JP4443634B2 - 周波数選択デジタル伝送チャネルの等化及び復号装置 - Google Patents
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Description
先行技術の概要
デジタル伝送においては、受信装置はカスケード状に配置された複数の要素機能と見なす事ができ、各機能がフィルタリング、復調、等化、復号などの特定の処理を実施する。
一般に、いずれか1つの要素機能によって実施される処理はその利用可能の情報の一部のみを利用し、その結果、受信器の性能全体が不適切となる。
本発明の目的はこのような問題点を解決するにある。
多くの研究者が最大尤度(maximum likelihood)に依存する型の、時には誤称によって「ビテルビ(Viterbi)等化器」と呼ばれる等化器またはデテクタに基づく種々の型の受信器を使用する事によって、チャネルに導入される記号間干渉を解決する方法を提案している。この分野における最も有意義な貢献は下記である。
[1]A.Gersho,and T.I.Lim,”Adaptive cancellation of intersymbol interference for data transmission”,The Bell System Technical Journal,Vol.60,No.11,pp.1997-2021,November 1981.
[2]M.S.Muller,and J.Salz,”A unified theory of data-aided equalization”,The Bell System Technical Journal,Vol.60,No.9,pp.2023-2038,November 1981.
これらの論文において、これらの研究者はチャネルの周波数選択によって導入された記号間の干渉をノイズレベルの上昇を伴なわないで除去するために適合フィルタと干渉キャンセラーとを結合した受信器を提案している。干渉キャンセラーは簡単なトランスバーサルフィルタから成る受信器によって予め生成された復号記号(ファーム・デシジョン)を供給される。本発明との相違点は、本発明の等化器がチャネルデコーダによって生成された重み付き判断を供給され、第2に本発明は反復的方法を使用するにある。もちろん、[1]と[2]に記載の受信器は本発明の受信器と同程度にすぐれた性能を示さない。
また判断フィードバック等化器と周期的インタリーバと結合されたチャネルデコーダとを使用するため、下記の提案が成されている。
[3]V.M.Eyuboglu,”Detection of coded modulation signals on linear,severely distorted channels using decision feedback noise predection with interleaving”,IEEE Transactions on Communications,Vol.36,No.4,pp.401-409,April 1988.
この著者は、このアプローチにより一定の条件のもとに等化器がデコーダから導入された遅延の巧妙な管理によってデコーダの出力を利用できる事を示している。もちろんこのようにして得られる性能は伝達データによって制御された判断フィードバック等化器の性能より高くはない。[3]に記載のシステムは本発明よりも低い性能を示す。
さらに下記の文献を引用する。
[4]K.Zhou,J.G.Proakis,and F.Ling,”Decision feedback equalization of fading dispersive channels with trellis-coded modulation”,Int.Conf.Commun.Tech.,Nanjing,China,November 1987.
[5]K.Zhou, and J.G.Proakis,”Coded reduced bandwidth QAM with decision feedback equalization”,Conf.Rec.IEEE Int.Conf.Commun.,Philadelphia,PA,pp.12.6.1-12.6.5,June 1988.
