KR20010081412A - 부호화 ｍｐｓｋ 전송 방식에서 수신 복조 위상만 이용한비터비 복호를 위한 가지 메트릭 계산기 - Google Patents

부호화 ｍｐｓｋ 전송 방식에서 수신 복조 위상만 이용한비터비 복호를 위한 가지 메트릭 계산기 Download PDF

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Abstract

가산성 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise : AWGN) 환경에서 최적(Fully Optimal)의 비터비 복호(Viterbi Decoding)를 위해 복조된 수신 신호의 크기와 위상을 이용한 유클리디안 거리(Euclidean Distance : ED)가 비터비 복호기의 가지 메트릭(Branch Metric)으로 사용된다. 본 발명에서는 복조된 수신 MPSK 신호의 위상만을 이용하는 비터비 복호를 위한 새로운 가지 메트릭을 제안한다. 복조된 수신 위상만을 이용한 최우도 복호(Maximum Likelihood Decoding)를 위해 수신 복조 위상의 조건부 확률 분포 함수에 기반한 최적(Phase-Only Optimal)의 메트릭으로부터 새로운 부최적 메트릭 및 그 계산 장치를 제안한다.

Description

부호화 ＭＰＳＫ 전송 방식에서 수신 복조 위상만 이용한 비터비 복호를 위한 가지 메트릭 계산기 {BRANCH METRIC CALCULATOR OF VITERBI DECODER ONLY WITH THE DEMODULATED PHASE IN CODED MPSK TRANSMISSION}
PSK(Phase Shift Keying) 변조 방식은 포락선(Envelope)이 상수라는 특성 때문에 널리 사용되는 디지털 변조 방식이다. 일반적으로 부호화된 PSK신호가 잡음 채널을 통과하여 수신기에 수신되면, 복조기에서 결정된 수신 신호의 크기와 위상 (또는 I-채널, Q-채널 복조 신호)을 이용하여 복호기에서 복호를 수행한다. 이와 같은 방법으로 복호되는 것을 최적 복호(Fully-Optimal Decoding)라고 정의한다. MPSK 변조 신호를 이용한 TCM(Trellis Coded Modulation) 부호는 복조기에서 SD(Soft Decision)된 수신 복조 신호를 비터비 복호 알고리듬을 이용하여 전송 데이터를 복호한다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 전체 수신기 구조를 도시하고 있다.
도 1에 도시한 수신기는 M진 위상 천이 변조(MPSK) 전송 신호 복조기(100)의 출력이 I-채널 및 Q-채널 복조 신호 또는 이들의 양자화 지수이고, 복조기(100)의 출력을 이용하여 비터비 복호를 수행하는 수신기 모델이다. 수신 신호와 국부 발진기(101)의 신호는 곱셈기(103)에 의해 곱해지고, 곱해진 신호는 고주파 성분을 제거하기 위해 복소 저주파 필터(102)를 거쳐 복조 신호의 위상 및 크기를 포함하는 I/Q 채널의 복조 신호로서 생성된다. 비터비 복호기(110)는 크게 가지 메트릭 계산기(111), ACS(Add-Compare-Select) 연산기(112), 경로 메모리(113)로 이루어져 있다. 가지 메트릭 계산기에서는 복조기(100)에서 복조된 복조 위상과 신호 집합의 각 신호 위상과의 가지 메트릭 값을 계산하고, ACS 연산기(112)에서는 각 스테이트에 모이는 경로의 경로 메트릭을 서로 비교하여 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 경로를 선택하고, 이렇게 선택된 경로 메트릭과 경로를 각각 그 스테이트의 경로 메트릭과 경로로 결정한다. 경로 메트릭은 가지 메트릭 계산기(111)에서 계산된 가지 메트릭과 이전 스테이트의 경로 메트릭 값을 더한 것이다. 각 스테이트 중에서 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 스테이트의 경로를 경로 메모리(113)로부터 읽어 경로 신호 조합으로부터 전송 신호를 복호한다.
도 2에는 종래 기술에 따른 가지 메트릭 계산기(111)의 상세 블럭도가 도시되어 있다.
