JP2001160768A - 情報処理方法および情報処理装置 - Google Patents
情報処理方法および情報処理装置Info
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- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Digital Transmission Methods That Use Modulated Carrier Waves (AREA)
- Cable Transmission Systems, Equalization Of Radio And Reduction Of Echo (AREA)
- Error Detection And Correction (AREA)
Abstract
信号処理操作での使用に適した効率的な計算技術を提供
する。 【解決手段】 信号処理操作は、ディジタル通信システ
ム受信機において、受信シンボル系列に対して実行され
る。各受信シンボルは、いくつかの情報ビットを表す。
シンボルは、通常の変調コンステレーション(例えば、
QPSK、16−QAM、64−QAM、256−QA
M、1024−QAMなど)に、所定の回転(例えば、
45°回転)を施すことによって生成される、与えられ
た変調コンステレーション内の点に対応する。回転した
コンステレーションの使用により、有限インパルス応答
(FIR)フィルタリング、最小平均二乗(LMS)推
定、および、ビタビアルゴリズムによる最尤(ML)系
列検出のような特定の信号処理操作が、乗算器を必要と
せずに実行可能となる。
Description
ステムに関し、特に、ディジタル通信システムで用いら
れるフィルタリング、チャネル推定、およびチャネル等
化のような信号処理操作に関する。
ル通信システム受信機において達成されるデータスルー
プットの品質の重要な決定要素である。従来の受信機で
は、チャネル推定は最小平均二乗(LMS)推定として
知られる技術を用いて実行されることが多い一方、チャ
ネル等化は、ビタビアルゴリズムによる最尤(ML)系
列検出を用いて実行される。これらの従来技術の問題点
は、それらの最初の形では、一般に多くの複素乗算を要
することである。具体的には、LMS推定は2M個の乗
算を要し、完全探索ビタビアルゴリズムはPM個の乗算
を要する。ただし、Mはチャネル推定器の次数であり、
Pはシンボルアルファベットのサイズである。多数の乗
算は、特に非常に高いデータレートで要求される計算資
源に関して、これらの従来の推定および等化技術を極端
に高価なものにすることがある。
ベクトルや誤差信号の符号付き近似を用いることによ
り、必要な乗算数を低減しようとしている(例えば、 ・T. A. C. M. Claasen and W. F. G. Mecklenbrauker,
"Comparison of theconvergence of two algorithms f
or adaptive FIR digital filters", IEEE Trans. on A
coustics, Speech and Signal Processing, Vol.ASSP-2
9, No.3, pp.670-678, June 1981 ・D. L. Duttweiler, "A twelve-channel digital echo
canceler", IEEE Trans. on Communications, Vol.COM
-26, No.5, May 1978 ・R. D. Gitlin, J. E. Mazo and M. G. Taylor, "On t
he design of gradient algorithms for digitally imp
lemented adaptive filters", IEEE Trans. onCircuit
Theory, Vol.20, No.2, pp.125-136, Mar. 1973を参
照)。しかし、これらの非線形法は、トレーニング速度
がかなり低下するようにトレーニング動作を変えること
がある。その結果、これらの方法は一般に、長いトレー
ニング系列が利用可能なアプリケーション(例えば、放
送アプリケーション)での使用にしか適さない。
ットを向上させるために、パイプライン化を導入するこ
とも提案されている(例えば、M. D. Meyer and D. P.
Agrawal, "A modular pipelined implementation of a
delayed LMS transversal adaptive filter", Proc. of
ISCAS, New Orleans, pp.1943-1946, 1990、を参
照)。しかし、パイプライン化法もまた、LMSアルゴ
リズムの学習挙動を劣化させる遅延更新を引き起こす
(例えば、 ・P. Kabal, "The stability of adaptive minimum mea
n square error equalizers using delayed adjustmen
t", IEEE Trans. on Communications, Vol.COM-31, No.
3, pp.430-432, Mar. 1983 ・G. Long, F. Ling and J. A. Proakis, "The LMS alg
orithm with delayedcoefficient adaptation", IEEE T
rans. on Acoustics, Speech and Signal Processing,
Vol.ASSP-37, No.9, pp.1397-1405, Sept. 1989 ・G. Long, F. Ling and J. A. Proakis, "Corrections
to 'The LMS algorithm with delayed coefficient ad
aptation'", IEEE Trans. on Signal Processing, Vol.
