JP2005518152A - 通信システムのチャンネルを介して送信される信号を等化するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

通信システムのチャンネルを介して送信される信号を等化するための方法およびシステムは、チャンネルを介して受信される入力信号をメインバッファに格納する。受信入力信号のトレーニング信号部分が循環トレーニング信号として循環バッファに格納される。トレーニング信号の平均二乗誤差が所定の閾値よりも小さくなるまで、送信信号を推定しながら平均二乗誤差が最小化される。この場合に、チャンネルを介して受信される入力信号が直に等化され、チャンネルを介して送信される信号のシンボルについての判定が行われる。トレーニングの初期ステージでは、平均二乗誤差がトレーニング信号から直に決定され、トレーニングの後続ステージでは、循環トレーニング信号が用いられる。

Description

本発明は概してデジタル通信システムに関し、より詳細には、デジタル通信システムにおける適応信号等化に関する。

デジタル通信システムにおいて、通常、信号は帯域制限されたチャンネル上で送信される。高速のデータ伝送の場合、そのようにチャンネルの帯域が制限される結果として、シンボル間干渉（ＩＳＩ）が生じる。有線チャンネルは周波数選択性フェージングも受け、無線チャンネルではマルチパス伝搬が生じる。さらに、大部分のデジタル通信システムにおいて、一般的に、チャンネルの周波数応答は予めわかっていない。このため、変調器および復調器のための最適なフィルタを設計するのが難しくなる。さらに、大部分の実際のチャンネルでは、周波数応答特性が時間とともに変動するため、最適な決まった復調フィルタを設計することはできない。

ＩＳＩ問題に対する解決手段は、受信信号内のＩＳＩを補償、すなわち低減するための手段を用いる受信機を設計することである。ＩＳＩのための補償器は等化器と呼ばれる。最尤（ＭＬ）推定を利用する等化器、係数を調整可能な線形フィルタリング、判定帰還等化器（ＤＦＥ）などの数多くのタイプの等化器が実際のデジタル通信システムにおいて用いられる。J.G.ProakisによるDigital Communications第４版（McGraw-Hill、New York、2001（マグローヒル社、ニューヨーク、2001年））を参照されたい。

未知のチャンネルに対して用いられるようにするために、通常、等化器は、チャンネル応答に対して調整可能であり、時間とともに変動するチャンネルの場合には、チャンネルインパルス応答（ＣＩＲ）の時間変動に対して適応的に調整される。この技法は、チャンネルを介して受信される信号の適応等化と呼ばれる。

最小平均二乗（ＬＭＳ）プロセスは、その計算が簡単であるがゆえに、適応等化の場合に最も一般的に用いられる。ＬＭＳプロセスは、送信信号と、等化器の出力におけるその信号の推定値との間の平均二乗誤差（ＭＳＥ）を最小限に抑えることに基づく。

ＬＭＳプロセスの大きな短所は、収束速度が受信信号の自己相関行列の固有値の広がりに依存することである。さらに、ＬＭＳプロセスは、トレーニングステージ中のトレーニング信号において、比較的長いシンボルの系列を必要とする。

より速く収束させるために、再帰的最小二乗（ＲＬＳ）プロセスを用いることができる。このプロセスでは、送信信号の電力を推定する必要があるので、より複雑であり、さらに多くのパラメータを含む。この技法は、トレーニング信号において受信されるシンボルの系列が、正確に電力を推定できるほど十分に長くないとき、「オーバーシュート」あるいは「収束外れ」の問題を導入するようにもなる。S. Chern、J.Horng、およびK. M. Wong著「The Performance of the Hybrid LMS Adaptive Algorithm」（Signal Processing, Vol. 44, No.1, pp.67-88, June 1995）を参照されたい。通常、この問題は初期トレーニングステージ中において、特にステップサイズの値が大きいときに生じる。

それゆえ、通信システムのチャンネルを介して受信される信号を等化するシステムおよび方法の複雑性を低減させるための改良が必要となる。

本発明は、デジタル通信システムにおける信号等化のために、適応等化器とトレーニング信号循環とを組み合わせるシステムおよび方法を提供する。トレーニング信号循環を用いて、本発明は、特にトレーニング信号において短いシンボルの系列が用いられるときに、構成を簡単にするとともに、遅い収束速度で適応等化器の性能全体を改善する。本発明は、収束速度が遅い等化器とともに用いることができるが、実質的には、トレーニング信号シンボル系列が短い他のタイプの等化器とともに用いることもできる。

より詳細には、本発明は、通信システムのチャンネルを介して送信される信号を等化するための方法およびシステムを提供する。そのチャンネルを介して受信される入力信号がメインバッファに格納される。受信入力信号のトレーニング信号部分は、循環トレーニング信号として循環バッファに格納される。

