TWI599183B - 最大可能性偵測器與偵測方法 - Google Patents

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Description

最大可能性偵測器與偵測方法
本發明是關於無線訊號接收，尤其是關於採用最大可能性偵測之無線訊號接收。
在無線通訊之應用中，使用者對於高資料傳輸率的需求日漸攀升，如何在有限的系統頻寬內有效提升頻寬使用效率、進而提升系統吞吐量（Throughput; TP），一直是各家業者鑽研的議題。在市場趨勢下，多傳多收技術（Multiple-Input Multiple-Output; MIMO）下的空間多工（Spatial Multiplexing）傳輸方式可以在不增加頻寬的前提下大幅增加系統吞吐量，因此該傳輸方式在近年來相當受到矚目。
空間多工的傳輸方式主要是利用發射端的多個天線在同個時間同個頻帶上傳送相互獨立的訊號，接收端亦採用多個天線以接收並偵測該些訊號。為了達到較佳的解調效能，接收端可採用最大似然法（Maximum-Likelihood Algorithm; ML Algorithm）。最大似然法可以理解成一追求最佳化的演算法，其以窮舉搜索（Exhaustive Search）的方式依據接收訊號來估測出在所有可能的解法中傳送訊號的最佳解。然而，窮舉搜索並非有效率的搜索方法，因其將所有可能解都加以運算，需耗費較長計算時間延遲（Processing Latency）、複雜度（Complexity）以及運算功率（Computation Power）。
更多先前技術可見於下列文獻：公開號CN101582748A之中國專利申請；以及IEEE之文獻Massimiliano Siti, Michael P. Fitz, “A Novel Soft-Output Layered Orthogonal Lattice Detector for Multiple Antenna Communications”, IEEE International Conference on Communications (ICC), 2006。
鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種最大可能性偵測器與偵測方法，以改善先前技術。
本發明揭露一種最大可能性偵測器，用來依據一接收訊號或其衍生訊號以及依據一通道估測訊號或其衍生訊號來執行一最大可能性偵測。該最大可能性偵測器之一實施例包含一搜尋值選擇電路與一最大可能性偵測電路。該搜尋值選擇電路用來決定一第一層搜尋值，該第一層搜尋值不小於一預設門檻值。該最大可能性偵測電路用來執行至少下列步驟：依據該接收訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號或其衍生訊號、以及該第一層搜尋值來選定 K個第一層候選訊號值，其中該 K為大於1的正整數；依據該 K個第一層候選訊號值計算 K個第二層候選訊號值；依據該 K個第二層候選訊號值判斷是否增加 P個第二層補充候選訊號值，並據以產生一判斷結果，其中該 P為正整數；當該判斷結果為是，增加該 P個第二層補充候選訊號值，依據該 P個第二層補充候選訊號值選定 P個第一層補充候選訊號值，並依據該 K個第一層候選訊號值、該 K個第二層候選訊號值、該 P個第一層補充候選訊號值以及該 P個第二層補充候選訊號值來計算對數概似比；以及當該判斷結果為否，依據該 K個第一層候選訊號值與該 K個第二層候選訊號值計算對數概似比。
前述最大可能性偵測器之另一實施例包含一搜尋值選擇電路與一最大可能性偵測電路。該搜尋值選擇電路用來決定一第一搜尋值與一第二搜尋值，該第一與第二搜尋值均不小於一預設門檻值。該最大可能性偵測電路用來執行至少下列步驟：依據該接收訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號或其衍生訊號、以及該第一搜尋值來選定 K1個第一層第一候選訊號值，其中該 K1為大於1的正整數；依據該 K1個第一層第一候選訊號值計算 K1個第二層第二候選訊號值；依據該接收訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號之對換訊號或其衍生訊號、以及該第二搜尋值來選定 K2個第一層第二候選訊號值，其中該 K2為大於1的正整數；依據該 K2個第一層第二候選訊號值計算 K2個第二層第一候選訊號值；依據該 K1個第一層第一候選訊號值、該 K1個第二層第二候選訊號值、該 K2個第一層第二候選訊號值以及該 K2個第二層第一候選訊號值來計算對數概似比。
有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作較佳實施例詳細說明如下。
以下說明內容之用語係參照本技術領域之習慣用語，如本說明書對部分用語有加以說明或定義，該部分用語之解釋係以本說明書之說明或定義為準。
本發明之揭露內容包含最大可能性偵測器與偵測方法、以及採用最大可能性偵測之無線訊號接收器，是以位元（Bit）為單位並以軟判決（Soft Decision）方式來輸出對應的對數概似比（Log Likelihood Ratio; LLR）當作解碼電路的輸入值，以進行錯誤更正。該些偵測器與接收器之部分元件單獨而言可能為已知元件，在不影響發明之充分揭露及可實施性的前提下，以下說明對於個別已知元件的細節將予以節略；另外，該方法可以是軟體及/或韌體之形式，可藉由本發明之硬體裝置或其等效電路來執行。本發明適用於多維（Multiple-Dimension）或多層（Multiple-Layer）的訊號接收，例如多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple Output; MIMO）通訊系統的訊號接收。採用MIMO通訊技術例如是長程演進（Long-Term Evolution; LTE）技術、無線區域網路（Wireless Local-Area Network; WLAN）技術、全球互通微波存取（Worldwide Interoperability for Microwave Access; WiMax）等。為便於瞭解，以下說明將以LTE通訊系統之應用為例進行說明，但本發明之應用不以此為限。
