KR100273446B1 - Decision feedback equalizer for receiver - Google Patents
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Abstract
본 발명은 등화기 출력값에 대해 판정을 내리는 판정기가 노이즈를 억압하는 역할을 한다는 점에 착안하여 LMS 알고리즘에 의한 탭 계수 갱신식에 반영되는 에러 신호를 발생시킴에 있어서 기존에 훈련신호와 등화기 출력 즉 판정기 입력의 차이값만 사용하던 것을 개선, 훈련신호와 판정기 출력값의 차이를 반영함으로써 궁극적으로 가산성 노이즈에 의한 탭계수 유동을 최소화 하기 위한 것으로, 이를 위해, 등화기 입력을 대상으로 전고스트를 제거하는 정궤환 필터와; 판정기의 출력신호를 대상으로 후고스트를 제거하는 부궤환 필터와; 상기 정궤환 필터 및 부궤환 필터에서 출력되는 각각의 탭 출력을 가산하는 가산기와; 상기 가산기에서 출력되는 등화기 출력을 판정하는 판정기와; 훈련신호와 상기 판정기 출력의 차이값, 훈련신호와 상기 등화기 출력의 차이값을 각기 구하는 두 개의 감산기와; 상기 각 감산기에서 각기 출력되는 차이값을 입력받아 노이즈가 억압된 에러신호를 발생하는 에러 검출기와; 상기 훈련신호와 상기 등화기 출력의 차이값, 노이즈가 억압된 에러신호를 공급받아 혼합에러신호를 생성해서 상기 정궤환 필터 및 부궤환 필터에 공급하는 혼합에러신호 발생기로 구성한 것이다.The present invention focuses on the fact that a determiner that makes a decision on an equalizer output value suppresses noise, and generates a training signal and an equalizer output in generating an error signal reflected in a tap coefficient update expression by an LMS algorithm. That is, to improve the use of only the difference value of the judging input and to reflect the difference between the training signal and the judging output, ultimately to minimize the tap coefficient flow due to additive noise. A positive feedback filter for removing ghosts; A negative feedback filter that removes the post-ghost from the output signal of the determiner; An adder for adding tap outputs output from the positive feedback filter and the negative feedback filter; A determiner for determining an equalizer output output from the adder; Two subtractors for obtaining a difference between a training signal and the output of the determiner, and a difference between the training signal and the equalizer output; An error detector which receives the difference value output from each subtractor and generates an error signal in which noise is suppressed; And a mixed error signal generator configured to generate a mixed error signal by receiving a difference value between the training signal, the equalizer output, and an error suppressed noise, and supply the mixed error signal to the positive feedback filter and the negative feedback filter.
Description
본 발명은 무선통신 시스템에서 판정궤환 등화기의 필터 탭 계수가 불규칙적으로 유동되는 것을 억제하는 기술에 관한 것으로, 특히 판정궤환 등화기의 훈련모드에서 등화기의 성능이 가산성 노이즈에 민감하게 반응하여 필터 탭 계수가 불규칙적으로 유동하는 것을 억제함으로써 자승오차 평균이 증가되는 것을 방지할 수 있도록한 수신기의 판정궤환 등화기에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for suppressing irregular flow of filter tap coefficients of a decision feedback equalizer in a wireless communication system. In particular, the performance of the equalizer in the training mode of the decision feedback equalizer is sensitive to additive noise. The present invention relates to a decision feedback equalizer of a receiver capable of preventing the filter tap coefficient from flowing irregularly and thereby preventing the square error mean from increasing.
무선통신 시스템에 있어서 다중 채널(multi-path channel) 상황은 수신기에 있어서 커다란 장애요소로 작용하며, 통신 채널에 있어서, 제한된 대역(limited band -width)을 사용하는 경우 심볼(symbal) 값을 표현하는 아날로그 신호를 시간축으로 퍼트림(dispersion)으로써 본의 아니게 인접 심볼에 간섭을 주게 된다. 이러한 간섭을 인접심볼 간섭(ISI: Inter-Symbol Interferrnce)이라고 한다.In a wireless communication system, a multi-path channel situation is a big obstacle for a receiver, and in a communication channel, a symbol value is expressed when a limited band-width is used. Dispersion of the analog signal along the time axis unintentionally interferes with adjacent symbols. This interference is called inter-symbol interference (ISI).
