KR100262961B1 - Equalization Apparatus and Method Using Decision Feedback Recursive Neural Network - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 등화 장치에 관한 것으로, 특히 자기 기록/재생 시스템에서 효과적으로 신호간의 간섭을 보상할 수 있는 결정 궤환 재귀 신경망 등화 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an equalization device, and more particularly, to a decision feedback recursive neural network equalization device and method capable of effectively compensating signal interference in a magnetic recording / reproducing system.
통상, 디지털 통신에 있어서 채널의 특성으로 인한 심볼간의 간섭은 대역의 효율적인 사용은 물론 신뢰성 있는 통신을 어렵게 만든다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 사용되는 것이 등화기이다. 특히, 자기 기록/재생 시스템의 경우 심볼간의 간섭 뿐만 아니라 채널의 물리적 특성에서 야기되는 비선형성으로 인하여 일반적인 등화기로는 완전한 채널의 등화가 어려워 지게 된다.In general, inter-symbol interference due to the characteristics of the channel in digital communication makes it difficult to use the band as well as reliable communication. The equalizer is used to overcome this problem. In particular, in the case of the magnetic recording / reproducing system, the equalization of the complete channel becomes difficult with the general equalizer due to the nonlinearity caused by the physical characteristics of the channel as well as the intersymbol interference.
비선형 왜곡이 있는 채널의 효과적인 등화를 위해 사용되는 방법 중 대표적인 것은 신경망을 이용한 등화 방법이다. 현재까지 등화기에 사용되는 신경망은 다중 퍼셉트론으로 대표되는 유한 임펄스 응답(Finite Impulse Response ; 이하, "FIR"이라 함) 형태의 결정 궤환 신경망 구조와 무한 임펄스 응답(Infinite Impulse Response ; 이하, "IIR"이라 함) 형태의 재귀 신경망 구조가 사용되고 있다.A typical method used for effective equalization of a channel with nonlinear distortion is an equalization method using neural networks. To date, the neural network used in the equalizer is called a finite impulse response (FIR) in the form of a finite impulse response (FIR), and an infinite impulse response (IIR). Recursive neural network structure is used.
도 1은 종래의 결정 궤환 신경망 등화기(Neural Decision Feedback Equalizer ; NDFE)의 구성을 도시한 블록도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a conventional decision feedback neural equalizer (NDFE).
도 1의 결정 궤환 신경망 등화기는 채널 출력 신호열을 입력으로 갖는 탭지연선(Tap Delayed Line ; 이하 "TDL"이라 함) 구조의 버퍼(2)열이 입력층(4)을 형성하고, 입력층의 전방 필터(6)는 채널 출력 신호열이 채워지고, 결정 궤환된 입력 신호열 {ak}의 추정치가 후방 필터(8)의 입력으로 들어가게 된다. 또한, 전방 필터(6)의 출력{
이와 같이, 결정 궤환 신경망 등화기는 결정 궤환 입력 신호열 {ak}의 추정치가 후방 필터(8)의 입력으로 들어감으로써 앞선 심볼에 의한 간섭을 보상해 주기 때문에 좋은 등화 성능을 가진다. 그러나, 채널 대역 안에 매우 깊은 골을 가지고 있거나 비선형 왜곡이 심한 경우 만족할 만한 등화가 이루어지기 어려울 뿐만 아니라 구조가 복잡하고 계산량이 많아지는 단점이 있다.In this way, the decision feedback neural network equalizer has a good equalization performance because the estimated value of the decision feedback input signal sequence {a k } enters the input of the rear filter 8 to compensate for the interference by the preceding symbol. However, in the case of having a very deep valley in the channel band or severe nonlinear distortion, satisfactory equalization is difficult to be achieved, and there is a disadvantage in that the structure is complicated and the calculation amount is large.
도 2를 참조하면, 상술한 결정 궤환 신경망 등화기의 문제를 해결할 수 있는 재귀 신경망 등화기(Neural Recurrent Equalizer : NRE)의 구조가 도시되어 있다.Referring to FIG. 2, there is shown a structure of a neural recurrent equalizer (NRE) capable of solving the above-described problem of the decision feedback neural network equalizer.