請參閱圖1，其是本發明之採用最大可能性偵測之無線訊號接收器之一實施例的示意圖。如圖1所示，無線訊號接收器100包含：一離散傅立葉轉換（Discrete Fourier Transform; DFT）電路110，用來將一時域訊號轉換為一頻域訊號；一參考訊號擷取（Extraction）電路120，用來依據該頻域訊號產生一擷取參考訊號；一通道估測（Channel Estimation）電路130，用來依據該擷取參考訊號產生一估測訊號；一資料訊號擷取電路140，用來依據該頻域訊號產生一擷取資料訊號；一訊號偵測電路150，用來依據該通道估測訊號與該擷取資料訊號產生一偵測訊號；以及一解碼電路160，用來依據該偵測訊號產生一解碼訊號。所述訊號偵測電路150包含一最大可能性偵測器152用來執行至少下列步驟：決定一第一層搜尋值；以及一最大可能性偵測步驟。該最大可能性偵測步驟包含：依據該擷取資料訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號或其衍生訊號、以及該第一層搜尋值來選定 K個第一層候選訊號值，其中該 K 為大於1的正整數；依據該 K個第一層候選訊號值計算 K個第二層候選訊號值；依據該 K個第二層候選訊號值判斷是否增加 P個第二層補充候選訊號值，並據以產生一判斷結果，其中該 P為正整數；當該判斷結果為是，增加該 P個第二層補充候選訊號值，依據該 P個第二層補充候選訊號值選定 P個第一層補充候選訊號值，並依據該 K個第一層候選訊號值、該 K個第二層候選訊號值、該 P個第一層補充候選訊號值以及該 P個第二層補充候選訊號值來計算對數概似比以做為該偵測訊號的至少一部分；以及當該判斷結果為否，依據該 K個第一層候選訊號值與該 K個第二層候選訊號值計算對數概似比以做為該偵測訊號的至少一部分。所述解碼電路160之一實施例包含一解攪亂器（Descrambler）與一渦輪解碼器（Turbo Decoder），該解攪亂器用來依據該偵測訊號產生一解攪亂訊號，該渦輪解碼器用來依據該解攪亂訊號產生該解碼訊號。所述離散傅立葉轉換電路110、參考訊號擷取電路120、通道估測電路130、資料訊號擷取電路140與解碼電路160之任一單獨而言為一習知或自行開發的電路。
承上所述，時域訊號在經過離散傅立葉轉換後，於頻域第 n個子載波的訊號Y n 可以表示為一 N R ×1的向量，如下所示： Y n =H n X n +W n (公式一) 其中H n 為第 n個子載波所視之 N R × N T 的通道矩陣，X n 為第 n個子載波上 N T ×1的傳送訊號，W n 為第 n個子載波的雜訊， N R 是接收天線個數，而 N T 為傳送天線的個數。本實施例以一個子載波的訊號為處理單位，為了方便表示，在之後的說明中，下標 n被省略掉；此外，本實施例是應用於二傳二收空間多工傳送，亦即傳送端的獨立空間流（spatial stream）之數目與接收端的獨立空間流之數目均為2（此時 N R 與 N T 均至少為2），因此公式一可以簡化成： Y=HX+W        (公式二)
在LTE系統中，因為參考訊號（Reference Signal; RS）與資料訊號（Data Signal）載於不同的子載波上，故通道估測電路130會依據參考訊號所做的通道估測經由內插或外插方式來求得所需資料訊號的通道響應矩陣Ĥ，訊號偵測電路150再對矩陣Ĥ執行QR分解或其等效運算如下所示： Ĥ =QR        (公式三) 其中Q為酉矩陣（Unitary matrix），R為上三角矩陣（Upper Triangular Matrix）。做完QR分解或其等效運算後，訊號偵測電路150將接收訊號Y（即前述擷取資料訊號）乘上Q H （矩陣Q的Hermitian矩陣）或執行等效運算以得到訊號Z如下所示： ZºQ H Y=Q H (HX+W)=Q H (QRX+W)=RX+W'        (公式四) 其中W'º Q H W。接下來，最大可能性偵測器152依據利用公式四所得到的訊號Z以位元為單位來計算對數概似比，計算方式如下： (公式五) 其中 b i 為第 i個位元， G( )為所有傳送訊號在第 i個位元等於0的集合， G( )為所有傳送訊號在第 i個位元等於1的集合， 代表運算過程中的候選訊號值，符號「~」用於與真實訊號X相區隔。
公式五可視為一追求最佳化的算式，可透過窮舉搜索（Exhaustive Search）的方式求解如先前技術所述。若傳送訊號的調變技術屬於 M-QAM（訊號集之大小（或說該調變技術所對應之星座圖（Constellation Diagram）上星座點之數目）為 M之正交振幅調變 (Quadrature Amplitude Modulation)），以二傳二收的兩層獨立資料流而言，公式五的解的可能性共有 M 2 種，可以樹狀圖來表示，如圖2所示。
進一步而言，因為R為上三角矩陣，搜尋 的操作可以被簡化。首先 可被拆解如下： (公式六) 由於絕對值平方必不小於零，因此在擇定 的情況下， 的最小值必發生於當 符合下述關係： (公式七) 其中 為量化器（Quantizer）。換句話說，在擇定 之後， 是可透過公式七得到的唯一解。公式六與公式七所代表的架構稱為階層式正交晶格偵測器（Layer Orthogonal lattice Detector (LORD)），在此架構下，搜尋的樹狀圖可以大幅簡化如圖3所示。在圖3所對應的LORD架構中，第一層展開（unfold） 所有的可能性（ M個），第二層則是以公式七直接對應求得 ，並不需要如圖2般再次展開 的所有可能性，因此，整體的運算複雜度是操控在第一層展開 的個數。
利用圖3所對應的LORD架構進行公式五的求解，可得到每個位元的對數概似比（亦即對數概似比的個數與傳送訊號的位元數相等），之後再將所求得的對數概似比送進解碼器便可進行錯誤更正以完成接收。然而，以 M-QAM為例， LORD架構下解的可能性仍有 M種（或說圖3中第一層展開 的個數仍有 M個），其中部分可能的解較不可能為正確解，應可被排除以進一步簡化運算。因此，圖1之最大可能性偵測器152並非直接計算 M種可能性下的對數概似比，而是如前所述般先選擇一搜尋值，再依據該頻域訊號或其衍生訊號（例如前述擷取資料訊號）以及依據該搜尋值執行一最大可能性運算以產生該偵測訊號包含對數概似比，其中該搜尋值所對應的搜尋範圍內之候選訊號值（或說該調變方式所對應之星座圖中對應該搜尋範圍的星座點）的數目不大於該調變方式之所有候選訊號值（或說該調變方式所對應之星座圖中的所有星座點）的數目。換言之，圖1之最大可能性偵測器152在第一層展開 （或 ）的可能性時只展開 K個候選訊號值（其中 K≦ M），從而在不實質減損效能的前提下實現較低的運算複雜度及功耗。值得注意的是最大可能性偵測器152可藉由一對換操作決定單元之輔助（如後所述）而於第一層先展開 再於第二層展開 （後稱為反向展開），然為求說明易懂，以下說明多半以於第一層先展開 再於第二層展開 （後稱正向展開）為例，但本技術領域具有通常知識者能夠藉由本說明書之揭露瞭解反向展開的作法。
詳言之，該最大可能性偵測器152之一實施例如圖4所示，包含一搜尋值選擇電路410與一最大可能性偵測電路420。搜尋值選擇電路410用來決定前述第一層搜尋值，該第一層搜尋值之一實施例不小於一預設門檻值，該預設門檻值所關聯之第一層候選訊號值的數目不大於或小於該調變方式之所有第一層候選訊號值的數目，舉例而言，當調變方式為 M-QAM時，該第一層搜尋值之一非限制性的例子為大於 M/4之整數，或者該第一層搜尋值之又一非限制性的例子為不小於4且不大於 ( -1) 2之整數。最大可能性偵測電路420用來執行後述公式八的運算以及後述查表操作或其等效操作以求得第一層候選訊號值、執行前述公式七之運算以求得第二層候選訊號值、並執行前述公式五之運算以產生對數概似比。