これら2つの論文はV.M.Eyubogluの手順と類似の手順を示しているが、これはフェージングを示すチャネルおよび再帰最小自乗(RLS)格子型の標準を使用する判断フィードバック等化器に対するものである。等化器の収束率は文献[3]よりもすぐれているが、誤差率に関する性能は不変である。
さらに、下記の文献、
[6]C.Douillard,A.Glavieux,M.Jezequel,and C.Berrou,”Dispositif dereception de signaux numeriques a structure iterative,module et procede correspondants”[Digital signal receiver apparatus of iterative structure,and corresponding module and method],French Patent No.95 01603,France Telecom,TDF,February 1995,においては、デコーダによって導入された種々の遅延の管理を可能とする反復法によって最大尤度(maximum likelihood)デテクタ(Viterbi等化器)をチャネルデコーダと組合わせる構造が提案されている。
しかしこの文献に記載の装置は数記号のオーダの応答時間を有するチャネルについてのみ適当である。
本発明によって提案された装置は、多数の記号にわたる応答時間を有する等化チャネルに対して特に整合している。
発明の概要
本発明は、等化器と重み付き出力デコーダとを有するモジュールを含む等化・復号装置において、前記の装置は前記の型の複数のモジュールを直列に含み、前記のモジュールの各等化器がノイズ力を低下させるための少なくとも1つのトランスバーサルフィルタを有し、また第1のモジュールを除く各モジュールが、先行モジュールの処理時間に等しい量だけ遅延されたチャネルサンプル流を受ける事を特徴とする等化・復号装置に関するものである。
好ましくは、第1のモジュールを除く各モジュールにおいて、各等化器は第2トランスバーサルフィルタを含み、この第2フィルタは第1フィルタの出力に存在する記号間干渉を再構築するように設計され、また前記第2フィルタは先行モジュールからの出力を受け、等化器の出力が第1フィルタの出力から第2フィルタによって再構築された記号間干渉を差し引いたものに対応する。
望ましくは、第1のモジュールを除くモジュールについて、チャネルサンプル流を受けるトランスバーサルフィルタは整合フィルタにむかって収束するフィルタである。
従って本発明の装置は複数のモジュールをカスケード状に含み、各モジュールが等化器と重み付き出力デコーダとを有する。
ランク1のモジュールの等化器はノイズ力と記号間干渉との両方を低減するためのトランスバーサルフィルタを有する。このフィルタは復調器からのサンプル流を受ける。好ましい変形において、第1のモジュールを除く各モジュールの等化器は2つのトランスバーサルフィルタを有する。第1フィルタはチャネルに整合させられノイズ力を低下させるためのみに役立つのに対して、第2フィルタは整合フィルタの出力に存在する記号間干渉を再構築するためのものである。整合フィルタは先行モジュールの処理時間に等しい量だけ遅延された復調器からのサンプル流を受け、また第2トランスバーサルフィルタは先行モジュールのチャネルデコーダの出力から計算された記号平均値流を供給される。等化器の出力は第1フィルタの出力から第2フィルタによって再構築された信号間干渉を差し引いたものに等しい。
従ってこのような反復構造により、等化器はチャネルの選択性によって導入される記号間干渉を解決するため、変調器からの出力とチャネルデコーダからの出力との両方を使用する。等化器はその処理を遂行するため、伝送チャネルの特性と、エンコーディング機能によって導入される冗長度とを同時的に考慮する。
このようにして、記号間干渉を伴なわずエンコーディングを伴なう追加的ホワイトガウスノイズを有するチャネル性能に類似した性能を得る事ができる。
変更態様として、等化器はまたフィードバック判断型とする事ができよう。
図面の概要
第1図は伝送システムの概略ブロックダイヤグラム、
第2図は本発明の可能な実施態様を成す復号等化器装置の反復構造を概略図示するブロックダイヤグラム、
第3図は第2図の構造中のそれぞれのモジュールの構造を示すブロックダイヤグラム、
第4図はポラートおよびフリードランダーチャネルの伝達関数のゼロ点をプロットされたグラフ、
第5図は復号後の誤差率をEb/No比の関数として示すグラフであって、ポラートおよびフリードランダーチャネルにおける4−PSK変調に際しての第2図および第3図に示す型の装置の性能を示す図、
