JPH11513211A - レートコンパティブルなパンクチャリングされた畳み込み符号を用いるトレリス符号化ｑａｍ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 畳み込み符号化（１４）、パンクチャリング符号化（１６）、およびデジタル直角振幅変調（１５）を組み合わせることで、選択的な保護を与えるためのデジタル伝送システムが開示される。畳み込み符号化のレートをＮ／Ｎ２とした場合、直角振幅変調は、２^2Nポイントのコンステレーションを使用する。用途：デジタル伝送システム、衛星テレビジョン、ケーブルテレビジョン等。

Description

【発明の詳細な説明】 レートコンパティブルなパンクチャリングされた畳み込み符号を 用いるトレリス符号化ＱＡＭ 説明 発明の分野 本発明は、送信機と受信機を含む選択的保護デジタル伝送システムに関する。 このシステムの送信機は、データを符号化するための第一の畳み込み符号化(con volutional coding)手段、符号化にパンクチャリング(puncturing)を適用するた めの第二の符号化手段、および符号化されたデータをデジタル的に変調されたシ ンボルに割当てるための手段を含む。 本発明は、同様に、そのようなシステムにおいて使用される送信機と受信機、 並びに、選択的保護(selective protection)のための方法に関する。このシステ ムは、ケーブルテレビジョン、衛星テレビジョンその他に対するデジタル伝送の ために使用することが可能である。 発明の背景 通常、このようなシステムは、様々なビット流れ(bit stream)を生成するソー スを含むが、各ビット流れは、伝送チャネルが不完全なことによるエラーに対し て異なる保護を与えることが必要とされる。許容できるエラー率は、各ビット流 れによって異なる。一例においては、ソースは、３つのビット流れを生成し、各 ビット流れは、おのおの、１０^-4、１０^-7、１０^-11の最大伝送エラー率を持つ 。 選択的保護を達成するための従来の方法においては、各ビット流れに対して、 異なる符号が用いられる。そして、様々なビット流れから来る様々な符号化され た信号を時分割多重化することによって送信信号が得られる。例えば、エラー修 正符号を使用して、その符号の修正能力を、要望されるエラー率の関数として調 節することが考えられる。ただし、このアプローチは、以下の２つの短所を持つ ： −復号のために、各ビット流れに対して、別個の復号器が必要となり、このた めにハードウエアが複雑になる。 −符号化が使用される変調と関連しない。このため、最適な性能を、信号対雑 音比の関数としてのエラー率の観点から達成することは不可能である。 第一の短所は、“Rate-compatible punctured convolutional codes(RCPC cod es)and their applications",IEEE Transactions on Communications,J.Hagenau er,vol.36,No.4,April 1988,pp.389-399において述べられているように、システ ムにパンクチャリングされた符号を導入することによって押さえられてきた。こ の原理は、全てのビット流れに対して、同一の１／２あるいは１／３なるレート を持つ単一の畳み込み符号（母符号と呼ばれる）を用い、各ビット流れに対して 異なるパンクチャリング符号化を適用することから成る。パンクチャリング符号 化は、上述の文献によると、幾つかのビットの送信を、パンクチャリングマトリ ックスと呼ばれるマトリックスの関数として周期的に抑止することから成る。こ うして、パンクチャリングされた符号のレートは、パンクチャリングしない符号 のレートより高くなる。この文献は、ＰＳＫ２あるいはＰＳＫ４位相変調にこれ を適用する。 受信端においては、復号が、各ビット流れから来るベースバンド内において受 信されるシンボルのメトリクス(metrics)を計算することによって遂行される。 メトリクスの計算は、パンクチャリングマトリックス(puncturing matrix)、従 って、各ビット流れに、依存する。送信されたビットは、ビタビ復号器(Viterbi decoder)によって推定されるが、この復号器は、様々なビット流れに対応する 全ての信号を処理するために共有される。 １／２なるレートを持つ符号の短所は、これらが、ＰＳＫ２およびＰＳＫ４位相 変調などのようにスペクトル効率の低い変調（２ビット／ｓ／Ｈｚ以下）にしか 使用できないことである。これら変調では、最大で、使用される帯域の二倍のビ ットレートしか達成できない。