(57)【要約】【課題】  情報ビット系列の復号特性を改善することができる符号化装置、復号化装置、および符号化・復号化システムを提供する。【解決手段】  参照ビット挿入器５−４および５−５は、参照ビットが情報ビット系列中で分散するように、既知の複数の参照ビットを情報ビット系列に挿入して参照ビット挿入後データを生成する。要素符号器５−１および５−２は、情報ビット系列に付加するパリティビット系列を参照ビット挿入後データから生成する。復号化の際には、参照ビットが、尤度に関する既知の情報として用いられて、符号化データが復号化される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の情報ビットからなる情報ビット系列中に既知の参照ビットを挿入して参照ビット挿入後データを生成する第１の参照ビット挿入手段と、
前記情報ビット系列に付加する誤り訂正符号を前記参照ビット挿入後データから生成する誤り訂正符号生成手段と、
を備えたことを特徴とする符号化装置。
【請求項２】
前記第１の参照ビット挿入手段は、挿入後の先頭の前記参照ビットと末尾の前記参照ビットの間に１以上の前記情報ビットが存在するように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項１に記載の符号化装置。
【請求項３】
挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数よりも多い場合に、前記第１の参照ビット挿入手段は、前記情報ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の符号化装置。
【請求項４】
挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数以下である場合に、前記第１の参照ビット挿入手段は、前記参照ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の符号化装置。
【請求項５】
前記第１の参照ビット挿入手段は、前記参照ビット間に挟まれる、連続する前記情報ビットの数が同じ前記情報ビット系列内で同一となるように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかの項に記載の符号化装置。
【請求項６】
複数の情報ビットからなる情報ビット系列に既知の参照ビットを挿入した参照ビット挿入後データから誤り訂正符号を生成し、前記情報ビット系列に前記誤り訂正符号を付加することによって生成された符号化データを復号化する復号化装置であって、
前記参照ビットを、尤度に関する既知の情報として用いて前記符号化データを復号化する復号化手段を備えたことを特徴とする復号化装置。
【請求項７】
前記符号化データに対して、前記既知の参照ビットと同じ参照ビットを同じ位置に挿入する第２の参照ビット挿入手段をさらに備え、
前記復号化手段は、前記第２の参照ビット挿入手段によって挿入された前記参照ビットを、尤度に関する既知の情報として用いて前記符号化データを復号化する
ことを特徴とする請求項６に記載の復号化装置。
【請求項８】
前記第２の参照ビット挿入手段は、挿入後の先頭の前記参照ビットと末尾の前記参照ビットの間に１以上の前記情報ビットが存在するように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項７に記載の復号化装置。
【請求項９】
挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数よりも多い場合に、前記第２の参照ビット挿入手段は、前記情報ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の復号化装置。
【請求項１０】
挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数以下である場合に、前記第２の参照ビット挿入手段は、前記参照ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の復号化装置。
【請求項１１】
前記第２の参照ビット挿入手段は、前記参照ビット間に挟まれる、連続する前記情報ビットの数が同じ前記情報ビット系列内で同一となるように前記参照ビットを挿入することを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれかの項に記載の復号化装置。
【請求項１２】
請求項１〜請求項５のいずれかの項に記載の符号化装置と、請求項６〜請求項１１のいずれかの項に記載の復号化装置とを備えたことを特徴とする符号化・復号化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、符号化利得に優れた低い符号化率を実現する符号化装置、復号化装置、および符号化・復号化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ符号は、Shannon限界に近い伝送特性を現実的な処理で実現可能な誤り訂正符号であり、W-CDMAやcdma2000のような既存セルラーシステムにおいても利用されている（例えば非特許文献１および２参照）。ターボ符号の符号器および復号器のブロック図をそれぞれ図９および図１０に示す。図９に示す符号器において、情報ビット系列は要素符号器１−１に入力され，パリティビット系列１が作られる。情報ビット系列は同時に、ターボインタリーバ１−３（図中ではπと表記）で順序が並べ替えられてもう一方の要素符号器１−２に入力され、パリティビット系列２が作られる。２つのパリティビット系列は、所望の符号化率に応じ、単純に多重化されるか、あるいは間引き（パンクチャ：puncturing）してから多重化され、元の情報ビット系列と多重化されて通信路に送出される。２つの要素符号器の構成は同じでもよいし、異なっていてもよい。