第6図は復号後の誤差率をEb/No比の関数として示すグラフであって、ポラートおよびフリードランダーチャネルにおける16−QAM変調に際しての第2図および第3図に示す型の装置の性能を示す図、
第7図および第8図はそれぞれ4−PSKおよび16−QAM型変調においてそれぞれ4dBおよび7dBに等しいEb/No比で得られる第2図および第3図に図示の型の装置の順次モジュールのトランスバーサルフィルタの入力における信号配位ダイヤグラム、
第9図はプロアキスチャネルの伝達関数のゼロ値をプロットされたグラフ、また
第10図と第11図はプロアキスチャネルにおいてそれぞれ4−PSK変調と16−QAM変調における本発明の装置の性能を示す第5図および第6図と類似のグラフである。
発明の実施態様の詳細な説明
伝送システム
第1図は1ビット毎Tb秒のレートでデータ源から発生されるバイナリデータαkの伝送システムの概略を示す。
このデータαkはチャネルエンコーダ1によって符号化される。各2mコードビットセットCn,I;i=1...2mがM−進からバイナリへのエンコーダ2によって、分散σ2 dの複素記号dn=an+jbnと組合わされる。記号dnはインターリーバ3によって交錯され、次に1記号毎T秒(T=Tblog2M)のレートで発生される。記号anとbnの値は、1つのセット{±1,±3,...±(2i+1)...±(M−1)}(ここにM=2m)のなかから選ばれ、またこれらの値は2つのキャリヤの直交振幅変調(M−QAM変調)のために使用される。
変調器、復調器、伝送媒質、伝送フィルタおよび受信フィルタを含むシステムが第1図において等価離散的チャネル4によって示され、この離散チャネル4は付加的ノイズWnによって擾乱される。等価離散チャネル4からの出力rnは下記の式(1)の形を取る。
ここに、Γk(n)項は等価離散チャネルの係数、おそらく複素係数であり、またこれらの係数は正規化され、例えばこれらの係数が下記の通常の仮説を満たすものと仮定される。
量Wnは、記号dnとは独立の、分散σ2 wのガウス定心ホワイトノイズである。
等価離散チャネル4は伝達関数C(f)を有し、従って記号間干渉を導入し、この干渉の原因部分と非原因部分がそれぞれ記号L2とL1に影響する。
装置の一般構造
提案された装置において、等化器とチャネル復号器とによって実施される処理が反復実施される。
この種の装置のブロックダイヤグラムが第2図に図示されている。図示の装置はP要素モジュールに対応し、これらのモジュールの各モジュールp;p=1...Pが1つの反復に対応する。1つのモジュールが特に等化器およびチャネル復号器を含む複数の機能を有する。1<p≦Pとなるようなモジュールpの入力は、第1に等価離散チャネルから入力されて遅延ラインR2...Rpによって1つのモジュールの処理時間の(p−1)倍に等しい量(モジュール待ち時間)だけ遅延されたサンプル流{rn}p-1によって構成され、また第2にモジュール(p−1)に属するチャネル復号器の出力から計算される記号dnの平均値
流によって構成される。このようにして、モジュール1<p≦Pに属する等化器はその処理を実施する際に、等価離散チャネルの出力とエンコーダによって導入される冗長度との両方を利用する事ができる。
第1モジュール(p=1)に属する等化器は等価離散チャネルから来る情報についてのみ、その処理を実施する事ができる。
要素モジュールの構造
第3図は、等化器4,デインタリーバ5,M進からバイナリへの変換器6,重み付き出力チャネルデコーダ7、記号dnの平均値
の評価機能、およびインタリーバ9とから成る第p要素モジュールの構造を示す。
等化器の構造
第3図の実施例において、等化器4は干渉キャンセラー型である。
この等化器4は、それぞれ周波数応答P(f)とQ(f)とを有する2つのトランスバーサルフィルタから成る。1<p≦Pの場合、フィルタP(f)への入力はサンプル流{rn}p-1によって構成され、またフィルタQ(f)への入力は平均値
流によって構成される。
フィルタP(f)は、チャネルの応答C(f)に整合したフィルタ上の反復全体に収束し、(L1+L2+1)係数を有し、ノイズWnの力を低減させるためのみに役立つ。この整合フィルタの理論的等式は下記である。
ここに、符号*は係数の共役を示す。
中心係数がゼロに設定された(qO=0)フィルタQ(f)は、反復の生じる際に、量
に基づいてフィルタP(f)の出力に存在する記号間干渉を再構築するのに役立つ。フィルタQ(f)は最大限、(2L1+2L1+1)の係数を有する。最適Q(f)フィルタの理論等式は下記によって与えられる。
次に等化器からの出力snは、単にフィルタQ(f)によって再構成された記号間干渉ynをフィルタP(f)の出力Xnから差し引く事によって得られる。
