KR20020051549A - Quantization and metric estimation method for iterative decoder - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 연판정 출력 비터비 알고리즘을 적용한 반복 복호 알고리즘을 하드웨어로 구현할 때 사용되는 양자화 방법 및 미터릭 계산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a quantization method and a metric calculation method used when implementing an iterative decoding algorithm using a soft decision output Viterbi algorithm in hardware.
일반적으로, 연판정 출력을 이용한 반복 복호방법(일반적으로 터보 코드라고 함)은 길쌈부호를 이용하는 방법과 블록부호를 이용하는 방법이 있으며, 이들은 원래 실수값의 연산을 필요로 한다. 그러나, 실제 하드웨어로 구현하기 위해서는 실수값 연산을 수행할 수 없기 때문에 이들을 효율적으로 양자화할 수 있는 기법과 이 양자화 값을 이용한 미터릭 계산방법이 요구된다.In general, an iterative decoding method using a soft decision output (generally referred to as a turbo code) includes a method of using convolutional code and a method of using block code, which require calculation of a real value. However, in order to implement real hardware, since a real value operation cannot be performed, a technique for efficiently quantizing them and a metric calculation method using the quantized values are required.
길쌈부호를 이용하는 방법은 미국특허 제 5,446,747 호에 개시되어 있는 바, 이는 트렐리스 복호기법 중 MAP 알고리즘(L. R. Bahl, J. Cocke, F. Jelinek, and J. Raviv, "Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 20, pp. 284-287, Mar. 1974.)을 사용하여 반복적으로 복호를 수행하는 방법이며, 여기에는 실제 하드웨어로 구현하기 위한 양자화방법에 대해서는 언급되어 있지 않다.The method of using the convolutional code is disclosed in US Pat. No. 5,446,747, which is a MAP algorithm of trellis decoding technique (LR Bahl, J. Cocke, F. Jelinek, and J. Raviv, "Optimal decoding of linear codes for minimizing symbol error rate ", IEEE Transactions on Information Theory, Vol. 20, pp. 284-287, Mar. 1974.). It is not mentioned.
블록부호를 이용하는 방법은 미국특허 5,563,897 호에 개시되어 있는 바, 이는 대수적인 복호 방식을 이용하며, 여기에서도 역시 양자화 방법에 대해서는 언급되어 있지 않다.A method of using a block code is disclosed in US Pat. No. 5,563,897, which uses an algebraic decoding method, which is also not mentioned here.
블록 부호에 대하여 연판정 출력 비터비 복호방법을 적용하여 복잡도를 감소시키고 반복적으로 복호를 수행하는 방법은 한국특허 출원 99-35893 호에 개시되어 있는 바, 이는 병렬로 연결된 블럭터보 부호에 적용할 경우에 매우 효율적인 방법이다. 그러나 상기한 바와 같이 연판정 출력을 이용한 반복 복호 기법에서는 복호의 원리에 대해서만 언급되어 있을 뿐 양자화방법과 이를 이용한 미터릭 계산방법에 대해서는 언급이 되어 있지 않다.A method of reducing complexity and repeatedly performing decoding by applying a soft decision output Viterbi decoding method to a block code is disclosed in Korean Patent Application No. 99-35893, which is applied to a block turbo code connected in parallel. In a very efficient way. However, as described above, in the iterative decoding method using the soft decision output, only the principle of decoding is mentioned, but not the quantization method and the metric calculation method using the same.
따라서, 터보 코드를 실제 하드웨어로 구현하기 위한 양자화 방법과 이 양자화 값을 이용한 미터릭 계산방법이 요구된다.Therefore, there is a need for a quantization method and a metric calculation method using the quantization value for implementing turbo code in real hardware.
상기와 같은 종래 기술의 필요성을 충족시키기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 연판정 출력 비터비 복호방식을 이용하여 반복 복호를 수행함에 있어서 BPSK 또는 QPSK 변조되어 수신된 신호를 q비트로 구성된 디지탈 신호로 양자화하고, 이 값을 이용하여 미터릭을 계산하는 방법 및 연판정 출력을 정규화하는 방법을 제공하기 위한 것이다.An object of the present invention devised to meet the needs of the prior art as described above, in performing iterative decoding using a soft decision output Viterbi decoding method, the signal received by BPSK or QPSK modulated to a digital signal consisting of q bits To provide a method of quantizing and using this value to calculate the metric and normalizing the soft decision output.