トレーニング信号と送信信号の推定値との平均二乗誤差が、所定の閾値よりも小さくなるまで最小化される。この場合に、そのチャンネルを介して受信され、メインバッファに格納された入力信号が直に等化され、チャンネルを介して送信された信号のシンボルについての判定が行われる。トレーニングの初期ステージでは、平均二乗誤差がトレーニング信号から直に決定され、トレーニングの後続ステージでは、循環トレーニング信号が用いられる。

本発明は、チャンネルインパルス応答の初期推定を行いながら、トレーニング信号を循環させることによりトレーニング信号内の短いシンボル系列でＬＭＳタイプの等化器の収束特性を向上するための手段を提供する。トレーニング信号の循環を用いて、ＬＭＳタイプの等化器は、トレーニング信号内のシンボルの系列が非常に短い場合であっても、収束ステージ、すなわち定常状態を達成することができる。それゆえ、本発明によるシステムおよび方法は、ＬＭＳタイプの等化器の計算を簡易にし、ＲＬＳタイプの等化器の定常状態動作を達成する。基本的には、本発明は、誤差信号の目標とする誤差値、すなわち平均二乗誤差（ＭＳＥ）である所定の閾値を有する循環トリガーと、トレーニング信号循環と、所期応答発生器および選択とからなる主な機能を用いる。本発明は、ＬＭＳタイプの等化器とともに用いることができ、また他のタイプの等化器とともに、およびトレーニング信号内のシンボル系列が短い場合でも用いることができる。

適応等化器
図１は、本発明を利用することができる受信機１００の構成要素のいくつかを示す。その受信機は、適応等化器１１０と、判定装置１２０と、帰還フィルタ１３０と、加算器１４０とを含む。受信機１００への入力信号１０１は、雑音を含む送信信号が歪んだものである。出力信号１０２は判定１０２である。一般的に、等化器１１０は、重み係数を調整することができる適応線形フィルタを用いる。ＬＭＳタイプの等化器の場合、等化器１１０のタップの重み係数は以下のように再帰的に調整される。
ｗ_ｉ（ｎ＋１）＝ｗ_ｉ（ｎ）＋μｅ（ｎ）・ｖ_ｉ（ｎ） （１）
ただし、ｉ＝１、．．．、Ｎであり、Ｎは等化器の長さであり、ｗはタップ重みベクトルであり、ｎは時間指数であり、μはステップサイズであり、ｅは誤差信号であり、ｖは入力信号１０１である。等化器への誤差信号入力は、以下の式に従って加算器１４０によって生成される。
ｅ（ｎ）＝ｄ（ｎ）−ｙ（ｎ） （２）
ただし、ｙ（ｎ）は適応等化器１１０の出力信号であり、ｄ（ｎ）は帰還フィルタ１２０の出力である。

一般的に、所期応答１０３は、トレーニングステージのトレーニング信号内のシンボル系列と、等化ステージ内の入力信号とを用いて選択される。簡略化された等化構造の場合、帰還フィルタ１３０は迂回されることができる。この場合に、誤差信号ｅ（ｎ）は、所期応答１０３と、適応等化器の出力１０２との間の差である。

トレーニング信号循環を用いる適応等化器
図２は、本発明によるトレーニング信号循環を用いる受信機２００の構成要素のいくつかを示す。これらの構成要素には、入力信号２０１を格納し、その信号をスイッチ２２０に与えるためのメインバッファ２１０が含まれる。スイッチ２２０は、循環バッファ２３０からも入力を受信する。循環バッファのサイズは、トレーニング信号内のシンボル系列のサイズに等しい。

循環バッファ２３０は、初期トレーニングステージにおいて、入力トレーニング信号で満たされる。入力トレーニング信号は、等化および判定装置２４０にも供給される。またその受信機には、装置２４０に接続される所期応答発生器２５０と、スイッチ２２０および所期応答発生器２５０とを制御する循環トリガー２６０とが含まれる。出力信号２０２は判定シンボルであり、所期応答発生器は、トレーニングステージにおいてトレーニングシンボル２０３からの出力と、等化ステージにおいて判定シンボル２０２とを選択する。

上記のように、ＬＭＳタイプの等化器は、一般的に、ＲＬＳタイプの等化器よりも長いトレーニングシンボル系列を必要とする。トレーニング信号が短すぎるとき、ＬＭＳタイプの等化器は初期等化ステージにおいて良好に動作しない。しかしながら、初期フィルタ係数が定常状態の係数に概ね近い場合には、トレーニング系列が短い場合であっても、その等化器は依然として収束状態を達成することができる。

実際のシステムでは、トレーニングステージの前にはチャンネルインパルス応答はわかっていないので、初期選択の最適なフィルタ係数を予測することはできない。それを踏まえて、本発明は、トレーニングステージ中の受信トレーニング信号を、等化器への入力信号として循環し、トレーニングの最初の繰返し中に得られた係数を、後続のトレーニングの繰返し中の初期係数として用いることができる。それゆえ、初期フィルタ係数は定常状態の最適なフィルタ係数に接近し、等化器は、トレーニング信号内のシンボル系列が短い場合であっても、等化ステージにおいて最適な重みベクトルｗ付近で動作することができる。

