JP5208972B2

JP5208972B2 - ケーブルネットワークでの信号品質決定

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Publication number: JP5208972B2
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Inventors: イェルーンヤーコブボスヒマ，
Original assignee: ネーデルランデオルガニサティーヴールトゥーヘパストナツールウェテンスハペライクオンデルズークテーエヌオー
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Filing date: 2008-02-27
Publication date: 2013-06-12
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Description

本発明はケーブルネットワークでの信号品質の決定に関する。とりわけ本発明は、ネットワークモデルを用いて、ケーブルネットワークでの信号品質を決定するための方法と装置に関する。

ＣＡＴＶ（Cable television）ネットワークのようなケーブルネットワークを含む、電気ネットワークや光ネットワークの信号品質パラメータを決定することは良く知られている。受信端（通常は加入者端）での信号品質の指標であるパラメータまたは基準は、例えば、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）と、デジタルネットワークにおけるビットエラー率（ＢＥＲ）である。出力信号のノイズレベル（および／または他の特性）を決定することにより、ネットワークの受信端での信号品質の指標を得ることができる。

ケーブルネットワークは複数のケーブルと複数の増幅器と他の構成要素とを含む。ケーブルまたは配線の信号品質への影響は比較的小さいが、これらは高周波数成分を減衰させる。増幅器は通常、ノイズを発生する。通常のケーブルネットワークで使用されているような直列に接続された多くの増幅器のノイズは、累積されて実際の信号に影響を与える。

更に、増幅器は非直線性による信号歪みを発生する。理想的には、増幅器は入力信号ｓ（ｔ）_ｉｎに利得係数を掛けたものを出力する。
ｓ（ｔ）_ｏｕｔ＝Ａ・ｓ（ｔ）_ｉｎ
ここで利得Ａは定数である。実際には、しかしながら、増幅器は完全には直線的でなく、出力信号は通常、２次や３次の項を含む、入力信号の高次の級数項を含む。
ｓ（ｔ）_ｏｕｔ＝Ａ・ｓ（ｔ）_ｉｎ＋Ｂ・ｓ（ｔ）_ｉｎ ²＋Ｃ・ｓ（ｔ）_ｉｎ ³＋...
この非直線性の結果、いわゆる入力信号周波数の相互変調は、入力信号にはなかった周波数成分を含む出力信号を生じる。これらの望ましくない相互変調は信号品質を低下するため、ネットワークの信号品質を決定する際には考慮されなければならない。

しかしながら、従来の方法は一般的にこれらの相互変調を考慮することができない。相互変調が考慮された場合でも、各相互変調は渾然一体となってしまい、信号品質レベル全体に対する個々の寄与を正確に決定することができない。

論文「曲線トレースアルゴリズムを用いた非線形ネットワークの周波数応答」（“Frequency Response of Non-linear Networks using Curve Tracing Algorithm”、A. Yoshida、Y. Yamagami、& Y. Nishio、IEEE、May 2002）は、非線形回路の特性曲線の計算方法を開示している。非線形効果は考慮されているが、基本波成分のみが考慮されている。従って、相互変調の影響は１つの周波数のみで考慮されており、この既知の方法は複数の周波数帯の相互変調効果を決定するには不適当である。更に、前記の従来技術の論文はケーブルネットワークについて言及していない。

本発明の目的は、従来技術のこれらおよび他の問題を克服し、より正確な結果をもたらすケーブルネットワークでの信号品質を決定するための方法と装置を提供することである。

本発明は、ネットワークにおける信号品質の決定の方法を提供するものであって、この方法は以下のステップを含む。
・相互接続と少なくとも１つの要素のモデルとを含むネットワークモデルを提供するステップ
・入力信号を提供するステップ
・入力信号およびネットワークモデルを用いて出力信号を決定するステップ
・入力信号および出力信号を用いて信号品質基準を決定するステップ
この方法は以下の特徴を有する。
・ネットワークモデルは、ケーブルテレビネットワークのようなケーブルネットワークのモデルである
・入力信号は、構成信号の成分を多重周波数領域で表現したものを含む
・出力信号は、ケーブルネットワークの出力信号を周波数領域で表現したものを含む
・出力信号を決定するステップは以下のことを含む
○ネットワークモデルを用いて、入力信号に応じたケーブルネットワークの振舞いをシミュレーションすること
○構成信号成分のスペクトルの畳み込みを行うことによって、周波数領域の相互変調を決定すること
○この周波数領域の相互変調と出力信号を用いて信号品質基準を作成すること

多重の構成信号成分を持つ入力信号を用いることにより、これらの成分の相互変調への寄与、およびこれによる信号品質への寄与は正確に決定できる。複数の構成信号成分を持つ入力信号に応じたケーブルネットワークの振舞いを更にシミュレーションすることにより、極めて実際的な結果が得られる。