SP-40, No.1, pp.230-232, Jan. 1992を参照)。
術が開発されている(例えば、 ・M. Rupp and R. Frenzel, "The behavior of LMS and
NLMS algorithms with delayed coefficient update i
n the presence of spherically invariant processe
s", IEEE Trans. on Signal Processing, Vol.SP-42, N
o.3, pp.668-672,March 1995 ・E. Bjarnason, "Noise cancellation using a modifi
ed form of the filtered-XLMS algorithm", Proc. Eus
ipco Signal Processing V, Brussel, pp.1053-1056, 1
992を参照)が、このような技術はしばしば、さらに多
くの乗算を要する。補償付きの遅延更新LMSの直接的
な実現について、T. Kimijima, K. Nishawa and H. Kiy
a, "A pipelined architecture for DLMS algorithm co
nsidering both hardware complexity and output late
ncy", Proc. Eusipco, Patras, Greece, pp.503-506, S
ep. 1998、に記載されている。
に、対応するアルゴリズムのトレーニング動作、数値精
度などの望ましい属性を大幅に変えることなく、必要な
乗算数を消去または大幅に削減することが可能な、改善
されたチャネル推定、チャネル等化およびその他の信号
処理技術が必要とされている。
定、チャネル等化およびその他の信号処理操作での使用
に適した効率的な計算技術を提供する。本発明によれ
ば、信号処理操作は、ディジタル通信システム受信機に
おいて、受信シンボル系列に対して実行される。各受信
シンボルは、いくつかの情報ビットを表す。シンボル
は、通常の変調コンステレーション、例えば、QPSK
コンステレーション、16−QAMコンステレーショ
ン、64−QAMコンステレーション、256−QAM
コンステレーション、1024−QAMコンステレーシ
ョンなどに、所定の回転(例えば、45°回転)を施す
ことによって生成される、与えられた変調コンステレー
ション内の点に対応する。回転したコンステレーション
の使用により、有限インパルス応答(FIR)フィルタ
リング、最小平均二乗(LMS)推定、および、ビタビ
アルゴリズムによる最尤(ML)系列検出のような特定
の信号処理操作が、乗算器を必要とせずに実行可能とな
る。必要な乗算器の個数を消去または大幅に削減するこ
とにより、本発明は、対応する信号処理回路に関連する
複雑さおよび遅延を大幅に低減する。
レクタを利用して、チャネル推定値係数と、与えられた
変調コンステレーションからのシンボルとの乗算を実行
する。セレクタは、入力として、チャネル推定値係数の
要素の実部および虚部を受け取り、乗法演算を利用する
ことなく、チャネル推定値係数の要素と、与えられたシ
ンボルの対応する要素との積の実部および虚部を出力す
る。セレクタは、例えば、第1および第2のスイッチ
と、第1および第2の加減算ユニットを有する。第1お
よび第2のスイッチはそれぞれ、チャネル推定値係数の
要素の実部または虚部の一方を、対応する加減算ユニッ
トに送るために選択し、加減算ユニットが、ベクトル内
積の実部および虚部の要素を計算するようにする。FI
Rフィルタ動作は、加減算ユニットの出力から加減算ユ
ニットの対応する入力へのフィードバックを有すること
によって、セレクタを用いて実装可能である。セレクタ
は、与えられたアプリケーションに必要な特定の処理動
作を実装するために、多段あるいは階層的加算器ツリー
構造として構成することが可能である。
に消去するのみならず、チャネルの推定および等化のア
ルゴリズムで広く用いられているFIRフィルタリング
などの動作を実装する際に必要な加算の数も最小にす
る。本発明は、LMS推定のようなチャネル推定アルゴ
リズムと、ビタビアルゴリズムによるML系列検出のよ
うな等化アルゴリズムとして実現可能であり、アルゴリ
ズムの数値精度を保持したまま、それらの複雑さを大幅
に低減する。例えば、本発明の実施例は、複素値フィル
タタップ係数とQPSKコンステレーション点との乗算
を実行するために、選択演算しか必要としない(すなわ
ち、加算器や乗算器は不要である)。
ィルタ、チャネル推定器、チャネル等化器およびビタビ
復号器のような特定のタイプの信号処理装置に関して説
明する。しかし、理解されるように、本発明は、他のタ
イプの信号処理装置やアプリケーションにも一般的に適
用可能である。
ず、本発明について、QPSK変調に基づく例で説明す
る。本発明は、ui∈{(1/√2)(±1,±j)}
をコンステレーション点とする図1(a)に示すような
通常のコンステレーションを用いるのではなく、点ui
∈{1,j,−1,−j}を有する回転されたコンステ
レーションを利用する。結果として得られる回転コンス
テレーションを図1(b)に示す。本発明により、コン
ステレーション点を回転することは、ディジタル変調方
式やその送信の動作を変えない。与えられたハードウェ
アに依存する実装は、伝送チャネルとともに、一般に、
いずれにしても、任意の回転を追加するからである。G.
M. Durant and S. Ariyavisitakul, "Implementation
of a braodband equalizer for high-speed wireless d
ata applications", Proc. IEEE ICUPC 98, Florence,
Italy, Oct. 1998、で注意されているように、ui∈
(1/√2)(±1 ±j)ではなくui∈(±1 ±
j)を用いることにより、乗算が加減算として実行可能
であるため、複雑さが節減される。しかし、図1(b)
の回転コンステレーションはこの動作をさらに簡単化す
る。これについて説明するため、上記のLMSおよびビ