帯域を一定にして、レートを増加させるためには 、ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation：直角振幅変調）タイプのスペク トル効率の高い変調を利用することが必要である。ただし、上述のJ.Hagenauer によって説明される１／２なるレートを持つパンクチャリングされた畳み込み符 号を、ＱＡＭ変調と、並置して、使用する方法では、これらの符号が変調とは無 関係に設計されているために、最適な性能を達成することは不可能である。 発明の要約 従って、本発明の一つの目的は、このような伝送システムの性能を、システム が最小の信号対雑音比にて正しく動作することを確保し、システムのスペクトル 効率を改善することで、向上させることにある。 この目的が、本発明によるシステムによって達成される。このシステムの第一 の符号化手段は、Ｎ／２Ｎ（ここで、Ｎは、１より大きな整数）なるレートを持 つ畳み込み符号化を達成し、この符号化が２^2Nの状態を持つ直角振幅変調と組み 合わされ、シンボルに、パンクチャリング符号化が適用される。 本発明は、同様に、このシステム内で使用される送信機と受信機に関する。 好ましくは、畳み込み符号化は、２／４なるレートを持ち、この符号化が、Ｑ ＡＭ１６デジタル変調と組み合わせられ、この畳み込み符号化とパンクチャリン グが、最適な性能が達成されるように組合せられる。この畳み込み符号化は、各 ビット流れを処理することによって達成される。具体的には、ビット（入力ビッ トと呼ばれる）が、２ビットづつ取られ、これらが４ビット（出力ビットと呼ば れる）に符号化される。こうして、考慮下のビット流れから取られた２つの入力 ビットＸ₀、Ｘ₁は、シフトセルの各列に送られ、各シフトセルは、各ビットを、 使用される変調の１シンボル期間Ｔに相当する期間だけ遅延する。次に、これら ビットＸ₀、Ｘ₁を、ビットＸ₀、Ｘ₁の遅延される前のバージョンと線形的に結合 することによって、出力ビットＹ₀、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｙ₃が決定される。好ましい実施 例においては、第一の畳み込み符号化手段は、３つのシフトセルを含む。 このシステムは、好ましくは、２／４なるレートを持つ畳み込み母符号(convo lutional mother codes)に基づく。つまり、２つの情報ビットに対して、符号器 の内部状態とその２つの情報ビットに従って符号化された４つのビットが生成さ れる。次に、これら４つのビットによって、２つの４レベルシンボル（＋１、− １、＋３、−３）が選択される。つまり、４つのレベルの４ＡＭ振幅変調を持つ ２つの実数シンボルが選択される（シンボル当たり２つの出力ビット）。次に、 これら２つの実数シンボルを結合することで、ＱＡＭ１６コンステレーション(c onstellation)の複素シンボルが得られる。符号化の後に、従来の技術によるＰ ＳＫ４変調の符号のパンクチャリングの場合のようにビットにではなく、これら ２つの４ＡＭ出力シンボルに、パンクチャリングが適用される。このパンクチャ リングは、パンクチャリングマトリックスＭによって定義される。こうして符号 化されたデータが、次に、従来の技術に従って、搬送波を用いて送信される。 以下に説明する２／４なるレートを持つ畳み込み符号は、パンクチャリングの 後に、最適な符号となるように設計される。つまり、ある与えられた信号対雑音 比、並びに、４ＡＭ変調あるいはＱＡＭ１６変調のおのおのに対して、エラー率 が最低となるように設計される。 こうして、信号対雑音比およびスペクトル効率の両方の点で最適な性能を持つ システムが、畳み込み符号を最適な仕方で利用する２／４なるレートを持つ符号 器構成と、パンクチャリングを最適な仕方で利用するパンクチャリングマトリッ クスを組み合わせることで得られる。この符号器構成とパンクチャリングマトリ ックスの最適な組合せから最適な動作が達成される。最適なパンクチャリングマ トリックスは、求められる最終レートに依存する。 本発明は、実際には、畳み込み符号化と直角振幅変調を、並置するのではなく 、組み合わせることに関する。 このシステムは、以下のような長所および特徴を持つ： − パンクチャリングされた２進符号をＰＳＫ４位相変調と共に用いる従来のシ ステムと比較して、２倍高い伝送容量（２〜４ビット／ｓ／Ｈｚのスペクトル効 率）が達成される； − パンクチャリングされた畳み込み符号をＱＡＭ変調と共に使用する従来のシ ステムと比較して、エラー率の点で性能がより最適化される； − このシステムは、単一のビタビ復号器が、様々な保護レベルを必要とする様 々なデータ流を復号するために共有されるために、複雑なハードウエアを必要と しない； − 使用する符号は、好ましくは、２つの入力ビットと４つの出力ビットを持つ ２／４畳み込み符号とされる。