構成信号成分の複数のスペクトルの畳み込みを行うことによって周波数領域の相互変調を決定することにより、単一周波数の信号成分とゼロにならないバンド幅を持つ周波数成分の両方を処理することができる。複数の信号成分または複数のゼロでないバンド幅を持つ信号の相互変調を決定できる能力は従来技術に比べ明らかに有利である。

更に、周波数領域の相互変調を用いることにより、出力信号の他に、信号品質基準を作るために、信号品質基準が望ましい出力信号と相互変調の両方を確実に考慮することが保証される。結果として、非常に信頼性の高い信号品質基準が得られ、この品質基準は入力信号の広い範囲とケーブルネットワークの広い範囲で使用することができる。

構成信号成分から生じる相互変調は、好ましくは個別の畳み込みを行うことにより別々に決定され、結果としてネットワークの信号品質への相互変調の影響を正確に決定することができる。

上記のように、周波数領域の相互変調は、構成信号のスペクトルの畳み込みにより決定することができる。しかしながら、実際の畳み込みには大きな処理能力が必要である。従って、構成信号のスペクトルの畳み込みの各々は、逆フーリエ変換と、時間領域での乗算と、フーリエ変換とを行うことによって達成される。言い換えれば、周波数領域の畳み込みは効果的に行われるが、これらの畳み込みが実質的に時間領域の乗算で行われるので、畳み込みよりもさらにもっと効果的である。良く知られているように、フォワードおよびバックワード（すなわち逆）フーリエ変換はＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を用いて非常に効果的に行うことができる。

ネットワークモデルは、好ましくは周波数領域モデルであり、複数の信号のスペクトルに直接影響する成分を持っている。これは周波数領域の信号特性を用いることができるという利点を持っている。ＣＡＴＶネットワークのようなケーブルネットワークで用いられる信号は、例えば信号の中心周波数とバンド幅を示すことにより、通常は周波数領域で仕様が決められており、このような仕様はモデルの入力信号を決定するのに直接用いられる。

１つの好ましい実施形態では、要素モデルは、利得ユニットと、重み付けユニットと、そして少なくとも１つの相互変調ユニットとを備え、これらのユニットはそれぞれ、当該要素の利得の寄与、周波数依存性、および相互変調の寄与の決定に用いられる。このような要素モデルは当該要素の特性を正確にモデル化することを可能にする。

更に好ましくは、この要素モデルは、少なくとも２つの相互変調ユニットを備え、それぞれ２次および３次の相互変調を決定する。要素モデルは２次相互変調のみか、または３次の相互変調のみを考慮するように用いることができるが、２次と３次の相互変調を両方とも含むことにより大幅にモデル化を改善できる。４次またはこれより高次の相互変調もまた、高次の相互変調ユニットを用いてモデル化できるが、しかしながらこの結果生ずる計算の複雑さに対し、これを上回る程のモデルの正確さの向上の効果はない。

また好ましくは、少なくとも１つの相互変調ユニットには、その前段に、相互変調を決定する前に入力信号の重み付けを行う１次の重み付けユニットがあり、またその後段に、相互変調の重み付けを行う２次の重み付けユニットがある。各々の分岐に唯１つの重み付けユニットを用いることは可能であるが、相互変調ユニットの前後で重み付けユニットを用いることで更に正確なモデルとなる。

この少なくとも１つの相互変調ユニットは好ましくは、構成信号成分の相互変調を決定する複数の相互変調サブユニットを備える。

本発明はまた、上記の方法を実行するコンピュータプログラム製品を提供する。コンピュータプログラム製品は、ＣＤやＤＶＤのようなデータ媒体に格納された、コンピュータが実行可能な命令を備える。コンピュータが実行可能な命令のセットは、プログラマブルなコンピュータに上記の方法を実行させることができるものであって、例えばインターネット経由で、離れたサーバーからダウンロードすることで入手することもできる。

本発明は、更にネットワークでの信号品質を決定する装置を提供し、この装置は以下のユニットを備える。
・相互接続と少なくとも１つの要素モデルとを含むネットワークモデルを格納するメモリユニット
・入力信号を提供する入力ユニット
・入力信号およびネットワークモデルを用いて出力信号を決定する処理ユニット
・入力信号および出力信号を用いて信号品質基準を決定する信号品質ユニット
この装置は以下の特徴を有する。
・メモリユニットに格納されたネットワークモデルは、ケーブルテレビネットワークのようなケーブルネットワークのモデルである
・入力ユニットは、構成信号成分を多重周波数領域で表現したものを含んだ入力信号を受信するように構成されている
・処理ユニットは、ケーブルネットワークの出力信号を周波数領域で表現したものを含んだ出力信号を決定するように構成されている
・処理ユニットは更に、以下のことによって出力信号を決定するように構成されている
○ネットワークモデルを用いて、入力信号に応じたケーブルネットワークの振舞いをシミュレーションすること
○構成信号成分のスペクトルの畳み込みを行うことによって、周波数領域の相互変調を決定すること
○この周波数領域の相互変調と出力信号を用いて信号品質基準を生成すること