圖4之訊號偵測電路的細節如圖5所示，包含：一QR分解單元530，用來依據前述估測訊號（對應通道響應矩陣Ĥ）執行公式三之運算或其等效；一訊號產生單元540，用來依據前述擷取資料訊號（對應前述訊號Y）執行公式四之運算或其等效；該搜尋值選擇電路410；以及該最大可能性運算電路420。圖5中，最大可能性運算電路420包含：一第一層候選訊號值決定單元522，用來依據該擷取資料訊號執行公式八的運算或其等效運算以產生一運算結果，並依據該運算結果與該第一層搜尋值執行後述查表操作或其等效操作以產生一操作結果；一第二層候選訊號值決定單元524，用來依據該操作結果執行公式七之運算或其等效運算以產生一計算結果包含該操作結果；以及一對數概似比計算單元526，用來依據該計算結果執行公式五之運算或其等效運算。所述QR分解單元530與訊號產生單元540之任一單獨而言為習知或自行開發的單元。
最大可能性偵測電路420選擇該第一層搜尋值所對應的搜尋範圍的方式是透過接收訊號在該調變方式所對應之星座圖上的落點來決定。基於公式六，最大可能性偵測電路420可包含一迫零（Zero-Forcing; ZF）等化器（Equalizer）（未顯示於圖）以執行一迫零運算來得到 在星座圖上的落點如下所示： (公式八) 利用星座圖的特性，各星座點與該落點 的遠近關係可被事先得知。
以LTE的64-QAM為例，依照落點 的位置（亦即落點 所對應的值）與星座點的關係可定義出14個區間如表1所示，在各區間下，表1中由左至右的順序代表星座點與落點 的距離由近至遠；藉由圖6的星座圖， 在星座圖上的落點 更清楚地被顯示，其中數值標示「1x1x1x」、「x0x1x1」等等中的符號「x」可為0或1。在圖6的例子中， 的實部（Real-Part）落在區間2≦S≦3，由近至遠的星座點之實部依序為3、1、5、-1、7、-3、-5、-7，共8種可能性；同理， 的虛部（Imaginary-Part）落在區間-3≦S≦-2，由近至遠的星座點之虛部依序為-3、-1、-5、1、-7、3、5、7，共8種可能性。假設搜尋值選擇電路410所決定之搜尋值為25（亦即最大可能性偵測電路420在第一層展開 的可能性時只展開25個第一層候選訊號值），那麼最大可能性偵測電路420會依序取出離落點 最近的實部、虛部各5個以搭配出5×5=25種可能性（或說25種候選訊號值），其所表示的物理意義即是在圖6中以落點 為中心所框出的搜尋區域（例如矩形區域或其它形狀之區域），落在該區域內的星座點便是最大可能性偵測電路420在第一層展開 時所計算的星座點（例如離落點 最近的星座點），其餘不在該區域之內的均不予考慮，藉此本實施例可達到降低運算複雜度的目的，如圖7之樹狀圖所示。值得注意的是本實施例可藉由查表操作來查詢預建的內容（例如表1之內容）以得到前述實部與虛部的組合，藉此讓最大可能性偵測電路420更有效率地依據公式五計算對數概似比。 表1 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td><img wi="70" he="28" file="02_image032.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -7 </td><td> -5 </td><td> -3 </td><td> -1 </td><td> 1 </td><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="120" he="28" file="02_image034.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -5 </td><td> -7 </td><td> -3 </td><td> -1 </td><td> 1 </td><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="120" he="28" file="02_image036.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -5 </td><td> -3 </td><td> -7 </td><td> -1 </td><td> 1 </td><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="118" he="28" file="02_image038.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -3 </td><td> -5 </td><td> -1 </td><td> -7 </td><td> 1 </td><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="118" he="28" file="02_image040.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -3 </td><td> -1 </td><td> -5 </td><td> 1 </td><td> -7 </td><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="118" he="28" file="02_image042.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -1 </td><td> -3 </td><td> 1 </td><td> -5 </td><td> 3 </td><td> -7 </td><td> 5 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="104" he="28" file="02_image044.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> -1 </td><td> 1 </td><td> -3 </td><td> 3 </td><td> -5 </td><td> 5 </td><td> -7 </td><td> 7 </td></tr><tr><td><img wi="88" he="28" file="02_image046.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 1 </td><td> -1 </td><td> 3 </td><td> -3 </td><td> 5 </td><td> -5 </td><td> 7 </td><td> -7 </td></tr><tr><td><img wi="88" he="28" file="02_image048.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 1 </td><td> 3 </td><td> -1 </td><td> 5 </td><td> -3 </td><td> 7 </td><td> -5 </td><td> -7 </td></tr><tr><td><img wi="92" he="28" file="02_image050.