JP5106417B2 - 周期定常ツールボックスを使用するノイズに埋め込まれたテレビ信号の存在の検出 - Google Patents

Description

本発明は、コグニティブ無線の分野に関し、より具体的には、コグニティブ無線による日和見的使用（opportunistic use）に対するテレビ信号の存在又は不在を検出することに関する。

スペクトルアジャイル無線（コグニティブ無線としても知られる）は、周波数スペクトルの一部が必要に基づいて使用される無線通信に対する新生のアプローチを表す。コグニティブ無線は、外部環境に基づいて伝送特性を調節する。これは、スペクトルの一部が認可ユーザに割り当てられ、所定の場所及び時間に使用されておらず、（ＦＣＣ規則許可）アジャイル無線は、このスペクトルを使用することができる。アジャイル無線装置は、一般に、前記アジャイル無線装置の伝送が認可装置に対して有害な干渉を引き起こさないように、認可装置が存在しないことを確かめる。

コグニティブ無線は、病院内患者監視のような単距離無線状況又は無線ラストマイルアクセスのような長距離無線状況において使用されることができる。テレビジョンサービスに参加するテレビ受信器は送信しないことに注意する。したがって、これらの存在は検出するのが難しい。しかしながら、テレビ受信器は、動作するためにテレビ放送局からの最小レベルの信号を必要とする。したがって、ノイズに深く埋め込まれたテレビ信号の存在を検出することができる技術は、アジャイル／コグニティブ無線の決定的な部分である。

したがって、ノイズに深く埋め込まれたテレビ信号を識別する方法の開発に対する産業内の要望が存在する。

テレビ信号及びノイズを含む受信信号に埋め込まれた前記テレビ信号の存在を検出する方法、装置及びコンピュータプログラムが開示される。前記方法は、前記受信されたテレビ信号のピークエネルギを決定するステップと、前記決定されたピークエネルギに基づいてテレビ信号周期性を決定するステップとを有する。本発明の一態様において、前記ピークエネルギを決定するステップは、前記受信信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、前記アップサンプリングされた受信信号のＭ個のセグメントのセットの同期平均（synchronous averaging）を実行するステップと、前記信号の自己相関を実行するステップと、前記自己相関関数の出力におけるピークの存在を検出するステップとを有する。本発明の他の態様において、前記方法は、所望の信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、前記信号の遅延乗算（delay-multiply）を実行するステップと、トーン解析を実行するステップと、前記トーン解析の出力において単一の信号を検出するステップとを有する。

これらの図面は、単に本発明の概念を説明する目的であり、本発明の限界の規定として意図されないと理解されるべきである。ここで図面に示され、付随する詳細な説明に記載される実施例は、具体的実施例として使用されるべきであり、本発明を実施する唯一の形と解釈されるべきでない。また、適切な場合には参照文字で補足される、同じ参照符号は、同様の要素を識別するのに使用されている。

伝統的に、周期定常ツールボックスは、ノイズに埋め込まれた信号を検出するのに使用される。周期定常性は、信号が周期的平均値及び周期的分散値を持つ場合に前記信号において生じる（より高次の周期定常性、例えば４次のものが、示されてもよい）。図１Ａ及び１Ｂは、それぞれ時間及び周波数領域における従来のアナログテレビ信号の周期的性質を示す。図１Ａを参照すると、従来のテレビ信号は、周期的時間性質（Ｈ）を持ち、ここで"水平同期"信号が、各データフレーム（４５８ライン）の後に生成される。前記水平同期信号は、毎秒３０回繰り返される。図１Ｂは、周波数領域における周期的信号を示し、ここで信号エネルギは、"Ｈ"として示される、ライン周期により分離された周波数に密集する。図１Ａ及び１Ｂを参照すると、従来のテレビ信号のスペクトルが高度の自己相関を持ち、したがって、周期定常性を持つことが分かる。

図２Ａ及び２Ｂは、デジタル信号に対する同様の周期定常性を示す。図２Ａを参照すると、周波数スペクトル及び全体的な帯域の所定の部分に抑制されたキャリアを含むように示されるデジタルテレビ信号（ＩＥＥＥ ＡＴＳＣ５３）のスペクトルは、同様に固定である。図２Ｂは、３１３のセグメントが２４．２ミリ秒のフレーム内に送信されるＩＥＥＥ ＡＴＳＣ５３デジタル信号の繰り返されるフレーム構造を示す。

アナログ信号に対して、周期的自己相関関数（Ｒ_x ^α(τ)）及び周期的スペクトル密度関数（Ｓ_x ^α(ｆ)）（式１及び２）が、図３Ａ及び３Ｂにそれぞれ示される。これらの関数は、

として決定されることができ、ここで、
Ｒ_x ^α(τ)は受信信号（ｘ）の自己相関関数であり、
Ｓ_x ^α(ｆ)は、前記周期的自己相関関数のフーリエ変換であり、
τは２つの信号間のラグである。

