KR100303581B1 - 데이타코딩및디코딩시스템 - Google Patents

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KR100303581B1 KR1019930015876A KR930015876A KR100303581B1 KR 100303581 B1 KR100303581 B1 KR 100303581B1 KR 1019930015876 A KR1019930015876 A KR 1019930015876A KR 930015876 A KR930015876 A KR 930015876A KR 100303581 B1 KR100303581 B1 KR 100303581B1
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요트.게.아. 롤페즈
코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

디지탈 데이타 통신시스템은 분리장치(38)을 포함하는데, 이 분리장치는 음성코딩장치(34 및 36)이 제공하는 입력 디지탈워드를 최상위 비트와 하위 비트로 분리한다.
디지탈 데이타워드의 최상위 비트는 튼튼한 신호화 알파벳으로 부호화하고(40), 하위 비트는 점차 덜 튼튼한 신호화 알파벳으로 부호화(42, 44)한다. 부호화의 결과물인 모든 심볼은 결합(46)하고 전송(48)한다. 수신단(50)에서, 수신한 신호는 분리(52)되고 복조(54, 56, 58)되어 수신한 데이타 워드의 각 부분을 결합장치(60)에 제공된다. 데이타 워드가 원래 음성코딩장치(62, 64)에 의해 제공된 경우 수신한 데이타워드는 재합성장치(62, 64)에 제공된다. 신호화 알파벳은 2 레벨변조, 3, 4 및 8 레벨 변조 그리고 / 또는 여러각도의 위상 변조를 포함할 수도 있다.

Description

데이터 코딩 및 디코딩 시스템
도 1은 본 발명에 따른 데이터 전송 장치의 블록도.
도 2는 도 1의 전송 장치와 함께 사용되는 데이터 수신 장치의 블록도.
도 3은 도 1의 전송 장치가 4비트 데이터 워드의 코딩에 사용될 때 가능한 출력 레벨들을 도시한 도면.
도 4는 표준 2진 신호 시스템과 4-레벨 심벌을 사용한 장치간의 에러 확률을 비교한 그래프.
도 5는 가변 채널 신호 대 잡음비에서, 다중 레벨 심벌 기법의 4-레벨 심벌의 사용이 통신 신호 대 잡음비에 미치는 효과의 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 8 비트 데이터 워드를 전송하는 전송 장치의 블럭도.
도 7은 도 6의 전송 장치와 함께 사용되는 수신 장치의 블럭도.
도 8은 도 6의 전송 장치의 가능한 출력 레벨들을 도시한 도면,
도 9는 표준 2-레벨 신호 시스템과 도 6 및 도 7의 장치들간의 에러 확률을 비교한 그래프,
도 10은 비정수 클럭 간격 배수를 사용하여 4비트 워드를 코딩하는 2종의 다중 레벨 기법과 2-레벨 시스템에 대한 에러 확률의 그래프.
도 11은 비정수 클럭 간격 배수를 사용하여 8비트 워드를 코딩하는 다중 레벨 기법과 표준 2-레벨 신호 시스템에 대한 에러 확률의 그래프.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 입력 12 : 분할 장치
14 : 2-레벨 변조 장치 16 : 4-레벨 변조 장치
18 : 결합 장치 20 : 전송기
22 : 수신기 24 : 분할 장치
26, 28 : 복조기 30 : 결합 장치
32 : 출력 버스
본 발명은 잡음 환경에서 매개 변수 값의 통신에 관한 특별한 응용례를 가지는 데이터 코딩 및 디코딩 시스템에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 시스템에 사용되는 통신 시스템과 송신 및 수신 장치들에 관한 것이다. 또한 본 발명은 상기 시스템내 배치된 코딩 및 디코딩 장치들에 관한 것이다.
통신 및 데이터 저장 시스템의 에러에 대한 용량 및 로버스트(robust)의 증가를 목표로 많은 연구 노력들이 계속되었다. 에드워드 베드로시언(Edward Bedrosian)의 논문 "가중 PCM (Weighted PCM)" (IRE Transactions on information Therory, March 1958)에는, 펄스 코드 변조 방식(pulse code modulation scheme)으로 펄스의 상대 진폭을 조정함으로써 전송 에러로 인한 복원된 신호의 잡음 전력을 최소화하는 기법이 기재되어 있다. 즉, 전송되는 총 메시지 전력은 일정하므로, 복원된 신호에 큰 영향을 미치는 상기 펄스들은 다른 펄스들보다 큰 진폭으로 전송된다. 상기 논문에 기재된 성능 분석은 신호 대 잡음비(S/N ratio)의 현저한 향상을 보여준다. 그러나 상기 기법은 널리 사용되지는 않는다. 왜냐하면, 상기 전송기에서는 높은 가능 전력 및 다수의 상이한 양자화 레벨들이 필요하기 때문이다. 또한, 변조 방식 및 에러 수정 코딩의 중요성이 증대되어 왔다.
본 발명의 목적은 향상된 용량 및 에러에 대한 로버스트를 제공하는 데이터 통신 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 제 1 실시예에 따른 디지털 데이터 워드의 통신 시스템은, 각 디지털 데이터 워드의 상위 섹션에 응답하여 제 1 심벌을 발생하는 수단과, 각 디지털 데이터 워드의 하위 섹션에 응답하여 제 1 심벌보다 다수의 상태를 표시하는 제 2 심벌을 발생하는 수단과, 코딩된 신호를 제공하도록 제 1 심벌과 제 2 심벌을 결합하는 수단과, 상기 코딩된 신호를 전송하는 수단과, 상기 전송된 코딩된 신호를 수신하는 수단과, 수신된 신호를 제 1 및 제 2 수신된 심벌들로 분리하는 수단과, 제 1 심벌로부터 수신된 데이터의 상위 섹션을 유도하는 수단과, 제 2 심벌로부터 수신된 데이터의 하위 섹션을 유도하는 수단과, 출력 디지털 데이터 워드를 제공하도록 상기 수신된 데이터의 상위 섹션과 하위 섹션을 결합하는 수단을 포함한다.
