KR0144294B1 - 수렴특성을 개선시킨 등화기 - Google Patents

수렴특성을 개선시킨 등화기

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Abstract

본 발명은 수렴특성을 확률적인 기법을 도입하여 등화기 필터를 갱신시킴으로써 열악한 채널환경하에서 수렴특성을 개선시킨 등화기에 관한 것으로, 이를 해결하기 위해 입력신호를 소정의 필터계수로 필터링하기 위한 등화기 필터; 확률분포에 의거하여 랜덤번호를 발생하기 위한 랜덤번호 발생부; 랜덤번호 발생부에서 출력되는 랜덤번호에 해당하는 임의의 어드레스의 데이터인 스텝사이즈 크기를 독출하여 출력하기 위한 스텝사이즈 발생부: 반송파신호를 승산하기 위한 승산기; 등화모드가 결정궤환모드로 전환된 후 동작하며, 기존에 저장되어 있던 원래의 신호와 승산기에서 출력되는 신호의 위상차를 보상하여 주파수 옵셋을 제거하며 상기 결정궤환 등화기의 계수를 변화시키기 위한 결정궤환등화 반송파복구부; 스텝사이즈 발생부에서 출력되는 스텝사이즈를 이용하여 등화기 필터의 출력신호에 대하여 초기등화를 위한 블라인드 등화기; 초기등화된 신호에 대하여 등화하기 위한 결정궤환 등화기; 등화기 필터에서 출력되는 신호의 평균제곱오차를 소정의 기준치와 비교하여 등화기의 출력신호를 선택하기 위한 선택신호를 출력하는 등화기 선택부; 및 등화기 선택부에서 출력되는 선택신호에 따라서 선택적으로 절환하여 제 1 등화기 필터로 출력하기 위한 절환수단을 포함하도록 구성된다.

Description

수렴특성을 개선시킨 등화기
제1도는 기존의 등화기에 채용되었던 동작 알고리즘의 한계를 나타낸 도면.
제2도는 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기에 사용된 확률분포를 나타낸 도면.
제3도는 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기에서 국부적 최소값을 탈출하는 원리를 설명하기 위한 도면.
제4도는 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기에 따른 블록도.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
401 : 등화기 필터 402 : 랜덤번호 발생부
403 : 스텝사이즈 발생부 404 : 블라인드 등화기
405 : 결정궤한 등화기 406 : 멀티플렉서
407 : 승산기 408 : 결정궤한등화 반송파복구부
409 : 등화기 선택부
본 발명은 수렴특성을 개선시킨 등화기에 관한 것으로서, 특히 확률적인 기법을 도입하여 등화기 필터를 갱신시킴으로써 열악한 채널 환경아래 에서 수렴특성을 개선시킨 등화기에 관한 것이다.
일반적으로 송신단에서 전송된 신호는 전송채널을 거치면서 여러 가지 왜곡이 생긴다. 왜곡을 발생시키는 요인에는 가우스성 열잡음, 임펄스성 잡음, 페이딩에 의한 가산형 혹은 승산형 잡음, 주파수 변화, 비선형성, 시간적 분산 등에 의한 변형 등이 있다. 이러한 왜곡은 기존의 아날로그 TV시스템에서는 왜곡에 따르는 화질저하로 나타나지만 디지털 전송방식의 HDTV 시스템에서는 수신측에서 비트검출 오류가 생겨 화면 전체가 복원이 불가능하거나 전혀 다른 영상이 나타나는 현상이 발생할 가능성이 있다. 특히 송신신호의 시간지연과 위상변화에 의한 다중경로는 심볼간 간섭을 심하게 일으켜 비트검출 오류의 주원인이 되고 있다. 이렇게 비 이상적인 전송채널에 의해서 발생한 왜곡을 보상함으로써 수신측에서 비트검출 오류를 감소시키는 기법을 채널등화라 한다. 그런데 채널은 송수신기의 위치, 거리, 지형, 건물, 날씨 등 여러 가지 요인에 의해서 가변적이기 때문에 가변적인 채널에 적응적 으로 대처할 수 있는 등화기법이 요구되는데 이러한 등화기법을 적응 채널등화 라한다.
