JPH088509B2 - 系列推定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、伝送路の特性の時間的な変動に追随して送
信信号系列の推定を行う系列推定装置に関する。

（従来の技術） 最尤系列推定装置（MLSE）は等化能力の最も優れた等
化方式として知られている（例えば、文献1:G.D.Forne
y,“Maximum Likelihood Sequence Estimation of Digi
tal Sequences in the presence of intersymbol inter
eference,"IEEE Transaction on Information Theory,v
ol.IT−18,no.3,May1972）。最尤系列推定装置は一般に
単一の伝送路応答推定器を備えており、伝送路推定は既
知の系列を受信する際にこの伝送路応答推定器を用いて
行う。

また、伝送路の特性が時間的に変動する場合には、こ
の伝送路の特性の時間的な変動に追従させるような適応
最尤系列推定装置も提案されている（例えば、文献2:G.
Ungerboeck,“Adaptive Maximum Likelihood Receiver
for Carrier−Modulated Data Transmission Systems,"
IEEE Transaction on Communications,vol.COM−22,no.
5,May1974）。適応最尤系列推定装置は、まず既知系列
を受信する際に伝送路応答を求め、それ以後情報データ
系列を受信するときは伝送路推定器を適応アルゴリズム
を用いて動作させ、伝送路応答を逐次更新していくこと
で伝送路特性の時間的変動に追従していくことを特徴と
している。しかし、適応最尤系列推定装置では、伝送路
特性が高速変動にする場合その伝送路推定器の適応動作
が追いつかなくなる。

これに対して、特願平２−203436では高速に変動する
伝送路に対しても追従することが可能な新しい形の系列
推定装置を提案している。この装置は、送信信号系列の
みならず伝送路の特性も未知であるとして、系列毎に対
応する伝送路応答を推定してビタビアルゴリズムを適用
することを特徴とする。伝送路応答の推定は、送信信号
系列候補、伝送路応答、受信信号の三者で定まる伝送路
方程式を系列毎に解くことによって行っている。これは
伝送路応答の最適解を逐次求めることに相当するので、
特願平２−203436の系列推定装置は高速な伝送路変動に
対しても追従できる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、特願平２−203436の系列推定装置で
は、送信信号系列候補のパターンによっては送信信号系
列候補、伝送路応答、受信信号の三者で定まる伝送路方
程式が本質的に解けず伝送路応答が不定になる場合が存
在するという欠点がある。また、特願平２−203436の系
列推定装置は解を逐次得ているため、雑音などにより伝
送路応答推定値が時間毎に過度に敏感に変動して系列推
定を誤るという欠点がある。

そこで、本発明の目的は、伝送路推定を系列毎に安定
に行いながら、高速に変動する伝送路に追従することが
可能な系列推定装置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 本発明に係る系列推定装置は、受信信号のサンプル値
を複数個記憶するレジスタと、前記レジスタから複数個
の前記サンプル値を入力し、複数の系列に対してそれぞ
れ現時刻の伝送路応答を推定する伝送路応答計算回路
と、該伝送路応答計算回路で求めた複数の系列に対する
前記伝送路応答に応じて第１の重み係数と第２の重み係
数群とをそれぞれの系列に対して計算する重み係数制御
回路と、前記第１の重み係数と前記伝送路応答計算回路
の出力とを乗じる第１の乗算器と、前記第２の重み係数
群と過去の並び替えられた伝送路応答推定値列とを乗じ
る第２の乗算器と、前記第１の乗算器の出力と前記第２
の乗算器の出力とを加算する加算器と、複数の系列に対
して前記加算器出力をそれぞれ現時刻の伝送路応答推定
値として記憶する伝送路応答記憶回路と、該伝送路応答
記憶回路の出力として与えられる過去の伝送路応答推定
値列と前記伝送路応答計算回路の出力として与えられる
前記現時刻の伝送路応答との対応関係を複数の系列それ
ぞれに対して生き残り系列の接続情報から調べ、前記対
応関係に応じて前記過去の伝送路応答推定値を並び替え
て前記過去の並び替えられた伝送路応答推定値列として
出力するマトリクススイッチと、前記加算器が与える前
記現時刻の伝送路応答推定値に基づいてそれぞれの系列
に対しての仮想受信信号点を求め、前記受信信号のサン
プル値との距離を求めるブランチメトリック計算回路
と、該ブランチメトリック計算回路の出力を受けてビタ
ビアルゴリズムにより受信信号を判定するとともに前記
生き残り系列の接続情報を前記マトリクススイッチに出
力するビタビプロセッサと、から構成されることを特徴
とする。