도 2의 재귀 신경망 등화기는 각 노드들이 피드포워드(Feedforward) 방식으로만 연결되어 있는 것이 아니라 부분적으로 또는 완전히 서로 연결되어 있는 구조로써, 외부 입력 벡터와 외부 출력 벡터 사이에 하나의 은닉층이 존재하고 있다. 다시 말하여, 재귀 신경망 등화기는 현재의 노드 출력값을 계산하는데 은닉층의 각 노드들의 과거의 출력값들이 피드백(Feedback)되어 영향을 준다.The recursive neural equalizer of FIG. 2 is a structure in which each node is not only connected in a feedforward manner but partially or completely connected to each other, and a hidden layer exists between an external input vector and an external output vector. . In other words, the recursive neural network equalizer calculates the current node output value and the past output values of each node of the hidden layer are fed back.
결과적으로, 재귀 신경망 등화기는 IIR 구조를 가지므로 적은 계산량을 가지는 장점이 있다. 그러나, 재귀 신경망 등화기도 마찬가지로 채널의 왜곡이 심하거나 비선형성이 강한 경우 제대로 학습이 되지 않고 매우 불안한 동작을 하는 문제점이 나타난다.As a result, the recursive neural equalizer has an IIR structure and therefore has an advantage of having a small amount of computation. However, likewise, a recursive neural equalizer has a problem in that the channel is severely distorted or strong in the nonlinearity, and thus it is not properly trained and very unstable.
따라서, 본 발명의 목적은 심볼간의 간섭 및 비선형 왜곡을 효과적으로 보상할 수 있는 결정 궤환 재귀 신경망 등화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide an apparatus and method for decision feedback recursive neural network equalization that can effectively compensate for intersymbol interference and nonlinear distortion.
본 발명의 다른 목적은 IIR 구조를 사용하여 구조를 간단히함으로써, 계산량을 줄일 수 있는 결정 궤환 재귀 신경망 등화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide an apparatus and method for decision feedback recursive neural network equalization that can reduce the amount of computation by simplifying the structure using an IIR structure.
본 발명의 또 다른 목적은 IIR 구조를 사용하여 구조를 간단히함으로써, 용이하게 하드웨어로 구현할 수 있는 결정 궤환 재귀 신경망 등화 장치 및 방법을 제공하는 것이다.It is still another object of the present invention to provide an apparatus and method for decision feedback recursive neural network equalization that can be easily implemented in hardware by simplifying the structure using an IIR structure.
도 1은 종래의 신경망을 이용한 결정 궤환 등화기의 구성을 도시한 블록도.1 is a block diagram showing the configuration of a crystal feedback equalizer using a conventional neural network;
도 2는 종래의 재귀 신경망 등화기의 구조를 도시한 도면.Figure 2 shows the structure of a conventional recursive neural network equalizer.
도 3은 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망 등화 장치의 구성을 도시한 블록도.Figure 3 is a block diagram showing the configuration of the decision feedback recursive neural network equalizer according to the present invention.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명〉<Brief description of symbols for the main parts of the drawings>
2,12 : 버퍼 4 : 입력층2,12 buffer 4: input layer
6 : 전방 필터 8 : 후방 필터6: front filter 8: rear filter
14 : 히든노드 16 : 결정기14: Hidden Node 16: Crystallizer
18 : 가산기18: adder
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 장치는 채널에서 공급되는 입력신호를 데이터 주기 단위로 지연시키는 적어도 하나 이상의 지연수단과, 지연라인으로부터 공급되는 지연되는 신호와 출력단으로부터의 귀환신호를 함수연산하도록 지연라인 수 만큼 지연라인에 접속되는 연산수단과, 연산수단의 출력신호들을 절대치로 치환하여 디지털 형태의 신호를 검출하여 연산수단 쪽으로 귀환시켜 공급하는 결정값 검출수단을 구비한다.In order to achieve the above object, the equalization apparatus using the decision feedback recursive neural network according to the present invention comprises at least one delay means for delaying the input signal supplied from the channel by data period, and the delayed signal and output stage supplied from the delay line. A calculation means connected to the delay line by the number of delay lines so as to perform a functional calculation of the feedback signal from the signal; Equipped.
