(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンステレーションレベルでＭ個（ＭはＭ≧２となる自然数）のデータ点が常駐する等価クラスを利用して、情報が送信機から受信機に送信されるＰＣＭモデムシステムにおいて、前記送信機と前記受信機との間の通信チャネルにおける位相反転の影響を防ぐための方法であって、
符号ビットで等価クラス対のラベルを付ける段階であって、等価クラス”ｍ”と等価クラス”Ｍ−１−ｍ”（ｍは０以上の整数）の対の一方に第１のクラスビットが追加され、前記対の他方に第２のクラスビットが追加され、前記対に他の対と異なるビットパターンが割り振られる前記段階と、
前記送信機において、前記符号ビットを差動符号化する段階と、
を含む方法。
【請求項２】
前記符号ビットを差動符号化する段階が、差動エンコーダ（１６）を使用して前記符号ビットを差動符号化する段階を含み、
前記差動エンコーダ（１６）の出力が、前記ラベルを元の等価クラスラベルに戻す反転マッピングユニット（１８）に接続される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記送信機が、差動符号化された前記符号ビットを送信する段階と、
受信機において、差動符号化された前記符号ビットを差動復号化する段階と、
を含む、請求項１または２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、電気通信システムに関し、特に、ＰＣＭ変調システムを利用したデータ送信時、通信チャネルにおける１８０°位相反転問題を解決するための方法と装置に関する。
【０００２】
発明の背景 ＰＣＭモデムシステムは、データがアナログモデムからアナログループ及び中央局を介してデジタルモデムに送信されるシステムである。このようなシステムにおいて利用される変調方式には、所謂、等価クラスへの入力データのマッピングが含まれる。これらの等価クラスは、入力データストリームの符号化に利用されるコンステレーションポイント（群点）間の最小距離をより大きくできるように利用される。等価クラスは、先行符号化に用いられることが多く、このことは、本出願の譲渡人に譲渡され又本明細書中に引用参照される米国特許出願第０８／９９９、２４９号、表題「ＰＣＭ伝送用データ信号を先行符号化するための装置と方法」に記載されている。「群点（コンステレーションポイント）」は、最終的に電圧レベルになる数字を意味するが、これらの電圧レベルにより、個々の入力記号が、データ送信方式におけるＰＣＭチャネルのアナログループにおいて表現される。コンステレーション（群）レベル間の距離を大きくできることによって、最小の誤りでの通信、あるいは別の言い方をすれば、よりローバストな通信を行うことができる。コンステレーション（群）に関連付けられたレベルが互いに接近している場合、これらのレベルは、互いに区別することが困難になり、検出誤りを招くことに留意されたい。
【０００３】
等価クラスの使用方法は既知であるが、このような等価クラスを利用して、情報を送信する時、１８０°位相反転がチャネルに存在する（すなわち、チャネルが「反転」又は打ち消されている）場合、送信されたデータは破壊され、有用な情報が得られない。
【０００４】
位相反転は、米国では稀であるが、ヨーロッパや他の地域では、課金の目的で故意に通信チャネルに挿入される。実際には、伝送回線対が周期的に切り換えられ、例えば、１秒間に１回、チャネルが位相反転される。そして、位相反転は、中央局又はエンドユーザの位置で各々カウントされる。次に、カウントされた位相反転は、課金のための「メータ」として用いられる。
【０００５】
ＰＣＭモデムシステムにおいて、毎秒１回チャネルが位相反転される場合、データの損失は、悲劇的であることが理解されるであろう。これは、等価クラスの識別に関する情報が失われるためである。チャネルにおける１８０°位相反転問題解決への取組み方法は、極めて規模の大きい等価クラスを利用して、位相反転がこれらの等価クラスの送信中に発生した場合、曖昧さが無いクラスと同じクラスにデータをマッピングすることである。
【０００６】