디지털 데이터 워드에 기초하여 최소한 2개의 심벌을 발생함으로써, 상기 워드의 상위 비트는(비트들은) 2-레벨(2진) 진폭 변조나 여타 로버스트 신호화 기법을 사용하여 믿을만한 방식으로 전송될 수 있다. 상기 하위 비트들은 1 이상의 서브-섹션으로 간주되어, 그 각각이 다수의 상태를 나타내며, 1 이상의 다중-상태 심벌로 전환되어 2진 변조가 사용될 때 보다 짧은 시간 간격으로 전송된다. 상기한 기법을 사용하면 상기 하위 비트에 에러가 더 발생하는 경향이 있으나, 매개 변수들이나 양자화된 아날로그 양들의 전송시 채널 용량의 증가는 상기한 단점들을 상쇄하고도 남는다. 채널 용량의 증가는 채널의 로버스트를 향상시키거나 여분의 채널을 제공하는데 사용될 수 있다.
따라서 상기 하위 비트는, 예컨대, 진폭 변조, 횡축 진폭 변조(QAM), 횡축 위상 천이 변조 (QPSK) 또는 8-PSK를 사용하여 전송될 수 있는 반면, 상기 상위 비트는 2-레벨 또는 2-위상 변조, 3-레벨 변조 등을 사용하여 전송될 수 있다. 보다 긴 워드들은 보다 많은 수의 서브-섹션들로 분할될 수 있다. 예컨대, 8 비트 디지털 워드는 4개의 2-상태 심벌, 1개의 3-상태 심벌 및 1개의 8-상태 심벌로 코딩될 수 있다. 본 발명에 따라 코딩된 워드는 비정수의 비트를 포함할 수 있다. 상기 워드들의 비트간 경계들이 심벌간 경계들에 반드시 일치하지는 않을 것이다.
심벌이 송신되는 시간의 길이는 에러의 발생 가능성에 직접적인 영향을 미친다. 상기 하위 데이터 워드를 3 또는 그 이상의 레벨들을 가지는 다중 레벨 신호로 나타냄으로써 순수한 2-레벨 시스템에 비해 절약되는 시간은, 상기 최상의 유효비트(들)를 나타내는 상기 심벌(들)의 지속 시간을 증가시키는데 사용될 수 있다. 상기 심벌의 지속 시간은 편리하게도 한 워드를 나타내는데 사용되는 여타 심벌들의 지속 시간의 정수배일 수 있지만, 다른 지속 시간도 가능하다.
2개의 심벌들이, 예컨대, 횡축 진폭 변조나 위상 천이 변조를 사용하는 다른 변조 디멘션으로 동시에 전송될 수 있다.
상기 데이터 워드의 최상위 비트들에 대한 상기 최고 로버스트 전송은 특히 계수화 아날로그 신호들을 통신하는 시스템에 적용될 수 있다. 이와 같은 목적으로, 상기 시스템의 입력에서 상기 아날로그 신호를 계수화하고 사기 시스템의 출력에서 상기 계수화 신호의 복제를 유도하는 수단이 제공된다.
본 발명의 제 2 실시예에 따라, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시스템과 함께 사용되는 디지털 데이터 전송 장치가 제공된다. 상기 디지털 데이터 전송 장치는 각 디지털 데이터 워드의 상위 섹션에 응답하여 제 1 심벌을 발생하는 수단과, 각 디지털 데이터 워드의 하위 섹션에 응답하여, 상기 제 1 심벌보다 큰 상태수를 나타내는 제 2 심벌을 발생하는 수단과, 코딩된 신호를 제공하도록 상기 제 1 및 제 2 심벌을 결합하는 수단과, 상기 코딩된 신호를 전송하는 수단을 포함한다.
상기 전송 장치에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 심벌들의 평균 전력을 실질적으로 동일하게 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명을 사용함으로써, 4-비트 데이터 워드는 2개의 최상위 비트들에 대한 2개의 2-상태 심벌들과 2개의 최하위 비트에 대한 1개의 4-상태 심벌들로 나타날 수 있다. 그 효과로 절약된 시간은, 에러에 대한 감도의 결과적 감소와 함께, 최상위 비트를 나타내는 심벌의 길이를 2배로 하는데 사용될 수 있다.
8-비트 데이터 워드는 4개의 최상위 비트들에 대한 4개의 2-상태 심벌과 나머지 비트들에 대한 추가적인 2개의 심벌들로 나타날 수 있다. 예컨대, 상기 4개의 최하위 비트들은 2개의 4-상태 심벌들이나 1개의 3-상태 심벌 및 1개의 8-상태 심벌로 나타낼 수 있다. 후자는 상기 8-상태 심벌의 가능 상태들 중 2개를 사용하지 않고 방치하도록 배열되어, 일정한 인접 상태들간에 유용한 여분의 이간 거리(clearance)를 제공하는데 사용될 수 있다.
