KR960011120B1

KR960011120B1 - 최적 적응 필터 갱신 계수를 발생하는 방법 및 장치

Info

Publication number: KR960011120B1
Application number: KR1019930700465A
Authority: KR
Inventors: 엘.바움 켈빈
Original assignee: 모토로라 인코포레이티드; 안쏘니 제이. 살리 2세
Priority date: 1991-06-28
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1996-08-20
Also published as: JPH06500913A; BR9205341A; GB2264600A; MX9203306A; WO1993000741A1; GB2264600B; DE4292034C2; KR930701866A; DE4292034T1; CA2086548C; JP2960165B2; US5276707A; GB9303631D0; US5230007A

Abstract

내용 없음.

Description

최적 적응 필터 갱신 계수를 발생하는 방법 및 장치

제1도는 전형적인 적응 필터의 블록도이다.

제2a도, 제2b도, 및 제2c도는 서로 다른 세 개의 적응 필터 동작 환경을 도시한 도면이다.

제3도는 본 발명에 따른 프로세스의 양호한 실시예의 블록도이다.

제4도는 본 발명에 따른 프로세스의 다른 실시예의 블록도이다.

제5도는 본 발명의 프로세스에 따른 MSE 대 μ의 그래프이다.

제6도는 본 발명의 프로세스에 따른 고정 갱신 계수 및 최적 갱신 계수를 도시한 도면이다.

제7도는 지연 확산(delay spread) 환경에서 본 발명의 프로세스에 따른 갱신 계수를 도시한 도면이다.

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 통신분야에 관한 것으로, 특히, 디지털 셀룰라 통신에 관한 것이다.

발명의 배경

미국 디지털 셀룰라 통신은 이동 전화기와 기지국(abase station) 사이의 통신을 위해 디지털화된 음성 및 데이터 신호를 사용한다. 상기 이동 전화기가 이동할 때, 이것은 시간에 따라 변하는 잡음 및 다중 경로 왜곡으로 인해 통신 채널의 성능을 저하시킬 수도 있다. 다중 경로 왜곡은 신호가 빌딩 및 지형에 부딪혀(bounced off)이 신호가 서로 다른 시간에서 상기 이동 전화에 의해 수신되는 것에 기인한다. 다중 경로 채널은 적응 필터의 특정 유형인 적응 등화기(adaptive equalizer)에 의해 제거될 수 있는 심볼간 간섭(ISI)을 초래할 수 있다.

전형적인 적응 필터가 제1도에 도시된다. 입력신호(106)는 적응 필터(101)에 의해 처리되어 적응 필터 채널신호(102)를 발생한다. 상기 적응 필터의 출력은 기준 신호(103)로부터 감산되어 에러 신호(104)를 발생한다. 상기 에러 신호(104)는 필터 계수를 갱신하도록 갱신 계수 μ를 가진 적응 알고리즘에 의해 상기 적응 필터에서 사용된다. 상기 갱신 계수는 또한 추적(tracking) 계수 또는 메모리 계수로도 지칭된다. 상기 적응 알고리즘의 메모리는 μ값이 증가함에 따라 증가하는 것으로 가정된다.

상기 갱신 계수는 상기 적응 알고리즘의 메모리를 제어하며, 결정해야 할 사항은 채널 특성의 변화를 상기 적응 필터가 추적할 수 있는 속도와 상기 적응 알고리즘에 의해 달성되는 평균 잡음량 사이의 트레이드－오프(trade－off)이다. 상기 적응 알고리즘 메모리가 축소됨에 따라, 상기 알고리즘은 보다 양호하게 통신 채널에서의 시간변화를 추적할 수 있지만 상기 통신 채널상의 잡음에 보다 더 민감해 질 것이다. 상기 갱신 계수가 보다 많은 잡음을 필터링 해내도록 선택된다면, 필터의 채널 추적 능력은 감소될 것이다.

상기 적응 알고리즘은 칼만(kalman) 알고리즘, 재귀 최소 제곱(Recursive Least Square) 알고리즘 또는 최소평균 제곱(Least Mean Square : LMS)알고리즘일 수 있다. 상기 적응 알고리즘의 주된 목적은 상기 에러 신호의 평균 제곱 값을 최소로 하는 것이다. 이 값은 전형적으로 평균 에러(MSE)로 지칭된다.

제2a도, 제2b도, 및 제2c도는 적응 필터 동작 환경의 가능한 세가 분류를 도시한다. 제2a도는 잡음이 존재하는 환경에서의 시불변 시스템을 도시한다. 이 경우에 있어서 E_T로 표시된 전체 MSE는 단지 En으로 표시된 잡음에 의해서만 발생되는데 이는 시스템이 시변 시스템이 아니기 때문이다. 상기 전체 MSE는 μ에 비례한다.

