ES2257269T3 - Metodo y aparato para la busqueda de una frecuencia. - Google Patents

Abstract

Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales, incluyendo dicho método los pasos de calcular la frecuencia de comienzo inicial para una portadora digital en el margen por preprocesamiento dinámico en tiempo real del perfil del espectro y después obtener muestras sucesivas del margen de frecuencias desde la posición de comienzo para la portadora hasta que es localizada la frecuencia central de la portadora.

Description

Método y aparato para la búsqueda de una frecuencia.

La invención como es definida en las reivindicaciones independientes 1 y 9, a la que se refiere esta solicitud, es un método para emprender una búsqueda de una frecuencia de portadora especialmente, pero no exclusivamente, en relación con sintonizadores digitales. Tal método es descrito en el documento WO-A-9 926 339.

Convencionalmente, el método para emprender un procedimiento de búsqueda de frecuencias en sintonizadores digitales sigue los pasos conocidos de explorar todo el margen de frecuencias del sintonizador, empezando típicamente desde el valor mínimo de frecuencia hasta el valor máximo de frecuencia.

Esta búsqueda revela si es detectado un enganche, o señal, y cuando es detectado un "enganche" de frecuencia de portadora, los parámetros correspondientes del enganche, tales como la frecuencia central y las velocidades de símbolos, son determinados y almacenados. La búsqueda es continuada a través del margen de frecuencias para todas las frecuencias de portadoras en el margen.

Para interferencia nula (IF: intermediate frecuency = frecuencia intermedia), la frecuencia del oscilador local puede estar típicamente dentro de la tolerancia de la frecuencia de portadora y la velocidad de símbolos obtenida corresponde a la región plana de la respuesta de frecuencia centrada en la frecuencia de portadora. Cuando la frecuencia de portadora está próxima a la frecuencia entrante, la señal de portadora está situado en el margen de "captura" del bucle de enganche de fase (PLL: phase-locked loop) y el bucle es enganchado en fase.

En la práctica, es posible que este procedimiento de búsqueda, que está buscando portadoras de frecuencias en un sintonizador digital, enganche erróneamente en una portadora analógica que proporciona una lectura incorrecta, malgaste tiempo en el procedimiento de búsqueda y es ineficiente. Además de lo anterior, un enganche falso puede ocurrir en portadoras digitales cuando el enganche de fase ha sido detectado pero la frecuencia correcta de control no ha sido alcanzada. Esta situación puede ocurrir en sintonizadores de modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK: quadrature phase-shift keying) para desviaciones de frecuencia que son múltiplos de 1/4T, donde T es la duración de símbolo de QPSK. Las desviaciones que no son múltiplos de 1/4T son difíciles de predecir.

El objetivo de la presente invención es proporcionar un método para buscar que se encargue de la búsqueda de localizaciones de frecuencias de portadoras digitales en un margen de frecuencias de una manera eficiente y oportuna.

En un primer aspecto de la invención, se proporciona un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo, incluyendo dicho método los pasos de calcular la frecuencia de comienzo inicial para una portadora digital por preprocesamiento dinámico en tiempo real del perfil del espectro y obtener después muestras sucesivas del margen de frecuencias desde la posición de comienzo para la portadora hasta que es localizada la frecuencia central para la portadora.

Típicamente, el cálculo del punto de comienzo y la búsqueda de la localización de la frecuencia central son repetidos para cada portadora digital en el margen de frecuencias.

El uso subsiguiente del cálculo de frecuencia central de cada portadora digital por análisis global de modelo de su respuesta correspondiente de frecuencia también permite una reducción en el tiempo de búsqueda puesto que no todo el margen de frecuencias necesita ser explorado de una manera progresiva como es el caso actualmente.

La solución puede ser obtenida en una realización empleando técnicas generales de identificación de modelos, un ejemplo de las cuales es la neurocomputación que utiliza técnicas de red neuronal en las que el aparato y sistema de búsqueda está preprogramado para poder distinguir y rechazar las frecuencias de portadoras analógicas que son halladas, por ejemplo, en sintonizadores digitales y calcular subsiguientemente la frecuencia de enganche del oscilador local para las portadoras digitales. El cálculo progresivo de frecuencias es conseguido por una función de ventanas superpuestas en la que los parámetros en cada ventada superpuesta constituyen un subconjunto del vector de entrada al sistema. Sin embargo, debería estar claro que cualesquier técnicas generales adecuadas de identificación de modelos pueden ser usadas como sea necesario.