タビアルゴリズムで広く使用される演算であるベクトル
内積の実装を考える。例えば、チャネル推定値の要素は
行ベクトルw=[w1,w2,...,wM]としてまとめら
れ、一方、送信される変調されたシンボルは、行ベクト
ルu=[u1,u2,...,uM]としてまとめられる。こ
の場合、計算すべきベクトル内積は次式で与えられる。
ボルui(i=1,...,M)と、チャネル推定値重みw
iとの乗算に1つの複素乗算が必要である。複素乗算は
通常、4個の実乗算と2個の加減算を要する。すなわ
ち、 uiwi=Real(ui)Real(wi)−Imag
(ui)Imag(wi)+j{Real(ui)Ima
g(wi)+Imag(ui)Real(wi)} 次のような、3個の乗算と、さらに多くの加減算による
他の実現も可能である。 A=Imag(ui)×{Real(wi)+Imag(wi)} (1) B=Real(wi)×{Real(ui)+Imag(ui)} (2) C=Real(ui)×{Imag(wi)−Real(wi)} (3) uiwi=B−A+j(B+C) (4) しかし、回転QPSKコンステレーションui∈{1,
j,−1,−j}の構造を考慮に入れると、乗算は完全
に消え、次の4つの場合のみが残る。 ui=1: uiwi=Real(wi)+jImag(wi) (5) ui=j: uiwi=−Imag(wi)+jReal(wi) (6) ui=−1: uiwi=−Real(wi)−jImag(wi) (7) ui=−j: uiwi=Imag(wi)−jReal(wi) (8) すなわち、乗算は選択演算となる。以下でさらに詳細に
説明するように、加減算さえも不要である。
テレーション点ui∈{1,j,−1,−j}への、ビ
ットb1およびb0の対の1つの可能なマッピングを示
す。まず適当な変換マッピングを施した後、図2のマッ
ピングを行うことにより、グレイ符号化のような任意の
マッピングを実装可能である。
のテーブルおよび上記の式(5)〜(8)による複素乗
算を行う、QPSK変調に対する選択演算を実装する基
本セレクタ構造を示す。この基本セレクタ構造は、図示
のように相互接続された、インバータ10−1および1
0−2と、スイッチ12−1および12−2とを有す
る。図3から明らかなように、選択演算は、乗算や加算
を必要としない。その代わりに、ビットb0およびb1の
値に基づいてセレクタを制御するために、いくつかの基
本ロジックとともに2の補数ロジックが仮定される。こ
のセレクタ構造では、インバータ10−1および10−
2はアクティブ・ハイであると仮定される。すなわち、
制御信号値が1である場合に反転が実行され、制御信号
値が0であるときは入力信号は反転なしで通過する。ス
イッチ12−1および12−2は、制御信号値が1であ
るときは上の位置に接続され、制御信号値が0であると
きには下の位置に接続されると仮定される。
利用した、長さMのベクトル内積を計算する動作のため
の可能なハードウェア実現を示す。この場合、加法演算
を完全に消去することはできない。次のように、(k−
1)の位置まで部分和が計算されたと仮定する。
に、Sk-1の実部および虚部をそれぞれukwkの実部お
よび虚部に加算するための加算器14−1および14−
2を有する。図5の実装は、2の補数演算を加減算ユニ
ット16−1および16−2に組み込むことによって、
図3のセレクタのインバータ10−1および10−2を
消去している。このように、和を再帰的に計算する場
合、スイッチ12−1および12−2ならびにその他の
支持ロジック以外には、2個の加減算ユニットしか必要
とされない。加減算ユニット16−1および16−2
は、それらの対応する制御信号の値が1であるときに加
法演算を実行すると仮定される。
となく、式(9)に従って完全なFIR動作を実行する
ことが可能な完全再帰構造を示す。図6の構造は、S
k-1の実部および虚部をそれぞれ加減算ユニット16−
1および16−2の対応する入力に供給するフィードバ
ックを、図5の構造に追加したものに相当する。
拡張]上記の技術は、16−QAMコンステレーション
に基づく例を参照して以下で説明するように、さらに大
きい信号コンステレーションにも適用可能である。図7
(a)に、16個のコンステレーション点ui∈{±1
±j,±1±3j,±3±j,±3±3j}のセットを
有する16−QAMコンステレーションを示す。本発明
に従って、図7(a)のコンステレーションを45°回
転することにより、図7(b)に示すような回転コンス
テレーションを得る。図7の(c)〜(f)は、図7
(b)の回転コンステレーションの4個の異なる部分
(サブセクション)を示す。
移動したQPSKコンステレーションに対応する。な
お、各サブセクションの中心点は、回転QPSKコンス
テレーション内の点に対応する。そこで、第1のステッ
プで、サブセクションの中心点の選択を行う。これは、
前述のような回転QPSKコンステレーション内の一点
を選択することと同じである。第2のステップで、実際
の信号を選択する。これは、前の選択と同様の、別の選
択プロセスである。ただし、第1のステップでは、各サ
ブセクションの中心点に対応する値は、加算されるべき
補正信号の2倍の大きさである。このため、第2のステ
ップの前に、シフト演算が必要である。すなわち、16
−QAMコンステレーションからのシンボルとの乗算を
実行するためには、対応するチャネル重みを上記の式
(5)〜(8)に記載したように選択した後、シフト演
算を行い、最後に、別の選択された値を加算することが
必要である。これについて図8で説明する。
左シフト(L−SH)要素32、および再帰セレクタ
(REC)34を有する。図8のセレクタ30は、図3
に示したセレクタに対応し、再帰セレクタ34は、図4
または図5の再帰構造に対応する。左シフト要素30
は、上記の左シフト演算を実行する。
以下の通りである。通常の16−QAMコンステレーシ
ョン内のコンステレーション点(1+3j)を考える。
これは、前述のようにして、(2+j)にマッピングさ
れる。なお、実際の実装では、1単位の定義は任意であ
ることに注意すべきである。最初のステップで、セレク
タ30によって実行される選択演算に続いて、要素32
によって実行されるシフト演算を用いて2の乗算を実行