제2b도는 잡음이 존재하는 환경에서의 시변정상 시스템(time varying but stationary system)이 도시된다. 정상 시스템은 시간에 따라 변하지 않는 더 높은 차수의 신호 통계량을 갖는다. 이 실시예에서, E_T(203)는 두개의 독립 성분, 즉 지연 에러(lag error)(201)와 잡음(202)의 합으로 이루어진다. 상기 지연 에러(201)는 트랙이 상기 시변 시스템을 추적하고자 하는데에 기인한다. E_T로 표시된 지연 에러(20)는 μ에 반비례한다. 상기 잡음 성분(202)에 제2a도에 도시된 바와 같은 환경에 기인한다. 제2b도에서는 커브(204)의 교차점에 대응하는 μ값을 선택함으로써 전체 MSE가 최소화 될 수 있음을 알 수 있다.

마지막 세 번째 환경은 잡음이 존재하는 환경에서의 시변 비정상 시스템(time varying, non－stationary system)이다. 이 경우의 전체 MSE는 제2도에 도시된 것과 동일한 성분으로 이루어진다. 상기 두 시스템과의 차이는, 상기 커브가 시간에 따라 이동(shift)또는 변화하는 기울기를 가져서 이것이 커브상의 최소점을 이동시키고 따라서 μ의 최적값을 시간에 따라 변화시킨다는 것이다. 이 환경은 제2b도 및 제2c도를 비교하므로써 설명된다. 제2b도는 임의 시간 t₁에서의 MSE특성을 나타내는 반면 제2c도는 그 후의 임의 시간 t₂에서의 MSE 특성을 타나낸다.

상기 세번째 환경에서의 고정된 갱신 계수는 변화하는 환경 때문에 적합한 필터 성능을 제공하지 않을 것이다. 차량 속도 및 채널 상태에 따라 갱신 계수를 자동적으로 적응시킬 필요가 있으며 그에 따라 필터 성능을 개선하게 된다.

발명의 요약

본 발명에 따른 방법은 각기 갱신 계수를 갖는 다수의 적응 알고리즘을 구비한 장치안에 최적 적응 필터갱신 계수를 제공한다. 상기 방법은 다수의 적응 알고리즘의 각 성능을 비교하는 것으로 시작되며 그후 상기 성능 차이에 응답하여 갱신 계수를 변화시킨다.

양호한 실시예의 상세한 설명

본 발명의 프로세스는 변화하는 환경에서 적응 필터 갱신 계수를 자동적으로 조절하고 최적화한다. 상기 갱신 계수는 두 개의 적응 필터에 대한 MSE 추정값 사이의 필터링된 차이에 의해 발생되는 피드백 신호에 의해 연속적으로 갱신된다.

본 발명에 따른 프로세스의 양호한 실시예에 대한 블록도가 제3도에 도시된다. 상기 프로세스는 세 개의 적응 필터(301 내지 303)로 이루어져 있다. 각각의 필터는 서로 다른 갱신 계수 μ₁,μ₂및 μ₃를 갖는 것을 제외하면 동일하다. 제2갱신 계수인 μ₂는 상기 프로세스에 의해 최적화되는 계수이다. 최적 갱신 계수는 이하 μ'로 표시된다. μ₂가 최적 갱신 계수이기 때문에, 제2적응 필터(302)는 실제로 원하는 적응 필터링 기능을 실행하는데 사용된다.

상기 갱신 계수는 아래의 관계식을 가지며,

μ₁＜μ₂＜μ₃

μ₁＝μ₂－μ_d

μ₃＝μ₂＋μ_d

이때 μ_d는 사용된 특정 적응 알고리즘 뿐만 아니라 통신 다바이스가 동작할 수 있는 특정 시스템을 위해 선택된 상수이다.

다른 실시예에 있어서, μ_d는 상기 갱신 계수가 변화함에 따라 시간에 따라 변할 것이다. 양호한 실시예에서, μ_d는 LMS적응 알고리즘을 사용하여 0.01이 된다.