El uso de las muestras sucesivas permite que la propagación dentro de capa de los parámetros de entrada en cada capa desarrolle una representación integrada del perfil espectral para la portadora digital.

Entrenando al sistema para reconocer e ignorar los perfiles de portadoras analógicas que tienden a tener un perfil diferente que las portadoras digitales, y calculando después subsiguientemente la frecuencia inicial de oscilador local para enganche dentro de la tolerancia especificada o el cálculo muy aproximado antes de la rutina de búsqueda y cuyo cálculo actúa como el punto de comienzo desde el que empieza la búsqueda de cada portadora digital, y cuyas funciones pueden ser realizadas simultáneamente, así la búsqueda puede ser realizada más eficiente y rápidamente que con las búsquedas convencionales que se mueven progresivamente a través del margen de frecuencias.

En una realización, el sistema puede predecir los cálculos de frecuencias centrales de todas las portadoras digitales para canales respectivos y, por tanto, la posición de comienzo para la búsqueda de cada portadora digital, antes de que comience la búsqueda. Realmente, en una realización preferida no es necesario que sea realizada la búsqueda de las portadoras digitales donde el valor calculado de frecuencia central está dentro de las tolerancias del valor predesignado de frecuencia central para esa portadora.

Por tanto, el sistema de esta invención reduce la posibilidad de enganchar en portadoras analógicas, y tiene la capacidad de reducir significativamente el tiempo necesario para realizar una búsqueda en comparación con el procedimiento actual de "búsqueda y enganche" de frecuencias de portadoras digitales.

En una realización alternativa, puede ser utilizada una técnica más sencilla que implica el uso de parámetros calculados en el proceso para remitir a una tabla de información y, a partir de esa información, puede ser obtenido el valor calculado de frecuencia de portadora digital. Estas tablas de información son conocidas generalmente como tablas de "consulta".

En un aspecto adicional de la invención, se proporciona un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales, incluyendo dicho método los pasos de calcular la frecuencia de comienzo inicial para una portadora digital en el margen por preprocesamiento dinámico en tiempo real del perfil del espectro y después localizar la frecuencia central de la portadora e identificar y desatender las frecuencias de portadoras analógicas en el margen.

Típicamente, distinguiendo primero entre portadoras analógicas y digitales e ignorando o rechazando las portadoras analógicas, así el tiempo para la búsqueda en el margen de frecuencias puede ser reducido considerablemente.

Una realización específica de la invención será descrita ahora con referencia a los dibujos adjuntos como sigue.

La invención es descrita con referencia a un sintonizador digital para uso con un receptor de datos de radiodifusión para recibir datos digitales de radiodifusión procedentes de una fuente remota y dicho receptor se encarga del procesamiento de los datos, la descodificación de los datos y la generación de vídeo y/o audio y/o datos auxiliares por medio de un televisor, por ejemplo, entre otras funciones posibles. Sin embargo, debería observarse que la invención tiene usos potenciales en otras áreas donde es necesario que una búsqueda de portadoras digitales sea realizada en un margen de frecuencias y otra área conocida de aplicación podría ser con teléfono móvil/aparato de facsímil.

En el ejemplo descrito aquí, un sistema de red de perceptrón multicapa (MPL: Multi-Layer Perceptron) es proporcionado y es preprogramado para identificar y rechazar las frecuencias de portadoras analógicas que son identificadas en el margen de frecuencias a ser explorado. Una técnica de identificación de modelos es usada y, en el ejemplo expuesto, un sistema semidinámico de red neuronal con retardo de tiempo (TDNN: time-delay neural network) es provisto para ser usado para calcular e identificar las frecuencias de enganche para las portadoras digitales en el margen de frecuencias, pero debería subrayarse que pueden ser usadas otras técnicas generales de identificación de modelos.

En uso, la salida del perceptrón multicapa (MPL) necesita aproximarse a una función muy limitadora para fines de clasificación bien definida de modelos, mientras que la salida de la red neuronal con retardo de tiempo (TDNN) necesita ser una función continua estable con capacidad de interpolación para asociación de modelos. Lo siguiente es una descripción breve de una implementación factible de esta invención usando las dos redes citadas.

Una de las exigencias para el perceptrón multicapa (MPL) es incluir una función de umbral no lineal que se aproxime a una función muy limitadora sin comprometer la diferenciabilidad continua requerida por el algoritmo de entrenamiento de retropropagación. Esto puede ser conseguido aumentando el gradiente de la función de umbral de salida (sigmoidea) como se muestra en la Figura 1.

