JPS6367027A - 符号化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、ディジタル通信におけるビット誤りの軽減に
極めて有効な最尤誤り訂正システムにおける符号化装置
に関するものである。

（従来の技術） 近年の通信回線のディジタル化の機運に伴って、通信品
質を向上させる上で極めて効果的な誤り訂正方式の実シ
ステムへの導入が盛ノＶに検５・１されている。誤り訂
正方式には多くの種類かあるが、その中でもたたみ込み
符号化と最尤復号法を組み合わせた誤り訂正方式は非常
に強力なＨ，４つ訂正手段としてよく知られている。

最尤復号法とは、受信側において実際の受信信号系列を
もとに送信側で送信可能な全ての信号系列に対して尤度
（実際に送信されたとする場合の確かさ）を計算し、こ
れらのうちから最も大きな尤度を示す信号系列を実際に
送信側より送信された信号系列と判定する復号手段であ
る。特に受信側で軟判定（ソフトデシジョン）復調を行
なって、受信信号系列の個々の符号シンボルにちその状
態（“１”または“０”）に対して確からしさの情報を
与え、信号系列に対する尤度を精度よく計算する復号化
手段（軟判定最尤復号法）とすると、その誤り訂正能力
は格段と強力なものとなる。

しかし、実際に最尤復号を実行しようとすると、送信デ
ータ系列が長くなるに従って、受信側で予測すべき信号
系列（データパターン）の数が指数関数的に増大するの
で、復号化装置を構成する場合ハードウェアの規模が現
実的な範囲を越えてしまう。

このような問題を解決する一つの手段として、受信側に
おける不必要な尤度計算を極力省き、最尤復号を能率よ
く実行できるアルゴリズムを用いたビタービ復号法がよ
く知られている。そして、このビタービ復号法とたたみ
込み符号化とを組み合わせた最尤誤り訂正装置は、符号
化率が低く、かつ符号拘束長の比較的短いものに対して
は既にそのハードウェア化も実現している。

ここで符号化率とは符号化回路の人力ビット数と出力ビ
ツト数の比で、人力ビット数１に対し出力ビット数２の
ときの符号化率は％である。このとき増えたビット数は
符号化された符号系列の冗長の度合を示している。符号
化率が大きくなって１に近づくと（例えば７７８　）　
、符号系列の冗長度が小さくなるので一般に誤り訂正能
力が低くなる。符号拘束長とは符号化回路の各出力ビッ
トを生成するに必要な人力データ系列の長さをいう。

しかし一般に、符号化率ｋ。／ｎｏで符号拘束長がＫで
あるたたみ込み符号をビタービ復号法により復号する復
号化装置のハードウェア規模はほぼ次式のＳに比例する
ことが知られている。（文献参照：Ｊ、八、Ｗｅｌｌｅ
ｒ　　ａｎｄ　　ｌ　　Ｍ、Ｊａｃｏｂｓ、”Ｖｉｌ、
ｅｒｂｉｄｅｃｏｒｄｉｎｇ　ｆｏｒ　５ａｔｅｌｌｉ
ｔｅ　ａｎｄ　ｓｐａｃｃｃｏｍｍｕｃａ−ｔｉｏｎｓ
　、″　ＩＥＥＥ　　Ｔｒａｎｓ、　　Ｃｏｍｍｕｎ、
　　Ｔｅｃｋｎｏｌ、、　　ｖｏｌ。

Ｃ０Ｍ−１９，ｐｐ、　８３５−８４７．　Ｏｃｔ、　
１９７１）５＝２ｋ・（ｋ−１）　　　　　　　（１）
（１）式は、用いるたたみ込み符号の符号化率ｋｏ／ｎ
ｏが高くなるにつれて、あるいは符号化拘束長Ｋが長く
なるにつれて、復号化装置のハードウェア規模が指数関
数的に大きくなることを意味している。この主たる原因
は、符号系列の符号拘束長が長くなるか、あるいは符号
化率が高くなると、符号の内部状態数が多くなり、復号
器の必要演算回数が多くなるためである。このことによ
り従来技術においては、たとえビタービ復号法を用いて
も３／４をこえる符号化率を有する符号系列に適用でき
る誤り訂正装置の実現は事実上不可能とされていた。

