CN101946475B

CN101946475B - 用于检测无线麦克风信号的无线电传感器及其方法

Info

Publication number: CN101946475B
Application number: CN200980105194.9A
Authority: CN
Inventors: V·R·加达姆; M·戈什
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-16
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2029-02-16
Also published as: CN101946475A; EP2245813A2; JP5932728B2; KR20100127228A; TWI474690B; TW201004237A; JP2011515889A; US20100311341A1; WO2009101606A2; WO2009101606A3; JP2013258717A; US8233862B2

Abstract

无线麦克风信号通过以下来检测：处理输入信号，以确定在信道频带内具有的能级高于第一预定阈值的频率接收器的数量(S510)；当接收器的数量大于零时，识别具有的能级高于第一预定阈值的频率接收器的位置(S520，S530)；对于具有的能级高于第一预定阈值的每一个频率接收器，处理在该频率接收器的窄频带内的信号(S570)；确定在窄频带内高于第二预定阈值的信号峰值的数量(S575)；和根据信号峰值的数量，生成指示麦克风信号的存在或不存在的消息(S590，S595)。

Description

用于检测无线麦克风信号的无线电传感器及其方法

本专利申请依照35U.S.C.§119(e)要求享有于2008年2月15日提交的美国临时专利申请61/028,925以及于2009年2月3日提交的临时专利申请61/149,361的优先权，其中这些申请的内容在这里引入作为参考。

技术领域

本发明一般涉及用于检测无线电信号的系统，并且尤其涉及用于检测无线麦克风信号的系统。

背景技术

在许多无线系统中，需要识别在指定的通信信道中信号的存在。举个例子，在采用操作在陆地电视(TV)信道中的未被许可的认知无线电设备的无线系统中需要对由现任(或被许可)发射机广播的无线电信号进行检测。通常，在这样的无线系统中，如果接收的现任信号超出某个功率阈值，则认为该TV信道被占用；否则，认为该TV信道未被占用，并由此可用于未被许可的无线使用。

无线麦克风信号也存在于被许可的TV频谱中。因而，除了陆地电视信道之外，认知无线电传感器还必须扫描这样的信号，以确定信道占用(率)。由无线麦克风设备生成的无线麦克风信号的通信范围局限于数百米，并且其发射功率局限于250mW。无线麦克风设备通常使用模拟频率调制(FM)方案来生成具有的带宽为200KHz的无线信号。该无线麦克风信号能够占用6MHz TV信道频带中的任何部分，其具有的约束是中心频率是25KHz的倍数。无线麦克风信号特性随着麦克风的状态例如室内或室外静默、软扬声器和硬扬声器而改变。

信号存在的识别通常由能够检测或感测低功率信号的无线电传感器来执行。在相关的技术领域中讨论的无线电传感器将接收到的信号与先验已知的嵌入的图案(pattern)和特性相关联，其中检测标准基于超出预置阈值的相关的输出电平。例如，由常规的无线电传感器执行的典型处理包括采样输入信号，将已知图案与采样信号的字段相关联以提供峰值采样，以及将峰值采样与阈值相比较以确定通信信道中信号的存在。例如，已知的图案可以是高级电视系统委员会(ATSC)场同步数据、频谱签名等等。

无线麦克风信号不利用不同的图案来表征，由此无线电传感器通常依赖于能量检测方法来识别这样的信号。这是无线电传感器的重大缺陷，这是因为在低信噪比(SNR)环境中，检测结果通常是不可靠的，并且导致错误检测和/或虚假警报。

发明内容

因此，提供用于检测无线麦克风信号的有效的无线电传感器将是有利的。

本发明的某些实施例包括用于检测无线麦克风信号的无线电传感器。该无线电传感器包括：用于将输入信号变换成频域信号的快速傅立叶变换(FFT)模块；用于累积FFT模块的输出信号的累积器(accumulator)；以及决策单元，用于将累积器的输出信号与预定阈值进行比较，并且根据比较结果来生成指示麦克风信号的存在或不存在的消息。