La salida del perceptrón multicapa (MPL) es una función no lineal de la suma ponderada de todas las entradas y es representada por la Ecuación 1.

(1)\sigma_{j} = f(s_{j}) \ donde \ s_{j} = \sum\limits^{n}_{j=0} w_{\pi}x_{j} \ y \ f(s_{j})=\frac{1}{1+e^{-kx_{j}}} \ para \ 0\leq f(s_{j})\leq 1

donde k es una constante positiva que controla la amplitud de la función.

La función sigmoidea actúa como un control automático de ganancia y la pendiente empinada proporciona una alta ganancia para señales pequeñas de modo que la red puede aceptar entradas grandes y permanecer todavía sensible a cambios pequeños. También es continuamente diferenciable con la primera derivada una función sencilla de la salida (Ecuación 2), una consideración importante de computación en el desarrollo del algoritmo de entrenamiento.

(2)f'(s_{j}) = \frac{ke^{-ks_{j}}}{1+e^{-ks_{j}}} = kf(s_{j}) (1- f(s_{j}))=ko_{j}(1-o_{j})

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Las Figuras 1a y 1b corresponden a una función sigmoidea bipolar y una función sigmoidea unipolar respectivamente.

En ambas funciones, cuando k \rightarrow \infty, la función de umbral tiende a 1 (función de Heaviside). El algoritmo de aprendizaje de retropropagación para perceptrón multicapa (MPL) asegura que los pesos son adaptados para reducir el error cada vez. La solución a clasificar portadoras es entrenar una red para obtener un conjunto de pesos en el espacio de pesos para corresponder con dos regiones distintas en el espacio de modelos. Los puntos en una región representan modelos de clase A (portadoras digitales), identificados por salida de umbral que tiende hacia "1", y los puntos en la otra región pertenecen a clase B (portadoras analógicas) rechazados por salida de umbral que tiende hacia "0".

La arquitectura del perceptrón multicapa (MPL) es determinada en gran parte por la naturaleza del problema que ha de ser resuelto. La dimensión del vector de entrada es definida por la codificación de modelos de entrada. En este ejemplo, las características y los rasgos del perfil espectral constituyen el vector de entrada. Igualmente, la dimensión del vector de salida también es determinada por la naturaleza del problema (una salida para aceptar o rechazar el perfil). Teniendo en cuenta estas restricciones, es claro que las capas ocultas son las más flexibles y, por tanto, una consideración importante para la arquitectura de una red. En general, el tamaño de la red debería proporcionar una buena armonización entre la estructura del problema subyacente y la capacidad de la red para resolverlo. El tamaño del sistema de red debería ser bastante grande para formar un buen modelo del problema y, al mismo tiempo, bastante pequeño para proporcionar una buena generalización a los datos reales de ensayo, o sea, no implementar numerosas soluciones que están de acuerdo con los datos de entrenamiento.

La red usada para el cálculo de frecuencias centrales puede ser considerada como una red neuronal semidinámica, conocida como red neuronal con retardo de tiempo (TDNN), para procesar datos en serie en el tiempo pero sin realimentación. Esencialmente, una red neuronal con retardo de tiempo (TDNN) convierte las secuencias temporales de datos de entrada en un modelo estático tratando una secuencia finita de tiempo como otra dimensión en el problema. Como se muestra en la Figura 2, la secuencia de entrada es alimentada al interior de una línea de retardo con derivaciones de extensión finita, que a su vez es alimentada al interior de una red estática. La salida solo es una función de las secuencias temporales en la entrada, sin realimentación. La función de umbral de salida es nuevamente una función sigmoidea pero, a diferencia del perceptrón multicapa (MPL), el gradiente de la función sigmoidea es reducido significativamente para acomodar una capacidad de interpolación relativamente precisa. Así, con referencia a la Figura 1, el parámetro (k) de pendiente puede ser elegido para ser 0,5 o menor.

Al producir el vector de entrada a la red neuronal con retardo de tiempo (TDNN), una función de ventanas superpuestas es usada para extraer características espectrales progresivamente. El tamaño y el margen de superposición de la etapa de bloqueo de cuadros son determinados experimentalmente. Esto produce un número óptimo de parámetros que constituyen el vector de entrada a la red. La estructura de la red neuronal con retardo de tiempo (TDNN) también incluye una ventana deslizante que se propaga a través de filas en cada capa. Para asegurar la propagación correcta de todas las filas de coeficientes a través de la red, el número de filas en las capas ocultas depende del número de filas y del tamaño de la ventana deslizante en la capa anterior. Por ejemplo, la ecuación general siguiente es usada para determinar el número de filas en la primera capa oculta:

n^{o} \ de \ filas_{primera \ capa \ oculta} = (n^{o} \ de \ filas_{capa \ de \ entrada}) - (n^{o} \ de \ filas_{ventana \ deslizante \ de \ entrada})+1

Un número de redes serán entrenadas con una combinación de tamaño de ventana y margen de superposición para producir la arquitectura óptima. Es importante observar que, aunque la fase de entrenamiento para el perceptrón multicapa (MLP) y la red neuronal con retardo de tiempo (TDNN) puede ser de computación intensiva y requerir mucho tiempo, la fase de evaluación es casi instantánea.

