CN102422634A - Dvb-t/h传输的鲁棒感测 - Google Patents

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CN102422634A CN2010800211021A CN201080021102A CN102422634A CN 102422634 A CN102422634 A CN 102422634A CN 2010800211021 A CN2010800211021 A CN 2010800211021A CN 201080021102 A CN201080021102 A CN 201080021102A CN 102422634 A CN102422634 A CN 102422634A
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Abstract

提供了一种用于检测DVB（数据视频广播）传输的存在的方法和系统。该方法包括：在选定的信道中接收RF（射频）信号（1101）；根据经接收的RF信号创建信号样本（1102）；根据信号样本创建平均样本，每个平均样本是预定数目的信号样本的平均（1103），该预定数目的信号样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案重复周期分隔；将平均样本与参考序列相关（1104）；以及将相关结果与阈值相关值进行比较（1105）。

Description

DVB-T/H传输的鲁棒感测
技术领域
本申请要求2009年5月14日提交的美国临时申请No. 61/178,231的权益。
本发明总体涉及认知无线电（CR）网络中的设备，更特别地，涉及感测数字视频广播（DVB）传输的方法和系统。
被一些管理组织采用的新的频谱策略设想在指定给许可操作的频段中未许可辅设备的操作。辅设备仅在频段是空闲时或不被主设备使用时才可操作。这暗示着当主设备开始传输时辅设备不得不空出频段，以便最小化辅设备对主设备可能引起的干扰量。辅设备由于它们感测环境从而适应的能力，也被称为认知无线电（CR）。分配用于电视广播的许可操作的UHF（超高频）频段是允许CR设备操作的理想候选者。
在美国，为了避免对或来自邻近市场和/或传输的广播的干扰，只有一些TV频段可在任意给定的地理位置使用。结果，剩余的TV频段大部分未被使用，因此可被用于其他目的（例如家庭网络等）。其他管理域（regulatory domain）也具有类似的TV信道的分配。
为了避免对数字电视（DTV）接收造成有害的干扰，CR设备应当感测用于主传输的信道，之后这些CR设备可使用该特定信道。管理组织规定了对低至-114dBm的信号强度的DTV信号的可靠检测。该需求要求CR设备实现鲁棒感测算法以检测DTV（DVB-T/H）（数字视频广播—陆地/手持）信号的存在。
然而，与在频域中已知位置具有单个导频的8-VSB（8级残留边带）ATSC（高级电视系统委员会）信号不同，DVB-T信号具有分布在频域中的若干较低功率的导频。因此，为了检测这些导频在频域中的滤波方法对于DVB-T是不可行。可替代地，更好的方法可能是在时域中与表示频域导频的已知时域信号相关。
用于检测DVB-T和DVB-H信号的现有感测算法仅对传输模式的子集很好地运行。根据在此的实施例，感测算法改善了检测性能，并对所有传输模式同样好地运行。
大多数OFDM（正交频分复用）信号，例如用于传输使用DVB-T的数字电视的那些信号，在频域中具有用于信道估计和同步的导频。存在两种嵌入到数据流中的导频信号：（1）固定导频，其值和位置是固定的；和（2）可变导频，其值是固定的，但是位置随着符号而改变，有时以已知的图案重复。取决于期望的复杂度，两种类型都可被用于感测。在此采取的基本方法是在时域中将这些导频视为嵌入到数据序列中的连续已知序列，并将经接收的信号与该已知序列相关。由于DVB-T具有多个不同的FFT（快速傅里叶变换）大小和循环前缀，所以针对每个模式生成不同的参考信号，并对每个模式相关所述参考信号以确定存在信号的类型。
