JPH0744529B2 - フレ−ム同期制御方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 本発明は多次元的に符号化及び復号化を行うモデムにお
いて、フレーム同期ずれが生じた場合には受信部の最尤
復号化手段の内部状態がランダムになることを利用して
フレーム同期ずれを検知し送信部へトレーニング信号を
送信させて最初からフレームの同期を取り直すようにし
ているのでフレーム同期ずれを容易に発見して直ちにフ
レームの同期を取ることができる。

〔産業上の利用分野〕

本発部はフレーム同期制御方式に係り、特に所定の変調
単位数を含むフレーム単位毎に送信部で符号化を行い、
受信部で復号化を行う際のフレーム同期制御方式に関す
る。

〔技術の背景〕

既存の電話回線を用いてデータを伝送するためのモデム
（変復調装置）の開発は年々高速化の方向にある。高速
データ伝送では伝送路における符号間干渉、位相ジッ
タ、位相ヒットなどの劣化要因の影響が支配的であり、
これらの劣化要因にどう対処するかが大きな問題であ
る。

信頼性の向上や、より高速のデータ伝送を行うためには
自動等化器等の各種の信号処理技術に加え誤り訂正符号
の採用が有効である。

誤り訂正符号には復号の形式から分けてBCH符号に代表
されるブロック符号と畳み込み符号に代表される木符号
がある。一般に記憶のない通信路、すなわち伝送路での
誤りがランダム性の場合には木符号がブロック符号より
簡単な構成で高い誤り訂正能力を得ることができる。本
モデムでは畳み込み符号に最尤復号法の一種であるヴィ
タビ復号法を組み合わせて誤り訂正を行っている。

最尤復号法とは一定長の受信信号系列に対して存在し得
る全ての送信信号系列の中から最も近い系列を選び出し
て、この信号系列を実際に送信された信号系列とみなし
て出力を行うものである。

この誤り訂正方式をモデムによるデータ伝送に適用した
場合のシステムは送信側で畳み込み符号化器により畳み
込み符号化し、受信側でヴィタビ復号化器により復号化
するものである。ここで畳み込み符号化器としては例え
ば第２図がある。この符号化器は符号化率Ｒ（入力情報
データ長と出力符号長との比）が1/2拘束長Ｋ（情報デ
ータが出力符号に影響を与える段数でありシフトレジス
タの長さに等しい）は３である。この符号化器は２つの
１シンボル分の遅延回路Ｔ及び３つの加算器から構成さ
れている。この符号化器の内部はr₁,r₂の値により４種
類の状態が存在する。状態遷移は格子状表現で書くと第
３図のようになる。これは図の左から右に時間が推移し
ていく場合の状態遷移を示したものである。

ヴィタビ復号アルゴリズムは第３図に示す各時点におい
て存在可能な状態遷移の中から受信符号系列に最も近い
遷移を見出すことにより送信符号の推定を行うものであ
る。

次に具体的な復号の動作を説明する。第３図において時
刻ｎに復号化器は受信信号に付加された受信符号R_nを入
力したとする。時刻ｎにおいて起り得る遷移は、各内部
状態に対応する各ノード（α，β，γ，δ）において２
本、合計８本の遷移が考えられる。そこで各ノードはR_n
が入力された時、２つの遷移のパスメトリックを計算
し、値の小さい方の遷移パスを選択する。そして選択し
たパスのパスメトリックを改めてそのノードのパスメト
リックとする。パスメトリックとは、各時点で各ノード
に入力される枝に対応する符号と実際の受信符号との距
離（ブランチメトリック）の和分であり、そのパスと受
信符号系列との距離を表すものである。ブランチメトリ
ックとしては、扱う符号間の距離を最も良く反映する評
価値を用いる。例えばQAM信号に対してはユークリッド
距離をブランチメトリックとしている。パスメトリック
は前回計算した各ノードのパスメトリックに今回計算し
たブランチメトリックを加算することにより求められ
る。このようにして各ノードでパスを一本選択し、パス
メトリックを求めた後、今回選択した枝に対応する出力
符号（受信信号に対応しうる信号点データ）をパスメモ
リと呼ばれるところにノード毎に記憶しておく。次に各
ノードのパスメトリックを比較し、最小のメトリック値
を有するノードが選択したパスを最尤パスとする。この
最尤パスを打ち切り段数Ｔだけさかのぼっった枝に対応
する符号（選択したノードのパスメモリのＴ段前の内
容）を復号出力とする。