する。その後、係数にjを乗じる。これは別の選択演算
である。最後に、これらの2つのステップから得られる
2つの値を足し合わせる。この複素乗算は、再帰セレク
タ34における2つの実加算を用いて実行される。
点との乗算を行う再帰構造を示す。16−QAMコンス
テレーションに対する図8の再帰構造と比較すると、6
4−QAMコンステレーションに対する構造は3段の再
帰を要し、したがって、追加の左シフト要素36および
再帰セレクタ38を有する。当業者には明らかなよう
に、さらに大きいコンステレーションに対する構造も同
様にして生成することができる。
ような本発明の技術は、計算量を大幅に低減するだけで
なく、パイプライン化実装にも適している。以下で詳細
に説明するいくつかのアプリケーションでは、限定され
たアルファベットサイズからのシンボルを複素値w lと
乗算する際の可能な結果全体のセットを計算することが
重要である。この場合、多くの中間結果が再使用可能で
あるため、複雑さ(計算量)をさらに低減することがで
きる。
第1象限を例にとると、4個の可能な係数は次の通りで
ある。 A+jB=wR+jwI (11) C+jD=3wR+3jwI (12) E+jF=2wR−wI+j(2wI+wR) (13) G+jH=2wR+wI+j(2wI−wR) (14) 第1行の演算にはコストがかからないが、第2行は2個
の加算を要し、第3行および第4行も同様である。他の
すべての値は、何回かjを乗じることから導くことがで
きるため、実部と虚部の値を入れ替えて反転することに
より得られる。8個の異なる値(A〜H)のみが関連し
ているため、追加の8個のインバータがあればよい。し
たがって、全コストは、6個の加算器および8個のイン
バータ、あるいは同じことであるが、14個の加減算で
ある。同様に、この方法を64−QAMコンステレーシ
ョンに適用した場合には、36個の加減算と32個のイ
ンバータが必要となる。
て、どのようにしてFIRフィルタ、LMSアルゴリズ
ムおよびビタビアルゴリズムを用いたML系列検出を実
行することができるかについて説明する。
まざまなタイプの変調について、セクション1.1の技
術を用いて実装されるFIRフィルタに必要とされる演
算数を、従来のFIRフィルタの場合と比較したテーブ
ルを示す。M個の複素値係数を有する従来のFIRフィ
ルタは、4M個の実乗算および(4M−2)個の実加算
を要する。図10のテーブルは、本発明の技術を適用す
るときに必要な実加減算の数を示す。このテーブルから
わかるように、1024−QAMのような大きいコンス
テレーションの場合でも、本発明の技術では複雑さ(計
算量)はかなり小さい。
ックの連接を用いたFIRフィルタチェインの可能な実
装を示す。連接された64−QAMブロックを40−
1,40−2,...,40−Mで示す。ブロック40−
1,40−2,...,40−Mの出力は、対応する加算
器42−1,42−2,...,42−(M−1)で結合
される。別の可能な方法では、乗算のすべての第1段を
まず結合してから、第2段を結合し、最後に第3段を結
合する。この方法では、仮数の長さおよびチップ面積を
節約することができる。Mの代表的な値は3〜64であ
り、1024−QAM以下のコンステレーションが通常
使用される。
ことは一般に、加算器の長いチェインを要することに注
意すべきである。多くのアプリケーションでは、追加の
レジスタによるレイテンシの増大およびチップ面積の増
大を代償にスループットを増大させるために、この構造
にパイプライン化を適用することができる。また、本発
明の新規なセレクタ技術は一般に、各シンボルごとに数
ビットの情報(例えば、QPSKでは2ビット)しか記
憶する必要がないため、追加レジスタによる技術のパイ
プライン化実装は一般に、あまり多くの面積の増大を必
要としないことにも注意すべきである。
ゴリズムのようないくつかのアプリケーションでは、レ
イテンシが許容されない。この場合、階層ツリー構造を
用いて、遅延を(M−1)TaからTalog2Mに低減
することができる。ただし、Taは、1個の加算器の遅
延時間である。このようなツリー構造を実装するために
は、図3の基本セレクタ構造が好ましい。ただし、この
場合一般に、2個の2の補数インバータが各係数に(す
なわち、全部で2M個のこのようなインバータが)必要
となる。これらの2の補数インバータは、セル面積を必
要とするだけでなく、標準的な加算器と同様のキャリー
リプル効果を引き起こし、追加遅延を生じる。この追加
遅延を避ける構造について、以下で図12、図13およ
び図14を参照して説明する。
算を行う(すなわち、演算Z=±A±Bを実行する)の
に適した高速FIRフィルタ実装のための基本加減算構
造を示す。このような演算のためには、2つの加減算構
造、または、1つの加減算および追加インバータが一般
に必要である。しかし、符号信号を別に扱えば、図13
に例示するように、スイッチの対50−1、50−2
と、1個の加減算構造52で十分である。これにより、
レイテンシとともに面積も節約される。演算を効率的に
実現するために、2つの数AおよびBに対する符号情報
S(A)およびS(B)を与えなければならない。演算
の結果は、次のような、新たな符号情報S(Z)と、加
減算選択(ADD/SUB)とを有する符号付き数Zで
ある。 S(Z)=S(A)∧S(B) (15)
2に、符号演算子と、出力信号Zに関して、4個の可能
な演算を列挙するテーブルを示す。さらに、減算の場合
(A−B、B−A)に正しい入力を選択するためにはマ
ルチプレクサが必要である。数Zは、その符号S(Z)
とともに、後続の加算器構造に渡される。第1段には、
係数のための追加セレクタのみがあればよい。2個の数
AとBを加算するには、最初の演算A+Bのみがあれば
よい。
を別個に扱うと、いくつかの追加の利点もある。例え
ば、QPSKコンステレーションは(より大きなQAM
コンステレーションも同様)、AおよびBの符号に対し
てさまざまな値を割り当てることによって実現可能であ
る。したがって、変調は、既に加算器ツリーの一部とな
っている。図14に、この特徴を例示する、高速FIR
フィルタ実装のための加算器ツリーの第1段を示す。こ
のツリーの第1段は、図示のように相互接続されたスイ
