Coded modulation apparatus and method

本発明は符号化変調装置および方法に関し、特に非線形符号と非線形マッピングを用いることにより符号化利得を向上する符号化変調装置および方法に関する。

近年、ディジタルマイクロ波通信方式では、伝送特性の高品質化を目的に、より誤り訂正能力の高い符号化変調方式が使用されている。

符号化変調方式は、信号点集合分割によるマッピングと誤り訂正符号化技術を一体化したもので、優れた誤り訂正能力を有している。

符号化の構成法として、トレリス符号化変調（ＴＣＭ）方式と多レベル符号化変調（ＭＬＣＭ）方式が一般に知られている。

トレリス符号化変調（ＴＣＭ）方式は、２次元当り２ ^ｍ個の信号点を有する２次元または多次元変調方式の各信号点に２元ベクトル表現を１対１に対応させる。 そして、一つの畳み込み符号器出力と非符号化ビットの組合せにより、一つの２次元または多次元信号点を与える符号化変調方式である。

一方、多レベル符号化変調方式は、誤り訂正能力の異なる複数のブロック符号器を用いて、各々の符号器で２元ベクトルの各成分（ビット位置）に相当する各レベルを１レベルずつ独立に符号化する符号化変調方式である。 多レベル符号化変調方式で用いる複数の符号は各々構成符号と称される。 各構成符号は、それを適用するレベルの最小信号点間距離に基づいて必要な誤り訂正能力が決定される（例えば、特許文献１参照。）。

図６は従来の符号化変調装置を示すブロック図である。

特にトレリス符号化変調方式（ＴＣＭ）の場合を示す。

図６を参照すると、符号化変調装置２００では、端子３から入力された１列のデータは変換器２０１で３列に変換される。 そのうちの１列が畳み込み符号化器２０２で符号化され２列の信号となる。 ２列の信号はマッピング回路２０３にレベル１、レベル２の信号として供給される。 また、変換器２０１から出力される他の２列の信号は非符号化レベルの信号としてマッピング回路２０３に供給される。

マッピング回路２０３では、信号点集合分割に基づく信号点配置により、信号入力に対応した信号点の座標が出力される。 この信号点座標出力が変調器２０４に入力され、１６ＱＡＭ変調が行われ端子４から出力される。

このＴＣＭは単一の畳み込み符号を用いるため符号化率の設定に関する自由度が非常に小さい。 また畳み込み符号は線形符号の一種であるため、ＴＣＭの符号化利得はある程度の限界がある。

図７は従来の他の符号化変調装置を示すブロック図である。

特に多レベル符号化変調（ＭＬＣＭ）の場合を示す。

図７を参照すると、符号化変調装置３００では、端子５から入力された一列のデータは変換器３０１で４列に変換される。 そのうちの下位２列のデータがそれぞれ線形符号化器３０２、線形符号化器３０３により符号化され、レベル１、レベル２として出力される。 線形符号化されたレベル１、レベル２の信号と符号化されないレベル３、レベル４の信号はマッピング回路３０４に供給される。

マッピング回路３０４では、信号点集合分割に基づく信号点配置により、信号入力に対応した信号点の座標が出力される。 この信号点座標出力が変調器３０５に入力され、１６ＱＡＭ変調が行われ端子６から出力される。

このＭＬＣＭは、信号点集合分割における各レベルにそれぞれ異なる符号を用いるため、ＴＣＭに比べ符号化率の設定の自由度は大きい。 しかし、各レベルに用いる符号はハミング符号やＢＣＨ（Ｂｏｓｅ Ｃｈａｕｄｈｕｒｉ Ｈｏｃｑｕｅｎｇｈｅｍ）符号、ＲＳ（Ｒｅｅｄ Ｓｏｌｏｍｏｎ）符号などの線形符号であるため、符号化利得には限界がある。

また、畳み込み符号を用いることで、フェージング等のバースト誤り環境下での符号化変調の誤り訂正能力を高めているものもある（例えば、特許文献２参照。）。

特開平２−２９１７４３号公報（第２−４頁）

特開平９−９３２９５号公報（第２−３頁、図２）

上述した従来の符号化変調装置および方法として、トレリス符号化変調（ＴＣＭ）と多レベル符号化変調（ＭＬＣＭ）がある。

このＴＣＭは単一の畳み込み符号を用いるため、符号化率の設定に関する自由度が非常に小さい。 畳み込み符号は線形符号の一種であるため、ＴＣＭの符号化利得はある程度の限界があるという欠点を有している。

