JPH06500913A - 適応フィルタの更新係数を最適化する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は一般的には、通信の分野に関し、かつより特定的にはデジタルセルラ通 信に関する。

発明の背景 合衆国のデジタルセルラ通信は移動電話およびベースステーションの間の通信の ためにデジタル化された音声およびデータ信号を使用する。移動電話が移動する と、それはノイズおよびマルチパスひずみのために通信チャネルの劣化に遭遇す ることがあり、これらのノイズおよびひずみの双方は時間と共に変化する。マル チパスひずみは信号が建物および地形によってはね返る時に異なる時間に移動電 話によって受信されることによる。マルチパスチャネルはシンボル間干渉（ｉｎ ｔｅｒｓｙｍｂｏｌ　１ｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　：　ｌ５Ｉ）を生じ得るが、 これは適応イコライザ、すなわち特別の形式の適応フィルタによって除去できる 。

典型的な適応フィルタがｖＸ１図に示されている。入力信号（１０６）は適応フ ィルタ（１０１）によって処理され、適応フィルタの出力信号（１０２）を生成 する。該フィルタの出力は次に基準信号（１０３）から減算され（１０５）、エ ラー信号（１０４）を生成する。このエラー信号（１０４）はフィルタの係数を 更新するために適応フィルタにおいて更新係数、μ、を有する適応アルゴリズム によって使用される。該更新係数（ｕｐｄａｔｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）は またトラッキング係数あるいはメモリ係数と称される。適応アルゴリズムのメモ リはμの値が増大するに応じて増大することが想定される。

該更新係数は適応アルゴリズムのメモリを制御し、かつその決定はフィルタが変 化するチャネル特性を追跡することができる速度と適応アルゴリズムによって達 成されるノイズ平均化量の間のトレードオフである。適応アルゴリズムのメモリ が短くなると（ｓｈｒｏｔｅｎｅｄ）、該アルゴリズムは通信チャネルにおける 時間変動をよりよく追跡できるが、通信チャネルにおけるノイズに対しより敏感 になる。もし該係数がより多くのノイズをろ波除去するよう選択されれば、該フ ィルタのチャネル追跡能力は低下するであろう。

前記適応アルゴリズムはＫａ　Ｉｍａｎ、Ｒｅｃｕｒｓ　ｉｖｅ　Ｌｅａｓｔ　 ５ｑｕａｒｅ、あるいはＬｅａｓｔＭｅａｎ　５ｑｕａｒｅ　（ＬＭＳ）アルゴ リズムとすることができる。適応アルゴリズムの典型的な目標はエラー信号（１ ０４）の平均２乗値を最小にすることである。この値は通常平均２乗エラー（ｍ ｅａｎ　５ｑｕａｒｅ　ｅｒｒｏｒ：ＭＳＥ）　と称される。

第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図は、適応フィルタの動作環境の３つの可能な りラスを示す。第２Ａ図はノイズの多い環境における時間によって変動しないシ ステムである。この場合は、ＥＴで表わされる、総合的なＭＳＥは、Ｅｎで示さ れる、ノイズがらのみ生じ、それはシステムは時間的に変動していないからであ る。総合的なＭＳＥはμに比例する。

第２Ｂ図は、ノイズの多い環境において時間的に変動しているが静止したシステ ムであり、該静止したシステムは時間によって変化しない高い次数の信号の統計 値を有する。

この例では、ＥＴ（２０３）は２つの独立な成分、遅延（ｌａｇ）エラー（２０ １）およびノイズ（２０２）の和からなる。遅延エラー（２０１）はフィルタが 時間的に変動するシステムを追跡しようと試みていることに起因する。

Ｅ、で示される、遅延エラー（２０１）はμに反比例する。

前記ノイズ成分（２０２）は第２Ａ図に示されるノイズの多い環境による。第２ Ｂ図においては、総合的なＭＳＥはμの値を前記カーブの交差部（２０４）に対 応して選択することにより最小化できる。

最後の環境は、ノイズの多い環境において時間的に変動する、非静止システムで ある。この場合の総合的なＭＳＥは第２Ｂ図と同じ成分から成る。２つのシステ ムの間の差異は、この場合には、時間的にカーブがシフトしあるいは傾きを変え 、該カーブ上の最小点をシフトさせ、従って時間によりμの最適値を変えること である。この環境は第２Ｂ図および第２Ｃ図を比較することにより説明される。