本発明は、更に以下で、添付図に示した実施形態を参照して説明する。

図１は、本発明で用いられるネットワークモデルの例を概略的に示す。図２は、本発明による要素モデルを概略的に示す。図３は、本発明による第１の相互変調ユニットを概略的に示す。図４は、本発明による第２の相互変調ユニットを概略的に示す。図５は、本発明によるケーブルネットワークにおける信号品質を決定するための方法と設定を概略的に示す。図６は、本発明によるネットワークモデルを更新するための方法と構成を概略的に示す。

図１の実施例で示すネットワークモデル１は本発明を単にこれに限定するものでない。このネットワークモデル１は、相互接続２と、要素モデル３と、入力ターミナル４と、出力ターミナル５とを備える。ネットワークモデル１は、３つの相互接続された増幅器で構成され、１つの入力ターミナルと２つの出力ターミナルを有する実際のケーブルネットワーク（図示せず）を表す。

このようなネットワークモデルは良く知られており、これによりケーブルの管理者は出力ターミナル５での信号品質を決定できる。このモデルは、ネットワークへの入力信号がある状態での増幅器のノイズ寄与の指標を提供する。出力ターミナル５で決定された信号品質は加入者が受けるサービスの質を示す。

従来の方法はしばしば周波数に依存しない線形増幅モデルに基づいており、周波数依存の特性および増幅器の非線形特性の全影響を考慮することができていない。これは、広帯域および／または多重入力信号が用いられている場合は、とりわけ問題となる。これは現代のケーブルネットワークで典型的なケースである。増幅器のどんな非線形性も相互変調成分を生ずる。すなわち入力信号の非線形増幅から新しい周波数成分が生じる。例えば、入力周波数ｆ_１とｆ_２は、標準的な増幅器を用いた場合、付加的な周波数ｆ_１＋ｆ_２およびｆ_１−ｆ_２を生じる。これらの付加的な信号成分は望ましくないものであり、出力信号のノイズレベル全体に寄与する。

しかしながら、従来のネットワークモデルは、一般的に、増幅器が完全にまたは近似的に線形であることを前提としており、従って相互変調による全ての付加的なノイズを考慮していない。これから、ノイズの予測は実際のノイズレベルより大幅に低い結果となることがある。結果として、加入者が受けるサービスの品質は期待したものより低くなる。本発明は改善された要素モデルを用いてこの問題を解決する。

本発明による要素モデルが図２に概略的に示されている。単なる例である要素モデル３は、利得（Ｇ）すなわち線形増幅ユニット３１と、相互変調（ＩＭ）すなわち非線形増幅ユニット３２、３３と、１次の重み付け（ＰＷ）ユニット３４、３５、３６と、２次の重み付けユニット３７、３８とを備える。この要素モデル３は入力信号ＩＳを受信して、出力信号ＯＳを出力する。少なくともＩＳとＯＳの信号の内１つは、図１のそれぞれの相手方のＩＳまたはＯＳと同一であってよいが、これは必要条件ではない。

利得（Ｇ）ユニット３１はネットワーク要素の線形利得をモデル化したもので、典型的には増幅器をモデル化したものである。この利得は周波数に依存しない。第１の１次重み付け（ＰＷ１）ユニット３４は入力信号ＩＳの周波数領域の重み付けを行い、ある周波数を他の周波数より減衰させるようにする。この特徴はネットワーク要素の周波数依存の伝送特性をモデル化することを可能とし、これより実際のネットワークのモデル化を可能とする。良く知られているように、ケーブルネットワークでは信号の減衰は、通常、周波数と共に大きくなる。

２次相互変調（ＩＭ２）ユニット３２は、ネットワーク要素の増幅特性（すなわち、一般的には伝送特性）における２次の項から生じる相互変調を決定する。この２次の相互変調ユニット３２には、前段に第２の１次重み付け（ＰＷ２）ユニット３５が、後段に第２の２次重み付け（ＳＷ２）ユニット３７があり、この２つの重み付けユニットはそれぞれ入力信号ＩＳの周波数依存の重み付けと２次の相互変調を行う。重み付けユニット３７は２次の相互変調信号ＩＭＳ２を出力する。

相互変調ユニット３２の前または後で唯１つの重み付けユニットを用いて周波数依存の重み付けを行うことが可能である。しかしながら、本発明の更なる態様によれば、１次および２次両方の重み付けユニットを備えることが好ましい。このようにして、より良好な重み付けとより正確なネットワーク要素のモデル化が達成される。