ッチ60−1、60−2、60−3および60−4と、
加減算ユニット62−1および62−2とを有する。
情報を、加算器ツリーにおける次の加減算段に渡すこと
ができ、それにより、追加のインバータを必要とせずに
後続の加法演算に符号情報を含めることができる点であ
る。ツリー構造の最後では、符号の最終的補正を行うた
めに1個のインバータが必要となることがある。以下の
セクションで示されるように、LMSアルゴリズムは、
この符号情報を直接に使用することが可能であり、この
最後のインバータさえも不要である。
すような加減算構造を有し、第1段は、係数の選択と加
法演算を結合することができる。これを図14の構造に
示す。これは、2個の複素係数AR+jAI、およびBR
+jBIが、対応するビット{a0,a1}および{b0,
b1}でQPSK変調されることを仮定する。出力ZR+
jZIの出力符号情報は次式で与えられる。
直接に構成される。
ルゴリズムは、計算量(複雑さ)が2Mであり、一般
に、1つの複素入力に対して8M個の実乗算を要する。
その計算量は、次の2段階により定義される。すなわ
ち、誤差方程式 e(i)=d(i)−uiwi T (19) ただし、 ui=[u(i),u(i−1),...,u(i−M+1)] (20) と、係数更新方程式 wi+1=wi+μe(i)ui * (21) ただし、 wi=[wi(0),wi(1),...,wi(M−1)] (22) であり、wi(l)は、時刻iにおけるタップ重みを表
し、添字lは0からM−1までにわたる。前セクション
で説明した技術を適用すれば、誤差e(i)の計算のた
めの乗算を、選択および加減算で置き換えることができ
る。係数更新(式(21))を計算するため、ステップ
サイズμが2の累乗(μ=2-t)である場合、乗算μe
(i)は、簡単なシフト演算子で置き換えることができ
る。シンボルuiとの残りの乗算も、本発明の新規な技
術で達成される。あと残るのは係数を更新することだけ
であり、これは複素加算である。
本発明の技術を用いて実装した場合の、LMSアルゴリ
ズムの計算量および最小レイテンシのテーブルを示す。
QPSKコンステレーションは、誤差方程式と、係数の
更新とを評価するために、2M個の加減算を要する。1
6−QAMの場合、誤差計算は4M個の加減算を要し、
乗算e(i)ui *は2M個の加減算を要し、係数更新は
2M個の加減算を要する。すなわち、全部で8M個の加
減算を要する。まとめると、QPSK、16−QAMお
よび64−QAMコンステレーションに対して、それぞ
れ、4M、8Mおよび12M個の加減算を要する。この
ように、コンステレーションサイズが4倍に増大する
と、さらに4M個の追加演算が必要となる。
速な実現が要求されることがある。LMSアルゴリズム
の場合、更新は、誤差信号が利用可能になるまで実行す
ることができない。このため、非常に高速なFIRフィ
ルタチェインが重要となる。これは、セクション2.1
で説明した階層ツリー構造を用いて実現される。図16
に、このタイプの例示的な実装を示す。これは、加減算
ユニット70−1および70−2、セレクタ72−1〜
72−4、ならびに加減算階層ツリー構造74を有す
る。この場合の誤差信号の計算は、追加の減算e(i)
=d(i)−uiwi Tを要する。フィルタの次数をM=
2L−1となるように選んだ場合、d(i)は、1個の
フィルタタップ重み要素として扱うことができ、追加遅
延は不要である。
差信号)の符号に依存して、最後の2の補数インバータ
が必要となることがある。これは、追加遅延のコストが
かかることになる。2の補数インバータはキャリーリプ
ル効果を引き起こすためである。しかし、LMSアルゴ
リズムでは、最後のインバータは、係数更新の選択プロ
セスに含めることが可能である。すなわち、負の情報が
アクティブである場合、μe(i)ではなく−μe
(i)が加えられる。
ある。これは簡単な論理ゲートによって実現され、加算
器構造を必要としないからである。QPSKの場合、1
回の更新サイクルで、FIR誤差部分にステップサイズ
μを乗算するために、Talog2M(おそらくはTa)
を要し、最後に、係数の更新に1回の加算を要する。し
たがって、最小更新時間は、(log2M+2)Taで与
えられる。ステップサイズμが2の負べきである場合、
誤差との乗算は簡単なスケーリング演算であるため、追
加時間遅延なしで実現可能である。他のステップサイズ
の値は、2個のこのような値の和で近似することができ
る(すなわち、
この操作は、可能なステップサイズの値の範囲を広くす
る。可能な追加演算は、図16において破線のボックス
75で示されている。
をトレーニングするためにLMSアルゴリズムを適用
し、使用される技術は、1nsで加減算を実行し、6n
sで乗算を実行すると仮定する。この場合、BPSK/
QPSKトレーニング系列の完全な更新は、加減算によ
り6nsで実行することができるが、乗算器を使用する
と約12nsかかる。他方、必要なチップ面積およびパ
ワー消費は、乗算器を実装すると10倍大きくなる。こ
の場合、1/6ns=毎秒166Mシンボルまでのリア
ルタイム処理が可能である。
(ISI:Inter-Symbol Interference)を生じるチャ
ネルを通じて情報を伝送するディジタル通信システムで
は、最適な検出器は最尤シンボル系列検出器(MLS
D:Maximum-likelihood symbol sequence detector)
である。これは、例えば、 ・J. G. Proakis, "Channel equalization", The Commu
nications Handbook,CRC Press, 1997, Chapter 26 ・G. D. Forney, Jr., "Maximum-likelihood sequence
detection in the presence of intersymbol interfere
nce", IEEE Trans. on Information Theory, Vol.IT-1
8, pp.363-378, May 1972に記載されている。
はビタビアルゴリズムである。これは、もともと畳込み
符号を復号するために考案されたものである(前掲のJ.
