TWI258085B - Soft-threshold-based multi-layer decision feedback equalizer and decision method - Google Patents

Description

!258085 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種通訊系統之決策回饋等化器 (Decision Feedback Equalizer，DFE)，更明確地說，本發明 是關於一種如光碟機、硬碟機和乙太網路的通訊系統中接 收器之多層軟性決策回饋等化器與決策方法。 【先前技術】 在通k糸統中’傳送器與接收器之間的通道(channei) 的不完美特性，這會造成接收器所收到的訊號產生擴散失 真的現象，進而干擾到相鄰的訊號碼，此種失真係所謂的 碼際干擾（Inter-Symbol Interference，ISI)。 依先前技術，決策回饋等化器（dfe)係為解決此失真問 題，而習知決策回饋等化器之方塊圖如第一圖所示。該習 知决策回饋專化為包含一前饋式濾波器（peed Forward Filter，FFF)、一 回饋式濾波器（Feed Backward Filter，FBF)、 一加法器以及一決策單元，而等化器的輸出〜可由下列式 子表示 名1 Na w=0 其中， 〜表示回饋式濾波器的w_th連接權値(tap-weight) 表不别饋式遽波器的(所+1 )_th連接權値 九表示回饋式濾波器令連接(tap)的數量 Μ表示前饋式濾波器令連接的數量 1258085 依先前技術，習知決策回饋等化器的決策單元係以選 通器（sheer)實施，該選通器將傳送的信號對應到最靠近的 等化器的輸出，以2-ΡΑΜ{+1，-1}為例，當等化器的輸出大 於零，則選通器輸出+1 ;否則，選通器輸出4。然而，此 一先别技術需要在訊雜比（Signai-to-noise ratio, SNR)較高 的環境中，選通器才能準確地運作。若訊雜比不夠高，選 通器將使決策單元做出不正確的決策，而且此一錯誤（err〇r) 將被回饋到回饋式濾波器，而造成錯誤蔓延（Err〇r _ Propagation)的發生，致使系統效能的降低。 為解決選通器的錯誤所造成的問題，F. Zhao，G. Mathew，and Β· Farhang-Boroujeny 揭露一種決策回馈等化 态（TT-DEF)於 2001 年 1 月在 /凡她^，v〇l. 37, Issue: 1，ρρ· 592-602 戶斤發表「Techniques for Minimizing

Error Propagation in Decision Feedback Detectors for Recording Channels」論文中。tt_dfE的運作係當決策錯 誤發生在第η次，則在第η+ι次致使有一較大的偏移 (offset)。藉由偵測該較大的偏移，則在第η次的錯誤事件 _ 就可被偵測出來並回復。TT_DFE係根據下列式子運作

Type 1: rn+] = (/〇 - 2αχ )χ^+1 + εά^χ, for χη+χ = ?

Type 2:〜+，(/〇 + 2% )〜+1 + 4=-'， 其中， /〇是前饋式滤波器的一個連接權値，接近於1 ^是雜訊 TT-DFE利用一臨界測試(Threshold Test)，如第二圖所 示，該臨界測試基於X/7+;的値偵測在第η次的兩 1258085 種決策錯誤，如下列式子表示

Type 1 : or < β

Type 2 : 其中，％，％，Α，戽為設計參數。 【發明内容】 ^為了月匕有效抑制通訊系統中碼際干擾的問題，本發明 提供一種多層軟性決策回饋等化器（s〇ft Th— based

