KR20000066141A - 판정 궤환 구조를 갖는 8 잔류측파 방식 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB(잔류측파 방식) 채널 등화기의 피드백 필터의 입력 신호의 2's complement를 취할 때 덧셈기를 사용하지 않도록 함으로써, 채널등화기의 장치 부피를 감소시키고 소비 전력을 절감시키도록 한 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법을 제공하기 위한 것으로, 이러한 본 발명은 8 VSB 채널 등화기의 피드백 필터로 입력되는 신호를 선택할 때, 입력되는 신호에서 최하위 비트를 제외한 나머지 비트 신호와 그 비트신호의 보수(toggling) 중 하나를, 채널등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호의 부호(sign)에 따라 선택하고, 선택된 비트 신호의 최하위 비트 위치에 "1"을 연접(concatenation)함으로써, 2's complement시 덧셈기를 사용하지 않도록 함으로써, 채널 등화기의 피드백 필터의 탭 개수에 비례하여 구비하여야 했던 덧셈기를 제거하여, 채널 등화기의 장치 부피를 감소시키고 소비 전력을 절감시키도록 하며, 연산 속도도 빠르게 된다.

Description

판정 궤환 구조를 갖는 8 잔류측파 방식 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법{ Method and device for operating tap coefficient update of 8 VSB channel equalizer having decision feedback structure }
본 발명은 고선명 텔레비전(High Density TeleVision; HDTV) 수신기의 잔류측파대(Vestigial SideBand; VSB) 방식 채널 등화기에 관한 것으로, 특히 8 VSB 채널 등화기에서 피드백 필터의 탭 계수를 갱신하기 위해 피드백 필터의 입력 데이터를 2's complement 연산할 때 필요한 덧셈기를 제거함으로써, 채널등화기의 장치 부피를 감소시키고 전력 소모를 절감시키도록 한 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 HDTV를 포함한 디지털 통신 시스템의 물리적 채널은 자유 공간으로 실제 전송 신호는 공기, 구름, 대기층 등의 기상 변화 또는 태양의 영향에 의해 전파되는 경로가 굴절되어 여러 개의 다중 경로를 거쳐 수신된다.
또한 산, 절벽, 대지 등의 지형과 숲, 건물 등에 의해 반사, 투과되어 전파되는 고정된 다중 경로와 비행기, 자동차 등에 의해 발생되는 시 변화 다중 경로 등이 발생하게 된다. 이러한 다중 경로 전파는 같은 신호가 각기 다른 전파 시간을 갖는 여러 개의 경로를 거쳐 전달되므로 디지털 신호의 전송에 있어서는 고속의 디지털 통신 시스템의 성능을 저하시키는 가장 큰 요인인 심벌 간 간섭(Inter-Sysmbol Interference; ISI)을 일으키게 된다. 이와 같이 채널은 여러 가지 원인에 의해 이상적인 특성을 만족하지 못하고 신호를 전송함에 있어서 왜곡을 발생하게 된다. HDTV와 같은 디지털 전송 방식에 있어서는 신호의 왜곡이 수신측에서 비트 검출 오류를 일으킴으로써 화면 전체가 복원이 불가능하거나 전혀 다른 화상이 나타나는 현상이 발생될 가능성이 있다.
이러한 현상을 극복하기 위해 이상적인 특성에서 벗어나 왜곡된 채널을 통과한 수신 신호를 처리하여 시간에 따라 변하는 채널의 특성을 보상함으로써 수신측에서의 비트 검출 오류를 감소시킬 수 있도록 하는것을 채널 등화기(channel equalizer)라고 한다.
일반적으로 수신 신호로부터 채널 등화를 하기 위해서는 다음과 같은 2가지 모드로 채널 등화기가 동작하게 된다.
먼저 송신측에서 일정 기간 동안 수신기에서 미리 알고 있는 데이터 열을 전송하고, 수신측에서는 채널을 거치면서 왜곡된 데이터 펄스의 파형과 원래의 파형을 비교하여 채널의 왜곡 정도를 추정아는 훈련모드(training mode)가 있다.
이러한 훈련 기간이 끝나고 실제 정보를 포함하는 데이터가 입력되면 등화기 출력에서 판정(decision)된 데이터를 사용하여 등화하는 판정 의거 모드(decision-directed mode; DD)로써 동작하게 된다.