도 2에서,과은 각각 n번째 복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터이고, 모든 서브 블럭(200-0 ~ 200-(M-1))에 공통의 입력 신호로 사용된다. 신호 성상에 의한 k번째(k=0,...,M-1) 신호의 I/Q 채널의 성상점을 나타내는/를 각각/으로부터 뺀 후 각각 제곱한 후 각각의 가산기(203-0 ~ 203-(M-1))에서 가산하여 유클리디안 거리(Euclidean Distance: ED)를 구하여 이를 k번째 신호 성상에 대한 n번째 수신 신호의 가지 메트릭(BMkn)으로 사용한다. 여기에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭을 가지므로 M개의 동일한 블럭(200-0 ~ 200-(M-1))이 존재한다.
MPSK 변조 방식은 전송 신호의 위상에 전송 정보를 포함하므로 수신 신호의 위상 정보만 이용하여 복조를 수행할 수 있다. 이러한 경우 수신 신호 크기를 일정하게 하기 위한 AGC (Automatic Gain Control)가 정확하지 않아도 되므로 복조기의구조가 응용 사례에 따라서 간단해 질 수 있다. 특히 수신 신호의 크기가 변하는 페이딩 환경에서 수신 신호 크기를 이용하지 않고 수신 복조 위상만 이용한다면 페이딩에 강한 특성이 있으리라 기대된다.
수신 복조 위상만 이용하는 경우에 비터비 알고리듬을 이용하여 복호를 수행할 때 최적의 복호를 위해서는 새로운 가지 메트릭이 필요하다. 그러므로, 본 발명은 상술한 필요에 따라 안출된 것으로, 본 발명은 수신 복조된 위상 정보만을 이용하여 비터비 복호 알고리듬으로 복호를 수행할 때 최적(Phase-Only Optimal)의 복호를 위한 가지 메트릭을 유도하고, 가지 메트릭 계산을 간단히 하기 위한 부최적 가지 메트릭을 유도·제안하고 이에 따른 수신기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 디지털 통신 시스템에 이용되는 수신기는 수신 신호와 곱해지는 반송파와 동기된 신호를 생성하는 국부 발진기; 수신 신호를 상기 국부 발진기의 출력 신호와 곱하기 위한 곱셈기; 상기 곱셈기의 출력 신호에서 고주파 신호를 제거하여 I/Q 채널의 복조 신호를 출력하는 복소 저주파 필터; 상기 복소 저주파 필터의 출력 신호 중에서 위상 신호만을 추출하는 ATAN 연산기; 및 비터비 연산을 수행하는 비터비 복호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술에 따른 수신기 구조,
도 2는 종래 기술에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 3은 본 발명에서 제안하는 수신기 구조,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상만 이용한 최적의 가지 메트릭 계산기 상세 블럭도,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 10a은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도,
도 10b은 도 10a의 가지 메트릭 계산기의 타이밍도,
도 11은 위상 양자화에 대한 개념도.
이하, 본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 상세히 설명된다.
도 3을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 전체 수신기 구조가 도시된다. 도 3에 도시된 수신기는 M진 위상 천이 변조(MPSK) 전송 신호 복조기(300)의 출력이 복조 신호의 위상 또는 이의 양자화 지수이고, 복조기(300)의 출력을 이용하여 비터비 복호를 수행하는 수신기 모델이다. 수신 신호와 국부 발진기(301)의 신호는 곱셈기(305)에서 곱해지며, 곱해진 신호는 고주파 성분을 제거하기 위해 복소 저주파 필터(302)를 거쳐 I/Q 채널의 복조 신호로서 생성된다. 이를 ATAN 함수 연산을 수행하는 블록(303)을 이용하여 복조 신호의 위상을 얻는다. 최적 가지 메트릭과 부최적 가지 메트릭을 유도할 때는 ATAN 함수 연산 블록(303)의 출력인 복조 위상을 양자화 없이 그대로 이용한다. 또한 시스템을 고려하는 경우 복조 위상을 Q개의 양자화 위상으로 양자화하고 양자화 위상의 지수(Index)를 출력하는 양자화기(304)가 들어 있는 시스템 모델을 고려한다.