打ち切り段数Ｔは長ければ長い程、訂正能力が高くなる
が、通常、拘束長の４〜５倍あれば十分とされている。

〔従来の技術〕

19.2kps程度の伝送速度のモデムにおいては必要なS/N特
性を得るため、第５図及び第６図に示すように数シンボ
ルを含むフレーム単位毎に符号化及び復号化を行う多次
元符号化復号化方式によるエラー訂正符号を用いざるを
得ない。これはそうでないと特性が悪くて製品化するこ
とができないからである。

従来、このような多次元符号化復号化方式を採用した場
合のフレーム同期を取る方式として第９図に示すように
１つおきのフレーム単位に90度のローテーションをかけ
て符号変換し、信号点配置平面上（位相平面上）の信号
点の位置を変換して送信し、受信側では第８図に示すよ
うに受信信号をA/D変換器11によりディジタル変換した
後に受信ディジタル処理部12によりディジタル処理し、
逆符号化手段26により符号変換したフレーム単位に対し
て−90度のローテーションをかけて符号逆変換し、第７
図に示すようなフレーム同期ずれが生じた場合にはデー
タがでたらめになることを利用してランダム検出手段34
によりフレーム同期ずれを検出する方式があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところで、19.2kbpsの音声帯域回線用モデムでは伝送速
度を落して使用する場合（フォール・バックという）、
特に4800bpsで伝送を行う場合に従来の方式により１つ
おきにフレーム単位毎に90度ローテーションをかけて符
号変換を施し、受信側で−90度ローテーションをかけて
符号逆変換を施してフレームずれが生じた場合にランダ
ム化させてフレーム同期ずれを検出しようとしてもデー
タがランダム化せず十分にフレーム同期ずれを検出する
ことができないという問題点を有していた。これは4800
bpsの伝送速度では信号点は信号点配置面上で４つにす
ぎず、フレーム同期ずれによって生じる距離の相違は伝
送速度がより早い場合に比較して大きく変化せず、受信
データに一定の規則性が生じてランダムにならないから
である。

そこで、本発明は以上の問題点を解決するためになされ
たものであり、フレーム同期ずれを確実に検出すること
ができるフレーム同期制御方式を提供することを目的と
してなされたものである。

〔問題点を解決するための手段〕

以上の問題点を解決するため本発明は第１図に示すよう
に、所定の変調単位数を含むフレーム単位毎に送信部１
で符号化を行い、受信部２で復号化を行うフレーム同期
制御方式において、受信部２で最尤復号化を行う最尤復
号化手段３と、当該最尤復号化手段３の所定の内部状態
について前記符号化により付加されるべき規則性が破壊
されていることを検出する不規則性検出手段４と、当該
手段４により規則性の破壊が検出された場合には送信部
１へ相手方へのトレーニング信号の送信を指示するトレ
ーニング指示手段５とを有するものである。

また、本発明の実施態様としては、本発明について、前
記最尤復号化手段は、ノード毎にパスメトリック及び対
応する信号点データが、最尤送信データ系列を略確定す
るのに必要な打ち切り段数格納された内部パスメモリを
有し、前記不規則性検出手段は、前記内部パスメモリの
所定段にパスメトリックの大きさの順に保持されている
内部状態に対応する最大及び最小のパスメトリックを順
次読み出す最大最小パスメトリック順次読出し手段と、
最大パスメトリックと最小パスメトリックとの差を演算
する最大最小パスメトリック差演算手段と、最大最小パ
スメトリック差演算手段により演算された差と予め設定
された基準値とを比較して差が基準値よりも小さい場合
には最尤復号化手段の内部状態が不規則であると判断し
不規則検出信号を出力する比較手段とを有するものであ
る。

〔作用〕

本発明は例えば二重通信方式で、相手側で多次元符号化
された送信データを回線を介して伝送し、受信部２でデ
ィジタル処理された後最尤復号化手段３により多次元復
号化し受信データを出力する。その際、受信信号は相手
方送信部により符号化されているため、最尤復号化手段
３が復号化を行う際の所定の内部状態には特有の規則性
が現れる。しかし、フレーム同期ずれが生じた場合に
は、当該規則性は破壊され内部状態は不規則なものとな
る。すると、不規則性検出手段４は当該規則性の破壊を
内部状態についての所定の演算または変換等を行うこと
により検出し、不規則性検出信号をトレーニング指示手
段５に出力する。