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 3 </td><td> 1 </td><td> 5 </td><td> -1 </td><td> 7 </td><td> -3 </td><td> -5 </td><td> -7 </td></tr><tr><td><img wi="92" he="28" file="02_image052.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 3 </td><td> 5 </td><td> 1 </td><td> 7 </td><td> -1 </td><td> -3 </td><td> -5 </td><td> -7 </td></tr><tr><td><img wi="92" he="28" file="02_image054.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 5 </td><td> 3 </td><td> 7 </td><td> 1 </td><td> -1 </td><td> -3 </td><td> -5 </td><td> -7 </td></tr><tr><td><img wi="92" he="28" file="02_image056.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 5 </td><td> 7 </td><td> 3 </td><td> 1 </td><td> -1 </td><td> -3 </td><td> -5 </td><td> -7 </td></tr><tr><td><img wi="58" he="28" file="02_image058.jpg" img-format="jpg"></img></td><td> 7 </td><td> 5 </td><td> 3 </td><td> 1 </td><td> -1 </td><td> -3 </td><td> -5 </td><td> -7 </td></tr></TBODY></TABLE>
由圖6可知，該搜尋區域的大小決定運算複雜度的高低，當此區域大到包含所有的星座點（例如圖6中的64個星座點），則本實施例的運算複雜度會與前述LORD架構的運算複雜度相當，換言之，本實施例的運算複雜度可低於LORD架構的運算複雜度。當然，該搜尋區域的大小可以是預先決定，也可以依據通訊狀況而有因應調整。當該區域大小為預先決定時，該第一層搜尋值是搜尋值選擇電路410依據前述預設門檻值來決定（例如當搜尋值選擇電路410發現對應目前通訊狀況的第一層搜尋值將小於該預設門檻值時，令該第一層搜尋值等於該預設門檻值）。當該區域大小為依據通訊狀況而決定時，該通訊狀況的指標（即前述通訊指標）可以是訊雜比、子載波接收訊號能量強度、通道能量強度，通道相關性、通道估測準確度、干擾能量強度等的至少其中之一。
承前所述，當該搜尋區域大小為依據通訊狀況而決定時，該搜尋區域的大小例如是取決於最大可能性偵測電路420在進行迫零運算以求出 於星座圖上的落點 時的訊雜比（Signal-to-Noise Ratio; SNR），此訊雜比可定義為g，並可表示如下： (公式九) 其中 為雜訊能量，其估測方法為本領域之習知技術，而R 11為前述上三角矩陣R的元素之一。當g愈大，最大可能性偵測電路420之迫零運算的結果愈可靠，因此搜尋值選擇電路410可選擇較小的搜尋值（或說較小的搜尋區域）；反之，當g愈小，則搜尋值選擇電路410可選擇較大的搜尋值（或說較大搜尋區域）。根據上述概念，本實施例可定義若干門檻 T g （ g=1, 2, …, G），其中 T g ＜ T g+1 ，當g的值大過某個門檻 T g ，搜尋值選擇電路410可採用較小的搜尋值如表2所示，其中 K G +1＜ K G ＜…＜ K 2＜ K 1。 表2 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td><img wi="60" he="36" file="02_image064.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="30" he="36" file="02_image066.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="104" he="36" file="02_image068.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="32" he="36" file="02_image070.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="12" he="28" file="02_image072.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="12" he="28" file="02_image072.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="122" he="38" file="02_image074.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="34" he="38" file="02_image076.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="12" he="28" file="02_image072.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="12" he="28" file="02_image072.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="68" he="36" file="02_image078.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="50" he="36" file="02_image080.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>
除了以訊雜比（如公式九所示）做為通訊指標外，如前所述，搜尋值選擇電路410可根據其他通訊指標來選擇該第一層搜尋值（或說搜尋區域的大小）。舉例而言，搜尋值選擇電路410可根據通道相關性 來選擇搜尋值，其中 可表示為： (公式十)
公式十中，h 1是通道響應矩陣Ĥ的第1行（Column），h 2是Ĥ的第2行。當 愈大（即1/ 愈小），最大可能性偵測電路420對於 之迫零運算的結果愈不可靠，因此搜尋值選擇電路410會選擇較大搜尋值（或說較大的搜尋區域）；反之，當 愈小（即1/ 愈大），搜尋值選擇電路410會選擇較小的搜尋值（或說較小的搜尋區域）。綜言之，當該通訊指標（可為g、1/ 或其它指標）高於一第一門檻時，該第一層搜尋值為一第一搜尋值，當該通訊指標低於該第一門檻時，該第一層搜尋值為一第二搜尋值，該第一搜尋值小於該第二搜尋值，且高於該第一門檻之該通訊指標所代表之通訊狀態優於低於該第一門檻之該通訊指標所代表之通訊狀態。