在本发明的一个示例实施例中，提供一种用于检测DVB（数字视频广播）传输的存在的方法。该方法包括：在选定的信道中接收RF（射频）信号；根据经接收的信号创建信号样本；根据信号样本创建平均样本，每个平均样本是预定数目的信号样本的平均，该预定数目的样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案（pilot pattern）重复周期分隔；将平均样本与参考序列相关；以及将相关结果与阈值相关值进行比较。
在本发明的另一个示例实施例中，提供一种用于检测DVB传输存在的系统。该系统包括：用于接收RF信号的RF前端模块；用于根据经接收的RF信号创建信号样本的采样模块；用于保持信号样本的缓存；用于根据信号样本创建平均样本的累加/平均模块，每个平均样本是预定数目的信号样本的平均，该预定数目的信号样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案重复周期分隔；用于存储参考序列的存储模块；用于将平均样本和参考样本相关的相关器；以及用于比较相关结果和阈值相关值的阈值检测模块。
被认为是本发明的主题在本说明书完结时在权利要求中特别地被指出并清楚地要求保护。根据以下结合附图的详细描述，本发明的前述和其它特征和优点将清晰。
图1图释了具有循环前缀（CP）的OFDM符号。
图2图释了DVB-T OFDM符号中离散导频子载波的位置。
图3图释了对于具有5dB和-5dB的SNR的2K、1/32模式，CP上的相关。
图4图释了对于具有-5dB和-10dB的SNR的2K、1/32模式，导频上的相关。
图5图释了在本发明的一个实施例中使用数据平滑的DVB-T检测器的框图。
图6图释了在本发明的另一个实施例中使用数据平滑的DVB-T检测器的框图。
图7图释了对于具有-15dB的SNR且L=8的2K、1/32模式，无（上）和有（下）数据平滑的相关曲线图的比较。
图8图释了在2K、1/32模式的AWGN和瑞利衰落信道中经改进检测器的性能。
图9图释了在2K、1/32模式的AWGN和瑞利衰落信道中标准（无数据平滑）和鲁棒（有数据平滑）的性能的比较。
图10图释了使用简化互相关器的DVB-T检测器的性能。
图11图释了用于检测DVB信号存在的过程。
重要的是，注意由本发明公开的实施例仅是在此的创新教导的许多有益使用的示例。总的来说，在本申请的说明书中做出的陈述不必然地限制各种要求保护的发明的任意一个。并且，一些陈述可应用于一些发明特征，但不应用于其它的发明特征。总的来说，除非指出，否则单数元件可以是复数，并且反之亦然，而不失一般性。在附图中，在若干视图中相似的附图标记涉及相似的部分。
DVB-T传输规范概要
陆地数字视频广播（DVB-T）已由欧洲电信标准协会（ETSI）标准化用于数字TV的陆地广播。DVB-T标准使用正交频分复用（OFDM）调制方案，并提供选项来根据广播公司的要求适应性修改编码和调制参数。DVB-T规范提供两种操作模式：‘2K模式’和‘8K模式’。另外，DVB-H增强提供‘4K模式’。这些模式基于用来生成传输的信号的FFT（快速傅里叶变换）大小得以定义。用于这些模式的每一种的一些参数在表1中列出：
参数 8K模式 2K模式
载波数K 6817 1705
载波数Kmin的值 0 0
载波数Kmax的值 6816 1704
持续时间TU 896μs 224μs
载波间距1/TU 1116Hz 4464Hz
载波Kmin和Kmax之间的间距（K-1）/TU 7.61MHz 7.61MHz
 表1-8K和2K模式的DVB-T参数。
DVB-T传输信号被组织在帧中。每个帧由68个OFDM符号构成，并且四个这样的帧组成一个超帧。如图1所示，OFDM符号100由两部分构成：有用符号周期102和保护间隔101。有用符号的一部分在保护间隔101（被称为循环前缀（CP））中得以传输，并且该特征被用于最小化符号间干扰。DVB-T规范为保护间隔提供了1/4、1/8、1/16或1/32的符号周期的选择。
除了CP外，DVB-T标准还提供以下参考信号来帮助信号的同步、解调和解码。
●  连续导频——这些参考信号被放置在固定的子载波位置，并且它们的位置不随符号而改变。在‘2K模式’中有45个连续导频，在‘8K模式’中有177个连续导频。
●  离散导频——这些参考信号201（图2）被平均地（每第12个子载波一个）分布在OFDM符号中。这些导频的位置在每个OFDM符号上偏移3个子载波，因此导频图案如图2所示那样在帧200中每4个OFDM符号重复。离散导频被用来推导信道估计，假设信道是准静态的。