상기 프로세스는 맨먼저 상기 적응 필터(301 내지 303)로부터 에러 신호를 발생시킨다. 이것은 가능한 한 밀접하게 기준 신호와 매칭되는 신호를 형성하는 방식으로 입력 신호를 필터링하는 적응 필터(301 내지 303)에 의해 이루어진다. 양호한 실시예에서, 상기 입력 신호는 통신 수신기로 검출된 심볼이다. 이들 출력 신호는 제3도에서 출력 신호 1, 출력 신호 2 및 출력 신호 3로 표시된다. 이때 상기 필터로부터의 각각의 출력 신호가 기준 신호로부터 감산된다(304 내지 306). 양호한 실시예에서, 상기 기준 신호는 수신된 신호이다. 이들 두 신호 사이의 차가 에러 신호이다.

평균 제곱 에러 추정이 제1 및 제3적응 필터(301 및 303)로부터의 에러 신호상에서 실행된다(307 및 308), 각 에러 신호에 대한 MSE는 다음과 같이 추정된다.

여기서 k는 초기치이고, n은 상기 에러 신호의 샘플수이다. 예를 들어, 제1추정 싸이클동안 k＝1이고 n＝10일 경우, 그다음 싸이클에서는 k가 12에서 시작할 것이다.

추정된 MSE 사이의 차(309) 즉 E_d＝E_T1－E_T3는 μ^*에 보다 가까워지기 위해 μ축을 따라 어느 방향으로 이동시켜야 하는지를 나타낸다. 양호한 실시예에서는 E_d는 비교기(301)에 입력되어 R0과 비교된다. E_d＜0일 경우, μ₁는 μ₃보다는 μ^*에 가까워진다. 그러므로, 상기 계수들은 μ₂를 μ^*에 보다 끼워지도록 이동시키기 위해 감소되어야만 한다. 이 경우, 상기 계수 갱신은 다음과 같이 도시된다.

E_d＜0일 경우,

μ₁＝μ₁－

μ₂＝μ₂－

μ₃＝μ₃－

이와 달리 E_d＞0일 경우, 상기 계수는 다음과 같이 증가되어야 한다.

μ₁＝μ₁＋

μ₂＝μ₂＋

μ₃＝μ₃＋

여기서는는 갱신 계수 스텝 크기이다. 이 값은 응용에 따라 달라진다. △는 시불변 환경 및 정상 환경에서는 매우 작은 값으로 선택될 수 있고 비정상 환경 동안은 그보다 약간 큰 값으로 선택될 수 있다. 이 값은 갱신 계수 추정값의 정확도 및 상기 갱신 계수의 적응 속도를 결정한다. 양호한 실시에서,는 LMS적응 알고리즘을 사용하여 0.005가 된다. μ_d와 마찬가지로, 다른 실시예에서는가 시간에 따라 변할 수 있다.

제4도에 도시된 다른 실시예에서, Ed는 비교기 대신 필터(410)에 입력된다. 상기 펄스 에러 차 신호의 크기에 응답하는 시변 스텝 크기(고정된 스텝 크기에 비교됨)를 제공한다. 예컨대, 상기 에러 착 신호가 커질 때 상기 스텝 크기는 알고리즘의 비교적 빠른 수렴(convergence)을 초래하도록 자동적으로 증가한다. 한편, 상기 필터를 사용하는 것은 본 발명의 복잡성을 기증시키고 비교적 고차 필터가 사용될 경우 안정성 문제를 유발할 수도 있다. 안정성 및 단순성을 고려한다면 1차 디지털 무한 임펄스 응답(IIR)필터가 신호된다. 이 경우, 생긴 계수는 필터의 출력값을 상기 계수에 더하므로써 적응된다.

여러 적응 과정의 반복후, μ₁은 μ^*보다 약간 작아지고, μ₃는 μ^*보다 약간 커지며, μ₂는 거의 μ^*에 일치하고, 에러 차 신호는 거의 제로가 된다. 이제 적응 필터 2(302)는 현재의 환경에 최적화된 것이다. 환경이 변할 경우, 본 발명에 따른 프로세스는 적응 필터 2(302)의 최적도(optimality)를 유지되도록 상기 변화를 검출 및 추적한다.

위에서 기술된 프로세스는 MSE 대 μ^*를 도시한 제5도에서 알 수 있듯이 그래프 형태로 도시될 수 있다. E_d＜0일 경우, E_T1및 E_T3(501)커브의 오른쪽에 위치하며 최적 포인트인 커브의 하부에 μ₂를 위치시키도록 커브의 좌측으로 내려져야만 한다. 이것은 μ₂를 μ^*점으로 보다 가깝게 이동시키도록 상기 갱신 계수를만큼 감소시킬 것을 요구한다. 마찬가지로, E＞0일 경우, E_r1및 E_r3(502)는 커브의 왼쪽에 위치하며 최적 포인트에 μ₂를 위치시키도록 커브의 우측으로 내려져야만 한다. 이것은 μ₂를 μ^*점(503)으로 보다 가깝게 이동시키도록 상기 갱신 계수를만큼 증가시킬 것을 요구한다.