このような方法における問題は、この方式が、チャネル反転を防ぐために２倍もの点を用いることである。また、この種類の解決方法では、送信速度が大幅に低下する。１つの実施形態において、この手法では、送信速度が、５６キロビット／秒モデムの場合、記号当り１ビット、すなわち、８０００ビット／秒だけ低下する。
【０００７】
発明の概要 ＰＣＭモデムシステムに位相反転に対する免疫性を与えるために、本発明によるシステムにおいて、等価クラスに対して符号化方式が提供され、等価クラス対には、値が反対の「符号ビット」が与えられる。こうして、各等価クラスに対して、符号ビット及び絶対値ビットすなわちビット集合が存在する。
【０００８】
本発明で分かったことは、通信チャネルの位相反転によるデータ破壊は、等価クラスラベルが破壊されたため、受信機側で等価クラスが誤識別されたことによるということである。本明細書中に述べた方法で等価クラスを再度ラベル付けして、また、送信機で差動エンコーダを用いて、更に受信機で差動デコーダを用いて、チャネル反転による等価クラスラベルの如何なる誤りにも拘わらず、受信機側で等価クラスを正確に識別し得る。
【０００９】
等価クラス対の場合、一方の対０及び他方の対１から符号ビットを生成して、また、差動符号化及び差動復号化を利用して、チャネルに位相反転が存在する場合、差動復号化の後、復号化された符号化の符号ビットは、元の意図された又符号化された等価クラスの符号ビットに一致する。更に、位相反転では絶対値が変化しないため、絶対値ビットは、位相反転による影響を受けない。こうして、符号化の識別は欠落しない。
【００１０】
更に具体的には、等価クラスを用いて、送信機から受信機へ情報を送信するＰＣＭモデムシステムにおいて、通信チャネルでの１８０°位相反転による文字化けデータの送信における問題を解決するための方法を提供する。このことは、等価クラスの識別がチャネルの１８０°位相反転により影響されないように、差動符号化及び差動復号化が可能な形式に等価クラスを再マッピングすることによって実現される。送信を損なうのは、等価クラスの識別の欠落である。１つの実施形態において、再ラベル付けした等価クラスと共に差動エンコーダ／差動デコーダ対を利用して、チャネルの１８０°位相反転の影響を受けなかった等価クラスの識別ができる。このことは、チャネルの位相反転の影響を受けた可能性がある等価クラスに割当てられた符号ビットが、受信時、差動復号化により、元の符号ビットに合致するためである。こうして、送信情報は、位相反転の有無に拘わらず、正確に受信される。
【００１１】
２つの集合の点において、等価クラスは対を成し、ここで、一方の集合の要素を打ち消すによって、他方の集合の要素を取得することに留意されたい。本発明による等価クラスラベル付けシステム及びこれらの対の存在により、チャネルに位相反転が生じる場合、クラスへの影響は無い。位相反転が存在する場合、クラスは、その対の相方にマッピングされる。差動マッピングによって、コンステレーションポイントが同じデータを表わすために、このことは悪影響を及ぼさない。
【００１２】
例示の実施形態において、用いられるマッピングフォーマットは、符号ビットと絶対値ビットを含む二進数符号化形式で等価クラスラベルを提供する。元の送信された等価クラス対は、互いに反対であるが、１つの位置つまり符号ビットを除いて、全てのビット位置が等しい。
【００１３】
言い換えると、元の等価クラスは、符号ビットと絶対値ビットとを有する二進数表記された数字にマッピングされる。マッピングの後、各等価クラスの符号ビットを差動符号化することによって、受信された等価クラスは、チャネルの位相が正又は負に拘わらず、正確に復号化し得る。本発明による方法が成功した理由は、差動符号化して構成した等価クラスの符号が全て「反転」すなわち符号反転される場合、受信等価クラスは、それにも拘わらず、元の送信等価クラスに識別が合致し、データが損なわれたり又は判読不能になったりしないためである。
【００１４】
絶対値ビットは、チャネルの位相反転による影響を受けないことが理解されるであろう。絶対値ビットは、実際、電圧振幅であり、その大きさは符号に対して独立である。従って、受信側では、振幅、例えば、絶対値を検出すると、反転されたかどうかに拘わらず、同じ値が生じる。例えば、大きさ＋１０と大きさー１０は同じである。