채널 등화기법은 Widrow와 Hopf가 LMS(Least Mean Square)적응 필터 기법을 제안한 이후로 현재까지 꾸준히 연구가 되어 왔다. 초기에는 주로 선형 등화기법이 연구되어 왔으나, 그 후 확률적 추정기법을 이용하는 방법이 연구되었고 수렴 특성을 향상시킨 RLS(Recursive Least Square) 알고리즘을 이용한 등화기법, 결정궤환 등화기법과 같은 비선형 등화기법들이 연구되었고, 최근에는 훈련신호가 필요없는 블라인드 등화기법, RLS 알고리즘의 계산량을 감소시키기 위한 고속 RLS 알고리즘 등이 연구되고 있다.
등화기법에 의해 채널의 비이상적인 특성을 보상하기 위해서는 송신된 신호와 동일한 신호를 수신측에서 가지고 수신된 신호와 비교하여 채널의 특성을 추정하고, 채널의 역함수를 수신신호에 곱하여 수신된 신호로부터 채널에 의한 왜곡을 보상하여 송신된 신호를 복원한다. 이렇게 채널의 특성을 알아내기 위하여 전송되는 신호를 훈련신호라 하고 훈련신소가 전송되는 기간을 훈련모드라고 한다. 훈련모드가 끝나면 송신측에서는 데이터가 전송되고 수신측에서는 훈련신호 대신 등화기 출력을 판정하여 등화기 입력으로 사용하는데 이 기간을 직접 결정 모드라고 한다. 훈련신호로는 의사랜덤 신호를 주로 사용한다.
기존의 등화기는 주로 LMS(Least Mean Square) 알고리즘 등으로 동작을 하였고, 훈련신호 없이 등화를 하는 블라인드 등화기와 같은 CMA 등의 알고리즘이 존재하고 있지만 대부분의 알고리즘은 어느 정도 제한된 다중경로와 잡음 환경하에서만 정상적으로 동작하며, 극심한 잡음이나 다중경로가 존재할 경우에는 제대로 등화기의 계수를 수렴시키지 못한다. 즉, 이는 등화기를 동작시키는 알고리즘의 구조에서 기인한 것으로 이러한 알고리즘은 경사(descent) 알고리즘에 기초를 두고 있으므로 이러한 열악한 채널환경에서는 등화기의 상태가 국부적 최소값들에 빠져 정확한 수렴이 불가능하게 되고, 따라서 정확한 데이터 수신 불능의 상태에 빠지게 한다.
상기의 경사 알고리즘은 전체의 에러공간상에서 국부적인 최소값을 갖게 되며, 등화기의 상태가 이러한 국부적인 최소값에 빠지게 되면 제대로 전체 등화시스템이 전체적인 최소값의 상태로 수렴하는 것이 어렵게 되므로 제한된 잡음이나 다중경로 조건에 대해서만 정상적으로 동작하게 된다.
제1도는 이러한 기존의 등화기에 채용되었던 동작 알고리즘의 한계를 나타내는 것으로서, 한번 등화기의 상태가 국부적인 최소값으로 가게 되면 더 이상 에러값이 줄어들지 않게 되므로 정확한 등화가 불가능하게 된다.
따라서 본 발명은 상기의 단점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 확률적인 기법을 도입하여 등화기 필터를 갱신시킴으로써, 열악한 채널환경하에서 수렴특성을 개선시킨 등화기를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기는 입력신호를 소정의 필터계수로 필터링하기 위한 등화기 필터 : 스텝사이즈에 따른 확률분포에 의거하여 랜덤번호를 발생하기 위한 랜덤번호 발생부 : 상기 랜덤번호 발생부에서 출력되는 랜덤번호에 해당하는 임의의 어드레스의 데이터인 스텝사이즈 크기를 독출하여 출력하기 위한 스텝사이즈 발생부 : 상기 등화기 필터의 출력신호와 결정궤환등화 반송파신호를 승산하기 위한 승산기 : 등화모드가 결정궤환모드로 전환된 후 동작하며, 기존에 저장되어 있던 원래의 신호와 상기 승산기에서 출려되는 신호의 위상차를 보상하여 주파수 옵셋을 제거하며 상기 결정궤환 등화기의 계수를 변화시키기 위한 결정궤환등화 반송파복구부 : 상기 스텝사이즈 발생부에서 출려되는 스텝사이즈를 이용하여 상기 등화기 필터의 출력신호에 대하여 초기등화를 하기 위한 블라인드 등화기 : 상기 블라인드 등화기에 의해 초기등화된 신호에 대하여 등화하기 위한 결정궤환 등화기 : 상기 등화기 필터에서 출력되는 신호의 평균신호의 평균제곱오차를 소정의 기준치와 비교하여 상기 블라인드 등화기의 출력신호 혹은 결정궤환 등화기의 출력신호를 선택하기 위한 선택신호를 출려하는 등화기 선택부 : 상기 등화기 선택부에서 출력되는 선택신호에 따라서 상기 블라인드 등화기의 출력신호 혹은 상기 결정궤환 등화기의 출력신호를 선택적으로 절환하여 상기 제 1 등화기 필터로 출력하기 위한 절환수단을 포함함을 특징으로 한다.