また、ＭＬＣＭは信号点集合分割における各レベルごとにそれぞれ異なる符号を用いるため、ＴＣＭに比べ符号化率の設定の自由度は大きい。 しかし、各レベルに用いる符号はハミング符号やＢＣＨ符号、ＲＳ符号などの線形符号であるため、符号化利得には限界があるという欠点を有している。

本発明の目的は、伝送するデータを複数列に変換し、下位レベルのデータに非線形符号化を行い、符号化されたデータを２次元平面上に各符号語間距離が非等間隔になるように信号点を配置する非線形マッピングを行い、より高い符号化利得を実現する符号化変調装置および方法を提供することにある。

本発明の第１の符号化変調方法は、
伝送するデータを複数列に変換し、変換した複数列のデータの一部に非線形符号化を行い、非線形符号化されたデータを２次元平面上に符号語間距離が非等間隔になる信号点に配置する非線形マッピングを行うことを特徴としている。

本発明の第２の符号化変調方法は、
伝送するデータを複数列に変換し、変換した複数列のデータの下位レベルのデータに非線形符号化を行った非線形符号化データ及び前記変換した複数列のデータの上位レベルのデータを、２次元平面上に符号語間距離が非等間隔になる信号点に配置する非線形マッピングを行うことを特徴としている。

本発明の第１の符号化変調装置は、
伝送するデータを複数列に変換するデータ変換器と；
このデータ変換器から出力される複数列のデータのうち、 上位レベルのデータには非線形符号化を行わず、下位レベルのデータに非線形符合化を行う非線形符合化器と；
前記非線形符合化されたデータを２次元平面上に符号語間距離が非等間隔になるように信号点を配置する非線形マッピング部と；
この非線形マッピング部により配置されたデータにより搬送波に変調をかける変調器と；
を備えたことを特徴としている。

本発明の第２の符号化変調装置は、
伝送するデータを複数列に変換するデータ変換器と；
このデータ変換器から出力される複数列のデータのうち、下位レベルのデータに非線形符合化を行う非線形符合化器と；
前記非線形符合化されたデータ及び前記変換した複数列のデータの上位レベルのデータを２次元平面上に符号語間距離が非等間隔になるように信号点を配置する非線形マッピング部と；
この非線形マッピング部により配置されたデータにより搬送波に変調をかける変調器と；
を備えたことを特徴としている。

本発明の第３の符号化変調装置は、
変換器と、第１の非線形符号化器及び第２の非線形符号化器と、非線形マッピング回路と、変調器とを備えた符号化変調装置であって、
前記変換器は、
第１の端子から入力された一列のデータを複数列のデータに変換し；
前記第１及び第２の非線形符号化器は、
前記変換器により複数列に変換された各列のデータのうち、 上位レベルのデータには非線形符号化を行わず、下位レベルの２列のデータを非線形符号化し、各々レベル１のデータ、レベル２のデータとして非線形マッピング回路に出力し；
前記非線形マッピング回路は、
前記第１及び第２の非線形符号化器により非線形符号化された前記レベル１、レベル２のデータと、符号化が行われていないレベル３、レベル４のデータとを、各々の符号語間距離が非等間隔になるように信号点を２次元平面上に配置し；
前記変調器は、前記非線形マッピング回路により配置された２次元の非線形マッピングデータにより搬送波に変調をかけることを特徴としている。

本発明の第３の符号化変調方法は、
第１の端子から入力された一列のデータを複数列のデータに変換し；
複数列に変換された各列のデータのうち、 上位レベルのデータには非線形符号化を行わず、下位レベルの２列のデータを非線形符号化し、各々レベル１のデータ、レベル２のデータとして出力し；
非線形符号化された前記レベル１、レベル２のデータと、符号化が行われていないレベル３、レベル４のデータとを、各々の符号語間距離が非等間隔になるように信号点を２次元平面上に配置する非線形マッピングを行い；
前記非線形マッピングにより配置された２次元の非線形マッピングデータにより搬送波に変調をかけることを特徴としている。

本発明の第４の符号化変調方法は、前記第１、２または３の符号化変調方法において、
例えば前記非線形符号化は、連立多次元多項式の非線形方程式で生成されることを特徴としている。

本発明の第５の符号化変調方法は、前記第１、２または３の符号化変調方法において、
前記非線形符号化は、生成多項式の非線形結合により生成されることを特徴としている。

本発明の第４の符号化変調装置は、前記第１、２または３の符号化変調装置において、
前記非線形符号化器は、連立多次元多項式の非線形方程式で生成される生成回路を備えたことを特徴としている。

