JP5932728B2 - 無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサ及びその方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に、無線信号を検出するためのシステムに関し、より詳しくは、無線マイクロフォン信号を検出するためのシステムに関する。

多くの無線システムにおいて、所与の通信チャネルにおける信号の存在を特定することが必要である。一例として、既存の(又はライセンスされた)送信機によって放送される無線信号の検出は、地上テレビ(TV)チャネルにおいて動作するライセンスされていない認知無線を用いる無線システムにおいて必要とされる。一般的に、そのような無線システムでは、受信既存信号が特定の電力閾値を上回る場合、TVチャネルは占有されているとみなされ、さもなければ、TVチャネルは占有されていないと考えられて、したがってライセンスされていない無線用途のために利用可能である。

無線マイクロフォン信号も、ライセンスされたTVスペクトラム中に存在する。したがって、認知無線センサは、チャネル占有を決定するために、地上テレビチャネルに加えてそのような信号をスキャンしなければならない。無線マイクロフォン装置によって生成される無線マイクロフォン信号の通信範囲は数百メートルに限られ、そしてそれらの送信電力は250mWまでに限られる。無線マイクロフォン装置は、200KHzの帯域幅を有する無線信号を生成するために、一般的にアナログ周波数変調(FM)スキームを用いる。無線マイクロフォン信号は、中心周波数が25KHzの倍数であるという制約を伴って、6MHzのTVチャネル帯域の任意の部分を占有することができる。無線マイクロフォン信号特性は、マイクロフォンの状態(例えば、屋内又は屋外の静寂、ソフトスピーカ及びハードスピーカ)によって変化する。

信号存在の識別は、低電力信号を検出する又は検知することが可能である無線センサによって、一般的に実行される。関連技術において議論される無線センサは、受信信号を先験的に知られた組込パターン及び特性に関連づけて、検出基準は、初期設定閾値を上回る関連付けられた出力レベルに基づく。例えば、従来の無線センサによって実行される典型的なプロセスは、入力信号をサンプリングし、ピークサンプルを提供するために既知のパターンをサンプル信号のフィールドに関連付けて、通信チャネル中の信号の存在を決定するためにピークサンプルを閾値と比較することを含む。既知のパターンは、例えば、Advanced Television Systems Committee(ATSC) Field Syncデータ、スペクトル署名などであることができる。

無線マイクロフォン信号ははっきりしたパターンによって特徴づけられないので、無線センサは一般的に、そのような信号を特定するためにエネルギー検出アプローチに依存する。低い信号対雑音比(SNR)環境では、検出結果はしばしば信頼できず、結果として誤検出及び/又は誤警報をもたらすので、これは無線センサの主要な欠点である。

したがって、無線マイクロフォン信号を検出するための効率的な無線センサを提供することは有利である。

本発明の特定の実施の形態は、無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサを含む。この無線センサは、入力信号を周波数領域信号に変換するための高速フーリエ変換(FFT)モジュール、FFTモジュールの出力信号を累算するためのアキュムレータ、及び、アキュムレータの出力信号を事前に決められた閾値と比較して、比較結果に基づいてマイクロフォン信号の存在又は不在を示すメッセージを生成するための決定ユニットを有する。

本発明の特定の実施の形態は、無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサを含む。この無線センサは、入力信号を周波数領域信号に変換するための高速フーリエ変換(FFT)モジュール、FFTモジュールの出力信号をフィルタリングするための周波数領域フィルタ、周波数領域フィルタの出力信号を累算するためのアキュムレータ、及び、アキュムレータの出力信号を事前に決められた閾値と比較して、比較結果に基づいてマイクロフォン信号の存在又は不在を示すメッセージを生成するための決定ユニットを有する。

本発明の特定の実施の形態は、無線マイクロフォン信号を検出するための方法を含む。この方法は、第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つチャネル周波数帯域中の周波数ビンの数を決定するために入力信号を処理し、ビンの前記数がゼロより大きい場合、第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ周波数ビンの位置を特定し、第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを有する周波数ビンごとに、周波数ビンの狭い周波数帯域中の信号を処理し、第２の事前に決められた閾値を上回る前記狭い周波数帯域中の信号ピークの数を決定し、信号ピークの数に基づいてマイクロフォン信号の存在又は不在を示すメッセージを生成する。