도 1은 본 발명이 적용되는 반복 복호기를 포함한 디지털 통신시스템의 구성도,1 is a block diagram of a digital communication system including a repeating decoder to which the present invention is applied;
도 2는 본 발명에 따른 수신신호 판단레벨 결정 알고리즘을 도시한 동작 흐름도,2 is an operation flowchart showing a received signal determination level determination algorithm according to the present invention;
도 3은 본 발명에 따른 양자화값 결정 알고리즘을 도시한 동작 흐름도,3 is an operation flowchart showing a quantization value determination algorithm according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 연판정 출력 비터비 복호 알고리즘을 도시한 동작 흐름도,4 is an operation flowchart showing a soft decision output Viterbi decoding algorithm according to the present invention;
도 5는 (31,25) expurgated BCH 부호를 내부 구성 부호로 사용하는 직렬 연접 블럭터보 부호에 대하여 실수 연산을 사용하였을 경우와 양자화 미터릭을 사용하였을 경우의 6회 반복 후의 비트 오율 성능 비교 그래프이다.FIG. 5 is a graph of bit error rate performance after six iterations when real number operation is used for a serial concatenated block turbo code using a (31,25) expurgated BCH code as an internal component code and when a quantization metric is used. FIG. .
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※※ Explanation of code about main part of drawing ※
11 : 소스 정보12 : 소스 부호기11: source information 12: source encoder
13 : 채널 부호기14 : BPSK/QPSK 변조기13 Channel Encoder 14 BPSK / QPSK Modulator
15 : 양자화기16 : 채널 복호기15 quantizer 16: channel decoder
17 : 소스 복호기18 : 정보 싱크부17: source decoder 18: information sink
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른, BPSK 또는 QPSK 변조된 신호를 채널을 통해 입력받아 상기 채널에서 발생하는 오류를 정정하는 디지틀 통신시스템 수신기의 반복 복호기에서의 양자화 및 미터릭 계산방법은,According to the present invention for achieving the above object, a quantization and metric calculation method in a repetitive decoder of a digital communication system receiver receiving a BPSK or QPSK modulated signal through a channel and correcting an error occurring in the channel,
상기 수신신호를 적어도 2 이상의 정수(q) 개의 비트로 양자화하는 제 1 단계와;A first step of quantizing the received signal into at least two integer (q) bits;
상기 양자화된 수신신호를 이용하여 연판정 출력 비터비 복호를 반복 수행하는 제 2 단계를 포함한 것을 특징으로 한다.And a second step of repeatedly performing soft decision output Viterbi decoding by using the quantized received signal.
이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 한 실시예에 따른 "반복 복호기에서 양자화 및 미터릭 계산방법"을 보다 상세하게 설명하기로 한다.Hereinafter, the "quantization and metric calculation method in a repeating decoder" according to an embodiment of the present invention with reference to the accompanying drawings will be described in more detail.
도 1은 본 발명이 적용되는 반복 복호기를 포함한 디지털 통신시스템의 구성 블록도이다. 이는 아날로그 소스 정보(11)를 수신하여 디지털신호로 부호화하는 소스 부호기(12), 소스 부호기(12)에서 출력되는 디지털화된 소스 신호를 채널 부호화하는 채널 부호기(13), 채널 부호기(13)에서 출력되는 부호화된 디지털 정보를 QPSK 변조하여 채널을 통해 전송하는 BPSK/QPSK 변조기(14), QPSK 변조된 신호를 채널을 통해 수신하여 양자화하여 연판정 정보를 출력하는 양자화기(15), 양자화기(15)에서 출력되는 양자화된 연판정 정보를 복호하는 채널 복호기(16), 복호된 정보를 복원하는 소스 복호기(17), 및 복원된 아날로그 신호에서 정보를 추출하는 정보 싱크부(18)를 포함한다.1 is a block diagram of a digital communication system including a repeater decoder to which the present invention is applied. These are output from the source encoder 12 for receiving the analog source information 11 and encoding them into a digital signal, the channel encoder 13 for channel encoding the digitized source signal output from the source encoder 12, and the channel encoder 13. BPSK / QPSK modulator 14 for transmitting QPSK-modulated coded digital information through a channel, quantizer 15 for receiving QPSK-modulated signals through a channel, and outputting soft decision information. The channel decoder 16 decodes the quantized soft decision information outputted from the CDMA, the source decoder 17 reconstructing the decoded information, and the information sink 18 extracting information from the reconstructed analog signal.