第1モジュール(p=1)に属する等化器は応答P(f)を有する単一のフィルタによって構成され、このフィルタはC(f)には整合しないが等価離散チャネル4からの出力中に存在するノイズ力と記号間干渉とを同時的に最小限にする事ができる。
等化器フィルタの係数の計算
等化フィルタの係数は、等化器からの出力Sn復号データ項目
との最小自乗誤差に基づいた確率学的グラジエント・アルゴリズムを使用して整合的に決定される。
瞬間nTにおけるフィルタP(f)とQ(f)のそれぞれの係数を成分とするベクトルに対する下記の記号法、
を使用して、下記のように書く事ができる:
(ここに、tは移項された関数を示す)は、瞬間nTにおいて等化器によって生成されまた等化器によって使用される記号dnのそれぞれ観察ベクトルおよび平均値ベクトルである。またμおよびμ’は2つの整合歩み幅係数であり、また
はモジュール(p−1)によって生成された量
から復号された記号である。
もちろんフィルタ係数を整合的に推定する他の方法、例えばRLS推定法を考慮する事ができる。
M−QAM変調については、記号anおよびbnの復号規則は下記等式(2)である。
第1モジュール(P=1)については、フィルタP(f)の係数のみが更新されなければならない。この目的にはなおも等式(1)が使用されるが、
は等化器の出力sn=un+jvnから復号された記号である。この復号規則は,
をunで置換し
をvnで置換する事によってなおも等式(2)によって与えられる。
インタリーバおよびデインタリーバ
交錯法は次元マトリックス
の中で列ごとに書かれた記号anおよびbnに対して実施される。パラメータNはM=2Pより大きな2のベキに等しくなければならない。
対(i,j)については、iは固定され(i=0,1,...,(N1−1))、0から(N2−1)の範囲内を変動するjについては、出力された記号の座標(il,jl)は下記である。
il=2modN1/2(X)+1
jl=modN2(yj)
ここにmodlはモジュロlを意味する。
この際に、iが偶数ならばx=1/2(2j+i)、
iが奇数ならばx=1/2(2j+i−1)。
また:
Y=7 if z=0 Y=29 if z=4
Y=17 if z=1 Y=13 if z=5
Y=11 if z=2 Y=21 if z=6
Y=23 if z=3 Y=19 if z=7
ここに、zはxモジュロ8に等しい。
デインタリーバ9の機能はインタリーバ3の対であるから、そのインプリメンテーションは前記から直接に誘導する事ができる。
このような記号の交錯は特に有利である。これは特に種々の計量におけるノイズを克服する事を可能とし、この場合にデコーダの出力における性能は交錯法が2進データについて実施される場合よりもはるかに向上する。また記号レベルにおける交錯法はトレリスエンコード変調の使用を可能とする。
M進から2進への変換器
M進変換は、M−QAM変調における状態数とは独立の構造を有するチャネルデコーダの使用を可能とする。
M進から2進への変換器6は各サンプルSnを、2mエンコーディングされた2進データ項目を表す2mサンプルcn,i;i=1,2,...,2mと組合わせる。
各サンプルSnと組合わされる2mサンプルは、サンプルSnからエンコーディングされたデータの尤度比(likelihood ratio LLR)の対数を下記の式を使用して計算する事によって得られる。
ここにKは定数である。エンコーディングされるデータのLLRの式が比較的複雑であるので、これらの式はグレーコードおよびK=βσ2 w/2に対して下記の式によって近似させる事ができる。
Λ(cn,m)=|un|−β2m-1
Λ(cn,i)=|Λ(cn,i+1)|−β2i-1;i=(m−1)…2
Λ(cn,1)=un
および:
Λ(cn,2m)=|vn|−β2m-1
Λ(cn,i+m)=|Λ(cn,i+1+m)|−β2i-1;i=(m−1)…2
Λ(cn,m+1)=vn
ここに、
M=4,すなわち4状態位相変移キーイング(4−PSK)の場合には、記号anとbnがバイナリであるので、デインタリーバの出力とデコーダの入力との間にM進−2進変換器を挿入する必要はない。
チャンネルデコーダと記号d n の平均値の計算
デインタリーバ後に、サンプルΛ(Cn,i)が重み付き出力チャネルデコーダの入力に加えられ、また例えばエンコーディングが畳み込み型であれば、下記の文献〔7〕に記載のベルー・アッド・アルゴリズムを使用する。
〔7〕C.Berrou,P.Adde,E.AnguiおよびS.Faudeil,”A low complexity soft-output Viterbi decoder architecture”ICC’93,Geneva,Switzerland,May 1993.
