図２に示した符号化器を用い、
この符号化出力Ｑ＋Ｑ′ビットと位相のマッピングを、
例えば表１のように行ない、最尤復号した場合には、式
（２）のような符号化利得を得ることが出来る。本発明
では冗長ビットは拡散符号の位相の選択に用いるため、
符号化による情報伝送速度の低下はない。

【００２７】請求項５は、最尤復号における尤度の評価
値として、受信信号s（ｔ）と送信側で設定した位相分
だけシフトした２の(Ｑ＋Ｑ´）乗個の逆拡散信号との
相関値を用いたものについて述べた。図４に請求項５の
実施例の構成図を示す。図中、１１₁〜１１ｎは相関
器、１２₁〜１２ｎは遅延素子、１３はＡＣＳ（Add,Com
pare,Select）回路、１４はパスメモリ、１５は最尤判
定部で、その他、図１と同じ作用をする部分は同一の符
号を付してある。

【００２８】ＡＣＳ回路１３は、畳込み符号の各状態の
生き残りパスの１タイムスロット前のパスメトリック値
と受信畳込み符号から、受信した時点の各状態の生き残
りのパスとそのパスメトリック値を、加算、比較、選択
といった機能により計算するものである。パスメモリ１
４は、前記ＡＣＳ回路１３の演算結果に基づき、生き残
りパスを更新、記憶する回路である。最尤判定部１５
は、各状態の生き残りパス系列の中から最も尤度の高い
系列を判定し、その生き残りパスの最初に入力されたビ
ートを復号出力として選択する回路である。

【００２９】受信信号は相関器にて、受信信号と同期の
とれたＱ＋Ｑ′個の逆拡散信号との相関値が計算され
る。Ｑ＋Ｑ′個の逆拡散信号は、送信側で用いた疑似雑
音信号と同じ逆拡散信号発生器で生成した逆拡散信号を
Ｑ＋Ｑ′個の遅延回路に入力し生成する。ここでＱ＋
Ｑ′個の位相は送信側で用いた位相と一致していなけれ
ばならない。また受信信号と逆拡散信号は同期している
必要があるが、同期の獲得には、例えば４相位相変調方
式を用いる。図１の送信部のs(t)をＩ軸に、同期信号を
Ｑ軸にしてＱＰＳＫ（Quadriphase-shift Keying）変調
して伝送信号を出力し、受信部においてＩ、Ｑをそれぞ
れＱＰＳＫ復調器で復調し、Ｑ軸信号を同期検出器に入
力し同期タイミングを得る。

【００３０】図４は、また最尤復号としてヴィタビアル
ゴリズムを用いる場合の最尤復号器の実施例を示した図
である。受信信号とＱ＋Ｑ′個の逆拡散信号との相関値
を枝メトリック（metric）とし、枝メトリックの総和
（パスメトリック）を尤度の評価値とする。該尤度は、
相関値が大きいほど高い。ＡＣＳ回路１３にてパスメト
リックの計算、尤度の比較、生き残り（survivor）パス
の選択を行なう。パスメモリ１４はＡＣＳ回路１３の演
算結果に従い、生き残りパスを更新、記憶する回路であ
った。最尤判定部１５は、各状態の生き残りパス系列の
中から最も尤度の高いパス系列を判定し、その生き残り
パスに対応する情報系列を復号結果とする。

【００３１】請求項６は、拡散符号系列としてマンチェ
スタ化符号系列を用いたものについて述べた。図５
（ａ）,（ｂ）は、拡散信号としてＮＲＺ型符号系列
（図５(a)）とマンチェスタ化符号系列（図５(b)）を用
いた場合の自己相関特性を示す図である。両者を比べる
と、図５（ｂ）に示すマンチェスタ化符号系列の方が相
関特性が急峻である。相関出力が最低値をとるのは、Ｎ
ＲＺ型符号系列では位相差Δのとき、マンチェスタ化符
号では位相差Δ／２の時である。本発明は、送信側で拡
散信号の位相を情報信号と符号器出力のビットパターン
に基づいて変化させるため、同じ伝送レートでは取り得
る位相の数が多いほど伝送できる情報量が多い。