トレーニング指示手段５は当該不規則性検出信号がある
と送信部１に相手方にトレーニング信号を伝送するよう
に指示する。

また、送信部１にトレーニング指示手段５によりトレー
ニングの指示をさせるのは、本発明ではデータ伝送中に
フレーム同期を取るため何らかの情報を常に伝送する方
式を前提とするものではなく、データ伝送状態での再同
期合わせは不可能な場合を想定しているからである。

〔実施例〕

次に本発明に係る実施例について説明する。

第４図に本実施例に係るフレーム同期方式を示す。

本実施例では二重通信方式を採用しており、受信部10と
送信部40とから主として構成されている。

受信部10は相手方の送信部から回線を介して伝送された
アナログ信号をディジタル信号に変換するA/D変換器11
と、受信信号について所定のディジタル処理を行う受信
ディジタル処理部12と、多次元の復号化を行うヴィタビ
復号化手段13と、１フレームおきに送信側で符号変換さ
れたフレーム単位について逆符号変換を施す逆符号化手
段26と、逆符号化された信号がランダムであることを検
出するランダム検出手段34と、不規則性検出手段27、論
理和回路31及びトレーニング指示手段33を有するととも
にその他受信部10の制御を行う受信制御部32とから構成
されている。

さらに、送信部40は送信制御を行う送信制御部41と、送
信データについて多次元的に符号化を行うトレリス符号
器42と、送信データのディジタル処理を行う送信ディジ
タル処理部43と、ディジタル信号をアナログ変換するD/
A変換器44とから構成されている。

最尤復号化手段３としてのヴィタビ復号化手段13は最尤
送信データ推定手段14と、内部パスメモリ24と、Ｔ段保
持信号点データ読出し手段25とを有する。

最尤送信データ推定手段14はマイクロ・コンピュータ及
びプログラムから構成され、詳しくは受信ディジタル処
理部12内で判定された信号点データ及び受信信号に基づ
いて第３図に示すように状態を表示するノード及び遷移
を表示する枝（ブランチ）から形成される本構造におい
て可能な状態遷移をテーブル等を用いて特定する可能状
態遷特定手段16と、各ノードに入力する枝毎にブランチ
メトリックの演算を行うブランチメトリック演算手段17
と、ノード毎にその中の最小のブランチメトリック及び
当該ブランチメトリックに対応する枝の信号点データを
判別するノード毎最小ブランチメトリック判別手段18
と、当該ブランチメトリック及び入力直前に得られたノ
ード毎のパスメトリックに基づいてノード毎にパスメト
リックの演算を行うノード毎パスメトリック演算手段19
と、順次内部パスメモリ24に保持されている入力直前に
得られたパスメトリックを読み出すノード毎パスメトリ
ック順次読出し手段20と、ノード毎に得られたパスメト
リック値を相互に比較するパスメトリック値相互比較手
段22と、当該パスメトリックの大きさの順序に基づいて
パスメトリックを順次並べ換える順次ノード並べ換え手
段23と、当該順序に従ってノード毎にパスメトリック及
び対応する信号点データを内部パスメモリ24の１段目に
順次書き込むノード毎パスメトリック順次書込み手段21
とから構成されている。ここで信号点データとは例えば
信号点配置面上の信号点の位置を表す当該面上のXY座標
をいう。

内部パスメモリ24は最尤送信データ系列推定手段７が最
尤送信データ系列を略確定するのに必要な前記特定入力
回数個に相当する打ち切り段数Ｔ段のバッファメモリか
ら成り、各段には受信信号の入力毎にパスメトリックの
大きさの順序に並べられた各ノード毎のパスメトリック
及びそれに対応する信号点データが保持されている。最
新の受信信号の入力があると、１段目に新たに対応する
パスメトリック等が保持され順次新たな受信信号の入力
がある毎に２段目以降に移動していくものである。尚、
パスメモリ24に保持されているデータは必ずしも実際に
移動するものでなくても仮想的に移動するものであって
も良い。

Ｔ段保持信号点データ読出し手段25は最新に入力した受
信信号があった場合に最尤送信データ系列推定手段14に
より最尤送信データ系列であると推定されたパスメトリ
ック、すなわち最小パスメトリックの系列に対応するも
ののうちでＴ段に保持されている信号点データを受信信
号として読み出して出力するものである。

