KR100318427B1 - 적응 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 적응 필터에 관한 것으로, 특히 최적의 계수 위치를 선택하도록 하여 다양한 채널 환경에서도 높은 성능을 가지는 적응 필터에 관한 것이다. 그 필터는 제1입력 데이터의 샘플 지연값과 대응되는 제1계수들을 입력받아 필터링하는 피드포워드 필터, 제2입력 데이터의 샘플 지연값과 대응되는 제2계수들을 입력받아 필터링하는 피드백 필터, 상기 피드포워드 필터의 출력과 상기 피드백 필터의 출력을 가산하는 가산기, 상기 가산기의 출력을 슬라이싱하는 슬라이서, 제1선택신호에 따라 상기 피드포워드 필터의 소정 샘플만큼 지연된 값과 상기 슬라이서의 출력중 하나를 선택하여 상기 제2입력 데이터로 출력하는 제1멀티플렉서, 상기 가산기의 출력과 상기 슬라이서의 출력을 입력받아 에러를 계산하는 에러 계산부, 상기 제1계수들을 계산하며, 상기 제1계수들과 동수의 제1계수 계산부를 포함하는 피드포워드 계수 연산부, 상기 제2계수들을 계산하며, 상기 제2계수들과 동수의 제2계수 계산부를 포함하는 피드백 계수 연산부, 상기 에러 계산부의 출력에 따라 제1 및 제2선택신호를 각각 발생하는 제어신호 발생부를 포함하여 이루어진다.

Description

적응 필터{Adaptive filter}

본 발명은 적응 필터에 관한 것으로, 특히 최적의 계수 위치를 선택하도록 하여 다양한 채널 환경에서도 높은 성능을 가지는 적응 필터에 관한 것이다.

일반적으로 적응 필터(adaptive filter)는 채널의 반사파 등의 신호 간섭 현상을 제거하기 위한 채널 등화기나, 디지털 통신 및 이산 신호 처리 분야에서 주로 이용되는 필터를 말한다. 특히, 이러한 적응 필터는 여러 구조중 궤환 필터(feedback filter)가 함께 적용되는 필터 형태로 여러 분야의 시스템에 응용되어 질 수 있다.

도 1은 종래의 적응 필터를 설명하기 위한 도면으로, 도면 부호 R은 레지스터를,는 가산기를,는 승산기를, 11은 피드포워드 필터(feedforward filter)를, 12는 피드백 필터(feedback filter)를, 13 및 14는 필터 계수 연산부를, 15는 에러 계산부를, 그리고 16은 슬라이서(slicer)를 각각 나타낸 것이다.

도 1에 도시된 적응 필터는 입력 특성이 비교적 우수한 환경에서만 수렴할 수 있다는 단점을 지녀 왔다. 이는 필터 계수 연산부(13, 14)의 입력인 슬라이서(16) 출력이 정확하게 제 값을 결정한다는 가정 하에서 유효하기 때문이다. 만약, 시스템에 인가되어 지는 입력이 많은 노이즈를 가지고 있다면 이 슬라이서(16)의 출력은 다른 값으로 결정되기 때문에 필터 계수 연산부(13, 14)의 다음 계수가 잘못된 값으로 갱신되어 진다. 이러한 적응 필터의 단점을 보완하기 위하여 에러 계산 방식을 인가되는 입력의 확률적 평균 에너지를 가지고 에러를 구하는 방식이 많이 제시되어 왔다. 이러한 알고리즘을 소위 블라인드 모드(blind mode)라고 하며, CMA(Content Modulus Algorithm), RCMA(Reduced Constant ModulusAlgorithm) 등의 알고리즘 등이 존재한다. 이러한 블라인드 모드로 계산되어지는 에러를 이용한 계수 갱신을 시스템의 초기에 수행하여 어느 정도 시스템이 수렴되어지면 그 때 위의 결정 궤환 적응 모드로 전환하여 좀 더 정확한 출력을 얻도록 설계되어 왔다. 한편, 초기에 수행되어 지는 블라인드 모드 적응 과정에서는 도 1의 피드백 필터(12)는 동작하지 않는다.

도 2a 및 도 2b는 도 1에 도시된 적응 필터의 중심 탭(tap) 계수 위치를 설명하기 위한 도면이다.