본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 장치는 채널에서 공급되는 입력신호를 데이터 주기 단위로 지연시키는 적어도 하나 이상의 지연수단과,지연라인으로부터 공급되는 지연되는 신호와 출력단으로부터의 귀환신호를 함수연산하도록 지연라인 수 만큼 지연라인에 접속되는 연산수단과, 연산수단의 출력신호들을 절대치로 치환하여 디지털 형태의 신호를 검출하여 연산수단 쪽으로 귀환시켜 공급하는 결정값 검출수단과, 연산수단의 출력신호와 검출수단의 출력신호에 따라 가중치를 보정하는 가중치 보정수단을 구비한다.The equalization apparatus using the decision feedback recursive neural network according to the present invention includes at least one delay means for delaying an input signal supplied from a channel in data period units, and a function operation for a delayed signal supplied from a delay line and a feedback signal from an output terminal. A calculation means connected to the delay line by the number of delay lines, a decision value detection means for detecting a digital signal by returning the output signal of the calculation means to an absolute value, and feeding it back to the calculation means; And a weight correction means for correcting the weight in accordance with the output signal of the detection means.
본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 방법은 채널에서 공급되는 입력신호를 데이터 주기 단위로 지연시키는 단계와, 지연라인으로부터 공급되는 지연되는 신호와 출력단으로부터의 귀환신호를 함수연산하는 단계와, 함수연산된 신호를 절대치로 치환하여 디지털 형태의 신호를 검출하여 함수연산의 입력으로 귀환시켜 공급하는 단계를 포함한다.The equalization method using the decision feedback recursive neural network according to the present invention comprises the steps of delaying the input signal supplied from the channel by data period unit, the function of calculating the delayed signal supplied from the delay line and the feedback signal from the output stage, Detecting the digital signal by returning the function-operated signal to an absolute value and feeding it back to the input of the function operation.
본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 방법은 채널에서 공급되는 입력신호를 데이터 주기 단위로 지연시키는 단계와, 지연라인으로부터 공급되는 지연되는 신호와 출력단으로부터의 귀환신호를 함수연산하는 단계와, 함수연산된 신호를 절대치로 치환하여 디지털 형태의 신호를 검출하여 함수연산의 입력으로 귀환시켜 공급하는 단계와, 함수연산된 신호와 디지털 형태의 신호에 따라 가중치를 보정하는 단계를 포함한다.The equalization method using the decision feedback recursive neural network according to the present invention comprises the steps of delaying the input signal supplied from the channel by data period unit, the function of calculating the delayed signal supplied from the delay line and the feedback signal from the output stage, Detecting a digital signal by returning the function-operated signal to an absolute value, feeding it back to the input of the function operation, and correcting weights according to the function-operated signal and the digital signal.
상기 목적들 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.Other objects and advantages of the present invention in addition to the above objects will become apparent from the description of the preferred embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG.
도 3은 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 장치의 구성을 도시한 블록도이다.3 is a block diagram showing the configuration of an equalizer using the decision feedback recursive neural network according to the present invention.
도 3의 결정 궤환 재귀 신경망 등화기(Decision Feedback Recurrent Neural Equalizer ;DFRNE)는 데이터의 일정 주기 단위로 채널 입력신호 Xk를 지연시키도록 TDL 구조를 갖는 버퍼들(12)과, 딜레이된 입력신호들과 출력단으로부터 귀환되는 귀환신호를 입력으로하여 함수연산하는 히든노드들(14)과, 히든노드들(14)의 출력신호들 Y1, Y2, Yk를 절대치로 치환하여 디지털 형태의 결정값을 산출하여 이 결정값을 히든노드들(14)에 피드백하여 공급하는 결정기(16)들을 구비한다. 또한, 본 발명의 결정 궤환 재귀 신경망 등화기는 히든노드(14)의 출력라인과 결정기(16)기의 출력라인에 공통으로 접속되어 가중치 값을 조정하게 되는 가산기들(18)을 구비한다.The decision feedback recurrent neural equalizer (DFRNE) of FIG. 3 includes buffers 12 having a TDL structure and delayed input signals to delay the channel input signal X k in units of a certain period of data. And digitally determined values by substituting the absolute nodes 14, which are functionally operated by the feedback signal fed back from the output terminal, and the output signals Y 1 , Y 2 , Y k of the hidden nodes 14 with absolute values. It is provided with the decision makers 16 for calculating and feeding back this decision value to the hidden nodes 14. Also, the decision feedback recursive neural network equalizer of the present invention includes adders 18 which are commonly connected to the output line of the hidden node 14 and the output line of the determiner 16 to adjust the weight value.