●  TPS导频——这些传输参数信令（Transmission Parameter Signaling，TPS）参考信号被用来携带传输参数。对于‘2K模式’17个子载波固定组和对于‘8K模式’68个子载波固定组被指定为TPS导频子载波。在OFDM符号中的所有TPS导频子载波携带相同的信息。
连续导频和离散导频比其它子载波以更高的功率等级（~2.5dB）来传输。
DVB-T信号检测方法
基于能量的检测方案
在感兴趣的信道中检测信号能量的存在通常非常快速，并且提供了信道占用的良好指示。然而该方法不提供关于信号自身的任何信息，因此它不能区分主信号和辅信号。此外，检测的概率随着阈值显著地变化。因此，当确定即将使用的阈值时，特别是当检测具有低信噪比（SNR）的信号时，必须极其小心。
基于特征的检测方案
基于特征的检测方案依靠用于检测的既有信号（例如训练信号、导频图案等）的独特特征。如上所述，DVB-T信号就可在检测过程中使用的循环前缀、连续和离散导频等方面来说具有一些独特特征。
时域自相关
在时域自相关中，DVB-T信号的CP特征被用来确定信道中存在或不存在该信号。将经接收的信号与该信号的延迟版本相关，如以下公式所示：
Figure 906246DEST_PATH_IMAGE001
                      （1）
其中，x(m)是时域中经采样的接收信号，且Rxx(n)是x(m)的自相关。NFFT、NGI和NSYM分别表示FFT、CP和OFDM符号长度。
由于有用的OFDM符号的一部分在CP中重复，如上面的相关将给出周期性重复的峰值。具有与峰值周期性的可选组合的峰值振幅可被用来在感兴趣信道中检测DVB-T信号的存在。
令表示
Figure 665441DEST_PATH_IMAGE003
的峰值，定义为：
                          （2）。
然后，将
Figure 671760DEST_PATH_IMAGE005
与预定义阈值进行比较以确定信号的存在。  
Figure 92082DEST_PATH_IMAGE007
 信号存在
        否则          信号不存在                                 （3）。
该阈值基于期望的虚警概率来确定。
基于自相关的检测器对高SNR值执行得很好。然而，对于中等和低SNR值（即低于0dB），该性能可能不是非常可靠。此外，该性能显著地取决于CP长度。因此，检测器对具有1/4GI的8K模式执行得很好，而对具有1/32GI的2K模式执行得很差。然而，该检测器对频率偏移是鲁棒的。图3示出了对于5dB和-5dB的SNR的2K、1/32模式的自相关曲线301、302。可观察到，对于SNR=-5dB，相关峰值不是明显地可区分的，因此检测器的性能降级（参见曲线302）。
时域互相关
在时域互相关方法中，DVB-T信号中的连续和离散导频被用来检测该信号。如前面的章节所述，载波的子集被指定为导频子载波。这些载波携带已知的信息，并且与数据载波相比，这些载波以更高的功率（通过大约2.5dB）得以传输。可以将经接收的信号与通过取仅由导频子载波构成的向量的逆傅里叶变换导出的参考序列相关。由于SP图案每4个符号重复，形成4个如下所示的这样的参考信号
Figure 353299DEST_PATH_IMAGE008
Figure 130500DEST_PATH_IMAGE009
                                      （4）
其中
Figure 448830DEST_PATH_IMAGE010
表示时域序列，d表示导频图案号并且取值1至4。
Figure 203159DEST_PATH_IMAGE011
表示导频图案号d的导频子载波位置的组。所述导频子载波组可以仅是相应于离散导频位置或离散和连续导频位置的组合的组的导频子载波。例如，对于SP的情况，
Figure 127122DEST_PATH_IMAGE012
。表示子载波k和图案号d的符号。
另一个参考序列还可以通过如下所示那样组合以上4个参考序列来生成：
Figure 142668DEST_PATH_IMAGE014
，      （5）
其中n=0至(4NFFT-1)。
相关输出由下式给出：
Figure 508927DEST_PATH_IMAGE015