Multi’layer Decision Feedback Equalizer，STM_DEF)來改善 系統的效能。 ° 八本毛月之目的在提供一種抑制通訊系統中碼際干擾 (ISI)問題的多層軟性決策回饋等化器與決策方法。 擎，•在提供一種具有錯誤更正能力之STM引 #该STM引手在習知決策回饋算介哭由T加曰# 施且可_易取代溪捐哭^· 、+、 σσ 仁易於硬體貫 也且工㈣代遥通$(sheer)來實施決策單元。 本發明之目的在提供—㈣低成本超 (VLSI)實現的多層軟性決策回饋等化器。以貝體屯路 為達到上述目的，本發明多厣 _棚），包含：—前饋式濾^ 化器 一加法器以及-決策單S，該加法 ^濾波器、 的輸出端與該回饋式濾波器的輪出端，二U刖貝式濾波器 決策單元偵測該輸出的値是否在一而丄亚產生—輪出，該 一己疋義的可靠度臨界值 7 1258085 内，以決定該決策單元的運作為一選通器或延遲決策輸出。 其中，該決策單元可操作於一選通模式（sHcing mode) ’、延遲决策模式（delay decsion mode)。 本發明多層軟性決策回饋等化器，包含：-前饋式濾 」以接收—傳送資料、-回饋式濾、波器、-加法器 以及一多層軟性決策引擎（Soft-Threshold-based Multi-layer ，簡稱STM引擎）’該加法器搞接該前饋式 /思/ 、别出端與該回饋式漶波器的輸出端，並產生一等 =，认且該STM引擎包含：一臨界偵測器，用以積測 。出以產生一可靠度輸出；一資料偵測器，用以 栌二：可2态輪出並產生-回饋輸出；以及-狀態機’根 二:Μ ° *度輪出以控制該資料债測器產生或延遲該回饋 輸出。 、 、、目i該臨界偵測器基於一己定義的可靠度臨界值偵 一态輸出，而該可靠度輸出指示該等化器輪出位於 可=區或該等化器輸出位於一非可靠區。 、 斗f中，該狀態機包含一選通狀態與一延遲決策狀態， f可靠度輸出指示該等化器輸出位於可靠區’則資料^測 1出資料’且狀態機轉為選通狀態致使STM引擎的運作 為—選通器，若可靠度輸出指示該等化器輸出位於非可靠 區’則該狀態機處在延遲決策狀態致使資料债測器延遲該 回績輸出’―相可靠度輸出指示該等化器輸出位於可= 區，該狀態機才回到選通狀態。 、 本叙月夕層車人性決策方法，實施於一決策回饋等哭 3 Κι箄包含以下步驟：Si臨界值來侦測 Μ决朿回饋寻化器的輸出以決定該決策單元的運作為_、Pe 通器或延遲決策。 ^ I258085 其令，該方法進一步包合mi $於一臨界值來谓測該決策四饋等‘!界谓測器 區或一非可靠區。 、、化為的輸出位於一可靠 料，2決策回饋等化器操I轉I選=:輸出所偵測資 策，並將決策_等化器的輸出值^該決策單元延遲決 時刻的輸出值輸入於臨界偵測哭，二值與下- 器該可靠區才輸出;策決 凡轉為運作為-選通器。 十|„亥决朿早

根據本發明多層軟性決策方法所實現之 回饋等化器可以運用於通訊系統的接收器中，^目 光碟機、硬碟機和乙太網路接收器， U ==等化器的相近，而設計上只丄= «•(Sheer)換成所提出之多層軟性決策引擎即可。本發明 但能有效解決因選通器所造成的迴授累積之錯誤蔓^，且 能有效地降低接收訊號的錯誤率和一連串連續錯^的錯嗜 率’其錯誤率明顯優於傳統決策回饋等化器。 曰"' 【實施方式】 雖然本發明將參閱含有本發明較佳實施例之所附圖式 予以充份描述，但在此描述之前應瞭解熟悉本行之人士可 修改在本文中所描述之發明，同時獲致本發明之功效。因 此，須瞭解以下之描述對熟悉本行技藝之人士而言為一廣 泛之揭示，且其内容不在於限制本發明。 μ 1258085 本發明提出一種多層軟性決策方法，實施於一決策回 饋荨化為（DFE)的決策單元，該方法包含以下步驟：基於一 己定義的可靠度臨界值來偵測該決策回饋等化器的輸出以 決定該決策單元的運作為一選通器或延遲決策，該可靠度 臨界值的大小為可使本發明方法相對於用一個選通器獲得 最大的錯誤率更正能力，可經由理論求得。決策單元以臨 界偵測(threshold detection)區分為一可靠區（rdiable regi〇n) 與一非可靠區（unreliable region)，其間界限稱為可靠度臨界 值。該決策單元可偵測出該輸出的値位於該可靠區或非可 靠區，進而決定該決策單元的運作模式。 決策單元的運作模式包含一選通模式（slicing瓜“幻與 一延遲決策模式（delay decsion mode)。當決策單元操作於選 通模式時，該決策單元的運作為一選通器，而決策單元操 — 作於延遲決策模式，該決策單元的運作延遲決策輸出且持 縯偵測到该輸出的値是否位於可靠區，即己接收的訊號是 否在可靠度臨界值内。 根據本發明的多層軟性決策方法，決策單元不會偵測 φ 傳送的信號，直到偵測出己接收的訊號是在可靠度臨界值 内。以4-PAM為例，請配合參考第三圖所示，有3個非可

