KR101107428B1 - 소프트 에러에 강한 시간적 티엠알 비터비 디코더 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 최근 디지털 통신 시스템에서 사용되고 있는 비터비 디코더의 성능을 높이기 위해, 백색 가우시안 잡음(AWGN)과 페이딩(Fading) 채널 잡음에 의한 에러뿐만 아니라 데이터를 전송받은 후의 방사능이나 고에너지 입자에 의해 하드웨어 내부에 있는 메모리나 게이트에서 발생할 수 있는 에러를 고려한 것이다.

이를 위해 본 발명은, 통상적인 비터비 디코더에 메모리, 레지스터 및 비교기를 추가하고, 통상의 클록보다 3배 빠른 클록을 이용하여 세 번의 연산을 실행함과 더불어 연산에 사용되는 메모리에 데이터를 재기록(rewrite)하는 방법으로 메모리에서 발생하는 소프트 에러(soft error)에 강하면서 작은 면적을 갖는 비터비 디코더 장치를 실현하고 있다.

Description

소프트 에러에 강한 시간적 티엠알 비터비 디코더 장치 {Temporal TMR Viterbi Decoder Apparatus Enduring Soft Error}

본 발명은, 비터비 디코더 장치에 관한 것으로, 특히 통상적인 비터비 디코더에 메모리, 레지스터 및 비교기를 추가함과 더불어 통상의 클록(clock)보다 3배 빠른 클록을 이용함으로써 소프트 에러에 강하면서 작은 면적을 갖는 시간적 TMR 비터비 디코더 장치에 관한 것이다.

최근, 셀룰러(Cellular), PCS, 위성통신 등 무선통신 시스템 분야에 있어서, 전방향 에러 정정 코드(Forward Error Correction Code)를 위해 널리 사용되고 있는 비터비 디코더는 신뢰성 있는 데이터의 전송을 위하여 필수 불가결한 요소로 되고 있다.

그렇지만, 통상적으로 사용되고 있는 비터비 디코더의 경우는, 데이터 전송 중에 발생할 수 있는 부가적인 백색 가우시안 잡음(AWGN)과 페이딩(Fading) 채널의 잡음에 의한 에러만 고려하고 있을뿐, 데이터를 전송받은 후의 방사능이나 고에너 지 입자에 의해 메모리에 발생되는 에러나, 데이터를 이용해 연산할 때 게이트에서 발생할 수 있는 에러에 대해서는, 전혀 고려를 하고 있지 않다. 즉, 하드웨어적인 에러는 전혀 고려하고 있지 않다.

도 1은 통상적으로 사용되고 있는 비터비 디코더의 하드웨어 구성를 나타낸 도면이다.

도 1에 나타낸 바와 같이, 통상적으로 사용되고 있는 비터비 디코더는 크게 BMC 블록(1), ACS 블록(2) 및 트레이스백(Traceback: SMM) 블록(3)으로 나눌 수 있다. BMC 블록(1)은, 컨볼루셔널 인코더(convolutional encoder)로 인코딩된 후 전송된 코드워드(codeword)와 참조 코드워드에 기초해서, 해밍 거리 결정방법(hamming distance method)을 이용하여 현재 상태로부터 다음 상태로 전이될 때의 브랜치 메트릭(branch metric: 가지 메트릭)값을 구한다. ACS 블록(2)에서는, BMC 블록(1)으로부터 전송된 브랜치 메트릭값을 경로 메트릭(path metric) 메모리에 기억되어 있는 다음 상태의 경로 메트릭과 가산한다. 이때, 다음 상태로 들어오는 값들은 각각 2개씩으로 이루어지는 바, 이들 2개의 값을 비교하여 작은 값을 선택하게 되는데, 이 값들이 다음의 경로 메트릭값으로 되는 것이다. 그 후, 선택된 작은 값들이 이전의 어느 상태에서 들어온 값인지를 체크하여 결정 벡터(decision vector)값을 결정하고, 결정 벡터 중에서 가장 작은 값을 갖는 상태를 스몰 상태(small state: 작은 상태)로 정해 트레이스백 블록(3)으로 전달한다. 트레이스백 블록(3)에서는, 전달된 결정 벡터값과 스몰 상태값을 이용하여 구속길이의 3∼4배의 길이만큼 역추적하여 최종 데이터를 복호해낸다.