VSB 방식 HDTV에 관한 GA 표준안에 따른 데이터 프레임의 구조는 도1과 같다.
이러한 데이터 프레임의 기본 단위인 세그먼트(segment)는 832 심벌로 이루어져 있으며, 각 세그먼트의 시가 부분에는 4개의 심벌로 이루어진 세그먼트 동기(segment synchronization) 신호가 있다.
하나의 필드(field)는 313개의 세그먼트로 구성되어 있고, 이중 첫번째 세그먼트는 필드 동기(field synchronization) 신호로써, 송수신측에서 서로 알고 있는 일정한 패턴을 가지게 되므로, 채널 등화기에서의 훈련열(training sequence)로 사용할 수 있다.
디지털 통신 시스템에서의 채널 등화기는 여러 가지 등화 기법이 있으나, 본 발명에서는 수식이 비교적 간단하고 구현이 용이한 LMS(Least Mean Square) 알고리즘을 이용하였다.
채널 등화기에서는 기준 신호(reference signal)와 등화기 출력의 차이가 오차 신호가 되며, 이 오차 신호에 의해 등화기의 탭(tap)을 갱신하게 된다.
먼저 훈련 모드는 상기된 바와 같이 데이터 프레임 중에서 주기적인 일정한 패턴(pattern)을 가지는 828 심벌로 이루어진 필드 동기 신호를 훈련열로 이용하는 것이다.
이러한 훈련 모드가 끝나면 판정 의거 모드에서는 등화기의 출력을 양자화(quantization)하여 이것을 기준 신호로 이용하여 등화하게 된다.
본 발명에서는 도2와 같은 판정 궤환(Decision Feedback) 등화기가 적용된다.
이러한 채널등화기의 동작을 설명하면, 등화기 출력신호(z(n))가 슬라이서(slicer)(3)에서 양자화된 후, 합산기(5)에서 양자화 값과 등화기 출력 신호간에 감산 연산이 수행되어 오차신호(e(n))가 계산된다. 이렇게 계산된 오차 신호는 포워드 필터(forward filter)(1)에서 채널 등화기 입력 신호와 상관(correlation)되고, 피드백 필터(feedback filter)(10)에서 다중화기(4)의 출력신호와 상관된다. 포워드 필터(1)와 피스백 필터(10)에서 각각 상관된 이 상관치는 갱신값 산출부(8)에서 스탭 크기(step size; μ)와 각각 곱해진 후, 계수 갱신부(9)에서 포워드 필터(1)의 탭 계수와 피드백 필터(10)의 탭 계수를 갱신하기 위해 사용된다. 그리고 포워드 필터(1)의 출력 신호와 피드백 필터(10)의 출력신호를 합산기(11)에서 합산하여 채널등화기의 최종 등화 출력 신호를 발생하게 된다.
그리고 x(n)은 시간 n에서 등화기 입력 신호, r(n)은 시간 n에서 등화기의 기준 신호, Ci(n)은 시간 n에서 포워드 필터(1)의 i번째 탭 계수, Wj(n)은 피드백 필터(10)의 j번째 탭 계수를 각각 의미한다.
등화기 출력에서의 오차 신호는 [수학식1]과 같다.
e(n) = r(n) - z(n)
그러므로 포워드 필터(1)의 탭 계수 갱신식은 [수학식2]와 같다.
Ci(n+1) = Ci(n) + μe(n)x(n-i), for i = 0,1,2,...,N-1
그리고 피드백 필터(10)의 탭 계수 갱신식은 [수학식3]과 같다.
Wj(n+1) = Wj(n) + μe(n)r(n-j), for j = 0,1,2,...,M-1
[수학식1]과 [수학식2]의 N,M은 각각 포워드 필터(1)와 피드백 필터(10)의 탭 계수를 나타내는 것으로, GA 표준안과 동일한 각각 64와 192의 값을 만족한다. 그리고 μ는 등화기의 수렴 특성을 결정짓는 스탭의 크기이다.
이러한 갱신된 탭 계수를 이용한 등화기의 출력 신호(Z(n))는 [수학식4]와 같다.
이에 종래의 제안된 탭 계수 갱신식을 다시 쓰면 [수학식5]와 [수학식6]과 같다.