【０００３】
図１０に示す復号器において、要素符号器１−１に対応した要素復号器２−１は、受信ビット系列を受け取って復号処理を行い、各情報シンボルの信頼度情報を外部値として出力する。要素復号器２−２は、ターボインタリーバ２−４により順序が並べ替えられた受信ビット系列について、要素復号器２−１から出力された信頼度情報（ターボインタリーバ２−３により順序が並べ替えられて、事前値として要素復号器２−２に入力される）を利用して復号処理を行い、各情報シンボルの復号結果と信頼度情報を出力する。
【０００４】
得られた信頼度情報は、ターボデインタリーバ２−５（図中ではπ-1と表記）により、元の順序に戻されてから要素復号器２−１へ送られる。２回目以後の繰り返しでは、要素復号器２−１は要素復号器２−２からの信頼度情報を用いて受信ビット系列の復号処理を実行する。以上の処理が十分に繰り返し実行された後、最終的に要素復号器２−２から出力された復号結果が硬判定され、出力される。以上のようにターボ復号器では、２つの要素復号器間をビットインタリーバによって連接し、各要素復号器において更新されたビットの信頼度情報をもう一方の要素復号器にフィードバックさせる確率伝搬用のフィードバックループを有することにより、効率的なMAP（Maximum A posteriori Probability）復号を達成している。
【非特許文献１】3GPP, TS25.212 Version 5.1.0, “Multiplexing and channel coding (FDD),” June 2002.
【非特許文献２】3GPP2, C.S0024 Version 4.0, “cdma2000 High Rate Packet Data Air Interface Specification,” Oct. 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来方式には次のような問題がある。基地局から遠く離れたセル端における通信品質を保証するためには、既定の誤り率を達成するための受信信号電力対雑音電力比を小さくする必要があり、そのためのひとつの手段として、低い符号化率で伝送を行うことが考えられる。低い符号化率を実現するための簡単な方法は、原符号化率1/3のターボ符号器の出力系列の一部を所望の符号化率に合わせて繰り返して（レピティション：repetition）送信することである（例えば非特許文献１参照）。
【０００６】
図１１に、原符号化率1/3のターボ符号器を用いて符号化率1/5の符号を構成する場合の処理手順の一例を示す。５ビットの情報ビット系列４−１に対して、誤り訂正符号としてのパリティビット１とパリティビット２が付加され、符号化データ４−２となる。この符号化データ４−２に対して、レピティションによりさらにパリティビット１とパリティビット２が付加され、符号化データ４−３となる。レピティションにより、既定の誤り率を達成するための受信信号電力対雑音電力比を小さくすることができるが、同一のビットを繰り返し送信する単純な処理のため、特性利得の改善はほとんどなく、１ビットあたりの受信信号電力対雑音電力比は逆に大きくなってしまう。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、情報ビット系列の復号特性を改善することができる符号化装置、復号化装置、および符号化・復号化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、複数の情報ビットからなる情報ビット系列中に既知の参照ビットを挿入して参照ビット挿入後データを生成する第１の参照ビット挿入手段と、前記情報ビット系列に付加する誤り訂正符号を前記参照ビット挿入後データから生成する誤り訂正符号生成手段とを備えたことを特徴とする符号化装置である。
【０００９】
また、本発明の符号化装置において、前記第１の参照ビット挿入手段は、挿入後の先頭の前記参照ビットと末尾の前記参照ビットの間に１以上の前記情報ビットが存在するように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の符号化装置において、挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数よりも多い場合に、前記第１の参照ビット挿入手段は、前記情報ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の符号化装置において、挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数以下である場合に、前記第１の参照ビット挿入手段は、前記参照ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の符号化装置において、前記第１の参照ビット挿入手段は、前記参照ビット間に挟まれる、連続する前記情報ビットの数が同じ前記情報ビット系列内で同一となるように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、複数の情報ビットからなる情報ビット系列に既知の参照ビットを挿入した参照ビット挿入後データから誤り訂正符号を生成し、前記情報ビット系列に前記誤り訂正符号を付加することによって生成された符号化データを復号化する復号化装置であって、前記参照ビットを、尤度に関する既知の情報として用いて前記符号化データを復号化する復号化手段を備えたことを特徴とする復号化装置である。
