TWI640181B

TWI640181B - 等化器裝置及使用在等化器裝置中以維特比演算法為基礎的決策方法

Info

Publication number: TWI640181B
Application number: TW105106290A
Authority: TW
Inventors: 郭志成; 楊文杰; 童泰來
Original assignee: 晨星半導體股份有限公司
Priority date: 2016-03-02
Filing date: 2016-03-02
Publication date: 2018-11-01
Also published as: US10044528B2; US20170257232A1; TW201733321A

Abstract

本發明提供一種等化器裝置，該等化器裝置包含前饋控制濾波器、決策電路及回授濾波器，前饋控制濾波器用以處理一輸入訊號，決策電路有一耦接至該前饋控制濾波器的維特比解碼演算電路並用以根據前饋控制濾波器之輸出訊號及回授濾波器之回授訊號，執行以維特比演算法為基礎的決策操作以產生決策結果訊號，回授濾波器用以根據決策結果訊號產生回授訊號。

Description

等化器裝置及使用在等化器裝置中以維特比演算法為基礎的決策方法

本發明關於一種等化器機制，尤指一種等化器裝置及以維特比演算法為基礎的決策方法。

一般而言，傳統通訊系統之接收端的等化器架構所採用的是硬決策機制（hard decision），該硬決策機制係通過一決策邊界來判斷所接收之訊號為哪一個符元並輸出相對應的訊號準位，然而硬決策機制有其嚴重的缺點，當一旦發生決策錯誤時（例如因為通道雜訊過大或多路徑衰減效應），誤判的錯誤量累計會較多而影響到後續的決策，這使得整個系統較易崩潰而不穩定。

因此，本發明的目的之一在於提供一種以維特比演算法為基礎並可選擇是否以維特比決策結果作為輸出的等化器裝置及對應的決策方法，以解決傳統決策機制而造成一旦決策錯誤之錯誤量過多的問題。

根據本發明之實施例，其揭露了一種等化器裝置。等化器裝置包含有一前饋控制濾波器、一決策電路及一回授濾波器，其中前饋控制濾波器用以處理一輸入訊號，決策電路有一耦接至該前饋控制濾波器的維特比解碼演算電路並可根據前饋控制濾波器之一輸出訊號及一回授訊號執行以維特比演算法為基礎的一決策操作以產生一決策結果訊號，以及回授濾波器耦接至決策電路並用以根據該決策結果訊號產生該回授訊號。

根據上述實施例，其另揭露了一種使用於等化器裝置的決策方法，包含：使用一前饋控制濾波器，處理一輸入訊號；根據該前饋控制濾波器之一輸出訊號及一回授訊號執行以維特比演算法為基礎的一決策操作以產生一決策結果訊號；以及使用一回授濾波器，根據該決策結果訊號產生該回授訊號。

請參照第1圖，第1圖是本發明實施例之通訊系統100的概念示意圖。通訊系統100包括傳送器105、通道110及接收器115，接收器115包括通道估測電路120、等化器裝置125、解碼電路130，傳送器105利用編碼電路1051對資訊訊號x(n)進行編碼保護（例如可採用前向錯誤更正碼編碼）以產生編碼後的訊號y(n)，傳送編碼後訊號y(n)至通道110，訊號y(n)受到通道110的多路徑衰弱效應（multipath fading，表示為h(n)）以及外加的雜訊w(n)所影響，接收器115實際所接收的訊號為z(n)，由於多路徑衰弱現象的複雜性（於無線通訊環境中尤其嚴重），無法直接基於訊號z(n)來獲取資訊訊號x(n)，因而使用通道估測電路120根據訊號z(n)進行通道估測來估計通道脈衝響應（channel impulse response）、輸出通道估計結果至等化器裝置125，等化器裝置125根據該通道估計結果對訊號z(n)進行多路徑衰弱現象的響應補償以降低傳送錯誤率，之後解碼電路130對補償後的訊號進行解碼（例如前向錯誤更正碼的解碼）以產生或回復解碼後的資訊訊號x’(n)。本案之實施例係於等化器裝置125中採用以維特比演算法為基礎的決策方法（Viterbi algorithm based decision），使進行回授響應補償時，除了通過使用維特比演算法來降低位元誤判的機率之外，更搭配適應地選擇是否以維特比決策操作結果作為輸出，本案採用以維特比演算法為基礎的決策方法之等化器裝置125具有更高的穩定性，同時亦可提升系統決策效能。