G.Proakisの文献、および、G. D. Forney, Jr., "The
Viterbi algorithm", IEEEProceedings, Vol.61, pp.26
8-278, March 1973、を参照)。この場合、ISIチャ
ネルは、PM-1個の状態を有するトレリスと呼ばれる有
限状態機械(FSM)としてモデル化される。ここで、
Pは、情報シンボルアルファベットサイズであり、M
は、複素値チャネルFIRフィルタ係数wlの個数であ
る。トレリスには、各状態から分かれるP個の遷移があ
り、これらは、情報シンボルu(k)のP個の相異なる
値に対応する。状態間の遷移に対応する値はwlu
(k)であり、これは、与えられた推定チャネル係数w
lに対する可能な受信値である。
係数がwlであり、入力情報シンボルがu(k)である
と仮定すると、ビタビアルゴリズムは、トレリス内で、
ノイズを含む受信系列r(k)にユークリッド距離で最
も近いパスを再帰的に求めることによって、最尤送信シ
ンボル、バーu(k)を求める。すなわち、バーu
(k)に関して次式を再帰的に最小にすることによっ
て、ML検出器判断基準を実装する。
能な遷移にわたる探索を行う。チャネルモデル係数が再
帰ごとに異なる場合、M個の推定チャネル係数w lのそ
れぞれについて、シンボルアルファベットのP個のシン
ボルとのP回の乗算が必要である。このため、さまざま
な項を最初に比較するためには全部でPM=O(PM)
個の複素乗算が必要である。FSM内の状態間のPM個
の遷移のコストメトリックを計算するためには、さらに
(M−1)×PM=O(MPM)個の複素加算が必要であ
る。通常の方法を用いてこれを行う場合、複素乗算は、
シンボルに依存して4〜8個の加減算で実行される。例
えば、値(3+7j)は、3による乗算に1個の加算
(3=1+2)を要し、7には1個の減算を要する(7
=8−1)。これは、係数の実部および虚部で実行する
必要があるため、O(PM)=4PMとなる。最後に、
実部および虚部をr(k)に加算する必要があり、さら
に2個の加算を要する。したがって、M個の係数および
PM個の状態のすべてに対して、全部でO(MPM)=2
MPM個の加算がある。
本発明の技術を用いると、計算量を大幅に低減すること
ができる。QPSKの場合、各係数wlとu(k)との
乗算は選択プロセスとなり、O(MPM)=0である。
遷移の計算のみが、式(16)の
−QAMの場合、第1段階は選択プロセスであり、次の
段階は、それぞれシンボルごとに乗算を計算する2個の
加減算であるため、O(PM)=2PM=32Mであ
る。64−QAMの場合、4個のシンボルからなるそれ
ぞれのサブセットで、乗算を計算するために10個の加
減算が必要であるため、O(PM)=160Mである。
この技術の適用は、追加のレジスタのためにあまり多く
のチップ面積を追加せずにパイプライン化が容易に可能
であるという追加の利点を有する。
に、セクション1.2で説明した極小演算は、さらに計
算の複雑さを低減することができる。例えば、16−Q
AM変調の場合、O(PM)=14Mであり、64−Q
AMの場合、O(PM)=68Mとなる。
ることは、一度シンボルアルファベット内のすべての要
素ですべての可能な乗算を計算することを要する。これ
は、チャネルが1フレームのデータにわたり一定である
ことを仮定する。チャネルがシンボルごとに急速に変化
している場合、この初期化は、トレリスの遷移値を更新
する再帰ごとに実行しなければならない。得られる値
は、ビタビアルゴリズムでユークリッドノルムを計算す
るために、ルックアップテーブルに記憶することができ
る。図17に、さまざまなタイプの変調について、セク
ション1.1およびセクション1.2の実装の初期化の
複雑さ(O(PM))を、従来の実装と比較したテーブ
ルを示す。
ためには、トレリス中の完全探索を行う場合はO(MP
M)を加える必要がある。この部分は、O(PM)の初
期計算量を容易に超過することがある。そのため、例え
ば、M. Eyuboglu and S. Qureshi, "Reduced-state seq
uence estimation for coded modulation on intersymb
ol interference channels", IEEE Journal on Selecte
d Areas in Communications, Vol.7, pp.989-995, Augu
st 1989、に記載されている、トレリス中の探索を限定
する簡約状態系列推定法のような計算量縮小技術を適用
することが可能である。この場合、初期計算量は非常に
大きくなることがある。加算を実装するために本発明に
よるツリー構造を使用することにより、上記のセクショ
ン1.1で説明したように、計算量をさらに縮小するこ
とが可能である。
処理操作を実装可能な受信機100の実施例を示す。受
信機100は、送信機102によって送信されたシンボ
ル系列を受信する。シンボルは、上記のように回転され
たコンステレーションに従って送信機102によって送
信される。受信機100は、ビタビアルゴリズムを実装
するML系列検出器(MLSD)104を有する。ML
SD104は、LMS推定器106と並列に接続され
る。MLSD104およびLMS推定器106の一方ま
たは両方は、上記の計算技術を用いて実装される。LM
S推定器106からのチャネル推定値は図示のようにM
LSDに供給される。オプションとして、チャネル復号
器108も受信機100に含まれる。
例示的な受信機120を示す。受信機120は、判定フ
ィードバック等化(DFE:decision feedback equali