承前所述，當第一層搜尋值夠大時，搜尋範圍內的所有第一層候選訊號值的第 n個位元的集合會包含位元值為1的集合與位元值為0的集合，因此最大可能性偵測器152不會漏掉需納入考量的第一層候選訊號值（如圖6所示）；換言之，若第 n個位元之集合缺少位元值為0的集合或位元值為1的集合，最大可能性偵測器152在計算公式五的對數概似比時會發現該第 n位元集合內位元值為0的集合不存在而為空集合（Empty Set）或位元值為1的集合不存在而為空集合，導致最大可能性偵測器152在計算對數概似比時無法得到正確的資訊（因對數概似比的精神即為比較每個位元集合內之位元為1的機率與為0的機率），從而需要額外運算處理，進而造成效能損失。然而，即便沒有遺漏第一層候選訊號值，由於第二層候選訊號值是依據第一層候選訊號值而得到（如公式七所示），第二層候選訊號值之分佈可能不規則或集中於某個小範圍內，故仍可能有遺漏第二層候選訊號值的情形（亦即第二層候選訊號值中有前述空集合的情形）。因此，如前所述，在已求得 K個第一層與 K個第二層候選訊號值的情形下，最大可能性偵測器152可進一步執行前述最大可能性偵測步驟。
在該最大可能性偵測步驟中，判斷是否增加該 P個第二層補充候選訊號值的步驟之一實施例包含：判斷是否該 K個第二層候選訊號值的每一個的第 n個位元之位元值均相同，其中該 n為0至( m-1)之間的整數，該 m為每該第二層候選訊號值的位元數；以及若判斷該 K個第二層候選訊號值的每一個的第 n個位元之位元值均相同，增加該 P個第二層補充候選訊號值。舉例來說，如圖8所示，訊號偵測電路150可進一步包含一候選訊號值補充單元810，用來判斷是否增加補充候選訊號值，該候選訊號值補充單元810之一實施例可加總每一候選訊號值的第 n個位元之值以得到一加總值，並依據該加總值來判斷該些第 n個位元之值是否相同，當該加總值為0，其代表該些第 n個位元之值均為0，當該加總值為 K，其代表該些第 n個位元之值均為1。候選訊號值補充單元810之另一實施例可比較一預設位元值以及該些候選訊號值的每一個的第 n個位元之值，從而依據該些比較結果是否均相同來判斷該些第 n個位元之值是否相同，凡此種種均屬候選訊號值補充單元810之實施範疇。
當候選訊號值補充單元810判斷應補充候選訊號值後，候選訊號值補充單元810可進一步藉由下列步驟來補充該些候選訊號值：依據該 K個第一層候選訊號值與該 K個第二層候選訊號值計算 K個距離（例如將相對應的每一組第一層候選訊號值與第二層候選訊號值代入公式六以求出該 K個距離）；依據該 K個距離從該 K個第二層候選訊號值中選出一第二層參考候選訊號值，該第二層參考候選訊號值對應該 K個第一層候選訊號值中的一第一層參考候選訊號值；依據該第二層參考候選訊號值增加該 P個第二層補充候選訊號值；以及令該 P個第一層補充候選訊號值均為該第一層參考候選訊號值。舉例而言，選出該第二層參考候選訊號值的步驟包含：依據該 K個第一層候選訊號值與該 K個第二層候選訊號值計算 K個距離；將能夠求得該 K個距離中的最小者的第一層與第二層候選訊號值所構成的路徑視為一最佳路徑（如圖9所示，其中 u為1或0， u̅為 u的相反值）；以及將該最佳路徑下的第二層候選訊號值做為該第二層參考候選訊號值（如圖10之 ），其對應的第一層參考候選訊號值為該最佳路徑下的第一層候選訊號值。另舉例而言，依據該第二層參考候選訊號值增加該 P個第二層補充候選訊號值的步驟包含：依據該第二層參考候選訊號值執行一查表操作以查詢預存資料，藉此增加該 P個第二層補充候選訊號值，其中該 P個第二層補充候選訊號值的每一個於一星座圖上是位於該第二層參考候選訊號值的水平或垂直方向（如圖10所示），該星座圖關聯該接收訊號所對應的調變方式，且該 P之值不大於該第二層參考候選訊號值的位元數。
增加該 P個第二層補充候選訊號值的步驟進一步說明如下。請參閱圖9與圖10，以所有 （ u̅可為0或1）的第 i個位元均為 j為例（其中 j為0或1），觀察屬於該最佳路徑的 在星座圖上的落點 ，找出第 i個位元為 且離 （或與 最近的星座點）最近的星座點以做為第二層補充候選訊號值。上述尋找的過程與星座圖的設計有關。以圖10（64-QAM之星座圖）為例，當 的實部位於區間2＜Re[ ]≦3且 的虛部位於區間-3＜Im[ ]≦-2時（此時離 最近的星座點之位元值由最高位元至最低位元依序為010000），離 最近且具有反向最高位元值的星座點標示為b 0、離 最近且具有反向次高位元值的星座點標示為b 1、…、以及離 最近且具有反向最低位元值的星座點標示為b 5，該些具有反向位元值的星座點可做為補充候選訊號值，必位於以離 最近的星座點為中心的十字範圍內，該些最近星座點與 的位置的關係整理如表3至表5所示（表3至表5中 u̅為1，然此僅是舉例）。因此，藉由查表操作或是其等效操作，候選訊號值補充單元810可找出第 i個位元為 且離落點 （或與該落點 最近的星座點）最近的星座點。 表3 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td>   </td><td> 具有反向最高位元的最近星座點 </td><td>   </td><td>   </td><td> 具有反向次高位元的最近星座點 </td></tr><tr><td> Re[<img wi="66" he="50" file="02_image097.jpg" img-format="jpg"></img>]≦0 </td><td> (1,Im[<img wi="38" he="46" file="02_image099.jpg" img-format="jpg"></img>]) </td><td>   </td><td> Im[<img wi="66" he="50" file="02_image097.jpg" img-format="jpg"></img>]≦0 </td><td> (Re[<img wi="38" he="46" file="02_image099.jpg" img-format="jpg"></img>],1) </td></tr><tr><td> 0＜Re[<img wi="66" he="50" file="02_image101.jpg" img-format="jpg"></img>] </td><td> (-1,Im[<img wi="38" he="46" file="02_image102.jpg" img-format="jpg"></img>]) </td><td>   </td><td> 0＜Im[<img wi="66" he="50" file="02_image101.jpg" img-format="jpg"></img>] </td><td> (Re[<img wi="38" he="46" file="02_image099.jpg" img-format="jpg"></img>],-1) </td></tr></TBODY></TABLE>表4 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td>   </td><td> 具有反向第3高位元的最近星座點 </td><td>   </td><td>   </td><td> 具有反向第4高位元的最近星座點 </td></tr><tr><td><img wi="154" he="44" file="02_image103.