請參照第2圖，第2圖是第1圖所示之通訊系統100內位於訊號接收端之等化器裝置125的一實施例示意圖，本案之等化器裝置125所採用的是決策回授的等化器架構（decision feedback equalizer），其可適用於多種通訊架構中，例如有線數位視訊廣播（Digital Video Broadcast over Cable，簡稱DVB-C）、美國的先進電視系統委員會（Advanced Television System Committee，簡稱ATSC）、地面數位多媒體廣播（Terrestrial Multimedia Broadcast，簡稱DTMB）等等。等化器裝置125包括前饋控制濾波器(feedforward filter)1251、決策電路（slicer circuit）1252及回授濾波器1253，前饋控制濾波器1251用以接收並處理自通道110所實際接收的訊號z(n)，訊號z(n)理想上對應於傳送端之一調變後的符元訊號而於傳送時受到多路徑衰弱與雜訊影響，例如符元可以是傳送端經由格狀編碼調變技術（Trellis Coded Modulation，TCM）所產生，而訊號z(n)的訊號準位理想上會對應於該格狀編碼調變技術調變後的符元訊號的訊號準位大小。決策電路1252耦接至前饋控制濾波器1251的輸出端並用以接收前饋控制濾波器1251的輸出訊號（亦即經由前饋控制濾波器1251處理後的訊號z’(n)）以及回授濾波器1253的回授訊號fb，根據前饋控制濾波器1251之輸出訊號z’(n)及回授濾波器1253之回授訊號fb，因應於上述的格狀編碼調變技術而執行以維特比演算法為基礎的決策操作以產生一決策結果訊號sd，實施上，訊號z’(n)會扣掉回授訊號fb後再傳送至決策電路1252，組成決策電路1252的輸入訊號（亦即z’(n)-fb），或是決策電路1252可先接收訊號z’(n)及回授訊號fb，利用其內部電路運作將訊號z’(n)扣掉回授訊號fb再據此執行軟決策操作。回授濾波器1253耦接至決策電路1252的輸出端並用以根據決策結果訊號sd產生回授訊號fb給決策電路1252，例如，決策電路1252根據經由前饋控制濾波器1251處理後之訊號z’(n)的實際訊號振幅與回授訊號fb的準位，判斷訊號y(n)所對應之符元訊號為何，輸出該符元訊號理想上所對應之訊號準位大小。需注意的是，本案的等化器裝置125的以維特比演算法為基礎的軟決策操作可適用於不同的調變機制，並非僅限定適用於格狀編碼調變技術。

決策電路1252包括一維特比解碼演算電路1252A、一多工器1252B以及一仲裁電路（Arbitrator）1252C，維特比解碼演算電路1252A接收並根據訊號z’(n)-fb執行第3C圖所示的維特比解碼演算以判斷訊號y(n)的理想訊號準位大小的位置點應落在一組候選星座點中哪一個訊號準位數值、輸出所判斷出的訊號準位數值，而仲裁電路1252C則接收訊號z’(n)-fb及維特比解碼演算電路1252A的輸出，並指示控制多工器1252B選擇訊號z’(n)-fb及維特比解碼演算電路1252A之輸出的其中之一作為決策電路1252的輸出，仲裁電路1252C係用以適應地控制多工器1252B選擇是否以維特比決策結果作為決策電路1252的輸出。