                                 （6）。
在理想条件下，相关器输出
Figure 973931DEST_PATH_IMAGE016
将具有每4TSYM个样本重复的峰值幅度。
对于当
Figure 617402DEST_PATH_IMAGE017
被用作参考序列时的情况，相关输出的类似公式可如下所示那样得以导出
Figure 14886DEST_PATH_IMAGE018
                    （7）。
在该章节的剩余部分，将考虑用于导出检测度量的
Figure 806124DEST_PATH_IMAGE019
。该分析可扩展至在前导出的所有相关输出。
令
Figure 884938DEST_PATH_IMAGE020
表示
Figure 445233DEST_PATH_IMAGE021
的峰值，定义为
Figure 279197DEST_PATH_IMAGE022
                                     （8）。
然后，将与预定义阈值
Figure 174657DEST_PATH_IMAGE024
进行比较以确定信号的存在。  
Figure 527141DEST_PATH_IMAGE025
  信号存在
       否则            信号不存在                                 （9）。
基于互相关的检测器在不同的信道环境中甚至对于低SNR值都执行得非常好。此外，检测器性能独立于传输模式，因此对于2K模式和8K模式执行得同样好。
图4示出了对于-5dB和-10dB的2K、1/32传输模式的相关器输出401、402。
Figure 532006DEST_PATH_IMAGE026
被用作参考序列。从曲线图401和402可观察到，基于互相关的检测器的性能比基于自相关的检测器的性能好。
检测DVB-T信号的方法
以下是描述改善检测器性能的高级算法的示例实施例。
由于DVB-T部署是静态的，假设信道带宽和传输模式（FFT大小和GI持续时间）信息对检测器而言是可获得的。在传输模式信息不可获得的情况下，检测器可遍及不同的传输模式循环以感测DVB-T信号。这将导致增加检测时间，但是检测性能基本上保持相同。
通过数据平滑（减少噪声方差）改善的检测
参考公式（6），可观察到相关输出包括噪声项（来自数据子载波和WGN的贡献）。在本发明的一个示例实施例中，噪声项的方差可通过对经接收的符号取平均来减少。然而，检测器不知道符号边界。假设传输模式和GI持续时间是已知的，则最小导频图案重复周期（PPRP）可使用以下公式NPPRP=NGI*NSYM导出。可替代地，最小的PPRP可使用公式NPPRP=4*B*NSYM来导出，其中B是整数。使用该事实，经接收的样本被取平均，如下所示
Figure 153962DEST_PATH_IMAGE027
 n=0,1,…,NPPRP-1,                 （10）
其中L是设计参数并且取决于感测时间和期望的性能。
将经平均的样本
Figure 636896DEST_PATH_IMAGE028
与参考序列相关如下：
Figure 109466DEST_PATH_IMAGE029
 n=0,1,…,NPPRP                   （11）。
在[0, NPPRP-1]内等于4*NSYM个样本的任意范围可被用来确定最大峰值幅度。如果峰值位置的一致性被用来改善检测器的鲁棒性，则附加的峰值幅度还可以被导出和验证。
令
Figure 285232DEST_PATH_IMAGE030
表示
Figure 210463DEST_PATH_IMAGE031
的峰值，定义为
Figure 497087DEST_PATH_IMAGE032
                                    （12）。
然后，将与预定义阈值
Figure 95132DEST_PATH_IMAGE034
进行比较以确定该信号的存在。
Figure 569976DEST_PATH_IMAGE035
  信号存在
                     否则             信号不存在                                （13）。