入力ビットと符号器の状態（メモリ）に応答して ４つの出力ビットを生成する関数が、ＱＡＭ１６変調の観点から、最適化される 。 − パンクチャリングは、従来の技術によるパンクチャリングの場合のように、 ビットではなく、４ＡＭシンボル、つまり、４つの可能な値（＋１、−１、＋３ 、−３）を取る実数シンボルに適用される； − ２／４なるレートを持つ畳み込み符号は、２／４なるレートの符号の最小ユ ークリッド距離が、ＱＡＭ１６変調と組み合わせたとき、最大になるように選択 される。パンクチャリングされた２／４なるレートの符号の最小ユークリッド距 離についても、ＱＡＭ１６変調と組み合わせたとき、最大になるように選択され る。これは、符号の組合せが、変調の先頭に来るようにする。 本発明は、デジタル伝送システム内で使用される選択的保護方法にも関するが 、この方法は： −入力データを出力データに畳み込み符号化するステップ； −前記畳み込み符号化のパンクチャリングを少なくとも一つのパンクチャリン グマトリックスを適用することで達成するステップ；および −データをデジタル的に変調されたシンボルに割当てるステップを含を含む。 本発明の特徴として、この畳み込み符号化は、Ｎ／２Ｎ（ここでＮは１より大 きな整数）なるレートを持つ畳み込みトレリス符号化(convolutional trellis c oding)とされ、この符号化が２^2N状態の直角振幅変調と組み合わされ、シンボル に、パンクチャリング符号化が適用される。そして、畳み込み符号化とパンクチ ャリング符号化が、最適な性能が得られるように組み合わせられる。 異なるレートを持つパンクチャリングされた畳み込み符号を利用することも可 能である。例えば、本発明のもう一つの実施例においては、畳み込み符号化は、 ３／６なるレートを持ち、これがＱＡＭ６４デジタル変調と組み合わされ、この 符号化とパンクチャリングが、最適な性能が得られるように組み合わされる。つ まり、３／６なるレートの符号の最小ユークリッド距離が、ＱＡＭ６４と組み合 わされたとき、最大になるようにされる。追加の長所として、本発明によると、 より良好なスペクトル効率（同一の帯域でより高いレート）と、より優れた性能 が達成される。 Ｎ／２Ｎなるレートの畳み込み符号器を実現するために、第一の符号化手段は 入力データを遅延するためのシフトセル、および入力データを遅延された入力デ ータと線形的に結合することで出力データを生成するための手段を含む。 本発明のこれらおよびその他の特徴が、後に説明する実施例から明らかになる ものである。 図面の説明 図１は、ベースバンド伝送システムの略図であり； 図２は、２／４なるレートを持つ畳み込み符号器を含むシステムの略図であり ； 図３は、２／４なるレートを持つ畳み込み符号器の一般図であり； 図４は、２／４なるレートを持つ一つの特定な符号器の略図であり； 図５は、４ＡＭ変調の２つの実数成分に対する２つの符号の２つの表現を示し ； 図６は、２つの４ＡＭ成分を結合するＱＡＭ１６コンステレーションの表現を 示し； 図７は、８状態符号器のトレリスを示し； 図８は、トレリスパンクチャリングされた符号経路（trellis-puncured code paths）のトレリスを示す。 詳細な説明 図１は、ベースバンド伝送システムの一般ブロック図を示す。このシステムは 、送信機１、および受信機２を含む。送信機は、様々なビット流れ２Ｌ1、２Ｌ2 、．．．２ＬNを生成するソース１０を含む。本発明の目的は、各ビット流れに 対して異なる保護を与えることにある。送信される信号は、様々なビット流れか ら来る異なるサイズのパケットを、ここでは、第一のビット流れからの２Ｌ1ビ ット、第二のビット流れからの２Ｌ2ビット、．．．ｎ番目のビット流れからの ２Ｌnビット、を多重化することによって形成される。これらビット流れは、マ ルチプレクサＭＵＸ１２によって選択され、マルチプレクサＭＵＸ１２は、これ らビット流れを符号器１４に分配する。符号器１４は、全てのビット流れを処理 するために共有される。一連のビット流れは、以下の通りである： ［２Ｌ１］［２Ｌ２］........［２Ｌｎ］［２Ｌ１］［２Ｌ２］...... 好ましくは、符号器１４は、２／４なるレートを持つ従来のトレリス符号化を 遂行する。符号器１４によって生成されたこれらビットは、次に、ペアにてグル ープ化され、これから、シンボルＩとシンボルＱが生成される。これらシンボル は、次に、マッピングデバイスＭＡＰＰ１５によって、ＱＡＭ１６直角振幅変調 シンボルに変換される。マッピングデバイスＭＡＰＰ１５の出力の所で、第二の 符号器ＰＵＮＣＴ１６によって、パンクチャリングが適用される（施される）。 