요즘들어 다중채널 상황에서 ISI를 해결하기 위한 많은 기술들이 연구되고 있다[1],[2]. 그 중에서 판정궤환 등화기(DFE : Decision Feedback Equalizer)가 열악한 채널 상황에서 가장 우수한 성능을 보이는 것으로 판명되었다.Recently, many techniques for solving ISI in multi-channel situation have been studied [1] and [2]. Among them, the decision feedback equalizer (DFE) proved to be the best in poor channel conditions.
이러한 판정궤환 등화기에서는 판정하고자 하는 심볼을 기준으로 이미 판정된 값을 이용하여 후 고스트(post-ghost)에 의한 간섭을 제거하게 된다. 즉, 판정된 심볼값들이 정확한 경우 그 심볼에 의해 발생된 간섭현상을 제거하기 위하여, 심볼값에 적당한 가중치(weight)를 곱해서 현재 심볼값에서 빼주게 된다.In the decision feedback equalizer, the interference caused by post-ghost is eliminated by using a value already determined based on a symbol to be determined. That is, in order to remove the interference caused by the symbol when the determined symbol values are correct, the symbol value is multiplied by an appropriate weight and subtracted from the current symbol value.
통상적으로 채널 상황은 사전에 알 수 없으므로 등화기의 탭 계수를 설정할 때 채널에 따라 적응적으로 계수값(coefficient)을 설정하게 되는데, 이것을 적응적 등화(Adaptive Equalization)라고 한다. 전통적인 DFE에서 계수적응 훈련은 약정된 훈련신호(training sequence) ak를 기준신호로 삼아 수행하게 되며, 그 수행기간을 훈련모드(training mode)라고 한다.In general, the channel state is not known in advance, and when the tap coefficient of the equalizer is set, the coefficient is adaptively set according to the channel. This is called adaptive equalization. In the conventional DFE, coefficient adaptation training is performed using the trained training sequence a k as a reference signal, and the execution period is called a training mode.
훈련모드가 끝나면 정보를 담은 심볼이 전송되어 오는데, 이때에는 정확한 심볼값(true value) ak대신 심볼값 판정기(Decision device)를 통해 판정된 값
상기 훈련신호는 정보신호 사이에 주기적으로 전송되어 오기 때문에 훈련모드와 판정의거모드는 교번되게 수행된다.Since the training signal is periodically transmitted between the information signals, the training mode and the determination mode are alternately performed.
등화기의 필터계수를 갱신하는 알고리즘으로 가장 광범위하게 적용되는 알고리즘은 LMS(Least Mean-squared Error Argorithm) 알고리즘이다. 이 LMS 알고리즘은 최급강하법(Steepest descent method)의 근사화로서,이는 순시오차(instan-laneous error) 기울기(gradient)의 음('-')의 방향으로 계수값을 수정해가는 방법이다.Algorithm for updating the filter coefficient of the equalizer is the most widely applied algorithm is LMS (Least Mean-squared Error Argorithm) algorithm. This LMS algorithm is an approximation of the steepest descent method, which modifies the coefficient in the negative direction of the instan-laneous error gradient.
여기서, 오차는 송신심볼 ak와 등화기 출력 yk의 차이(difference)를 말한다. k번째 심볼 순간의 등화기 계수를 벡터
상기 (식1)에서 μ는 스텝상수(adaptation Constant) 혹은 스텝 사이즈(step size) 라고 하며, 이 (식1)에서와 같이 탭 계수는 심볼 주기로 반복 갱신됨을 알 수 있다.In Equation 1, μ is called an adaptation constant or step size, and as shown in Equation 1, it can be seen that the tap coefficient is repeatedly updated in a symbol period.