본 발명은 양자화기(15)의 양자화 방법과 채널 복호기(16)의 미터릭 계산방법에 적용된다. 양자화기(15)의 입력은 송신기에서 전송된 신호와 채널에서 발생한 오류가 더해진 아날로그 신호이다. 양자화기(15)는 도 2에 도시되어 있는 바와같은 알고리즘에 의해 미리 테이블화 되어 있는 수신신호 판단 레벨을 기준으로 도 3에 도시되어 있는 알고리즘에 의해 수신신호를 양자화된 연판정 값으로 할당한다.The present invention is applied to the quantization method of the quantizer 15 and the metric calculation method of the channel decoder 16. The input of quantizer 15 is an analog signal plus a signal transmitted from the transmitter plus an error occurring in the channel. The quantizer 15 assigns the received signal to the quantized soft decision value by the algorithm shown in FIG. 3 on the basis of the received signal determination level previously tabled by the algorithm as shown in FIG.
양자화된 연판정 값을 전달받은 채널 복호기(16)는 아래의 수학식 1에 나타나 있는 가지 미터릭 계산방법을 이용하여 도 4에 나타나 있는 바와 같이 연판정 출력 비터비 알고리즘을 수행한다. 복호 도중 연판정 출력값이 (2q-1)(주의 : q는 지수입니다) 보다 커지지 않도록 최대값은 항상 (2q-1)로 유지한다. 복호가 완료되면 연판정 출력값은 현재 복호에 사용된 외부 입력정보와 채널 신뢰도값을 빼 줌으로써 다음 번 복호에 사용될 외부 입력정보를 계산한다. 또한 계산된 외부 입력정보는 정규화를 위하여 외부 입력정보에 0.25를 곱해 준다. 이 과정은 전체값을 오른쪽으로 두 번 쉬프트시킴으로써 수행한다.The channel decoder 16 receiving the quantized soft decision value performs the soft decision output Viterbi algorithm as shown in FIG. 4 using the branch metric calculation method shown in Equation 1 below. During decoding, the maximum value is always kept at (2 q -1) so that the soft decision output value is not greater than (2 q -1) (Note: q is an exponent). When decoding is completed, the soft decision output value calculates the external input information to be used for the next decoding by subtracting the external input information and the channel reliability value used for the current decoding. Also, the calculated external input information is multiplied by 0.25 to the external input information for normalization. This is done by shifting the whole value to the right twice.
도 2를 참조하면서 수신신호 판단레벨을 결정하는 과정을 설명한다. 양자화기는 변수 i와 ql을 초기화하고, 수신된 신호 r을 미리 테이블화된 ql 개의 판단레벨과 비교하여(S22, S23, S24), q 개의 비트로 양자화한다(S25 ∼ S29). 여기서 수신신호 r은 송신단에서 '0'비트는 '-1'로, '1'비트는 '1'로 정규화하여 전송한 것으로 가정한다.A process of determining the reception signal determination level will be described with reference to FIG. 2. The quantizer initializes the variables i and ql, and quantizes the received signal r with q bits by comparing the received signals r with the previously determined ql decision levels (S22, S23, S24) (S25 through S29). In this case, it is assumed that the reception signal r is transmitted by normalizing '0' bit to '-1' and '1' bit to '1' at the transmitter.
따라서, 수신신호에 대해 3비트의 양자화된 값을 할당할 경우에는 수신신호의 레벨(ql)에 대한 판단레벨(qlevel[i])과의 관계는 다음과 같다.Therefore, when a 3-bit quantized value is assigned to the received signal, the relationship with the decision level qlevel [i] for the level ql of the received signal is as follows.
ql = 7,ql = 7,
qlevel[0] = 6/7 ≒ 0.857143,qlevel [0] = 6/7 ≒ 0.857143,
qlevel[1] = 4/7 ≒ 0.571429,qlevel [1] = 4/7 ≒ 0.571429,
qlevel[2] = 2/7 ≒ 0.285714,qlevel [2] = 2/7 ≒ 0.285714,
qlevel[3] = 0,qlevel [3] = 0,
qlevel[4] = -2/7 ≒ -0.285714,qlevel [4] = -2/7 ≒ -0.285714,
qlevel[5] = -4/7 ≒ -0.571429,qlevel [5] = -4/7 ≒ -0.571429,
qlevel[6] = -6/7 ≒ -0.857143.qlevel [6] = -6/7 ≒ -0.857143.