本发明的某些实施例包括用于检测无线麦克风信号的无线电传感器。该无线电传感器包括：用于将输入信号变换成频域信号的快速傅立叶变换(FFT)模块；用于滤波FFT模块的输出信号的频域滤波器；用于累积频域滤波器的输出信号的累积器；以及决策单元，用于将累积器的输出信号与预定阈值相比较，并且根据比较结果来生成指示麦克风信号的存在或不存在的消息。

本发明的某些实施例包括用于检测无线麦克风信号的方法。该方法包括：处理输入信号，以确定在信道频带内具有的能级高于第一预定阈值的频率接收器(频率仓)(frequency bin)的数量；当接收器的数量大于零时，识别具有的能级高于第一预定阈值的频率接收器的位置；对于具有的能级高于第一预定阈值的每一个频率接收器，处理在该频率接收器的窄频带内的信号；确定在窄频带内高于第二预定阈值的信号峰值的数量；以及根据信号峰值的数量，生成指示麦克风信号的存在或不存在的消息。

本发明的某些实施例包括其上已存储了计算机可执行代码的计算机可读媒体，其中该代码在由计算机执行时用于检测无线麦克风信号。该计算机可执行代码使计算机执行包含下列的动作：处理输入信号，以确定在信道频带内具有的能级高于第一预定阈值的频率接收器的数量；当接收器的数量大于零时，识别具有的能级高于第一预定阈值的频率接收器的位置；对于具有的能级高于第一预定阈值的每一个频率接收器，处理在该频率接收器的窄频带内的信号；确定在该窄频带内高于第二预定阈值的信号峰值的数量；以及根据信号峰值的数量，生成指示麦克风信号的存在或不存在的消息。

被认为是本发明的主题在说明书的结尾在权利要求中特别指出且清楚地要求保护。从随后的结合附图的详细描述中将清楚了解本发明的前述的和其他的特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例实现的用于检测无线麦克风信号的无线电传感器的框图；

图2是显示由图1所示的无线电传感器输出的信号的示例性图表；

图3是根据本发明另一个实施例构造的用于检测无线麦克风信号的无线电传感器的框图；

图4A显示未被图3所示的无线电传感器滤波的信号；

图4B显示已被图3所示的无线电传感器滤波的信号；

图5是描述根据本发明实施例实施的二级信号检测的方法的流程图；和

图6A和6B是阐明图5所述的方法的操作的图表。

具体实施方式

重要的是注意，本发明所公开的实施例只是本文中创新教导的众多有利使用的示例。一般来说，在本申请的说明书中进行的陈述不一定限制任何的各种各样要求保护的发明。而且，一些陈述可以应用于一些发明的特征而非应用于其他的发明特征。一般来说，除非另加指示，否则在不丧失一般性的情况下，单数的部件可以是复数个部件，并且反之亦然。在附图中，相同的数字在若干视图中指的是相同的部分。

图1显示根据本发明一个实施例实现的用于检测无线麦克风信号的无线电传感器100的非限制性且示例性的框图。该无线电传感器100包括RF前端110、模数(ADC)转换器120、快速傅里叶变换(FFT)模块130、累积器140以及决策单元150。无线电传感器100以在频域中执行的能量检测为基础。特别地，RF前端110使用带通滤波器(未显示)来仅仅传递所关心信道的6MHz(即，单个TV信道)频带。然后，在期望信道中的信号被下变换到中(间)频(率)(IF)或DC(零IF)。随后，经下变换的信号由ADC 120进行数字化，并被输入到FFT模块130。

FFT模块130执行预FFT(pre-FFT)处理以及使用傅里叶变换操作(运算)将经预处理的信号变换到频域的任务。该预FFT处理任务包括将输入数字信号下移位(downshift)至DC信号、应用具有的带宽约为6MHz的低通滤波器以及对经滤波的信号进行下采样。FFT模块的大小(即，将被变换的数据点的总数)可以取决于频率分辨率和计算需求而改变。在优选实施例中，使用具有的接收器间隔(binspacing)明显小于200KHz的2048点FFT模块。然后，FFT模块130的输出由累积器140进行处理，其中举例来说，该累积器使用下式来累积FFT模块130的输出：

