KR100340222B1 - 다수준 격자부호변조방식의 복호화방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 래딕스-4 구조로 분해되지 않는 다수준 격자부호변조(TCM)를 복호화시 다중화할 수 있으며 병렬처리를 통해 성능이 향상된 다수준 격자부호변조방식의 복호화장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 방법 및 장치는 m 비트 입력에 대하여 m+r비트의 출력을 갖는 다수준 격자부호 변조된 신호를 복호화하는데 있어서, 각 상태별 분기와 홀수차상태/짝수차 상태 별로 분해된 2^m+r개 또는 그 배수개의 비교가산선택(ACS) 연산을 병렬로 처리하도록 하고, 이때, 2^m+r개 또는 그 배수개의 입출력포트를 갖는 다중포트 기억장치로 생존경로척도기억장치를 구현하여 2^m+r개 또는 그 배수개의 상태에 대한 생존경로척도값이 동시 입출력되도록 한다.

Description

다수준 격자부호변조방식의 복호화방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DECODING MULTI-LEVEL TCM SIGNAL}

본 발명은 하드웨어로의 구현이 용이하고 병렬처리가 가능한 격자부호변조(TCM, Trellis Coded Modulation)방식의 복호화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중포트기능을 갖는 기억장치와 다수의 병렬 비교가산선택기(ACS : Add-Compare-select)를 이용하여 래딕스-4 방법이 적용되지 않는 다수준 변조에 대해서도 병렬처리가 가능하도록 한 다수준 격자부호변조방식의 복호화 방법 및 장치에 관한 것이다.

무선이동통신에서는 통신환경의 불안정으로 인해 발생하는 전자기파의 간섭이나 신호의 전력 감쇄로 인해 전송데이터신호에 오류가 발생하는 경우가 있다. 이렇게 전송도중 발생하는 오류데이타를 정정하기 위하여 디지탈데이타를 소정 방식으로 변조하여 전송하게 된다.

대표적인 변조방식으로 이전의 정보 비트들과 현재의 데이터 비트들을 참조하여 송신정보 비트를 생성하는 길쌈부호화(convolution encoding)방식이 사용되고, 수신 데이터의 오류를 정정하는 비터비(viterbi)방식이 사용된다.

상기 채널코딩인 길쌈부호에 다수준 디지털 변조방식, 예를 들어 M-PSK(M-ary Phase Shift Keying) 또는 M-QAM(M-ary Quadrature Amplitude Modulation)을 결합한 변조방식이 있는데, 이를 격자부호변조(Trellis Coded Modulation, 이하, TCM이라 한다)이라 한다.

상기 TCM방식은 길쌈부호만으로 구성된 변조방식에 비하여 약 3~6dB 정도의 부호 이득을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있으며, 대역폭이나 전력이 제한된 채널에 대하여 특히 유용하기때문에 최근의 디지털 통신방식에서 주로 채택하고 있다. 고속유선 모뎀, 디지탈 텔레비젼이나 비대칭 가입자 선로(ADSL) 모뎀등의 적용이 그 예이다.

그런데, 이러한 TCM방식은 비터비 알고리즘의 구현시, 각 상태에서 분기하는 가지의 수가 길쌈부호에 비하여 현저하게 많아져 비교가산선택기(이하, ACS라 한다)에서의 연산의 수가 증가하게 되기 때문에, 고성능 하드웨어 구현의 제약사항으로 작용하여 대부분 구속장(Constraint Length)이 작은 경우만 구현되고 있다.

또한, 다수준 TCM에서는 각 상태에서 분기하는 경우의 수가 입력부호 비트와 상태 레지스터의 수에 지수적으로 비례하여 증가함으로써 ACS 연산단계에서 심각한병목현상을 가져온다. 그렇기 때문에 여러가지의 계산량감소 알고리즘에도 불구하고, 이를 해결하기 위한 새로운 하드웨어 구조의 개발이 필요하다.

이를 해결하기 위해서 종래에는 도 4에 도시한 바와 같은 래딕스-4 구조의 ACS를 병렬로 사용하였다.