본 발명의 결정 궤환 재귀 신경망 등화기는 종래의 재귀 신경망 등화기(RNE)와는 달리 현재 노드의 출력값에 단순히 과거의 출력값이 가중치와 합산되는 것이 아니라, 과거의 출력값으로부터 결정된 값이 가중치와 합산되는 구조를 갖는다. 각 히든노드(14)는 각 버퍼들(12)의 출력신호가 공통으로 공급됨과 아울러 각 결정기(16)의 출력신호가 공통으로 공급되어 이들 신호를 함수연산하여 그 결과를 결정기(16)의 기준신호로 공급하게 된다.Unlike the conventional recursive neural equalizer (RNE), the decision-feedback recursive neural equalizer of the present invention does not simply add the weight of the past output value to the output value of the current node, but a structure in which the value determined from the past output value is added to the weight. Have Each hidden node 14 is supplied with the output signals of the respective buffers 12 in common, and the output signals of the respective determiners 16 are supplied in common, and these functions are functionally calculated to determine the result of the determination of the determiner 16. Will be supplied as a signal.
이를 상세히 하면, 결정 궤환 재귀 신경망 등화기에서 채널로부터 공급되는 입력신호
여기서, 집합 I와 L은 각각 외부 입력들의 집합과 노드들의 과거 출력값들의 집합을 나타낸다. 또한, 벡터
본 발명의 결정 궤환 재귀 신경망 등화기에서 학습 방법은 각 노드의 출력값 계산만이 다를 뿐 나머지 과정들은 실질적으로 종래의 재귀 신경망 등화기의 학습과정과 동일하다.In the decision feedback recursive neural equalizer of the present invention, the learning method differs only in calculating the output value of each node, and the rest of the processes are substantially the same as those of the conventional recursive neural equalizer.
이를 상세히 하면, 단계 1에서 상기 수학식 1을 이용하여 현재 각 히든노드들(14)의 출력값을 산출한다. 그 다음, 단계 2에서 순시 에러값을 산출한다. 이때, 산출되는 순시 에러값을 수학식으로 나타내면 다음과 같다.In detail, in step 1, the output values of the current hidden nodes 14 are calculated using Equation 1. The instantaneous error value is then calculated in step 2. In this case, the calculated instantaneous error value is represented as follows.
이어서, 단계 3에서 민감도 함수를 산출한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.The sensitivity function is then calculated in step 3. This is expressed as the following equation.
여기서, f(·)는 신경망의 활성함수로 tanh 함수로 모델링 된다. 다시 말하여,
끝으로, 단계 4에서 상기 산출한 순시 에러값을 이용하여 가중치를 보정한다. 이를 수학식으로 나타내면 다음과 같다.Finally, the weight is corrected using the instantaneous error value calculated in step 4. This is expressed as the following equation.
여기서, α는 임의의 양의 실수이다.Where α is any positive real number.
종래의 재귀 신경망 등화기는 원하는 출력값을 보통 하나만 가지고 학습을 수행하지만 제안한 결정 궤환 재귀 신경망 등화기는 은닉층의 모든 히든노드들(14)에 원하는 출력값을 부여하고, 그들을 모두 학습에 참가시켜 보다 많은 제한 조건을 학습에 추가하여 시스템의 안정된 학습이 가능하도록 한다. 이하, 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망 등화기의 성능을 MSE 관점에서 설명하기로 한다.Conventional recursive neural equalizers perform learning with only one desired output value, but the proposed decision feedback recursive neural equalizer gives the desired output values to all hidden nodes 14 of the hidden layer, and all of them participate in learning to apply more constraints. In addition to learning, it enables stable learning of the system. Hereinafter, the performance of the decision feedback recursive neural network equalizer according to the present invention will be described in terms of MSE.