S_{k, n} = S_{k, n - 1} + Y_{k, n}^{2}, k = 1,2, . . . N_{FFT}

其中S_k，n和Y_k，n分别代表累积器140和FFT模块130针对输入块‘n’的接收器‘k’的输出。N_FFT表示FFT大小。在图2中显示了表示在无线麦克风信号存在的情况下累积器140的输出的例示性图表。该输出包括2048个接收器，其中标记为210的接收器的群集(cluster)对应于无线麦克风信号的群集。

累积器140的输出S_k，n使用决策单元150对照预定阈值进行比较，以确定无线麦克风信号的存在或不存在。如果对于至少一个接收器(k)，该值S_k，n高于预定阈值，则生成“信号存在”消息；否则，生成信号不存在消息。

应该注意，无线麦克风信号的实际带宽取决于输入至麦克风的音频信号。因此，发射的信号带宽从几千赫兹到最大200kHz的范围。结果，累积器140的输出包括可变数量的接收器，这些接收器具有的功率电平高于剩余的接收器。因此，为了检测不同的无线麦克风信号(不论音频信号)，所有接收器电平与预定阈值进行比较。如果至少一个接收器电平高于该阈值，则表明(assert)信号存在消息。该阈值是从使用模拟信号和/或实信号的统计分析中预先确定的，以满足检测的预期概率和虚假警报率的概率。

图3显示根据本发明另一个实施例实现的用于检测无线麦克风信号的无线电传感器300的非限制性且示例性的框图。该无线电传感器300包括RF前端310、模数(ADC)转换器320以及FFT模块330、累积器350和决策单元360。这些组件具有与上述的等价组件相类似的功能。无线电传感器300基于在频域中使用频域滤波执行的能量检测。这个特征允许在噪音环境中以高概率并且以较低的虚假警报率来检测无线麦克风信号。图4A显示在SNR是-25db时(在转换到频域之后)的输入信号。如可以注意到的，具有两个群集的接收器，标记为410和420，其中接收器电平高于其余的接收器电平。群集410对应于麦克风信号，而另一个群集420则归因于噪声分量。如果噪声分量超出该阈值，则能够出现错误检测。

根据本发明的某些原理，为了减小虚假警报率，使用频域滤波器340，以便通过过滤FFT模块330的输出来减小寄生噪声的影响。特别地，对于每一个频率接收器来说，频域滤波器340计算当前接收器、紧挨在当前接收器之前的‘M’个接收器以及紧跟在当前接收器之后的‘M’个接收器(假定它们存在的话)的加权和。这些加权由滤波系数H_m，n来确定。举例来说，频域滤波器340的操作可以使用下式来描述：

X_{k, n} = Σ_{m = - M}^{M} Y_{k + m, n}^{2} H_{m, n}

其中X_k，n是滤波器340针对接收器‘k’(k≤NFFT)以及输入块‘n’的输出。参数H_m，n代表滤波系数。值Y_k，n是FFT模块330的输出。频域滤波器340是静态的(即，其系数与时间无关)，并且其长度是2M+1，也就是说，使用2M+1个采样来计算每一个输出数据点X_k，n。在另一个实施例中，频域滤波器可以被连接到累积器350的输出。图4B显示在频域滤波器340的处理之后累积器350的输出。该输入信号是用于模拟图4A所示的信号的相同信号。如能够注意到的，现在噪声分量被消除，并且结果，虚假警报的概率被减小，而没有显著影响检测的概率。应该注意，甚至在麦克风信号不存在时，噪声分量也可能存在。在这样的情况下，无线电传感器300不将噪声分量识别为无线麦克风信号。

图5显示描述根据本发明的实施例实施的用于检测麦克风信号的方法的非限制性且例示性的流程图500。该方法通过执行二级检测来减少虚假警报率。

在S510，处理输入信号，以检测麦克风信号。该信号处理可以使用上文中详细描述的无线电传感器100或300来执行。在S520，分析步骤S510的输出，以确定超过预定阈值的接收器的数量。超过该阈值的接收器的数量可以如下计算：

L = Σ_{k = 1}^{N_{FFT}} f (S_{k, N}, threshold)