비터비 복호기(310)는 크게 가지 메트릭 계산기(311), ACS(Add-Compare-Select) 연산기(312), 경로 메모리(313)로 이루어져 있다. 가지 메트릭 계산기(311)에서는 복조기(300)에서 복조된 복조 위상과 신호 집합의 각 신호 위상과의 가지 메트릭 값을 계산하고, ACS 연산기(312)에서는 각 스테이트에 모이는 경로의 경로 메트릭을 서로 비교하여 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 경로를 선택하고, 이렇게 선택된 경로 메트릭과 경로를 각각 그 스테이트의 경로 메트릭과 경로로 결정한다. 경로 메트릭은 가지 메트릭 계산기에서 계산된 가지 메트릭과 이전 스테이트의 경로 메트릭 값을 더한 것이다. 각 스테이트 중에서 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 스테이트의 경로를 경로 메모리로부터 읽어 경로 신호 조합으로부터 전송 신호를 복호한다. 본 발명은 가지 메트릭 계산기(311)에서 복조 위상만을 이용하여 가지 메트릭을 계산하기 위한 방법 및 장치를 제안한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 가지 메트릭 계산 알고리듬을 해석적으로 유도하고 설명한다.
최우도 신호열 복호 알고리듬은 수신 신호열의 조건부 확률을 최대화하는 전송 신호열을 결정·복호하는 알고리듬이다. 무기억 채널(Memoryless Channel)에서는 길이 L인 신호열의 조건부 확률은 길이 1인 각 신호 요소의 조건부 확률의 곱으로 표현 가능하다.
수학식 1에서,는 수신 복조된 신호열이고,은 전송 가능한 메시지 신호열 중 하나이고,는 i번째 수신 복조된 신호 벡터이고,는의 i번째 신호 벡터이고, p(x|y)는 y에 대한 x의 조건부 확률이다. 일반적으로 수학식 1의 수학적 등가인 대수 우도 함수(Log-Likelihood Function : LLF)를 사용하는데 이는 조건부 확률 또는 우도 함수(Likelihood Function)에 자연 대수를 취한 후 -1을 곱한 것이다.
수학식 2에서, -1을 곱했으므로 최우도 신호열 복호 알고리듬은 대수 우도 함수를 최소화하는 전송 신호열을 결정·복호하는 알고리듬이 된다.
수학식 2에 나타난 대수 우도 함수 최소화하는 복호 알고리듬과 비터비 알고리듬 사이의 관계를 맺어 보면, i번째 수신 복조 신호에 의한 대수 우도 함수()는 i번째 가지 메트릭이고, 길이 L인 신호열의 대수 우도 함수는 경로 메트릭(Path Metric)이고, 최소의 대수 우도 함수값을 갖는 신호열은 생존 경로(Survival Path)이다. 수신 복조 위상만 이용한 최우도 신호열 복호는 수신 복조 위상에 대한 대수 우도 함수의 합을 최소화는 신호열을 찾거나 이와 수학적으로 등가인 함수를 이용하여 복호를 수행하는 것인데, 이는 최적의 가지 메트릭을 이용하여 비터비 복호를 수행하는 것과 동일한 것이다. i번째 복조 위상에 대한 대수 우도 함수 또는 이와 수학적으로 등가인 함수를 i번째 가지 메트릭으로 사용하여 최적의 비터비 복호를 수행할 수 있다. 그러므로 복조 위상만 이용한 최적의 비터비 복호를 위하여 복조 위상에 대한 대수 우도 함수를 구하여야 한다.
i번째 MPSK 변조 신호가 AWGN채널을 통해 수신 복조 된다고 할 때, 복조된 신호의 크기,, 와 위상,,의 조건부 확률은 수학식 3과 같다.
수학식 3에서,로 i번째 전송 신호의 복조 신호 크기와 위상이고,이고,는 i번째 전송 신호의 위상이고,는 전송 신호의 에너지이고,는 복소 AWGN 잡음의 분산이다. 수학식 3에서 복조 신호의 크기에 대하여 적분함으로써 복조 신호의 위상에 대한 조건부 확률을 구할 수 있다.
수학식 4에서,로 정의되는 함수이다. 수학식 4에서 계산된 조건부 확률을 이용하여 최적의 가지 메트릭을 계산하면 수학식 5와 같다.