請參照第3A圖至第3C圖，第3A圖是美國先進電視系統委員會ATSC所採用的編碼率為2/3的格狀編碼調變技術之示意圖，其中圖上所示之X₁ 、X₂ 代表輸入位元，Y₁ 、Y₂ 是資訊位元，而Z₀ ~Z₂ 是輸出位元，D₀ 、D₁ 可代表編碼狀態，該格狀編碼調變技術採用了編碼率為1/2的卷積碼（convolution code）將一輸入位元X₁ 編碼為兩個輸出位元Z₀ 、Z₁ ，以及將一輸入位元X₂ 預編碼為Z₂ ，並採用一維星象圖通過8個不同訊號準位來代表不同的輸出符元（3個輸出位元Z₀ ~Z₂ ），第3B圖繪示了該格狀編碼調變技術所採用的一維星象圖及編碼後對應的符元之訊號準位大小，Z₂ 、Z₁ 、Z₀ 的位元組合具有8種可能，其分別對應於C所代表的訊號準位大小（如圖以數值-7至7等8個不同數值表示之），第3C圖是根據編碼率為2/3之格狀編碼調變技術第2圖所示之維特比解碼演算電路1252A所對應採用的維特比演算法的架構示意圖，該維特比演算法通過由某一時間點k往回推算至之前時間點的狀態（應注意並未限定往前推算至時間點k-1而已）及計算不同路徑/分支的度量值（metric），以比對出不同路徑所累計的最小度量值，使可觀察出從時間點k的狀態往回推算至時間點k-1的狀態時在不同輸入位元條件下可能的候選輸出符元及對應的度量值為何，以第3C圖為例，如果時間點k的最佳編碼狀態（D₀ D₁ ）選定為‘00’或‘01’，則從時間點k-1至時間點k（分支k），因應其輸入位元的不同組合，輸出位元Z₀ Z₁ Z₂ 有‘000’、‘010’、‘001’、‘011’這四種可能，這四種位元組合對於維特比演算法來說理想上是從這四種組合中選出一種作為最後的輸出符元，該四種位元組合形成一組候選（candidate）的符元，而理想上是不會從另外四種位元組合中挑選最後的輸出符元，因此另外四種位元組合形成一組非候選（non-candidate）的符元，從第3B圖的一維星象圖來看，實際接收訊號z(n)的理想訊號準位大小的位置點應落在{-7, -3, 1, 5}的其中一個訊號準位數值，而理想上不會落在{-5, -1, 3, 7}的任一訊號準位數值，此時{-7, -3, 1, 5}的集合視為一組候選星座點，而{-5, -1, 3, 7}的集合視為一組非候選的星座點。反之，如果時間點k的最佳狀態（D0D1）為‘10’或‘11’，則從時間點k-1的狀態至時間點k（分支k），因應其輸入位元的不同組合，輸出的符元Z₀ Z₁ Z₂ 有‘100’、‘110’、‘101’、‘111’這四種可能，此時對於維特比演算法來說理想上是從這四種組合中選出一種作為最後的輸出符元，此時的一組候選符元係由上述四種位元組合形成，而一組非候選符元則由另外四種位元組合形成，從第3B圖的一維星象圖來看，實際接收訊號z(n)的理想振幅大小的位置點應落在{-5, -1, 3, 7}的其中一個訊號準位數值，而理想上不會落在{-7, -3, 1, 5}的任一訊號準位數值，此時{-5, -1, 3, 7}的集合視為一組候選星座點，而{-7, -3, 1, 5}的集合視為一組非候選的星座點。

本實施例中，維特比解碼演算電路1252A可執行第3C圖的維特比解碼演算，以選取對應於一特定度量值（通常為極小度量值）的一特定狀態（決定時間點k的最佳狀態為何），例如以時間點k的最佳狀態（D0D1）為‘10’或‘11’為例來說，則維特比解碼演算電路1252A從{-5, -1, 3, 7}的集合中選取對應於一特定度量值（通常為極小度量值）的一個訊號準位數值作為維特比決策結果輸出。若以時間點k的最佳狀態（D₀ D₁ ）為’00”或‘01’為例來說，則從時間點k-1的狀態至時間點k，以一維的星象圖來看，集合{-7, -3, 1, 5}是一組候選星座點，此時如果在維特比演算下對應於一特定度量值（通常為極小度量值）為訊號準位-7，維特比解碼演算電路1252A 會輸出對應於Z₀ Z₁ Z₂ 為000的訊號準位-7；輸出對應非候選星座點之訊號準位的實際操作示意圖可參照第4A圖與第4B圖。