一方、帯域制限の厳しい通信系などでは帯域の有効利用
の観点から、情報伝送の冗長度をできるだけ低くし、か
つ誤り訂正能力の大きい誤り訂正方式の実現が望まれて
いる。

本発明は上記従来技術に鑑みなされたもので、ハードウ
ェア化の比較的容易な低符号化率用の符号化回路と復号
化回路を用い、これらに簡単な周辺回路を付加して通信
路では高符号化率に変換して伝送することにより、等測
的に高符号化率符号の誤り訂正を可能とする通信システ
ムにおける符号化装置を提供することを目的とする。

（実施例） 以下図面により詳細に説明する。

第１図は、本発明における最尤誤り訂正方式に基づいて
データの符号化および復号化を行う場合の概念図である
。入力データ系列１は、たたみ込み符号化回路２によっ
て符号化データ系列３に変換され、符号シンボル消去回
路４に送られる。第１図では、符号化率１／２の符号化
を仮定し、符号化データ系列３を並列信号として表示し
ている。

符号シンボル消去回路４では、予め定めた消去パターン
５を保持する消去パターン保持回路６の内容を参照し、
該符号化データ系列３から符号シンボルを消去しつつ、
所定の通信速度を有する送信データ系列７を生成する。

第１図の例では、消去パターン５中の“１”が実際に送
信すべき符号シンボルの位置を示し、“０”が消去すべ
き符号シンボルの位置を示している。以上、人力データ
系列１から送信データ系列７を生成するまでの操作が、
符号化装置１０によって実行される。

送信データ系列７は、雑音１１のある通信路Ｉ２を介し
て受信側に送信される。受信側における受信データ系列
１３は、送信データ系列７に対応する送信信号に雑音１
１が加わった受信信号を硬判定（ハードディシジョン）
または多値軟判定（ソフトディシジョン）復調すること
により得られる。軟判定復調とは、通常の“１”または
“０”の２値復調情報に、その復調情報の確かさを示す
情報を付加して、多値情報として出力する方法をいい、
例えば８値軟判定復調を仮定すると、受信データ系列１
３中の各符号シンボルは３ビツトで構成されることにな
る。このような軟判定復調データを用いて最尤復号を行
うと、尤度計算の精度が増して誤り訂正能力が強力とな
ることは前に述べたとおりである。

前記受信データ系列１３は、ダミーシンボル挿入回路】
４に送られる。ダミーシンボル挿入回路１４では、送信
側の消去パターン５に対応する挿入パターン１５を保持
する挿入パターン保持回路１６の内容を参照し、送信側
で消去された符号シンボルに対応する受信データ系列１
３の正しい位置に、ダミーシンボル（軟判定復調時には
、必要ビット数分のダミーデータ）を挿入し、所定の通
信速度を有する復号回路人力データ系列１７を生成する
。ここでダミーデータは１又は０のいずれでもさしつか
えない。第１図の例における復号回路人力データ系列１
７中のＸ印は、挿入されたダミーシンボルを示す。この
復号回路入力データ系列１７は、最尤復号回路１．９（
ここでは、ビタービ復号回路を仮定する。）に送られる
。但し、挿入されたダミーシンボルに対しては、予め定
められた尤度値を固定的に与えて、最尤復号時の各送信
バス毎の尤度計算に基く送信パスの選択誤り確率を最小
限に押える必要がある。このため、例えばダミーシンボ
ル挿入回路１４では、挿入したダミーシンボルに対する
尤度計算禁止パルス２０を最尤復号回路１９に送るよう
な機能を有する必要がある。

一方、最尤復号回路】９は、送信側のたたみ込み符号化
回路２に対応するビタービ復号回路として構成すればよ
いが、ダミーシンボル挿入回路１４から尤度計算禁止パ
ルス２０を受は取った時には、当該タイミングにおける
人力シンボルに対して通常の尤度計算を一時的に禁止し
て、予め定められた固定的な尤度値を割り当てるような
制御回路が必要となる。このように、挿入ダミーシンボ
ルに対しては特定の尤度値を強制的に与えながら最尤（
ビタービ）復号を実行することにより、復号データ系列
８が最尤復号回路】９から出力される。以上、受信デー
タ系列１３から復号データ系列８を得るための操作が、
復号化装置２１により実行される。