Ci(n+1) = Ci(n) + μ2m(SGN(e(n))x(n-i)), for i=0,1,2,...,N-1
Wj(n+1) = Wj(n) + μ2m(SGN(e(n))r(n-j)), for j=0,1,2,...,M-1
여기서 m은 정수이고, 2m-1+ 2m-2≤|e(n)| 〈 2m-1+ 2m을 만족한다.
즉, e(n)의 곱셈 연산을 쉬프트(shift) 연산으로 대체한다. 이는 e(n)을 2m형태로 변환시킨 후, x(n-i)와 -x(n-i) 중 하나를 e(n)의 부호(sign)에 따라 선택한 후 선택된 값을 m만큼 쉬프트 연산하고, μ값을 곱셈한다. 이것은 [수학식6]에서도 동일하게 적용된다.
또한 스탭 크기인 μ를 2l로 고정한다면, [수학식5]와 [수학식6]은 각각 [수학식7]과 [수학식8]로 변환된다.
Ci(n+1) = Ci(n) + 2l+m(SGN(e(n))x(n-i)), for i=0,1,2,...,N-1
Wj(n+1) = Wj(n) + 2l+m(SGN(e(n))r(n-j)), for j=0,1,2,...,M-1
이러한 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산을 수행하는 탭 계수 장치를 하드웨어적으로 구현하면 도3과 같다.
종래 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 장치는, 채널 등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호(e(n))의 부호(sign)에 따라 피드백 필터의 입력 신호와 입력 신호의 2's complement값 중 하나를 선택하여 출력하는 다중화기(20)와; 상기 오차 신호의 절대값의 크기에 따라 쉬프트 회수를 산출하고, 산출된 쉬프트 회수에 따라 상기 다중화기(20)의 출력신호를 쉬프트시키는 쉬프트기(30)와; 상기 쉬프트기(30)에서 산출력되는 신호와 이전의 계수를 가산하여 계수를 갱신하는 가산기(40)와; 상기 가산기(40)에서 갱신된 계수를 일정 시간 지연시켜서 다음 계수 갱신 시 상기 가산기(40)에 제공하는 지연기(50)로 구성되었다.
이와 같은 종래 채널 등화기의 탭 계수 갱신 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
채널 등화기의 피드백 필터(10)의 입력 신호는 2's complement를 갖는 데이터이다. 채널 등화기는 채널 등화기의 출력신호와 기준 신호간의 차이값인 오차 신호를 계산한다. 이때 기준 신호는 채널등화기의 등화 모드가 훈련 모드이면 훈련열(training mode)이 되고, 채널등화기의 등화 모드가 판정 의거 모드이면 채널 등화기의 출력신호를 양자화한 값이 된다.
그래서 오차 신호가 계산되면 이 오차 신호의 부호(sign)를 검사하여, 음(-)이면 피드백 필터의 입력 신호의 2's complement를 선택하여 쉬프트기(30)로 출력하도록 하고, 양(+)이면 피드백 필터의 입력 신호를 선택하여 쉬프트기(30)로 출력하도록 한다.
이에 쉬프트기(30)는 다중화기(20)의 출력신호를 (l+m)만큼 쉬프트 연산을 수행하게 되는 것이다.
이때 l은 μ= 2l로 고정시켰을 때의 값이고,
m은 2m-1+ 2m-2≤|e(n)| 〈 2m-1+ 2m을 만족하는 정수값이 된다.
도4는 이러한 m값을 구하는 장치, 즉 채널 등화기의 오차 신호를 정규화하는 장치가 도시된다.
그러나 채널등화기의 피드백 필터의 입력 신호는 2's complement를 갖는 데이터이므로, 피드백 필터의 입력 r(n-j)를 반전시킨 결과값에 "1"을 더해야 하므로, 덧셈기가 추가적으로 필요하게 된다. 그런데 이 덧셈기는 전력을 많이 소비할 뿐만 아니라, 피드백 필터의 탭 개수에 비례적으로 개수가 증가된다. 따라서 전력 소모도 크게 되고, 채널 등화기의 장치 부피도 커지게 된다. 또한 덧셈기를 통해 연산되는 시간만큼 지연 시간이 발생하게 되는 문제가 있었다.