클록 간격의 비정수 구획내에서 전송 시간을 워드내 특정 비트들로 할당할 수 있다. 그러나 이는 수신기에서 클록을 양호하게 복원하는데 영향을 미칠 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따라, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 시스템과 함께 사용되는 디지털 데이터 수신 장치가 제공된다. 상기 디지털 데이터 수신 장치는 전송된 신호를 수신하는 수단과, 수신된 신호를 제 1 심벌과 상기 제 1 심벌보다 큰 상태수를 나타내는 제 2 심벌들로 분리하는 수단과, 상기 제 1 심벌로부터 수신된 데이터의 상위 섹션을 유도하는 수단과, 상기 제 2 심벌로부터 수신된 데이터의 하위 섹션을 유도하는 수단고, 출력 디지털 데이터 워드를 제공하도록 상기 수신된 데이터의 상기 상위 섹션과 상기 하위 섹션을 결합하는 수단을 포함한다.
또한 본 발명은 상술한 기법들을 구현한 디지털 데이터 워드를 코딩하는 시스템과 코딩된 신호로부터 데이터 워드를 유도하는 시스템도 제공한다. 상기 시스템은 저장 장치와 함께 사용되어 콤팩트 데이터 저장 장치를 제공할 수도 있다.
도 1에서, 4-비트 데이터 워드는 입력(10)에 공급되어 분할 장치(12)에 전해진 후 2개의 최상위 비트와 2개의 최하위 비트로 분리된다. 만약 4-비트 디지털 워드가 병렬 형식으로 공급된다면, 분할 장치(12)는 회로 기판상에 인쇄된 트랙보다 정교하지는 않을 것이다. 반면, 4-비트 디지털 워드가 직렬 형식으로 공급되는 경우, 분할 장치(12)는 멀티플렉서를 포함할 것이다. 2개의 최상위 비트는 2진 신호가 "1"이면 제 1 레벨을, 2진 신호가 "0"이면 제 2레벨을 가지는 신호를 제공하도록 배열된 2-레벨 변조 장치(14)에 제공된다. 보통, 상기 레벨들은 각각 "+1" 및 "-1"인 임의값으로 지정된다. 2-레벨 변조 장치(14)는 각각이 상기 데이터 워드의 2개의 최상위 비트들 중 하나를 2-레벨 형식으로 나타내고 1 클럭 간격의 길이를 가지는 한 쌍의 심벌들을 제공한다.
2개의 최하위 비트들은 4-레벨 변조장치(16)에 제공되고, 이들을 4 상태들중 임의의 하나일 수 있는 단일 심벌로 나타낸 출력 심벌을 1 클럭 간격동안 제공한다.
다중 레벨 변조는 데이비드 알 스미스(David R.Smith)의 "디지털 전송 시스템(Digital Transmission system)"(Van Nostrand Reinhold 출판)에 매우 상세히 설명되어 있다. 상기 변조된 심벌들은 결합장치(18)에 공급되어, 전송에 적합한 순서로 배치되고, 채널상 전송을 위해 전송기(Tx; 20)에 공급된다. 라디오 시스템의 전송기가 기술되면, 전송은 고정 선로나 광섬유 링크와 같은 선택적 채널상에 영향을 미치거나, 상기 심벌들은 자기 또는 광학 매체와 같은 추후 검색을 위한 적합한 매체에 저장될 수 있다.
도 3에는 제 1클록 간격(b1), 제 2 클록 간격(b2) 및 제 3 클록 간격(b3) 동안 도 1의 결합 장치(18)의 출력의 가능 상태들이 도시되었다. 제 3 클록 간격(b3)을 점하는 상기 4-레벨 신호가 제 1 및 제 2 클록 간격내의 2-레벨 신호보다 큰 피크 진폭을 가진다는 것은 상기 도면으로부터 명백하다. 이로써, 제 3 클록 간격내 전송된 심벌은 최초 2 클록 간격내 전송된 심벌과 동일한 평균 전력을 갖게 된다. 만약 상기 다중-레벨 심벌의 피크 진폭이 a이고, 상기 레벨들이 등거리이고 동등하게 가능하다면,성립된다(a = 1.34). a 에 대한 보다 일반적인 공식은인데, 여기서 S는 심벌의 가능한 상태들의 수이다. 특정 상태의 발생 가능성이 다르므로, 평균 기대 전력은 상기 레벨들의 전력들에 그들의 발생 확률을 곱한 값들의 합이된다.
도 2에는, 2개의 출력들을 가지는 분할 장치(24)에 연결된 출력을 가지는 수신기(Rx; 22)를 포함하는, 도 1의 장치와 함께 사용하는 수신 장치가 도시되어 있다. 제 1 출력은 복조기(26)에 연결되고, 제 2 출력은 복조기(28)에 연결된다. 상기 2-레벨 심벌들은 복조기(26)에서 복조되어 2진 출력을 결합장치(30)의 제 1 입력에 제공한다. 상기 4-레벨 심벌은 복조기(28)에서 복조되어 2진 출력을 결합장치(30)의 제 2 입력에 제공한다. 결합 장치(30)는 4-비트 워드를 출력 버스(32)에 공급한다. 만약 상기 복조기들의 출력들이 병렬이고 또한 동시에 활성화된다면, 결합 장치(30)는 인쇄 회로 기판상의 트랙들보다 복잡하지는 않을 것이다.