图5示出了使用数据平滑的DVB-T检测器500的简化框图。RF前端501将RF信号下变换到中频（IF）。IF信号然后被下变换到DC（可替代地，IF信号可在数字域（即在ADC后）被下变换到DC）。该信号然后被模数转换器（ADC）502数字化。经采样的信号然后根据上述方法使用模块缓存503、累加/平均505和相关器506处理。缓存503、累加/平均505和相关器506模块基于特定的传输模式操作，并且检测器可在不同的传输模式下操作。一个如图6所示的可替代的设置600是相关器506被放置在缓存503之前，使得在缓存、累加和平均之前执行相关。信号‘序列ID’确定即将用于相关的参考序列，该序列根据导频生成并被存储在存储器504中。该信号还被‘阈值检测’模块507用来确定即将使用的阈值。将相关器的输出与选取的阈值进行比较以确定DVB-T信号的存在/不存在。
图7示出了在相关输出上数据平滑的效果。无数据平滑701和有数据平滑702的相关输出展示出当数据如前所述那样得以平滑时峰值清楚地可见，因此即使对于低于-15dB的SNR，检测器也能够检测DVB-T信号。
所提出的算法的性能通过在AWGN和多路径信道中的模拟来估计。使用以下模拟参数：
●  传输模式——2K、1/32
●  每个SNR的游程数（number of runs）——1000
●  平滑因子L——8（~60ms感测时间）
●  虚警概率（PFA）——<0.01
●  信道：AWGN或瑞利衰落。
图8示出了在AWGN信道801和瑞利信道802中针对所提出的检测器的检测概率（Pd）-SNR曲线。图9示出了针对在此描述的示例实施例检测器（具有平均的AWGN 901，具有平均的瑞利902）和标准检测器（无平均的AWGN 903，无平均的瑞利904）的Pd-SNR曲线。可观察到，对于不同的信道条件，即使低于-15dB，所提出的检测器可鲁棒地检测DVB-T信号。
除峰值幅度外，峰值周期的一致性也可被用来改善检测器的鲁棒性。根据本发明的示例实施例，在将用作参考序列的基于互相关的方法中，在存在DVB-T信号时相关峰值将每4*NSYM个样本重复。因此，在每4*NSYM个样本块上最大峰值的位置的差如下所示被计算
Figure 31547DEST_PATH_IMAGE038
                           （14）。
如果D(l)的值<D阈值，则DVB-T信号存在。D阈值的值可被设置为固定的值（例如10（符号））或者可由设备基于CR设备的操作环境来设置。
静默期（QP）感测
在一个示例实施例中，为了保持应用的服务质量（QoS）要求，认知无线电将不能停止它的传输持续的时间周期。相反，CR设备将更频繁地调度短静默期（QP）。在该示例实施例中，数据平滑方程如下所示被修改。  
Figure 559798DEST_PATH_IMAGE040
  n=0,1,…,NQP-1                  （15）
其中NQP相应于在给定静默期中可容纳的样本数。NQP可取决于QP持续时间取值4*NSYM、8* NSYM、12* NSYM…,或NPPRP。假设样本计数器在非QP期间是活动的。在一些情况下，等于NQP并相应于期望范围的样本的连续组在给定的QP中不能被捕获。在那些情况下，这些样本可被丢弃，并且过程继续至下一个QP。
在本发明的另一个示例实施例中，与互相关相关联的实现复杂性可通过如下所示那样修改公式来降低
 n=0,1,…,NPPRP             （16）
求和中的乘积运算可实现为简单的逻辑运算，因此与乘法器相比显著地降低了门数。图10示出了使用如在公式（16）中定义的互相关的DVB-T/DVB-H检测器的性能。
图11示出了根据一个示例实施例检测DVB存在的过程。该过程包括：在选定的信道中接收RF（射频）信号1101；根据经接收的信号创建信号样本1102；根据信号样本创建平均样本，每个平均样本是预定数目的信号样本的平均1103，该预定数目的信号样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案重复周期分隔；将平均样本与参考序列相关1104；以及比较相关结果和阈值相关值1105。基于比较的结果，DVB的存在可得以确定。
在本公开中描述的技术可被用于认知无线电和其他系统，这些系统依赖于用于检测DVB-T/H信号或包括定义的导频图案的其他OFDM信号的检测和避免技术。