本発明の特定の実施の形態は、コンピュータによって実行されたときに無線マイクロフォン信号を検出するためのコンピュータ実行可能コードをその上に記憶したコンピュータ読取可能媒体を含む。このコンピュータ実行可能コードは、第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つチャネル周波数帯域中の周波数ビンの数を決定するために入力信号を処理し、ビンの前記数がゼロより大きい場合、第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ周波数ビンの位置を特定し、第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを有する周波数ビンごとに、周波数ビンの狭い周波数帯域中の信号を処理し、第２の事前に決められた閾値を上回る前記狭い周波数帯域中の信号ピークの数を決定し、信号ピークの数に基づいてマイクロフォン信号の存在又は不在を示すメッセージを生成する動作をコンピュータに実行させる。

本発明とみなされる主題は、詳細に指摘されて、請求の範囲において明確に請求される。本発明の上記の及び他の特徴並びに効果は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の一実施例によって実現される無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサのブロック図。 図1に示される無線センサによって出力される信号を示す例示的なグラフ。 本発明の他の実施の形態によって構成される無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサのブロック図。 図3に示される無線センサによってフィルタリングされなかった信号を示す図。 図3に示される無線センサによってフィルタリングされた信号を示す図。 本発明の実施の形態によって実現される二段階信号検出の方法を説明するフローチャート。 図5に説明される方法の動作を例示するグラフ。 図5に説明される方法の動作を例示するグラフ。

本発明によって開示される実施の形態は、本願明細書における革新的な教示の多くの有利な用途の単なる一例であることに留意することが重要である。一般に、本出願の明細書においてなされる記述は、必ずしもさまざまな請求された発明のいずれをも制限するというわけではない。さらに、いくつかの記述は、いくつかの発明の機構には当てはまるが他の機構には当てはまらない場合がある。一般に、別途示されない限り、単数形の要素は、一般性を失うことなく、複数であることができ、そして逆もまた同じである。図面において、同様の符合は、いくつかの図を通して、同様の部分を指す。

図1は、本発明の一実施例によって実現される無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサ100の非制限的かつ例示的なブロック図を示す。無線センサ100は、RFフロントエンド110、アナログ-デジタル(ADC)変換器120、高速フーリエ変換(FFT)モジュール130、アキュムレータ140及び決定ユニット150を有する。無線センサ100は、周波数領域で実行されるエネルギー検出に基づく。特に、RFフロントエンド110は、関連するチャネルの6MHzの周波数帯域のみ(すなわち、一つのTVチャネル)を通過させるために、バンドパスフィルタ(図示せず)を使用する。そして、所望のチャネル中の信号は、中間周波数(IF)又はDC(zero-IF)にダウンコンバートされる。ダウンコンバートされた信号は、それから、ADC120によってデジタル化されて、FFTモジュール130に入力される。

FFTモジュール130は、前FFT処理を行い、前処理された信号をフーリエ変換演算を用いて周波数領域へ変換するタスクを実行する。前FFT処理タスクは、入力デジタル信号をDC信号にダウンシフトし、約6MHzの帯域幅を有するローパスフィルタを適用し、そしてフィルタ処理された信号をダウンサンプリングすることを含む。FFTモジュール130のサイズ(すなわち、変換されるデータポイントの総数)は、周波数分解能及び計算要件に応じて変化することができる。好ましい実施の形態において、200 KHzより大幅に小さいビン間隔を有する2048ポイントのFFTモジュールが利用される。FFTモジュール130の出力は、それからアキュムレータ140によって処理されて、アキュムレータ140は、例えば、以下の式を用いてFFTモジュール130の出力を累算する。

ここで、S_k,n及びY_k,nはそれぞれ、入力ブロックnのビンkに対するアキュムレータ140及びFFTモジュール130の出力を表す。N_FFTはFFTサイズを表す。無線マイクロフォン信号の存在下におけるアキュムレータ140の出力を示す例示的なグラフが図2に示される。出力は2048のビンを含み、210としてラベル付けされたビンの集合体は、無線マイクロフォン信号のそれに対応する。