（作用） 以下では、第４図に示すように主波に対して複数の遅
延波の応答が存在する伝送路を考える。伝送路インパル
ス応答をベクトル_t ^T＝（h_t ⁰、h_t ¹、…、h_t ^L）、送信
信号系列をベクトル_t ^T＝（s_t、s_t-1、…、s_t-L）、送
信信号とは独立な観測過程を含めた上での加法性伝送路
雑音をv_tとする。このとき、時刻ｔでの受信器入力r
_tは、式（１）示されるようにベクトル_ｔとベクトル
_ｔとの畳込みと雑音の和で与えられる。

r_t＝_t ^T・_t ^T＋v_t ……（１） この様子を第５図に示す。以下、式（１）を時刻ｔで
の伝送路方程式と呼ぶ。

次に、時刻ｔ−Ｎ＋１から時刻ｔまでのＮ個の受信信
号から伝送路インパルス応答ベクトル_ｔを最小二乗推
定する方法を述べる。まず、そのために時刻ｔ−Ｎ＋１
から時刻ｔまでＮ個の送信信号系列ベクトル_τ（ｔ−
Ｎ＋１≦τ≦ｔ）から次のように送信信号行列S_tを定義
する。

また、受信信号ベクトル_ｔ、雑音ベクトル_ｔを以
下で定義する。_t ^T ＝（r_t、r_t-1、…、r_t-N+1） （３）_t ^T ＝（v_t、v_t-1、…、v_t-N+1） （４） 以上より、Ｎ時点にわたる伝送路方程式は式（５）で
書ける。_ｔ ＝S_t ^T・_ｔ＋_ｔ （５） このとき、最小二乗推定による伝送路インパル応答ベ
クトル_t,lsは、_t,ls ＝（S_t ^T・S_t）^-1・S_t ^T・_ｔ （６） で得られる（例えば、文献3:中溝「信号解析とシステム
同定」コロナ社、1988）。特に、インパルス応答推定に
用いる受信信号の数（Ｎ）が伝送路応答の数（Ｌ＋１）
に等しいときは送信信号行列S_tが正方行列となるので、
受信信号に単に送信信号行列S_tの逆行列をかけることで
最小二乗推定による伝送路応答推定値が得られる。

第２図に示す特願平２−203436の系列推定装置は、全
ての送信信号行列S_t、すなわち取り得る送信信号の全て
の組み合せ（s_t、s_t-1、…、s_t-L-N+1）に対してそれぞ
れ伝送路応答推定値ベクトル_t,lsの解を求め、それら
を基に各時刻で送信信号の各組み合せ（s_t、s_t-1、…、
s_t-L-N+1）に対して式（８）に示す尤度（ブランチメト
リック）を計算する。

|r_t−_t ^T・_t,ls|² （８） そして、この値の全時刻ｔに渡る和で定まる値（パス
メトリック）を最小にする全時刻に渡る送信信号系列を
ビタビアルゴリズムにより求める。ここで、ビタビアル
ゴリズムを動作させるトレリス線図の状態は、送信信号
行列S_tの成分に現れる送信信号の組み合せ（s_t、s_t-1、
…、s_t-L-N+1）が定める。この意味で、以下では送信信
号の組み合せ（s_t、s_t-1、…、s_t-L-N+1）のことを単に
状態と呼ぶことにする。ビタビアルゴリズムによって求
めた最尤状態の全時刻に渡る連なりが送信信号系列推定
値となる。

さて、この特願平２−203436の系列推定装置では式
（６）あるいは式（７）で伝送路応答ベクトル_t,lsを
求める際に、それぞれ行列（S_t ^TS_t）^-1、行列S_t ^-1を計
算している。このため、行列S_t ^TS_tあるいは行列S_tが特
異になる状態に対しては、そのままでは伝送路応答を求
めることができない。伝送路応答が不定となるとブラン
チメトリック計算が行えず、ビタビアルゴリズムを動作
させることができないという欠点がある。これに対し
て、一般に伝送路変動は送信信号行列S_tの成分に現れる
信号の時間間隔（Ｌ＋Ｎ−１）Ｔ（Ｔは送信シンボル時
間間隔）において無視できるほど小さいという性質があ
る。この性質を利用すれば、行列S_t ^TS_tあるいは行列S_t
が特異になる状態に対する伝送路応答推定値ベクトル
_t,lsとして、該状態に遷移する生き残り系列の前時刻状
態での伝送路応答推定値ベクトル で代用することができる。すなわち、基本的に本発明の
系列推定装置は、行列S_t ^TS_tあるいは行列S_tが特異とな
る状態に対しては生き残り系列が前時刻でとった状態に
関する伝送路応答推定値を利用し、行列S_t ^TS_tあるいは
行列S_tが非特異となる状態に対しては受信信号は行列Ｓ
の逆行列をかけて求めた伝送路応答を利用すように設定
する。これにより、ブランチメトリック計算回路に対し
て常に安定に伝送路応答推定値を供給することができ、
これを基に従来のビタビアルゴリズムを動作させること
により、高速に変動する伝送路に安定して追従すること
が可能な系列推定装置が実現できる。