尚、図２の実施形態では、唯１つの重み付けユニット３４が利得ユニット３１と直列に配置されているが、これは要素モデルの線形分岐では２つの重み付けユニットを配置しても何の効果ももたらさないからである。この実施形態では、従って、唯１つの（第１の）１次重み付け（ＰＷ１）ユニット３４が存在し、２次重み付けユニットは省略されている。これは１次の重み付けユニット３４の代わりに２次の重み付けユニットがあったとしてもよいと理解される。

３次の相互変調（ＩＭ３）ユニット３３は、ネットワーク要素の増幅特性（すなわち、一般的には伝送特性）における３次の項から生じる相互変調を決定する。この３次の相互変調ユニット３３には、前段に第３の１次重み付け（ＰＷ３）ユニット３６が、後段に第３の２次重み付け（ＳＷ３）ユニット３８があり、この２つの重み付けユニットはそれぞれ入力信号ＩＳの周波数依存の重み付けと３次の相互変調を行う。重み付けユニット３８は３次の相互変調信号ＩＭＳ３を出力する。

前記と同様に、相互変調ユニット３３の前または後で唯１つの重み付けユニットを用いて周波数依存の重み付けを行うことが可能であるが、本発明の更なる態様によれば、本モデルの３次の相互変調分岐において、両方の重み付けユニットを用いることが好ましい。

ここで図３および図４を参照して、相互変調ユニット３２および３３をより詳細に説明する。本発明の重要な態様によれば、用いられている入力信号（図１のＩＳ）は多重の構成成分を含み、各々の構成成分は信号の種類を表している。例えば、入力信号は２つまたはこれより多くの以下の成分から成っている。
・ＰＡＬ（Phase Alternating Line）：テレビ信号
・ＦＭ（Frequency Modulation）：ラジオ信号
・ＱＡＭ（Quadrature Amplitude Modulation）：データ通信
・ＳＰＡＬ：（synchronized PAL）：テレビ信号
・ＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）：データ通信
・搬送波：ネットワーク測定および制御信号
これらの入力信号は周波数領域（すなわち、スペクトル）の表現で提供される。図３および図４の例では唯２つの入力信号成分ＰとＱが示されているが、しかし実際は２つより多い入力成分が使用されてよい。

図３の（２次の）相互変調ユニット３２は、複数の構成信号成分の相互変調を決定するように、相互変調サブユニット３２１、３２２、３２３を含む。第１のサブユニット３２１は信号成分Ｐのみを受信して、ｘ_Ｐ ^２の記号で示されている、成分Ｐとそれ自身の相互変調を生成し、相互変調成分ＰＰを生成する。同様に、第３のサブユニット３２３は信号成分Ｑのみを受信して、ｘ_Ｑ ^２の記号で示されている、成分Ｑとそれ自身の相互変調を生成し、相互変調成分ＱＱを生成する。

第２のサブユニットは、しかしながら、信号成分Ｐおよび信号成分Ｑの両方を受信して、ｘ_Ｐ・ｘ_Ｑの記号で示されている、成分Ｐと成分Ｑとの「真の」相互変調を生成し、相互変調成分ＰＱを生成する。このように、複数の構成信号成分の相互変調は複数のサブユニットによって別々に決定される。相互変調成分を別々に決定することにより、非常に正確な相互変調の表現が得られ、したがって非常に正確な信号品質予測が得られる。

入力信号（図１のＩＳ）はスペクトル（周波数領域表現）として提供されるので、構成信号成分Ｐ、Ｑおよび相互変調信号ＰＰ、ＰＱ、ＱＱは周波数領域の信号表現である。

図４に示す（３次の）相互変調ユニット３３は、構成信号成分ＰとＱの相互変調を決定するように、相互変調サブユニット３３１、３３２、３３３、３３４を備える。第１のサブユニット３３１は信号成分Ｐのみを受信して、ｘ_Ｐ ^３の記号で示されている、成分Ｐとそれ自身の（３次の）相互変調を生成し、相互変調成分ＰＰＰを生成する。同様に、第４のサブユニット３３４は信号成分Ｑのみを受信して、ｘ_Ｑ ^３の記号で示されている、成分Ｑとそれ自身の相互変調を生成し、相互変調成分ＱＱＱを生成する。

第２のサブユニット３３２は、しかしながら、信号成分Ｐおよび信号成分Ｑの両方を受信して、相互変調成分ＰＰＱを生成する。同様に、第３のサブユニット３３３は相互変調成分ＰＱＱを生成する。

相互変調ユニット３２は、入力信号成分ＰおよびＱから、別々の相互変調成分ＰＰＰ、ＰＰＱ、ＰＱＱ、ＱＱＱを決定することが分かる。上記のように、信号成分ＰおよびＱは周波数領域の信号、すなわち、より具体的には、時間信号の周波数領域の表現である。生成物ｘ_Ｐ ^３、ｘ_Ｐ ^２・ｘ_Ｑ等は時間領域の生成物であり、これらは多量の計算が必要な畳み込み処理を用いて周波数領域で計算される。このため、ユニット３２とユニット３３は好ましくは、周波数領域の信号成分Ｐ、Ｑを時間領域に(逆)変換するための、そして時間領域の生成物ｘ_Ｐ ^３、ｘ_Ｐ ^２・ｘ_Ｑ等を周波数領域に変換して周波数領域の相互変調成分ＰＰ、．．．、ＱＱまたはＰＰＰ、．．．、ＱＱＱを得るための、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）ユニットを備える。

