JP4269520B2 - 近似演算装置およびmap復号装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、非線形関数の近似演算装置、関数log(1+e-x)の近似演算装置、関数log(ea+eb)の近似演算装置、およびMAP復号装置に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来、畳込み符号とインタリーブとを組合せたターボ符号に変換して送信された符号化データを受信し、その誤りを訂正して復号を行うターボデコーダが提案されている。
【0003】
このターボデコーダの構成を図8に示す。このターボデコーダは、2つの軟出力復号器101、102と、2つのインターリーバ103、104と、デインターリーバ105と、硬判定器106から構成された公知のものである。ターボデコーダの構成要素である軟出力復号器101、102の復号としては、MAP(最大事後確率:Maximum A Posteriori Probabi1ity)復号が用いられる。
【0004】
図9に、MAP復号の演算処理を示す。入力データが1、0のいずれであるかの確率PDF(受信信号の確率密度関数:probability density function)を演算するステップ201、トレリスの各枝(ブランチ)の確率(状態遷移確率)γを演算するステップ202、トレリスをデータの先頭から演算して個々のビットの各状態の確率(前方繰り返し演算による状態確率)αを演算するステップ203、トレリスをデータの最後尾から演算してαと同様に個々のビットの各状態の確率(後方繰り返し演算による状態確率)βを演算するステップ204、先に求めたγ、α、βからトレリスの各ビットが1、0のいずれであるかの確率(情報シンボルの尤度)λを演算するステップ205、λで得られた確率を尤度としてフィードバックするために事前尤度(LDK)を演算するステップ206、およびλで得られた確率を硬判定して入力データを復号するステップ207からなる。
【0005】
図10に、このMAP復号の各演算処理を演算器で行う場合のブロック構成を示す。図9に示したPDF、γ、α、β、λ、LDKは、式を簡略化すれば、図10に示す演算式を各々の演算器で演算していることになる。このようなMAP復号の演算式をそのままハードウェアあるいはソフトウェアで実現すると、各中間結果(データ)のビット数が大きくなり、非実現的なものとなってしまう。
【0006】
そこで、MAP復号を、より小さな演算及び小型な回路で実現するために、様々なアルゴリズムが提案されている。その一例として、log#BCJRアルゴリズム(S. Bebedetto et. al "Soft-output decoding of parallel concatenated convolutional codes" , ICC 96)は、演算量を減らしながら復号能力を維持できるものとして広く用いられている。
【0007】
log#BCJRアルゴリズムでは、図10に示した各演算を指数部のみで演算する。具体的には、対数をとることにより、PDFは、−(x−1)2/2σで求められる(xは入力テータ、σは分散値を示す)。また、pdf・pdf・prbは指数部を示しているので、γはpdf+pdf+prbのように加算で求められる、λは(分子−分母)の減算で求められる。
【0008】
しかし、α、βに関しては、新たにlog(ea+eb)の演算が生じてしまう。すなわち、αは、α・γ+α・γの演算で求められるが、具体的には、1つ前の2つのトレリスの状態α1、α2と、α1、α2からの枝γ1、γ2によって、α1・γ1+α2・γ2の演算式で求められる。ここで、α・γ+α・γの各項は、指数関数で表されているため、α・γ+α・γの指数部は、log(ea+eb)の演算で求められる。同様に、βは、β・γ+β・γの演算で求められるが、具体的には、1つ前の2つのトレリスの状態β1、β2と、β1、β2からの枝γ3、γ4によって、β1・γ3+β2・γ4の演算式で求められる。ここで、β・γ+β・γの各項は、指数関数で表されているため、β・γ+β・γの指数部は、log(ea+eb)の演算で求められる。
【0009】
そこで、log#BCJRアルゴリズムでは、log(ea+eb)を数式1に変形して演算することで、演算を簡略化している。
【0010】
【数1】
max(a、b)+log(1+e-|a-b|)