第２Ｂ図は何らかの時間ｔ１におけるＭＳＥ特性を示し、一方第２Ｃ図はいくら か後の時間ｔ２におけるＭＳＥ特性を示す。

この最後の環境における固定更新係数は変化する環境のため適切なフィルタ性能 を提供しないであろう。従って、車両の速度およびチャネルの状態に従って更新 係数を自動的に適応させそれによってフィルタ性能を改善する必要性が存在する 。

発明の概要 本発明の方法は、複数の適応アルゴリズムを有する装置において最適な適応フィ ルタ更新係数を生成し、前記各適応アルゴリズムは更新係数を有する。該方法は 前記複数の適応アルゴリズムの各々の性能を比較することにより開始し、次に前 記性能の差に応じて更新係数を変更する。

図面の簡単な説明 第１図は、典型的な適応フィルタのブロック図を示す。

第２Ａ図、第２Ｂ図および第２Ｃ図は、３つの異なる適応フィルタ動作環境を示 す。

第３図は、本発明のプロセスの好ましい実施例のプロッり図を示す。

第４図は、本発明のプロセスの別の実施例のブロック図を示す。

第５図は、本発明のプロセスに応じたＭＳＥ対μのグラフを示す。

第６図は、本発明のプロセスに従って固定更新係数と最適化更新係数のプロット を示す。

第７図は、遅延法がり環境における、本発明のプロセスに係わる、更新係数のプ ロットを示す。

好ましい実施例の詳細な説明 本発明のプロセスは変化する環境において適応フィルタ更新係数の自動調整およ び最適化を提供する。該更新係数は２つの適応フィルタに対するＭＳＨの算出値 または評価値（ｅｓｔｉｍａｔｅｓ）の間のる波された差によって発生されるフ ィードバック信号によって連続的に更新される。

本発明のプロセスの好ましい実施例のブロック図が第３図に示されている。該プ ロセスは３つの適応フィルタ（３０１〜３０３）から構成される。各々のフィル タは異なる更新係数、μｍ、μ２およびμ３を有することを除き同じである。第 ２の更新係数、μ２、は前記プロセスによって最適化される係数である。最適更 新係数は以後μ８と称される。μ２は最適化された更新係数であるから、第２の 適応フィルタ（３０２）は実際の所望の適応ろ波機能を達成するために使用され るフィルタである。

前記更新係数は次の関係を有する。

この場合、μｄは前記通信装置が動作すると共に特定の適応アルゴリズムが使用 される特定のシステムに対して選択された定数である。別の実施例では、μｄは 更新係数が変化にするに応じて時間と共に変化する。前記好ましい実施例におい ては、μｄはＬＭＳ適応アルゴリズムを使用して０．０１である。

本プロセスはまず適応フィルタ（３０１〜３０３）からエラー信号を発生する。

これは適応フィルタ（３０１〜３０３）によって入力信号をそれが基準信号にで きるだけ近く整合する信号を形成するような方法でろ波することによって達成さ れる。好ましい実施例においては、前記入力は通信受信機において検出された符 号（ｓ　ｙｍｂ　ｏ　ｌ　ｓ）である。これらの出力信号は第３図において０Ｕ ＴＰＵＴＩ。

０ＵＴＰＵＴ２および０ＵＴＰＵＴ３と称される。フィルタからの各出力信号は 次に基準信号から減算される（３０４〜３０６）。好ましい実施例においては、 前記基準信号は受信信号である。これら２つの信号の間の差はエラー信号である 。

平均２乗エラーの算出は前記第１および第３の適応フィルタ（３０１および３０ ３）からのエラー信号に対して行なわれる（３０７および３０８）。各エラー信 号に対するＭＳＥは次のように算出される。

ｉ＝に この場合にはスタート値でありかつｎはエラー信号のサンプルの数である。例え ば、第１の算出サイクルに対しもしに＝１かつｎ＝１０であれば、次のサイクル に対してはｋは１２でスタートするであろう。

算出されたＭＳＨの間の差（３０９）　、Ｅｄ＝Ｅ工１−Ｅ　、はμｍに近づく ためにはμ軸に沿ってどの方向に動くべきかの指示を与える。好ましい実施例に おいては、Ｅｄはそれが０と比較される比較器（３１０）への入力で＊ ある。もしＥｄく０であれば、μｍはμ３よりもμ　により近い。従って、係数 はμ２をμ　に近づけるために減分されるべきである。この場合、係数の更新は 次のように示される。