デコーダはエンコーディングされたデータの尤度比(LLR)の対数に対する新しい近似値
を生成する。
ここに、1/λは係数である。
また量
は次の形に置く事ができる。
ここに、kはベルー・アッド・アルゴリズムにおける2に等しい定数であり、またここにW(cn,i)はデータ(cn,i)に対応する付帯的情報である。
等化器のフィルタQ(f)に供給するため、記号dnが未知であれば、これらの記号の代わりに、第1反復において
から計算されたその平均値
を使用しまたその後の反復においては付帯的情報W(cn,i)を使用する。
データdnの平均値を計算する際に
と次にW(cn,i)のみを使用する事により、基本的規則を満たしながらデコーダからくる情報を最大限に利用する事ができ、このようにして瞬間nにおけるデコーダへの入力は先行反復において生成した付帯的情報W(cn,i)に依存する必要がない。
16−QAM変調
16−QAMの場合、各記号dn=an+jbnはエンコーディングされた4データ項目(cn,i;i=1,2,3,4)に組合わされる。グレー・コードが使用される場合、下記のように書く事ができる。
記号dnに組合わされたデータ項目cn,iはインタリーバの存在の故に相互に独立であるので、関係式(3)、(5)、(6)を使用して、第1反復において計算された平均記号値
は下記の式(7)と(8)にそれぞれ等しい。
後続の反復については、記号の平均値
は同様に式(7)と(8)によって与えられるが、
の代わりにW(cn,i)が使用される。
4−PSK変調
4状態位相変移キーイング(4−PSK)が簡単になり、式(5)と(6)が簡単になり、それぞれ下記式(9)、(10)となる。
またこのようにして式(3)、(9)および(10)を使用して、第1反復において計算される記号の平均値
はそれぞれ下記式(11)、(12)に等しい。
後続の反復については、前記と同様に記号の平均値anおよびbnが同様に式(11)と(12)によって与えられるが、
の代わりにW(cn,i)が使用される。
前記の型の装置の性能
装置の性能を評価するため、等価離散チャネル用の2つのモデルを使用したが、第1のモデルはポラートおよびフリードランダーによって提案され複素係数を有し、また第2モデルはプロアキスによって提案され実係数を有する。これらのチャネルの転送関数のゼロ値は多少とも単位円に近く、すなわち多少とも等化しやすい。
ポラートおよびフリードランダー・チャンネル
ポラートおよびフリードランダー・チャネルは5係数Γkを有し、これらは定数であり、その4係数は複素数である。このチャネルの伝達関数の単位円上のゼロの位置を第4図に示す。
[2-0.4j;1.5+1.8j;1.2-1.3j;0.8+1.6j]
バイナリ誤差率(BER)をそれぞれ4状態位相変移キーイング(4−PSK)と2つのキャリヤの16状態求積振幅変調(16−QAM変調)の場合について、第5図と第6図においてポラートおよびフリードランダー・チャネルのターボ等化器の出力のEb/No比の関数としてプロットした。どちらかといえば等化が困難という評判を有するこのチャネルにおいて、本発明によって提案された装置の性能は、信号:ノイズ比が4−PSK変調の場合に4dB以上、16−QAM変調の場合に7bD以上であるとして、記号間干渉およびエンコーディングを有しないチャネルの性能と一致する。
第7図には、第1に、比Eb/No=4dBにおいて得られる信号の配位が示され、第2に反復1乃至5においてフィルタ
の入力において得られる信号の配位(記号dnの平均値)が示される。第3反復からこれらの信号が4−PSK変調の配位に非常に近い配位を示す事が見られる。すなわち、4dBに等しいまたはこれ以上の信号:ノイズ比においては、フィルタ
はフィルタ
の出力に存在する記号間干渉を再構築する事ができる。
第8図は受信信号の配位を示し、また反復1乃至5について比Eb/No=7dBにおける記号dnの平均値としてフィルタ
の入力に加えられた信号の配位を示す。第4反復から、これらの信号は16−QAM変調に近い配位を有する。従って信号:ノイズ比が7dBと同等またはこれ以上であれば、等化器からの出力は記号間干渉を免れる事ができる。
従って、本発明の装置は、連続的実データに基づいて作動する判断フィードバック等化器(DFE)によって実行する事のできない前記チャネルの周波数選択の問題を、同時的にノイズを増大しないで解決する事ができる。10-5BERの場合、DFE型等化器に対する利得は4−PSK変調について約1.5dBであり、16−QAM変調について約2dBである。