예를 들어, 이 방식을 도 5와 같은 4-상태 격자구조에 적용하면 도 6과 같이 분해된다. 이같은 병렬구조는 부호율이 1/2 또는 1/3인 길쌈부호를 이용한 M-PSK변조의 TCM에서 적용가능하다.

그러나 부호율이 3/4, 5/6 등이 되거나 16-QAM 등과 같이 변조형식이 달라질 경우, 각 상태에서 분기되는 가지수가 늘어나게 되며 래딕스-4구조로 분해되지 않기 때문에 도 6과 같은 병렬화 방식으로 적용이 불가능하다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결할 목적으로 제안된, 천공(Punchuring)기법을 이용한 프로그매틱(Pragmatic) TCM (PTCM) 구조가 미국특허 US 5,469,452에 개시되어 있으데, 이는 기본적으로 길쌈부호기로 동작하며, 전송율을 높이기 위해 TCM 모드로 동작할때 8-PSK, 16-PSK 등에서 부호율이 1/2 또는 1/3인 길쌈부호를 천공해서 사용하고, 복호기는 3개의 래딕스-4구조를 갖는 병렬 비터비 복호기를 사용하는 것이다.

그러나 이는 천공기법을 적용함으로 인한 성능저하를 피할 수 없으며, 다른 형태의 다수준변조, 예를 들어 16-QAM 등에는 적용할 수 없다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 래딕스-4 구조로 분해되지 않는 다수준 TCM를 다중화할 수 있으며 그 결과 병렬처리를 통해 성능이 향상된 다수준 격자부호변조방식의 복호화장치 및 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 격자부호변조(TCM) 복호기의 구성을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

도 2는 TCM 복호기에 있어서 비교가산선택기(ACS)와 생존경로기억장치(SPMM)간의 동작관계를 보이는 블럭구성도이다.

도 3은 비교가산선택기의 상세구성을 보이는 블럭도이다.

도 4는 종래 래딕스-4 구조의 길쌈부호 격자도이다.

도 5는 4-상태 길쌈부호의 격자도이다.

도 6은 래딕스-4방식으로 분해된 4-상태 길쌈부호격자도이다.

도 7은 TCM 부호기의 블럭구성도이다.

도 8은 본 발명에 따른 격자부호변조방식의 복호화방법을 설명하기 위한 256상태의 16-QAM TCM 격자도이다.

도 9는 본 발명에 따른 격자부호변조방식의 복호화장치에 사용되는 다중비교가산선택기의 일실시예를 보이는 블럭도이다.

도 10은 본 발명에 따른 격자부호변조방식의 복호화장치에 사용되는 생존경로기억장치의 일실시예를 보이는 블럭구성도이다.

도 11은 상기 도 10에 도시한 다중입출력기능을 갖는 생존경로기억장치의 내부 구성을 보이는 블럭도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10 : 격자부호변조(TCM:Trellis Coded Modulation)방식 복호화기

11 : 분기척도계산부(BMC : Branch Metric Calculator)

12 : 비교가산선택부(ACS : Add-Commpare-Select)

13a, 13b : 제1,2 생존경로기억부(Survivor Path Metric Memory)

14 : 역추적및디매핑부(Trace Back and Demapper)

15 : 역추적기억부(Trace Back Memory)

16 : 제어부(Controller)

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 구성수단으로서, 본 발명에 의한 다수준 격자부호변조방식의 복호화방법은 m 비트 입력에 대하여 m+r비트의 출력을 갖는 다수준 격자부호 변조된 신호를 복호화하는데 있어서, 각 상태별 분기와 홀수차상태/짝수차 상태 별로 분해된 2^m+r개 또는 그 배수개의 비교가산선택(ACS) 연산을 병렬로 처리하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 m 비트 입력에 대하여 m+r비트의 출력을 갖는 다수준 격자부호 변조된 신호를 복호화하는 장치는

잡음이 포함된 수신신호와 부호어(code word)사이의 거리척도를 계산하는 분기척도계산부;