尚、ネットワークモデル（図１の１）、要素モデル（図２の３）、相互変調ユニット３２、３３およびそのサブユニットは、ハードウェアによっても、ソフトウェアによっても、またこれらの組み合わせによっても実装されてよい。ソフトウェアは好ましくは、従来のコンピュータシステムで動作するのに適合したものである。

本発明による信号品質の決定が図５に示されている。ネットワークモデル１’は２つの増幅器を持つケーブルネットワークを表わす。これに対応する要素モデル３は、図２のように、各々３つの出力を持ち、出力信号ＯＳと、２次の相互変調信号ＩＭＳ２と、３次の相互変調信号ＩＭＳ３とをそれぞれ生成する。第１の要素モデル３の出力信号は、増幅のため、第２の要素モデルに供給され、一方でこの相互変調信号は利得（Ｇ）調整ユニット３０２と３０３に供給される。利得が調整された第１の要素モデルの相互変調信号は、加算ユニット３０４と３０５において第２の要素モデルの相互変調信号にそれぞれ加算され、合成された相互変調信号ＩＭＳ２とＩＭＳ３を生成する。

利得調整ユニット３０２と３０３はそれぞれ、２次の相互変調の利得（Ｇ２）および３次の相互変調の利得を調整する別々のユニットとして示されている。他の実施形態では、１つの、結合した利得調整ユニットを用いてもよい。利得調整ユニット３０２と３０３の利得は、ネットワークモデルにおける他の全ての要素（増幅器）の利得に対応する。本実施形態では、利得調整ユニット３０２と３０３は第２の増幅器モデル３の利得に等しい利得を有する。ユニット３０２と３０３は、利得調整に加えて、好ましくは、周波数調整すなわち周波数の重み付けも実行する。この重み付けは他の全ての要素モデルの重み付けに等しい。従って、本実施形態では、相互変調は、あたかもそれが第２の要素モデル３を通過したかのように、周波数の重み付けがなされる（利得も調整される）。

第２の要素モデルの出力信号ＯＳ、２次の相互変調信号ＩＭＳ２、および３次の相互変調信号ＩＭＳ３は信号品質（ＳＱ）ユニット３０９に別々に供給され、この信号品質ユニットは、本実施形態では、信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）およびビットエラー率（ＢＥＲ）を生成する。

相互変調信号ＩＭＳ２およびＩＭＳ３はそれぞれこれらを構成する相互変調信号、例えば、図４の構成信号ＰＰＰ、ＰＰＱ、等から構成される。信号品質ユニット３０９においては、構成信号は別々に加算される。すなわち、図５の両方の増幅器モデル３からのＰＰＰ寄与分は加算されて、合成されたＰＰＰ寄与分を形成し、ＰＰＱ寄与分は加算されて、合成されたＰＰＱ寄与分を形成する、等である。次に、合成された寄与分と、出力信号ＯＳと、入力信号ＩＳを生成するのに用いられる入力信号（例えばＱＡＭ、ＰＡＬ、およびＦＭ信号）の仕様とを用いて、ＳＮＲおよび／またはＢＥＲが計算される。これらの入力信号仕様（ＩＳＳ）は格納された仕様のリスト９に含まれており、（搬送波）周波数、信号レベル、バンド幅、および他のパラメータを含んでよい。（周波数領域の）入力信号ＩＳをリスト９の入力信号仕様ＩＳＳから導出することについては図６を参照して後述する。

相互変調の信号品質レベルへの影響の他に、ノイズモデルが追加で用いられてもよい。モデルの入力に熱雑音を想定した、従来のノイズモデルを用いてよい。要素モデルの利得と重み付け特性は、当該要素がもたらすノイズを表す任意の形態のノイズを選択的に含んでおり、信号品質ユニット３０９に与えられる出力信号ＯＳに含まれる出力ノイズレベルを決定するために用いられる。

図５に示す処理は好ましくは、ソフトウェアで処理されるが、ハードウェアで実装してもよい。

複数の要素モデル（図１、図２、および図５での３）は、パラメータ、たとえば利得パラメータおよび重み付けパラメータを含む。これらのパラメータは図６の構成を用いて決定できるが、これはソフトウェアおよび／またはハードウェアで実施してよい。