前述详细描述已阐述了本发明可采取的许多形式中的一些。其意图是，前述详细描述应当被理解为本发明可采取的选取形式的说明，而不是对本发明定义的限制。只有包括所有等同物的权利要求旨在限定本发明的范围。
更优选地，本发明的原理被实现为硬件、固件和软件的任意组合。并且，软件优选地被实现为实际包含在程序存储单元或计算机可读存储介质上的应用程序，所述程序存储单元或计算机可读存储介质由若干部件或由某些设备和/或设备的组合构成。该应用程序可上载到包括任意适当结构的机器并由其执行。优选地，该机器被实现在具有诸如一个或多个中央处理单元（“CPU”）、存储器和输入/输出接口之类的硬件的计算机平台上。该计算机平台还可包括操作系统和微指令代码。在此描述的各种过程和功能可以是部分微指令代码或部分应用程序，或它们的任意组合，它们可由CPU执行，无论这样的计算机或处理器是否明确地示出。此外，各种其他外围单元可与计算机平台相连接，例如附加数据存储单元和打印单元。

Claims (15)

1.一种用于检测DVB（数字视频广播）传输的存在的方法，包括：
在选定的信道中接收RF（射频）信号（1101）；
根据经接收的信号创建信号样本（1102）；
根据所述信号样本创建平均样本，所述平均样本的每一个是预定数目的信号样本的平均（1103），该预定数目的信号样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案重复周期分隔；
将所述平均样本与参考序列相关（1104）；以及
比较相关结果和阈值相关值（1105）。
2.权利要求1的方法，进一步包括：
根据所述相关结果计算相关峰值的周期性的变化；以及
比较所述变化和阈值变化值。
3.权利要求1的方法，其中所述最小导频图案重复周期取决于所述信号的传输模式和保护间隔持续时间。
4.权利要求3的方法，进一步包括通过遍及不同的传输模式循环来确定所述传输模式直到所述DVB信号得以检测。
5.权利要求1的方法，其中所述信号样本的所述预定数目取决于感测时间和/或期望的性能等级。
6.权利要求1的方法，其中所述平均样本的数目取决于在静默期期间能容纳多少个样本。
7.权利要求1的方法，其中将所述平均样本与所述参考序列相关包括在所述平均样本和所述参考序列的符号上进行逻辑运算。
8.权利要求1的方法，其中所述参考信号根据导频生成，并且被存储在存储器中。
9.一种用于检测DVB（数字视频广播）传输的存在的方法，包括：
在选定的信道中接收RF（射频）信号；
根据经接收的信号创建信号样本；
将所述信号样本与参考信号相关；
通过取相应于预定数目的信号样本的相关结果的平均来计算平均相关值，该预定数目信号样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案重复周期分隔；以及
比较所述平均相关值和阈值相关值。
10.一种用于检测DVB（数字视频广播）传输的存在的系统，包括：
RF（射频）前端模块（501），用于接收RF信号；
采样模块（502），用于根据经接收的RF信号创建信号样本；
缓存（503），用于保持所述信号样本；
累加/平均模块（505），用于根据所述信号样本创建平均样本，所述平均样本的每一个是预定数目的信号样本的平均，该预定数目的信号样本由从一个到下一个信号样本的最小导频图案重复周期分隔；
存储模块（504），用于存储参考序列；
相关器（506），用于将所述平均样本与所述参考序列相关；和
阈值检测模块（507），用于比较相关结果和阈值相关值。
11.权利要求10的系统，其中所述相关器（506）进一步被配置为根据所述相关结果计算相关峰值的周期性的变化，其中所述阈值检测模块（507）进一步被配置为比较所述变化和阈值变化值。
12.权利要求10的系统，其中所述最小导频图案重复周期取决于所述信号的传输模式和保护间隔持续时间。
13.权利要求12的系统，进一步包括用于通过遍及不同传输模式循环来确定传输模式直到所述DVB信号得以检测的装置。
14.权利要求10的系统，其中信号样本的所述预定数目取决于感测时间和/或期望的性能等级。
15.权利要求10的系统，其中平均样本的数目取决于在静默期期间能容纳多少个样本。
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