以上が本発明における最尤誤り訂正方式の具体的説明で
あるが、この誤り訂正方式の符号化率については、一般
に以下のことが言える。

符号化装置ＩＯで用いるたたみ込み符号化回路２の符号
化率をｋ。／ｎｏとし、消去パターン５が、符号化デー
タ系列３のＩブロック（１ブロツクはｎ。

シンボルから構成される。）中のｍシンボルを消去する
ことを指定するものであるとすると、送信データ系列７
の人力データ系列１に対する符号化率ｋ。’／ｎｏ“は
（２）式のようになる。

従って、最尤誤り訂正方式を用いた場合の符号化率は、
ｋｏ／ｎｏに等しい（ｍ＝０のとき）か、それより高く
なり、（２）式の！またはｍの値を適当に選択すること
により、ｋｏ／ｎｏ以上の任意の符号化率の符号に対す
る最尤誤り訂正が自由に行えるという特徴を有している
。

一方、本発明における最尤誤り訂正方式の誤り訂正能力
、即ち復号後のビット誤り率特性は、消去パターン５で
指定する消去シンボル比（ｍ／ｎｏＪＬ）およびｍ＝の
消去シンボル位置に大きく依存する。ここで、符号化率
１／２で拘束長７のたたみ込み符号（この符号のビター
ビ復号器は現時点で既にそのハードウェア化が実現され
ている）を、符号化装置１０内のたたみ込み符号化回路
２に用いると仮定する。この時、最尤誤り訂正方式によ
り１７２以上の適当な符号化率の符号を構成して最尤誤
り訂正を行う時の最適消去パターンは、与えられた符号
化率のもとで、可能な全ての消去パターン５から得られ
る符号の距離構造を計算機により調べ、ビタービ復号後
の誤り率特性が最もよくなるような符号を与える消去パ
ターンを１つ選び出すことにより、−意に決定できる。

第１表は、拘束長７の１／２符号を原符号として、符号
化率２／３から７／８までの符号を最尤誤り訂正方式に
基いて構成する場合の最適消去パターンを調べた結果で
ある。

同表中の最適消去パターンは、１／２符号化後の並列シ
ンボルに対する消去パターンとして表示されている。従
って、このパターンを直列に表示する場合には例えば３
／４符号では“１１１００１”となる。

（以下余白） 同表中の！及びｍは、１／２符号化後のでブロック（２
ＪＺシンボル）中のｍビットを周期的に消去することを
意味している。同表には参考のため、各符号の最小距１
ｉ１ｔｄおよび、正しいバスからの距離がｄである全て
の誤ったバス中に含まれる誤りビットの総数Ｃｋの値も
併て示す。一般に、ビタービ復号後のビット誤り率特性
は、ｄが大きいほど、また同じｄに対してはＣｋの値が
小さいほどよくなることが知られている。従って、同表
から、符号の符号化率が高くなるにつれて（即ち、１／
２符号化シンボルの消去率が大きくなるにつれて）、ビ
タービ復号時のビット誤り率特性は劣化することが予想
される。

第２図は、第１表に示した各符号の８値軟判定ビタービ
復号時のビット誤り率特性を理論的に計算することによ
り、達成ビット誤り率＝　１０−６における符号化利得
を計算し、従来からよく用いられている２誤り訂正自己
直交符号のそれと比較して示したものである。横軸には
、各符号の帯域拡大率（符号化率ｎ−］／ｎの逆数）の
デシベル値をとっている。但し、ここで符号化利得とは
、一定のビット誤り率を達成しようとするとき、符号化
を行わない場合と、情報伝送速度一定として符号化を行
フだ場合の必要Ｅｂ／Ｎｏ　　（Ｅｈ　：情報１ビット
当りのエネルギー、Ｎｏ：片側雑音電力密度）の差とし
て定義している。同図より、拘束長７の１７またたみ込
み符号を原符号として、本発明に基＜　１ｆｆｊり訂正
方式を８値軟判定と組み合わせた場合の符号化利得は、
代表的なたたみ込み符号である２’　Ｚ４つ訂正自己直
交符号のそれよりかなり大きく、例えば、７／８符号で
比較しても、達成ビット誤り率＝１０−６の点でみて約
１．３ｄＢはど優れていることがわかる。このように最
尤誤り訂正方式は、高い符号化率の符号に対しても非常
に優れたビット３ｔ＜り率特性を提供しつるものである
。