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="136" he="48" file="02_image105.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="142" he="44" file="02_image107.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="140" he="48" file="02_image109.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="190" he="44" file="02_image111.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="136" he="48" file="02_image113.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="190" he="44" file="02_image115.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="140" he="48" file="02_image117.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="178" he="44" file="02_image119.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="122" he="48" file="02_image121.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="176" he="44" file="02_image123.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="126" he="48" file="02_image125.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="142" he="44" file="02_image127.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="122" he="48" file="02_image129.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="142" he="44" file="02_image131.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="126" he="48" file="02_image133.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>表5 <TABLE border="1" borderColor="#000000" width="85%"><TBODY><tr><td>   </td><td> 具有反向第5高位元的最近星座點 </td><td>   </td><td>   </td><td> 具有反向最低位元的的最近星座點 </td></tr><tr><td><img wi="154" he="44" file="02_image135.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="136" he="48" file="02_image137.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="154" he="44" file="02_image138.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="140" he="48" file="02_image140.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="204" he="44" file="02_image141.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="138" he="48" file="02_image143.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="204" he="44" file="02_image145.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="140" he="48" file="02_image147.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="204" he="44" file="02_image149.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="136" he="48" file="02_image151.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="204" he="44" file="02_image153.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="138" he="48" file="02_image155.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="190" he="44" file="02_image157.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="136" he="48" file="02_image159.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="190" he="44" file="02_image160.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="140" he="48" file="02_image162.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="178" he="44" file="02_image163.