要素モデルユニット３は、本実施形態で示すこのモデルは増幅器であり、モデルパラメータ（ｐａｒｓ）を受け取る。これらのパラメータはパラメータ調整（ＰＡ）ユニット７で生成されるが、これについては後述する。要素モデルユニット３は、（周波数領域の）入力信号ＩＳを入力信号発生（ＩＳＧ）ユニット８から受け取り、入力信号発生ユニット８は、格納された入力信号仕様リスト９から入力信号仕様（ＩＳＳ）を受け取る。上記のように、入力信号仕様は（搬送波）周波数、バンド幅、出力レベル、および／または他のパラメータを含んでよい。モデル３で用いられる入力信号は物理的入力信号を表わすデジタルデータのセットでよく、または実際のデジタル入力信号でもよい。

入力信号生成（ＩＳＧ）ユニット８は、入力信号仕様を用いて周波数領域の入力信号ＩＳを生成する。この入力信号仕様は（中心）周波数、バンド幅、出力レベル、（スペクトル）エンベロープ、および／または他のパラメータである。これらおよび同様のパラメータに基づいて入力信号を生成することのできる信号生成器は良く知られている。

入力信号仕様（ＩＳＳ）はまた、第２の入力信号生成（ＩＳＧ）ユニット８’にも与えられる。第２の入力信号生成（ＩＳＧ）ユニット８’は、物理的な（周波数領域の）入力信号ＩＳ’を生成し、この入力信号ＩＳ’は実際の要素（本実施例では増幅器）３’に与えられる。

モデルユニット３は、基本出力信号（ＯＳ）と相互変調信号ＩＭＳ２およびＩＭＳ２とを含むコンポジット出力信号を出力する。同様に、要素ユニット３は基本出力信号（ＯＳ’）と相互変調信号ＩＭＳ２’およびＩＭＳ３’とを含むコンポジット信号を出力する。これらの信号は比較ユニット６により受信され、比較される。モデル３により生成される計算信号と、実際の要素３’により生成される測定信号との間のいかなる差異も差異信号ＤＳとなり、パラメータ調整ユニット７に与えられる。

パラメータ調整ユニット７は、要素モデルのモデルパラメータを決定し、特に重み付けユニット（図２の３４ー３６、３７ー３８）の重み付けパラメータを決定する。重み付けユニットは好ましくは、２次の多項式の重み付け関数（２次の相互変調と混同しないように）を含む。この重み付け関数は、次の一般式を持つ。
Ｗ（ｆ）_ｏｕｔ＝Ａ・ｆ^２＋Ｂ・ｆ＋Ｃ
ここで、Ｗ（ｆ）_ｏｕｔは重み付けユニットの（周波数領域の）出力信号であり、ｆは周波数であり、Ａ、Ｂ、Ｃは重み付けパラメータである。パラメータ調整ユニット７は、例えば良く知られている遺伝的最適化アルゴリズムを用いて、これらの重み付けパラメータを決定する。良く知られたグリッドサーチアルゴリズムのような、他の最適化アルゴリズムが用いられてもよい。

尚、図６に示す比較テストを用いた、重み付けユニットの重み付けパラメータの調整は、必須ではなく任意のものである。この代わりに、重み付けパラメータをあらかじめ決めておくことができ、これにより比較テストを用いた最適化を省くことができる。

遺伝的最適化アルゴリズムは、パラメータの初期値を決定し、各々が初期パラメータに対応した遺伝子構造を持つ多くの親を生成するステップを含んでよい。親は適合の基準に従って、最も小さい差異信号ＤＳを生成するようにランキングされる。最も高くランキングされた親同士が組み合わされて、１つまたはこれより多くの子を形成する。適合した子は低位にランキングされた親と入れ替えられ、新しい親となる。この処理は、更にパラメータを最適化するために、最も高いランキングの親同士を組み合わせることで繰り返される。差異信号の極小値を生じる最適なパラメータが得られるまで、遺伝的アルゴリズムの様々なステップが繰り返される。

図６に示す比較テストを用いて、ネットワークモデルのチューニング、すなわち全ケーブルネットワークのモデルのパラメータの調整を任意に行うことができる。この場合、要素モデル３はネットワークモデル（図１の参照番号１および図５の参照番号１’）で置き換えられ、実際の要素３’は実際のネットワークで置き換えられる。