고정된 갱신 계수에 대해 본 발명의 프로세스를 사용하는 개선도가 제6도 및 제7도에 도시된다. 이들 그래프에서, 상기 프로세스는 미국 디지탈 셀룰라 시스템을 위한 최대 가능 시퀀스 추정 등화기(Maximum Likelihood Sequence Estimation equalizer)의 시뮬레이션에 있어서 최소 평균 제곱(LMS) 적응 채널 추정기와 함께 사용된다. 상기 고정된 갱신 계수는 고속 차량안에서 이동 무선 전화기가 이동하고 있을 때 적절한 성능을 허용하도록 μ＝0.38에 세트된다. 본 발명의 프로세스를 사용함으로써, 상기 MLSE등화기의 성능이 제6도에 도시된 바와 같이 아주 낮은 차량 속도에서 개선된다. 제6도는 다중 경로 지연의 함수로써 상기 MLSE 등화기의 성능을 도시하며 상기 차량 속도는 약 5mph가 된다. 제7도는 63mph로부터 5mph로 차량 속도가 순간적으로 떨어질 때 지연 확장 및 공통 채널 간섭을 가진 채널에서 상기 프로세스가 어떻게 동작하는지를 보여준다. 상기 갱신 계수가 비교적 낮은 차량 속에 적합한 비교적 낮은 새로운 레벨로 빠르게 감소한다는 것을 알 수 있다.

양호한 실시예에서, 본 발명의 프로세스가 한 알고리즘으로써 구현된다. 본 발명의 다른 실시예는 하드웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합에 의해 구현될 수 있다. 즉 상기 프로세스의 각 블록은 임의 한 알고리즘 또는 상기 블록과 동일한 하드웨어 회로로써 존재한다.

요약하자면, 이제까지 변화하는 환경에서 적응 필터 갱신 계수를 자동적으로 최적화하는 프로세스가 기술되어 왔다. 상기 갱신 계수를 어떻게 변화시킬 것인지를 결정하기 위해 각 적응 알고리즘의 성능을 비교하므로써, 그 특징 환경에 대한 최적 갱신 계수가 얻어질 수 있다. 본 발명의 프로세스를 사용하는 통신 디바이스는 고정된 갱신 계수를 사용하는 장치보다 우수한 성능을 가질 것이다.