도 4에는 근 자승 평균(RMS) 에러 표준을 사용하여 2-레벨 심벌 한 쌍과 비교한 4-레벨 심벌의 에러 동작이 도시되어 있다. 수평축(S/N)은 통신이 발생되는 채널의 신호 대 잡음비를 dB로 나타내었고, 수직축은 에러의 확률(P)을 10 의 역급수로 나타내었다. 파선 1q, 2q 및 3q는, 단일 4-레벨 심벌을 사용했을 때, 거리 1 (즉, 1 송신, 2 수신, 4 송신, 3 수신 등), 거리 2 및 거리 3의 에러의 확률을 각각 나타낸다. 거리 1의 에러의 확률은 상당히 정확하나 거리 2 또는 3의 에러들은 다소 부정확하다. 실선 1b, 2b 및 3b는, 2개의 2-레벨 심벌들을 사용했을 때, 거리 1또는 2의 에러와 거리 3의 에러의 확률들을 각각 나타낸다. 거리 1 또는 2의 에러의 확률은 사실상 같은데, 왜냐하면, 이들이 하위 비트내의 단일 에러 및 상위 비트내의 단일 에러에 각각 대응하기 때문이다. 10b로부터 01b로 붕괴되거나 그역일 가능성에 따라 거리 1의 에러의 확률을 임계적으로 증가시키는, 양 비트내 에러를 가질 수 있는 기회는 작지만 한정되므로, 상기 에러 확률들은 동일하지 않다. 2개의 2-레벨 심벌들을 사용한 거리 1의 에러의 가능성은 1개의 4-레벨 심벌을 사용한 경우보다 훨씬 적다. 그러나 2개의 2-레벨 심벌을 사용한 거리 2의 에러의 가능성은 4-레벨 심벌을 사용한 경우보다 현저히 크다. 매개 변수 또는 연속적으로 변하는 양들이 비지털 형식으로 전송되므로, 최하위 비트내의 에러는 무시해도 되지만, 상위 비트내의 에러는 허용되지 않는다. 상기한 환경에서는, 2개의 2-레벨 심벌들의 동작보다 4-레벨 심벌의 동작이 더 선호된다.
도 5는, 4 클록 간격동안 4개의 2-레벨 심벌(B)로, 3 클록 간격동안 2개의 2-레벨 심벌 및 1개의 4-레벨 심벌(M1)로 전송되는 4-비트 데이터 워드에 있어서, 수평축의 채널(CH) 신호 대 잡음비에 대한 수직축의 통신된(COM) 신호 대 잡음(S/N)비를 도시한 도면이다. 7dB이하의 채널 S/N비에서 통신된 S/N비가 사실상 동일하나, 7dB을 상회하면 순수한 2-레벨 시스템은 양호하게 동작한다. 또한 상기 도면내에 점선으로 도시된 것은 최하위 비트의 크기이며, 이는 6dB x 4 = 24dB이다.
매개 변수값을 통신함에 있어서, 최하위 비트의 정확도보다 큰 정확도는 실제 아무런 쓸모가 없다는 주장이 있을 수 있다. 사실, 소스 신호내에는 더 이상 큰 정확도는 없을 것이며, 4 비트로 양자화 되므로 양자화 잡음의 영향받는다. 따라서 최소 비트보다 현저히 작은 회복된 RMS 에러값은 거의 이점이 없으며, 만약 또 다른 성질과 이를 교환할 수 있다면, 교환해야 한다. 다중 레벨 기법인 경우, 상기 에러값은 전송 시간의 감소와 교환된다.
도 5에는, 또한, 3개의 2-레벨 심벌들 및 1개의 4-레벨 심벌로 전송되는 4-비트 데이터 워드(2개의 2-레벨 심벌들로 전송되는 최상위 비트)에 관한, 채널 S/N비에 대한 통신된 S/N 비가의 곡선(M2)도 도시되어 있다. 상기 기법을 사용하는 동작은 채널 S/N가 약 11db보다 작을 때 3개의 심벌 기법보다 양호하고, 채널 S/N비가 약 9dB보다 작을 때 4개의 2-레벨 심벌 기법보다 양호하다. 4-레벨 심벌을 사용하는 상기 두 기법은, 양호한 채널을 사용할 수 있을 때, 상기 심벌의 존재로 인해 제한된다.
예컨대, 두 심벌들은 횡축 채널을 사용한 상이한 변조 차원들로 동시 전송된다. 3 비트 워드가 최상위 비트에 대해 2-레벨 심벌로 코딩되고, 나머지 비트들에 대해 4-레벨 심벌로 코딩된다고 상정한다. 상이한 클록 간격동안 2개의 심벌들을 전송하는 대신, 제 1 횡축 채널은 상기 2-레벨 심벌을 전송할 수 있고, 제 2 횡축 채널은 상기 4-레벨 심벌을 전송할 수 있다. 상술한 바와 같이 상기 4-레벨 심벌의 피크 진폭은 크므로, 제 2 횡축 채널내 신호의 피크 진폭은 제 1 횡축 채널의 그것보다 더 크다. 따라서, 두 심벌은 상이한 클록 간격들로 결합되기보다 상이한 변조 차원들로 결합된다. 선택적으로, 상기한 심벌 결합은 변조 차원들 중 하나가 나머지와 다르게 가중되는 횡축 진폭 변조(QAM)로 볼 수 있다.
상술한 4 심벌 예를 사용하여, 1 횡축 채널이 최상위 비트를 나타내는 2개의 2-레벨 심벌들을 심벌 단위로 차례로 전송하는 동안, 다른 채널은 상기 4-레벨 심벌에 선행하는 나머지 2-레벨 심벌을 전송할 수 있다. 이는 4-QAM 신호를 포함한 클록 간격 및 8-QAM신호를 포함한 클록 간격을 포함하는 QAM 장치와 유사하다.