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은
8 VSB 채널 등화기에서 피드백 필터의 탭 계수를 갱신하기 위해 피드백 필터의 입력 데이터를 2's complement 연산할 때 덧셈기를 이용하는 방법으로 수행하지 않고, 피드백 필터의 입력 데이터로부터 최하위 비트를 제외한 나머지 비트 신호에 대해 보수(toggling)를 취하고, 그 신호의 최하위 비트위치에 단순히 "1"을 연접(concatenation)함으로써, 피드백 필터의 탭 개수에 비례하여 구비해야 했던 덧셈기를 제거하여, 채널 등화기의 장치 부피를 감소시키고, 전력 소모량을 절감시키도록 한 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치는,
채널 등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호의 부호(sign)에 따라, 피드백 필터의 입력 신호로부터 최하위 비트를 제외한 비트신호와 그 비트신호의 토글링(toggling) 신호 중 하나를 선택하는 다중화기와;
상기 다중화기에서 출력되는 비트신호의 최하위 비트위치에 "1"을 연접(concatenation)하는 기능을 수행하는 연접부를 포함하여 구성됨을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
또한 상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의한 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 방법은,
채널 등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호의 부호에 따라, 피드백 필터의 입력 신호로부터 최하위 비트를 제외한 비트신호와 그 비트신호의 토글링(toggling) 신호 중 하나를 선택하고, 선택된 비트신호의 최하위 비트 위치에 "1"을 연접(concatenation)하여, 탭 계수 갱신을 위한 입력 신호를 선택함을 특징으로 한다.
도1은 GA(Grand Alliance) 표준안에 따른 HDTV 데이터 프레임의 구조도,
도2는 본 발명이 적용되는 채널 등화기 블럭 구성도,
도3은 종래 계수 갱신 장치의 블럭 구성도,
도4는 등화기 오차 정규화기 블럭 구성도,
도5는 본 발명에 의한 8VSB 채널 등화기 탭 계수 갱신 연산 장치 블럭 구성도.
＜도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명＞
100:다중화기 200:연접부
30:쉬프트기 40:가산기
50:지연기
이하, 상기와 같은 본 발명 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법을 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도5는 본 발명에 의한 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 블럭 구성도이다.
도시된 바와 같이, 채널 등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호(e(n))의 부호(sign)에 따라, 피드백 필터의 입력 신호 중 최하위 비트를 제외한 비트신호와 최하위 비트를 제외한 비트 신호의 토글링(toggling) 신호 중 하나를 선택하여 출력하는 다중화기(100)와; 상기 다중화기(100)에서 출력되는 비트신호의 최하위 비트위치에 연접(concatenation)하는 기능을 수행하는 연접부(200)와; 상기 오차 신호의 절대값의 크기에 따라 쉬프트 회수를 산출하고, 산출된 쉬프트 회수에 따라 상기 연접부(200)의 출력신호를 쉬프트시키는 쉬프트기(30)와; 상기 쉬프트기(30)에서 출력되는 신호와 이전의 계수를 가산하여 계수를 갱신하는 가산기(40)와; 상기 가산기(40)에서 갱신된 계수를 일정 시간 지연시켜서 다음 계수 갱신 시 상기 가산기(40)에 제공하는 지연기(50)로 구성된다.
이와 같이 구성된 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 8 VSB 방식으로 양자화(sliced)된 신호의 값은 7(0111), 5(0101), 3(0011), 1(0001), -1(1111), -3(1101), -5(1011), -7(1001) 이다.
상기에서 알 수 있듯이 8가지 레벨 모드 최하위 비트(Least Significant Bit; LSB)가 "1"이 된다. 만약 7(0111)의 2's complement를 취한다면 -7(1001)이 되고, -1(1111)의 2's complement를 취한다면 1(0001)이 된다. 이것은 단순히 상위 3비트를 반전(inverting)시킨 결과값의 최하위 비트 위치에 "1"을 concatenation(연접)한 결과와 동일하게 된다.
이러한 사항을 고려하여 새로운 8 VSB 모드의 피드백 필터의 탭 계수 갱신식을 제안하면 [수학식9]와 같다.
Wj(n+1) = Wj(n) + 2l+m( ((~ (SGN(e(n))) )r(n-j)[3:1]) ＆1 ),
for j=0,1,2,...,M-1
여기서 (~ (SGN(e(n))) )r(n-j)[3:1])은, 등화기 오차 신호(e(n))의 부호(sign)에 따라, 피드백 필터의 입력 신호 중 최하위 비트를 제외한 비트신호인 r(n-j)[3:1]의 binary bit-wise toggling을 취할 것인지의 여부를 결정하는 연산이다.