すなわち、a>bの場合、log(ea+eb)は、logea(1+ebーa)=a+log(1+ebーa)と変形され、b>aの場合、log(ea+eb)は、logeb(1+ea-b)=b+log(1+ea-b)と変形される。このことから、log(ea+eb)は、数式1のように変形することができる。
【0011】
ここで、数式1の第2項log(1+e-|a-b|)をどのようにして求めるかが問題となる。2000年電子情報通信学会総合大会の「W−CDMAターボ復号器のVLSI化と評価」(B−5−26)では、テーブルルックアップによりlog(1+e-|a-b|)を求めることが提案されている。
【0012】
図11に、テーブルルックアップを用いて、数式1を演算する場合の構成を示す。2つの入力データa、bが減算器301に入力され、この減算器301でa、bの差(a−b)が求められる。また、入力データa、bは選択器302に入力され、この選択器302で、減算器301から出力される差(a−b)の符号に応じてmax(a、b)が求められる。また、減算器301から出力される差(a−b)は、テーブルルックアップ303に入力され、このテーブルルックアップ303で、差(a−b)に応じたlog(1+e-|a-b|)の値がテーブルから求められる。そして、加算器304で、max(a、b)とlog(1+e-|a-b|)の値が加算され、数式1の出力yが得られる。
【0013】
しかし、このように数式1の第2項log(1+e-|a-b|)をテーブルルックアップ303で実現した場合、復号能力を維持するためには、テーブルを詳細に用意する必要があり、回路規模あるいは演算量の削減を妨げる要因となる。
【0014】
また、一般に、log(1+eーx)とか、その他の非線形関数をデジタル処理で求める場合にも、テーブルルックアップを用いることが考えられるが、テーブルルックアップを用いたのでは、テーブルを詳細に用意する必要があり、回路規模ないし演算量の削減を妨げる要因となる。
【0015】
本発明は上記問題に鑑みたもので、log#BCJRアルゴリズムにおける数式1の第2項を、より小型な回路あるいは少ない演算量で演算できるようにすることを第1の目的とする。
【0016】
また、log(1+eーx)、およびその他の非線形関数において、より小型な回路あるいは少ない演算量で演算できるようにすることを第2の目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、入力データaと入力データbを変数として関数log(ea+eb)を近似演算する近似演算装置において、前記入力データaと前記入力データbのうち値が大きい方を選択してmax(a、b)のデータを出力する選択手段と、前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータから、関数log(1+e-|a-b|)を折れ線近似する傾きが2のn乗(nは整数)で表される直線の傾きに対応したmビット(mは自然数)のデータとその直線の切片を示すデータとを出力するデコード手段と、前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータを、前記デコード手段からのmビットのデータでnビットシフトするシフト手段と、このシフト手段によってシフトされたデータと前記切片を示すデータとから関数log(1+e-|a-b|)を示すデータを出力する手段と、前記選択手段から出力されるmax(a、b)のデータと前記関数log(1+e-|a-b|)を示すデータとを加算する加算手段とを備えたことを特徴としている。
【0022】
このことにより、関数log(ea+eb)を、より小型な回路あるいは少ない演算量で演算することができる。
【0023】
この場合、請求項2に記載の発明のように、入力データaと前記入力データbの差を演算して差のデータを出力する減算手段を備え、前記選択手段が、前記差のデータに基づいて前記選択を行い、前記デコード手段および前記シフト手段が、前記差の絶対値のデータに基づいてそれぞれの処理を行うようにすることができる。
【0024】