具体的には、この比較テストの設定は構成成分である相互変調信号（相互変調成分）、例えば、ＰＰ、ＰＱ、．．．、ＱＱ、およびＰＰＰ、ＰＰＱ、ＱＱＱ、の相対的な寄与を調整するために用いることができる。本発明の更なる態様によれば、図５に示す加算ユニット３０４、３０５におけるこれらの相互変調成分の加算は、パラメータで制御される。２次および３次の相互変調の場合、２つのパラメータＡ２およびＡ３（および補助変数ｋとｎ）が用いられる。
ＩＭＳ２_{ＴＯＴＡＬ}＝（Σ［ＩＭＳ２^ｋ／２］）^２／ｋ、ｋ＝（３０−Ａ２）／１０
ＩＭＳ３_{ＴＯＴＡＬ}＝（Σ［ＩＭＳ３^ｋ／２］）^２／ｋ、ｋ＝（３０−Ａ３）／１０
ここでデフォルト値はＡ２＝１０（パワー加算）およびＡ３＝２０（振幅加算）であり、この結果ｋ＝２およびｎ＝１となる。またΣはＩＭＳ２およびＩＭＳ３で得られる（パワースペクトルの）成分全体の和を表す。加算後のＩＭＳ２_{ＴＯＴＡＬ}とＩＭＳ３_{ＴＯＴＡＬ}は、それぞれ２次と３次の相互変調成分を合成したパワースペクトルを表す。

しかしながら、追加の相互変調成分の加算パラメータは、比較テストを用いて調整することが望ましい。この場合、Ａ２およびＡ３の値は、ネットワークモデルにより良く適合するように、通常はそれぞれの初期値である１０および２０から外れたものとなる。最適化のプロセスでは良く知られているグリッドサーチのアルゴリズムを用いることができる。このアルゴリズムは本発明の場合では遺伝的アルゴリズムよりも効率が良い。しかしながら、遺伝的アルゴリズムを含む他の最適化アルゴリズムも使用してよい。

ケーブルネットワークの信号品質を決定する装置は、適切な入力信号を入力する入力ユニットと、ネットワークモデルおよびそのパラメータを格納するメモリユニットと、ネットワークモデルを用いて入力信号を処理する処理ユニットと、入力信号、出力信号および相互変調から信号品質を決定する信号品質ユニットとを備えることができる。この処理ユニットはマイクロプロセッサを備え、入力ユニット、メモリユニット、信号品質ユニットに接続されている。

上記では本発明をＣＡＴＶのようなケーブルネットワークについて説明してきたが、本発明はこれに限定されず、ほかの電気あるいは光のネットワーク、例えばブロードバンド（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ）ネットワークにも適用可能である。ケーブルネットワークには、同軸ケーブルネットワーク、光ファイバーネットワーク、そして光ファイバー−同軸ケーブル複合型（ＨＦＣ）ネットワークがあるが、これらに限定されない。

本発明は、種々の信号成分の相互変調への寄与を別々に決定することで、ネットワークにおける相互変調および全ノイズレベルをより良く推定できるという考察に基づいている。本発明は更に、増幅信号および相互変調の周波数重み付けがモデル化の精度を改善するという考察と、遺伝的アルゴリズムがネットワークモデルのパラメータ、とりわけ相互変調の寄与を決定するのに使われる要素モデルのパラメータを最適化するために有利に用いられるという考察とを利用している。

尚、本明細書のいかなる用語も本発明の範囲を制限するように解釈されるべきではない。特に、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（ｓ）」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」の用語は、特に言及されていない要素を除外することを意味しない。１つの（回路）要素は複数の（回路）要素またはこれらの同等物と置き換えてよい。

当業者であれば、本発明は上記の実施形態に限定されず、また添付の請求の範囲に示された発明の範囲から外れることなく、多くの変形と追加を行うことができることを理解するであろう。