ほとんどの既存の方法は、周期定常（周期分散）信号の存在を検出するのに遅延乗算の使用を提案する。デジタル信号に対して、遅延乗算回路の出力ＳＮＲ_(Ｏ_snr)は、
Ｏ_snr＝γＮ_s(Ｉ_snr)² （３）
により与えられ、ここで、
Ｏ_snrは出力ＳＮＲであり、
Ｎ_sは積分時間又はＦＦＴ点の数であり、
γは異なる検出スキームに対して変化する。

しかしながら、γは小さく、典型的には０．００１２に等しい。図３Ｃは、γの値を決定する方法を示す。

本発明の原理によると、検出信号に基づく（２次の周期定常性を利用する）トーン検出が後に続く（１次の周期定常性を利用する）同期平均又は遅延乗算は、テレビ信号及びノイズを含む受信信号の隠れた周期性を決定し、更に、受信されたアナログ及び／又はデジタルテレビ信号の存在を検出するのに使用される。より具体的には、１次の周期定常性を利用する本発明の方法は、
ａ．所望の信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、
ｂ．Ｍ個のセグメントのセットの同期平均を実行するステップと、
ｃ．前記信号の自己相関を実行するステップと、
ｄ．前記自己相関の出力においてピークの存在を検出するステップと、
を有すると要約されることができる。

受信器における（図１Ａに示される）"Ｈ"の周期性の推定に基づいて、（クロックリカバリが完全に決定されず、検索がＢ個の隣接した周波数ビンにわたり実施されるので）、受信された入力信号（テレビ信号及びノイズ）は、セグメント化され、Ｍ個のこのようなセグメントが一緒に平均される。Ｂは、前記受信器におけるクロックの精度に基づいて選択され、すなわち、前記クロックが非常に正確である場合に、Ｂは小さく、前記クロックがあまり正確でない場合に、Ｂはより大きな数字である。"Ｈ"は大きいので、前記クロック値を推定する際の誤差は、検出に対して重大な影響を与えない（加えて、Ｂ個の隣接した周波数ビンにわたる検索は、部分的にこの問題を軽減する）。この後に、マッチしたフィルタ型検出が、前記アナログテレビ信号において同期パターンの存在を検出するのに使用される。

第２の態様において、２次の周期定常性を利用する本発明の方法は、（Ｂ個の隣接した周波数ビンにわたり実施される）
ａ．所望の信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、
ｂ．前記信号の遅延乗算器を実行する手段と、
ｃ．トーン解析を実行するステップと、
ｄ．前記トーン解析の出力において単一の信号を検出するステップと、
を有すると要約されることができる。

図４は、本発明の原理によるサイズＭ＝５、１０、１５及び２０のセグメントに対する従来のＮＴＳＣアナログ信号の同期平均に基づく周期定常検出の結果を示す。アップサンプル係数Ｎは、典型的には、１３．５Ｍｈｚのアナログテレビサンプルレート及び１０．７５メガシンボル／秒のデジタルテレビサンプルレートより数桁大きいと見なされる。

示されるように、選択されたセグメントの数（Ｍ）が増加すると、前記出力ＳＮＲは、既知の入力ＳＮＲに対して増加する。すなわち、使用されるセグメントの数が増加すると、前記受信信号内のノイズは、より大きなセグメント数にわたり平均され、より大きな信号対ノイズ比及び前記受信信号内の隠れた周期性を検出するより良い機会を可能にする。したがって、Ｍは、予測される信号の周期性（Ｈ）の推定の既知の倍数である。

図５は、典型的なデジタルテレビ信号の本発明の原理による遅延乗算及び同期平均に基づく検出の結果を示す。この示された提示において、相関１は、フィールド同期信号の検出（すなわち図２Ａの水平軸）に対する閾値検出が後に続く前記信号の自己相関を表し、相関２は、セグメント同期の検出（すなわち図２Ａの縦軸）に対するＡＴＳＣ（デジタル）信号に適用された、上で論じられた、同期平均を表す。

認識されるように、ここに示された処理は、コンピュータ又は処理システムにおいて動作するソフトウェア及び／又はハードウェアコードにより実行されることができる。前記システムは、前記処理システムに必要な命令を提供するコードを記憶するプログラム可能なメモリ、すなわちＰＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＬＡＳＨ等を含みうる。前記コードは、前記メモリに事前に記憶されてもよく、又は１以上のコンピュータ可読媒体を介して又はネットワーク上でダウンロードされてもよい。他の態様において、前記コードは、前記処理システムに必要な命令を提供するＦＰＧＡ又はＡＳＩＣにロードされたハードウェアコードであってもよい。前記処理システムは、携帯装置の移動の表示を提供する１以上のセンサから入力を更に受信することができる。