본 발명에 따른 상이한 각 상태수를 나타내는 상기 두 심벌들은 1차원 다중-레벨 심벌과 함께 (2차원내 상태간 이격 거리가 동일한) 종래의 QAM 심벌이나 보다 작은 수의 상태들을 나타내는 QAM 심벌을 포함할 수 있다. QAM은 상기 "디지털 전송 시스템"에 보다 상세히 기술되어 있다. 즉, 16-QAM내 2개의 상이한 변조 차원들 각각의 4개의 상이한 레벨들은 결합되어 16개의 분리된 상태들을 제공한다. 상기 변조는 워드의 하위 비트들에 대해 사용되나, 2-레벨(또는 3-레벨 등) 변조는 상위 비트들에 대해 사용된다. 16-QAM 신호에 인가되는 디지털 워드의 값들에 대한 가능한 배치의 일 예는 단순한 격자로 도시된다.
워드값에 상태를 할당할 때의 목표는, 예컨대, 통신 채널상의 잡음에 의해, 인접 상태들이 서로 오인될 때 수신 또는 디코딩상의 RMS 에러를 최소화하도록 상기 변조의 인접 상태의 값을 정하는 것이다.
16-QAM 신호는 4 비트의 데이터 워드에 대응하는 16 상태들을 나타내는데 사용될 수 있으므로, 긴 데이터 워드들을 적은 클록 간격들로 통신되도록 한다. 선택적으로, 상기 신호는 예컨대 10개 또는 12개의 상이한 상태들과 에러 검출 및 정정을 나타내는데 사용될 수 있으며, 이는 상기 상태들에 적용되어 16-QAM내의 이용 가능한 나머지 상태들을 개발하는 종래 기술로서 공지되었다.
또 다른 선택예로서, 상기 16-QAM 심벌은, 사용되지 않은 상태들의 전보 또는 일부를 사용하여 에러 코딩을 제공하려는 시도 없이, 16 미만의 상태들을 나타내는데 사용될 수 있다. 일정한 인접 상태들간의 큰 간격으로 인해, 동작이 향상될 것이다. 예컨대, 이하와 같이 16개의 상태들 중 14개가 할당되면, 상기와 같이 16개의 상태들을 할당했을 때 RMS 에러의 약 75%가 된다.
보다 적은 수의 상태들을 할당함으로써 보다 견고한 전송이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 따른 코딩 시스템은 복수의 16-QAM 신호들을 제공하여 워드를 코딩한다. 상기 워드의 상위 비트는 하위 비트보다 저밀도(성긴) 16-QAM 배치로 코딩될 것이다. 상기 저밀도 16-QAM 배치는 상이한 변조 차원의 2개의 심벌이라기보다 1개의 심벌로 간주될 수 있다. 왜냐하면, QAM 신호는 상이한 상태수들을 나타내는 심벌로 쉽사리 분해될 수 없기 때문이다. 상기 2개의 차원에서 상태간 최소 이격 거리가 변하면, 이는, 비록 상기 두 심벌들이 할당되는 모든 상태는 아닐지라도, 상이한 변조 차원들내의 두 심벌들로 간주될 수 있다.
본 발명에 따른 다차원 변조의 개발은 3개의 차원들 및 그 이상으로 확대될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 디지털 코딩된 아날로그 신호를 전송하는 전송 장치를 도시한 도면이다. 마이크로폰(39)로 표시된 아날로그 신호원은 코드 여기 선형예측(CELP) 아날로그 신호 코딩 장치(36)에 연결된 출력을 가진다. 다른 타입의 코딩 장치는 상기 전송 장치(특히 보코더(vocoder)와 같이 매개 변수에 기초한 장치)내에 사용하기 적합하다. 장치(36)의 출력은 최대 8비트까지 포함할 수 있는 디지털 매개 변수값의 세트이며, 이들 각각 또는 전부는 3개의 출력을 가진 분할 장치(38)에 시계열적으로 공급된다. 장치(38)의 제 1 출력은 상기 매개 변수들의 최상위 비트 4개를 포함하며, 상기 출력은 4개의 2-레벨 변조된 심벌들을 결합장치(46)의 제 1 입력에 제공하는 2-레벨 변조 장치(40)에 공급된다. 장치(38)의 제 2 출력은 상기 매개 변수의 제 5 및 제 6 상위 비트를 포함하며, 제 1 다중 레벨 변조 장치(42)에 공급된다. 장치(42)의 출력은 결합 장치(46)의 제 2 입력에 공급되는 3-레벨 심벌이다. 장치(38)의 제 3 출력은 상기 매개 변수의 제 6, 제 7 및 제 8 상위 비트를 포함하며, 제 2 다중 레벨 변조장치(44)에 공급된다. 장치(44)의 출력은 결합 장치(46)의 제 3 입력에 공급되는 8-레벨 심벌이다. 장치(46)는 6개의 심벌들을 일련의 스트림으로 배열하고, 전송을 위해 이를 전송기(Tx; 48)에 결합한다. 상기 스트림내 16개의 상태들 중 하나를 나타내는 4개의 최하위 비트는 3-레벨 심벌로 나타나는 인수 3 및 8-레벨 심벌로 나타나는 인수 6으로 분할된다. 6-레벨 심벌은 상기 8-레벨 심벌 대신 사용될 수 있다. 선택적으로, 에러 검출 또는 정정 코딩을 최하위 비트에 적용되어 24개 상태들을 모두 공급할 수 있으므로, 상기 3-레벨 및 8-레벨 심벌들로 나타날 수 있는 상태들을 전적으로 개발한다. 보다 간단히, 상기 디지털 워드의 상태들은 8-레벨 심벌에 적용되어 상기 상태들간 거리를 최대화하고, 상술한 바와 같이 보다 견고한 코딩을 제공할 수 있다. 물론, 장치(36)에 의해 발생된 일정한 변수들은 그들이 포함하고 있는 임의의 비트에 대해 특정한 가중치를 부여하지 않으며, 순수한 2-레벨 기법이나 전체 매개 변수에 대한 동일한 다중 레벨 심벌들을 보통의 방식으로 사용함으로써, 상기 변수들이 전송될 수 있다. 따라서 분할 장치(38)는 상기 변수 전체를 적절한 변조 장치에 적용하도록 배열된다.