このパンクチャリングは、マトリックスＭ１によって定義され第一のビット流れ の符号化されたビット２Ｌ1に作用を及ぼす第一のパンクチャリング、マトリッ クスＭ２によって定義され第二のビット流れの符号化されたビット２Ｌ2に作用 を及ぼす第二のパンクチャリング、．．．、ｎ番目のビット流れの符号化された ビット２Ｌnに作用を及ぼすパンクチャリングに分割される。このパンクチャリ ングは、パンクチャリングマトリックスを適用することによって達成されるが、 これらパンクチャリングマトリックスは、各ビット流れに対して、異なるアプリ オリ(a priori：仮定された公理)である。こうして、各ビット流れに対して、異 なるエラー率を持つ保護が得られる。コントローラＣＯＮＴＲＯＬ１８は、全て の符号化動作を管理する。 デジタル変調されたシンボルは、次に、変調器（図示せず）によって、チャネ ルＣＨＡＮ２０を通じて受信機に送られる。受信された信号（図示せず）は、復 調され、これらシンボルは、メトリクス計算ユニットＭＥＴＲＩＣ１１６によっ て処理される。これらメトリクスは、ビタビ復号器１１４に入り、ここで、従来 のビタビ復号が遂行される。ビタビ復号器によって生成されたビット流れは、次 に、デマルチプレクサＤＥＭＵＸ１１４によって分離され、これによって、送信 ビット流れに対応する推定値が生成される。コントローラＣＯＮＴＲＯＬ１１８ は、さまざまな復号動作を管理する。 このシステムは、送信端において、たった一つの従来の符号器のみが使用され 、 受信端においても、たった一つのビタビ復号器のみが使用されるという長所を持 つ。 図２は、従来の２／４レートを持つ従来のトレリス符号器１４を持つシステム の略ブロック図である。このシステム内で、上述のビット流れの一つから取られ た２つの入力データＸ₀とＸ₁が、トレリス符号器１４によって、４つのデータＹ₀ 、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｙ₃に符号化される。これら出力データは、おのおのＹ₀、Ｙ₁のペ アと、Ｙ₂、Ｙ₃のペアに再グループ化され、一方のペアは、ＱＡＭ１６変調の同 相成分に割当てられ、他方の成分は、直角成分に割当てられる。この割当ては、 マッピングデバイス１５によって実行される。その後、メモリユニット１１８ａ から、入力データＸ₀とＸ₁と関連するビット流れに適用されるべきパンクチャリ ングマトリックスを取り出し、パンクチャリングが適用される。その後、受信端 においても、これと同一のパンクチャリングマトリックスを使用して、メトリク スの計算が行なわれる。受信機においては、このマトリックスは、メモリユニッ ト１１８ｂ内に格納される。最後に、ビタビ復号器１１４によって、入力データ Ｘ₀とＸ₁に対応する二つの推定データ＾Ｘ₀と＾Ｘ₁が生成される。 図３は、二つの入力データＸ₀とＸ₁を、４つの出力データＹ₀、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｙ₃ に符号化するための２／４なるレートを持つトレリス符号器１４の概要を示す。 この符号器は、データＸ₀を遅延するための第一の列のシフトセル１４１₁、１４ １₂．．．１４１_v0と、データＸ₁を遅延するための第二の列のシフトセル１４２₁ 、１４２₂．．．１４２_v1を含む。シフトセルの入力データと出力データは、結 合回路１４５に入り、ここで、これらデータは線形的に結合される。結合回路１ ４５からの出力データＹ₀、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｙ₃は、マッピングデバイス１５に供給さ れ、ここで、シンボルＵ_kが生成される。本発明によると、シフトセルの幾つか の出力は、結合回路１４５に接続されない。より詳細には、係数０を割当てられ た出力は、回路１４５に接続されない。 畳み込み符号化を達成するために、データＸ₀とＸ₁は、瞬間ｋＴにおいて、期 間Ｔだけシフトされた前の瞬間におけるこれら同一のデータと結合される。ここ で、Ｔは、シンボル期間である。この符号器は、長さｖ＝ｖ₀＋ｖ₁、つまり、シ フトセルの総数に等しい長さを持つことを特徴とする。こうして、ｖ個のセルを 持つ符号器は、２^vの可能な状態を持つ。 一般的には、２／４なるレートを持つ畳み込み符号器の入力−出力関係は、以 下によって与えられる： ここで、ｖ_iは、符号器によってデータＸ_iを遅延するために用いられるシフトセ ルの総数であり； −ｉは、入力データＸ_iのインデックス（ｉ＝０、１）であり； −ｊは、出力データＹ_jのインデックス（ｊ＝０、１、２、３）であり； −ｐは、データＸ_iに対するセルの列内のセルの通し番号（ｐ＝０、１、２、 ．．vi）である。 