第4A圖與第4B圖是仲裁電路1252C之操作的一實施例的示意圖。第4A圖繪示了維特比解碼演算下，當時間點k的最佳狀態為‘00’或‘01’時對應於訊號準位{-7, -3, 1, 5}的4個候選星座點、對應於訊號準位{-5, -1, 3, 7}的4個非候選星座點以及對應非候選星座點的一組決策區間（4個相對應的訊號準位區間）402A、402B、402C、402D，例如{-5, -1, 3, 7}分別位於該組相對應的決策區間402A、402B、402C、402D的中間，而第4B圖繪示了維特比解碼演算當時間點k的最佳狀態為‘10’或‘11’時對應於訊號準位{-5, -1, 3, 7}對應的4個候選星座點、對應於訊號準位{-7, -3, 1, 5}的4個非候選星座點以及對應於非候選星座點的一組決策區間（4個相對應的訊號準位區間）403A、403B、403C、403D，{-7, -3, 1, 5}分別位於該組相對應的決策區間403A、403B、403C、403D的中間。如上所述，維特比解碼演算電路1252A執行維特比演算法以選取對應於一特定度量值（通常為極小度量值）的一特定狀態（決定時間點k的最佳狀態為何），並決定特定狀態所對應的一組候選符元與不對應於該特定狀態的一組非候選符元，仲裁電路1252C會判斷在時間點k的不同狀態條件下經由前饋控制濾波器1251處理後之訊號z’(n)減去回授訊號fb後的訊號組合之訊號振幅是否落入上述相對應一組決策區間之任一決策區間內，來決定決策結果訊號，例如第4A圖中，當維特比解碼演算下，時間點k的最佳狀態為‘00’或‘01’時，集合{-7, -3, 1, 5}為候選星座點，集合{-5, -1, 3, 7}為非候選星座點，仲裁電路1252C會判斷訊號振幅是否落入訊號準位{-5, -1, 3, 7}所對應的一組決策區間402A、402B、402C、402D內，以判斷是否以維特比決策結果作為決策電路的輸出，例如如果仲裁電路1252C判斷訊號振幅落入決策區間402A內時，會產生一控制信號給多工器1252B，多工器1252B依據該控制信號將訊號z’(n)-fb所對應的訊號準位輸出作為該決策結果訊號，例如輸出訊號準位-5，而如果仲裁電路1252C判斷訊號振幅未落入決策區間402A、402B、402C、402D內時，則仲裁電路1252C會產生一控制信號給多工器1252B，多工器1252B依據該控制信號將維特比決策結果所對應的的訊號準位輸出作為該決策結果訊號，例如維特比決策結果所對應的的訊號準位為1，則多工器1252B輸出訊號準位1，此外對於4B圖所示之時間點k的不同最佳狀態為‘10’或‘11’的非候選星座點的決策區間及對應的操作方式，亦類似於上述說明，為避免說明書過於冗長，均不再贅述。

此外，需注意的是，本實施例中，維特比解碼演算電路1252A所產生的是一維特比決策結果，仲裁電路1252C可適應地採用維特比解碼演算電路1252A所作出的維特比決策結果或是採用一軟決策結果作為決策電路1252的最終決策結果訊號sd，請再度參照第2圖，多工器1252B接收了維特比解碼演算電路1252A的決策結果輸出及訊號z’(n)-fb的訊號準位，舉例來說，於第4A圖，中如果訊號z’(n)-fb的訊號準位為6.9較靠近訊號準位7，且落於決策區間402D中，本實施例的仲裁電路1252C便控制多工器1252B選擇不以維特比決策結果作為決策結果訊號sd，而採用軟決策直接輸出訊號z’(n)-fb的訊號準位6.9作為決策結果訊號sd，而仲裁電路1252C可根據訊號z’(n)-fb的訊號準位及維特比解碼演算電路1252A的決策結果來判斷是否以維特比決策結果作為輸出。