罪區（unreliable region)在第一層（Stage 1)被界定，當 DFE 的輸出 '位於這些非可靠區時，決策單元不做出決"策，否 則，決策單元偵測傳送的訊號。假如輸出、是在非可靠區 時，在第n+1次界定了下列式子〇) 乙+1 = x⑴

假如非可靠區是介於狀態1(state 與狀態2(state2)之 間，則必需在狀態丨與狀態2作出選擇。、η可為4_pAM 1258085 的-個值。因此，在第n+1 續到偵測出輸出m土r ^ 口妹序將持 會程序分別表示為第=了『广f弟/與…㈣次的 k-Ι 層（Stage k n ^ (Stage 〇、乐二層（Stage 2)、···第 都是V使用本二:除了第一層之外’每-層的狀態數量 更正錯誤的數量最大每一ί的可靠度臨界值是使 士 ^ A 大化，而且母一層的可靠度臨界值可能 也不同。在較佳實施例中，本發 的成本，可以限定本發明最大的層數。 本Λ明多層軟性決策(STM)方法的_，具有N 最大層數為N。在第Μ，界定了下列 lXn^N^2 +a2Xn^N^3 + -- + aN^n (2) 而在第k層的偵測是選握 列式子⑶最小化 W;，Wv，X”’並使下 fi- Ρ γ (3)

Zj Γ^Ν~ΐ-2ΐα^η+Ν 1=1 \ y=o 其中，〇〇=1 在此特別強調上列式子的組合數 故(以M_PAM為例） =里除了弟一層之外是 迴叶瞀而且，上列式子可以遞 的部分可在第-層至第Ν]層計算。‘…句)/、他 示，ΡΑ^3, +1，_1，-3}為例，請配合參考第三圖所 非可^ Γ 是在介於狀態1(+3)與狀態2(+1)之間的 h在區…則本發明STM方法儲存狀g !與狀態2的值 1258085 亚计异k-3) and(r”-l)。在第n+1次'必須為+3或小 且X”二可為4個狀態的任一個狀態，如此會有八種組人 被計算。在第二層，假如決策亦是非可靠的 、 = ㈣)與狀態2({χ_神3,仰 =y區，本發明STM方法儲存狀g丨與 为別為。在第n+2次， t+广}的候選值為{+3，+3}與{+3,+1}，χ””亦可為4個 ，的任:個狀態。同樣地，在第三層會有人種組合。此程

^可持續直到決策成為可靠的。在第Μ，假如決策是可 :的，f本發明S™方法同時偵測k個未知符石馬(symbol) 且回到弟一層。 5月翏考第四圖，係顯示本發明多層軟性決策回饋 ϋ二塊圖。本發明多層軟性決策回饋等化器 ^ M-DFE)，、包含··—前饋式滤波器，用以接收—傳送資 二、-回饋式濾、波器、_加法器以及—多層軟性決策引擎 ςτ ft Th:eSh〇ld baSed Multi_layer decision engine，簡稱 y、引^) σ亥加法态耦接該前饋式濾波器的輸出端與該回