이하, 예시된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
제 2 도는 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기에 사용된 확률분포를 나타낸 도면이고, 제 3 도는 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기에서 국부적 최소값을 탈출하는 원리를 설명하기 위한 도면이다.
제 4 도는 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기의 일실시예에 따른 블럭도이다.
제 4 도에서, 입력신호를 소정의 필터계수로 필터링하여 출력하기 위한 등화기 필터(401)와, 랜덤번호를 발생하기 위한 랜덤번호 발생부(402)와, 랜덤번호 발생부(402)에서 출력되는 랜덤번호에 해당하는 임의의 어드레스의 데이터 즉, 스텝사이즈 크기를 독출하여 블라인드 등화기(404)로 출력하기 위한 스텝사이즈 발생부(403)와, 등화기 필터(401)의 출력신호와 결정궤환등화 반송파신호를 승산하기 위한 승산기(407)와, 등화모드가 결정궤환모드로 전환된 후 동작하며, 기존에 저장되어 있던 원래의 신호와 승산기(407)에서 출력되는 신호의 위상차를 보상하여 주파수 옵셋을 제거하며 결정궤환 등화기(405)로 각각 인가한다. 또한 블라인드 등화기(404) 또는 결정궤환 등화기(405)의 계수를 변화시키기 위한 결정궤환등화 반송파복구부(408)와, 스텝사이즈 발생부(403)에서 출력되는 스텝사이즈를 이용하여 등화기 필터(401)의 출력신호에 대하여 초기등화를 하기 위한 블라인드 등화기(404)와, 블라이드 등화기(404)에 의해 초기등화된 신호에 대하여 등화하기 위한 결정궤환 등화기(405)와, 등화기 필터(10)에서 출력되는 신호의 평균제곱오차를 소정의 기준치와 비교하여 블라인드 등화기(404)의 출려신호 혹은 결정궤환 등화기(405)의 출력신호를 선택하기 위한 선택신호를 출력하는 등화기 선택부(409)와, 등화기 선택부(409)에서 출력되는 선택신호에 따라서 믈라인드 응화기(404)의 출력신호 혹은 결정궤환 등화기(405)의 출력신호를 선택적으로 절환하여 등화기 필터(401)로 출력하기 위한 절환수단(406)으로 구성된다. 여기서, 절환수단(406)은 멀티플랙서로 구성되고, 스텝사이즈 발생부(403)는 롬으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동작을 제 2 도 내지 제 4 도를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서는 제 2 도에 도시된 바와 같이 통계적인 분포를 등화기의 계수값을 갱신하여 주는 알고리즘에 채용함으로써 등화기에서의 국부적 최소값에 빠지는 상황을 방지하고자 한다.
이러한 방식은 뉴럴 네트워크(neural network) 등에서 국부적 최소값을 피하기 위하여 사용되는 기법으로 시뮬레이티드 어닐링(simulated anealing)이라고 불리우는 기법이다. 즉 제 2 도에 도시된 바와 같이, 스텝사이즈의 크기에 대하여 가우시안 형태의 확률분포를 이용하고, 이러한 확률분호에 의한 값으로 등화기 수렴계수의 스텝 사이즈를 갱신하여 줌으로써, 제 3 도와 같은 원리에 의하여 국부적인 최소값으로부터 빠져 나오게 되어 열악한 채널환경에서도 채널환경에서도 초기등화를 수행할 수 있도록 한다. 이러한 성공적인 초기 등화를 수행함으로써 기존의 제한된 채널조건에 한하여 동작하던 등화기에 비하여 훨씬 우수한 성능을 얻을 수 있도록 한다.