【００１５】
一方、＋１０の値が等価クラスＡにあり、また、値−１０が等価クラスＢにある場合、振幅を変えずに、位相反転により一方の等価クラスの要素を他のもの、すなわち、「位相対の相方」に置き換える。この場合、等価クラスには、等価クラスの識別に関して混乱が生じる。その結果、受信データは、異なる意図しないデータパターンとして検出される。
本発明の以上の及び他の特徴は、図面と共に行う詳細な説明と関連付けると理解が容易である。
【００１６】
詳細な説明 Ｖ．９２に対する１８０°不変コンステレーションを設計するためには、チャネルの極性が反転する場合、情報ビットのシーケンスが変わらないように等価クラスラベルをマッピングする必要がある。
【００１７】
図１に示すように、コンステレーション中の点に割当てられるＭ個の等価クラスがあると仮定する。等価クラスラベルを割当てる１つの方法は、正の最小点にラベル“０”を割当て、次に大きい点にラベル“１”を割当て、正の最大点に達するか又は最大等価クラスラベル“Ｍ−１”が割当てられるまで以下同様に割当てることによって定義される。最大点より先に、最大等価クラスラベルに達した場合、次に大きい点はクラス“０”に割当てられ、その処理が継続する。負の数には、同じように等価クラスラベルが割当てられるが、０に最も近い負の点には、クラスラベル“Ｍ−１”が割当てられ、次に負の程度が大きい点には、“Ｍ−２”のラベルが付けられ、以下同様である。このラベル付けを用いて、等価クラスの要素間に広い間隔を確保する。
【００１８】
この方式を用いて１８０°不変コンステレーションを実現する難しさは、チャネルの極性が変わると、例えば、０（原点）のすぐ上と下にある点であって、絶対値が等しく正負の符号が反対である点が入れ替わることである。このことにより、等価クラス“０”と“Ｍ−１”は入れ替わるが、これら２つのクラスは、一括して“位相対”と呼ぶことがある。また、次の外側の点であって、“１”と“Ｍ−２”（この例では、Ｍ≧２と仮定する）にマッピングされる点も“位相対”である。従って、各等価クラス“ｍ”は、等価クラス“Ｍ−１−ｍ”と入れ替わる。Ｍが奇数の場合、クラス（Ｍ−１）／２は、それ自体にマッピングされる。議論を進める目的で、このクラス自体が、“位相自己対（ｐｈａｓｅ―ｓｅｌｆ―ｐａｉｒ）”と呼ばれる位相対であると仮定する。図１において、（０，４）、（１，３）及び２（自己対）の位相対に留意されたい。
【００１９】
この問題を緩和するために、等価クラスを差動符号化できる方法が必要である。実施形態として次の一例がある。各位相対に別個のビットパターンを割当てる。これらのパターンは、図１の各点について、コンマの後のパターンとして示す。更に、各等価クラスは、それに対応するビットパターンであって、その位相対から引き継がれ又他の如何なる位相対のものとも異なるピットパターンを有する。各位相対内における一方の等価クラスに対して、そのパターンに０を追加する。その対における他方の要素のパターンに１を追加する。自己対の場合、そのクラスに０又は１のいずれかを追加する。この追加ビットは、“クラスビット”と呼ぶことがある。クラスビットは、図１において、コンマの前のビットとして示す。
【００２０】
これらのビットを上述のように割当てると、各位相対は、１つの位置のみ異なるビットパターンを有する２つの等価クラスからなり、また、この位置は、全等価クラス中の各パターン（例えば、左端のビット）に対して同じである（又は既知である）。上記マッピングは、図２のビットマッピングブロック１４の動作を規定し、モジュラスコンバータ出力等価クラスを入力として取り込み、また、これらの等価クラスをクラス（又は符号）ビットや位相対（又は絶対値）ビット形式に変換する。一連の等価クラスがモジュラスコンバータから出力されると、これらのクラスは上述した形式に変換され、また、そのクラスビットストリームは、図２のＤＥブロック１６で示すように差動符号化される。２進数データストリームの差動符号化及び差動復号化は、この技術分野では良く知られている。差動符号化されたクラスビットは、規定された位相対ビットと組み合わせられ、図２の記号マッピングブロック１８に示すように、等価クラスラベルに反転マッピングされる。このことにより、例示の実施形態は、送信機に追加の変更をせず実行できる。