係数ｈ_ij ^pは、ｐ番目のシフトセルとｊ番目の出力との間に接続が存在する場 合は、１の値を取る。係数ｈ_ij ^pは、逆にこれらの間に接続が存在しない場合は 、０の値を取る。こうして、ｉ番目の入力Ｘ_iとｊ番目の出力Ｙ_jの間で、これら 係数は、二進多項式ｈ_ij（ｚ）にて表される。 図４は、４つの出力ビットＹ₀、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｙ₃を計算するための３つのシフト セル１４１₁、１４１₂、１４２₁を持つ、つまり、ｖ＝３である、２／４なるレ ートを持つ符号器の具体例を示す。この符号器は、以下によって定義される８個 の生成多項式（generator polynomials）を持つことを特徴とする： ここで、ｉ＝０、１、ｊ＝０、１、２、３。 二進表現では、これら多項式の係数は、以下のように表される： ここで、ｉ＝０、１、ｊ＝０、１、２、３。 本発明による良好な性能を与える２／４なるレートを持つ特定の畳み込み符号 器は、以下の係数を持つ： ｈ₀₀＝６；ｈ₁₀＝０；ｈ₀₁＝７；ｈ₁₁＝３； ｈ₀₂＝２；ｈ₁₂＝０；ｈ₀₃＝６；ｈ₁₃＝１ このような畳み込み符号器が図４に示される。図示するように、この符号器は ： −おのおのＸ₀（ｋ−１）ＴとＸ₀（ｋ−２）Ｔを生成する２つの縦続されたシ フトセル１４１₁と１４１₂； −Ｘ₁（ｋ−１）Ｔを生成する一つのシフトセル１４２₁；および −出力データＹ₁を生成するための第一の加算器手段１９₁を含む。ここで第一 の加算器１９₁は出力データを生成するために： −掛算器手段６₁内で係数ｈ₀₁ ⁰を掛けられたデータＸ₀（ｋＴ）； −掛算器手段６₂内で係数ｈ₀₁ ¹を掛けられたデータＸ₀（ｋ−１）Ｔ； −掛算器手段６₃内で係数ｈ₀₁ ²を掛けられたデータＸ₀（ｋ−２）Ｔ； −掛算器手段５₂内で係数ｈ₁₁ ⁰を掛けられたデータＸ₁（ｋＴ）； −掛算器手段５₃内で係数ｈ₁₁ ¹を掛けられたデータＸ₁（ｋ−１）Ｔ； を受信する。 −この符号器は、さらに出力データＹ₃を生成するための第二の加算器手段１ ９₂を含むが、これはこのために： −掛算器手段５₁内で係数ｈ₁₃ ⁰を掛けられたデータＸ₁（ｋＴ）； −掛算器手段６₅内で係数ｈ₀₃ ¹を掛けられたデータＸ₀（ｋ−１）Ｔ； −掛算器手段６₇内で係数ｈ₀₃ ²を掛けられたデータＸ₀（ｋ−２）Ｔ； を受信する。 −この符号器は、さらに出力データＹ₀を生成するための第三の加算器手段１ ９₃を含むが、これはこのために： −掛算器６₆内で係数ｈ₀₀ ¹を掛けられたデータＸ₀（ｋ−１）Ｔ； −掛算器６₈内で係数ｈ₀₀ ²を掛けられたデータＸ₀（ｋ−２）Ｔ； を受信する。 −出力データＹ₂は、掛算器手段６₄内でデータＸ₀（ｋ−１）Ｔに係数ｈ₀₂ ¹を 掛けることによって得られる。 瞬間ｋＴにおいて、これら４つのビットＹ₀、Ｙ₁、Ｙ₂、Ｙ₃は、デバイス１５ 内で、４ＡＭ振幅変調の同相成分Ｉ、および直角成分Ｑを選択する（図５）。こ こではビットＹ₃、Ｙ₂は、同相成分Ｉを選択し、ビットＹ₁、Ｙ₀は直角成分Ｑを 選択する。こうして、４つの出力ビットは、２つのペアに再グループ化され、一 つの４レベルシンボル（＋１、−１、＋３、−３）を選択する。つまり、一つの ４レベル４ＡＭ振幅変調の２つの実数シンボルを選択する（一つの実数シンボル に２つの出力ビットが割当てられる）。 この割当てが、図５、および、テーブルＩとIIに示される。 次に、これら２つの実数シンボルを結合することで、ＱＡＭ１６コンステレー ションの一つの複素シンボルが得られる。このＱＡＭ１６コンステレーションを 、振幅変調信号の二つのグループを利用して符号化することによって、図６に示 すようなＱＡＭ１６コンステレーションのシンボルＵ_kが得られる。ビットのこ れらシンボルへの割当ては、テーブルIIIに従って行なわれる。 送信する前に、これらシンボルには、パンクチャリング符号化が施される。パ ンクチャリング手続きにおいては、幾つかのシンボルの送信が、パンクチャリン グマトリックスと呼ばれるマトリックスの関数として抑止され、これは、周期的 に行なわれる。パンクチャリングは、幾つかの瞬間において、ＩシンボルとＱシ ンボルの全ては送信しないことから成る。ＩシンボルあるいはＱシンボルのどれ を省略するかは、パンクチャリングマトリックスによって定義される。パンクチ ャリングマトリックス内の０は、対応するシンボルを送信しないことを意味する 。送信されるべきシンボルは、再グループ化され、完全な複素シンボルが送信さ れる。マトリックスの各ロウは、複数の要素の一つに対応する。図４の符号と、 Ｒ＝３（ロウ当たりの要素の数）なる期間を持つ符号のパンクチャリングとを組 み合わせた場合、次元２Ｒを持つ以下のマトリックスは、優れた結果を与える： つまり、４Ｒビット全部が送信されるのではなく、マトリックス内の１の数に 依存して、より少数のビットのみが送信される。