그러나, 이러한 경우 기존의 단순한 기어 쉬프팅에 불과하던 스텝 사이즈의 결정 로직이 복잡해 지는 단점이 있지만 이는 제 4 도에 도시된 간단한 하드웨어의 구성을 통하여 보다 단순화시킬 수 있게 된다.
제 4 도를 참조하면, 등화기 필터(401)의 계수를 갱신하기 위해 블라인드 등화기(404)와 직접결정등화기 혹은 결정궤환등화기(405)의 두가지 알고리즘이 사용된다. 즉, 블라인드 등화기(404)는 초기에 등화를 수렴시킨 후 개안도(Eye Diagram)가 열리는 수준에서는 결정궤환등화기(405)로 넘어가 빠르고 정확하게 계수를 조정한다. 결정궤환 등화기(405)는 최종 수렴과 등화기 계수의 미세 조정(Fine-Tuning)을 행한다. 이는 비교적 안정된 신호배열을 요구하므로 결졍궤환등화 반송파 복구부(408)에서 반송파 복원이 이루어진 후에 적용된다. 이 등화기법은 32 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 배열과 일치하는 2차원(in phase-quadrature) 결정영역 공간내에서 수신된 지점을 목표 배열지점으로 양자화 한다. 직접결정 등화의 에러기준은 수신된 배열지점과 이상적인 배열지점간의 차이이고, 계산된 에러는 LMS 알고리즘에 사용되어 등화기 필터(401)의 계수를 갱신한다.
등화기 필터(401)는 256탭을 갖는 복소구 FIR 필터로 구성되어 인가되는 QAM 신호를 소정의 필터계수로 필터링하여 승산기(407), 블라인드 등화기(404) 및 결정궤환 등화기(405)에서 출력되는 신호로 필터계수를 갱신한다.
랜덤번호 발생부(402)는 제 2 도에 도시된 확률분포에 의거한 랜덤번호를 발생기켜 스텝사이즈 발생부(403)로 출력하고, 스텝사이즈 발생부(403)는 랜덤번호 발생부(402)에서 출력되는 랜덤번호에 해당하는 임의의 어드레스의 데이터 즉 스텝사이즈 크기를 독출하여 블라인드 등화기(404)로 출력한다.
승산기(407)는 등화기 필터(401)의 출력신호와 결정궤환등화 반송파 복구부(407)에서 출력되는 반송파를 승산하여 트렐리스 디코더(trellis decoder : 도시되지 않음)로 인가한다. 여기서 트렐리스 디코더는 연판정의 비터비(Viterbi) 알고리즘을 이용하여 가장 비슷한 시퀀스를 계산하여 승산기(407)의 출력신호에 포함되어 있는 에러를 정정한다.
결정궤환등화 반송파 복구부(408)는 결정궤환모드로 전환된 후 동작하며, PLL(Phase Locked Loop)로 구성되고, 저장되어 있는 원래의 신호와 승산기(407)에서 출력된느 수신된 신호의 위상차를 보상하여 이에 의해 주파수 옵셋을 제거하며 결정궤환 등화기(405)의 계수를 변화시킨다.
블라인드 등화기(404)는 개안도가 닫혀 있는 경우인 잡음이 많은 상태 즉, 처음 고하질 TV의 전원을 온시켰을때와, 채널 전환 등 급격한 채널 특성의 변화가 있는 경우에 대하여 채널 등화를 하기 위한 것으로, 스텝사이즈 발생부(403)에서 출력되는 스텝사이즈를 이용하여 등화기 필터(401)의 출력신호에 대하여 채널 등화하여 멀티플렉서(406)로 인가한다.
결정궤환 등화기(405)는 블라인드 등화기(50)에 의해 수렴이 되고, 개안도가 열려 있을 경우에 대하여 채널 등화를 하기 위한 것으로, 등화기 필터(401)의 출력신호에 대하여 채널 등화하여 멀티플랙서(406)로 인가한다.