병렬로 구성된 2^m+r개 또는 그 배수개의 비교가산선택기로 구현되며, 2^m+r개 또는 그 배수개의 상태를 동시에 상기 분기척도계산부에서 계산된 거리척도와 더한 후 다음 상태와 비교하여 작은 경로척도값을 선택하여 최소상태를 연산하는 비교가산선택부;

2^m+r개 또는 그 배수개의 입출력포트를 구비한 다중포트기억장치로 구현되며 상기 비교가산선택부에서 계산된 현재 상태를 기억하는 제1생존경로척도기억부;

2^m+r개 또는 그 배수개의 입출력포트를 구비한 다중포트기억장치로 구현되며상기 비교가산선택부에서 계산된 다음 상태를 기억하는 제2생존경로척도기억부;

상기 비교가산선택부에서 계산된 최소상태를 기억하는 역추적기억부;

소정 기간 동안의 누적경로를 역으로 추적하여 원래 신호값과 가까운 상태정보를 구하고 디매핑과정을 거쳐 원신호를 구하는 역추적및디매핑부;

상기 각 장치들의 동작을 제어하는 제어부;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다수준 격자부호변조방식의 복호화 장치 및 방법에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 TCM 복호기(10)의 기본적인 구조를 보인 것으로, 여기에서 R_I, R_Q는 잡음이 포함된 수신신호를 표시하고, 11은 분기척도계산부(Branch Metric Calculator : BMC)로서, 수신신호와 부호어(code word) 사이의 유크리드 거리(Euclidean Distance)를 계산하는데 이 거리의 척도는 해밍거리를 사용하는 경판정 길쌈부호와 달리 유클리드 거리를 사용하는 연판정복호가 수행된다. 12는 상기와 같이 분기척도계산부(11)에서 계산된 거리척도를 기준으로 현재 상태의 누적 경로척도값에 분기척도 값을 더하고 다음 상태의 경로척도값과 비교(Compare)하여 이 상태 경로척도 값중 큰 값은 생존경로에서 제거하고 작은 경로척도 값을 선택함에 의해 최소상태를 계산하는 비교가산선택부(Add-Compare-Select)이고, 13a는 현재 상태의 누적경로척도값을 저장하는 제1생존경로척도기억부이고, 13b는 다음 상태의 경로척도값을 저장하는 제2생존경로척도기억부이고, 14는 일정 기간동안의 누적 경로를 역으로 추적하여 원래 신호값에 가까운 상태정보를 구하고 이를 최소상태값으로부터 디매핑하여 원신호를 구하는 역추적및디매칭부이고, 15는 상기 비교가산선택부(12)에서 계산된 최소상태를 기억하는 역추적기억부이고, 16은 상기 각 구성수단의 동작을 제어하는 제어부이다.

상기와 같은 구성의 복호기(10)는 잡음이 포함된 수신신호 R_I, R_Q를 입력받아, 분기척도계산부(11)에서 수신신호와 부호어사이의 유크리드거리를 계산한다. 비교가산선택부(12)는 제1생존경로척도기억부(13a)에 기억된 현재 상태의 누적 경로척도값에 상기 분기척도계산부(11)에서 계산된 거리척도를 더하고, 이를 제2생존경로척도기억부(13b)에 기억된 다음 상태의 누적경로척도값을 비교하여, 두 값중 큰값은 생존경로에서 제거하고 작은 경로척도값을 선택하여 다음 상태값으로 제2생존경로척도 기억장치(13b)에 기억시킨다. 상기 다음 상태에서는 현재 상태값이 더 이상 필요없으므로 다음 상태의 값을 현재상태로 하고, 다음 상태는 큰 값으로 세트한 현재상태를 사용하여 교환이 이루어지도록 하며 위 과정을 반복한다. 상기 제1,2생존경로척도기억부(13a, 13b)를 사용한 비교가산선택부(12)의 동작은 도 2와 같이 표현된다. 도 2에서 121은 가산기이고, 122는 비교기이고, 123은 선택기이다.