등화 과정에서의 잡음은 등화기의 성능을 저하시키는 결정적인 요인이 되며, 고속 통신에 있어서의 정확한 계수값 설정을 위해서는 잡음 문제 해결이 아주 중요하다.Noise in the equalization process is a decisive factor for degrading the performance of the equalizer, and solving the noise problem is very important for accurate counting in high speed communication.
도 1은 종래기술에 의한 판정궤환 등화기의 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 채널(1)을 통해 입력되는 송신 심볼
송신 심볼
디지탈 통신에서 정보신호는 아날로그 형태를 갖는다. 왜냐하면, 송신하고자 하는 2진 비트(binary bit)를 약정된 알파벳으로 맵핑한 후 아날로그 펄스를 입히기 때문이다. 이것을 펄스쉐이핑(Pulse-shaping)이라고 한다. 예컨대, PAM(Pulse Amplitude Modulation)에서의 신호 표현은 다음과 같다.In digital communication, the information signal has an analog form. This is because an analog pulse is applied after mapping a binary bit to be transmitted to a contracted alphabet. This is called pulse-shaping. For example, the signal representation in PAM (Pulse Amplitude Modulation) is as follows.
ak심볼에 아날로그 펄스 p(t)가 입혀져서 심볼 주기 T를 간격으로 중첩된 신호가 s(t)이다. 여기에 노이즈 n(t)가 더해진 신호를 x(t)라고 하면 그것을 T간격으로 샘플링한 데이터를 {xk}로 나타낼 수 있다. 이것이 정궤환 필터(3)의 입력신호가 된다.An analog pulse p (t) is applied to the ak symbol so that the signal superimposed at intervals of the symbol period T is s (t). If the signal to which noise n (t) is added is called x (t), the data sampled at the T interval can be represented by {x k }. This is the input signal of the positive feedback filter 3.
송신 심볼이 2m가지의 레벨을 갖는다고 가정하면 그 심볼값은 {
FIR 필터 형태로 모델링되는 디지탈 통신채널은
등화기 입력
계수가 곱해진 각 탭의 출력은 가산기(4)에 입력되며, 이의 출력이 바로 등화기 출력
등화기 출력
계수가 곱해진 각 탭의 출력은 가산기(4)에 입력된다. 판정값
DFE는 훈련모드와 판정의거 모드를 모두 포함한 구조를 일컫는다. 그것은 훈련 신호열
등화기 출력
상기 정궤환 필터(3)와 부궤환 필터(6)의 탭 계수를 벡터
여기서, 부궤환 필터(6)와 정궤환 필터(3)의 길이(length)를 동일한
여기서,
여기서,
여기서,
상기 (식5)에서 보인 바와 같이 매 심볼 주기로 반복 수행되는 계수 조정 알고리즘에서 기울기 벡터의 추정값
여기서,
기울기 벡터의 추정에 있어서의 노이즈 유입은 등화기 출력단에서의 자승오차 평균치(MSE: Mean-Squared Error)를 증가시키게 되며, 오차의 증가분을 "초과 MSE"(excess MSE)라고 한다[9]. 초과 MSE는 가산성 노이즈의 전력
그러나, 이와 같은 종래의 판정궤환 등화기에 있어서는 LMS 알고리즘에 의한 탭 계수 갱신식에 반영되는 에러 신호를 발생시킬 때 훈련신호(training sequence)와 등화기 출력(판정기 입력)의 차이값(difference)만 사용하게 되어 있으므로 가산성 노이즈에 의한 탭계수 유동이 심해지고, 이에 의해 결과적으로 자승오차 평균이 증가되는 결함이 있었다.However, in the conventional decision feedback equalizer, only the difference between the training sequence and the equalizer output (determiner input) is generated when generating an error signal reflected in the tap coefficient update equation by the LMS algorithm. Since it is used, the tap coefficient flow due to additive noise is increased, and as a result, there is a defect that the mean of the square error is increased.