また、今後ＬＳＩ技術の発達により、例えば符号化率１
／２で拘束長が７より大きいたたみ込み符号の符号化回
路およびビタービ復号回路のハードウェア化が近い将来
実現する可能性は１−分にあり、その場合には、最尤誤
り訂正方式に基いて最大誤り訂正を実行すれば、第２図
に示した特性より更に優れた特性を有する高符号化率符
号の誤り訂正装置を容易に実現することができる。

次に最尤誤り訂正方式に基く、符号化装置１ｏおよび復
号化装置２１の具体的構成法について述べる。

第３図は、符号化装置１０内のたたみ込み符号化回路２
に、前記の符号化率１／２で拘束長７の符号を用いた場
合の符号化装置ＩＯの構成例である。たたみ込み符号化
回路２は、７段のシストレジスタ２２と、排他論理和ゲ
ート２３で構成される。人力データ系列１の速度をＲと
すると、本回路は速度Ｒのシフトクロック２４を供給す
ることにより動作する。符号化並列データ系列３は、並
列／直列変換回路２５により直列データ系列２６に変換
されたのち、ファーストイン・ファーストアウト（ＦＩ
ＦＯ）メモリー２７に送られる。一方、外部から指定さ
れる消去パターン５の内容を保持する消去パターン保持
メモリー２８は、速度２Ｒのクロック２９の供給により
動作するアドレスカウンタ３０て指定されたアドレスの
内容を順次出力する。アドレスカウンタ３０は、長さ立
ブロック（シンボル数：２Ｉ）の消去シンボルパターン
５の内容が含まれる消去パターン保持メモリー２８のア
ドレスを周期的に順次指定してゆく機能を有する。

消去パターン保持メモリー２８の出力信号３１と、速度
２Ｒの連続クロック２９は、アンドゲート３２により論
理積がとられ、得られた歯板りクロック３３が、ＦＩＦ
Ｏメモリー２７への書き込みクロックとして供給される
。従って、ＦＩＦＯメモリー２７へは、書き込みクロッ
ク３３が供給された時点の符号化データ２６だけが選択
的に書き込まれることになる。消去パターン５で指定さ
れる消去周期が１ブロツク、消去シンボル数がｍの場合
には、ＰＩＦＯメモリー２７からの読み出し用クリック
３４として、速度リーに書き込まれたデータが所定の速
度ｆｉ み出され、これが送信データ系列７として出力される。

第４図は、第３図で必要なりロックの位相関係を、第１
表で示した７７８符号（ｕ−７、ｍ＝６→である。同図
Ａは、速度Ｒのクロック２４、Ｂは速度２Ｒのクロック
２９、Ｃは、消去パターン５直列読み出しした場合の消
去パターン保持メモリー２８の出力信号３１であり、Ｄ
は、ＢとＣとの論理積をとることにより生成される速度
２Ｒの歯板はクロック３３、Ｅは速度８／７Ｒの読み出
しクロック３４である。

次に、第３図の構成の符号化装置１０に対応する復号化
装置２１の構成例を第５図に示ず。復号化装置２１では
、原則として送信側と逆の操作を行う。即ち、消去され
た符号シンボルの位置にダミーシンボルを再び挿入し、
符号化回路２で生成された速度２Ｒの符号化データ系列
と同じ速度のデータ系列を再構成したのちに１７またた
み込み符号（拘束長に＝７）用のビタービ復号回路１り
を用いて最尤復号を実行する。なお、以下、受信データ
系列１３は軟判定データとし、ビタービ復号回路１９は
、軟判定人力データ点対する尤度（以下メトリックと呼
ぶ）計算が可能なものを用いるとする。