수학식 5에서, 첫 번째 항과 두 번째 항은 모든 신호에 대하여 공통이므로 최적의 가지 메트릭 값은 세 번째 항만 이용하여 구할 수 있다. 가지 메트릭 값은 복조 위상차가 커질수록 증가하고, 위상차가 작은 구간에 대하여 최적의 가지 메트릭 값은 SNR에 따라 다른 기울기를 갖는 선형 함수로 근사화 가능함을 알 수 있다.
수학식 5를 이용한 최적의 가지 메트릭을 구하기 위하여 매우 많은 계산량을 요구하여, 고속 전송에서 복조 위상만 이용하여 비터비 복호를 수행하는데 많은 어려움이 있다. 또한 최적의 가지 메트릭은 잡음에 의해 동일 위상 천이가 발생하여도 SNR에 따라 상이한 메트릭 값을 가지므로 복조 SNR을 정확히 측정하여야 하는 문제점이 있고, 실제 ASIC 구현에 있어서도 가지 메트릭과 경로 메트릭을 저장하기 위한 레지스터의 사이즈를 결정하는데 문제가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 복조 SNR에 관계없이 동일 위상 천이에 대하여 동일 가지 메트릭을 갖고, 가지 메트릭을 얻기 위한 계산량을 줄이는 새로운 부최적 가지 메트릭을 유도한다.
비터비 복호기의 ACS 연산에 의해 각 스테이트에서 모이는 경로들의 경로 메트릭을 비교하여 이 중 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 경로를 각 스테이트의 경로로 결정한다. 경로 메트릭은 가지 메트릭의 합이므로 각 스테이트에서 가장 작은 경로 메트릭은 작은 가지 메트릭들의 합이라고 생각할 수 있다. 그러므로 부최적 가지 메트릭을 전송 신호와 복조 신호 사이의 위상차가보다 작은 경우에 중점을 두어 유도한다. 수학식 5에서 첫째 항과 두 번째 항은 모든 경우에 대하여 공통이므로 이를 생략하여도 복호 성능에는 아무런 영향을 주지 않는다. 일반적으로 전송에 사용하는 SNR과 전송 신호와의 위상차가 작은 경우 수학식 5의 세 번째 항의 괄호 내에서 두 번째 항이 1보다 크므로 1을 무시하면 가지 메트릭은 근사적으로 수학식 6과 같다.
수학식 6에서,은 i번째 전송 신호의 위상이이고 복조 신호의 위상이일 때 가지 메트릭이다. 수학식 6에서 우리가 고려하는 위상차 범위에서 두 번째 항이 다른 두 항보다 매우 큰 값을 가지고 있으므로 가지 메트릭은 근사적으로 하기 수학식 7과 같이 간단히 할 수 있다.
수학식 7에서,를 이용하고, 공통인 항들을 생략·정규화한 것이다. 수신 위상차가 1보다 작은 경우 cos 함수의 테일러 급수 전개를 이용하여 가지 메트릭을 간략화 하면 하기 수학식 8과 같다.
수학식 8에서,는값에의 정수배를 더하거나 빼서범위로 바꾸는 연산으로 정의한다. 즉,(k는 임의의 정수, y∈(a, b])일 때이다. 수학식 8을 가지 메트릭으로 이용하는 것을 SBM(Square Branch Metric)이라고 정의한다. 또한, 복조 위상차가근처일 때 수학식 7은 수학식 9와 같이 가지 메트릭을 간략화 할 수 있다.
수학식 7에서,가근방일 때를 이용하였다. 수학식 9를 이용한 가지 메트릭을 LBM(Linear Branch Metric)이라고 정의한다. 수학식 8과 수학식 9에서 각각 유도한 SBM과 LBM은 부최적 가지 메트릭으로 사용하면 최적의 가지 메트릭을 사용할 때 보다 월등히 적은 계산량으로 가지 메트릭을 얻을 수 있다.
실제 비터비 복호기를 구현하기 위해서는 복조 위상의 양자화가 필요하다. 복조 위상의 양자화는 원호 상에서 등간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 신호의 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수(index)를 양자화 복조 위상으로 할당하는 프로세스이다. Q(≥M)개의 양자화 복조 위상의 집합을 U라고 하면하기 수학식 10으로 정의되는 집합이다.