도 8에는 클록 간격(b1 내지 b6)동안 결합 장치(도 6의 46)의 출력의 가능 상태가 도시되어 있다. 간격(b5)내의 3-레벨 심벌은 후속 심벌의 유효성을 감소시키도록 영향(에러 기여를 감소시키는 영향)을 미친다.
도 7에는 도 6의 전송 장치와 함께 사용되는 수신 장치가 도시되어 있다. 라디오 수신기(Rx; 50)는 3개의 출력을 가진 불할 장치(52)와 연결되는 출력을 가진다. 장치(52)의 제 1 출력은 2-레벨 복조기(54)에 공급되며, 상기 수신 신호의 4개의 2-레벨 심벌들을 포함한다. 장치(52)의 제 2 출력은 3-레벨 복조기(56)에 공급되며, 상기 수신 신호의 3-레벨 심벌을 포함한다. 장치(52)의 제 3 출력은 8-레벨 복조기(58)에 공급되며, 상기 수신 신호의 8-레벨 심벌을 포함단다. 상기 3개의 복조기들의 출력들은 결합 장치(60)의 각 입력에 공급되어, 평행 데이터 워드로 전환된다. 상기 병렬 데이터 워드는 변환기(이 경우에는, 스피커(64))에 연결된 출력을 가지는 CELP 아날로그 신호 재합성 장치(62)에 공급된다.
만약 아날로그 신호 코딩 및 디코딩 장치가 없다면, 도 6 및 도 7의 장치들은 아날로그 신호가 아닌 신호들의 통신에 적용될 수 있다. 따라서 8 비트 워드는 6 클록 간격으로 전송될 수 있다. 또한, 보다 긴 워드는 적절한 심벌들을 선택하고 보다 긴 클록 간격들을 사용하여 통신될 수 있다.
도 9는 도 6 및 도 7의 전송 장치의 동작과 8 비트 전부를 2-레벨 심벌로 코딩하는 시스템의 성능을 비교한 그래프이다. 수직축(COM)은 전송된 신호의 통신된 S/N 비이고, 수평축(CH)은 채널 S/N 비이다. 곡선 B는 8 클록 간격내 2-레벨 시스템의 동작을 나타내고, 곡선 M은 6 클록 간격내 다중 레벨 기법의 동작을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 2개의 시스템들의 동작은 채널 S/N 비가 11dB에 미달되면 사실상 동일하며, 상기 S/N 비가 11dB을 상회하여도 크게 다르지는 않다. 도 5에서와 같이, 도면에는 실제적인 정확도의 한계를 표시한 점선이 있으며, 이 경우에는 48dB이다. 도시된 바와 같이, 상기 다중 레벨 기법은 상기 한계에 이를때까지 사실상 동일한 동작을 발생한다.
진폭 변조의 일 선택예로서, 다중 상태 심벌은 전송기에서 특정 상태가 일련의 위상 또는 각도 변화로 변조되는 위상 천이 변조(PSK)에 의해 발생될 수 있다. 2진 PSK는, 상대 위상 천이 0 및 π에서 두 신호중 하나를 사용하여, 심벌당 가능한 2 상태들 중 하나를 전송할 수 있다. 횡축 PSK는 0, π /2, π 및 3π /2 라디안의 상대 위상 천이들을 사용하고, 8-PSK는 0, π /4, π /2, 3π /4, π , 5π /4, 3π /2 및 7π /4 라디안의 상대 위상 천이들을 사용한다.
본 발명에 따른 PSK를 사용하는 시스템은, 변조 장치들(14, 16)이 각각 2개의 이진 PSK 심벌들과 횡축 PSK 심벌을 제공하도록 배열된 도 1의 장치를 포함할 수 있는 PSK 를 사용한다. 결합 장치(18)와 Tx(20)는 PSK 신호로 동작하도록 배열된다. 마찬가지로, 도 2의 Rx(22), 분할 장치(24) 및 복조 장치(26, 28)는 PSK 신호로 동작하도록 배열된다. PSK의 사용은, 다중 레벨 심벌들에 대해 상술한 방식과 유사하게, 2, 4 및 8-PSK의 조합과 같은 또 다른 다중 상태 심벌들로 확대될 수 있다.
PSK 신호를 수신함에 있어서, 에러가 발생하면 1개의 상태로 전송된 신호는 진폭 변조의 경우와 마찬가지로 2개의 인접 상태와 혼동될 수 있다. 그러나 PSK의 속성인 순환에러 효과로 인해 또 다른 문제가 발생하는데, 이는 8-PSK에서 0 라디안으로 전송된 위상 신호는 동일한 확률로 π /4 라디안 또는 7π /4 라디안으로 수신될 수 있다는 것이다. 따라서, 만약 상기 디지털 워드에 의해 나타나는 8개의 상태들을 PSK의 그것들로 일렬 할당하려고 한다면, 단일 위상 등급의 전송에 에러가 발생될 수 있는데, 이는 제 1 상태로 전송된 신호가 마지막 상태의 신호로서 수신되거나 그 역의 경우를 야기한다. 1 위상 등급의 작은 에러가 상기 수신된 값에 영향을 미치지 못하게 하도록, 상기 워드의 8개 상태는 PSK 위상으로 이하와 같이 할당될 수 있다.