즉, 다중화기(100)는, 오차 신호의 부호(sgn(e(n)))가 "1"이면 r(n-j)[3:1] (도5에서는 d(n)[3:1] )을 선택하여 출력하고, 오차 신호의 부호가 "0"이면 r(n-j)[3:1]의 toggling된 신호(도5에서는 ~d(n)[3:1] )을 선택하여 출력한다. 그런 후 연접부(200)는 다중화기(100)에서 출력된 3비트 신호의 최하위 비트에 "1"을 concatenation 연산을 수행하여 4비트의 신호를 출력하게 된다. 그러면 쉬프트기(30)는 이 4비트의 신호를 해당 쉬프트 회수만큼 쉬프트한다. 그리고 가산기(40)는 쉬프트기(30)의 출력신호와 이전의 계수를 가산하여 계수를 갱신하게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 의한 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치 및 그 방법은, 채널 등화기의 탭 계수 갱신 장치로 입력되는 신호의 2's complement 연산을 최하위 비트를 제외한 비트를 토글링(toggling)시킨 후 최하위 비트 위치에 "1"을 concatenation 하도록 하여, 덧셈기를 제거하게 된다. 그래서 탭 개수에 비례하여 증가되어 구비해야 했던 덧셈기를 사용하지 않게 됨으로써, 채널등화기의 장치 부피를 감소시킬 수 있고, 전력 소모도 절감시킬 수 있게 된다. 또한 연산 속도도 빠르게 된다. 그리고 VSB 채널 등화기의 경우, 피드백 필터의 탭 개수가 포워드 필터의 탭 개수보다 훨씬 많기 때문에 덧셈기를 사용하지 않는 것은 효과가 매우 커지게 된다.

Claims (3)

  1. 채널 등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호의 부호(sign)에 따라, 피드백 필터(feedback filter)의 입력 신호와 입력 신호의 2's complement값 중 하나를 선택하여 탭 계수 갱신을 위해 입력받는 8 VSB 채널 등화기의 계수 갱신 장치에 있어서,
    상기 오차 신호의 부호(sign)에 따라, 피드백 필터의 입력 신호로부터 최하위 비트를 제외한 비트신호와 그 비트신호의 토글링(toggling) 신호 중 하나를 선택하는 다중화기와;
    상기 다중화기에서 출력되는 비트신호의 최하위 비트위치에 "1"을 연접(concatenation)하는 기능을 수행하는 연접부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB(Vestigial SideBand) 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 장치.
  2. 채널 등화기의 출력신호와 기준 신호와의 차이값인 오차 신호의 부호(sign)에 따라 피드백 필터(feedback filter)의 입력 신호와 입력 신호의 2's complement값 중 하나를 선택하여 탭 계수 갱신을 위해 입력받는 8 VSB 채널 등화기의 계수 갱신 방법에 있어서,
    상기 탭계수 갱신을 위한 입력 신호를 선택하는 방법은,
    상기 오차 신호의 부호에 따라, 피드백 필터의 입력 신호로부터 최하위 비트를 제외한 비트신호와 그 비트신호의 토글링(toggling) 신호 중 하나를 선택하고, 선택된 비트신호의 최하위 비트 위치에 "1"을 연접(concatenation)하는 것을 특징으로 하는 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 방법.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 탭계수 갱신을 위한 입력신호를 선택하는 방법은,
    (~ (SGN(e(n))) )r(n-j)[3:1]) ＆1
    으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 판정 궤환 구조를 갖는 8 VSB 채널 등화기의 탭 계수 갱신 연산 방법.
    상기 r(n-j)[3:1]은 피드백 필터의 입력 신호(r(n-j)[3:0])로부터 최하위 비트를 제외한 비트신호를 위미하고,
    상기 SGN(e(n))은 상기 오차신호의 부호(sign)를 의미하며,
    상기 "~"은 보수(toggling)를 의미하고,
    상기 "＆1"은 선택된 3비트 신호의 최하위 비트에 "1"을 연접하여 4비트를 생성하는 것을 의미하며,
    상기 n은 특정시간을 의미하고, 상기 j는 0,1,2,...,M-1을 값을 갖으며, 상기 M은 필드백 필터의 탭의 개수를 의미함.
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