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="122" he="48" file="02_image165.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="176" he="44" file="02_image166.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="126" he="48" file="02_image168.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="178" he="44" file="02_image169.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="120" he="48" file="02_image171.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="178" he="44" file="02_image173.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="122" he="48" file="02_image175.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="178" he="44" file="02_image177.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="124" he="48" file="02_image179.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="176" he="44" file="02_image181.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="126" he="48" file="02_image183.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr><tr><td><img wi="142" he="44" file="02_image185.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="122" he="48" file="02_image187.jpg" img-format="jpg"></img></td><td>   </td><td><img wi="142" he="44" file="02_image188.jpg" img-format="jpg"></img></td><td><img wi="126" he="48" file="02_image190.jpg" img-format="jpg"></img></td></tr></TBODY></TABLE>
承上所述，舉例而言，如圖11所示，若有9個可能的第二層候選訊號值 、 的實部位於區間2＜Re[ ]≦3、 的虛部位於區間-3＜Im[ ]≦-2、且以落點 為基準的搜尋範圍內的所有星座點（或說候選訊號值）的最高位元均為0且次高位元均為1，藉由查詢表3，離落點 最近且最高位元值為1的星座點（位元值110010）以及離落點 最近且次高位元值為0的星座點（位元值000001）可被找到如圖10之b 0與b 1所示。在找到此二最近的星座點（或說第二層補充候選訊號值）後，圖9的樹狀圖便可多出二個補充路徑如圖12所示，以補足最高位元與次高位元所分別缺少的1與0的可能性。請注意，第二層候選訊號值 的分佈可能不會如圖11般如此規則。
請參閱圖13，最大可能性偵測器152可藉由一對換操作（Swap Operation）決定單元1310之輔助而執行反向展開（於第一層先展開 再於第二層展開 ）。該對換操作決定單元1310可依據該通道估測訊號決定是否執行一對換操作，並於決定不執行該對換操作時輸出該通道估測訊號至QR分解單元530，以及於決定執行該對換操作時對該通道估測訊號執行該對換操作以輸出該通道估測訊號的對換訊號至QR分解單元530。更詳細地說，對換操作決定單元1310之一實施例是依該通道估測訊號之通道響應矩陣Ĥ來決定訊號偵測的順序，例如依矩陣Ĥ的能量來決定順序。舉例而言，假定先展開的訊號為 （ 或 ）、後展開的訊號為 （ 或 ），當矩陣Ĥ的第1行的絕對值的平方小於矩陣Ĥ的第2行的絕對值的平方時，對換操作決定單元1310會交換矩陣Ĥ的第1行與第2行以輸出該通道估測訊號之對換訊號，從而令先被展開的訊號為 ，當矩陣Ĥ的第1行的絕對值的平方大於矩陣Ĥ的第2行的絕對值的平方時，對換操作決定單元1310會輸出矩陣Ĥ，從而令先被展開的訊號為 。簡言之，對換操作決定單元1310令通道能量較小的訊號先被偵測，以令前述第一層搜尋值較大，藉此減少遺漏候選訊號值的可能性。然而，若訊號偵測電路150固定先偵測 （或訊號偵測電路150之均等架構固定先偵測 ），對換操作決定單元1310即非必要。
請參閱圖14，其是訊號偵測電路150之另一實施例的示意圖。本實施例中，訊號偵測電路150藉由第一偵測電路1410執行正向展開，並藉由第二偵測電路1420執行反向展開，其中第一偵測電路1410之一實施例為圖5之最大可能性偵測器152，第二偵測電路1420之一實施例如圖15所示。圖15中，對換單元1510會交換通道響應矩陣Ĥ的第1行與第2行以輸出通道估測訊號之對換訊號。值得注意的是第一偵測電路1410所產生的第一層搜尋值可與第二偵測電路1420所產生的第一層搜尋值相同或不同，舉例而言，第一與第二偵測電路1410、1420所產生的第一層搜尋值 K均為前述預設門檻值或更大值，或者分別為依據通訊指標而產生的搜尋值 K1、 K2，該二搜尋值 K1、 K2均不小於該預設門檻值，由於該 K、 K1、 K2均不小於該預設門檻值，因此無補充候選訊號值的必要，然此並非實施限制。
相較於圖14之實施例需針對( K+ K)（或( K1+ K2)）種可能性計算對數概似比，圖8之實施例只需針對( K+P)個可能性計算對數概似比。一般而言( K+P)必小於( K+ K)（或( K1+ K2)），故圖8之實施例能進一步降低運算複雜度，且能減少電路面積。
由於本領域具有通常知識者能夠藉由前揭說明來推知圖14與圖15之實施例的細節與變化，因此，在不影響圖14與圖15之實施例的揭露要求與可實施性的前提下，重複及冗餘之說明在此予以節略。值得注意的是，本說明書所提到的複數個步驟在實施為可能的前提下無執行順序的限制，且同一步驟本身可以是由複數個子步驟所構成，由於該些特徵為本領域具有通常知識者依本說明書之揭露可得而為知者，因此冗餘之說明在此予以節略。
綜上所述，相較於習知技術，本發明提供一個低複雜度的方案，從而達到了低時間延遲、低運算複雜度、低運算功率、低實現電路面積、以及無實質效能損失等特性。
雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧無線訊號接收器