また、特願平２−203436の系列推定装置では、伝送路
応答推定値を毎時刻逐次求めるだけで、各時刻の推定値
間の相関を利用していない。そのため、雑音によりそれ
ぞれの状態に対する伝送路応答推定値が各時刻で大きく
変化し、系列推定を誤ることがある。しかるに、雑音を
無視すれば、本来伝送路応答はドップラー周波数に従っ
て連続的に変化するという性質がある。すなわち、時変
とはいえ、伝送路応答の変化はシンボル伝送間隔に比べ
一般に緩やかで、各時刻の伝送路応答の間には高い相関
がある。そこで、本発明に係る第２の系列推定装置で
は、伝送路応答間の高い相関を利用するような変換操作
を新たに導入する。すなわち、それぞれの状態に対し
て、過去の時点での伝送路応答推定値と伝送路方程式を
解いて求めた現時点の推定値とからこの変換操作により
新たな現時点の推定値を得るようにする。これにより、
伝送路応答推定値が各時刻で大きく変化する現象を防止
でき、真の状態に対して安定した確からしい伝送路応答
推定値を求めることができるようになる。また、伝送路
応答推定値を平滑化することにより伝送路推定過程にお
ける雑音を効果的に取り除くことができる。その結果、
高速に変動する伝送路に安定して追従することが可能な
系列推定装置が実現できる。

以下では、変換操作として簡単な平均操作を選ぶ場合
に関して説明する。過去の複数の伝送路応答推定値から
平均操作により現時刻の推定値を求める際、平均操作に
関わる推定値に対する重みがすべて同一となる単純平均
より、重みが時刻とともに第３図に示すような負の指数
関数に従うような加重平均を選択した方が精度よく求ま
ることが多い。第３図は、時刻ｔ以後の加重平均操作に
おける時刻ｔの伝送路応答推定値ベクトル_t,lsに対す
る重みの変化を示した図である。このように重みが負の
指数関数に従うような加重平均となるのは、例えば時変
系に適したRLSアルゴリズム（例えば、文献3:コーワ
ン、グラント著、アダプティブ フィルターズ、プレン
ティス・ホール、1985）においてフィルタ係数の制御に
関わる各時刻の判定誤差が忘却係数のべき乗により重み
付けされて加算されていくことに相当している。また、
一般に重みが負の指数関数的に減衰する加重平均を行う
場合、FIR形構成フィルタに比べIIR形構成のフィルタの
方が少ないタップ数でその特性を実現できることが知ら
れている（例えば前記文献３）。本発明の系列装置にお
いて、伝送路応答記憶回路105、マトリックススイッチ1
06、第１の乗算器109、加算器110、第２の乗算器111の
部分はIIR形フィルタを構成していることに相当してお
り、少ないハード規模で加重平均を実現できる。また、
マトリックススイッチ106は生き残り系列の接続情報を
ビタビプロセッサから受け取り、過去の複数時刻の伝送
路応答推定値と現時刻の伝送路応答推定値との対応関係
を制御するが、平均操作に関わる伝送路応答の数が少な
いければ、この制御装置の規模も小さい。

（実施例） 次に、図面を参照して本発明を説明する。第１図に本
発明に係る系列推定装置の一実施例を示す。以下では、
伝送路応答記憶回路105が記憶する過去の伝送路応答推
定値列として前時刻の伝送路応答推定値のみとする例に
ついて述べる。