또한, 상기 3비트의 양자화된 값을 할당할 때의 판단레벨(qlevel[i])에 대한 양자화값과의 관계는 아래의 표 1에 정리되어 있다.The relationship between the quantization value and the determination level qlevel [i] when allocating the three-bit quantized value is summarized in Table 1 below.
본 발명에 따른 양자화기는 위의 표 1을 이용하여 양자화값을 결정하는데, 도 3은 이러한 양자화값 결정 알고리즘을 도시한 동작 흐름도이다.The quantizer according to the present invention determines the quantization value using Table 1 above. FIG. 3 is an operation flowchart illustrating this quantization value determination algorithm.
먼저, 변수 t를 초기화하고(S31), 수신신호가 t 번째 판정레벨보다 큰 값인지를 판단한다(S32). 단계 S32의 판정결과가 '아니오'이면, t 값을 1 증가시키고(S33), t가 ql 보다 작은 값인 지를 판단한다(S34). 단계 S34의 판단결과가 '예'이면 단계 S32로 되돌아가고, 단계 S34의 판단결과가 '아니오'이면 단계 S35로 진행하여 -(ql+1)/2 값을 양자화값으로 확정하고 종료한다(S35).First, the variable t is initialized (S31), and it is determined whether the received signal is greater than the t-th determination level (S32). If the result of the determination in step S32 is no, the value of t is increased by one (S33), and it is determined whether t is a value smaller than ql (S34). If the determination result of step S34 is YES, the flow returns to step S32. If the determination result of step S34 is NO, the flow advances to step S35 to confirm the-(ql + 1) / 2 value as a quantization value and ends (S35). ).
한편, 단계 S32의 판정결과가 '예'이면, t 번째 판정레벨이 0보다 큰 지를 판정한다(S36). 단계 S36의 판정결과가 '예'이면 (ql+1)/2-t를 양자화값으로 확정하고 종료하며(S37), 단계 S36의 판정결과가 '아니오'이면, (ql+1)/2-(t+1)를 양자화값으로 확정하고 종료한다(S38).On the other hand, if the determination result in step S32 is YES, it is determined whether the t-th determination level is greater than zero (S36). If the result of the determination in step S36 is YES, (ql + 1) / 2-t is determined as the quantization value and is terminated (S37). If the result of the determination in step S36 is no, (ql + 1) / 2- (t + 1) is determined as the quantization value and ends (S38).
다음, 도 4를 참조하면서 채널 복호기에서의 미터릭 계산 알고리즘을 설명하기로 한다. 수신신호로부터 채널 신뢰도(L(u))를 계산하고(S41), 계산된 채널 신뢰도 정보를 q 비트로 양자화한다. 이 채널 신뢰도 정보에 대한 양자화는 도 3의 양자화값 결정방법을 이용한다. 다음, 현재 부호에 대한 초기 외부 입력정보를 모두 0으로 초기화하고(S43), 외부 입력정보를 사용하여 현재 부호에 대한 연판정 출력 비터비 알고리즘을 사용하여 연판정 및 경판정 출력을 계산한다(S44).Next, a metric calculation algorithm in the channel decoder will be described with reference to FIG. 4. The channel reliability L (u) is calculated from the received signal (S41), and the calculated channel reliability information is quantized to q bits. Quantization of this channel reliability information uses the quantization value determination method of FIG. Next, all initial external input information for the current code is initialized to 0 (S43), and the soft decision and hard decision output are calculated using the soft decision output Viterbi algorithm for the current sign using the external input information (S44). ).