zation)技術を実装し、MLSD104、LMS推定器
106およびオプションのチャネル復号器108を有す
るとともに、フィードフォワードフィルタのセット12
2およびフィードバックフィルタのセット124を有す
る。この場合、LMS推定器の出力は、フィードバック
フィルタのセット124の適応フィルタタップを決定す
るために使用される。受信シンボルは、フィードフォワ
ードフィルタ122を通して処理された後、MLSD1
04に送られる。MLSDの出力は、フィードバックフ
ィルタ124を通してフィードバックされる。
び図19の構成は単なる例示であり、他の実施例は、要
素の異なる構成や明示的に図示していない追加要素を含
むことも可能である。
QAMコンステレーション内のコンステレーション点と
係数との乗算を必要とする計算アルゴリズムの実装のた
めに計算量を大幅に低減することを可能にする効率的な
計算の方法および装置を提供する。乗算を、より簡単な
関数で置き換えることにより、チップ面積とレイテンシ
を縮小することができる。なお、この技術を適用して
も、近似や精度の低下は起こらず、単に、面積を要求す
る演算および時間を要求する演算が除去されるだけであ
ることに注意すべきである。
ハードウェア、ソフトウェア、または、ハードウェアと
ソフトウェアの組合せのいずれでも実現可能である。例
えば、図3〜図6、図8、図9、図11、図13、図1
4および図16に例示した計算構造は、ディジタル通信
システム受信機のチャネル推定器、チャネル等化器、復
調器、復号器あるいはその他の要素で用いられる特定用
途向け集積回路(ASIC)あるいはその他のディジタ
ルデータ処理デバイスの要素として実現可能である。
の例を示し、(b)は、回転したQPSKコンステレー
ションの例を示す図である。
点への2ビットのマッピングを示すテーブルの図であ
る。
ーションからのシンボルとの複素乗算を実行する基本セ
レクタ動作の図である。
用したフィルタ動作を実行する他の構成を示す図であ
る。
用したフィルタ動作を実行する他の構成を示す図であ
る。
加減算を示す図である。
の4個のサブセットへの分割を示す図である。
の2ステップチェインを示す図である。
の3ステップチェインを示す図である。
るFIRフィルタを実装するために必要な加減算数を示
すテーブルの図である。
ックを有するFIRフィルタチェインを示す図である。
ある。
本加減算構造を示す図である。
算器ツリーの第1段を示す図である。
るLMS技術における、必要な加減算数と対応するレイ
テンシとを比較するテーブルの図である。
る。
って、ビタビアルゴリズムのトレリスを初期化するため
に係数あたり必要な加減算数を比較するテーブルの図で
ある。
機の例を示す図である。
機の例を示す図である。
Claims (25)
- 【請求項1】 ディジタル通信システムの受信機で情報
を処理する方法において、該方法は、 送信シンボル系列に信号処理操作を適用するステップを
有し、 送信シンボルは、第1変調コンステレーション内の点に
対応し、該第1変調コンステレーションは、第2変調コ
ンステレーションを回転したものに対応し、各送信シン
ボルは、特定数の情報ビットを表し、 前記第1変調コンステレーションの使用により、前記信
号処理操作は、前記第2変調コンステレーションで要求
される演算数に比べて少数の演算を用いて実行可能とな
ることを特徴とする情報処理方法。 - 【請求項2】 前記第1変調コンステレーションの使用
により、前記信号処理操作は、乗算なしで実行可能とな
ることを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 前記第1変調コンステレーションは、前
記第2変調コンステレーションを45°回転することに
より生成されることを特徴とする請求項1に記載の方
法。 - 【請求項4】 前記第2変調コンステレーションは、P
SKコンステレーションおよびQAMコンステレーショ
ンのうちの1つからなることを特徴とする請求項1に記
載の方法。 - 【請求項5】 前記信号処理操作は、有限インパルス応
答(FIR)フィルタリング操作、最小平均二乗(LM
S)推定操作、およびビタビアルゴリズムを用いた最尤
(ML)系列検出操作のうちの少なくとも1つを含むこ
とを特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項6】 前記信号処理操作は、セレクタを用い
て、チャネル推定値係数と、前記第1変調コンステレー
ションからのシンボルとの複素乗算を実行することを特
徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項7】 前記セレクタは、チャネル推定値係数の
要素の実部および虚部を入力として受け取り、乗算を利
用することなく、該チャネル推定値係数の要素と、与え
られたシンボルの対応する要素との積の実部および虚部
を出力することを特徴とする請求項6に記載の方法。 - 【請求項8】 前記セレクタは、第1および第2のスイ
ッチならびに第1および第2の加減算ユニットを有し、 前記第1および第2のスイッチはそれぞれ、対応する加
減算ユニットに入力するために、チャネル推定値係数の
要素の実部または虚部のうちの一方を選択することによ
り、加減算ユニットは、ベクトル内積の実部および虚部
の要素を計算することを特徴とする請求項7に記載の方
法。 - 【請求項9】 加減算ユニットの出力から対応する加減
算ユニットの入力へのフィードバックを含むことによ
り、前記セレクタを用いてFIRフィルタ操作を実現す
ることを特徴とする請求項8に記載の方法。 - 【請求項10】 前記信号処理操作は、乗法演算なしで