請求項3に記載の発明では、MAP復号における各演算を指数部のみで行うlog#BCJRアルゴリズムを用いてMAP復号を行うMAP復号装置において、前方繰り返し演算による状態確率の演算および後方繰り返し演算による状態確率の演算を、入力データaと入力データbを変数として関数log(ea+eb)の近似演算にて行うものであって、前記関数log(ea+eb)の近似演算のために、前記入力データaと前記入力データbのうち値が大きい方を選択してmax(a、b)のデータを出力する選択手段と、前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータから、関数log(1+e-|a-b|)を折れ線近似する傾きが2のn乗(nは整数)で表される直線の傾きに対応したmビット(mは自然数)のデータとその直線の切片を示すデータとを出力するデコード手段と、前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータを、前記デコード手段からのmビットのデータでnビットシフトするシフト手段と、このシフト手段によってシフトされたデータと前記切片を示すデータとから関数log(1+e-|a-b|)を示すデータを出力する手段と、前記選択手段から出力されるmax(a、b)のデータと前記関数log(1+e-|a-b|)を示すデータとを加算する加算手段とを備えたことを特徴としている。
【0025】
このことにより、log#BCJRアルゴリズムを用いたMAP復号処理において、max(a、b)+log(1+e-|a-b|)の演算を、より小型な回路あるいは少ない演算量で演算することができる。
【0026】
この場合、請求項4に記載の発明のように、入力データaと前記入力データbの差を演算して差のデータを出力する減算手段を備え、前記選択手段が、前記差のデータに基づいて前記選択を行い、前記デコード手段および前記シフト手段が、前記差の絶対値のデータに基づいてそれぞれの処理を行うようにすることができる。
【0027】
なお、上記した関数log(ea+eb)の近似は、傾きが2のn乗(nは整数)の直線を隣接する直線との交点を区切りとしてつなぎ合わせ、関数との誤差を最小とするように折れ線グラフで近似することの他、傾きが2のn乗(nは整数)の接線を隣接する接線との交点を区切りとしてつなぎ合わせ、折れ線グラフで近似するようにして求めることができる。
【0028】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1に、非線形関数を近似演算する装置の構成を示す。この装置は、図2に示すような非線形関数を直線近似して、入力データxに対する出力データyを求めるものである。
【0029】
ここで、直線近似するための各直線は、図2に示す非線形関数において、傾きが4、2、1、0、0.5、0.25のような2のn乗(nは整数)となる各直線を図のように沿わせることにより求められる。隣り合った直線の交点を区切りとして、各直線を図のように折れ線グラフとしてつなぐことで非線形関数を近似する。この場合、非線形関数のグラフ上の任意のサンプル点における非線形関数のy座標と、切片を任意に変更できる当該直線上のy座標との差分を誤差として、この誤差を最小とするように切片が決定される。このサンプル点の数を増やせば、より精度の高い近似が可能となる。
【0030】
このようにして求められた直線の傾きAと切片Bから、出力yは、y=A・x+Bで求められる。
【0031】
デジタルの入力データxは、デコーダ11に入力される。デコーダ11は、入力データxから、上記のようにして求めておいた直線の傾きAを示す2のn乗(nは整数)の直線の傾きに対応したmビット(mは自然数)のデータと切片Bのデータをそれぞれ出力する。シフター12は、入力データxをmビットのデータでnビットだけシフトして、A・xのデータを出力する。そして、加算器13にて、A・xのデータと切片Bのデータが加算され、出力データyが得られる。
【0032】
なお、上記した例では、非線形関数のグラフ上の任意のサンプル点における非線形関数のy座標と、切片を任意に変更できる当該直線上のy座標との差分を誤差として、この誤差を最小とするように切片を決定するものを示したが、図3に示すように、非線形関数に対し傾きが4、2、1、0、0.5、0.25のような2のn乗(nは整数)となる各接線を、図のように隣り合った直線の交点を区切りとして、各直線を折れ線グラフとしてつなぐことで非線形関数を近似するようにしてもよい。具体的には、各接線は、非線形関数を微分し、この微分式が各傾き(4、2、1、0、0.5、0.25)になるようにして求められる。
【0033】