【００３２】したがって、取り得る位相の数が多い拡散
符号が望まれる。取り得る位相の数はその相関特性に依
存し、最大出力から最低出力までの位相差が短いほど多
く取ることができる。また位相差がゼロ以外での相関出
力ができるだけ小さいものが望ましい。従って、同一の
クロック周波数の時、マンチェスタ化符号系列を用いた
場合には、ＮＲＺ型符号系列を用いた場合に比べて位相
の種類を多く設定できるため、情報伝送速度の向上が可
能となる。

【００３３】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下のような効果がある。（１）請求項１に対応する効果：スペクトル拡散通信方
式を用いたディジタル信号伝送に際し、情報伝送速度を
向上させるために、伝送信号における拡散符号系列の位
相を入力情報信号に基づいて変化させるスペクトル拡散
通信方式において、情報信号Ｑビット毎に符号化するこ
とにより冗長ビットＱ′を施し、Ｑ＋Ｑ′ビットのビッ
トパターンに応じて２の(Ｑ＋Ｑ´）乗個の位相を割り
当てることにより、符号化なしの場合に対して符号化利
得を得ることができる。（２）請求項２に対応する効果：情報信号Ｑビット毎に
冗長ビットＱ′を付加する付加手段に、トレリス符号化
アルゴリズムを用いることで符号化利得を得ることがで
きる。（３）請求項３に対応する効果：復号アルゴリズムにヴ
ィタビアルゴリズムを用いることで符号化利得を得るこ
とができる。（４）請求項４に対応する効果：Ｑ＋Ｑ′ビットのビッ
トパターンと２の(Ｑ＋Ｑ´）乗個の位相を割り当にお
いて、符号化利得を得ることができる割り当て方式を提
供することができる。（５）請求項５に対応する効果：請求項１の復調方式を
提供することができる。（６）請求項６に対応する効果：拡散符号系列としてマ
ンチェスタ化符号系列を用いた場合は、ＮＲＺ型符号系
列を用いた場合に比べて位相の種類を多く設定できるた
め、情報伝送速度の向上が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による符号化スペクトル拡散通信方式
の一実施例を説明するための構成図である。

【図２】図１におけるトレリス符号化器の構成図であ
る。

【図３】図２のトレリス符号化器に対するトレリス線
図である。

【図４】本発明による符号化スペクトル拡散通信方式
の他の実施例の構成図である。

【図５】本発明におけるＮＲＺ型符号系列とマンチェ
スタ化符号化系列を示す図である。

【符号の説明】

１…直並列変換器、２…トレリス符号化器、３…位相変
調器、４…疑似雑音信号発生器、５…尤度計算部、６…
最尤復号器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】伝送信号における拡散符号系列の位相を
入力情報に基づいて変化させ、多値情報を伝送する多値
スペクトル拡散通信方式において、送信側で情報信号の
所定ビット毎に冗長ビットを付加し、付加された全ビッ
トのビットパターンに応じて複数個の位相から一つを選
択し、拡散信号の位相を選択した位相分だけシフトし、
前記拡散信号を伝送し、受信側では受信系列に最も近い
伝送系列を選び出す最尤復号法を用いて復号することを
特徴とする符号化スペクトル拡散通信方式。
【請求項２】情報信号の所定ビット毎に冗長ビットを
付加する付加手段がトレリス符号化アルゴリズムを用い
ることを特徴とする請求項１記載の符号化スペクトル拡
散通信方式。
【請求項３】前記最尤復号法がヴィタビアルゴリズム
であることを特徴する請求項１又は２記載の符号化スペ
クトル拡散通信方式。
【請求項４】前記付加された全ビットのビットパター
ンに応じて複数個の位相から一つを選択する場合、全ビ
ットのビットパターンと複数個の位相の割り当てが集合
分割法を用いることを特徴とする請求項１、２又は３記
載の符号化スペクトル拡散通信方式。
【請求項５】送信側と同じ拡散信号を発生する拡散信
号発生手段と、該拡散信号発生手段により生成した逆拡
散信号の位相を送信側で設定した位相分シフトするシフ
ト手段と、該シフト手段より生成した複数個の逆拡散信
号と受信信号との相関値を求める演算手段とを有し、該
演算手段により得られた相関値を尤度の評価値として用
い、該尤度の最も大きい符号語に最尤復号することを特
徴とする請求項３記載の符号化スペクトル拡散通信方
式。
【請求項６】前記拡散符号系列がマンチェスタ化符号
系列であることを特徴とする請求項１記載の符号化スペ
クトル拡散通信方式。