따라서, 1위상 등급 또는 π /4의 에러 전송은 2개 상태들보다 큰 크기를 가진 디지털 워드내에서는 결코 에러로 감지되지 않는다. 다른 스타일의 상태 배치는 다른 수의 상태들을 사용하는 PSK 코드에 적용될 수 있다. 예컨대, 12-상태 심벌을 사용하면, 일렬 배치는 다음과 같다.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
그러나 상기 RMS 에러는 다음 배치를 사용하면 4dB 만큼 감소된다.
1 2 3 5 6 8 9 11 12 10 7 4
이하를 사용하여 또 다른 미소한 향상을 얻을 수 있다.
1 3 5 7 9 11 12 10 8 6 4 2
상이한 변조 차원내 2개의 다중 상태 심벌들의 상기한 조합과 유사한 방식으로, 두 심벌들은 단일한 PSK 신호로 결합될 수 있다. 예컨대, 2-상태 심벌과 4-상태 심벌은, 0 라디안을 2-상태 심벌의 상태들 중 일측에 할당하고 π 라디안을 타측에 할당함으로써, 결합될 수 있다. 4-상태 심벌의 상태들은 각각 -π /4, -π /12, +π /12, +π /4 라디안에 할당될 수 있다. 상기 두 심벌들은 결합하여 내부 상태 등급이 동일하지 아니한 8-상태 심벌로 된다. 상기 2-상태 심벌의 상태간 최소각은 π /2이고, 상기 4-상태 심벌의 상태간 최소각은 π /6이므로, 최상위 비트와 나머지 비트들에 대한 보호의 정도는 상이하다.
도 5를 참조하여 상술한 바와 같이, 1 클록 간격으로 통신되는 최상위 비트와 비교할 때, 상기 최상위 비트는 1 이상의 심벌로 표시되어 시스템의 동작에 상당한 영향을 미친다. 상기 영향은 확대되어 전송될 상기 심벌들 전부의 지속 시간을 변경한다.
4-비트 워드의 경우, 순수한 2-레벨 시스템에 대립하는 다중 심벌 신호를 사용하여 1 클록 간격을 절감함으로써, 상기 3개의 심벌들의 지속 시간을 4/3배 확장 시킬 수 있다. 통신 시스템의 감도의 향상과 함께, 상기 채널 잡음은 10log [4/3] = 1.25dB만큼 감소될 것이다. 그러나 상기 시스템의 수신단에서의 클록 복원은 문제가 될 수 있다.
선택적으로, 상기 심벌들의 지속 시간을 서로 다르게 만들 수 있다. 4개의 클록 간격들을 4-비트 워드에 할당하는 일예는 :
3개의 클록 간격들로 4 비트 워드를 전송하는 가능한 배치는 :
도 10은 통신된 S/N 비(COM)을 수직축으로하고 채널 S/N 비(CH)를 수평축으로 하여, 순수한 2-레벨 심벌 체계(B), 4 클록 간격(M1) 체계 및 3 클록 간격(M2) 체계를 도시한 도면이다. 도 5와 비교하면, 심벌 에지가 클록 간격 경계와 일치하는 시스템의 비정수 클록 간격의 할당 동작이 향상됨을 알 수 있다. 비록 단지 3/4의 전송 시간만을 점유함에도 불구하고, 상기 4 클록 간격 체계는 순수한 2-레벨 시스템보다 1.7dB만큼 양호한 감도를 가지며, 상기 3 클록 간격 체계도 상기 순수한 2-레벨 시스템보다 우수한 동작을 할 수 있다. 이용 가능한 정확도의 한계는 24dB의 통신된 S/N 비에 점선으로 도시되어 있다.
상이한 심벌 지속 시간을 8-비트 데이터 워드를 8 클록 간격내 코딩하는 시스템에 적용될 수 있다. 가능한 배치의 일 예는 :
도 11은 통신된 S/N 비(COM)를 수직축으로 하고 채널 S/N 비(CH)를 수평축으로 하였을 때, 순수한 2-레벨 심벌 체계(B) 및 다중-레벨 심벌 체계(M)를 도시한 그래프이다. 약 12.5dB에 미달하는 채널 S/N 비에서, 상기 순수한 2-레벨은 다중레벨 심벌 체계(M)보다 열등한 동작을 제공한다. 매우 불량한 채널에서, 에러값은 다중-레벨 심벌 체계를 사용하여 유지되며, 채널 S/N 비는 최대 2dB까지 순수한 2-레벨 체계보다 나쁘다. 이용 가능한 정확도의 한계인 48dB은 점선으로 도시되어 있다.
불일치한 심벌 지속 시간 및 클록 간격의 대안으로, 본 발명에 의해 절감된 통신 시간은 디지털 워드의 상위 비트에 대한 에러 정정 또는 검출 코드에 적용될 수 있다. 각 입력 비트에 대해 2 출력 비트를 제공하는 중첩 코드(convolutional code)가 상기한 경우에 적합하다. 다른 코딩 기법, 예컨대, 해밍 코드(Hamming Code)도 적용될 수 있다. 상위 비트에 대한 에러 정정 또는 검출 코딩 비트는, 2-상태 심벌들로 전송될 개연성이 있으며, 다중-상태 심벌의 일부로서 하위 비트와 통신되도록 배열된다.