상기와 같이 비교가산선택부(12)에서 출력되는 최소 상태의 생존경로는 역추적기억부(15)에 기억되고, 역추적및디매핑부(14)에 의해서 일정기간, 대개 구속장 K의 4~5배동안의 누적 경로를 역으로 추적하여 원래 신호값과 가장 가까운 상태정보를 구한다. 그 다음 이렇게 구해진 최소상태값으로부터 디매핑(demapping)과정을거쳐 원신호를 구하게 된다.

이때, 상기 비교가산선택부(12)에서의 병목현상을 제거하기 위한 본 발명에따른 병렬처리방법을 설명하면 다음과 같다.

우선, 본 발명에 따른 병렬처리방법의 구현원리에 대하여, 부호화방법을 기본으로 하여 설명한다.

도 7은 일반적인 TCM부호기의 구조를 나타낸 블럭도로서, 상기 TCM부호기는 전체 m비트의 입력을 부호율 m'/(m'+1)인 길쌈부호기(71)에 의해 부호화하여 m+1 비트의 출력코드(C_m+1)로 생성한다. 이때, 각각의 상태에서 분기 가능한 2^m가지수가 존재한다.

따라서, 구속장이 K인 길쌈부호기에는 2^K의 상태가 있으므로, 전체 2^m+K의 분기가 존재하며, 복호화시에는 이들중에서 비교가산선택부의 연산을 통해 생존 가능성이 있는 경로(survival path)는 살려두고 생존가능성이 없는 경로는 제거하여야 한다.

이때, 각 상태에서 분기되는 어드레스는 미리 계산될 수 있으며, 이는 부호화기의 구조와 밀접하게 연관된다. 또한, 각 상태에서 분기하는 비교가산선택부의 연산은 상호 독립적이므로 서로에 영향을 주지 않는다.

따라서, 이들은 동시에 계산될 수 있으며 병렬처리가 가능한 것이다.

이를 정리하면, m 비트 입력에 대해 m+r 비트 출력을 갖는 다수준 변조 TCM복호기는 한 상태에서 2^m+r-1가지의 분기가 생기고 홀수차 상태와 짝수차 상태를 분리하면, 전체 2^m+r개의 병렬ACS로 분해된다는 것을 알 수 있다.

예를 들어, 이 방법을 16-QAM, 구속장 K=9 인 TCM 부호기에 적용하면, 각 상태에 따르는 격자도는 도 8와 같이 표시된다. 여기서, 홀수 상태와 짝수 상태로 구분되는 256 가지 상태에 따라 각 상태당 2³= 8 가지의 분기가 존재한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각 상태에서 8가지의 분기가 있고 여기에서 다시 홀수 상태와 짝수상태는 독립적으로 처리할 수 있으므로, 전체 16 개의 비교가산선택(ACS) 연산을 동시에 처리하는 것이 가능하다. 따라서, 이 경우, 상기 도 1에 도시된 비교가산선택부(12)는 도 9에 도시한 바와 같이 8개의 ACS(91~98)가 병렬로 연결구성된 병렬ACS(90)를 두개 사용하여 구현할 수 있다.

또한, 상기와 같이 ACS의 병렬처리가 가능하도록 하기 위해서는 2^m+r개의 자료를 동시에 읽고 쓸 수 있는 생존경로척도기억수단이 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 상기 제1,2생존경로기억부(13a, 13b)를 다중입출력기능을 갖는 다중포트기억장치로 구현한다.

즉, 앞서 설명한 예를 적용하면, 구속장 K=9, 16-QAM의 경우 256상태 각각의 생존경로를 기억하여야 하고, 병렬 처리되는 16 상태의 입출력을 위해 256워드의 16포트램을 필요로 한다. 따라서, 이때 제1,2생존경로기억부(13a, 13b)는 도 10과 이, 각각 8가지 짝수상태와 8가지 홀수상태를 저장하는 8포트를 갖는 다중포트기억장치(PMM 128)을 두 개 병렬로 연결하여 구성한다.

상기 도 10에 도시한 다중포트기억장치(PMM 128)의 내부구성은 도 11에 도시한 바와 같이, 다수의 메모리 셀과 스위치구조로 구현되는데, 이는 다중포트 기억장치의 이해를 돕기위해 도시한 것으로, 본 발명의 대상은 아니다.