アキュムレータ140の出力S_k,nは、無線マイクロフォン信号の有無を決定するために決定ユニット150を用いて事前に決められた閾値と比較される。値_Sk,nが少なくとも１つのbin(k)に対して事前に決められた閾値を上回っている場合、「信号存在」メッセージが生成され、さもなければ、信号不在メッセージが生成される。

無線マイクロフォン信号の実際の帯域幅は、マイクロフォンに入力されるオーディオ信号に依存することに留意する必要がある。したがって、送信される信号帯域幅は、数キロヘルツから最大で200KHzにわたる。結果として、アキュムレータ140の出力は、残りのビンより高いパワーレベルを持つ可変の個数のビンを含む。したがって、(オーディオ信号にかかわらず)それぞれの無線マイクロフォン信号を検出するために、全てのビンレベルが、事前に決められた閾値と比較される。少なくとも１つのビンレベルが閾値より高い場合、信号存在メッセージがアサートされる。閾値は、所望の検出確率及び誤警報レートの確率を満たすように、シミュレートされた及び/又は現実の信号を用いた統計分析から予め定められている。

図3は、本発明の他の実施の形態によって実現される無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサ300の非制限的かつ例示的なブロック図を示す。無線センサ300は、RFフロントエンド310、アナログ-デジタル(ADC)変換器320、FFTモジュール330、アキュムレータ350及び決定ユニット360を有する。これらのコンポーネントは、上述の同等なコンポーネントと同様な機能を持つ。無線センサ300は、周波数領域フィルタリングを使用した周波数領域で実行されるエネルギー検出に基づく。この特徴は、ノイズの多い環境において、高い確率で、そして低い誤警報レートで、無線マイクロフォン信号を検出することを可能にする。図4Aは、SNRが-25dBである場合の(周波数領域への変換後の)入力信号を示す。気がつくように、410及び420としてラベル付けされるビンの２つの集合体が存在し、これらのビンレベルは、残りのビンレベルより高い。集合体410はマイクロフォン信号に対応し、他の集合体420は雑音成分に起因する。雑音成分が閾値を上回る場合、誤検出が発生する可能性がある。

本発明の特定の原理によれば、誤警報レートを低減するために、周波数領域フィルタ340が、FFTモジュール330の出力をフィルタリングすることによって疑似雑音の影響を低減するために利用される。特に、周波数ビンごとに、周波数領域フィルタ340は、現在のビン、(それらが存在するならば)現在のビンの直前に先行する'M'個のビン及び現在のビンの直後に続く'M'個のビンの加重和を計算する。重みは、フィルタ係数H_m,nによって決定される。周波数領域フィルタ340の動作は、例えば以下の式を用いて記述されることができる。

ここでX_k,nは、ビン'k'(k≦NFFT)及び入力ブロック'n'に対するフィルタ340の出力である。パラメータH_m,nはフィルタ係数を表す。値Y_k,nは、FFTモジュール330の出力である。周波数領域フィルタ340は静的であり(すなわちその係数は時間から独立している)、そしてその長さは2M+1である。すなわち、2M+1個のサンプルが各々の出力データポイントX_k,nを計算するために使用される。他の実施例において、周波数領域フィルタ340は、アキュムレータ350の出力に接続されることができる。図4Bは、周波数領域フィルタ340の処理後のアキュムレータ350の出力を示す。入力信号は、図4Aに示された信号をシミュレートするために使用された信号と同じ信号である。気がつくように、ここでは雑音成分が除去されて、結果として、検出の確率に著しく影響を与えずに、誤警報の確率が低減される。マイクロフォン信号が不在のときであっても、雑音成分が存在する可能性がある点に留意する必要がある。そのような場合において、無線センサ300は、雑音成分を無線マイクロフォン信号として識別しない。

図5は、本発明の実施の形態によって実現されるマイクロフォン信号を検出するための方法を説明する非制限的かつ例示的なフローチャート500を示す。この方法は、二段階検出を実行することによって、誤警報レートを低減する。

S510において、入力信号は、マイクロフォン信号を検出するために処理される。この信号処理は、上記で詳細に説明された無線センサ100又は300を使用して実行されることができる。S520において、ステップS510の出力は、事前に決められた閾値を上回るビンの数を決定するために分析される。閾値を上回るビンの数は、以下のように計算されることができる。