【００２１】
受信機では、図３に示すように、等価クラスデコーダ３２が等価クラスを出力する。これらの等価クラスは、位相反転の影響を受けている場合やそうでない場合もある。これらの等価クラスは、送信機によって、上述したものと同じ（又は等価な）形式にマッピングされる。すなわち、図３のビットマッピングブロック３４は、図２のビットマッピングブロックと同じ又は等価である。ビットマッピングブロック３４からのクラスビットストリーム出力は、差動復号化され、意図するクラスビットストリームになる。位相自己対の場合、この特定の等価クラスはすでに位相が不変であるため、このクラスビットは無視される。これらの修復されたクラスビットは、ちょうど送信機でのように、再度組み合わせられて、受信機の他の部分で認識可能な等価クラスになる。このように、図３の記号マッピングブロック３６は、図２のブロック１８と同じ又は等価である。
【００２２】
上述した内容は、用いられる規則の単なる１つの実施例に過ぎないということを留意されたい。一般的に、“０の集合”と“１の集合”を定義することだけが必要であり、こうして、等価クラスが一方の集合にある場合、その位相対の相手は他方の集合に存在する。位相自己対は、いずれか一方（又は両方）に存在し得るが、各々発生した場合、それに割当てる値を決定するために規則を定めなければならない。このような規則の１つは、差動エンコーダ出力がゼロであるように、位相自己対から発生する各記号に対して値（０又は１）を指定することである。これには、エンコーダでの判断が必要であるが、受信機は、差動デコーダへの入力として、位相自己対にラベル“０”を単に割当てることができる。
【００２３】
従って、一般的なＴｏｍｌｉｎｓｏｎ−Ｈａｒａｓｈｉｍａ（ＴＨ）先行符号化法と、ＰＣＭ上流（アナログモデムからデジタルモデム方向）チャネルに対して１８０°位相不変性を提供する４Ｄトレリス符号とを組み合わせるための方法について述べる。
【００２４】
再度図２において、送信側に関して詳細に述べると、入力ビットストリーム１０がモジュラスコンバータ１２に印加され、モジュラスコンバータ１２は、マッピングブロック１４に接続される。このマッピングブロック１４は、モジュラスコンバータの出力を、図１に示すタイプの構造にマッピングするが、ここで、各等価クラスには、符号ビット及び絶対値ビットを含むラベルが備えられる。ブロック１４の出力には、差動エンコーダ１６に接続される符号ビットが含まれ、符号ビットのみが差動符号化されるということが理解されるであろう。その後、ユニット１４の出力と同様に差動エンコーダの出力も、反転マッピングユニット１８に接続され、反転マッピングユニット１８は、図１に示す構造を取り入れ、また、それを元の等価クラスラベルに戻し、次に、それらのラベルは、前置符号化器２０に接続され、そこから前置フィルター２２に接続される。前置フィルター２２の出力は、受信機に送信される出力であることに留意されたい。
【００２５】
ユニット１４，１６及び１８への入力としてパラメータＭがあり、パラメータＭは、タイムインデックスｉにおいて等価クラスの数を基準とすることに留意されたい。出力冗長符号化は、畳み込みエンコーダ２６に接続された反転マップ２４の後に提供されるが、その効果によって、前置符号化器２０に再度接続された時、誤り防止及び他の送信機の要求事項が提供される。
【００２６】
差動エンコーダは、従来型であるが、１つの例外として、位相自己対のクラスビットの処理方法がある。位相自己対は、他の等価クラスよりはむしろ位相反転時それ自体にマッピングを行う等価クラスである。それは、等価クラスＭの数が奇数である場合にのみ生じる。ｉをタイムインデックスとすると、差動エンコーダは、入力ビットストリームｘ（ｉ）を取り込み、方程式ｄ（ｉ）＝ｄ（ｉ−１）＋ｘ（ｉ）に基づき差動形式にそれを変換するが、ここで、初期状態ｄ（０）は既知（例えば、０）であると仮定し、また、“＋”は、加算モジュロ２を示す。ｘ（ｉ）が、ビットマッピングブロック１４からのクラスビットストリームである場合、位相対ビットと再結合して１８０°位相反転等価クラスを形成するのは、このシーケンスｄ（ｉ）である。