따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 등화기 출력값에 대해 판정을 내리는 판정기가 노이즈를 억압하는 역할을 한다는 점에 착안하여 LMS 알고리즘에 의한 탭 계수 갱신식에 반영되는 에러 신호를 발생시킬 때 훈련신호와 등화기 출력의 차이값 뿐만 아니라 훈련신호와 판정기 출력값의 차이를 반영시켜 에러신호를 발생하는 수신기의 판정궤환 등화기를 제공함에 있다.Accordingly, the technical problem to be achieved by the present invention is that the determination signal for the equalizer output value is to suppress the noise to generate the error signal reflected in the tap coefficient update formula by the LMS algorithm. In addition, the present invention provides a decision feedback equalizer of a receiver that generates an error signal by reflecting a difference between a training signal and a determiner output value as well as a difference value of an equalizer output.
도 1은 종래 기술에 의한 판정궤환 등화기의 블록도.1 is a block diagram of a decision feedback equalizer according to the prior art.
도 2는 도 1의 상세 블록도.2 is a detailed block diagram of FIG.
도 3은 본 발명에 의한 통신장치의 판정궤환 등화기의 일실시 예시 블록도.3 is an exemplary block diagram of a decision feedback equalizer of a communication device according to the present invention;
도 4는 도 3에서 에러 검출기의 제1실시예를 보인 상세 블록도.4 is a detailed block diagram showing a first embodiment of the error detector in FIG.
도 5는 도 3에서 에러 검출기의 제2실시예를 보인 상세 블록도.FIG. 5 is a detailed block diagram illustrating a second embodiment of the error detector in FIG. 3; FIG.
도 6은 본 발명에 의한 에러 분산 비교 설명도.6 is an explanatory diagram of error variance comparison according to the present invention;
도 7은 등화계수 수렴후의 평균자승오차를 보인 그래프.7 is a graph showing the mean square error after equalization coefficient convergence.
도 8은 심볼 판정 오류 확률 비교 그래프.8 is a symbol decision error probability comparison graph.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
101 : 정궤환 필터 102 : 부궤환 필터101: positive feedback filter 102: negative feedback filter
103 : 가산기 104 : 판정기103: adder 104: judge
105,106 : 감산기 107 : 에러 검출기105,106: subtractor 107: error detector
108 : 혼합에러신호 발생기 109 : 에러검출부108: mixed error signal generator 109: error detector
도 3은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 수신기의 판정궤환 등화기의 일실시 예시 블록도로서 이에 도시한 바와 같이, 등화기 입력을 대상으로 전고스트를 제거함에 있어서, 훈련신호와 등화기 출력의 차이값, 훈련신호와 판정기 출력의 차이값을 반영하여 탭계수 유동을 저감하는 정궤환 필터(101)와; 판정기의 출력을 대상으로 후고스트를 제거함에 있어서, 훈련신호와 등화기 출력의 차이값, 훈련신호와 판정기 출력의 차이값을 반영하여 탭계수 유동을 저감하는 부궤환 필터(102)와; 상기 정궤환 필터(101) 및 부궤환 필터(102)에서 출력되는 각각의 탭 출력을 가산하는 가산기(103)와; 상기 가산기(103)에서 출력되는 등화기 출력을 판정하는 판정기(104)와; 훈련신호와 상기 판정기 출력의 차이값을 구하는 감산기(105)와; 훈련신호와 상기 등화기 출력의 차이값을 구하는 감산기(106)와; 상기 감산기(105),(106)에서 각기 출력되는 차이값을 입력받아 노이즈가 억압된 에러신호를 발생하는 에러 검출기(107)와; 상기 훈련신호와 상기 등화기 출력의 차이값, 노이즈가 억압된 에러신호를 공급받아 새로운 형태의 혼합에러신호를 생성해서 상기 정궤환 필터(101) 및 부궤환 필터(102)에 공급하는 혼합에러신호 발생기(108)로 구성한 것으로, 이와 같이 구성한 본 발명의 작용을 첨부한 도 4 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.3 is a block diagram of an exemplary embodiment of a decision feedback equalizer of a receiver for achieving an object of the present invention. As shown in FIG. A positive feedback filter 101 for reducing tap coefficient flow by reflecting a difference value, a difference value between a training signal and a determiner output; A negative feedback filter (102) for reducing the tap coefficient flow by removing the post-ghost for the output of the determiner, reflecting the difference between the training signal and the equalizer output, and the difference between the training signal and the determiner output; An adder (103) for adding the respective tap outputs output from the positive feedback filter (101) and the negative feedback filter (102); A determiner (104) for determining an equalizer output output from the adder (103); A subtractor 105 for obtaining a difference value between a training signal and the output of the determiner; A subtractor (106) for obtaining a difference value between the training signal and the equalizer output; An error detector 107 which receives the difference values respectively output from the subtractors 105 and 106 and generates an error signal in which noise is suppressed; The mixed error signal is supplied to the positive feedback filter 101 and the negative feedback filter 102 by generating a new type of mixed error signal by receiving a difference value between the training signal and the equalizer output and an error suppressed noise signal. It will be described in detail with reference to Figures 4 to 8 attached to the operation of the present invention configured as described above, configured as a generator 108 as follows.