因此，本案的決策電路1252在執行以維特比演算法為基礎的決策操作時，係先通過維特比解碼演算電路1252A執行維特比演算法以選取對應於一特定度量值（通常為極小度量值）的一特定狀態（決定時間點k的最佳狀態為何），並決定特定狀態所對應的一組候選符元與不對應於該特定狀態的一組非候選符元，接著仲裁電路1252C判斷決策電路1252之輸入訊號是否落入該組非候選符元所對應之一組決策區間的任一個決策區間內（也就是判斷是否靠近於非候選符元的星座點），以及搭配多工器1525B的運作適應地選擇是否以維特比決策結果作為決策結果訊號sd，通過這樣的決策操作使得在某些條件下有機會選取到一非候選星座點的訊號準位作為輸出，進一步降低誤判機率及發生錯誤傳播的機率；實作上，本領域之具通常技術者可將前述技術以Verilog等硬體描述語言表達，再以數位邏輯電路實現具體功能，在此不再贅述。相較而言，傳統的硬決策機制一旦決策錯誤，誤判造成的錯誤量比較大，當誤判時也會造成回授濾波器無法適當作動，再者，錯誤量的累計亦可能造成錯誤地更新了等化器本身的參數。而本案等化器裝置125以維特比演算法為基礎並選擇性地使用維特比決策的決策方法，除了通過維特比演算法來降低發生符元誤判的機率之外，也通過本案的仲裁電路的設計與判斷，本案之等化器裝置125進行決策的回授響應補償時可避免或減輕發生一旦決策錯誤造成更多錯誤傳播影響至下一次決策的錯誤傳播問題，系統具有高穩定性，而不會因為多路徑衰弱的影響過大而發生崩潰。

再者，應注意的是，本案於上述說明中雖採用了編碼率為2/3的格狀編碼調變技術，然而格狀編碼調變技術僅為本案的一種可能實施方式，而相對應的一維星象圖、候選符元/星象點的組合及非候選符元/星象點的組合也是本案的其中一種實施方式，均並非是本發明的限制，本案的主要精神在於接收端的等化器裝置係執行以維特比演算法為基礎及選擇性地使用維特比決策的決策操作來產生決策結果訊號，凡依此精神進行的實施例變化，均應屬於本案的範疇。此外，應注意的是，本發明並不限定於必然搭配軟決策操作，於其他實施例中亦可只採用以維特比演算法為基礎執行決策，因此，多工器1252B與仲裁電路1252C可以是非必要的。以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100‧‧‧通訊系統

105‧‧‧傳送器

110‧‧‧通道

115‧‧‧接收器

120‧‧‧通道估測電路

125‧‧‧等化器裝置

130‧‧‧解碼電路

402A~402D、403A~403D‧‧‧軟決策區間

1051‧‧‧編碼電路

1251‧‧‧前饋控制濾波器

1252‧‧‧決策電路

1252A‧‧‧維特比解碼演算電路

1252B‧‧‧多工器

1252C‧‧‧仲裁電路

1253‧‧‧回授濾波器

第1圖為本發明實施例之通訊系統的概念示意圖。第2圖為第1圖所示之通訊系統內位於訊號接收端之等化器裝置的一實施例示意圖。第3A圖為美國先進電視系統委員會所採用之編碼率2/3為格狀編碼調變的一範例示意圖。第3B圖為第3A圖之格狀編碼調變技術所採用的一維星象圖及對應的訊號準位大小。第3C圖為根據第3A圖之格狀編碼調變技術所對應使用的維特比演算法的架構示意圖。第4A圖與第4B圖為本案仲裁電路執行決策操作之一實施例的示意圖。