従来のテーブルルックアップによる近似では、図4に示すように、非線形関数を図2、図3と同程度に近似するためには、非常に沢山の参照点を必要とする。このような参照点の増加は、回路規模の増加につながるという問題がある。また、参照点を減らし、参照点間を直線で近似する方式を用いた場合には、精度的には図1と同等に成り得るが、各参照点間を結ぶ直線の傾きは任意であるため、乗算及び除算を必要とし、回路規模及び演算量が増大するという問題がある。図2、図3に示す近似によれば、各直線の区切りを少なくでき、また各直線の傾きが2のn乗(nは整数)で表されるため、ビットシフトで演算でき、回路規模及び演算量を削減することができる。
【0034】
また、非線形関数として、log(1+e-x)とした場合にも、上記と同様の直線近似にて、入力データxに対する出力データyを得ることができる。この場合、図5に、図2と同様、傾きが2のn乗(但し、nは負の整数で、−0.5、−0.25、−0.125、−0.0625、−0.03125…)となる直線と非線形関数との誤差を最小とするように切片を決定するものを示し、図6に、図3と同様、非線形関数に対し傾きが2のn乗(但し、nは負の整数で、−0.5、−0.25、−0.125、−0.0625、−0.03125…)となる各接線を用い、各直線を折れ線グラフとしてつなぐことで非線形関数を近似するものを示す。
【0035】
このように非線形関数としてlog(1+e-x)とした場合も、図1に示す構成によって、入力データxに対する出力データyを得ることができる。但し、この例では、傾きが2のn乗で指数部nが必ず負の整数になる。このため、デコーダ11が、傾きが2のn乗の指数部nを正の整数としたmビットのデータを出力するようにすれば、シフター12は入力データxをnビットだけシフトし、それを加算器13の代わりに用いた減算器にて切片Bのデータから減算するようにすれば、log(1+e-x)の値を示すデータを得ることができる。
(第2実施形態)
図7に、MAP復号におけるα演算を行う演算器、β演算を行う演算器のぞれぞれにおいて、log#BCJRアルゴリズムに従い、数式1に示すmax(a、b)+log(1+e-|a-b|)の演算を行う構成を示す。
【0036】
図7に示す構成において、2つのデジタルの入力データa、bが減算器21に入力され、この減算器21でa、bの差(a−b)が求められる。また、入力データa、bは選択器22に入力され、この選択器22で、減算器21から出力される差(a−b)の符号に応じてmax(a、b)が求められる。また、減算器21から出力される差(a−b)は、デコーダ23に入力される。
【0037】
ここで、log(1+e-|a-b|)は、|a−b|をxとすれば、図5、図6に示す実施形態と同じ形になるため、まず、絶対値回路(絶対値検出手段)27で、減算器21から出力される差(a−b)の絶対値を求める。そして、(a−b)の絶対値を入力データxとして、デコーダ23およびシフター24のそれぞれの処理が行われる。すなわち、デコーダ23は、入力データxを用いて、直線の傾きAを示す2のn乗(nは負の整数)の指数部nを正の整数としたmビットのデータと切片Bのデータをそれぞれ出力する。シフター24は、入力データxをnビットだけシフトして、A・xのデータを出力する。
【0038】
そして、減算器25にて、切片BのデータからA・xのデータが減算される。この減算結果は、log(1+e-|a-b|)の値を示す。
【0039】
最後に、加算器26で、log(1+e-|a-b|)の値と選択器22から出力されるmax(a、b)が加算され、y=max(a、b)+log(1+e-|a-b|)が出力される。
【0040】
上記した構成により、log#BCJRアルゴリズムにおけるmax(a、b)+log(1+e-|a-b|)の演算を行うことができる。このような演算を用いるMAP復号器は、複数の演算器により図10に示すようなハードウェアで実現される他、図9に示すようなソフトウェアで実現することができる。ソフトウェアで実現した場合、上記した処理は、図9の演算α、演算βの処理(ステップ203、204)で用いられる。また、このようなMAP復号器は、例えば図8に示すターボデコーダの軟出力復号器101、102として用いられる。
【0041】
また、α、β以外にλについてもlog(ea+eb)の演算が必要であれば、上記と同様の演算処理を行うようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】非線形関数を近似演算する装置の構成を示す図である。
【図2】非線形関数を直線近似する方法を説明するための図である。