本発明の第５の符号化変調装置は、前記第１、２または３の符号化変調装置において、
前記非線形符号化器は、生成多項式の非線形結合回路により生成されることを特徴としている。

本発明の符号化変調装置および方法は、非線形符号と非線形マッピングをもちいて符号化変調を行っている。 このため、線形符号を用いた符号化変調方式より符号間距離が大きくとれるので、高い符号化利得が実現できるという効果を有している。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の符号化変調装置および方法の一つの実施の形態を示すブロック図である。

図１に示す符号化変調装置１００は、変換器１０１と、非線形符号化器１０２および非線形符号化器１０３と、非線形マッピング回路１０４と、変調器１０５とから構成されている。

変換器１０１は端子１から入力された一列のデータを複数列のデータ（並列データ）に変換する直並列変換器である。 非線形符号化器１０２および非線形符号化器１０３は、変換器１０１により複数列に変換された各列のデータのうち、下位レベルの２列のデータを非線形符号化し、レベル１のデータ、レベル２のデータとして非線形マッピング回路１０４に出力する。 なお、下位レベル等の表現は慣用的なもので、符号化するか符号化しないかによりレベル１〜４を識別している。

非線形マッピング回路１０４は、非線形符号化されたレベル１、レベル２のデータ（下位レベルのデータ）と符号化が行われていない変換器１０１の出力であるレベル３、レベル４のデータ（上位レベルのデータ）とを、各々の符号語間距離が非等間隔になるように信号点を２次元平面上に配置し、非線形マッピングデータ１５として出力する。

変調器１０５は、非線形マッピング回路１０４で配置された２次元の非線形マッピングデータ１５により搬送波に変調をかける。

ここで、非線形符号化器１０２，１０３で行われる非線形符号とは、畳み込み符号やハミング符号、ＢＣＨ符号、リードソロモン符号と云った線形符号以外の符号である。 連立多次元多項式の非線形方程式の形で表現される符号、生成多項式の非線形結合の形で表現される符号、または線形演算則で求めることができない符号のことを示す。

ここで、非線形符号化や非線形符号化器は、連立多次元多項式の非線形方程式で生成される生成回路により構成される。 また、生成多項式の非線形結合回路により生成される。

また、図１の非線形マッピング回路１０４で行われる非線形マッピングとは、位相変調（ＰＳＫ：Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）、直交振幅変調（ＱＡＭ）のように、２次元平面空間上に隣接する信号点間距離が等間隔になるように信号点を配置するものではない。 信号点を非線形に配置し、隣接する信号点間距離は等間隔ではない（非等間隔）マッピングを意味する。

次に図１を参照して動作を説明する。

伝送されるデータは端子１から入力され、変換器１０１にて複数列（ここでは４列）に変換される。 ４列のデータ列に変換されたデータのうち、下位２列のデータ（下位レベルのデータ）のみがそれぞれ非線形符号化器１０２と非線形符号化器１０３により非線形符号化が行われる。 非線形符号化されたデータは各々、レベル１、レベル２のデータとして非線形マッピング回路１０４に供給される。 その他のレベル３、レベル４のデータ（上位レベルのデータ）は何も処理されずに非線形マッピング回路１０４に供給される。

図２は本発明の第１のレベルマッピングを示す図である。 直交振幅変調における信号点配置であり、横軸はＩｃｈ、縦軸はＱｃｈを示す。

非線形マッピング回路１０４に入力されたレベル１、レベル２のデータ及び変換器１０１出力のレベル３、レベル４のデータは、例えば図２に示すように２次元平面上に非線形マッピングされる。

レベル１〜レベル４のディジタル信号４ビットが非線形マッピング回路１０４に入力されるので、２ ^４ ＝１６個の各信号点（黒丸で表示）の符号が存在する。 各黒丸の信号点は、例えば（００００）〜（０１０１）〜（１０１０）〜（１１０１）〜（１１１１）の４ビットの符号データを示している。

この図２の信号点は図３に示す信号点集合分割に従ってマッピングされる。

図３は図２の信号点分割動作の一例を示す図である。

例えば、レベル１〜レベル４のディジタル信号が“００１０”のデータならば、図３のマッピングによりレベル４の左から３番目の図＜００１０＞のようにマッピングされる。

図１のレベル１のデータは非線形符号化器１０２により非線形符号化された“１”，“０”の２値信号であり、図３の最初の１６個の信号点集合を８個ずつに分割する。 さらに図１の非線形符号化器１０３により非線形符号化されたレベル２の“１”，“０”の２値信号により、４個ずつの信号点集合に分割する。 次に、図１のレベル３の“１”，“０”の２値信号により、２個ずつの信号点集合に分割し、さらにレベル４の“１”，“０”の２値信号により、１個の信号点に分割する。