其中

在S530，进行检查，以确定计数“L”是否大于0，并且如果大于的话，则该处理利用S540继续；否则，执行过程前进至S595，其中表明“信号不存在”消息，并且随后执行过程终止。在S540，确定超出预定阈值的那些接收器的位置。这些位置连同相应的接收器数量一起被保存在一个表格中，其中第一条目包含更接近较低频带边缘的接收器。在S550，来自该表格(从第一个接收器开始)的接收器位置被选择。在S560，使用200KHz带通滤波器来滤波输入信号，其中滤波器的中心频率根据所选接收器的频率来设置。在S565，该表格被更新，以移除被包含在所选接收器的200KHz频带内的所有接收器。在S570，带通滤波器的输出被下变换到DC，被下采样，并随后使用FFT操作而被变换至频域信号，而且如上具体描述的被累积。在优选实施例中，FFT的大小是256。在S575，将累积结果‘S’与预定阈值相比较，以确定超出该阈值的峰值的数量“P”。在S580，确定峰值的数量‘P’是否大于L_peak的值，其中L_peak是预定值。如果是的话，则在S590，生成“信号存在”消息，并且执行过程结束；否则，执行过程利用S585继续，其中进行另一检查，以确定在S540发现的所有接收器的位置是否被处理，即，确定该表格是否为空。如果是的话，则执行过程以S595继续；否则，执行过程返回到S550，其中从该表格中选择待处理的另一个接收器。

作为示例，图6A和6B分别地显示具有输入无线麦克风信号610和音调信号620的检测方法500的输出。如可以观察到的，这两个信号显示不同的图案。对于2的L_peak值来说，无线麦克风信号610可以被检测到，但无法检测到音调信号620，这是因为后一信号只包括一个峰值。将理解，由于没有检测到音调信号，可以显著降低虚假警报率。

以上的详细描述已阐述了本发明可以采用的众多形式中的一些形式。意图是：以上的详细描述应该被理解成本发明可以采用的选定形式的例证，而不应理解为对本发明的定义的限制。只有包含所有等价物的权利要求书才用于定义本发明的范围。

优选地，本发明的原理可以被适配成检测任何类型的窄带信号。最优选地，本发明的原理以硬件、固件、软件或其组合来实施。此外，硬件可以是数字电路、模拟电路或其组合。另外，软件优选地被实施为有形地包含在程序存储单元或计算机可读媒体上的应用程序。该应用程序可以被上载至包含任何适当结构的机器，并且由该机器来执行。优选地，该机器在具有诸如一个或多个中央处理器(“CPU”)、存储器和输入/输出接口的硬件的计算机平台上进行实施。该计算机平台还可以包括操作系统和微指令代码。在这里所描述的各种处理和功能可以是可由CPU执行的微指令代码的部分或应用程序的部分或其任何组合，无论是否明确显示这样的计算机或处理器。另外，各种其他的外围单元也可以连接到计算机平台，诸如附加的数据存储单元和打印单元。

Claims

1.一种用于检测无线麦克风信号的无线电传感器，包括：

射频(RF)前端(310)，用于选择仅仅一个信道的信道频带；

模数转换器(ADC)(320)，用于数字化输入信号；

快速傅立叶变换(FFT)模块(330)，用于对经数字化的输入信号执行预FFT处理并使用FFT操作将经预FFT处理的信号变换为频域信号；

频域滤波器(340)，用于滤波FFT模块(330)的输出信号；

累积器(350)，用于累积频域滤波器(340)的输出信号；和

决策单元(360)，用于将累积器的输出信号与预定阈值进行比较，并根据比较结果生成指示麦克风信号的存在或不存在的消息，

其中预FFT处理包括：

将输入信号下移位至直流(DC)信号；

应用具有该信道频带的带宽的低通滤波器；以及

下采样经滤波的信号。

2.权利要求1的无线电传感器，其中滤波FFT模块的输出信号包括：对于输出信号内的每一个频率接收器，计算当前频率接收器、紧挨在当前频率接收器之前的M个接收器以及紧跟随在当前频率接收器之后的M个接收器的加权和，其中根据FFT模块的大小以及被检测的信号的带宽来确定M。

3.权利要求1的无线电传感器，其中如果在累积器的输出信号内至少一个频率接收器高于预定阈值，则生成信号存在消息。