TWI727866B - 決策回授等化器以及相關控制方法 - Google Patents

Abstract

一種決策回授等化器，用以根據一輸入訊號產生一決策輸出訊號，包含：一前饋等化器、一回授等化器以及一權重係數控制單元。該前饋等化器包含有複數個延遲線分段，並受控於一組第一權重係數。該回授等化器包含有複數個延遲線分段，並受控於一組第二權重係數。該權重係數控制單元用以選擇性地調整該組第一權重係數中之至少一者，以及決定該組第二權重係數中之至少一者的一組第一邊界值。其中，當該組第二權重係數中之至少一者不超過該組第一邊界值時，該權重係數控制單元遞增該組第一權重係數中之至少一者。

Description

決策回授等化器以及相關控制方法

本發明係關於決策回授等化器，尤指一種透過階段性調節等化器的權重係數，避免錯誤遞移的決策回授等化器與相關控制方法。

訊號在透過通道傳輸的過程中，往往會因通道時散(Time Dispersion)效應產生失真。主要的原因在於，當通道頻率響應為非常數振幅與非線性相位時，訊號的振幅和相位會因通道響應而失真，從而導致符號間干擾(Inter Symbol Interference, ISI)，這會讓接收端無法正確地辨識訊號。

決策回授等化器(Decision Feedback Equalizer)可作用於消除上述的通道失真。其中，決策回授等化器中又包含前饋等化器(Feed-forward Equalizer)、決策單元和回授等化器(Feedback Equalizer)。前饋等化器也稱強制歸零等化器(Zero-Forcing Equalizer)，其可使通道和等化器的脈衝響應在互相進行卷積後，只在一處有值。前饋等化器的優點在於架構簡單，但缺點是會放大雜訊，導致決策錯誤(decision error)。因此，需要再加上回授等化器來解決這個問題。回授等化器是決策回授等化器偵測出的符號(Symbol)為正確的假設下，使用已偵測到的符號d ₀當作輸入，從而消除通道的ISI。因此，回授等化器沒有放大雜訊的問題。

一般來說，決策回授等化器通常仰賴使用最小均方(Least Mean Square, LMS)演算法，決定前饋等化器和回授等化器中每個延遲線分段(tapped delay line)的權重係數。透過反覆調整前饋等化器和回授等化器的權重係數，逼近最小均方演算法所求得的最小平方解，從而收斂至高訊雜比。然而，在某些情形下，當決策回授等化器中的決策單元發生決策錯誤時，這個錯誤會被輸入至回授等化器。此時的決策錯誤還會由回授等化器的輸出端，回授給整個決策回授等化器。若錯誤較大，可能會造成很大的錯誤循環在回授等化器和決策裝置之間，此情況稱作錯誤遞移(error propagation)。當錯誤遞移的情形太嚴重時，整個決策回授等化器系統將不會收斂，造成整個決策回授等化器的系統性崩潰。

為了避免錯誤遞移現象的發生，本發明提供了一種控制決策回授等化器的機制。在本發明的控制機制中，會在最小均方演算法的收斂初期時，限制回授等化器中的權重係數，從而限制回授等化器的權重能量，如此一來，可以避免決策錯誤發生時，錯誤被放大所導致的錯誤遞移，進而讓最小均方演算法無法收斂。而且，決策錯誤在收斂初期時，相對於收斂穩定時來得可觀， 故壓制回授等化器的權重能量有助於提高收斂初期的穩定性。再者，當最小均方演算法趨向於收斂穩定後，本發明的控制機制會放寬對於回授等化器的權重係數的限制，從而在穩定收斂的階段中，逐步讓權重係數逼近最小平方解，提升訊號的訊噪比。如此一來，便可兼顧最小均方演算法的穩定度以及良好的訊噪比。

本發明之一實施例提供一種決策回授等化器，該決策回授等化器用以根據一輸入訊號產生一決策輸出訊號，並且包含：一前饋等化器、一回授等化器以及一權重係數控制單元。該前饋等化器包含有複數個延遲線分段，並受控於一組第一權重係數。該回授等化器包含有複數個延遲線分段，並受控於一組第二權重係數。該權重係數控制單元用以選擇性地調整該組第一權重係數中之至少一者，以及決定該組第二權重係數中之至少一者的一組第一邊界值。當該組第二權重係數中之至少一者不超過該組第一邊界值時，該權重係數控制單元遞增該組第一權重係數中之至少一者。