一方、不規則性検出手段27は内部パスメモリ24の所定
段、例えば最終段のバッファメモリにノード毎にパスメ
トリックの大きさの順に保持されている内部状態として
の最大及び最小のパスメトリックを順次読み出す最大最
小パスメトリック順次読出し手段28、最大パスメトリッ
クと最小パスメトリックとの差を演算する最大最小パス
メトリック差演算手段29及び当該手段29により演算され
た差と予め設定された基準値とを比較して差が基準値よ
りも小さい場合にはヴィタビ復号化手段13の内部状態が
不規則であると判断し不規則検出信号を出力する比較手
段30とを有している。

不規則性検出手段27は、本実施例で使用している符号化
復号化方式によると最大のパスメトリックと最小のパス
メトリックとはフレーム同期ずれが生じない場合には所
定値以上の差が生じるべきであるがフレーム同期ずれが
生じた場合には規則性が破壊され最大と最小との間に所
定値以上の差が生じないことになることを利用して不規
則性を検出するものである。

論理和回路31は比較手段30からの不規則検出信号（1,
0）とランダム検出手段34からのランダム検出信号（1,
0）との論理和をとるものである。

不規則性検出手段27、論理和回路31及びトレーニング指
示手段33は受信制御部32で使用されるマイクロ・コンピ
ュータ及びそのソフトウェアにより構成されている。

また、内部パスメモリ24の段数Ｔとしては拘束長の５倍
程度であれば適当とされている。８次元ヴィタビ復号手
段の場合には４シンボル毎に16段、計64シンボル分が保
持されている。

本実施例は次のように作動する。

畳み込み符号が付加され回線を介して伝送されアナログ
信号はA/D変換器11によりディジタル化されて受信ディ
ジタル処理部12により受信信号に加えられた位相ジッタ
等の除去及び信号点配置面上の信号点との判定がなされ
最尤復号化手段３としてのヴィタビ復号化手段13に送出
される。こうして得られた信号点データと、受信信号は
ヴィタビ復号化手段13の最尤送信データ系列推定手段14
に送出される。最尤送信データ系列推定手段14の可能状
態遷移特定手段16は受信信号及び信号点データに基づい
て可能な状態遷移を特定する。すなわち、時刻ｎで可能
状態遷移特定手段16に入力した受信信号に対してその属
するサブセット（サブセットとは信号点を同一のサブセ
ットに属する信号点の距離が大きくなるようにグループ
分けしたものである。これによってヴィタビ復号器で推
定したサブセットに属する信号点の中で最も受信シンボ
ルに近い信号点が実際の送信シンボルであるような確率
を高くすることができる。）、判定された信号点の属す
るサブセット、時刻ｎ−１の受信信号から定まる規則性
等により、当該受信信号に対してその受信信号が対応す
る可能性のある受信信号の近隣にある信号点データを枝
に付随する出力符号とするような状態遷移を特定する。

枝毎のブランチメトリック演算手段17は状態を表す各ノ
ードに入力する枝に附随する出力信号としての信号点デ
ータと受信信号とのユークリッド距離を意味するブラン
チメトリックの演算を行う。こうして得られた枝毎のブ
ランチメトリックを比較することによりノード毎最小ブ
ランチメトリック判別手段18はノード毎に最小のブラン
チメトリックを判別し、対応する信号点データを得る。
すると、ノード毎パスメトリック演算手段19はノード毎
に前記判別手段18により得られた最小ブランチメトリッ
クと、ノード毎パスメトリック順次読出し手段20が内部
パスメモリ24から読み出した今回の受信信号よりも１つ
前に得られて１段目の内部パスメモリ24に保持されてい
るノード毎のパスメトリックとを加えることにより最新
の受信信号入力時点のノード毎のパスメトリックを得
る。こうして得られたノード毎のパスメトリックはパス
メモリ値相互比較手段22により相互に比較され、順次ノ
ード並べ換え手段23はパスメトリックの大きさの順序に
従ってノード毎のパスメトリックを並べ換え、ノード毎
パスメモリ順次書込み手段21は当該順序に従って当該パ
スメトリック及び対応する信号点データを各ノード毎に
内部パスメモリ24の１段目に保持する。

すると内部パスメモリ24の１段目に保持されていた前回
入力した受信信号に対応するノード毎のパスメモリ等は
２段目に移動し順次２段目に保持されていたものは３段
目に移動し、同様にして他段についても移動させ、Ｔ段
目に保持されていた内容のうち最新の受信信号の入力の
際に最尤送信データ系列推定手段14のパスメトリック値
相互比較手段22により最小のパスメトリックと推定され
た系列のノードのうちＴ段の所定位置に保持されている
当該パスメトリックに対応する信号点データがＴ段保持
信号点データ読出し手段25により読み出されて受信デー
タとして出力される。