Claims

입력 신호를 가진 장치에서 최적 적응 필터 갱신 계수를 발생하는 방법으로서, 상기 입력 신호 및 제1갱신 계수(μ₁)에 응답하여 제1에러 신호를 발생시키는 단계(304)와, 상기 입력 신호 및 제2갱신 계수(μ₂)에 응답하여 제2에러 신호를 발생시키는 단계(305)와, 상기 입력 신호 및 제3갱신 계수(μ₃)에 응답하여 제3에러 신호를 발생시키는 단계(306)와, 상기 제1에러 신호에 응답하여 제1평균 제곱 에러를 추정하는 단계(307)와, 상기 제3에러 신호에 응답하여 제2평균 제곱 에러를 추정하는 단계(308)와, 평균 제곱에러 차(E_d)를 제공하도록 제1평균 제곱 에러로부터 제2평균 제곱 에러를 감산하는 단계(309)와, 상기 평균 제곱 에러 차(E_d)에 응답하여 적응 신호를 발생시키는 단계(310)와, 상기 적응 신호에 응답하여 상기 제1, 제2, 및 제3갱신 계수를 변화시키는 단계 및 상기 평균 제곱 에러 차를 사실상 0으로 만들기 위해 상기 제1단계로부터 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 최적 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3에러 신호가 적응 필터(301,302,303)에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 최적 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
제2항에 있어서, 상기 적응 필터가 적응 등화기인 것을 특징으로 하는 최적 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
제1항에 있어서, 상기 적응 신호가 상기 평균 제곱 에러 차를 0과 비교하므로써 발생되는 것을 특징으로 하는 최적 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
입력 신호를 가진 장치에서 적응 필터 갱신 계수를 발생하는 방법으로서, 제1에러 신호를 발생시키기 위해, 제1갱신 계수(μ₁)를 가진 제1적응 필터(401)로 상기 입력 신호를 필터링하는 단계와, 제2에러 신호를 발생시키기 위해, 제2갱신 계수(μ₂)를 가진 제2적응 필터(402)로 상기 입력 신호를 필터링하는 단계와, 제3에러 신호를 발생시키기 위해, 제3갱신 계수(μ₃)를 가진 제3적응 필터(403)로 상기 입력 신호를 필터링하는 단계와, 상기 제1에러 신호에 응답하여 제1평균 제곱 에러(E_T1)를 추정하는 단계(407)와, 상기 제3에러 신호에 응답하여 제2평균 제곱 에러(E_T3)를 추정하는 단계(408)와, 평균 제곱에러 차(E_d)를 제공하기 위해 상기 제1평균 제곱 에러로부터 상기 제2평균 제곱 에러를 감산하는 단계(409)와, 적응 신호를 제공하기 위해 상기 평균 제곱 에러 차를 필터링하는 단계(410)와, 상기 적응 신호에 응답하여, 상기 제1, 제2, 및 제3갱신 계수를 변화시키는 단계 및 상기 평균 제곱 에러 차를 0으로 만들기 위해 상기 제1단계로부터 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
제5항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3적응 필터(301,302,303)가 적응 등화기인 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
입력 신호를 가진 장치에서 적응 필터 갱신 계수를 발생하는 방법으로서, 제1에러 신호를 발생시키기 위해, 제1갱신 계수(μ₁)를 가진 제1적응 필터(301)로 상기 입력 신호를 필터링하는 단계와, 제2에러 신호를 발생시키기 위해, 제2갱신 계수(μ₂)를 가진 제2적응 필터(302)로 상기 입력 신호를 필터링하는 단계와, 제3에러 신호를 발생시키기 위해, 제3갱신 계수(μ₃)를 가진 제3적응 필터(303)로 상기 입력 신호를 필터링하는 단계와, 상기 제1에러 신호에 응답하여 제1평균 제곱 에러(E_T1)를 추정하는 단계(307)와, 상기 제3에러 신호에 응답하여 제2평균 제곱 에러(E_T3)를 추정하는 단계(308)와, 평균 제곱 에러 차(E_d)를 제공하기 위해 상기 제1평균 제곱 에러로부터 상기 제2평균 제곱 에러를 감산하는 단계(309)와, 적응 신호를 제공하기 위해 상기 평균 제곱 에러 차를 소정의 값과 비교하는 단계(310)와, 상기 적응 신호에 응답하여, 상기 제1, 제2, 및 제3갱신 계수를 변화시키는 단계, 및 상기 평균 제곱 에러 차를 사실상 0으로 만들기 위해 상기 제1단계로부터 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
제7항에 있어서, 상기 제1, 제2, 및 제3의 적응 필터(301,302,303)가 적응 등화기인 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
제7항에 있어서, 상기 소정의 값이 0인 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
두 개의 적응 필터(301,304 ; 303,306)가 입력 신호 및 기준 신호를 각각 가지며 상기 두 적응 필터중 제1적응 필터는 제1메모리 계수(μ₁)를 가지며 상기 두 적응 필터중 제2적응 필터는 제2메모리 계수(μ₂)를 갖는 두 개의 적응 필터를 구비한 장치에서 최적 메모리 계수를 발생하는 방법에 있어서, 상기 입력 신호 및 상기 기준 신호에 응답하여 각 적응 필터에 대한 에러 신호를 발생하는 (301,304 ; 303,306) 단계와, 각 적응 필터에 대한 평균 에러를 발생하기 위해 각 에러 신호를 평균하는 단계(307,308)와, 상기 두 적응 필터의 상기 평균 에러를 비교하는 단계(309,310)와, 상기 평균 에러의 차이에 응답하여 상기 제1 및 제2메모리 계수를 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 발생 방법.
입력 신호를 가진 장치내에서 적응 필터의 갱신 계수를 최적화하는 장치로서, 갱신 계수(μ₁,μ₂)를 각각 가지며 다수의 에러 신호 발생을 위해 상기 입력 신호에 연결되는 다수의 적응 필터 수단(301 ; 303)과, 상기 다수의 에러 신호로부터 다수의 평균 제곱 에러 추정치(E_T1,E_T2)를 발생하기 위해 각각 서로 다른 적응 필터수단에 연결되는 단수의 평균 제곱 에러 추정 수단(307,308)과, 상기 다수의 평균 제곱 에러 추정 수단에 연결되어 상기 다수의 평균 제곱 에러 추정치를 감산하여 차 신호(E_d)를 발생하는 위한 합산 수단(309)과, 상기 합산 수단 및 상기 다수의 적응 필터 수단에 연결되어 갱신 계수 델타 신호를 발생하기 위한 비교수단(310)을 포함하는 것을 특징으로 하는 적응 필터 갱신 계수 최적화 장치.