本發明之一實施例提供一種用於控制一決策回授等化器的方法。該方法用以根據一輸入訊號產生一決策輸出訊號，其中該決策回授等化器具有一前饋等化器以及一回授等化器。該方法包含：選擇性地調整對應於該前饋等化器的複數個延遲線分段的一組第一權重係數中之至少一者。決定對應於該回授等化器的複數個延遲線分段的一組第二權重係數中之至少一者的一組第一邊界值；以及當該組第二權重係數中之至少一者不超過該組第一邊界值時，該權重係數控制單元遞增該組第一權重係數中之至少一者。

在以下內文中，描述了許多具體細節以提供閱讀者對本發明實施例的透徹理解。然而，本領域的技術人士將能理解，如何在缺少一個或多個具體細節的情況下，或者利用其他方法或元件或材料等來實現本發明。在其他情況下，眾所皆知的結構、材料或操作不會被示出或詳細描述，從而避免模糊本發明的核心概念。

說明書中提到的「一實施例」意味著該實施例所描述的特定特徵、結構或特性可能被包含於本發明的至少一個實施例中。因此，本說明書中各處出現的「在一實施例中」不一定意味著同一個實施例。此外，前述的特定特徵、結構或特性可以以任何合適的形式在一個或多個實施例中結合。

請參考第1圖，該圖為本發明決策回授等化器之實施例的功能方塊圖。如圖所示，決策回授等化器100包含有一前饋等化器110、一回授等化器120、一決策單元130以及一權重係數控制單元140。決策回授等化器100用以從一通道上接收一輸入訊號r ₀，並產生一決策輸出訊號d ₀。其中，前饋等化器110用以根據輸入訊號r ₀產生一前饋輸出訊號FF ₀，從而消除通道所造成的ISI中的前標記(pre-cursor)干擾與後標記(post-cursor)干擾。而回授等化器120則根據決策輸出訊號d ₀產生一前饋輸出訊號FB ₀，從而消除ISI中的後標記(post-cursor)干擾。決策單元130根據前饋等化器110所產生的前饋輸出訊號FF ₀，以及回授等化器120所產生的前饋輸出訊號FB ₀，產生決策輸出訊號d ₀。

第2A圖與第2B圖分別繪示前饋等化器110與回授等化器120的架構示意圖。其中，前饋等化器110與回授等化器120分別具有多個延遲線分段(tapped delay-line)112_1~112_N以及122_1~122_N。前饋等化器110與回授等化器120分別受控於一組權重係數cf ₁~ cf _N以及一組權重係數cb ₁~ cb _N。其中，權重係數控制單元140可以在決策回授等化器100收斂的過程中，控制權重係數cf ₁~ cf _N以及cb ₁~ cb _N。在本發明的控制機制中，權重係數控制單元140將針對決策回授等化器100的收斂過程進行權重係數cf ₁~ cf _N以及cb ₁~ cb _N的調整。其中，在收斂初期階段，本發明的權重係數控制單元140根據最小均方演算法，並根據一定限制，保守地調整權重係數cf ₁~ cf _N以及cb ₁~ cb _N，以在提升系統訊噪比的同時，保證收斂的穩定性。而在進入收斂穩定階段，權重係數控制單元140針對前饋等化器110中的一個或多個權重係數cf _K進行調整，觀察回授等化器120中的一個或多個權重係數cb _K的相應變化，據此逐步讓權重係數cf _K以及權重係數cb _K逼近最小均方演算法求得的最小平方解。在收斂初期階段，本發明將會對權重係數cf _K與cb _K做出一定限制，這讓權重係數cf _K的可調整範圍較小。而在收斂穩定階段時，則會放寬權重係數cb _K的限制，讓權重係數cf _K的有較大調整範圍，從而讓權重係數cf _K與cb _K在收斂穩定階段時，能更逼近最小平方解，以提高系統的訊噪比。