具体的には、上述のマトリック スＭを使用した場合、パンクチャリングを施すことで、３期間において、２／４ なる母符号によって生成される６つのシンボルのうちたった４シンボルのみが送 信される。 こうして、パンクチャリングされた符号のレートは、パンクチャリングされな い符号のレートより高くなる。つまり、符号器の入力側の同数の情報ビットに対 して、パンクチャリングされた場合の方が、されない場合より、送信されるビッ トの数が少なくなる。例えば、２／４なるレートを持つ母符号（二つの有効なビ ット当たり、４つのビットあるいは２つの４ＡＭ変調シンボルが送信される）の 場合、上述のマトリックスＭによって定義されるパンクチャリングを用いた場合 、 レートは、３／４になる。実際には、第一の期間（Ｍの第一のカラム）において は、２つの情報ビットと、２つの４ＡＭシンボルが送信され、こうして、一つの 複素ＱＡＭ１６シンボルが送信される。第二の期間においては、１つのシンボル （第一のシンボル）のみが維持されるが、これは、ＱＡＭ１６シンボルの実数部 分に対応する。第三の期間においても、一つのシンボル（２／４なるレートの符 号の２つの第一の出力ビット）が維持されるが、これは、ＱＡＭ１６シンボルの 虚数部分に割当てられ、次に、このＱＡＭ１６シンボルが送信される。こうして 、これら３つの期間に対して、２つのＱＡＭ１６シンボル、あるいは６個の情報 ビットに対する８ビットが送られる。この手続きが、３つの期間を単位として反 復される。一般には、レートが高くなるのに伴って、符号の力が落ち、同一の信 号対雑音比に対してエラー率が増す。 同一の母符号（上の例では２／４なるレート）を利用し、しかも、単に、各ビ ット流れに割当てられるパンクチャリングマトリックスを変えることで、さまざ まなビット流れに対して、異なる保護を与えることが可能である。このために、 異なる保護を与えられる様々なビット流れの送信のために、符号器およびビタビ 復号器を変える必要がなくなる。 受信端においては、送信端において使用されたのと同一のパンクチャリングマ トリックスが、各ビット流れに対して用いられる。操作は、計算されたメトリク ス（距離）に、対応するパンクチャリングマトリックスを掛けるのみである。パ ンクチャリングマトリックスの各０に対して、対応するマトリックス内に０の値 が与えられるが、これは、これら０のメトリクスの送信を抑止することに帰着す る。 直角振幅変調にパンクチャリング符号化を適用して動作する送信システムの性 能は、使用される符号のレートと、これと関連して使用するパンクチャリングマ トリックスに依存する。符号とマトリックスの組合せによって、結果がかなり異 なる。最良の組合せは、使用されるトレリス符号の種類と無関係に、２つのシー ケンス間の最小ユークリッド距離の最大化と、各デジタル変調に対する最隣接値 （nearest neighboring values）の数の最小化に基づいて探索される。 このような方法を適用することで、さまざまな畳み込み符号と、それらの性能 について調べることが可能である。テーブルＩＶには、符号器をそれらの生成多 項式（式３）にて定義した、幾つかの符号器が示される。Ｇ_i ^opと命名される幾 つかの符号は、白色加算性ガウスノイズ(white additive Gaussian noise)を持 つ線形チャネルに対する２ⁱの状態を持つ最適符号に対応し、Ｒ_i ^opと命名される 幾つかの符号は、フェージングを持つレイリーチャネルに対する２ⁱの状態を持 つ最適符号に対応し、Ｇ₄ ^soと命名される符号は、ガウスチャネルに対する１６ 状態を持つ部分最適符号(sub-optimum code)に対応する。 上述の２／４なるレートを持つ符号を、さまざまなパンクチャリングマトリッ クと組み合わせることで、様々な異なるグルーバル(global)Ｒ／Ｓレートを得る ことが可能である。このグローバルＲ／Ｓ比は： −パンクチャリングマトリックスのロウの数Ｒ； −パンクチャリングマトリックスの“１”の値の数Ｓ； によって定義される。 こうして、６つのカラム（ロウ）と、８つの“１”の値を持つ以下のマトリッ クス： は、Ｒ／Ｓ＝６／８なるレートを与える。 ２／４なるレートを持つ符号器Ｇ₃ ^opが３つのシフトセルを持ち、従って、２³ ＝８なる状態を持つトレリス符号を持つ場合について説明すると、本発明による と、この符号器が、様々なＲ／Ｓのレートに対して最適な性能を得るために、様 々なマトリックスＭと組み合わせることが試みられる。 テーブル＝には、ガウスチャネルに対する幾つかの結果が示される。