』式濾、波器的輸出端，並產生—等化器輸出，且該stm引 手包含：一臨界偵測器、-資料偵測器以及-狀態機。 關於STM引擎的運作，請配合第五圖所示，狀態機 (ratemachine)為一有限狀態機，而輸出狀態值到臨界偵測 ^貢料摘測1。當狀態k(即帛k+Ι層），假如臨界债測器 雨出了二非可靠信號，則狀態值加1(再進入下一層），即 引擎延遲決策輸出。否則，狀態值設為〇，即回到第 ^ Stm ’I偵測态測武著狀態機所指示的目前狀態，偵測 f等化态輸出的値是否位於可靠區，並將臨界偵測器的結 輸出到狀態機。臨界值是本發明的料參數。在第一層 12 1258085 中’最佳臨界值可近似於WHl-α,Ι。資料偵測器係根據式子 (3)偵測傳送的訊號。 在具體實施例中，本發明提出一種磁性紀錄系統作為 設計的例子。在磁性紀錄系統中，調變的方式是2_pAM， 所以本發明以兩層STM方法實施STM-DFE。在此一實施 例中，STM引擎的各單元進一步描述如下： 、 L臨界偵測器，測試輸入〜是否小於|义|><|1 —叫，然後 輸出二二進位值以控制有限狀態機。在具體實施例的運用 上，第一層（l-stage)的可靠度臨界值為卜卜卩―糾，以為回饋 式滤波器的第一個權値係數。 2·狀態機，具有兩種狀態，分別是選通模式（sncing Mode)與延遲決桌模式(Deiay decision Mode)。在選通模式 日$，stm引擎是處於第一層，假如丨^|是大於一^丨，STM 引擎的運作為一選通器；否則，STM引擎延遲決策輸出且 保留〜值，STM引擎的操作模式進入延遲決策模式。在延 遲決策模式時，STM引擎偵測兩個傳送的資料且改變到選 通模式。 _ 3·資料偵測器，執行式子（3)的計算且輸出等化器輸 出。請參考第六A圖，進一步揭示資料偵測器的VLSI架 構，其中切換（switch)的操作如第六B圖所示。 為了瞭解STM-DFE的效能，本發明模擬比較了 STM-DFE與習知DFE、TT-DFE關於位元錯誤率（Bit Error Rate，BER)與連續錯誤長度(Burst Error Length，BEL)的效 能。本發明模擬實驗使用由B. E. Moision，P. Seigel，andE. Soljanin 於 1998 年八月 16-21 日在 ISIT Cambridge，MA， USA 所發表「Error Event Characterization and Coding for the Equalized Lorentzian Channel」論文中所提通道模組 13 1258085 (channel module)，使用者密度(user density从為 2 5 _ 圖與第八圖的模擬實驗具有相同的模擬方式。 · °乐七 請參考第七圖，係顯示本發明STM-DFE與習知Dfe 及TT-DFE之位元錯誤率（BER)比較圖。很明顯地，本發明 STM-DFE比習知DFE及TT-DFE具有較佳的性能，且三層 STM-DFE 優於兩層 STM_DFE。

请參考弟八圖，係顯示本發明STM-DFE與習知DFE 及TT-DFE之連續錯誤長度(Bel)比較圖。很明顯地，本發 明STM-DFE在每一連續錯誤長度總是比習知DFE及 TT-DFE達到較低的累積連續錯誤機率。換言之，本發明 STM方法在減少錯誤蔓延有較佳的表現。此外，從第七圖 與第八圖的觀察，三層STM_DFE在位元錯誤率及連續錯誤 長度的比較上皆優於兩層STM-DFE。 在詳細說明本發明的較佳實施例之後，熟悉該項技術 人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下 可進行各種變化與改變，而本發明亦不受限於說明書之所 舉實施例的實施方式。