請參考第3圖，該圖為本發明控制方法實施例之初步調整階段的流程圖。首先，在步驟310中，此時決策回授等化器還在收斂初期，故針對回授等化器110中的一個或多個權重係數cb _K與cf _K進行限制，設定每一個或多個權重係數cb _K其相對應的上邊界值cb_max _K和下邊界值cb_min _K，要求每一個或多個權重係數cb _K不得超過相對應上邊界值cb_max _K和下邊界值cb_min _K，以及設定每一個或多個權重係數cf _K其相對應的上邊界值cf_max _K和下邊界值cf_min _K，要求每一個或多個權重係數cf _K不得超過相對應上邊界值cf_max _K和下邊界值cf_min _K。其中，在不同實施例中，不同的權重係數cb _K相對應的上/下邊界值cb_max _K和cb_min _K可能相同或不同，以及不同的權重係數cf _K相對應的上/下邊界值cf_max _K和cf_min _K也可能相同或不同。然而，上邊界值cb_max _K和下邊界值cb_min _K的絕對值必須小於最小平方解(MMSE solution)的絕對值，如此才能避免錯誤遞移的發生。

再者，在步驟320中，使用最小均方演算法來使得決策回授等化器逐步進入收斂狀態，這包含針對前饋等化器120中的一個或多個權重係數cf _K的調整，以及針對回授等化器110中的一個或多個權重係數cb _K的調整，並且確保一個或多個權重係數cb _K不會超過相對應的上/下邊界值cb_max _K和cb_min _K，一個或多個權重係數cf _K不會超過相對應的上/下邊界值cf_max _K和cf_min _K。

在步驟330中，檢查是否一段預定時間T_avg已經過，而且決策回授等化器100的訊噪比滿足收斂穩定的最小需求。其中收斂穩定的最小需求可透過計算決策回授等化器100的訊噪比，並將其與一臨界值SNR_stable進行比較，而臨界值SNR_stable可以透過對決策回授等化器100預先進行反覆測試，然後根據錯誤遞移發生時的訊噪比來確定。

如果在以上的階段中，已經確保了決策回授等化器100進入穩定收斂的狀態，那麼本發明的控制機制將會進入微調階段(fine-tuning)。此時，本發明的控制機制將放寬對回授等化器120中的一個或多個權重係數cb _K的限制，以追求更好的訊噪比。

請參考第4圖所示的流程圖，該圖係為本發明控制方法實施例之微調階段的流程圖。首先，在步驟410中，本發明的控制機制會先檢視當前的系統訊噪比，如果此時系統訊噪比夠高，則會終止微調階段的流程，避免回授等化器120的權重係數cb _K過高時，可能造成錯誤遞移的風險。然而，若是系統訊噪比仍然有繼續提高的空間，則會繼續進行微調階段。其中，系統訊噪比將與一目標訊噪比SNR_target進行比較，只有當系統訊噪比小於目標訊噪比SNR_target時，微調流程才會繼續。

在步驟420中，權重係數控制單元140將放寬對於權重係數cb _K的限制，也就是讓回授等化器120中的一個或多個權重係數cb _K可以相對於初步調整階段時，更逼近最小均方演算法所求得的最小平方解。其中，權重係數控制單元140會設定每一個或多個權重係數cb _K對應的新上邊界值cb_max_tgt _K和新下邊界值cb_min_tgt _K，並要求每一個或多個權重係數cb _K不得超過相對應的上邊界值cb_max_tgt _K和下邊界值cb_min_tgt _K。而在微調階段所設定的邊界值cb_max_tgt _K和下邊界值cb_min_tgt _K，會比在第3圖所示的收斂初期階段的邊界值cb_max _K和下邊界值cb_min _K更大。透過放寬一個或多個權重係數cb _K的限制，讓一個或多個權重係數cb _K可以更接近最小平方解，進一步提高系統訊噪比。

在步驟430中，權重係數控制單元140會檢視回授等化器120中的一個或多個權重係數cb _K是否未超過步驟420中所設定的邊界值。若權重係數cb _K已超過步驟420中所設定邊界值，則此微調階段(步驟480)也會結束。另一方面，在權重係數cb _K仍未超過邊界值的情形下，權重係數控制單元140會逐步遞增前饋等化器110中的一個或多個權重係數cf _K。由於權重係數cb _K與權重係數cf _K之間存在一定的相依性 _­，因此權重係數cb _K也會隨之提升。

在本發明的控制機制中，權重係數控制單元140將等待一預定時間T_thd，才會提高權重係數cf _K(步驟440)。當預定時間T_thd經過後，會進入步驟450來整權重係數cf _K，若否，則進入步驟460，維持權重係數cf _K不變，並且繼續等待(步驟465)。