もし、フレーム同期ずれが生じた場合には符号化された
受信信号は当該符号化による規則性が破壊されるため、
ヴィタビ復号化手段13により復号化を行うと各ノード毎
の最小のブランチメトリック及びブランチメトリックか
ら得られる内部パスメモリ24の各段に保持されているノ
ード毎のパスメトリック同士の間の差異がほとんどなく
なりパスメトリックが均一化される。したがって、最大
最小パスメトリック読出し手段28により所定段に保持さ
れている最大及び最小のパスメトリックを読み出し、最
大最小パスメトリック差演算手段29により差を求め、フ
レーム同期ずれが生じた場合に出現する値を予め設定し
ておき当該値と前記差とを比較検出し、当該値よりも差
が小さい場合にはフレーム同期ずれが生じたものとして
不規則検出信号を出力する。

一方、従来と同様に逆符号化手段26により受信信号を逆
符号化したあとランダム検出手段34により受信データが
ランダム化されていることを検出してランダム検出信号
が出力された場合にも当該信号と前記信号との論理和を
論理和回路31で取ることによりトレーニング指示をトレ
ーニング指示手段33に行う。

トレーニング指示手段33によるトレーニング指示がある
と送信部40の送信制御部41は当該指示に基づいて送信デ
ータの符号化を行うトレリス符号器42を制御してトレー
ニング信号を出力させ送信ディジタル部43によりディジ
タル処理されD/A変換器44によりアナログ信号に変換さ
れて回線を介して相手方に伝送される。

トレーニング指示信号があるとこによりフレームの同期
合わせを再びやり直すことになる。

本実施例では従来のフレーム同期ずれの検出手段とヴィ
タビ復号化手段の内部状態の不規則性を検出する不規則
性検出手段とを組合わせているためフレーム同期ずれの
検出の精度を一層高めている。

〔発明の効果〕

本発明によるとフレーム同期ずれが生じた場合には最尤
復号化手段の内部状態の規則性が確実に破壊され、しか
も容易に検出することができることを利用して、その規
則性の破壊を検出して確実にフレーム同期ずれを発見し
て直ちにフレーム同期ずれに対処することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理ブロック図、第２図は畳み込み符
号化器の一例を示す図、第３図は格子状表現による状態
遷移図、第４図は本実施例を示すブロック図、第５図は
多次元符号化方式を示す図、第６図は８次元ベクトルを
示す図、第７図はフレーム同期ずれを示す図、第８図は
従来例に係るブロック図、第９図は従来例に係るフレー
ム同期制御方式を示す図である。 １……送信部 ２……受信部 ３……最尤復号化手段 4,27……不規則性検出手段 5,33……トレーニング指示手段

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】所定の変調単位数を含むフレーム単位毎に
   送信部（１）で符号化を行い、受信部（２）で復号化を
   行うフレーム同期制御方式において、 受信部（２）で最尤復号化を行う最尤復号化手段（３）
   と、 当該最尤復号化手段（３）の所定の内部状態について前
   記符号化により付加されるべき規則性が破壊されている
   ことを検出する不規則性検出手段（４）と、 当該手段（４）により規則性の破壊が検出された場合に
   は送信部（１）へ相手方へのトレーニング信号の送信を
   指示するトレーニング指示手段（５）とを有することを
   特徴とするフレーム同期制御方式。
2. 【請求項２】前記最尤復号化手段は、各ノード毎にパス
   メトリック及び対応する信号点データが、最尤送信デー
   タ系列を略確定するのに必要な打ち切り段数格納された
   内部パスメモリを有し、 前記不規則性検出手段は、前記内部パスメモリの所定段
   にパスメトリックの大きさの順に保持されている内部状
   態に対応する最大及び最小のパスメトリックを順次読み
   出す最大最小パスメトリック順次読出し手段と、 最大パスメトリックと最小パスメトリックとの差を演算
   する最大最小パスメトリック差演算手段と、 最大最小パスメトリック差演算手段により演算された差
   と予め設定された基準値とを比較して差が基準値よりも
   小さい場合には最尤復号化手段の内部状態が不規則であ
   ると判断し不規則検出信号を出力する比較手段とを有す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のフレー
   ム同期制御方式。