【００１４】
また、本発明の復号化装置において、前記符号化データに対して、前記既知の参照ビットと同じ参照ビットを同じ位置に挿入する第２の参照ビット挿入手段をさらに備え、前記復号化手段は、前記第２の参照ビット挿入手段によって挿入された前記参照ビットを、尤度に関する既知の情報として用いて前記符号化データを復号化することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の復号化装置において、前記第２の参照ビット挿入手段は、挿入後の先頭の前記参照ビットと末尾の前記参照ビットの間に１以上の前記情報ビットが存在するように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の復号化装置において、挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数よりも多い場合に、前記第２の参照ビット挿入手段は、前記情報ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の復号化装置において、挿入する前記参照ビットの数が前記情報ビットの数以下である場合に、前記第２の参照ビット挿入手段は、前記参照ビットが連続しないように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の復号化装置において、前記第２の参照ビット挿入手段は、前記参照ビット間に挟まれる、連続する前記情報ビットの数が同じ前記情報ビット系列内で同一となるように前記参照ビットを挿入することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明は、上記の符号化装置と復号化装置とを備えたことを特徴とする符号化・復号化システムである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、情報ビット系列に既知の参照ビット群を挿入して符号化を行い、復号時には参照ビットを、尤度が非常に大きい既知情報として利用することで、情報ビット系列の復号特性を改善することができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態によるターボ符号の符号器（符号化装置）の構成を示している。従来のターボ符号の符号器（図９）と比較して、各要素符号器（要素符号器５−１および５−２）の直前に参照ビット挿入器（参照ビット挿入器５−４および５−５）が設けられている。参照ビット挿入器５−５の前にはターボインタリーバ５−３が設けられており、参照ビット挿入器５−４に入力される情報ビット系列と、参照ビット挿入器５−５に入力される情報ビット系列の入力順序は異なっている。なお、図１において、情報ビット系列に、各要素符号器から出力されたパリティビット系列を付加する構成は、図９と同様に省略されているが、公知の技術で構成することが可能である。
【００２２】
以下、図３および図５を用いて符号化の手順を説明する。図３は、符号器（参照ビット挿入器および要素符号器）での処理手順を示すフローチャートである。まず、参照ビット挿入器によって、情報ビット系列の任意の位置に参照ビット群が挿入される（ステップ８−１）。続いて、情報ビット系列と、挿入された参照ビット群が、要素符号器によってまとめて符号化され、入力に応じたパリティビット系列が生成される（ステップ８−２）。実際に通信路に伝送されるのは、情報ビット系列とパリティビット系列のみであり、参照ビット群は伝送前に除去される（ステップ８−３）。
【００２３】
図５は、原符号化率1/3のターボ符号器を用いて符号化率1/5の符号を構成する場合の処理手順の一例を示している。５ビットの情報ビット系列１０−１に対して参照ビット群が挿入され、ビット系列１０−２（参照ビット挿入後データ）となる。このビット系列１０−２に対して、誤り訂正符号としてのパリティビット１とパリティビット２が付加され、符号化データ１０−３となる。この符号化データ１０−３から参照ビット群が除去され、符号化データ１０−４となる。図３および図５では、参照ビット挿入後データにパリティビット系列を付加し、最後に参照ビットを除去する手順を示したが、図１に示すように、参照ビットを含まない情報ビット系列とパリティビット系列を独立に出力し、最後に情報ビット系列にパリティビット系列を付加してもよい。
【００２４】
参照ビット挿入器によって挿入される参照ビットは「0」でも「1」でもよいが、「0」および「1」のいずれであるのかは既知であるものとする。挿入する参照ビット数は、所望の符号化率に応じて決定される。情報ビット長をx、原符号器の符号化率をR、所望の符号化率をR'とすれば、挿入すべき参照ビットの数はx・(R-R')/｛R'(1-R)｝となる。例えば、図５に示すように原符号化率1/3のターボ符号器を用いる場合、情報長５に対して５つの参照ビットを挿入すれば、符号化率1/5の符号を構成することができる。