초기 계수값 즉, 시스템 리셋 신호 이후의 필터 계수 연산부(13)의 계수값은 도 2A에 도시된 바와 같이, 중앙에 계수값이 '1'이고 나머지 계수들은 모두 '0'으로 설정되게 한다. 정 중앙 탭을 '1'로 설정하는 이유는 선행하는 반사파와 뒤에 오는 반사파의 수가 확률적으로 동일하다는 가정에서 출발한다. 도 2A는 피드포워드 탭 계수의 수가 9(n=9)개인 경우에 반사파 등이 없는 매우 이상적인 채널의 계수에 해당하는 도면이다. 그러나, 시스템이 동작하는 실제 상황은 시간과 공간에 따라 매우 상이하며 채널 환경이 각기 다르므로 시스템 리셋시 도 2B와 같이, 정 중앙에 '1'이 존재하지 않는 상황도 존재할 수 있는 개연성이 충분히 있다. 이러한 채널 상황에서는 일률적으로 정 중앙에 계수 '1'이 위치하는 원도우 w2는 계수 '1'이 cf8의 위치에 위치하는 것보다 시스템 성능이 매우 열악하다. 채널이 열악한 상황에서는 종래의 적응 필터는 초기부터 결정 궤환 필터링을 수행하면 수렴하지 않게 되고, 수렴한다 하더라도 그 성능이 매우 열악해지는 문제점이 있었다.

본 발명은 최적의 계수 위치를 선택하도록 하여 다양한 채널 환경에서도 높은 성능을 가지는 적응 필터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 적응 필터를 설명하기 위한 도면.

도 2a 및 도2b는 도 1에 도시된 적응 필터의 동작을 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 적응 필터를 설명하기 위한 도면.

도 4 및 도 5는 도 3에 도시된 적응 필터의 동작을 설명하기 위한 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명

30 : 피드포워드 필터 40 : 피드백 필터

50 : 피드포워드 계수 계산부 60 : 피드백 계수 계산부

75 : 멀티플렉서 76 : 슬라이서

77 : 가산기 78 : 에러 계산부

79 : 제어신호 발생부

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 적응 필터는 제1입력 데이터의 샘플 지연값과 대응되는 제1계수들을 입력받아 필터링하는 피드포워드 필터, 제2입력 데이터의 샘플 지연값과 대응되는 제2계수들을 입력받아 필터링하는 피드백 필터, 상기 피드포워드 필터의 출력과 상기 피드백 필터의 출력을 가산하는 가산기, 상기 가산기의 출력을 슬라이싱하는 슬라이서, 제1선택신호에 따라 상기 피드포워드 필터의 소정 샘플만큼 지연된 값과 상기 슬라이서의 출력중 하나를 선택하여 상기 제2입력 데이터로 출력하는 제1멀티플렉서, 상기 가산기의 출력과 상기 슬라이서의 출력을 입력받아 에러를 계산하는 에러 계산부, 상기 제1계수들을 계산하며, 상기 제1계수들과 동수의 제1계수 계산부를 포함하는 피드포워드 계수 연산부, 상기 제2계수들을 계산하며, 상기 제2계수들과 동수의 제2계수 계산부를 포함하는 피드백 계수 연산부, 상기 에러 계산부의 출력에 따라 제1 및 제2선택신호를 각각 발생하는 제어신호 발생부를 포함하며, 상기 제1계수 연산부는 원도우 선택신호에 따라 제3계수들중 어느 하나를 선택 출력하는 제2멀티플렉서, 상기 에러 계산부의 출력, 스텝 크기, 및 상기 대응되는 제1입력데이터의 소정 샘플 지연된 값을 승산 하는 제1승산기, 상기 제1승산기의 승산 결과와 제1데이터를 가산하는 제1가산기, 상기 제2선택신호에 따라 상기 제2멀티플렉서 및 상기 제1가산기의 출력들을 선택 출력하는 제3멀티플렉서, 상기 제3멀티플렉서의 출력을 일시 저장하고, 이를 상기 제1데이터로 출력하는 제1레지스터를 포함하며, 상기 제2계수 연산부는 상기 에러 계산부의 출력, 상기 스텝 크기 및 상기 제2데이터의 소정 샘플 지연된 값을 승산 하는 제2승산기, 상기 제2승산기의 출력과 제2데이터를 가산하는 제2가산기, 상기 제2가산기의 출력을 일시 저장하고, 이를 상기 제2데이터로 출력하는 제2레지스터를 포함하여 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 적응 필터를 설명하기 위한 도면으로, R은 레지스터를,는 가산기를,는 승산기를, 30은 피드포워드 필터를, 40은 피드백 필터를, 50은 피드포워드 필터 계수 연산부를, 60은 피드백 필터 계수 연산부를, 75는 멀티플렉서를, 76은 슬라이서를, 77은 가산기를, 78은 에러 계산부를, 그리고 79는 제어신호 발생부를 각각 나타낸 것이다.