もしＥ、く０であれば、 あるいは、もしＥｄ〉０であれば、係数は次のように増分されるべきである。

この場合Δは更新係数のステップサイズである。この値はアプリケーションに依 存する。Δは時間的に変動せずかつ静止した環境に対しては非常に小さな値とし て選択できかつ非静止環境に対してはやや大きく選択できる。この値は更新係数 の算出値および該更新係数の適応速度の分解能を決定する。好ましい実施例にお いては、ΔはＬＭＳ適応アルゴリズムを使用して０．００５である。別の実施例 では、μｄと同様に、Δを時間と共に変えることができる。

第４図に示された、別の実施例においては、Ｅａは比較器の代わりにフィルタ（ ４１０）に入力される。該フィルタは前記エラー差分信号の大きさに応じた（固 定ステップサイズΔと比較して）時間的に変動するステップサイズを提供する。

例えば、前記エラー差分信号が大きくなると、前記ステップサイズは自動的に増 大しその結果アルゴリズムのより急速な収束を生ずる。しかしながら、フィルタ を使用すると、発明の複雑さを増大しかつもしより高次のフィルタが使用されれ ば安定性の問題を引起こすかもしれない。安定性および簡単さの考慮から１次デ ジタル無限インパルス応答（ＩＩＲ）フィルタが好ましい。この場合、更新係数 はフィルタの出力の値を前記係数に加算することにより適応される。

いくつかの適応化反復の後、μｍはややμｍより小さく＊ なり、μ３はややμ　より大きくなり、μ２はほぼμ９と等しくなり、かつ前記 エラー差分信号はほぼゼロである。

適応フィルタ２（３０２）はいまや現在の環境に対して最適化されている。もし 環境が変化すると、本発明のプロセスはその変化を検出しかつ追跡して適応フィ ルタ２（３０２）の最適性を維持する。

上に述べたプロセスは、第５図の、ＭＳＥ対μのプロットに見られるように図式 的に示すことができる。Ｅｄく０の場合は、Ｅ　およびＥ　（５０１）はカーブ の右側ＴＩ　Ｔ３ 部分にありかつμ２を最適のポイントであるカーブの底部に位置させるためには 該カーブを左側に移動しなければならない。これはμ２をμ　のポイントに移動 させるため更新係数をΔだけ減分することを必要とする。同様に、もしＥ　＞Ｏ であれば、Ｅ　およびＥ　（５０２）は該力ｄ　ＴＩ　Ｔ３ −ブの左部分にありかっμ２を最適のポイントに位置付けるためには該カーブを 右側に移動し下がらなければならない。これはμ２をμ　のポイント（５０３） に移動させるために更新係数をΔだけ増分することを必要とする。

固定更新係数に対する本発明のプロセスを使用した改善が第６図および第７図に 示されている。これらのグラフにおいては、該プロセスは合衆国デジタルセルラ システムに対するＭａｘｉｍｕｍ　Ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ　５ｅｑｕｅｎｃｅ　 Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎイコライザのシミュレーションにおいて最小平均２乗（Ｌ ＭＳ）適応チャネル計算機と共に使用される。固定更新係数はμｍ０．３８にセ ットされ移動無線電話が車両において高速度で移動している場合の適切な性能を 可能にする。本発明のプロセスを用いることにより、前記イコライザの性能は、 第６図に示されるように、かなり低い車両速度において改善される。第６図はマ ルチパス遅延の関数としてイコライザの性能を示しかつ車両速度は約５ｍｐｈで ある。第７図は、車両速度が瞬時的に６３　ｍ　ｐ　ｈから５　ｍ　ｐ　ｈに降 下した時の遅延法がりおよび同一チャネル妨害を有するチャネルにおいて本プロ セスがどのように動作するかを示す。更新係数はより低い車両速度に適した新し いより低いレベルに急速に低下することが分かる。

前記好ましい実施例においては、本発明のプロセスはアルゴリズムとして実施さ れている。本発明の別の実施例ではハードウェアまたはハードウェアとソフトウ ェアの組合わせによって実現することができ、プロセスの各ブロックはアルゴリ ズムまたはそのブロックのハードウェア回路の等価物とすることができる。

以上要するに、変化する環境において適応フィルタの更新係数を自動的に最適化 するプロセスが説明された。更新係数をどのようにして変えるかを決定するため に各適応アルゴリズムの性能を比較することにより、その特定の環境に対する最 適の更新係数が得られる。本発明のプロセスを使用した通信装置は固定更新係数 を使用した装置よりも優れたものとすることができる。