プロアキスによって提案されたチャンネル
プロアキスによって提案されたチャネルは実定数の11係数Γkを有する。このチャネルの転送関数の単位円上のゼロの位置を第9図に示す。
[0.04;-0.05;0.07;-0.21;-0.5;-0.72;0.36;0;0.21;0.03;0.07]
第10図と第11図において、バイナリ誤差率(BER)が、それぞれ4状態位相変移キーイング(4−PSK)と2つのキャリヤの16状態求積振幅変調(16−QAM変調)の場合について、プロアキスによって提案されたチャネルのターボ等化器の出力の比Eb/Noの関数としてプロットされている。このチャネルを使用する場合、信号:ノイズ比が4−PSK変調について2dBと同等またはこれ以上、また16−MAQ変調について6dBまたはこれ以上であれば、ターボ等化器の性能が記号間干渉およびエンコーディングを有しないチャネルの性能と一致するためには2チャネルで十分である。10-5の誤差率についての改良が0.5dB以下であるとしても、ターボ等化器は常に実データについて作動する判断フィードバック等化器よりも高い性能を示す。
応用
前記の装置は、数10の記号時間にわたって拡張するパルス応答を有するチャネルに対して応用される。このようなチャネルについては、最大尤度標準に基づいて最適化された受信器の使用を考慮する事は不可能である。
さらに詳しくは本発明は、モバイル端子用の無線チャネル、ケーブルチャンネル、または海中音響チャネルによる伝送にさえも有効に応用される。
本発明は2状態または4状態位相変移キーイング(2−PSK、4−PSKまたは4−QAM)あるいは1つまたは2つのキャリヤの求積振幅変調(M−QAM)などの線形変調を使用する任意の伝送システムに応用される。
エンコーディング・システムは畳み込み型またはブロック型とする事ができ、またデコーダは重み付き出力を有しなければならない。すなわちデコーダは信頼度情報を各復号記号と組合わせる事ができなければならない。
Claims (6)
- 等化器と重み付き出力デコーダとを有する複数のモジュールを直列で含み、第1のモジュールを除く各モジュールが、前段のモジュールの処理時間に等しい量だけ遅延されたチャネルサンプル流を受ける等化・復号装置において、前記の各等化器が第1トランバーサルフィルタを有し、前記第1フィルタは遅延されたサンプル流を受けるフィルタであってノイズ電力を低下させる事ができ、また前記第1のモジュールを除く各モジュールにおいて、各等化器は第2トランスバーサルフィルタを含み、前記第2フィルタは前記前段のモジュールの前記重み付き出力デコーダの出力から演算された記号平均値流を受け、また前記第2フィルタは第1フィルタの出力に存在する記号間干渉を再構築する事ができ、前記等化器の出力が、第1フィルタの出力から前記第2フィルタによって再構築された記号間干渉を差し引いたものに対応することを特徴とする等化・復号装置。
- 前記第1のモジュールを除くモジュールについて、チャネルサンプル流を受けるトランスバーサルフィルタは、整合フィルタにむかって収束するフィルタであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- それぞれのモジュールがM進−2進変換器を含むことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の装置。
- それぞれのモジュールが、その重み付き出力デコーダの下流側のインタリーバと、その等化器と重み付き出力デコーダとの間のデインタリーバとを含むことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の装置。
- それぞれのモジュールが、インタリーバの上流に、また重み付き出力チャネルデコーダの下流に、記号の平均値の計算手段を含むことを特徴とする請求項3または4のいずれかに記載の装置。
- 等化器の1つまたは複数のフィルタの係数が、等化器からの出力とモジュールからの復号されたデータ出力との間の最小自乗誤差標準を用いた確率的グラジエント・アルゴリズムによって整合的に決定されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の装置。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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