정궤환 필터(101)는 전고스트(pre-ghost)를 제거하는 FIR필터이며, 부궤환 필터(102)는 IIR 필터로서 후고스트(post-ghost)를 제거하는 필터이다. 본 발명의 요지는 DFE의 훈련모드에서 적용되는 내용에 관련된 것으로서, 기본적인 동작은 기존의 DFE와 동일하다. 다만, 탭계수 갱신 알고리즘인 LMS 알고리즘의 에러신호 검출 방법이 다른 점이다.The positive feedback filter 101 is a FIR filter that removes pre-ghosts, and the negative feedback filter 102 is a filter that removes post-ghosts as an IIR filter. The gist of the present invention relates to the contents applied in the training mode of the DFE, and the basic operation is the same as that of the existing DFE. However, the error signal detection method of the LMS algorithm, which is a tap coefficient update algorithm, is different.
등화기 입력
예컨대 탭수가
상기 계수가 곱해진 각 탭의 출력은 가산기(103)에 입력되는데, 이 가산기(103)의 출력이 등화기의 출력 {
상기 등화기 출력{
예컨대 탭수가 Nb개인 경우, 판정값
등화기 출력
한편, 상기 판정값
상기 가산기(108C)의 출력
결국, 에러 신호를 발생시킬 때, 훈련신호와 등화기 출력의 차이값 뿐만 아니라 훈련신호와 판정기(104) 출력값의 차이를 반영시켜 혼합에러신호
본 발명의 효과를 증명하기 위해 먼저, 판정기(104)가 노이즈 억압 효과를 발휘하는 것을 보이고, 기존의 DFE 에러신호 단독으로 반영될 경우와, 노이즈에 억압된 에러신호와 함께 알고리즘에 반영될 경우에 대해 가산성 노이즈에 의한 계수유동이 줄어드는 것을 밝힘으로써 궁극적으로 등화기의 성능이 향상됨을 보이고자 한다.In order to prove the effect of the present invention, first, it is shown that the determiner 104 exhibits a noise suppression effect, and when it is reflected by an existing DFE error signal alone and when it is reflected in an algorithm together with an error signal suppressed by noise. By revealing that the coefficient flow due to additive noise is reduced, the performance of the equalizer is ultimately improved.
먼저, 훈련신호와 판정신호의 차
여기서, pr(·)은 확률을 나타내며 E[·]는 기대치 연산을 나타낸다. 수신된 데이터의 성상도(Constellation)상에서 심볼값에 노이즈가 더해져서 다른 심볼값으로 변하는 상황에서 한 레벨 이상 변하지 않는다는 가정을 한다. 사실 이 가정은 SNR(Signal to Noise Ratio)이 좋은 경우 매우 타당하다. 이 가정하에서 상기 (식7)은 다음과 같이 간략화 된다.Where pr (·) represents the probability and E [·] represents the expected value operation. In the constellation of the received data, it is assumed that noise is added to a symbol value so that it does not change more than one level in a situation of changing to another symbol value. In fact, this assumption is very valid when the Signal to Noise Ratio (SNR) is good. Under this assumption, Equation 7 is simplified as follows.