수학식 10에서, k는 양자화 복조 위상 지수(Index)이고, 양자화기의 출력값이다. 즉, 비터비 복호기는 양자화 복조 위상 지수를 이용하여 복호를 수행한다. 여기서 MPSK 신호의 위상 은 양자화 위상 집합의 부분 집합이 되게 양자화 위상을 결정한다고 가정한다. i번째 전송 신호의 양자화 위상 지수를라 하고 i번째 양자화 복조 위상 지수를라 할 때, SBM과 LBM은 양자화 복조 위상 지수를 이용한 수학식 11과 수학식 12에 나타낸 QSBM (Quantized SBM)와 QLBM(Quantized LBM)로 각각 변형하여 사용할 수 있다.
이하, 도 4 내지 도 11을 참조하여 본 발명의 가지 메트릭 계산기의 구성을 더욱 상세히 설명한다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 위상만 이용한 최적의 가지 메트릭 계산기(311)의 상세 블럭도를 도시한다. 도면에서,과은 각각 n번째 복조된 수신 신호의 I채널과 Q채널의 데이터이고, 이를 ATAN 블럭(303)의 입력으로 사용한다. ATAN 블럭(303)의 출력은 입력에 따른 위상이다. 신호 성상에 의한 k번째(k=0,...,M-1) 신호의 위상에 n번째 복조 위상인을 감산기(411-0 ~ 411-(M-1))에서 뺀 것과 복조기(300)에서 추정한값을 입력으로 하여 BM 계산기(412-0 ~ 412-(M-1))에서 가지 메트릭을 수학식 5를 변형한 하기 수학식 13에 따라서 계산한다.
도 4에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭을 가지고 있으므로 M개의 동일한 블럭(410-0 ~ 410-(M-1))이 존재한다. 최적의 가지 메트릭을 사용하는 경우 복조 신호의 정확한값을 추정하여야 하므로 복조기의 복잡도가 증가한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기(311)의 상세 블럭도이다.과은 각각 n번째 복조된 수신 신호의 I채널과 Q채널의 데이터이고, 이를 ATAN 블럭(303)의 입력으로 사용한다. ATAN 블럭(303)의 출력은 입력에 따른 위상이다. 신호 성상에 의한 k번째(k=0,...,M-1) 신호의 위상에 n번째 복조 위상인을 감산기(510-0 ~ 510-(M-1))에서 뺀 값을 곱셈기(511-0 ~ 511-(M-1))에서 2배 하여 -cos(·) 연산기(512-0 ~ 512-(M-1))에서 -cos(·) 연산을 하는 블럭의 입력으로 사용한다. -cos(·) 연산을 수행하는 블럭의 출력을 가지 메트릭으로 사용한다. 도 5에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭을 가지고 있으므로 M개의 동일한 블럭(500-0 ~ 500-(M-1))이 존재한다. 도 5는 수학식 7을 가지 메트릭으로 사용하는 경우에 해당한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기(311)의 상세 블럭도이다.과은 각각 n번째 복조된 수신 신호의 I채널과 Q채널의 데이터이고, 이를 ATAN 블럭(303)의 입력으로 사용한다. ATAN 블럭(303)의 출력은 입력에 따른 위상이다. 신호 성상에 의한 k번째(k=0,...,M-1) 신호의 위상에 n번째 복조 위상인을 감산기(610-0 ~ 610-(M-1))에서 뺀 값을 mod 블럭(611-0 ~ 611-(M-1))에서연산을 수행하여 mod 블럭(611-0 ~ 611-(M-1))의 입력값에 2π의 정수배의 값을 더하거나 빼서사이의 값으로 변환하여 출력한다. 출력된 값을 곱셈기(612-0 ~ 612-(M-1))에서 자승하여 가지 메트릭으로 사용한다. 도 6에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭(600-0 ~ 600-(M-1))을 가지고 있으므로 M개의 동일한 블럭이 존재한다. 도 6은 수학식 8을 가지 메트릭으로 사용하는 경우에 해당한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도이다.과은 각각 n번째 복조된 수신 신호의 I채널과 Q채널의 데이터이고, 이를 ATAN 블럭(303)의 입력으로 사용한다. ATAN 블럭(303)의 출력은 입력에 따른 위상이다. 신호 성상에 의한 k번째(k=0,...,M-1) 신호의 위상에 n번째 복조 위상인을 감산기(710-0 ~ 710-(M-1))에서 뺀 값을 mod 블럭(711-0 ~ 711-(M-1))에서연산을 수행하여 mod 블럭의 입력값에 2π의 정수배의 값을 더하거나 빼서사이의 값으로 변환하여 출력한다. 출력된 값의 절대값을 구하는 ABS(·) 블럭(712-0 ~ 712-(M-1))의 출력을 가지 메트릭으로 사용한다. 도 7에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭을 가지고 있으므로 M개의 동일한 블럭(700-0 ~ 700-(M-1))이 존재한다. 도 7은 수학식 9를 가지 메트릭으로 사용하는 경우에 해당한다.