도 2는 도 1에 나타낸 통상적인 비터비 디코더를 3개 붙여서 만든 IP를 나타낸 도면이다. 이 IP는, 전송된 코드워드값을 각각 3개의 비터비 디코더로 입력한 후, 연산을 실시하여 구한 3개의 데이터를 비교하여 최종 데이터를 얻도록 되어 있다. 이러한 방식을 이용하면, 도 1에 나타낸 통상적인 비터비 디코더에 비해 데이터 전송 중에 발생할 수 있는 잡음을 저감시키는 것이 가능한 반면, 보다 적어도 3배 정도 큰 면적이 필요하게 되는 바, IP를 동작시키기 위해서는 몇 배의 전력소모가 생기게 된다.

앞에서 설명한 바와 같은 통상적인 비터비 디코더는, 알고리즘 자체로 채널 에러의 수정이 가능하므로, 대부분이 ACS 블록(2)이나 트레이스백 블록(3)을 수정함으로써, 속도를 올리거나 전력소모를 줄이는데 초점을 맞추고 있었다. 그렇지만, 이러한 비터비 디코더는, 한 번의 연산으로 데이터값들을 복호하기 때문에, 메모리나 게이트 상에 에러가 발생하면, 데이터 복호에 치명적인 영향을 미치게 된다.

또한, 메모리나 게이트 상에 발생하는 에러를 저감시키기 위해 통상적인 비터비 디코더 3개를 붙여서 IP를 만들게 되면, IP 내부에 하드웨어적인 비터비 디코더가 3개 존재하기 때문에, IP의 크기가 매우 커지게 되고, 동작을 하기 위한 전력소모도 커지게 된다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 데이터 전송 시에 채널에서 발생할 수 있는 에러뿐만 아니라, 메모리에서 발생할 수 있는 에러까지 고려하여 소프트 에러에 강한 시간적인 TMR 비터비 디코더 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서는 방사선이나 고에너지 입자에 의해 메모리에 발생할 수 있는 소프트 에러의 발생 확률과, 이 소프트 에러는 영구 적인 메모리 에러가 아니라서 메모리에 데이터를 재기록하면 다시 메모리를 사용할 수 있다는 특징 및, 통상의 클록보다 3배 빠른 클록으로 세 번의 연산을 하되, 연산할 때마다 데이터를 데이터보관용 메모리로부터 가져와서 연산을 위한 메모리에 재기록(rewrite)하는 방식을 이용하고 있다.

본 발명에 따른 비터비 디코더 장치에 의하면, 해밍 거리 결정방법을 이용하여 현재 상태로부터 다음 상태로 전이될 때의 브랜치 메트릭값을 구하는 BMC 블록과,

상기 BMC 블록으로부터 전송된 브랜치 메트릭값을 경로 메트릭 메모리에 기억되어 있는 다음 상태의 경로 메트릭을 이용하여 결정 벡터값과 결정 벡터 중에서 가장 작은 값을 갖는 스몰 상태를 구하는 ACS 블록 및,

상기 ACS 블록으로부터 전달된 결정 벡터값과 결정 벡터 메모리에 기억된 스몰 상태값을 이용하여 구속길이의 수배의 길이만큼 역추적하여 최종 데이터를 복호하는 트레이스백 블록을 구비한 비터비 디코더 장치에 있어서,

연산에 사용되는 상기 ACS 블록 및 상기 트레이스백 블록의 경로 메트릭 메모리 및 결정 벡터 메모리에 데이터를 재기록하기 위해 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리 및 결정 벡터 데이터 저장용 메모리를 추가하고, 상기 ACS 블록 및 트레이스백 블록에 통상의 클록보다 수배 빠른 클록을 이용하여 동일한 연산을 수회 반복함과 더불어 연산에 사용되는 메모리에 데이터를 재기록함으로써 게이트에서 발생할 수 있는 에러를 제거하는 것을 특징으로 한다.