【図3】非線形関数を直線近似する他の方法を説明するための図である。
【図4】従来のテーブルルックアップによる近似を説明するための図である。
【図5】log(1+e-x)を直線近似する方法を説明するための図である。
【図6】log(1+e-x)を直線近似する他の方法を説明するための図である。
【図7】 log#BCJRアルゴリズムを用いたMAP復号処理において、max(a、b)+log(1+e-|a-b|)の演算を行う装置の構成を示す図である。
【図8】ターボデコーダの構成を示す図である。
【図9】MAP復号の演算処理を示す図である。
【図10】MAP復号の各演算処理を演算器で行う場合のブロック構成を示す図である。
【図11】テーブルルックアップを用いて、max(a、b)+log(1+e-|a-b|)の演算を行う装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
11…デコーダ、12…シフター、13…加算器、21…減算器、
22…選択器、23…デコーダ、24…シフター、25…減算器、
26…加算器、27…絶対値回路。
Claims (4)
- 入力データaと入力データbを変数として関数log(ea+eb)を近似演算する近似演算装置において、
前記入力データaと前記入力データbのうち値が大きい方を選択してmax(a、b)のデータを出力する選択手段と、
前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータから、関数log(1+e-|a-b|)を折れ線近似する傾きが2のn乗(nは整数)で表される直線の傾きに対応したmビット(mは自然数)のデータとその直線の切片を示すデータとを出力するデコード手段と、
前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータを、前記デコード手段からのmビットのデータでnビットシフトするシフト手段と、
このシフト手段によってシフトされたデータと前記切片を示すデータとから関数log(1+e-|a-b|)を示すデータを出力する手段と、
前記選択手段から出力されるmax(a、b)のデータと前記関数log(1+e-|a-b|)を示すデータとを加算する加算手段と、を備えたことを特徴とする近似演算装置。 - 前記入力データaと前記入力データbの差を演算して差のデータを出力する減算手段を備え、前記選択手段は、前記差のデータに基づいて前記選択を行い、前記デコード手段および前記シフト手段は、前記差の絶対値のデータに基づいてそれぞれの処理を行うことを特徴とする請求項1に記載の近似演算装置。
- MAP復号における各演算を指数部のみで行うlog#BCJRアルゴリズムを用いてMAP復号を行うMAP復号装置において、
前方繰り返し演算による状態確率の演算および後方繰り返し演算による状態確率の演算を、入力データaと入力データbを変数として関数log(ea+eb)の近似演算にて行うものであって、前記関数log(ea+eb)の近似演算のために、前記入力データaと前記入力データbのうち値が大きい方を選択してmax(a、b)のデータを出力する選択手段と、
前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータから、関数log(1+e-|a-b|)を折れ線近似する傾きが2のn乗(nは整数)で表される直線の傾きに対応したmビット(mは自然数)のデータとその直線の切片を示すデータとを出力するデコード手段と、
前記入力データaと前記入力データbの差の絶対値のデータを、前記デコード手段からのmビットのデータでnビットシフトするシフト手段と、
このシフト手段によってシフトされたデータと前記切片を示すデータとから関数log(1+e-|a-b|)を示すデータを出力する手段と、
前記選択手段から出力されるmax(a、b)のデータと前記関数log(1+e-|a-b|)を示すデータとを加算する加算手段と、を備えたことを特徴とするMAP復号装置。 - 前記入力データaと前記入力データbの差を演算して差のデータを出力する減算手段を備え、前記選択手段は、前記差のデータに基づいて前記選択を行い、前記デコード手段および前記シフト手段は、前記差の絶対値のデータに基づいてそれぞれの処理を行うことを特徴とする請求項3に記載のMAP復号装置。
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