受信クロックを書き込みクロック３５として、ＩＴ　Ｉ
　Ｉｉ　Ｏメモリー３６に書き込まれる。一方、送信側
の消去パターン５に対応する挿入パターン１５を保持す
る挿入保持メモリー３７は、速度２Ｒのクロック：１１
３の供給により動作するアドレスカウンタ：）１）で指
定されたアドレスの内容を順次出力する。アドレスカウ
ンタ３９は、長さ１ブロツクの挿入シンボルパターン１
５の内容が含まれる挿入パターン保持メモリー３７のア
ドレスを周期的に順次指定してゆく機能を有する。挿入
パターン保持メモリー３７の出力４１１号４０と、速度
２Ｒの連続クロック３８は、アンドケート４１により論
理積がとられ、Ｉ）られた歯板りクロック４２がＦＩＦ
Ｏメモリー３６の読み出しクロックとして供給され歯板
はクロック４２に同期した形でＦＩＦＯメモリー３６か
らデータが読み出される。

一方、挿入パターン保持メモリー３７の出力信号４０は
、スイッチ４３の制御用としても用いられ、スイッチ４
３はＦｉＦ（１１メモリー３８からデータが読出される
タイミングでは、ＦＩＦＯメモリー３６側へ、ダミーシ
ンボルが挿入されるべきタイミングでは、ダミーデータ
保持回路４４の側に接続されるように制御される。前記
手順により得られる復号回路人力データ系列Ｉ７が、ビ
タービ復号回路１９に人力される。更に、挿入パターン
保持メモリー３７の出力信号４０は、その極性がインバ
ーター４５で反転されたのち、挿入ダミーシンボルに対
するメトリック計算禁止パルス２０としてビタービ復号
回路１９に送られる。

ビタービ復号回路１９では、入力データ系列１７および
メトリック計算禁止パルス２０を直列／並列変換回路４
７．４８によりそれぞれ並列信号に変換したのち、メト
リック計算回路４８において当該並列人力シンボルに対
するメトリック計算を実行する。

メトリック計算回路４８においては、メトリック計算禁
止パルス２０が同時に送られた人力シンボルに対しては
、通常のメトリック計算を禁■トし、特定のメトリック
値を強制的に与えるような機能を有する。メトリック計
算禁止時の操作は、データ“０”および“１”に対して
同一のメトリック値を与えることにすればビタービ復号
における最尤バス選択機能に及ぼす影響を最小とするこ
とができるが、後述の自己同期機能に与える影響をも最
小限に押えるには、軟判定データに対する最大のメトリ
ック値と最小のメトリック値の中間の値を与えるのが最
も好ましい。

メトリック計算回路４８で計算されたメトリック値４９
は、速度凡のクロック５０で生残りパス選択部５１に転
送される。生残りバス選択部５１では、符号の各内部状
態におけるその時点までの生残りバスのバスメトリック
値を記憶しているパスメトリック記憶回路５２、及び各
生残りバスのビット系列を記憶している生残りパスメモ
リー５３からの情報と、その時点のメトリック値４９を
もとに、各内部状態における生残りバスを選択し、その
結果をもとに、バスメトリック記憶回路５２と生残りバ
スメモリー５３の内容を逐次更新してゆく。生残りバス
メモリー５３からは、予め指定された打切りバス要分の
遅延を伴って、復号データ８が順次出力される。前記、
ビタービ復号回路１９における復号手順は、文献（Ｇ、
Ｄ、Ｆｏｒｎｅｙ、ＪＲ，、“Ｔｈｅ　Ｖｉｔｅｒｂｉ
八Ｉｇｏｒｉへｈｍ　　”　、ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ
　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　ＩＥＥＥ、ｖｏｌ−６１、Ｎｏ
、３．　Ｍａｒｃｈ、　１９７３．　ｐｐ、　２６８−
２７６）に詳しい。

なお、木方式に用いるビタービ復号回路１９内の生残り
バスメモリー５３における打切りパス長は、符号化率が
高くなるにつれてかなり長くとる必要があり、例えば第
１表に示した３／４符号で６０ビツト、７７８符号で１
００ビツト程度必要となる。

ところで、この復号化装置２１を連続データに用いる場
合、常に受信データ系列１３の正しい位置にダミーシン
ボルを挿入してゆくために、消去パターンを単位とする
自己同期機能が必要となる。受信側におけるこのような
自己同期は、例えば次のようにして実行することができ
る。