在微調階段中，每一次提高權重係數cf _K後，會再等待一段預定時間，才再次提高權重係數cf _K。設計等待時間的目的在於確保系統的穩定性。進一步來說，若突然地調整權重係數cf _K，可能導致暫態錯誤產生，當錯誤過大時，也可能會破壞決策回授等化器100的收斂穩定性。因此，緩慢地調整有助於避免此類錯誤的發生。另一方面，等待時間的長短可能根據系統的特性有所不同，而在極端的情形下，也可以考慮忽略等待時間，或者是使用很長的等待時間。

在步驟450中，權重係數控制單元140會等量地(如，步進量cf_step)提高前饋等化器中的一個或多個權重係數cf _K，以及其分別相對應的上/下邊界值cf_max _K和cf_min _K。例如，在每次進入步驟450時，同時讓權重係數cf _K以及上/下邊界值cf_max _K和cf_min _K增加一個單位的步進量cf_step。其中，步進量cf_step的選擇也與系統特性有關。之後，本發明的控制機制會在每次對權重係數cf _K以及其分別相應的上/下邊界值cf_max _K和cf_min _K調整後，再次確認一個或多個權重係數cb _K是否達到其相對應的邊界值cb_max_tgt _K和cb_min_tgt _K(返回步驟430)。若是，則微調階段的流程結束；否則繼續對權重係數cf _K，以及其上/下邊界值cf_max _K和cf_min _K做下一次調整。

請注意，在某些實施例中，本發明的控制流程也可能只包含第4圖所示的微調階段，也就是說，一旦決策回授等化器100被確認進入穩定收斂階段，就展開微調階段，但先前的控制調整機制可以不同於第3圖所示的初步調整階段。而本發明的控制方法也可以被簡化為第5圖所示的步驟：

步驟510：選擇性地調整對應於前饋等化器的複數個延遲線分段的一組第一權重係數中之至少一者；

步驟520：決定對應於回授等化器的複數個延遲線分段的一組第二權重係數中之至少一者的一組第一邊界值；以及

步驟530：當該組第二權重係數中之至少一者未超過該組第一邊界值時，該權重係數控制單元遞增該組第一權重係數中之至少一者。

上述的步驟，可以在進行適當的變化與調整之後，得到與前述實施例相同/相似的流程以及功效。

本發明包含以下特點：首先，在使用最小均方演算法進行收斂初期，回授等化器120的權重係數cb _K被加上了較為嚴格的限制，避免過於接近最小平方解，從而限制回授等化器120權重的能量，如此一來，可以避免錯誤遞移的發生。只有在收斂進入穩定狀態後，權重係數cb _K的限制才會被放寬，使其得以逼近最小平方解，讓決策回授等化器100能進一步提高訊噪比至一個理想目標。再者，再進入穩定狀態後，更主動積極地調整權重係數cf _K(定期遞增固定的步進量)，讓系統可以更快地提高其訊噪比，同時又透過等待時間的設置，避免提高其訊噪比的同時發生暫態錯誤。如此一來，本發明兼顧了最小均方演算法的穩定度以及良好的訊噪比。

本發明之實施例可使用硬體、軟體、韌體以及其相關結合來完成。藉由適當之一指令執行系統，可使用儲存於一記憶體中之軟體或韌體來實作本發明的實施例。就硬體而言，則是可應用下列任一技術或其相關結合來完成：具有可根據資料信號執行邏輯功能之邏輯閘的一個別運算邏輯、具有合適的組合邏輯閘之一特定應用積體電路(application specific integrated circuit, ASIC)、可程式閘陣列(programmable gate array, PGA)或一現場可程式閘陣列(field programmable gate array, FPGA)等。

說明書內的流程圖中的流程和方塊示出了基於本發明的各種實施例的系統、方法和電腦軟體產品所能實現的架構，功能和操作。在這方面，流程圖或功能方塊圖中的每個方塊可以代表程式碼的模組，區段或者是部分，其包括用於實現指定的邏輯功能的一個或多個可執行指令。另外，功能方塊圖以及/或流程圖中的每個方塊，以及方塊的組合，基本上可以由執行指定功能或動作的專用硬體系統來實現，或專用硬體和電腦程式指令的組合來實現。這些電腦程式指令還可以存儲在電腦可讀媒體中，該媒體可以使電腦或其他可編程數據處理裝置以特定方式工作，使得存儲在電腦可讀媒體中的指令，實現流程圖以及/或功能方塊圖中的方塊所指定的功能/動作。 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:決策回授等化器 110:前饋等化器 120:回授等化器 130:決策單元 140:權重控制單元 112_1~112_N、122_1~122_N:延遲線分段 310~340、410~480:步驟