먼저, {+1, -1}로 구성된 이진 신호열 {lk}를 전송하였을 때 채널을 통과하고 백색 가우시안 잡음 {nk}가 섞인 등화기의 입력벡터를 {Xk}라고 하고 이진 신호열과 잡음열과는 통계적 독립이라고 하면, 종래의 재귀 신경망 등화기와 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망 등화기에서의 출력값은 다음 수학식과 같다.First, when the binary signal sequence {l k } consisting of {+1, -1} is transmitted, the input vector of the equalizer passing through the channel and mixed with white Gaussian noise {n k } is called {X k }. Speaking statistically independent of heat, the output values of the conventional recursive neural equalizer and the decision feedback recursive neural network equalizer according to the present invention are as follows.
각각의 MSE는 다음 수학식과 같다.Each MSE is represented by the following equation.
상기 수학식을 이용하여 각 MSE을 구해서 차이를 구하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.By using the above equation to obtain each MSE and the difference can be obtained as follows.
상기 결과값들은 모든 항들에 제곱이 되어있으므로 우변의 값은 항상 음이 된다. 따라서, 결정 궤환 재귀 신경망 등화기(DFRNE)와 재귀 신경망 등화기(RNE)의 MSE 값은 다음과 같은 관계를 갖음을 알 수 있다.The result is squared over all terms, so the value on the right side is always negative. Accordingly, it can be seen that the MSE values of the decision feedback recursive neural network equalizer (DFRNE) and the recursive neural network equalizer (RNE) have the following relationship.
이와같이, 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망 등화기의 MSE가 종래의 재귀 신경망 등화기의 MSE 보다 항상 같거나 작음을 알 수 있다.As such, it can be seen that the MSE of the decision feedback recursive neural network equalizer according to the present invention is always equal to or smaller than that of the conventional recursive neural network equalizer.
결론적으로, 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망 등화기는 종래의 재귀 신경망 구조와 같이 IIR 형태를 사용함으로써, 계산량을 줄일 수 있고 매시간 결정을 내려주어 과거의 에러값들을 시스템안에서 축출하는 효과를 얻음으로써 기존의 과거 에러값에 의해 시스템이 불안정하고 학습시 가끔씩 튀는 값들에 의해 발산해 버릴 수 있는 위험성을 제거할 수 있다.In conclusion, the decision-feedback recursive neural network equalizer according to the present invention can reduce the amount of computation by using the IIR form as in the conventional recursive neural network structure, and make a decision every hour to obtain the effect of extracting past error values in the system. Past error values in the system eliminate the risk of system instability and divergence from occasional bouncing values.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 장치 및 방법에 의하면 자기 기록/재생 시스템에서 발생하는 심볼간의 간섭과 비선형 왜곡을 종래의 방법에 비해 효과적으로 제거하여 왜곡된 신호를 복원할 수 있다. 또한, 본 발명의 결정 궤환 재귀 신경망을 이용한 등화 장치는 IIR 구조의 특징으로 구조가 간단하여 용이하게 실제 하드웨어로 구현할 수 있다. 나아가, 본 발명은 비선형 왜곡이 특히 심한 자기 기록 매체나 모든 통신 채널에 적용하여 우수한 성능을 얻을 수 있다.As described above, according to the equalization apparatus and method using the decision feedback recursive neural network according to the present invention, the interference between symbols and nonlinear distortion occurring in the magnetic recording / reproducing system can be effectively removed to restore the distorted signal. Can be. In addition, the equalization device using the decision feedback recursive neural network of the present invention can be easily implemented in real hardware because of its simple structure as a feature of the IIR structure. Further, the present invention can be applied to a magnetic recording medium or all communication channels with particularly high nonlinear distortion, thereby obtaining excellent performance.
한편, 상술한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정하여져야만 한다.On the other hand, it will be appreciated by those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Therefore, the technical scope of the present invention should not be limited to the contents described in the detailed description of the specification but should be defined by the claims.
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