このテー ブルＶは、以下の項目を持つ： −マトリックスの第一のロウ； −マトリックスの第二のロウ； −得られるＲ／Ｓレート； −デシベル（ｄＢ）で測定した場合の信号対雑音劣化Δ（Ｅ_b／Ｎ₀）； −符号の最小ユークリッド距離ｄ_f ²。 テーブル＝においては、比較の目的で、パンクチャリングが施されない場合に 対応するマトリックス： も示される。 テーブルＶＩには、２／４なるレートと、４つのシフトセルを持ち、従って、 ２⁴＝１６なる状態の符号を与える符号器、例えば、テーブルＩＶの符号器Ｇ₄ ^so と共に、最適な性能を得るために、組み合わせて使用することが考えられるパン クチャリングマトリックスが示される。テーブルＶＩから、符号器Ｇ₄ ^opと比べ るとＲ／Ｓ＝１／２の場合で、幾分劣るが、符号器Ｇ₄ ^soの場合でも、パンクチ ャリングを適用した場合、性能が向上することがわかる。 レイリーチャネルの場合、つまり、チャネルがフェーディング(fading)を持つ 場合は、畳み込みコードと、最適性能を得るために組み合わせるべきパンクチャ リングメトリクスは、上述の場合とは少し異なる。テーブルＶＩＩには、テーブ ルＩＶに示される８状態符号器Ｒ₃ ^opと最適１６状態符号器Ｒ₄ ^opの場合に対する 幾つかの組合せがまとめて示される。 レイリーチャネルの場合は、最大ダイバーシィティを与える符号が最適な符号 である。ダイバーシティ(diversity)は、２つの任意のトレリスシーケンスに対 する、これらシーケンス間の異なる４ＡＭシンボルの最大数として定義される。 テーブルＶＩＩのカラムＤＩＶには、８個の状態と、１６個の状態とを有する最 適コードのダイバーシティが示されている。 畳み込み符号は、２^v状態のトレリスによって表される。ここで、ｖは、セル の数である。各ビットに対応する状態が各セル内に格納される。データのシフト に起因する一つの状態から他の状態への遷移は、トレリス内のノードを接続する ブランチによって表される。 図７は、図４に示される符号器Ｇ₃ ^op（テーブルＩＶ）の８状態トレリスを表 す。ここで、各ブランチは、２つの状態間の遷移を表す。これら状態は、Ｓ0、 Ｓ1、Ｓ2と命名される。ここで、Ｓ0は、セル１４１₁の内容であり、Ｓ1は、セ ル１４１₂の内容であり、Ｓ2は、セル１４２₁の内容である。各状態に対して、 ビットＸ₀、Ｘ₁に対応するＱＡＭ１６シンボルについても示される。ここで、ビ ットＸ₀、Ｘ₁は、おのおの、００、１０、０１、１１に等しい。こうして、ノー ドＡからノードＢへの各ブランチに対して、符号器の入力上の２つのビットの値 と、符号器の出力上の４つの符号化されたビットの値が割当てられる。これら２ つの出力ビット、つまり、２つの実数シンボル＋１、−１、＋３、−３は、符号 器（ノードＡ）の実際の状態と、入力ビットの関数である。これは、ノードＢに よって表される符号器の将来の状態（シフトされた後の状態）についても適用す る。 受信端において、メトリクス計算ユニット１１６によって、これらトレリスの ブランチのメトリクスが計算され、その後、ビタビ復号が遂行される。ブランチ のメトリクスは、２つの受信された実数シンボルと、そのブランチに割当てられ た２つの実数シンボルの間のユークリッド距離の二乗に対応する。このブランチ メトリクスは、２つの受信されたシンボルの２つのメトリクスの総和である。こ のことから、畳み込み符号とパンクチャリング符号を、各ＱＡＭ変調に対して、 最適な性能が得られるように、組み合わせる必要が生じる。 一例として、３／４なるレートを持つパンクチャリングされた符号を得ること について考える。この場合、テーブルＶからマトリックスは： を使用するのが適当であることがわかる。ビタビ復号は、パンクチャリングされ た符号トレリス内で、受信された応答（ノイズを含む）に対して、ユークリッド 距離の方向に最も近い経路（ブランチ、あるいは遷移のシーケンス）を求めるこ とから成る。図８には、ブランチのシーケンスによって形成される経路が示され る。このトレリスは、図７のトレリスのＲ個の一連のブランチによって形成され る。トレリス内の経路と受信シーケンス（経路メトリクス）との間の距離は、こ の経路を形成するブランチのメトリクスの総和に等しい。ここで、あるブランチ のメトリクスは、２つの受信された実数シンボルと、そのブランチに割当てられ た２つの４ＡＭシンボル（＋１、−１、＋３、−３）の間のユークリッド距離に 等しい。このトレリス内の遷移は、Ｓ個の４ＡＭシンボルの送信に対応する。 ２つの４ＡＭシンボルの一つ（つまり、２ビット）のパンクチャリング（抑止 ）が行なわれた場合（このパンクチャリングは、トレリス内でＰＰによって示さ れる）、パンクチャリングされないシンボルのメトリクス、つまり、受信された 実数シンボルと、そのブランチに割当てられたパンクチャリングされない４ＡＭ 実数シンボルの間のユークリッド距離の二乗、のみが計算される。