당업자는 본 기재 내용으로부터 다른 변형예들을 용이하게 유추할 수 있을 것이다. 상기 변형예들은 디지털 데이터 워드를 통신하는 시스템과 이의 구성부를 설계, 제작 및 사용에 있어 이미 주지되고 상술한 특성들에 갈음하거나 부가하여 사용될 수 있는 특성들을 포함할 수 있다. 비록 본 명세서에서 청구항들은 특성들의 특별한 조합으로 형상화되었지만, 본 출원의 공개 범위는, 청구항에서 청구된 발명과의 동일성 여부와 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제와 동일한 과제의 전부 또는 일부의 해결 여부와 무관하게, 명시적, 함축적 또는 일반화하여 공개된 여하한 신규 특성이나 그 특성들의 신규한 조합도 포함한다는 사실을 이해해야 한다. 출원인들은 본 출원 또는 본 출원에 의해 파생된 또 다른 출원의 계류중에 상기한 특징들 및/또는 그 특징들의 조합들을 새로운 청구항들로 청구할 수 있음을 알린다.

Claims (10)

  1. 디지털 데이터 워드들을 통신하는 시스템에 있어서, 각 디지털 데이터 워드의 상위 섹션에 응답하여 제1 심벌을 발생하는 수단과, 각 디지털 데이터 워드의 하위 섹션에 응답하여 상기 제1 심벌보다 더 큰 상태수를 나타내는 제2 심벌을 발생하는 수단과, 코딩된 신호를 제공하도록 상기 제1 및 제2 심벌들을 결합하는 수단과, 상기 코딩된 신호를 전송하는 수단과, 상기 전송된 코딩된 신호를 수신하는 수단과, 수신된 신호를 제1 및 제2 심벌들로 분리하는 수단과, 상기 제1 심벌로부터 수신된 데이터의 상위 섹션을 유도하는 수단과, 상기 제2 심벌로부터 수신된 데이터의 하위 섹션을 유도하는 수단과, 출력 디지털 데이터 워드를 제공하도록 상기 수신된 데이터의 상기 상위 섹션 및 상기 하위 섹션을 결합하는 수단을 포함하는 디지털 데이터 워드 통신 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 심벌의 지속 시간은 상기 제2 심벌의 지속 시간보다 긴, 디지털 데이터 워드 통신 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 심벌 및 상기 제2 심벌은 동시에 전송되는, 디지털 데이터 워드 통신 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 심벌을 발생하는 수단 및 상기 제2 심벌을 발생하는 수단은 동일한 평균 전력을 가진 심벌들을 제공하도록 배열되는, 디지털 데이터 워드 통신 시스템
  5. 디지털 데이터 전송 장치에 있어서, 각 디지털 데이터 워드의 상위 섹션에 응답하여 제1 심벌을 발생하는 수단과, 각 디지털 데이터 워드의 하위 섹션에 응답하여 상기 제1 심벌보다 더 큰 상태수를 나타내는 제2 심벌을 발생하는 수단과, 코딩된 신호를 제공하도록 상기 제1 및 제2 심벌들을 결합하는 수단과, 상기 코딩된 신호를 전송하는 수단을 포함하는 디지털 데이터 전송 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 심벌의 지속 시간은 상기 제2 심벌의 지속 시간보다 긴, 디지털 데이터 전송 장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 제3, 제4, 제5 및 제6 심벌들을 발생하는 수단을 더 포함하고, 상기 제1, 제3, 제4 및 제5 심벌들은 상기 디지털 데이터 워드의 상기 상위 섹션의 네 개의 최상위 비트들에 각기 응답하여 발생되며, 상기 제2 심벌 및 상기 제6 심벌은 상기 디지털 데이터 워드의 상기 하위 섹션의 네 개의 최하위 비트들에 응답하여 발생되는, 디지털 데이터 전송 장치.
  8. 디지털 데이터 수신 장치에 있어서, 전송된 신호를 수신하는 수단과, 수신된 신호를 제1 심벌과 상기 제1 심벌보다 더 큰 상태수를 나타내는 제2 심벌로 분리하는 수단과, 상기 제1 심벌로부터 수신된 데이터의 상위 섹션을 유도하는 수단과, 상기 제2 심벌로부터 수신된 데이터의 하위 섹션을 유도하는 수단과, 출력 디지털 데이터 워드를 제공하도록 상기 수신된 데이터의 상기 상위 섹션 및 상기 하위 섹션을 결합하는 수단을 포함하는 디지털 데이터 수신 장치.
  9. 디지털 데이터 워드들을 코딩하는 시스템에 있어서, 각 디지털 데이터 워드의 상위 섹션에 응답하여 제1 심벌을 발생하는 수단과, 각 디지털 데이터 워드의 하위 섹션에 응답하여 상기 제1 심벌보다 더 큰 상태수를 나타내는 제2 심벌을 발생하는 수단과, 코딩된 신호를 제공하도록 상기 제1 및 제2 심벌들을 결합하는 수단을 포함하는 디지털 데이터 워드 코딩 시스템.
  10. 코딩된 신호로부터 디지털 데이터 워드를 유도하는 시스템에 있어서, 코딩된 신호를 제1 및 제2 심벌들로 분리하는 수단과, 상기 제1 심벌로부터 데이터의 상위 섹션을 유도하는 수단과, 상기 제2 심벌로부터 데이터의 하위 섹션을 유도하는 수단과, 상기 디지털 데이터 워드를 제공하도록 상기 데이터 워드의 상기 상위 섹션 및 상기 하위 섹션을 결합하는 수단을 포함하는 디지털 데이터 워드 유도 시스템.
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