システム動作
図３に示されるように、動作中に、受信機２００は初期および後続のトレーニングステージ３１０、および等化ステージ３３０において動作する。初期のトレーニングステージ３１０においては、スイッチ２２０が、装置２４０および循環バッファ２３０への初期入力信号２０１として、メインバッファ２１０からの出力を選択する。メインバッファは、通信システムのチャンネルを介して受信されたデータを格納する。

トレーニングステージ３１０では、所期応答発生器２５０は出力としてトレーニング系列２０３を選択し、等化ステージでは判定シンボル２０２を選択する。トレーニングステージ３１０の初期の繰返し（ｉ＝１）において、トレーニング系列３０１と送信トレーニング信号の推定値とのＭＳＥが決定される。循環トリガー２６０が、ＭＳＥと、目標とするＭＳＥから予め決定される閾値Ｔ３０３とを比較する。

ステップ３１５において、ＭＳＥが所定の閾値Ｔ３０３よりも大きい場合には、受信機はまだ収束していなので、さらにトレーニングステージ３１０が必要になる。それゆえ、トレーニング信号循環３２０がトリカーされ、受信機はトレーニングステージ３１０のｉ番目の繰返しに入る（ただしｉ＞１）。ここで、スイッチ２２０は、等化器４０への入力として、循環バッファ２３０からの出力を選択し、循環トレーニング信号３０１で、トレーニングの次の繰返しが実行される。後続トレーニングの繰返しは、循環トレーニング信号のＭＳＥを決定し、ＭＳＥが所定の閾値Ｔ３０３よりも小さくなるまで繰り返される。

閾値要件が満たされる場合には、受信機２００は等化ステージ３３０に入る。等化ステージ３３０では、循環バッファ２３０は用いられないので、等化器は、チャンネルを介して送信される信号のシンボルについての判定を行うために、受信した入力信号３０２を直に用いる。

本発明が好ましい実施形態の例によって例示されてきたが、本発明の精神および範囲内で種々の他の適応形態および変更形態を実施できることは理解されたい。それゆえ、添付の特許請求項の目的は、本発明の真の精神および範囲内に入る全てのそのような変形形態および変更形態を網羅することである。

本発明を用いることができる受信機の構成要素のブロック図である。 本発明によるトレーニング信号循環を用いるように構成される受信機のブロック図である。 本発明による適応等化方法の流れ図である。

Claims (5)

1. 通信システムのチャンネルを介して送信される信号を等化するための方法であって、
   前記チャンネルを介して受信されるトレーニング信号を循環トレーニング信号として循環バッファに格納することと、
   前記トレーニング信号を推定しながら、前記トレーニング信号の平均二乗誤差を最小化することと、
   前記平均二乗誤差が所定の閾値よりも大きいか否かを判定し、前記平均二乗誤差が前記所定の閾値よりも小さくなるまで、前記循環トレーニング信号と前記トレーニング信号の前記推定値との前記平均二乗誤差を最小化することと、
   前記平均二乗誤差が前記所定の閾値よりも小さい場合に、前記チャンネルを介して送信される前記信号のシンボルについての判定を行うために、前記チャンネルを介して直接受信される入力信号を等化することと
   を含む方法。
2. 前記トレーニング信号はシンボル系列を含み、前記系列内のシンボルの数は５未満である
   請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の閾値は、平均二乗誤差の目標値である
   請求項１に記載の方法。
4. 通信システムのチャンネルを介して送信される信号を等化するためのシステムであって、
   前記チャンネルを介して受信される入力信号を格納するように構成されるメインバッファと、
   前記入力信号のトレーニング信号を循環トレーニング信号として格納するように構成される循環バッファと、
   等化および判定装置と、
   前記等化および判定装置に接続される所期応答発生器と、
   前記等化および判定装置に接続される循環トリガーと、
   トレーニングステージ中に前記等化および判定装置に前記トレーニング信号を供給すると共に、等化ステージ中に前記等化および判定装置に前記入力信号を供給する、前記循環トリガーによって制御されるスイッチと
   を含むシステム。
5. 前記トレーニング信号を推定しながら、前記トレーニング信号の平均二乗誤差を最小化するための手段と、
   前記平均二乗誤差が所定の閾値よりも大きいか否かを判定すると共に、前記平均二乗誤差が前記所定の閾値よりも小さくなるまで、前記循環トレーニング信号と前記トレーニング信号の前記推定値との前記平均二乗誤差を最小化するための手段と、
   前記平均二乗誤差が前記所定の閾値よりも小さい場合に、前記チャンネルを介して送信される前記信号のシンボルについての判定を行うために、前記チャンネルを介して直接受信される入力信号を等化する手段と
   をさらに含む請求項４に記載のシステム。

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