レベル１、レベル２で分割される信号点集合間の信号点間距離すなわち符号間距離は、他のレベル３、レベル４で分割される信号点間距離（符号間距離）よりも非常に近くなっている。 しかしながら、レベル１、レベル２は非線形符合化により符合化が行われているため、非常に強力な信号点識別能力を有している。 つまり、符号間距離が近い信号点の識別には、非線形の符号化により信号点の識別能力を高め識別エラーを低減させている。 さらにレベル３、レベル４で分割される信号点集合は、十分に信号点間距離が確保されており、信号点を誤る恐れは全くない。

また、図４は本発明の他のレベルマッピングを示す図である。

レベル１〜レベル４のディジタル信号４ビットが非線形マッピング回路１０４に入力されるので、２ ^４ ＝１６の各信号点（黒丸で表示）の符号が存在する。 各黒丸の信号点は、例えば（００００）〜（０１０１）〜（１０１０）〜（１１０１）〜（１１１１）の４ビットの符号データを示している。

図４の場合、ＰＳＫによる位相変調方式の非線形マッピングとなっており、同一円周上に非等間隔に信号点が配置される。 一方、図２の場合は直交振幅変調の場合で、位相と振幅成分を用いた変調方式であり、格子間隔上に信号点が配置される。

図５は図４の信号点分割動作の一例を示す図である。

例えば、レベル１〜レベル４のディジタル信号が“００１０”のデータならば、図５のマッピングによりレベル４の左から３番目の図＜００１０＞のようにマッピングされる。

図１のレベル１のデータは非線形符号化器１０２により非線形符号化された“１”，“０”の２値信号であり、図５の最初の１６個の信号点集合を８個ずつに分割する。 さらに図１の非線形符号化器１０３により非線形符号化されたレベル２の“１”，“０”の２値信号により、４個ずつの信号点集合に分割する。 次に、図１のレベル３の“１”，“０”の２値信号により、２個ずつの信号点集合に分割し、さらにレベル４の“１”，“０”の２値信号により、１個の信号点に分割する。

非線形マッピング回路１０４により、２次元平面上に非線形マッピングされた非線形マッピングデータ１５は変調器１０５に送られる。 変調器１０５は非線形マッピングデータ１５により、搬送波に変調をかけて変調出力データを端子２から出力する。

上述の通り、本発明は、非線形符号と非線形マッピングを利用し符号化利得を向上している。

すなわち、一列の入力データが変換器１０１により複数列に変換される。 複数列に変換された各列のデータのうち下位レベルデータが、非線形符号化器１０２，１０３により非線形符号化され非線形マッピング回路１０４に出力される。 非線形符号化されたデータは、２次元平面上に各符号語間距離が非等間隔になるように、信号点を非線形マッピング回路１０４により配置される。 非線形マッピング回路１０４で配置された２次元のデータは、変調器１０５により搬送波に変調をかけることになる。

非線形符号化されたデータをさらに非線形マッピングで最適な２次元配置を行い搬送波に変調かけるので、符号化利得が非常に高くなる。 このため、無線のような回線品質の悪い伝送路においてもデータを誤ることなく伝送することが可能となる。

なお、マッピングの自由度が高いため、多値ＱＡＭの代わりにアンプの振幅歪の影響が無い多値ＰＳＫ方式に有用である。 加えてマッピングの自由度が非常に高いため、例えば多値ＰＳＫのマッピングを行えばアンプの非線形歪などの影響が少なくなると云った利点がある。

本発明の符号化変調装置および方法の一つの実施の形態を示すブロック図である。

本発明の第１のレベルマッピングを示す図である。

図２の信号点分割動作の一例を示す図である。

本発明の他のレベルマッピングを示す図である。

図４の信号点分割動作の一例を示す図である。

従来の符号化変調装置を示すブロック図である。

従来の他の符号化変調装置を示すブロック図である。

符号の説明

１，２，３，４，５，６ 端子 １５ 非線形マッピングデータ １００ 符号化変調装置 １０１ 変換器 １０２，１０３ 非線形符号化器 １０４ 非線形マッピング回路 １０５ 変調器 ２００，３００ 符号化変調装置 ２０１，３０１ 変換器 ２０２ 畳み込み符号化器 ２０３ マッピング回路 ２０４ 変調器 ３０２，３０３ 線形符号化器 ３０４ マッピング回路 ３０５ 変調器