등화기 선택부(409)는 소정의 기준치를 설정하여 등화기 필터(401)에서 출력되는 신호의 평균제곱오차(MSE:Mean Square Error)가 기준치보다 클 경우에는 블라인드 등화기(404)의 출력신호를 선택하기 위한 신호를 출력하고, 작을 경우에는 결정궤환 등화기(405)의 출력신호를 선택하기 위한 신호를 출력한다. 즉, 개안도가 닫혀 있는 경우에는 블라인드 등화기(404)의 출력신호를 선택하기 위한 신호 예를 들면, '하이'논리상태의 신호를, 개안도가 열려 있는 경우에는 결정궤환 등화기(405)의 출력신호를 선택하기 위한 신호 예를 들면, '로우'논리상태의 신호를 출력한다.
멀티플레서(406)는 등화기 선택부(409)에서 출력되는 선택신호의 논리에 따라서 블라인드 등화기(404)의 출력신호 혹은 결정궤한 동화기(405)의 출력신호를 선택적으로 등화기 필터(401)로 출력한다. 즉, 선택신호가 '하이'논리상태의 신호인 경우 블라인드 등화기(404)의 출력신호를 등화기 필터(401)로 인가하고, '로우'논리상태의 신호인 경우에는 결정궤환 등화기(405)의 출력신호를 등화기필터(401)로 인가하여 필터계수를 갱신한다.
또한, 본 발명은 상기의 실시예에 한정하지 않고 본원의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 변형실시 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 수렴특성을 개선시킨 등화기에서는 종래의 블라인드 등화기와 결정궤환 등화기의 이중 구조 등화기에 랜덤번호 발생부와 스템사이즈 발생부를 추가하고 확률적인 기법을 도입하여 등화기 필터를 갱신시킴으로써 열악한 채널환경하에서 수렴특성을 개선시킨 이점이 있다.

Claims (3)

  1. 입력신호를 소정의 필터계수로 필터링하기 위한 등화기 필터 ; 스텝사이즈에 따른 확률분포에 의거하여 랜덤번호를 발생하기 위한 랜덤번호 발생부; 상기 랜덤번호 발생부에서 출력되는 랜덤번호에 해당하는 임의의 어드레스의 데이터인 스텝사이즈 크기를 독출하여 출력하기 위한 스텝사이즈 발생부: 상기 등화기 필터의 출력신호와 결정궤환등화 반송파신호를 승산하기 위한 승산기; 등화모드가 결정궤환모드로 전환된 후 동작하며, 기존에 저장되어 있던 원래의 신호와 상기 승산기에서 출력되는 신호의 위상차를 보상하여 주파수 옵셋을 제거하며 상기 결정궤한 등화기의 계수를 변화시키기 위한 결정궤환등화 반송파복구부; 상기 스텝사이즈 발생부에서 출력되는 스텝사이즈를 이용하여 상기 등화기 필터의 출력신호에 대하여 초기등화를 하기 위한 블라인드 등화기; 상기 블라인드 등화기에 의해 초기등화된 신호에 대하여 등화하기 위한 결정궤환 등화기; 상기 등화기 필터에서 출력되는 신호의 평균제곱오차를 소정의 기준치와 비교하여 상기 블라인드 등화기의 출력신호 혹은 결정궤한 등화기의 출력신호를 선택하기 위한 선택신호를 출력하는 등화기 선택부; 및 상기 등화기 선택부에서 출력되는 선택신호에 따라서 상기 블라인드 등화기의 출력신호 혹은 상기 결정궤환 등화기의 출력신호를 선택적으로 절환하여 상기 제 1 등화기 필터로 출력하기 위한 절환수단을 포함함을 특징으로 하는 수렴특서을 개선시킨 등화기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 확률분포는 상기 스텝사이즈에 대하여 가우시안 분포를 갖는 것을 특징으로 하는 수렴특성을 개선시킨 등화기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 등화기 선택부는 상기 등화기 필터에서 출력되는 신호의 평균제곱오차가 상기 기준치보다 클 경우에는 상기 블라인드 등화기의 출력신호를 선택하기 위한 신호를 출력하고, 작을 경우에는 상기 결정궤환 등화기의 출력신호를 선택하기 위한 신호를 출력함을 특징으로 하는 수렴특성을 개선시킨 등화기.
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