ここで、

である。

S530において、カウント'L'が0より大きいかを決定するためにチェックが行われ、大きい場合には、処理はS540に続き、さもなければ、実行はS595へ進み、'信号不在'メッセージがアサートされ、そして実行は終了する。S540において、事前に決められた閾値を上回るビンの位置が決定される。それぞれのビン番号による位置はテーブルにセーブされ、第１のエントリーがより低い帯域端により近いビンを含む。S550において、(第１のビンから始まる)テーブルからのビン位置が選択される。S560において、入力信号は、200KHzバンドパスフィルタを用いてフィルタリングされ、ここでフィルタの中心周波数は、選択されたビンの周波数によって設定される。S565において、テーブルは、選択されたビンの200KHz帯域中に含まれていた全てのビンを取り除くように更新される。S570において、バンドパスフィルタの出力は、DCにダウンコンバートされ、ダウンサンプリングされ、FFT演算を用いて周波数領域信号に変換されて、上で詳細に説明されたように累算される。好ましい実施の形態において、FFTのサイズは256である。S575において、累算結果'S'は、事前に決められた閾値を上回るピークの数'P'を決定するために、この閾値と比較される。S580において、ピークの数'P'がL_peakの値より大きいかが決定される(L_peakは事前に決められた値)。大きいならば、S590において、'信号存在'メッセージが生成されて実行は終了し、さもなければ、実行はS585によって継続し、ここで、S540において見つかった全てのビンの位置が処理されたか、すなわちテーブルが空であるかを決定するためのもう１つのチェックが行われる。処理された場合、実行はS595によって継続し、さもなければ、処理はS550に戻り、処理されるべき他のビンがテーブルから選択される。

一例として、図6A及び6Bは、それぞれ入力無線マイクロフォン信号610及びトーン信号620による検出方法500の出力を示す。観察されるように、２つの信号は異なるパターンを示す。２のL_peak値に対して、無線マイクロフォン信号610は検出されることができるが、トーン信号620は、一つのピークしか含まないので、検出されない。トーン信号を検出しないことによって、誤警報レートが著しく低減されることができることが認識される。

上述の詳細な説明は、本発明が採ることができる多くの形態のうちのいくつかを記載した。上述の詳細な説明は、本発明の定義の限定としてではなく、本発明が採ることができる選択された形態の説明として理解されることが意図される。本発明の範囲を定義することが意図されるのは、全ての均等物を含む請求の範囲のみである。

好ましくは、本発明の原理は、任意のタイプの狭帯域信号を検出するように適応されることができる。最も好ましくは、本発明の原理は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア又はそれらの組み合わせで実現される。さらに、ハードウェアは、デジタル回路、アナログ回路又はそれらの組み合わせであることができる。さらに、ソフトウェアは、プログラム記憶ユニット又は計算機可読媒体上で明らかに実施されるアプリケーションプログラムとして、好ましくは実現される。アプリケーションプログラムは、任意の適切なアーキテクチャから成るマシンにアップロードされて、それによって実行されることができる。好ましくは、このマシンは、一つ以上の中央処理ユニット(CPU)、メモリ及び入出力インタフェースのようなハードウェアを有するコンピュータプラットフォームで実現される。コンピュータプラットフォームはさらに、オペレーティングシステム及びマイクロ命令コードを含むことができる。本願明細書において説明されるさまざまなプロセス及び機能は、マイクロ命令コードの一部、アプリケーションプログラムの一部又はそれらの任意の組み合わせであることができ、そのようなコンピュータ又はプロセッサが明示的に示されていてもいなくても、CPUによって実行されることができる。加えて、さまざまな他の周辺ユニットがコンピュータプラットフォームに接続されることができる(例えば付属データ記憶ユニット及び印刷ユニット)。

Claims (7)