본 발명의 설명을 위해 탭 수가 9(n=2)개인 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명의 구성을 살펴보면, 피드포워드 필터(30)는 입력(input)을 순차적으로 저장하는 레지스터들(R1~R5)과 각 레지스터(R1~R5)의 샘플 지연된 값(xf1~xfn) 각각과 대응되는 계수(Cf1~Cfn)를 각각 승산 하는 승산기들(P1~P6)과, 그리고 이들 승산기들의 모든 출력을 가산하는 가산기(31)로 구성된다. 피드백 필터(40)는 멀티플렉서(35)의 출력을 입력으로 하여 순차적으로 저장하는레지스터들(R6~R10)과, 초기 입력(xb1)을 포함하여 레지스터들(R6~R10)의 출력(xb2~xbm) 각각과 대응되는 계수들(Cb1~Cbm)을 승산 하는 승산기들(P11~P16)과, 승산기들(P11~P16)의 모든 출력들을 가산하는 가산기(41)로 구성된다. 피드포워드 계수 계산부(50)는 n개의 계수 계산부를 가지며, 그중 n번째 계수 계산부는 스텝(step) 크기값(step_size)과 xfn 값과 에러 계산부(78)의 출력을 승산 하는 승산기(51)와, Cfn 신호에 승산기(51)의 (-)출력을 가산하는 가산기(54)와, Wsel 신호에 따라 Gn1~Gnn중 어느 하나를 선택 출력하는 멀티플렉서(52)와, Act 신호에 따라 멀티플렉서(52)의 출력 또는 가산기(54)의 출력중 어느 하나를 선택 출력하는 멀티플렉서(53)와, 그리고 멀티플렉서(53)의 출력을 일시 저장하기 위한 레지스터(55)로 구성된다. 피드백 계수 계산부(50)는 m개의 계수 계산부를 가지며, 그중 m번째 계수 계산부는 스텝 사이즈(step_size)와 xbm값과 에러 계산부(78)의 출력을 승산 하는 승산기(61)와, 가산 결과를 일시 저장하는 레지스터(R12)와, 승산기(61)의 (-)출력과 레지스터(R12)의 출력을 가산한 후, 레지스터(R12)에 출력하는 가산기(62)로 구성된다. 멀티플렉서(75)는 Blind 신호에 따라 슬라이서(76)의 출력과 피드포워드 필터(30)의 n번째 샘플 지연된 xfn값중 어느 하나를 선택하여 피드백 필터(40)의 입력(xb1)으로서 출력한다. 에러 계산부(78)는 가산기(77)와 슬라이서(76)의 출력을 각각 입력받아, 에러를 계산한 후, 이를 제어신호 발생부(79) 및 계수 계산부(50, 60)에 각각 출력한다. 이때, 제어신호 발생부(79)는 에러 계산부(78)의 출력에 따라 Act 및 Blind 신호를 각각 발생하게 된다.

도 4는 도 3에 도시된 적응 필터의 최적 계수를 선택하는 방법을 설명하기위한 도면이고, 도 5는 도 3에 도시된 최적 원도우 선택 신호(Wsel)의 생성 방법을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.