【００２７】
位相自己対の例外は、次のように処理される。位相自己対は、値Ｍｉを用いて、前述したように識別される。クラスビットが位相自己対から生じる場合、１つの実施形態では、ｘ（ｉ）に関わらず、単に差動ビット値ｄ（ｉ）を強制的に０にする。これによって、受信機での差動デコーダは、それが位相自己対に遭遇する場合、そのクラスビットに対する既知の値を自動的に仮定し得る。
【００２８】
次に、図３に戻ると、受信された信号は、等価クラスデコーダ３２に接続されたトレリスデコーダ３０で復号化され、等価クラスデコーダ３２は、送信機のブロック１４と同一タイプのマッピングブロック３４に接続される。ブロック３４の出力は、反転マップ３６への接続の他に、等価クラスに対する符号ビットを差動復号化する差動デコーダ３８にも接続される。その後、ブロック３６の出力は、モジュラス変換デコーダ４０に接続され、元のデータを再生する。
【００２９】
この差動エンコーダは従来型であるが、１つの例外として、位相自己対のクラスビットの処理方法がある。ｉをタイムインデックスとすると、差動デコーダは、入力差動ビットストリームｄ’（ｉ）を取り込み、また、方程式ｘ（ｉ）＝ｄ’（ｉ−１）＋ｄ’（ｉ）に基づき、それを非差動形式ｘ（ｉ）（送信機のｘ（ｉ）に等しい）に変換する。ｄ’（ｉ）が、図３のビットマッピングブロック３４からの差動クラスビットストリームである場合、位相反転に関わり無く再生され、また位相対ビットと再結合して元の等価クラスを再生するのは、このシーケンスｘ（ｉ）である。
【００３０】
位相自己対の例外は、次のように処理される。位相自己対は、値Ｍｉを用いて、前述したように識別される。差動クラスビットが位相自己対から生じる場合、１つの実施形態では、如何なる位相反転にも関わらず、差動ビット値ｄ（ｉ）は、既知（例えば、０）であると仮定する。実際、送信機では、差動クラスビットが強制的にこの既知の値にされたことで、この仮定が可能である。
【００３１】
図１の説明から分かるように、元の等価クラスを２進数符号化表示又はラベルに再マッピングすることによって、また、差動符号化及び差動復号化の観点で符号ビットのみを処理することによって、送信機と受信機との間の通信において遭遇する如何なる位相反転も無視されるということを理解されたい。本明細書中で前述したように、位相反転を無視し得る理由は、少なくとも符号ビットに関しては、通信チャネルに位相反転がある場合でさえ、それ自体にマッピングするためである。
【００３２】
従って、達成したことは、通信チャネルにおける１８０°位相反転問題がどのように起こってもそれが解消されるということである。１８０°位相反転が課金ために意図的に生じようが又は不注意により生じようが、本発明によるシステムは、位相反転の影響を無視できるようにすることによって、位相反転を補正する。
【００３３】
本発明の幾つかの実施形態及びそれに対する修正及び変形例について述べたが、上述した内容は、単に説明のためであって限定するものではなく、単に一例として提示したことは、当業者には明白であろう。数多くの修正及び他の実施形態は、当分野における通常の一技術の範囲内にあり、添付の請求項及びそれに対応するものによってのみ限定されるのと同様に本発明の範囲内に入ると見なす。
【図面の簡単な説明】
【図１】 Ｍ＝５に対する等価クラスラベル表示を有するコンステレーションの一例と、各等価クラスに対する等価クラス対、符号ビット、絶対値ビットとを示す概略図。
【図２】 通信チャネルの１８０°位相反転防止を可能にする送信機構造と等価クラス差動マッパの利用方法とを示すブロック図。
【図３】 等価クラス差動デマッパを利用する受信機構造を示すブロック図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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