【００２５】
本実施形態において、参照ビット挿入器は参照ビット群全体を情報ビット系列の前または後ろに付加するのではなく、情報ビット系列の中に分散して挿入する。なお、参照ビット群の一部を情報ビット系列の前または後ろに付加し、残りを情報ビット系列の中に挿入しても構わない（例えば図５参照）。挿入する参照ビットの数が情報ビットの数よりも多い場合、参照ビット挿入器は、必ず情報ビットが連続しないように（すなわち参照ビット間に挟まれる情報ビットの数が１のみとなるように）参照ビットを挿入する。また、参照ビット挿入器は、連続する参照ビットのビット数のばらつきが５０％以内（望ましくは２０％以内）に収まるように参照ビットを分散して挿入する。ビット数のばらつきとは、連続するビットの最大ビット数と最小ビット数の差であり、これが最大ビット数の５０％以内（望ましくは２０％以内）に収まるようにして、参照ビットが挿入される。特に、連続する参照ビットの数が同じ情報ビット系列内で同一となることがより望ましい。
【００２６】
また、挿入する参照ビットの数が情報ビットの数以下である場合、参照ビット挿入器は、必ず参照ビットが連続しないように（すなわち情報ビット間に挟まれる参照ビットの数が１のみとなるように）参照ビットを挿入する。また、参照ビット挿入器は、連続する情報ビットのビット数のばらつきが５０％以内（望ましくは２０％以内）に収まるように情報ビットを分散して挿入する。ビット数のばらつきに関しては上記と同様である。上記の条件を満たせば、参照ビットの挿入位置は任意であるが、情報ビットに対して等間隔となる（すなわち参照ビット間に挟まれる、連続する情報ビットの数が同じ情報ビット系列内で同一となる）ことがより望ましい。
【００２７】
図２は、ターボ符号の復号器（復号化装置）の構成を示している。従来のターボ符号の復号器（図１０）と比較して、各要素復号器（要素復号器６−１および６−２）の直前に参照ビット挿入器（参照ビット挿入器６−６および６−７）が設けられている。ただし、要素符号器５−１の前に設けられた参照ビット挿入器５−４と、要素復号器６−１の前に設けられた参照ビット挿入器６−６は同一のものとし、同じく要素符号器５−２の前に設けられた参照ビット挿入器５−５と、要素復号器６−２の前に設けられた参照ビット挿入器６−７は同一のものとする。ここでいう同一とは、入力された情報ビット系列に対し、同一数の同一ビットを同一位置に挿入することを意味する。
【００２８】
図２において、情報ビット系列に既知の参照ビットを挿入した参照ビット挿入後データから誤り訂正符号を生成し、元の情報ビット系列にその誤り訂正符号を付加することによって符号化された符号化データの通信路値が復号器に入力される。このうち、情報ビット系列およびパリティビット系列１の両方の通信路値が参照ビット挿入器６−６に入力される。また、情報ビット系列およびパリティビット系列２の両方の通信路値が、ターボインタリーバ６−４を介して参照ビット挿入器６−７に入力される。参照ビット挿入器６−６は、要素符号器５−１によって挿入された参照ビット群と同一の参照ビット群を同一の挿入位置に挿入し、要素復号器６−１へ出力する。同様に、参照ビット挿入器６−７は、要素符号器５−２によって挿入された参照ビット群と同一の参照ビット群を同一の挿入位置に挿入し、要素復号器６−２へ出力する。
【００２９】
要素復号器６−１で最初に復号処理を行う際には、情報ビットの事前値を「1/2」（対数尤度で0）とする。この結果、情報ビット系列の外部値と事後値が計算される。ただし、一般にこの段階では外部値のみが次の処理に用いられる。要素復号器６−１から出力された外部値はターボインタリーバ６−３で順序が並べ替えられた後、事前値として要素復号器６−２に入力される。
【００３０】
要素復号器６−２は、復号処理の結果として情報ビット系列の外部値と事後値を出力する。要素復号器６−２から出力された外部値は、ターボデインタリーバ６−５で元の順序に戻されてから、事前値として要素復号器６−１に入力される。２回目以後の繰り返しでは、要素復号器６−１は要素復号器６−２からの事前値を用いて受信ビット系列の復号処理を実行する。
【００３１】
図４は、復号器（参照ビット挿入器および要素符号器）での処理手順を示すフローチャートである。復号器では、符号器で挿入された参照ビット群を、挿入位置と値が既知のものとして参照ビット挿入器が再び挿入する（ステップ９−１）。要素復号器は、各参照ビットを、尤度が非常に高い既知情報として利用し、情報ビット系列を復号する（ステップ９−２）。２つの要素復号器間のフィードバックループを用いた繰り返し復号処理を実行した後、硬判定によりビット判定が行われて、受信情報ビット系列が出力される（ステップ９−３）。
【００３２】
以下、図６を参照し、図４のステップ９−２における復号手順を説明する。各要素復号器は、図６に示すトレリス線図に基づいて受信系列の推定を行う。図６は、例としてレジスタの状態数が４である場合を示している。状態「x」において、受信系列のi番目のビットとして「y」が入力された場合のブランチメトリックrｉ ｘ，ｙは、復調器から入力される通信路値と、もう一方の要素復号器からフィードバックされる事前値とを用いて計算される。rｉ ｘ，ｙの値が大きいほど、そのブランチを経由する確率が高い。i番目のビットとして通常の情報ビットが受信された場合には、４つの状態に対してそれぞれ「0」または「1」が入力される場合があるため、要素復号器はrｉ ｘ，ｙとして８つの値を計算し、その値をi番目のビットが「0」であるか「1」であるかの尤度の計算に用いる。