상기와 같이 개별적으로 설명한 바를 정리하면, 본 발명에 따른 다중포트 기억장치와 다중비교가산선택기를 이용한 격자부호변조방식의 복호화방법은 구속장이 K인 길쌈부호기에 존재하는 2^m+K의 분기에서 생존 가능성이 있는 경로(survival path)는 살려두고 생존가능성이 없는 경로는 제거하여야 하는 경우, 각 상태에서 분기되는 어드레스는 미리 계산될 수 있으며, 각 상태에서 분기하는 비교가산선택부의 연산은 상호 독립적이므로 서로에 영향을 주지 않는다는 점을 발견하고, 이로부터 m 비트 입력에 대해 m+r 비트 출력을 갖는 다수준 변조 TCM 복호화시, 각 생태에서 발생하는 2^m+r-1개의 분기와 홀수차상태/짝수차상태로 분해하여, 병렬처리하고, 이로써 ACS에서의 병목현상을 해소하는 것이며, 그에 따른 복호화장치는 2^m+r개 또는 그의 배수개의 비교가산선택기(ACS)로 비교가산선택부(12)를 구성하고, 제1,2생존경로기억부(13a, 13b)를 2^m+r개 또는 그 배수인 입출력기능을 갖는 다중포트 기억장치로 구현하는 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 종래 래딕스-4방법이 적용되지 않는 다수준TCM 변조에 대해 병렬처리가 가능하도록 하며, 복호기의 고성능화가 가능하며, 규칙적인 구조로 인해 대규모의 집적회로 규현이 용이하다는 우수한 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. m 비트 입력에 대하여 m+r비트의 출력을 갖는 다수준 격자부호 변조된 신호의 복호화방법에 있어서,

   각 상태별 분기와 홀수차상태/짝수차 상태 별로 분해된 2^m+r개 또는 그 배수개의 비교가산선택(ACS) 연산을 병렬로 처리하는 것을 특징으로 하는 다수준 격자부호변조방식의 복호화방법.
2. m 비트 입력에 대하여 m+r비트의 출력을 갖는 다수준 격자부호 변조된 신호의 복호화장치에 있어서,

   잡음이 포함된 수신신호와 부호어(code word)사이의 거리척도를 계산하는 분기척도계산부;

   병렬로 구성된 2^m+r개 또는 그 배수개의 비교가산선택기로 구현되며, 2^m+r개 또는 그 배수개의 상태를 동시에 상기 분기척도계산부에서 계산된 거리척도와 더한 후 다음 상태와 비교하여 작은 경로척도값을 선택하여 최소상태를 연산하는 비교가산선택부;

   2^m+r개 또는 그 배수개의 입출력포트를 구비한 다중포트기억장치로 구현되며 상기 비교가산선택부에서 계산된 현재 상태를 기억하는 제1생존경로척도기억부;

   2^m+r개 또는 그 배수개의 입출력포트를 구비한 다중포트기억장치로 구현되며상기 비교가산선택부에서 계산된 다음 상태를 기억하는 제2생존경로척도기억부;

   상기 비교가산선택부에서 계산된 최소상태를 기억하는 역추적기억부;

   소정 기간 동안의 누적경로를 역으로 추적하여 원래 신호값과 가까운 상태정보를 구하고 디매핑과정을 거쳐 원신호를 구하는 역추적및디매핑부;

   상기 각 장치들의 동작을 제어하는 제어부;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 다수준 격자부호변조방식의 복호화장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 복호화장치가 16-QAM 변조된 구속장 K=9인 TCM 신호를 복호화하는 경우,

   상기 비교가산선택부는 8개의 비교가산선택기(ACS)가 병렬로 구성된 병렬비교가산선택기 두 개로 구현되고,

   상기 제1,2생존경로척도기억부는 256상태 각각에 대한 생존경로를 기억하기 위해 256워드의 8포트 다중포트기억장치(PMM 128) 두 개로 구현하는 것을 특징으로 하는 다수준 격자부호변조방식의 복호화장치.