반복 중단 조건을 만족하는 지를 검사하여 만족할 경우에는 경판정 복호값을 출력한 후 종료하고(S45, S49), 그렇지 않은 경우에는 현재 부호에 대한 연판정 출력으로부터 그 다음 부호에 사용될 외부 정보를 계산한다(S46). 다음, 외부 정보를 정규화하기 위하여 오른쪽으로 두 비트 쉬프트하여 외부 입력정보에 0.25를 곱하고(S47), 다음 복호를 진행해야 할 부호로 이동하여 단계 S44부터 반복한다(S48).If it satisfies the condition of repetition stop, if it is satisfied, it outputs hard decision decoded value and ends (S45, S49). Otherwise, it calculates external information to be used for the next code from the soft decision output for the current code. (S46). Next, two bits are shifted to the right in order to normalize the external information, and the external input information is multiplied by 0.25 (S47). Then, the code is moved to the code to be decoded and repeated from step S44 (S48).
단계 S44에서의 연판정 출력 비터비 알고리즘에서는 아래의 수학식 1에 의해가지 미터릭(branch metric)(bm)을 구하고, 경로 미터릭(path metric)은 이전 시점의 경로 미터릭에 현재 계산된 가지 미터릭을 더하여 구한다.In the soft decision output Viterbi algorithm in step S44, the branch metric (bm) is obtained by Equation 1 below, and the path metric is the branch currently calculated on the path metric at the previous point in time. Add metric to get
여기서, rq' 과 eq'은 각각 양자화된 수신신호 rq와 이전 단의 연판정 출력 복호로부터 구해진 외부 입력정보의 양자화된 값 eq을 절대값과 부호 비트로 표시한 것이며, 각각의 부호 비트는 다음과 같이 결정된다. 즉, rq또는 eq의 부호와 그 시점에서 트렐리스 상의 부호 비트와의 사인이 같을 경우 양(+)이 되고 서로 상이할 경우 음(-1)이 된다.Here, r q 'and e q ' represent the quantized value e q of the external input information obtained from the quantized received signal r q and the soft decision output decoding of the previous stage, respectively, as an absolute value and a sign bit. Is determined as follows. In other words, if the sign of r q or e q is equal to the sign of the sign bit on the trellis at the time, the sign is positive (+) and negative if the sign is different from each other.
도 5는 본 발명에서 제시한 방법을 사용하여 (31,25) expurgated BCH 부호를 내부 구성 부호로 사용하는 직렬 연접 블럭터보 부호의 시뮬레이션 성능도이다. 도 5에는 6회 반복 후의 비트 오율이 비교되어 있는 데, 본 발명에서 제시한 양자화 및 미터릭 계산방법은 5비트로 양자화된 값을 사용하고도 실수 연산과 거의 동일한 성능을 나타냄을 알 수 있다.5 is a simulation performance diagram of a serial concatenated block turbo code using (31,25) expurgated BCH code as an internal component code using the method proposed in the present invention. In Fig. 5, the bit error rate after six iterations is compared, and it can be seen that the quantization and metric calculation methods proposed in the present invention exhibit almost the same performance as the real number operation even when using a 5-bit quantized value.
위에서 양호한 실시예에 근거하여 이 발명을 설명하였지만, 이러한 실시예는 이 발명을 제한하려는 것이 아니라 예시하려는 것이다. 이 발명이 속하는 분야의숙련자에게는 이 발명의 기술사상을 벗어남이 없이 위 실시예에 대한 다양한 변화나 변경 또는 조절이 가능함이 자명할 것이다. 그러므로, 이 발명의 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 한정될 것이며, 위와 같은 변화예나 변경예 또는 조절예를 모두 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the invention has been described above based on the preferred embodiments thereof, these embodiments are intended to illustrate rather than limit the invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes, modifications, or adjustments to the above embodiments can be made without departing from the spirit of the invention. Therefore, the protection scope of the present invention will be limited only by the appended claims, and should be construed as including all such changes, modifications or adjustments.
이상과 같이 본 발명에 의하면, 연판정 출력 비터비 알고리즘을 이용하는 반복 복호기법에서 양자화방법과 미터릭 계산방법을 하드웨어로 쉽게 구현할 수 있을 뿐만 아니라, 성능면에서도 적은 수의 양자화 비트, 즉 적은 연산을 사용하고도 실수 연산과 거의 동일한 성능을 얻을 수 있다는 장점이 있다.As described above, according to the present invention, in the iterative decoding method using the soft decision output Viterbi algorithm, not only the quantization method and the metric calculation method can be easily implemented in hardware, but also the number of quantization bits, i. Even if you use it, you can get almost the same performance as real operation.
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