110‧‧‧離散傅立葉轉換電路(DFT電路)
120‧‧‧參考訊號擷取電路
130‧‧‧通道估測電路
140‧‧‧資料訊號擷取電路
150‧‧‧訊號偵測電路
152‧‧‧最大可能性偵測器
160‧‧‧解碼電路
、‧‧‧候選訊號值
410‧‧‧搜尋值選擇電路
420‧‧‧最大可能性偵測電路
522‧‧‧第一層候選訊號值決定單元
524‧‧‧第二層候選訊號值決定單元
526‧‧‧對數概似比計算單元
530‧‧‧QR分解單元
540‧‧‧訊號產生單元
‧‧‧於星座圖上的落點
810‧‧‧候選訊號值補充單元
、‧‧‧候選訊號值
‧‧‧於星座圖上的落點
b0、b1、b2、b3、b4、b5‧‧‧具有反向位元值的最近星座點
1310‧‧‧對換操作決定單元
1410‧‧‧第一偵測電路
1420‧‧‧第二偵測電路
1510‧‧‧對換單元
〔圖1〕為本發明之採用最大可能性偵測之無線訊號接收器之一實施例的示意圖； 〔圖2〕為窮舉搜索的樹狀圖； 〔圖3〕為階層式正交晶格偵測器之架構下的樹狀圖； 〔圖4〕為本發明之最大可能性偵測器之一實施例的示意圖； 〔圖5〕為圖4之訊號偵測電路之一實施例的示意圖； 〔圖6〕為圖4之最大可能性偵測器之一實作所對應的星座圖； 〔圖7〕為對應圖6之的樹狀圖； 〔圖8〕為圖4之訊號偵測電路之一實施例的示意圖； 〔圖9〕為對應最小距離的最佳路徑的示意圖； 〔圖10〕為圖8之候選訊號值補充單元之一實作概念的示意圖； 〔圖11〕為不足夠的第二層候選訊號值的示意圖； 〔圖12〕為對應最小距離的補充路徑的示意圖； 〔圖13〕為圖4之訊號偵測電路之一實施例的示意圖； 〔圖14〕為圖4之訊號偵測電路之一實施例的示意圖； 〔圖15〕為圖14之第二偵測電路之一實施例的示意圖。
150‧‧‧訊號偵測電路
152‧‧‧最大可能性偵測器
410‧‧‧搜尋值選擇電路
420‧‧‧最大可能性偵測電路

Claims (10)

  1. 一種最大可能性(Maximum Likelihood；ML)偵測器，用來依據一接收訊號或其衍生訊號以及依據一通道估測訊號或其衍生訊號來執行一最大可能性偵測，包含：一搜尋值選擇電路，用來決定一第一層搜尋值，該第一層搜尋值不小於一預設門檻值；以及一最大可能性偵測電路，用來執行至少下列步驟：依據該接收訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號或其衍生訊號、以及該第一層搜尋值來選定K個第一層候選訊號值，其中該K為大於1的正整數；依據該K個第一層候選訊號值計算K個第二層候選訊號值；依據該K個第二層候選訊號值判斷是否須增加P個第二層補充候選訊號值，並據以產生一判斷結果，其中該P為正整數；當該判斷結果為是，增加該P個第二層補充候選訊號值，依據該P個第二層補充候選訊號值選定P個第一層補充候選訊號值，並依據該K個第一層候選訊號值、該K個第二層候選訊號值、該P個第一層補充候選訊號值以及該P個第二層補充候選訊號值來計算對數概似比(Log Likelihood Ratios；LLRs)；以及當該判斷結果為否，依據該K個第一層候選訊號值與該K個第二層候選訊號值計算對數概似比。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之最大可能性偵測器，其中判斷是否須增加該P個第二層補充候選訊號值的步驟包含：依據該K個第二層候選訊號值來判斷是否該K個第二層候選訊號值的每一個的第n個位元之位元值均相同，其中該n為0至(m-1)之間的整數，該m為每該第二層候選訊號值的位元數；以及若判斷該K個第二層候選訊號值的每一個的第n個位元之位元值均相同，增加該P個第二層補充候選訊號值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之最大可能性偵測器，其中增加該P個第二層補充候選訊號值以及選定該P個第一層補充候選訊號值之步驟包含：依據該K個第一層候選訊號值與該K個第二層候選訊號值計算K個距離；依據該K個距離從該K個第二層候選訊號值中選出一第二層參考候選訊號值，該第二層參考候選訊號值對應該K個第一層候選訊號值中的一第一層參考候選訊號值；依據該第二層參考候選訊號值增加該P個第二層補充候選訊號值；以及令該P個第一層補充候選訊號值均為該第一層參考候選訊號值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之最大可能性偵測器，其中該P之值不大於該第二層參考候選訊號值的位元數。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之最大可能性偵測器，其中選出該第二層參考候選訊號值的步驟包含：依據該K個距離中的最小者從該K個第二層候選訊號值中選出該第二層參考候選訊號值。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之最大可能性偵測器，其中依據該第二層參考候選訊號值增加該P個第二層補充候選訊號值的步驟包含：依據該第二層參考候選訊號值執行一查表操作以查詢預存資料，藉此增加該P個第二層補充候選訊號值。
  7. 如申請專利範圍第3項所述之最大可能性偵測器，其中該P個第二層補充候選訊號值的每一個於一星座圖上是位於該第二層參考候選訊號值的水平或垂直方向，該星座圖關聯該接收訊號所對應的調變方式。
  8. 一種最大可能性偵測器，用來依據一接收訊號或其衍生訊號以及依據一通道估測訊號或其衍生訊號來執行一最大可能性偵測，包含：一搜尋值選擇電路，用來決定一第一搜尋值與一第二搜尋值，該第一搜尋值與該第二搜尋值均不小於一預設門檻值；以及一最大可能性偵測電路，用來執行至少下列步驟：依據該接收訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號或其衍生訊號、以及該第一搜尋值來選定K1個第一層第一候選訊號值，其中該K1為大於1的正整數；依據該K1個第一層第一候選訊號值計算K1個第二層第二候選訊號值；依據該接收訊號或其衍生訊號、該通道估測訊號之對換訊號或其衍生訊號、以及該第二搜尋值來選定K2個第一層第二候選訊號值，其中該K2為大於1的正整數；依據該K2個第一層第二候選訊號值計算K2個第二層第一候選訊號值； 依據該K1個第一層第一候選訊號值、該K1個第二層第二候選訊號值、該K2個第一層第二候選訊號值以及該K2個第二層第一候選訊號值來計算對數概似比。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之最大可能性偵測器，其中該接收訊號之調變方式為訊號集之大小為M的正交振幅調變(Quadrature Amplitude Modulation；QAM)，且該預設門檻值為大於M/4的整數。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之最大可能性偵測器，其中該K1個第一層第一候選訊號值的第n個位元之位元值包含1與0，該K2個第一層第二候選訊號值的第n個位元之位元值包含1與0，其中該n為0至(m-1)之間的整數，該m為每該第二層候選訊號值的位元數。
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