２　〇 一般に、符号の同期がとれている時には、信号対雑音電
力比がある程度大きければ、ビタービ復号時のパスメト
リック値は、ある特性のバスに対してのみ大きく、他の
バスのメトリック値け、それに対してかなり低い値にな
る。一方、同期はずれが生じると、全てのバスのメトリ
ック値は一定の値に平均化される。従って、ビタービ復
号回路１９内で各バスのメトリックの大きさをもとに、
符号の同期状態を示す尺度となるメトリック情報を作成
することが可能となる。このような目的で、バスメトリ
ック記憶回路５２で作成されたメトリック情報５４は、
同期状態監視回路５５に送られ、メトリック情報５４が
予め定められた同期はずれ状態と見なされる値の領域に
入った時には、同期状態監視回路５５から、アドレス制
御パルス５６がアドレスカウンタ３９に送られる。アド
レスカウンタ３９は、アドレス制御パルス５６により、
挿入パターン保持メモリ３７からの読み出しアドレスを
１シンボル分シフトする機能を有する。同期状態監視回
路５５では、一定の時間間隔で上記制御を繰り返し、ビ
タ−ビ復号回路１９からのメトリック情報５４が、同期
状態と見なされる値の領域に戻った時点で、同期はずれ
が回復したと判断して、アドレス制御パルス５６の送出
を停止する。上記操作により、符号の同期はずれを受信
側で自動的に検知して、同期回復を図る機能を果すこと
ができる。

なお、第５図における復号化装置２１の動作に必要な各
クロックの位相関係は、第４図に示した符号化装置１０
のそれと同様であるのでここでは省略する。また、前記
の誤り訂正装置の構成および動作説明では、人出力デー
タ系列を全て直列連続信号と仮定したが、これは並列信
号であっても、また所定の速度のバーストデータであっ
てもよい。

以上、説明したように本発明による最尤誤り訂正システ
ムにおける符号化装置を用いることにより、これまでハ
ードウェアの構成が困難と考えられてきた高符号化率符
号の最尤誤り訂正装置の実現も容易となり、しかもその
誤り訂正能力は、軟判定復調と組み合わせれば、既存の
誤り訂正符号の特性よりかなり優れているので、各種の
ディジタル通信回線の通信品質の向上を図る、という点
で非常に効果がある。更に、本誤り訂正システムにおけ
る符号化装置を用いた誤り訂正装置は、消去パターンの
選択により、用いる符号の符号化率を自由に選択して指
定することができるという大きな特徴を有しており、今
後、回線の状態に応じて常に最適の符号化率の符号を選
択して誤り訂正を行うような適応型誤り訂正への応用も
可能と考えられ、ディジタル通信回線の回線設計の柔軟
性を増す、という点でも大いに効果がある。

【図面の簡単な説明】 第１図は、本発明における最尤誤り訂正方式の基本概念
を説明する図、第２図は、拘束長７の１７２符号を原符
号として最尤誤り訂正方式による誤り訂正を８値軟判定
を行った場合の達成ビット誤り率１０−６におけるｎ−
］／ｎ符号の符号化利得を２誤り訂正自己直交符号のそ
れと比較して示した図、第３図は、最尤誤り訂正方式に
基く符号化装置の構成例を示す図、第４図は、第３図の
符号化装置を動作させるに必要なりロック信号の位相関
係を７７８符号を例にとって示した図、第５図は、最尤
誤り訂正方式に基く復号化装置の構成例を示す図である
。 １・・・たたみ込み符号化回路、 ４・・・符号シンボル消去回路、 １２−・・通信路、 １４−・・ダミーシンボル挿入回路、 １９・・・最尤復号回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 送信側では送信すべきデータ系列を冗長化して符号化し
   、受信側では最尤復号するシステムにおける符号化装置
   において、 入力データ系列をたたみ込み符号化するためのたたみ込
   み符号化回路と、 該たたみ込み符号化回路の出力データ系列から消去すべ
   き符号シンボルを指定するための消去パターンを保持す
   る消去パターン保持回路と、該消去パターン保持回路の
   消去パターンを参照しながら前記たたみ込み符号化回路
   の出力データ系列から符号シンボルを消去するとともに
   所定の通信速度を有するデータ系列に変換する符号シン
   ボル消去回路とで構成したことを特徴とする符号化装置
   。