초기 시스템이 리셋된 후, 도 3의 적응 필터는 블라인드 모드(blind mode)로 동작을 시작하며, 따라서 에러 계산부(78)에 의한 에러 계산 결과가 일정 레벨 이하로 줄어들기 이전에는 Blind 신호는 하이레벨을 유지하게 된다. Blind 신호가 하이레벨을 유지하게 되면 피드포워드 필터(30)의 xfn 신호가 멀티플렉서(75)를 통과하여 피드백 필터(40)에 입력된다. 그러면 마치 피드포워드 필터(30)와 피드백 필터(40)가 연속되어 연결된 것과 같게 된다. 한편, 리셋 후에 계수중 하나의 계수는 '1'로 설정되어야 하는데, 피드포워드 필터(30) 및 피드백 필터(40)의 계수의 총합 즉 n+m개의 정 중앙의 계수가 '1'이 되도록 설정한다. 또한, Blind 신호가 하이레벨일 때 가산기(77)는 피드포워드 필터(30) 및 피드백 필터(40)의 출력을 가산하여 두 필터(30, 40)가 서로 연결해서 필터링 하도록 도와준다. 이때, 제어신호 발생부(79)는 Act 신호의 레벨을 '0'으로 유지시켜 정상적으로 계수를 갱신하도록 만들어 준다. 위와 같이, 초기 설정이 완료되면 마치 (n+m)탭을 갖는 블라인드 모드 피드포워드 필터로서 동작하게 된다. 한편, 도 4 및 도 5에 도시된 Wsel 및 Gn1~Gnn 신호들이 업데이트 되면서 어느 하나의 패턴으로 만들어지게 된다. 즉, 원도우 선택신호(Wsel)는 도 5에 도시된 바와 같이, 각 윈도우내의 값들을 가산(SUM)한 후, 가산된 값들중 가장 큰 값(MAX)에 의해 결정되는데, 두 번째 윈도우를 선택하는 신호에 해당하는 신호를 발생하게 된다. 또한, 원도우 선택신호(Wsel)에 따라 피드포워드 계수 계산부(50)의 n개의 멀티플렉서(52)는 입력중 좌측에서 두 번째 계수를 모두 선택하게 된다. 즉, G12~Gn2 신호가 선택된다. 상술한 초기 시스템 동작이 수행되다가 제어신호 발생부(79)는 에러 계산부(78)로부터 입력되는 에러값이 미리 정해진 문턱값(threshold) 아래가 되면 Blind 신호를 로우레벨로 전환하고, 동시에 Act 신호를 한 심볼만큼만 하이레벨의 펄스를 생성한다. Blind 신호가 로우레벨로 전환되면 멀티플렉서(75)는 슬라이서(76)의 출력을 피드백 필터(40)의 입력으로 출력하게 되고, 이후에는 전체 시스템의 동작이 블라인드 모드에서 결정 궤환 모드로 전환되는 효과를 갖게 된다. 이때, 원도우 선택신호(Wsel)가 두 번째 원도우를 선택하는 신호이므로 Act 신호 및 Wsel 신호에 의해 n개의 레지스터(55)에는 G21, G22,...,G29가 저장되어 피드포워드 필터(30)의 계수(Cf1~Cfn)로서 출력된다. 제어신호 발생부(79)는 에러값이 미리 설정한 문턱값 이하일 때를 이용하여 Act 및 Blind 신호의 레벨을 결정하는 방식을 이용하고 있으나, 에러 신호 대신에 에러의 평균이나, 에러 파워의 평균을 이용하는 것이 시스템 안정성에는 더 유리하다. 또한, 채널의 반사파가 모두 양수인 경우에 적용되는 방법이고, 채널의 반사파가 음수일 수도 있으므로 이러한 경우에는 절대값의 평균을 구하거나 에러 파워의 평균을 이용해야만 한다. 도 5에 있어서, 가산 연산(SUM)(80)시 미리 정해진 중앙값을 제외하고 가산 연산을 하는 것이 유리하며, 또한 절대값에 대한 가산 연산이 각 계수가 미치는 영향을 제대로 반영할 수 있게 된다. 또한, 최대값 선별(MAX)(90)시 가산된 값들중 최대값을 선택할 때, 최대값이 2개 이상이면 가장 오른쪽에 있는 값을 선택한다. 이는 일상이 채널 환경에는 선행 고스트(ghost)보다 후행 고스트(ghost)가 휠씬 영향력이 크기 때문이다.

이상에서 살펴본 동작은 실수 채널 상황에 대한 것이다. 본 발명을 실수 채널뿐만 아니라 복소 채널에서도 동작이 가능하다. 다만, 입력이 복소수이므로 도 3의 피드포워드 필터(30), 피드백 필터(40), 및 계수 연산부(50, 60)가 각각 2개씩 있어야 하며, 가산 및 승산 연산시 복소수 가산 및 승산 연산이 가능하도록 치환하여야 한다. 또한, 도 3의 제어신호 발생부(79)의 동작과 도 5의 가산 연산(SUM)은 각각 인가되는 입력의 파워의 평균에 의한 동작이 이루어져야 한다.