Claims

ネットワークの信号品質を決定する方法であって、
相互接続（２）と少なくとも１つの要素モデル（３）とを含むネットワークモデル（１、１’）を提供するステップと、
入力信号（ＩＳ）を提供するステップと、
前記入力信号および前記ネットワークモデルを用いて出力信号（ＯＳ）を決定するステップと、
前記入力信号（ＩＳ）および前記出力信号（ＯＳ）を用いて信号品質基準（ＳＮＲ、ＢＥＲ）を決定するステップと、を含み、
前記ネットワークモデルは、ケーブルテレビネットワークのようなケーブルネットワークのモデルであり、
前記入力信号（ＩＳ）は、構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）を多重周波数領域で表現したものを含み、
前記出力信号は、ケーブルネットワークの出力信号を周波数領域で表現したものを含み、
前記出力信号（ＯＳ）を決定するステップは、
前記ネットワークモデル（１、１’）を用いて、前記入力信号（ＩＳ）に応じた前記ケーブルネットワークの振舞いをシミュレーションすることと、
前記構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）のスペクトルの畳み込みを行うことによって、周波数領域の相互変調（ＩＭＳ２、ＩＭＳ３）を決定することと、
前記周波数領域の相互変調（ＩＭＳ２、ＩＭＳ３）と前記出力信号（ＯＳ）を用いて前記信号品質基準（ＳＮＲ、ＢＥＲ）を生成することとを含むことを特徴とする方法。
請求項１に記載の方法において、
構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）のスペクトルの畳み込みの各々は、逆フーリエ変換と、時間領域での乗算と、フーリエ変換とを実行することによって達成されることを特徴とする方法。
請求項１または２に記載の方法において、
前記ネットワークモデル（１、１’）は、周波数領域のモデルであることを特徴とする方法。
請求項１から３のいずれかに記載の方法において、
前記要素モデル（３）は、前記要素の利得の寄与、周波数依存性、および相互変調の寄与をそれぞれ決定するための、利得ユニット（３１）、重み付けユニット（３４、３５、．．．）、および少なくとも１つの相互変調ユニット（３２）を備えることを特徴とする方法。
請求項１から４のいずれかに記載の方法において、
前記要素モデル（３）は、２次および３次の相互変調をそれぞれ決定するための２つの相互変調ユニット（３２、３３）を含むことを特徴とする方法。
請求項４または５に記載の方法において、
前記少なくとも１つの相互変調ユニット（３２、３３）は、その前段に、前記相互変調を決定する前に前記入力信号の重み付けを行う１次の重み付けユニット（３５、３６）を有し、その後段に、前記相互変調の重み付けを行う２次の重み付けユニット（３７、３８）を有することを特徴とする方法。
請求項４から６のいずれかに記載の方法において、
前記重み付けユニット（３５、３６、３７、３８）は２次の重み付け関数を含むことを特徴とする方法。
請求項４から７のいずれかに記載の方法において、
前記重み付けユニット（３５、３６、３７、３８）は、遺伝的アルゴリズムで決定されるパラメータを含むことを特徴とする方法。
請求項１から８のいずれかに記載の方法において、
前記少なくとも１つの相互変調ユニット（３２、３３）は、前記構成信号成分の相互変調を決定する相互変調サブユニット（３２１、３２２、．．．、３３１、３３２、．．．）を備えることを特徴とする方法。
請求項４から９のいずれかに記載の方法において、
前記相互変調ユニット（３２、３３）および／または前記相互変調サブユニット（３２１、３２２、．．．、３３１、３３２、．．．）は、前記構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）のスペクトルの畳み込みを行うよう構成されていることを特徴とする方法。
請求項１から１０のいずれかに記載の方法において、
前記信号品質基準は、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）および／またはビットエラー率（ＢＥＲ）であることを特徴とする方法。
請求項１から１１のいずれかに記載の方法において、
各々の信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）は入力信号の種類を表していることを特徴とする方法。
請求項１から１２のいずれかに記載の方法において、
前記要素モデル（３）でモデル化された実際の要素により生成された信号を測定し、
前記要素モデル（３）で生成される計算信号と前記測定された信号の差を決定し、
前記差に基づいて前記要素モデル（３）のパラメータを調整することを特徴とする方法。
請求項１から１２のいずれかに記載の方法を実行するためのコンピュータプログラム製品。
ネットワークの信号品質を決定する装置であって、
相互接続（２）と少なくとも１つの要素モデル（３）とを含むネットワークモデル（１）を格納するメモリユニットと、
入力信号（ＩＳ）を提供する入力ユニットと、
前記入力信号および前記ネットワークモデルを用いて出力信号（ＯＳ）を決定する処理ユニットと、
前記入力信号（ＩＳ）および前記出力信号（ＯＳ）を用いて信号品質基準を決定する信号品質ユニットとを備え、
前記メモリユニットに格納された前記ネットワークモデルは、ケーブルテレビネットワークのようなケーブルネットワークのモデルであり、
前記入力ユニットは、構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）を多重周波数領域で表現したものを含む入力信号（ＩＳ）を受信するように構成されており、
前記処理ユニットは、ケーブルネットワークの出力信号を周波数領域で表現したものを含む出力信号（ＯＳ）を決定するように構成されており、
前記処理ユニットは、
前記ネットワークモデル（１、１’）を用いて、前記入力信号（ＩＳ）に応じた前記ケーブルネットワークの振舞いをシミュレーションし、
前記構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）のスペクトルの畳み込みを行うことによって、周波数領域の相互変調（ＩＭＳ２、ＩＭＳ３）を決定し、
前記周波数領域の相互変調（ＩＭＳ２、ＩＭＳ３）と前記出力信号（ＯＳ）を用いて前記信号品質基準（ＳＮＲ、ＢＥＲ）を生成することにより、前記出力信号（ＯＳ）を決定するように構成されていることを特徴とする装置。
請求項１５に記載の装置において、
前記処理ユニットは、更に、構成信号成分（Ｐ、Ｑ、．．．）のスペクトルの畳み込みの各々を、逆フーリエ変換と、時間領域における乗算と、フーリエ変換とを実行することによって達成するように構成されていることを特徴とする装置。
請求項１５または１６に記載の装置において、
実際の要素からの信号を受信する入力と、
前記要素モデル（３）により生成される計算信号と前記入力からの測定信号との差に基づいて、前記モデル（３）のパラメータを調整するように構成されたパラメータ調整ユニットとを備えることを特徴とする装置。