도 8은 양자화기(304)를 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기(311)의 상세 블럭도이다. 이는 도 6의 상세 블럭도와 거의 유사한 구조를 가지므로 그것과의 차이점만 기술한다. Q-level 양자화기(304)에서 동일 간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수값(index)을 출력한다.는 신호 상상에 따른 k번째(k=0,...,M-1) 신호 위상의 양자화 위상의 지수값이다. 이 때 수학식 10으로 정의되는 양자화 위상의 집합의 부분 집합이 신호 성상 집합이 되게 양자화 위상 집합을 정한다. 감산기(810-0 ~ 810-(M-1))를 이용하여 복조 양자화 위상 지수에서 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수를 뺀 값을 mod(-Q/2, Q/2] 연산기 블럭(811-0 ~ 811-(M-1))의 입력으로 사용한다. mod(-Q/2, Q/2] 연산기 블럭(811-0 ~ 811-(M-1))에서는 입력값에 Q의 정수배를 더하거나 빼서 (-Q/2, Q/2] 사이의 정수값으로 변환한 값을 출력한다. mod(-Q/2, Q/2] 블럭의 출력을 곱셈기(812-0 ~ 812-(M-1))에서 자승하여 가지 메트릭으로 사용한다. 도 5에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭을 가지고 있으므로 M개의 동일한 블럭(800-0 ~ 800-(M-1))이 존재한다. 도 5는 수학식 11을 가지 메트릭으로 사용하는 경우에 해당한다.
도 9 또한 양자화기(304)를 이용하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가지 메트릭 계산기(311)의 상세 블럭도이다. 이 역시 도 7의 상세 블럭도와 거의 유사한 구조를 가지므로 그것과의 차이점만 기술한다. Q-level 양자화기에서 동일 간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수값(index)을 출력한다.는 신호 상상에 따른 k번째(k=0,...,M-1) 신호 위상의 양자화 위상의 지수값이다. 이 때 수학식 10으로 정의되는 양자화 위상의 집합의 부분 집합이 신호 성상 집합이 되게 양자화 위상 집합을 정한다. 감산기(910-0 ~ 910-(M-1))를 이용하여 복조 양자화 위상 지수에서 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수를 뺀 값을 mod(-Q/2, Q/2] 연산기 블럭(911-0 ~ 911-(M-1))의 입력으로 사용한다. mod(-Q/2, Q/2] 연산기 블럭(911-0 ~ 911-(M-1))에서는 입력값에 Q의 정수배를 더하거나 빼서 (-Q/2, Q/2] 사이의 정수값으로 변환한 값을 출력한다. mod(-Q/2, Q/2] 블럭의 출력의 절대값 가지 메트릭으로 사용한다. 도 5에서는 평형 구조를 갖는 가지 메트릭 계산기를 나타낸다. 각 신호 성상에 대해 동일한 계산 블럭을 가지고 있으므로 M개의 동일한 블럭(900-0 ~ 900-(M-1))이 존재한다. 도 9는 수학식 12를 가지 메트릭으로 사용하는 경우에 해당한다.