図６は、ここに示される処理を実行する従来のプロセッサシステム６００を示す。プロセッサシステム６００は、通信バス６２５上でメモリ６１５及び入出力装置６２０と通信するプロセッサ６１０を含む。メモリ６１５は、プロセッサ６１０により実行される場合にここに記載された処理を実行する命令又はプログラムコードを含むことができる。入出力装置６２０は、第２の処理システム又は情報表示システムに対して情報を送受信する手段をプロセッサ６１０及び／又はメモリ６１５に提供する。示されないが、情報が、ディスプレイとＩ／Ｏ装置６２０との間、又は第２のプロセッサシステムとＩ／Ｏ装置６２０との間に１以上のネットワーク上で送信されることができることが認識される。例えば、前記コンピュータコードは、Ｉ／Ｏ装置６２０を介してネットワーク上で前記メモリに送信されることができる。

本発明の好適な実施例に適用されるように本発明の基本的な新規のフィーチャが示され、記載され、指摘されるが、記載された装置の、開示された装置の形式及び細部の、及び動作の省略、置き換え及び変更が、本発明の精神から逸脱することなく当業者により行われうると理解される。同じ結果を達成するように実質的に同じ機能を実質的に同じ形で実行する要素の全ての組み合わせが、本発明の範囲内であることは、明確に意図される。記載された実施例の要素の置き換えも、完全に意図され、考えられる。

従来のアナログテレビ信号の時間表現及び周波数表現をそれぞれ示す。 従来のアナログテレビ信号の時間表現及び周波数表現をそれぞれ示す。 典型的なデジタルテレビ（ＡＴＳＣ）信号の周波数表現及びフレーム構造を示す。 典型的なデジタルテレビ（ＡＴＳＣ）信号の周波数表現及びフレーム構造を示す。 従来のＮＴＳＣ（アナログ）テレビ信号の周期相関及びスペクトル相関密度を示す。 従来のＮＴＳＣ（アナログ）テレビ信号の周期相関及びスペクトル相関密度を示す。 テレビ信号を得るために出力信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を決定する方法を示す。 本発明の原理による従来のアナログＮＴＳＣ信号の検出の結果を示す。 本発明の原理による典型的なＡＴＳＣ（デジタル）テレビ信号の検出の結果を示す。 ここに示される処理を実行するシステムを示す。

Claims (3)

1. コグニティブ無線による日和見的使用に対して、テレビ信号及びノイズを含む受信入力信号に埋め込まれた、周期定常性を示す前記テレビ信号の存在を検出する方法において、前記方法が、
   前記受信された入力信号のピークエネルギを決定するステップと、
   前記決定されたピークエネルギに基づいてテレビ信号周期性を決定するステップと、
   を有し、
   前記ピークエネルギを決定するステップが、
   前記受信信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、
   前記アップサンプリングされた受信信号のＭ個のセグメントのセットの同期平均を実行するステップと、
   前記同期平均を実行された受信信号の自己相関を実行するステップと、
   前記自己相関関数の出力においてピークの存在を検出するステップと、
   を有し、
   前記Ｎの値が、前記テレビ信号のサンプリングレートより少なくとも１桁大きく、検索が、Ｂ個の隣接した周波数ビンにわたり実施される、
   方法。
2. コグニティブ無線による日和見的使用に対して、テレビ信号及びノイズを含む受信入力信号に埋め込まれた、周期定常性を示す前記テレビ信号の存在を検出する装置において、前記装置が、
   前記受信された入力信号のピークエネルギを決定するステップと、
   前記決定されたピークエネルギに基づいてテレビ信号周期性を決定するステップと、
   を実行する、メモリと通信するプロセッサ、
   を有し、
   前記ピークエネルギを決定するステップが、
   前記受信信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、
   前記アップサンプリングされた受信信号のＭ個のセグメントのセットの同期平均を実行するステップと、
   前記同期平均を実行された受信信号の自己相関を実行するステップと、
   前記自己相関関数の出力においてピークの存在を検出するステップと、
   を有し、
   前記Ｎの値が、前記テレビ信号のサンプリングレートより少なくとも１桁大きく、検索が、Ｂ個の隣接した周波数ビンにわたり実施される、
   装置。
3. コグニティブ無線による日和見的使用に対して、テレビ信号及びノイズを含む受信入力信号に埋め込まれた、周期定常性を示す前記テレビ信号の存在を検出するために処理システムに命令を提供するコンピュータ可読媒体において、前記命令が、
   前記受信された入力信号のピークエネルギを決定するステップと、
   前記決定されたピークエネルギに基づいてテレビ信号周期性を決定するステップと、
   を前記処理システムに実行させ、
   前記ピークエネルギを決定するステップが、
   前記受信信号をＮ倍にアップサンプリングするステップと、
   前記アップサンプリングされた受信信号のＭ個のセグメントのセットの同期平均を実行するステップと、
   前記同期平均を実行された受信信号の自己相関を実行するステップと、
   前記自己相関関数の出力においてピークの存在を検出するステップと、
   を有し、
   前記Ｎの値が、前記テレビ信号のサンプリングレートより少なくとも１桁大きく、検索が、Ｂ個の隣接した周波数ビンにわたり実施される、
   コンピュータ可読媒体。

Images