본 발명의 기술 사상은 상기 바람직한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 적응 필터는 종래의 적응 필터가 우측 두 개의 반사파가 '0'임에도 불구하고 하드웨어를 점유하는 단점이 존재하고, 특정 원도우에 해당하는 반사파에 대한 적응 등화(equalization)만이 가능한데 반해, 계수의 위치를 가장 영향력이 강한 반사파를 포함하게 함으로써, 시스템 성능을 개선하여 매우 탁월한 등화 효과를 얻을 수 있다. 또한, 동일 성능을 구현하기 위해서는 종래의 적응 필터는 본 발명에 비해 큰 하드웨어가 필요하다는 점에서 회로 면적을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 제1입력 데이터의 샘플 지연값과 대응되는 제1계수들을 입력받아 필터링하는 피드포워드 필터;

   제2입력 데이터의 샘플 지연값과 대응되는 제2계수들을 입력받아 필터링하는 피드백 필터;

   상기 피드포워드 필터의 출력과 상기 피드백 필터의 출력을 가산하는 가산기;

   상기 가산기의 출력을 슬라이싱하는 슬라이서;

   제1선택신호에 따라 상기 피드포워드 필터의 소정 샘플만큼 지연된 값과 상기 슬라이서의 출력중 하나를 선택하여 상기 제2입력 데이터로 출력하는 제1멀티플렉서;

   상기 가산기의 출력과 상기 슬라이서의 출력을 입력받아 에러를 계산하는 에러 계산부;

   상기 제1계수들을 계산하며, 상기 제1계수들과 동수의 제1계수 계산부를 포함하는 피드포워드 계수 연산부;

   상기 제2계수들을 계산하며, 상기 제2계수들과 동수의 제2계수 계산부를 포함하는 피드백 계수 연산부;

   상기 에러 계산부의 출력에 따라 제1 및 제2선택신호를 각각 발생하는 제어신호 발생부를 포함하며,

   상기 제1계수 연산부는 원도우 선택신호에 따라 제3계수들중 어느 하나를 선택 출력하는 제2멀티플렉서;

   상기 에러 계산부의 출력, 스텝 크기, 및 상기 대응되는 제1입력데이터의 소정 샘플 지연된 값을 승산 하는 제1승산기;

   상기 제1승산기의 승산 결과와 제1데이터를 가산하는 제1가산기;

   상기 제2선택신호에 따라 상기 제2멀티플렉서 및 상기 제1가산기의 출력들을 선택 출력하는 제3멀티플렉서;

   상기 제3멀티플렉서의 출력을 일시 저장하고, 이를 상기 제1데이터로 출력하는 제1레지스터를 포함하며,

   상기 제2계수 연산부는 상기 에러 계산부의 출력, 상기 스텝 크기 및 상기 제2데이터의 소정 샘플 지연된 값을 승산 하는 제2승산기;

   상기 제2승산기의 출력과 제2데이터를 가산하는 제2가산기;

   상기 제2가산기의 출력을 일시 저장하고, 이를 상기 제2데이터로 출력하는 제2레지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터.
2. 제1항에 있어서, 상기 에러 계산부의 출력값이 소정 값 이하 여부에 따라 상기 제1 및 제2선택신호의 레벨을 결정하는 것을 특징으로 하는 적응 필터.
3. 제1항에 있어서, 초기 구동시에는 상기 피드백 필터를 상기 피드포워드 필터의 일부로서 동작하도록 상기 제1멀티플렉서를 제어하는 것을 특징으로 하는 적응 필터.
4. 제1항에 있어서, 상기 원도우 선택신호는 복수의 원도우중 최대 누적치를 가지는 원도우를 선택하는 신호인 것을 특징으로 하는 적응 필터.
5. 제1항에 있어서, 상기 원도우 선택신호는 복수의 원도우중 절대값으로 전환된 최대 누적치를 가지는 원도우를 선택하는 신호인 것을 특징으로 하는 적응 필터.
6. 제1항에 있어서, 상기 원도우 선택신호는 최대 누적치를 가지는 원도우가 복수인 경우, 최우측에 존재하는 최대 누적치를 가지는 원도우를 선택하는 신호인 것을 특징으로 하는 적응 필터.
7. 제1항에 있어서, 초기 구동시, 피드포워드 및 피드백 필터의 탭 중앙에 1의값을 갖도록 설정하는 것을 특징으로 하는 적응 필터.