또, 연산횟수에 따라 구해진 데이터를 선택하여 격납하는 복수의 레지스터와, 이들 레지스터에 격납된 데이터를 비교하여 최종 데이터를 선택하는 비교기를 더 갖추는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 복수의 레지스터 중에서 연산횟수에 따라 구해진 데이터를 격납해야 할 레지스터를 선택하는 디멀티플렉서를 더 갖추는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 비터비 디코더 장치에 의하면, 채널 에러뿐만 아니라 하드웨어에서 발생할 수 있는 메모리 에러에도 강할 뿐만 아니라 일반적인 비터비 디코더와 크기가 비슷해서 VLSI로 설계하여 칩을 제작하기에도 용이하고, 게다가 방사능이 많이 존재하는 우주통신뿐만 아니라 장거리 모바일 통신에 사용함으로써 더 높은 성능을 얻을 수 있다.

이하, 첨부도면을 참조하면서 본 발명에 따른 비터비 디코더에 대해 상세히 설명한다.

먼저, 본 발명에 있어서는, 방사선이나 고에너지 입자에 의해 메모리에 발생할 수 있는 소프트 에러(soft error)의 발생 확률과, 이 소프트 에러는 영구적인 메모리 에러가 아니라서 메모리에 데이터를 재기록하면 다시 메모리를 사용할 수 있다는 특징을 이용하였고, 또한 통상의 클록보다 3배 빠른 클록으로 세 번의 연산을 하되, 연산에 사용되는 메모리 및 데이터 보관용 메모리를 이용하여 연산할 때마다 데이터를 데이터 보관용 메모리로부터 가져와서 연산을 위한 메모리에 재기 록(rewrite)하는 방식을 이용하고 있다.

도 3은 본 발명에 따른 시간적 TMR 비터비 디코더 장치를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 시간적 TMR 비터비 디코더 장치에 입력되는 클록의 파형을 나타낸 파형도이다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 시간적 TMR 비터비 디코더는 통상적인 비터비 디코더(도 1 참조)에 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리(21), 결정 벡터 데이터 저장용 메모리(31) 및 비교기(70)를 추가하여 구성하고 있다. 그리고, BMC 블록(10)은 도 4의 파형도에 나타낸 바와 같은 통상적인 비터비 디코더에서 사용되는 클록(clk_b)의 주파수로 동작시키고, 메모리를 사용하는 ACS 블록(20)과 트레이스백 블록(30)은 통상적인 비터비 디코더에서 사용되는 클록보다 3배 빠른 클록(clk_a)의 주파수로 동작시킨다. 이와 같이 함으로써, BMC 블록(10)에서 한번 연산할 때, ACS 블록(20)과 트레이스백 블록(30)에서 세 번 연산하도록 타이밍을 맞출 수가 있다. 여기서, BMC 블록(10)은 통상적인 비터비 디코더에서와 마찬가지의 동작을 수행한다.