入力端子101に供給された時刻ｔでの受信器入力r
_tは、レジスタ102に記憶されるとともにブランチメトリ
ック計算回路107に送られる。レジスタ102に記憶された
時刻ｔ−Ｎ＋１から時刻ｔまでＮ個の受信信号は伝送路
応答計算回路103に入力される。伝送路応答計算回路103
は、式（６）ないし式（７）にしたがって各状態に対し
てベクトル_t,lsを計算する。式（６）ないし式（７）
における伝送路応答計算では、行列（S_t ^TS_t）^-1、行列S
_t ^-1はともに送信信号のみで決まるので、全ての状態、
すなわち（（s_t、s_t-1、…、s_t-L-N+1）の取り得る全て
の送信信号の組み合せに対してあらかじめ計算し、その
結果を記憶しておいてもよい。行列S_t ^TS_tあるいは行列S
_tが特異となる送信信号の組み合せに対しては、伝送路
応答計算回路103はあらかじめ定めた値（例えば０）を
出力し、ベクトク_t,lsが不定である旨を重み係数制御
回路104に伝える。ここでは、各状態に対して不定でな
い場合に得られる伝送路応答推定値を正当な推定値と呼
ぶ。重み係数制御回路104は、まず全ての状態に対して
それぞれベクトル_t,lsが不定であるか否かを調べる。
次に、不定である状態に対しては第１の乗算器に対して
出力する第１の重み係数を０、第２の乗算器に対して出
力する第２の重み係数を１に設定する。ここで第２の重
み係数がそれぞれの状態に対して１つずつしか用意され
ないのは、伝送路応答記憶回路が記憶する過去の伝送路
応答推定値列として前時刻の伝送路応答推定値のみを扱
っているからである。不定でない状態に対しては、あら
かじめ定めた２種類の重み係数、例えば0.6と0.4とをそ
れぞれ第１、第２の重み係数として設定する。なお、不
定でない状態に対しても、伝送路推定開始時、すなわち
伝送路応答記憶回路105に伝送路応答計算回路103で計算
した伝送路応答が入力されていない時に限り、第１、第
２の重み係数としてそれぞれ１、０を設定し、伝送路応
答計算回路103で計算した現時刻の伝送路応答をそのま
ま用いるようにする。

さて、第１の乗算器109は、全ての状態に対して第１
の重み係数を伝送路応答計算回路103が求めた現時刻の
伝送路応答ベクトル_t,lsに掛け合わせる。第２の乗算
器111は、全ての状態に対してマトリクススイッチ106が
与える前時刻の並び替えられた伝送路応答推定値ベクト
ル と第２の重み係数を掛け合わせる。そして、第１の乗算
器109の出力と第２の乗算器111の出力とを加算器110で
加算し、それぞれの状態に対して現時刻の伝送路応答推
定値ベクトル_ｔ′を得る。伝送路応答計算回路103が
求めた現時刻の伝送路応答ベクトル_t,lsが不定の場合
は、第１の重み係数が０、第２の重み係数が１というよ
うに設定されているので、現時刻の伝送路応答推定値ベ
クトル_ｔ′として自動的に前時刻の伝送路応答推定値
ベクトル が取られるようになっている。また、現時刻の伝送応答
推定値ベクトル_ｔ′の発散を防ぐために、第１の重み
係数と第２の重み係数の和は常に１以下になるように設
定する必要がある。

全ての状態に対して求めた現時刻の伝送路応答推定値
ベクトル_ｔ′は、伝送路応答記憶回路105に記憶され
るとともにブランチメトリック計算回路107に供給され
る。ここで、伝送路応答記憶回路105に記憶される伝送
路応答は変換操作を受けた後の推定値である。伝送路応
答記憶回路105に記憶されていた前時刻の伝送路応答推
定値ベクトル はマトリクススイッチ106に供給される。マトリクスス
イッチ106は、加算器110において、各状態の現時刻の伝
送路応答推定値ベクトル_ｔ′に対し該状態に遷移する
系列が取った前時刻状態に関する前時刻の伝送路応答推
定値ベクトル が正しく対応するように、ビタビプロセッサ108が与え
る生き残り系列の接続情報に従って前時刻の伝送路応答
推定値ベクトル を並び替える。

さらに、ブランチメトリック計算回路107は、伝送路
応答記憶回路105が与える現時刻の伝送路応答推定値ベ
クトル_ｔ′を基に、取り得る全ての状態に対して式
（８）で定まるブランチメトリックを個別に計算する。
ブランチメトリック計算回路107は個々の状態に対して
計算して得られたブランチメトリックをビタビプロセッ
サ108に出力する。ビタビプロセッサ108は、式（８）の
メトリックの全ての時刻の和が最小となる系列のある特
定時刻の送信信号推定値を出力端子112に出力するとと
もに、生き残り系列の接続情報をマトリクススイッチ10
6に供給する。ビタビプロセッサ108の動作は文献１、２
の系列推定装置と同様であるので、詳細は省略する。