これは、煮詰 めると、パンクチャリングされたシンボルのメトリクスを強制的に０にすること に帰着する。図８において、経路Ｔは、実際の正しい送信経路を表し、経路Ｅは 、推定経路を表す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 送信機と受信機とを含む選択的保護デジタル伝送システムであって、前 記送信機は、データを符号化するための第一の畳み込み符号化手段と、符号化に パンクチャリングを適用するための第二の符号化手段と、符号化されたデータを デジタル的に変調されたシンボルに割当てるための手段と、を有し、 特徴として、前記第一の畳み込み符号化手段は、Ｎ／２Ｎ（ここでＮは１より 大きな整数）なるレートを持つ畳み込みトレリス符号化を実現し、前記畳み込み 符号化は、２^2N状態の直角振幅変調と組み合わされ、前記シンボルにパンクチャ リング符号化が適用されることを特徴とするシステム。 ２． 前記畳み込み符号化は２／４なるレートを持ち、この符号化はＱＡＭ１ ６デジタル変調と組み合わされ、前記符号化とパンクチャリングとは、最適な性 能が得られるように組み合わされることを特徴とする請求の範囲１に記載のシス テム。 ３． 前記畳み込み符号化は３／６なるレートを持ち、この符号化はＱＡＭ６ ４デジタル変調と組み合わされ、前記符号化とパンクチャリングとは、最適な性 能が得られるように組み合わされることを特徴とする請求の範囲１に記載のシス テム。 ４． 前記第一の畳み込み符号化手段は、入力データを遅延するためのシフト セルと、前記入力データを前記遅延された入力データと線形的に結合することで 出力データを生成するための手段と、を含むことを特徴とする請求の範囲１から ３のいずれか１つに記載のシステム。 ５． 前記第一の畳み込み符号化手段は、２つの入力データを遅延するための ３つのシフトセルと、前記２つの入力データを前記遅延された入力データと線形 的に結合することで４つの出力データを生成するための手段と、を含むことを特 徴とする請求の範囲２に記載のシステム。 ６． デジタル伝送システムにおいて用いる選択的保護方法であって： −入力データを出力データに畳み込み符号化するステップと； −少なくとも一つのパンクチャリングマトリックスを適用することにより前記 畳み込み符号化のパンクチャリングを行うステップと； −データをデジタル的に変調されたシンボルに割当てるステップと； を含み、 特徴として、前記畳み込み符号化は、Ｎ／２Ｎ（ここでＮは１より大きな整数 ）なるレートを持つ畳み込みトレリス符号化であり、この畳み込み符号化は２^2N 状態の直角振幅変調と組み合わされ、前記シンボルにパンクチャリング符号化が 適用されることを特徴とする方法。 ７． 前記畳み込みトレリス符号化と前記パンクチャリング符号化とが、最適 な性能が得られるように組み合わされることを特徴とする請求の範囲６の方法。 ８． 選択的保護を有するデジタル伝送のための送信機であって、前記送信機 は、データを符号化するための第一の畳み込み符号化手段と、パンクチャリング 符号化を適用するための第二の符号化手段と、符号化されたデータをデジタル的 に変調されたシンボルに割当てるための手段とを含み、 特徴として、前記第一の符号化手段は、Ｎ／２Ｎ（ここでＮは１より大きな整 数）なるレートを持つ畳み込みトレリス符号化を実現し、この符号化は２^2N状態 の直角振幅変調と組み合わされ、前記シンボルにパンクチャリング符号化が適用 されることを特徴とする送信機。 ９． 前記畳み込み符号化は２／４なるレートを持ち、この符号化はＱＡＭ１ ６デジタル変調と組み合わされ、前記畳み込み符号化と前記パンクチャリングと は最適な性能が得られるように組み合わされることを特徴とする請求の範囲８の 送信機。 １０． 前記畳み込み符号化は３／６なるレートを持ち、この符号化はＱＡＭ ６４デジタル変調と組み合わされ、前記畳み込み符号化と前記パンクチャリング とは最適な性能が得られるように組み合わされることを特徴とする請求の範囲８ の送信機。 １１． 前記第一の符号化手段は、入力データを遅延するためのシフトセルと 、前記入力データを前記遅延された入力データと線形的に組み合わせることで出 力データを生成するための手段とを含むことを特徴とする請求の範囲８から１０ のいずれか一つに記載の送信機。 １２． 前記第一の符号化手段は、２つの入力データを遅延するための３つの シフトセルと、前記２つの入力データを前記遅延された入力データと線形的に結 合することによって４つの出力データを生成するための手段とを含むことを特徴 とする請求の範囲９の送信機。