En una realización alternativa, puede ser incluido el uso de datos de información o tablas de "consulta" y, en esta técnica, los parámetros calculados a partir de la etapa de preprocesamiento espectral serían usados como una entrada a una tabla de consulta conteniendo información que muestra valores particulares de frecuencias centrales de portadoras digitales que son equivalentes a los parámetros calculados. Entonces, esto permite que sea obtenido un valor calculado para la frecuencia central de portadora digital. El sistema en esta realización podría comprender un proceso de identificación de modelos (supóngase el perceptrón multicapa) para distinción de portadoras analógicas/digitales y en la segunda etapa de la técnica, en lugar de una red neuronal con retardo de tiempo (TDNN), una tabla de consulta puede ser usada para cálculo de portadoras digitales.

Por tanto, será apreciado que la invención como se describe aquí proporciona un sistema de búsqueda mejorada que tiene rendimiento incrementado y es realizada en un tiempo reducido y es particularmente aplicable al sintonizador de entrada para dispositivos digitales encima de televisores (digital STBs: digital set-top boxes) y televisores digitales interactivos (iDTVs: interactive digital televisions). Proporcionando un mecanismo inteligente para distinguir entre portadoras analógicas y digitales, sin necesidad de rutinas exhaustivas de búsqueda, es eliminado el tiempo para tratar con portadoras analógicas. Proporcionando un mecanismo inteligente para cálculo de frecuencias centrales de portadoras digitales, es proporcionado un método eficiente de selección de frecuencia de oscilador local y una técnica de enganche de frecuencia de portadora y que pueden, en conjunción con el uso original de técnicas de identificación de modelos para análisis espectral en sintonizadores digitales de entrada, permitir que en muchos casos sea eliminada la necesidad de
búsqueda si el cálculo es suficientemente preciso y, si es necesario, el margen de búsqueda es relativamente pequeño.

Claims (9)

1. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales, incluyendo dicho método los pasos de calcular la frecuencia de comienzo inicial para una portadora digital en el margen por preprocesamiento dinámico en tiempo real del perfil del espectro y después obtener muestras sucesivas del margen de frecuencias desde la posición de comienzo para la portadora hasta que es localizada la frecuencia central de la portadora.

2. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el cálculo del punto de comienzo y la búsqueda de la localización de la frecuencia central son repetidos para cada portadora digital en el margen de frecuencias.

3. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el método emplea técnicas de identificación de modelos.

4. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 3, caracterizado porque es usada una técnica de neurocomputación que utiliza una red neuronal (red neuronal estática) en la que el aparato y sistema de búsqueda está preprogramado para ser capaz de distinguir y rechazar las frecuencias de portadoras analógicas que son halladas y calcular subsiguientemente la frecuencia de enganche de oscilador local para las portadoras digitales.

5. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque el cálculo progresivo de frecuencias es conseguido por una función de ventanas superpuestas en la que los parámetros en cada ventana superpuesta constituyen un subconjunto del vector de entrada al sistema.

6. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque el método incluye el paso de predecir los cálculos de frecuencias centrales de todas las portadoras digitales identificadas para canales respectivos en el margen antes de que comience la búsqueda.

7. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque, para las portadoras digitales donde el valor calculado de frecuencia central está situado dentro de las tolerancias de un valor predesignado de frecuencia central para esa portadora, no es realizada búsqueda.

8. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque los parámetros calculados en el proceso son remitidos a una tabla de información y, a partir de esa información, puede ser obtenido el valor calculado de frecuencia de portadora digital.

9. Un método para buscar en el margen de frecuencias de un dispositivo receptor de datos digitales, incluyendo dicho método los pasos de calcular la frecuencia de comienzo inicial para una portadora digital en el margen por preprocesamiento dinámico en tiempo real del perfil del espectro y después localizar la frecuencia central para la portadora e identificar y desestimar las frecuencias de portadoras analógicas en el margen.