14 1258085 【圖式簡單說明】 第一圖為習知決策回饋等化器之方塊圖。 第二圖為另一習知決策回饋等化器之臨界測試方塊 圖。 第三圖為本發明多層軟性決策之示意圖。 第四圖為本發明多層軟性決策回饋等化器之方塊圖。 第五圖為本發明STM引擎之方塊圖。 第六圖為本發明兩層STM引擎之VLSI架構圖。 第七圖為本發明STM-DFE與習知DFE及TT-DFE之 * 位元錯誤率（BER)比較圖。 第八圖為本發明STM-DFE與習知DFE及TT-DFE之 連續錯誤長度(BEL)比較圖。 【主要元件符號說明】 10··· 決策回饋等化器 11··· 前饋式滤波器 12··· 回饋式濾波器 13··· 加法器 14". 決策單元 20··· 多層軟性決策回饋等化器 21··· 前饋式濾波器 22··· 回饋式濾波器 23… 加法器 30··· STM引擎 31··· 臨界偵測器 32··· 資料偵測器 33·· •狀態機 15

Claims (1)

1258085 十、申睛專利範圍·· 1· -種多層軟性決策回饋等化哭，·— 一回饋式濾波界、一 别饋式濾波器、 搞接該前m㈣^ 及—決策單元，該加法哭 端’並產生一；出皮式濾波器的輪； -己定義的可靠度心：早_該輪出的値是否在 為-選通決賴決絲元的運作 的値位於-可靠區或一非二靠？ Λ度臨界值判斷該輪出 3:申以:、述之/層軟性決策回饋等化 區，則決定兮、、办策„二、測出5亥輸出的倍位於該可靠 J厌疋夬朿早兀的運作為一選诵哭。 4·如申請專利範圍第2項所 = :/、中决朿早70偵測出該輸出的値位於，非可4 則決定該決策單元的運作為 ^^亥非I罪區， 出該輸出的値位於可靠區。 、朿輸出，一直到偵測 5· —種多層軟性決策回饋等， ’ 用以接收一傳送資料、、一㈤二/： 3 · 一前饋式濾波器， 一多層軟性決策引擎，該加ϋ皮為二加法器以及 輸出踹盥钤㈤庐斗、、淹4 ^ ’為輕接該前饋式遽波器的 出，其中該多層i性:策::二並產生^ 靠度輸:携則器，用以偵測該3等化器輸出以產生-可 物資=測器，用以债測該等化器輸出並產生-回 -狀態機，根據前述可靠度輸出以控制該資料债測 16 !258〇85 為產生或延遲該回饋輸出。 Ϊ申5項所述之多層軟性決策回饋等化 偵測該等：ί “偵測器基Ϊ 一己定義的可靠度臨界值 位於—可#二：而料#度輸㊉指補等化器輸出 7. 如申請寺化器輪出位於一非可靠區。 器其中項所f之多層軟性決策回饋等化 8. 如申心《匕含一遙通狀態與一延遲決策狀態。 為-選^ 紐使該多層軟性決策引擎的運作 二等化 遲該回饋輸出。朿狀悲致偏多層軟性決策引擎延 器，可m7 層軟性決策回饋等化 則資料棒该寺化器輸出位於可靠區， 層軟性決策;二出運 11 ^ 區，則該狀態機處^遲指;^等^輸出位於非可靠 ;!，，-直到 &區，該狀態機才回到選通狀態。-輪出位於 2.-種多層軟性決策方法 策單元，該方法包含以下步於决東回饋荨化器的決 定該 ίϊ 二 專利範二 17 1258085 該決策回饋等二貞測器基於一臨界值來_ 14.如申請專利位於—可靠區或—非可靠區。 步包含以下牛4f」項所述之多層軟性決策方法，進— 靠區時，二;決策回饋等化器的輸出位於該可 步包圍第所述之多層軟性決策方法，進― 可靠區時，器的輸出位於該非 化器的輸出值保留，豆伴包伯，决朿，並將決策回饋等 於臨界_器，—直到該 時刻的輸出值輸入 可靠區才輪出13饋等化器的輸出位於該 -選通器 朿回饋_貝料，且該決策單元轉為運作為

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