以上の実施例では、伝送路応答記憶回路105が記憶す
る過去の伝送路応答推定値列として前時刻の伝送路応答
推定値ベクトル のみとする例について述べたが、過去の伝送路応答推定
値として など過去の複数時刻に渡る伝送路応答推定値を記憶し、
それらに対応した第２の重み係数を係数群として持ち、
伝送路応答の変換操作に利用してもよい。また、以上の
実施例では、重み制御回路104は伝送路応答推定値の不
定か否かのみで重み係数を制御したが、不定の場合に加
え、ブランチメトリック計算回路107にとって好ましく
ない伝送路応答が伝送路応答計算回路103から供給され
る場合にも適応的に重み係数を設定してもよい。さら
に、以上の実施例では、主波に対して複数の遅延波が存
在する伝送路をもとに説明を行ったが、主波に対して複
数の先行波の応答が存在するような伝送路、先行波と遅
延波が混在するような伝送路に対しても本発明の系列推
定装置が有効であることも明らかである。

（発明の効果） 以上に詳しく述べたように、本発明は少ない記憶量と
小さい装置規模で、雑音がある場合にも系列毎の伝送路
推定を常に安定に行い、高速に変動する伝送路に追従す
る系列推定装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る系列推定装置の一実施例を示すブ
ロック図、第２図は従来の系列推定装置を示すブロック
図、第３図は時刻ｔ以後の加重平均操作における時刻ｔ
の伝送路応答推定値ベクトル_t,lsに対する重みの変化
を示した図、第４図は伝送路応答を説明するための図、
第５図は伝送路モデルを説明するための図である。 101、201、501……入力端子、102、202……レジスタ、1
03、203……伝送路応答計算回路、104……重み係数制御
回路、105……伝送路応答記憶回路、106……マトリクス
スイッチ、107、204……ブランチメトリック計算回路、
108、205……ビタビプロセッサ、109……第１の乗算
器、110、504、505……加算器、111……第２の乗算器、
112、206、506……出力端子、401……主波応答、402…
…遅延波応答、502……遅延素子、503……乗算器。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭60−103714（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−159126（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−241925（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−278723（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−79615（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−502695（ＪＰ，Ａ) 電子情報通信学会春季全国大会講演論文 集，1991〔分冊２〕Ｐ．２−624〜Ｐ．２ −625（ＳＢ−４−４)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】受信信号のサンプル値を複数個記憶するレ
   ジスタと、前記レジスタから複数個の前記サンプル値を
   入力し、複数の系列に対してそれぞれ現時刻の伝送路応
   答を推定する伝送路応答計算回路と、該伝送路応答計算
   回路で求めた複数の系列に対する前記伝送路応答に応じ
   て第１の重み係数と第２の重み係数群とをそれぞれの系
   列に対して計算する重み係数制御回路と、前記第１の重
   み係数と前記伝送路応答計算回路の出力とを乗じる第１
   の乗算器と、前記第２の重み係数群と過去の並び替えら
   れた伝送路応答推定値列とを乗じる第２の乗算器と、前
   記第１の乗算器の出力と前記第２の乗算器の出力とを加
   算する加算器と、複数の系列に対して前記加算器出力を
   それぞれ現時刻の伝送路応答推定値として記憶する伝送
   路応答記憶回路と、該伝送路応答記憶回路の出力として
   与えられる過去の伝送路応答推定値列と前記伝送路応答
   計算回路の出力として与えられる前記現時刻の伝送路応
   答との対応関係を複数の系列のそれぞれに対して生き残
   り系列の接続情報から調べ、前記対応関係に応じて前記
   過去の伝送路応答推定値を並び替えて前記過去の並び替
   えられた伝送路応答推定値列として出力するマトリクス
   スイッチと、前記加算器が与える前記現時刻の伝送路応
   答推定値に基づいてそれぞれの系列に対しての仮想受信
   信号点を求め、前記受信信号のサンプル値との距離を求
   めるブランチメトリック計算回路と、該ブランチメトリ
   ック計算回路の出力を受けてビタビアルゴリズムにより
   受信信号を判定するとともに前記生き残り系列の接続情
   報を前記マトリクススイッチに出力するビタビプロセッ
   サと、から構成されることを特徴とする系列推定装置。