【００３３】
今、i+1番目のビットとして参照ビット「0」が入力されたとする。このとき、ビット「1」に対応するブランチメトリックを考慮する必要はなく、ビット「0」に対応するブランチメトリックのみを考慮すればよい。例えば具体的な処理として、rｉ+1 ｘ，0（y＝1,2,3,4）を計算するとき、復調器から入力される通信路値として非常に大きな尤度値∞を代入してやれば、ビット「0」に対応するブランチのみが候補として生き残ることになる。逆に参照ビット「１」が入力された場合には、rｉ+1 ｘ，1（y＝1,2,3,4）を計算するときに、復調器から入力される通信路値として非常に大きな尤度値∞を代入し、ビット「1」に対応するブランチのみを候補として残す。このように、参照ビットが入力されたときには、通常の情報ビットと比較して半数のブランチを考慮すればよく、受信系列全体を復号する際の生き残り有効パス数を限定することができ、情報ビット系列の復号特性が改善する。本実施形態の復号アルゴリズムは、「MAP（Maximum A posteriori Probability）復号」、「Log-MAP復号」、および「Max Log-MAP復号」のいずれにも適用可能である。
【００３４】
図７に、本実施形態によるターボ復調を用いたOFDM伝送における伝送誤り率の特性を示す。シミュレーション条件を図８にまとめる。ターボ符号器の原符号化率は1/3とし、レピティションする方法と参照ビットを挿入する方法とを用いて符号化率1/4および1/5の符号を構成し、それぞれ１ビットあたりの受信信号電力対雑音電力比に対するフレーム誤り率を計算した。従来のレピティションによる方法では、符号化率1/3に比べて特性が劣化しているのに対し、本実施形態による参照ビット挿入法を用いれば、特性が改善することがわかる。
【００３５】
上述した本実施形態によれば、情報ビット系列に既知の参照ビット群を挿入してターボ符号化を行い、復号時には参照ビットを、尤度が非常に大きい既知情報として利用することで、情報ビット系列の復号特性が改善することが期待できる。さらに、伝搬路には参照ビット群は伝送されず、情報ビット系列とパリティビット系列のみが伝送されるため、原符号器の符号化率よりも低い符号化率を効率よく実現できる。結果として、低符号化率で伝送しなければならない信号対雑音電力比の劣悪な状況下において、目的のフレーム誤り率を達成する所要信号対雑音電力比を低減でき、低誤り率で信頼性の高い通信を行うことが可能になる。また、本実施形態による符号化装置および復号化装置は、従来のターボ符号を扱う装置の構成に対してわずかな機能手段を追加することで実現可能であり、低符号化率を実現するために新たな別の符号を導入する場合と比べて、小さい回路規模ですむという利点がある。
【００３６】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上述した符号化装置と復号化装置を備えた符号化・復号化システムを構成してもよい。一例として、W-CDMAやcdma2000のようなセルラーシステムに本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態による符号化装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態による復号化装置の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による符号化の手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態による復号化の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態による符号化の手順を説明するための参考図である。
【図６】本発明の一実施形態による復号化の手順を説明するための参考図である。
【図７】本発明の一実施形態によるターボ復調と従来のターボ復調による伝送誤り率の特性を示すグラフである。
【図８】図７を作成するために行ったシミュレーションの条件を示す参考図である。
【図９】従来の符号化装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の復号化装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】従来の符号化の手順を説明するための参考図である。
【符号の説明】
【００３８】
１−１，１−２，５−１，５−２・・・要素符号器、１−３，２−３，２−４，５−３，６−３，６−４・・・ターボインタリーバ、２−１，２−２，６−１，６−２・・・要素復号器、２−５，６−５・・・ターボデインタリーバ、５−４，５−５，６−６，６−７・・・参照ビット挿入器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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