여기서, m은 PAM에서의 심볼 가지수이고 Rk는 앞에서 설명한 바와 같이
부궤환 필터(102)의 계수가 등화된 채널 h'에 수렴했다고 하면 상기 (식8)은 다음과 같이 표현된다.If the coefficient of the negative feedback filter 102 converged to the equalized channel h ', the above expression (8) is expressed as follows.
여기서, Q함수를 사용하였는데, 이 Q함수를 정의하면 다음과 같다.Here, the Q function is used. The Q function is defined as follows.
여기서, Q함수는 분산이 1로 표준화(Normalize)된 경우이므로 상기 (식9)에서
도 6은 실제로 두 분산값을 SNR에 따라 도시한 것을 보인 것이다. 결국, 판정기(104)가 노이즈 억압 효과를 갖는다는 것이 증명되었다. 이 효과는 심볼의 가지수 2m이 증가하면 더욱 극명하게 나타난다. SNR이 0dB인 경우 신호의 분산값이
그리고,
로 되어서 m이 증가하면
판정기(104)에서의 이러한 노이즈 억압효과는 등화기 계수의 노이즈에 대한 민감도를 최소화하는 방법을 제공한다.
여기서, 부호화 함수
이제,
다음으로 상기 (식11)에서 정의된 새로운 에러 방정식의 분산을 상기 (식12)를 이용해서 구해보면 다음과 같다.Next, the variance of the new error equation defined in Equation 11 is obtained using Equation 12 as follows.
이로써 새로운 에러방정식을 이용한 LMS 알고리즘이 노이즈에 강한 등화기 계수 갱신식이 됨을 보였다. 상기에서 NSA는 Noise Suppressed Adaptation을 의미한다. 노이즈 억압 등화기 적응은 다음과 같이
다시말해서, 만약 판정오류가 발생해서
상기 (식11)에서의
도 4와 도 5는
즉, 도 4에서, 훈련신호
또한, 도 5는 상기 도 4와 동일한 전달 특성을 갖는다. 다만, 도 4와 달리 분배 가중치(β)를 곱하는 곱셈기(304)가 곱셈기(306)의 바로 전단에 위치한다는 것이 다른 점이다.In addition, FIG. 5 has the same transmission characteristics as in FIG. 4. However, unlike FIG. 4, the multiplier 304 multiplying the distribution weight β is positioned immediately in front of the multiplier 306.
한편, 상기의 상세한 설명에서 인용된 참고문헌 리스트는 다음과 같다.Meanwhile, the reference list cited in the above detailed description is as follows.
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Syst. Tech. J, Vol 44, PP. 547-588 April 1965.Syst. Tech. J, Vol 44, pp. 547-588 April 1965.
[9] B. Widrow, "Adaptive filters I ; Fundamentals," stanford Electronics[9] B. Widrow, "Adaptive filters I; Fundamentals," stanford Electronics
Laboratory, Stanford University, Stanford, Calif Tech, Report NoLaboratory, Stanford University, Stanford, Calif Tech, Report No
6764-6766, Dec 1966.6764-6766, Dec 1966.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 등화기 출력값에 대해 판정을 내리는 판정기가 노이즈를 억압하는 역할을 한다는 점에 착안하여 LMS 알고리즘에 의한 탭 계수 갱신식에 반영되는 에러 신호를 발생시킬 때 훈련신호와 등화기 출력의 차이값 뿐만 아니라 훈련신호와 판정기 출력값의 차이를 반영시켜 에러신호를 발생함으로써 등화기의 성능이 가산성 노이즈에 민감하게 반응하여 필터 탭 계수가 불규칙적으로 유동하는 것이 최대한 억제되고, 이에 의해 자승오차 평균이 증가되는 것을 방지되는 효과가 있다.As described in detail above, the present invention focuses on the fact that a determiner that makes a decision on an equalizer output value suppresses noise, and generates a training signal when generating an error signal reflected in a tap coefficient update expression by an LMS algorithm. By generating an error signal by reflecting the difference between the training signal and the judge output value as well as the difference value of the equalizer output, the performance of the equalizer is sensitive to the additive noise, so that the filter tap coefficient is randomly suppressed. As a result, an increase in the mean of the squared error is prevented.
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