第1圖為本發明決策回授等化器實施例的功能方塊圖。 第2A圖與第2B圖分別繪示本發明決策回授等化器中之前饋等化器與回授等化器的實施架構示意圖。 第3圖為本發明控制方法之實施例中初步調整階段的流程圖。 第4圖為本發明控制方法之實施例中微調階段的流程圖。 第5圖為本發明控制方法之實施例的簡化流程圖

410~480:步驟

Claims (10)

1. 一種決策回授等化器(Decision feedback equalizer)，用以根據一輸入訊號產生一決策輸出訊號，包含： 一前饋等化器，包含有複數個延遲線分段，並受控於一組第一權重係數； 一回授等化器，包含有複數個延遲線分段，並受控於一組第二權重係數；以及 一權重係數控制單元，用以選擇性地調整該組第一權重係數中之至少一者，以及決定該組第二權重係數中之至少一者的一組第一邊界值；當該組第二權重係數中之至少一者不超過該組第一邊界值時，該權重係數控制單元遞增該組第一權重係數中之至少一者。
2. 如請求項1所述的決策回授等化器，其中當該組第二權重係數中之至少一者等於該組第一邊界值時，該權重係數限制單元不再遞增該組第一權重係數之至少一者。
3. 如請求項1所述的決策回授等化器，其中該權重係數限制單元在連續兩次遞增該組第一權重係數之至少一者的過程之間會歷經一預定時間間隔。
4. 如請求項1所述的決策回授等化器，其中當該組第二權重係數中之至少一者不超過該組第一邊界值，且該權重係數控制單元在遞增該組第一權重係數中之至少一者的同時，還遞增該組第一權重係數中之至少一者所對應的一組第二邊界值。
5. 如請求項1所述的決策回授等化器，其中在該權重係數控制單元調整該組第一權重係數之前，若該決策輸出訊號之一訊噪比大於或等於一目標訊噪比，該權重係數控制單元不會調整該組第一權重係數中之任何一者。
6. 如請求項1所述的決策回授等化器，其中該權重係數控制單元還決定該組第二權重係數中之至少一者的一組第三邊界值，其中該組第三邊界值小於該組第一邊界值，並且該組第二邊界值小於基於一最小均方演算法所得到之一最小平方解；其中，當該決策輸出訊號之一訊噪比小於一穩定訊噪比時，該權重係數控制單元根據該最小均方演算法調整該組第一權重係數之至少一者與該組第二權重係數中之至少一者，直到該訊噪比不小於該穩定訊噪比。
7. 一種用於控制一決策回授等化器的方法，用以根據一輸入訊號產生一決策輸出訊號，其中該決策回授等化器具有一前饋等化器以及一回授等化器，該方法包含： 選擇性地調整對應於該前饋等化器的複數個延遲線分段的一組第一權重係數中之至少一者； 決定對應於該回授等化器的複數個延遲線分段的一組第二權重係數中之至少一者的一組第一邊界值；以及 當該組第二權重係數中之至少一者不超過該組第一邊界值時，該權重係數控制單元遞增該組第一權重係數中之至少一者。
8. 如請求項7所述的方法，其中選擇性地調整該組第一權重係數中之至少一者的步驟包含： 當該組第二權重係數中之至少一者等於該組第一邊界值時，不再遞增該組第一權重係數之至少一者。
9. 如請求項7所述的方法，其中選擇性地調整該組第一權重係數中之至少一者的步驟包含： 在連續兩次遞增該組第一權重係數之至少一者的過程之間會歷經一預定時間間隔。
10. 如請求項7所述的方法，其中選擇性地調整該組第一權重係數中之至少一者的步驟包含： 當該組第二權重係數中之至少一者不超過該第一邊界值，以及該權重係數控制單元在遞增該組第一權重係數中之至少一者的同時，還遞增該組第一權重係數中之至少一者所對應的一組第二邊界值。

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