1. 無線マイクロフォン信号を検出するための方法であって、
   第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つチャネル周波数帯域中の周波数ビンの数を決定するためにフーリエ変換演算を用いて入力信号を周波数領域へ変換し、
   ビンの前記数がゼロより大きい場合に、前記第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ前記周波数ビンの位置を特定し、
   前記第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ周波数ビンが前記チャネル周波数帯域中に存在しない場合に信号不在メッセージを生成し、
   前記第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ周波数ビンに対して、無線マイクロフォン信号の帯域幅に対応する帯域幅、及び、該当する周波数ビンの中心周波数に設定された中心周波数を持つバンドパスフィルタにより前記入力信号をフィルタリングし、
   前記バンドパスフィルタの帯域幅内における第２の事前に決められた閾値を上回る信号ピークを有する周波数ビンの数を決定するために、フーリエ変換演算を用いて前記バンドパスフィルタの出力信号を周波数領域に変換し、
   前記第２の事前に決められた閾値を上回る信号ピークを有する周波数ビンの前記数が少なくとも２つあるか否かに基づいて無線マイクロフォン信号の存在又は不在を示すメッセージを生成する、方法。
2. 前記入力信号が、それぞれの周波数ビンのためのそれぞれのFFT出力信号を取得するためにFFT演算を用いて周波数領域に変換され、
   それぞれのFFT出力信号が、それぞれの周波数ビンのためのそれぞれの累算FFT出力信号を取得するために周波数ビン毎に累算され、
   前記それぞれの累算FFT出力信号が、前記第１の事前に決められた閾値と比較される、請求項１に記載の方法。
3. 前記入力信号が、それぞれの周波数ビンのためのそれぞれのFFT出力信号を取得するためにFFT演算を用いて周波数領域に変換され、
   それぞれのFFT出力信号が、それぞれの周波数ビンのための周波数領域フィルタリングされたFFT出力信号を取得するために、周波数領域でフィルタリングされ、
   周波数領域でフィルタリングされたそれぞれのFFT出力信号が、それぞれの周波数ビンのためのそれぞれの累算FFT出力信号を取得するために周波数ビン毎に累算され、
   前記それぞれの累算FFT出力信号が、前記第１の事前に決められた閾値と比較される、請求項１に記載の方法。
4. 前記入力信号が、それぞれの周波数ビンのためのそれぞれのFFT出力信号を取得するためにFFT演算を用いて周波数領域に変換され、
   前記それぞれのFFT出力信号が、それぞれの周波数ビンのためのそれぞれの累算FFT出力信号を取得するために周波数ビン毎に累算され、
   前記それぞれの累算FFT出力信号が、それぞれの周波数ビンのための周波数領域フィルタリングされた累算FFT出力信号を取得するために、周波数領域でフィルタリングされ、
   前記それぞれの周波数領域でフィルタリングされた累算FFT出力信号が、前記第１の事前に決められた閾値と比較される、請求項１に記載の方法。
5. 前記チャネル周波数帯域が6MHzであり、前記狭い周波数帯域が200kHzである、請求項１に記載の方法。
6. コンピュータで実行されると、当該コンピュータに、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の方法を実行させるコンピュータプログラム。
7. 無線マイクロフォン信号を検出するための無線センサであって、
   第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つチャネル周波数帯域中の周波数ビンの数を決定するためにフーリエ変換演算を用いて入力信号を周波数領域へ変換するための手段、
   ビンの前記数がゼロより大きい場合に、前記第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ前記周波数ビンの位置を特定するための手段、
   前記第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ周波数ビンが前記チャネル周波数帯域中に存在しない場合に信号不在メッセージを生成するための手段、
   前記第１の事前に決められた閾値を上回るエネルギーレベルを持つ周波数ビンに対して、無線マイクロフォン信号の帯域幅に対応する帯域幅、及び、該当する周波数ビンの中心周波数に設定された中心周波数を持つバンドパスフィルタにより前記入力信号をフィルタリングするための手段、
   前記バンドパスフィルタの帯域幅内における第２の事前に決められた閾値を上回る信号ピークを有する周波数ビンの数を決定するために、フーリエ変換演算を用いて前記バンドパスフィルタの出力信号を周波数領域に変換するための手段、
   前記第２の事前に決められた閾値を上回る信号ピークを有する周波数ビンの前記数が少なくとも２つあるか否かに基づいて無線マイクロフォン信号の存在又は不在を示すメッセージを生成するための手段、
   を有する無線センサ。

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