도 10a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직렬 구조 가지 메트릭 계산기의 상세 블럭도이다. 도 10은 도 5의 가지 메트릭 계산기 상세 블럭도의 평형 구조를 직렬 구조로 바꾼 예를 보인 것이다. 다른 가지 메트릭 계산기 상세 블럭도에 나타낸 평형 구조를 직렬 구조로 변환하기 위해서는 도 10a처럼 점선으로 표시된 사각형 안의 블럭(1010)을 각 가지 메트릭 계산기 상세 블럭도의 점선으로 나타낸 블럭(즉, 도 5의 500-0, 도 6의 600-0, 도 7의 700-0, 도 8의 800-0, 도 9의 900-0)으로 대치하면 된다. 이러한 직렬 구조에서는 한 수신 복조 신호에 대하여 M개의 가지 메트릭을 순차적으로 계산하여야 하므로 한 수신 복조 신호 주기 안에 M번의 가지 메트릭 계산을 수행하여야 한다 (도 10b의 타이밍도 참조). 복조 위상을 양자화하는 경우는 ATAN 블럭(303) 이후에 양자화기(304)가 삽입되고, 이 때 Mux 블럭(1000)의 입력으로는 신호 성상 위상이 아닌 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수가 사용된다.
도 11에는 위상 양자화에 대한 개념도가 도시되어 있다. 도 11은 Q=16인 경우를 도시한다.
본 발명에서는 복조된 수신 MPSK 신호의 위상만을 이용하는 비터비 복호를 위한 새로운 최적의 가지 메트릭과 비터비 복호를 간단하게 하기 위한 부 최적 가지 메트릭을 유도·제안하였다. 복조된 수신 위상만 이용한 최우도 복호인 비터비 복호를 위해 수신 위상의 조건부 확률 분포 함수를 유도하였고, 이를 이용하여 수신 위상만 이용한 최적(Phase-Only Optimal)의 가지 메트릭을 유도하였으며, 가지메트릭 계산을 간단히 하기 위한 SBM과 LBM을 유도·제안하였으며, 양자화 경우에 대하여 QSBM과 QLBM을 제안하였다. 아울러 새로운 가지 메트릭 계산기의 다양한 구성예도 보였다.

Claims (22)

  1. 디지털 통신 시스템에 이용되는 수신기로서,
    수신 신호와 곱해지기 위한 신호를 생성하는 국부 발진기;
    수신 신호를 상기 국부 발진기의 출력 신호와 곱하기 위한 곱셈기;
    상기 곱셈기의 출력 신호에서 고주파 신호를 제거하여 I/Q 채널의 복조 신호를 출력하는 복소 저주파 필터;
    상기 복소 저주파 필터의 출력 신호 중에서 위상 신호만을 추출하는 ATAN 연산기; 및
    비터비 연산을 수행하는 비터비 복호기를 포함하는 디지털 수신기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 비터비 복호기는,
    상기 ATAN 연산기의 출력과 신호 집합의 각 신호 위상과의 가지 메트릭 값을 계산하는 가지 메트릭 계산기;
    가지 메트릭 계산기에서 계산된 가지 메트릭과 이전 스테이트의 경로 메트릭 값을 더한 경로 메트릭을 서로 비교하여 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 경로를 선택하고, 선택된 경로 메트릭과 경로를 각각 그 스테이트의 경로 메트릭과 경로로 결정하는 ACS 연산기; 및
    각 스테이트의 경로를 저장하는 경로 메모리를 포함하는 디지털 수신기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기으로 부터 k번째 신호의 위상을 빼고, 그 결과와 복조기에서 추정한 Es/N0값을 입력으로 하는 BM 계산기를 구비하는 것을 특징으로 하는 디지털 수신기.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 BM 계산기는 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  6. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 k번째 신호의 위상을 뺀 후 그 결과를 2배 한 다음 -cos(·) 연산을 하여 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 가지 메트릭은 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  8. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 k번째 신호의 위상을 빼고, 그 결과에연산을 수행하고, 그 결과를 자승하여 가지 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 가지 메트릭은 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 k번째 신호의 위상을 빼고, 그 결과에연산을 수행한 다음, 그 결과에 절대값을 취하여 가지 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 가지 메트릭은 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  12. 디지털 통신 시스템에 이용되는 수신기로서,
    수신 신호와 곱해지기 위한 신호를 생성하는 국부 발진기;
    수신 신호를 상기 국부 발진기의 출력 신호와 곱하기 위한 곱셈기;
    상기 곱셈기의 출력 신호에서 고주파 신호를 제거하여 I/Q 채널의 복조 신호를 출력하는 복소 저주파 필터;