다음으로, ACS 블록(20)에서는 첫 번째 연산으로 BMC 블록(10)으로부터 전송된 브랜치 메트릭값과 경로 메트릭 메모리(20b)에 저장되어 있는 경로 메트릭값을 가산한다. 그리고 나서, 이들 값을 비교하여 결정 벡터, 스몰 상태 및 새로운 경로 메트릭값을 구하고, 이 값들을 레지스터에 저장함과 동시에 다음 연산을 위해 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리(21)로부터 경로 메트릭 메모리(20b)로 똑같은 경로 메트릭값을 재기록한다. 두 번째 연산에서는, BMC 블록(10)으로부터 전송된 브랜치 메트릭값과 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리(21)로부터 경로 메트릭 메모리(20b)로 재기록된 값을 가산하고, 그 값들을 비교하여 두 번째 결정 벡터, 스몰 상태 및 경로 메트릭값을 구하며, 그 후 구한 값들을 또 다른 레지스터에 저장하고, 세 번째 연산을 위해 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리(21)로부터 경로 메트릭 메모리(20b)로 또 한 번 경로 메트릭값을 재기록한다. 세 번째 연산의 결과로 구해진 값과 이전의 두 번의 연산으로 구해진 값을 비교기(도시하지 않음)를 통해 비교한 후, 결정 벡터값은 다음 연산을 위해 결정 벡터 메모리(30a) 및 결정 벡터 데이터 저장용 메모리(31)에 저장하고, 경로 메트릭값은 경로 메트릭 메모리(20b) 및 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리(21)에 저장하며, 스몰 상태값은 트레이스백 블록(30)으로 전달한다.

트레이스백 블록(30)은 ACS 블록(10)과 마찬가지의 방법으로 연산을 수행한다. 첫 번째 연산에서는, ACS 블록(20)으로부터 전송된 스몰 상태값을, 결정 벡터 메모리(30a)에 저장되어 있는 값들을 참조해 구속길이의 3∼4배 역추적하여 데이터를 얻어 후에 설명하는 디멀티플렉서(50)에 의해 임시 레지스터(61)에 저장하고, 동시에 결정 벡터 데이터 저장용 메모리(31)에 저장되어 있던 결정 벡터값들을 결정 벡터 메모리(30a)로 재기록한다. 두 번째 연산에서는, ACS 블록(20)으로부터 전송된 스몰 상태값을, 결정 벡터 데이터 저장용 메모리(31)로부터 결정 벡터 메모리(30a)로 재기록된 값들을 참조해 역추적하여 데이터를 얻어 후에 설명하는 디멀티플렉서(50)에 의해 다른 레지스터(62)에 저장하고, 또한 세 번째 연산을 위해 결정 벡터 데이터 저장용 메모리(31)에 저장되어 있던 결정 벡터값들을 한 번 더 결 정 벡터 메모리(30a)로 재기록한다. 세 번째 연산은 두 번째 연산과 마찬가지의 방법으로 이루어지고, 세 번째 연산의 결과로 구해진 값과 이전의 두 번의 연산으로 구해진 값을 비교기(70)로 비교한 후, 최종 결정된 값을 복호 데이터로서 출력한다.

도 3에 있어서, 멀티플렉서(40)는 연산횟수에 따라 현재의 브랜치 메트릭값으로 연산을 할지 다음의 브랜치 메트릭값으로 연산을 할지를 결정한다.

디멀티플렉서(50)는, 세 번 연산을 수행하는 ACS 블록(20) 및 트레이스블록(30)으로부터 연산 후 현재의 연산횟수를 전달받아, 연산횟수가 1일 때는 가장 상위에 있는 레지스터(61)로 첫 번째 연산값을 전달하고, 연산횟수가 2일 때는 두 번째 레지스터(62)에 두 번째 연산값을 전달하고, 연산횟수가 3일 때는 비교기(70)로 세 번째 연산값을 전달한다.