実現された多段演算を含み、該多段演算の各段は1つの
セレクタに対応し、左シフト要素が、与えられた段の出
力と、後続段の対応する入力との間に配置されることを
特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項11】 前記信号処理操作は、乗法演算なし
で、多段階層加算器ツリーを利用して実現されることを
特徴とする請求項1に記載の方法。 - 【請求項12】 ディジタル通信システムの受信機で情
報を処理する際に使用する装置において、該装置は、 送信シンボル系列を処理する信号処理回路を有し、 送信シンボルは、第1変調コンステレーション内の点に
対応し、該第1変調コンステレーションは、第2変調コ
ンステレーションを回転したものに対応し、各送信シン
ボルは、特定数の情報ビットを表し、 前記第1変調コンステレーションの使用により、信号処
理操作は、前記第2変調コンステレーションで要求され
る演算数に比べて少数の演算を用いて実行可能となるこ
とを特徴とする情報処理装置。 - 【請求項13】 前記第1変調コンステレーションの使
用により、前記信号処理操作は、乗算なしで実行可能と
なることを特徴とする請求項12に記載の装置。 - 【請求項14】 前記第1変調コンステレーションは、
前記第2変調コンステレーションを45°回転すること
により生成されることを特徴とする請求項12に記載の
装置。 - 【請求項15】 前記第2変調コンステレーションは、
PSKコンステレーションおよびQAMコンステレーシ
ョンのうちの1つからなることを特徴とする請求項12
に記載の装置。 - 【請求項16】 前記信号処理回路は、有限インパルス
応答(FIR)フィルタ、最小平均二乗(LMS)推定
器、およびビタビアルゴリズムを用いて実現された最尤
(ML)系列検出器のうちの少なくとも1つを含むこと
を特徴とする請求項12に記載の装置。 - 【請求項17】 前記信号処理回路は、チャネル推定値
係数と、前記第1変調コンステレーションからのシンボ
ルとの複素乗算を実行するように動作する少なくとも1
つのセレクタを有することを特徴とする請求項12に記
載の装置。 - 【請求項18】 前記セレクタは、チャネル推定値係数
の要素の実部および虚部を入力として受け取り、乗算を
利用することなく、該チャネル推定値係数の要素と、与
えられたシンボルの対応する要素との積の実部および虚
部を出力することを特徴とする請求項17に記載の装
置。 - 【請求項19】 前記セレクタは、第1および第2のス
イッチならびに第1および第2の加減算ユニットを有
し、 前記第1および第2のスイッチはそれぞれ、対応する加
減算ユニットに入力するために、チャネル推定値係数の
要素の実部または虚部のうちの一方を選択することによ
り、加減算ユニットは、ベクトル内積の実部および虚部
の要素を計算することを特徴とする請求項18に記載の
装置。 - 【請求項20】 前記信号処理回路は、加減算ユニット
の出力から対応する加減算ユニットの入力へのフィード
バックを含むセレクタを用いて実現されたFIRフィル
タを有することを特徴とする請求項19に記載の装置。 - 【請求項21】 前記信号処理回路は、乗法演算なしで
実現された多段回路を含み、該多段回路の各段は1つの
セレクタに対応し、左シフト要素が、与えられた段の出
力と、後続段の対応する入力との間に配置されることを
特徴とする請求項12に記載の装置。 - 【請求項22】 前記信号処理回路は、乗法演算なし
で、多段階層加算器ツリーを利用して実現されることを
特徴とする請求項12に記載の装置。 - 【請求項23】 ディジタル通信システムの受信機で情
報を処理する際に使用する装置において、該装置は、 送信シンボル系列に信号処理操作を適用する信号処理手
段を有し、 送信シンボルは、第1変調コンステレーション内の点に
対応し、該第1変調コンステレーションは、第2変調コ
ンステレーションを回転したものに対応し、各送信シン
ボルは、特定数の情報ビットを表し、 前記第1変調コンステレーションの使用により、前記信
号処理操作は、前記第2変調コンステレーションで要求
される演算数に比べて少数の演算を用いて実行可能とな
ることを特徴とする情報処理装置。 - 【請求項24】 ディジタル通信システムの送信機で情
報を処理する方法において、該方法は、 送信シンボル系列を発生するステップを有し、 送信シンボルは、第1変調コンステレーション内の点に
対応し、該第1変調コンステレーションは、第2変調コ
ンステレーションに所定の回転を施すことによって生成
され、各送信シンボルは、特定数の情報ビットを表し、 前記第1変調コンステレーションの使用により、前記シ
ステムの対応する受信機における信号処理操作は、前記
第2変調コンステレーションで要求される演算数に比べ
て少数の演算を用いて実行可能となることを特徴とする
情報処理方法。 - 【請求項25】 ディジタル通信システムの送信機で情
報を処理する際に使用する装置において、該装置は、 送信シンボル系列を発生する手段を有し、 送信シンボルは、第1変調コンステレーション内の点に
対応し、該第1変調コンステレーションは、第2変調コ
ンステレーションを回転したものに対応し、各送信シン
ボルは、特定数の情報ビットを表し、 前記第1変調コンステレーションの使用により、前記シ
ステムの対応する受信機における信号処理操作は、前記
第2変調コンステレーションで要求される演算数に比べ
て少数の演算を用いて実行可能となることを特徴とする
情報処理装置。
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