    상기 복소 저주파 필터의 출력 신호 중에서 위상 신호만을 추출하는 ATAN 연산기;
    상기 ATAN 연산기의 출력인 위상 신호를 Q개의 양자화 위상으로 양자화하고 양자화 위상의 지수를 출력하는 양자화기; 및
    비터비 연산을 수행하는 비터비 복호기를 포함하는 디지털 수신기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 비터비 복호기는,
    상기 ATAN 연산기의 출력을 양자화하는 양자화기 출력과 양자화 신호 집합의 각 신호 위상으로부터 가지 메트릭 값을 계산하는 가지 메트릭 계산기;
    가지 메트릭 계산기에서 계산된 가지 메트릭과 이전 스테이트의 경로 메트릭값을 더한 경로 메트릭을 서로 비교하여 가장 작은 경로 메트릭을 갖는 경로를 선택하고, 선택된 경로 메트릭과 경로를 각각 그 스테이트의 경로 메트릭과 경로로 결정하는 ACS 연산기; 및
    각 스테이트의 경로를 저장하는 경로 메모리를 포함하는 디지털 수신기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 동일 간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수값을 구한 후, 상기 지수값으로부터 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수를 뺀 값을 mod (Q/2, Q/2] 연산을 수행 한 후 그 결과를 자승하여 가지 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 가지 메트릭은 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 동일 간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수값을 구한 후, 상기 지수값으로부터 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수를 뺀 값을 mod (Q/2, Q/2] 연산을 수행 한 후 그 결과에 절대값을 취하여 가지 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 가지 메트릭은 하기 수학식
    으로 표현되는 디지털 수신기.
  18. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는,
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 이와 별도로 신호 성상 위상내지을 멀티플렉싱한 후, 상기 복조 위상으로부터 상기 멀티플렉싱된 신호를 뺀 후 그 결과를 2배하여 그 결과에 -cos(·)연산을 수행한 후 그 결과를 디멀티플렉싱하여 가지 메트릭을 구하는 직렬 구조형 가지 메트릭 계산기를 갖는 디지털 수신기.
  19. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는,
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 이와 별도로 신호 성상 위상내지을 멀티플렉싱한 후, 상기 복조 위상으로부터 상기 멀티플렉싱된 신호를 뺀 후 그 결과를 mod (-π, π] 연산을 수행한 다음, 그 결과를 자승한 후 그 결과를 디멀티플렉싱하여 가지 메트릭을 구하는 직렬 구조형 가지 메트릭 계산기를 갖는 디지털 수신기.
  20. 제 2 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는,
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 이와 별도로 신호 성상 위상내지을 멀티플렉싱한 후, 상기 복조 위상으로부터 상기 멀티플렉싱된 신호를 뺀 후 그 결과를연산을 수행한 다음, 그 결과에 절대값을 취한 후 그 결과를 디멀티플렉싱하여 가지 메트릭을 구하는 직렬 구조형 가지 메트릭 계산기를 갖는 디지털 수신기.
  21. 제 13 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 동일 간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수값을 구한 후, 상기 지수값으로부터 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수를 멀티플렉싱한 값을 뺀 후 mod (Q/2, Q/2] 연산을 수행한 후 그 결과를 자승한 후 디멀티플렉싱하여 가지 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
  22. 제 13 항에 있어서, 상기 가지 메트릭 계산기는
    복조된 수신 신호의 I 채널과 Q 채널의 데이터를 ATAN 연산을 하여 복조 위상을 구하고, 상기 구해진 복조 위상으로부터 동일 간격으로 나누어진 Q개의 양자화 위상 중 수신 복조 위상과 가장 가까운 양자화 위상의 지수값을 구한 후, 상기 지수값으로부터 신호 성상 위상의 양자화 위상 지수를 멀티플렉싱한 값을 뺀 후 mod (Q/2, Q/2] 연산을 수행한 후 그 결과에 절대값을 취한 후 디멀티플렉싱하여 가지 메트릭을 구하는 디지털 수신기.
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