Claims

一種等化器裝置，其包含有：一前饋控制濾波器，用以處理一輸入訊號；一決策電路，有一耦接至該前饋控制濾波器的維特比解碼演算電路，可根據該前饋控制濾波器之一輸出訊號及一回授訊號執行以一維特比(Viterbi)解碼演算法為基礎的一決策操作以產生一決策結果訊號；以及一回授濾波器，耦接至該決策電路，用以根據該決策結果訊號產生該回授訊號；其中該前饋控制濾波器之該輸出訊號及該回授濾波器之該回授訊號組成該決策電路之一輸入訊號，該決策電路係先執行該維特比演算法以選取對應於一特定度量值(metric)的一特定狀態並決定該特定狀態所對應的一組候選符元與不對應於該特定狀態的一組非候選(non-candidate)符元，以及判斷該決策電路之該輸入訊號是否落入該組非候選符元所對應之一組決策區間內，來執行該決策操作以產生該決策結果訊號。
如申請專利範圍第1項所述之等化器裝置，其中該決策電路包含有：一多工器，耦接至該維特比解碼演算電路及接收該輸入訊號；以及一仲裁電路，耦接至該維特比解碼演算電路及該多工器，用以根據該維特比演算電路產生之一維特比決策結果訊號及該輸入訊號適應地選擇是否以維特比決策結果訊號作為該決策結果訊號。
如申請專利範圍第1項所述之等化器裝置，其中當該決策電路之該輸入訊號位於該組決策區間外時，該決策電路係選取並根據該組候選符元中該決策電路之該輸入訊號所對應之一鄰近候選符元之一訊號準位，產生該決策結果訊號。
如申請專利範圍第1項所述之等化器裝置，其中當該決策電路之該輸入訊號位於該組決策區間之一決策區間內時，該決策電路係選取並根據該決策區間內所對應之一訊號準位，產生該決策結果訊號。
如申請專利範圍第4項所述之等化器裝置，其中該決策區間內所對應之該訊號準位為該決策電路之該輸入訊號準位。
如申請專利範圍第4項所述之等化器裝置，其中該組非候選符元之一符元對應於該決策區間，且該決策區間內所對應之該訊號準位為該組非候選符元之該符元所對應之一訊號準位。
如申請專利範圍第1項所述之等化器裝置，其中該決策電路所執行之該維特比解碼演算法為基礎的該決策操作係對於一格狀編碼調變技術調變後的符元訊號之訊號準位大小進行決策判斷。
一種使用於一等化器裝置之決策方法，包含：使用一前饋控制濾波器，處理一輸入訊號；根據該前饋控制濾波器之一輸出訊號及一回授訊號執行以一維特比解碼演算法為基礎的一決策操作以產生一決策結果訊號；以及使用一回授濾波器，根據該決策結果訊號產生該回授訊號；其中該前饋控制濾波器之該輸出訊號及該回授濾波器之該回授訊號組成該決策操作的一輸入訊號，以及執行以該維特比演算法為基礎的該決策操作之步驟包含：執行該維特比演算法以選取對應於一特定度量值的一特定狀態並決定該特定狀態所對應的一組候選符元與不對應於該特定狀態的一組非候選符元；以及判斷該決策操作之該輸入訊號是否落入該組非候選符元所對應之一組決策區間內，以產生該決策結果訊號。
如申請專利範圍第8項所述之決策方法，另包括：判斷該輸入訊號是否落於該組決策區間內；以及根據該維特比決策結果訊號及該輸入訊號，適應地選擇是否以該維特比決策結果訊號作為該決策結果訊號。
如申請專利範圍第8項所述之決策方法，其中判斷該決策操作之該輸入訊號是否落入該組決策區間內以產生該決策結果訊號的步驟包含：當該決策操作之該輸入訊號位於該組決策區間外時，選取並根據該組候選符元中該決策電路之該輸入訊號所對應之一鄰近候選符元之一訊號準位，產生該決策結果訊號。
如申請專利範圍第8項所述之決策方法，其中判斷該決策操作之該輸入訊號是否落入該組決策區間內以產生該決策結果訊號的步驟包含：當該決策操作之該輸入訊號位於該組決策區間之一決策區間內時，選取並根據該決策區間內所對應之一訊號準位，產生該決策結果訊號。
如申請專利範圍第11項所述之決策方法，其中該決策區間內所對應之該訊號準位為該決策電路之該輸入訊號準位。
如申請專利範圍第11項所述之決策方法，其中該組非候選符元之一符元對應於該決策區間，且該決策區間內所對應之該訊號準位為該組非候選符元之該符元所對應之一訊號準位。
如申請專利範圍第8項所述之決策方法，其中所執行之該維特比解碼演算法為基礎的該決策操作係對於一格狀編碼調變技術調變後的符元訊號之訊號準位大小進行決策判斷。