へ 全ｐ １ト聴 Ｆｌに、６ 時間（Ｓ　Ｅ　Ｃ，） Ｆｌに、７

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．各々の適応アルゴリズムが更新係数を有する、複数の適応アルゴリズムを有 する装置において最適の適応フィルタ更新係数を発生するための方法であって、 前記複数の適応アルゴリズムの各々の性能を比較する段階、そしてさらに 前記性能の差に応じて前記更新係数を変更する段階、を具備することを特徴とす る最適の適応フィルタ更新係数を発生する方法。
2. ２．入力信号を有する装置において最適の適応フィルタ更新係数を発生する方法 であって、 前記入力信号および第１の更新係数に応じて第１のエラー信号を発生する段階、 前記入力信号および第２の更新係数に応じて第２のエラー信号を発生する段階、 前記入力信号および第３の更新係数に応じて第３のエラー信号を発生する段階、 前記第１のエラー信号に応じて第１の平均２乗エラーを計算する段階、 前記第３のエラー信号に応じて第２の平均２乗エラーを計算する段階、 前記第２の平均２乗エラーを前記第１の平均２乗エラーから減算して平均２乗エ ラー差分を生成する段階、前記平均２乗エラー差分に応答して適応信号を発生す る段階、 前記適応信号に応じて前記第１、第２および第３の更新係数を変更する段階、そ してさらに 前記平均２乗エラー差分を実質的にゼロにするために前記第１の段階から反復す る段階、 を具備することを特徴とする入力信号を有する装置において最適の適応フィルタ 更新係数を発生する方法。
3. ３．さらに、前記第１、第２および第３のエラー信号が適応フィルタによって発 生されることを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の方法。
4. ４．さらに、前記適応フィルタは適応イコライザであることを特徴とする、請求 の範囲第３項に記載の方法。
5. ５．さらに、前記適応信号は前記平均２乗エラー差分をゼロと比較することによ り発生されることを特徴とする、請求の範囲第２項に記載の方法。
6. ６．入力信号を有する装置において適応フィルタ更新係数を発生する方法であっ て、 第１の更新係数を有する第１の適応フィルタにおいて、前記入力信号をろ波して 第１のエラー信号を発生する段階、第２の更新係数を有する第２の適応フィルタ において、前記入力信号をろ波して第２のエラー信号を発生する段階、第３の更 新係数を有する第３の適応フィルタにおいて、前記入力信号をろ波して第３のエ ラー信号を発生する段階、前記第１のエラー信号に応じて第１の平均２乗エラー を計算する段階、 前記第３のエラー信号に応じて第２の平均２乗エラーを計算する段階、 前記第２の平均２乗エラーを前記第１の平均２乗エラーから減算して平均２乗エ ラー差分を生成する段階、前記平均２乗エラー差分をろ渡して適応信号を生成す る段階、 前記適応信号に応答して前記第１、第２および第３の更新係数を変更する段階、 そしてさらに 前記平均２乗エラー差分を実質的にゼロにするために前記第１の段階から反復す る段階、 を具備することを特徴とする入力信号を有する装置において適応フィルタ更新係 数を発生する方法。
7. ７．前記第１、第２および第３の適応フィルタは適応イコライザであることを特 徴とする、請求の範囲第６項に記載の方法。
8. ８．入力信号を有する装置において適応フィルタ更新係数を発生する方法であっ て、 第１の更新係数を有する第１の適応フィルタにおいて、前記入力信号をろ波して 第１のエラー信号を発生する段階、第２の更新係数を有する第２の適応フィルタ において、前記入力信号をろ波して第２のエラー信号を発生する段階、第３の更 新係数を有する第３の適応フィルタにおいて、前記入力信号をろ波して第３のエ ラー信号を発生する段階、前記第１のエラー信号に応じて第１の平均２乗エラー を計算する段階、 前記第３のエラー信号に応じて第２の平均２乗エラーを計算する段階、 前記第２の平均２乗エラーを前記第１の平均２乗エラーから減算して平均２乗エ ラー差分を生成する段階、前記平均２乗エラー差分を所定の値と比較して適応信 号を生成する段階、 前記適応信号に応答して前記第１、第２および第３の更新係数を変更する段階、 そしてさらに 前記平均２乗エラー差分を実質的にゼロにするために前記第１の段階から反復す る段階、 を具備することを特徴とする入力信号を有する装置において適応フィルタ更新係 数を発生する方法。
9. ９．さらに、前記第１、第２および第３の適応フィルタは適応イコライザである ことを特徴とする、請求の範囲第８項に記載の方法。
10. １０．さらに、前記所定の値はゼロであることを特徴とする、請求の範囲第８項 に記載の方法。