비교기(70)에서는, 세 번째 연산값이 들어오면, 레지스터(61, 62)에 저장되어 있던 첫 번째 및 두 번째 연산값과 비교하여 최종 데이터를 결정하여 출력한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명은, 소프트 에러는 영구적인 메모리 에러가 아니라 메모리에 데이터를 재기록하면 다시 사용이 가능하다는 특징을 이용하였다. 즉, 연산에 사용되는 메모리(20b, 30a) 및 데이터 보관용 메모리(21, 31)의 2가지의 메모리를 이용하여 연산할 때마다 데이터를 데이터 보관용 메모리로부터 가져와서 연산을 위한 메모리에 재기록하도록 하고 있다. 이와 같이 연산을 할 때마다 메모리에 데이터를 리프레쉬(refresh)해 줌으로써 에러를 제거할 수 있다. 상술한 설명에 있어서, 경로 메트릭 메모리(20b)와 결정 벡터 메모리(30a)는 연산에 직접 적으로 사용되는 메모리이고, 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리(21)와 결정 벡터 데이터 저장용 메모리(31)는 세 번의 연산에서의 재기록을 위해 사용되는 메모리이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 의하면, 데이터 저장용 메모리(21, 31)로부터 연산에 사용되는 메모리(20b, 30a)로 데이터를 재기록하면서 메모리에 발생하는 소프트 에러를 제거할 수 있고, 연산을 세 번 수행하여 최종 데이터를 선택함으로써 게이트에서 순간적으로 발생할 수 있는 에러도 제거할 수 있다. 또한, 통상적인 비터비 디코더에 메모리, 레지스터 및 비교기를 추가함으로써, 통상적인 비터비 디코더 3개를 붙이는 것보다 크기가 대폭 축소되어 VLSI로 설계하여 칩을 제작하기에도 용이하다. 또한, 방사능이 많이 존재하는 우주 통신뿐만 아니라 장거리 모바일 통신에 적용함으로써 더 높은 성능을 얻을 수 있다.

본 발명의 시간적 TMR 비터비 디코더는, 우주통신이나 이동통신에서와 같이 소프트 에러 발생확률이 높고, 크기가 작은 비터비 디코더를 요구하는 경우에, 이러한 구조를 통해 크기를 줄이면서 좋은 성능을 가진 비터비 디코더로서 적용할 수 있다.

도 1은 통상적으로 사용되고 있는 비터비 디코더의 하드웨어 구성를 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1에 나타낸 통상적인 비터비 디코더를 3개 붙여서 만든 IP를 나타낸 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 시간적 TMR 비터비 디코더 장치를 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 시간적 TMR 비터비 디코더 장치에 입력되는 클록의 파형을 나타낸 파형도이다.

Claims (3)

1. 해밍 거리 결정방법을 이용하여 현재 상태로부터 다음 상태로 전이될 때의 브랜치 메트릭값을 구하는 BMC 블록과,

   상기 BMC 블록으로부터 전송된 브랜치 메트릭값을 경로 메트릭 메모리에 기억되어 있는 다음 상태의 경로 메트릭을 이용하여 결정 벡터값과 결정 벡터 중에서 가장 작은 값을 갖는 스몰 상태를 구하는 ACS 블록 및,

   상기 ACS 블록으로부터 전달된 결정 벡터값과 결정 벡터 메모리에 기억된 스몰 상태값을 이용하여 구속길이의 수배의 길이만큼 역추적하여 최종 데이터를 복호하는 트레이스백 블록을 구비한 비터비 디코더 장치에 있어서,

   연산에 사용되는 상기 ACS 블록 및 상기 트레이스백 블록의 경로 메트릭 메모리 및 결정 벡터 메모리에 데이터를 재기록하기 위해 경로 메트릭 데이터 저장용 메모리 및 결정 벡터 데이터 저장용 메모리를 추가로 갖추어 구성되고, 상기 ACS 블록 및 트레이스백 블록에 통상의 클록보다 수배 빠른 클록을 이용하여 동일한 연산을 수회 반복함과 더불어 연산에 사용되는 메모리에 데이터를 재기록함으로써 게이트에서 발생할 수 있는 에러를 제거하는 것을 특징으로 하는 비터비 디코더 장치.
2. 청구항 1에 있어서, 연산횟수에 따라 구해진 데이터를 선택하여 격납하는 복수의 레지스터와, 이들 레지스터에 격납된 데이터를 비교하여 최종 데이터를 선택 하는 비교기를 더 갖춘 것을 특징으로 하는 비터비 디코더 장치.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 복수의 레지스터 중에서 연산횟수에 따라 구해진 데이터를 격납해야 할 레지스터를 선택하는 디멀티플렉서를 더 갖춘 것을 특징으로 하는 비터비 디코더 장치.

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