KR101327959B1 - 방송 신호 검출 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방송 신호 검출 장치 및 방법에 대하여 개시한다. 본 발명의 일면에 따른 신호 검출 장치는, FM 신호 또는 DRM+(Digital Radio Mondiale Plus) 신호인 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후 정규화한, 참조신호를 출력하는 참조신호 생성기; 및 상기 참조신호의 최대값을 검출하고 상기 참조신호의 최대값이 기설정된 임계치를 초과하면, 상기 수신신호가 상기 FM 신호라고 판정하는 판별기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

방송 신호 검출 장치 및 방법{Appratus and Method for Detecting Broadcasting Signal}
본 발명은 디지털 방송 수신기에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 하이브리드 방송 모드에서 원하는 방송 신호를 검출할 수 있는 방송 신호 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 음성 중심의 아날로그 라디오 방송과 비교할 때, 디지털 라디오 방송은 고품질의 스테레오 오디오 서비스 이외에도, 텍스트메시지, 슬라이드 쇼, 교통정보 및 저널 등 다양한 데이터 서비스를 제공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 디지털 라디오 방송은 동일한 범위의 서비스 제공시 송출 전력을 크게 줄일 수 있어, 여러 국가에서 아날로그 라디오 방송의 디지털 전환을 준비하고 있다.
OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 DRM(Digital Radio Mondiale) Plus 시스템은 Band I~II 대역(47MHz~174MHz)의 디지털 라디오 규격이며, 대역폭 100kHz에서 최대 185kbps의 데이터 전송률을 지원한다. 따라서, 많은 국가들은 아날로그 FM 방송을 대체할 디지털 라디오 방송으로 DRM Plus를 고려하고 있다.
그런데, 아날로그 방송을 디지털 방송으로 완전 전환(ASO: Analogue Switch Off)하려면 청취자의 준비에 어느 정도 시간이 소요되므로, 방송사들은 도 1과 같이 아날로그 FM 방송과 DRM Plus 방송을 병행하는 하이브리드(Hybrid) 방송을 계획하고 있다.
하이브리드 방송에서, DRM Plus 방송 수신기 또는 FM 방송 수신기는 채널에 대한 사전 정보 없이, 아날로그 FM 신호와 DRM Plus 신호를 구분할 필요가 있다.
그런데, 스트리밍 기반의 방송 시스템은 패킷 기반의 버스트 데이터 전송 시스템처럼 고정된 훈련 심벌이 존재하지 않아, 가드인터벌(Guard-Interval) 상관을 이용하여 송신 신호를 검출하고 있다. 즉, 종래의 방송 시스템은 수신신호를 가드인터벌 상관 연산한 결과가 특정 임계값보다 큰지를 비교하여 특정 임계값보다 큰 신호를 검출하였다.
그런데, DRM Plus 방송 수신기가 어떤 방송 신호가 수신되는지 알 수 없는 상황에서, 가드인터벌 상관을 통해 DRM Plus 신호를 검출하면, 신호 검출 확률이 낮았고, 신호를 잘못 인지함에 따라 실패 알람(False Alram)이 발생할 확률이 높았다.
본 발명은 전술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산하여 정규화한, 참조신호를 이용하여 하이브리드 방송 모드에서 DRM+ 방송 신호와 FM 방송 신호를 구분할 수 있는 방송 신호 검출 장치 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 일면에 따른 방송 신호 검출 장치는, FM 신호 또는 DRM+(Digital Radio Mondiale Plus) 신호인 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후 정규화한, 참조신호를 출력하는 참조신호 생성기; 및 상기 참조신호의 최대값을 검출하고 상기 참조신호의 최대값이 기설정된 임계치를 초과하면, 상기 수신신호가 상기 FM 신호라고 판정하는 판별기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 면에 따른 방송 수신기의 신호 검출 방법은, FM 신호 또는 DRM+(Digital Radio Mondiale Plus) 신호인 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후 정규화함에 따라 산출된 참조신호의 최대값을 검출하는 단계; 상기 참조신호의 최대값이 기설정된 임계치 이하이면, 상기 수신신호를 가드인터벌(Guard-Interval) 상관 연산한 후 정규화하여 산출된 상관신호의 최대값이 상기 임계치를 초과하는지를 확인하는 단계; 및 상기 상관신호의 최대값이 상기 임계치를 초과하면, 상기 수신신호가 DRM+ 신호라고 판정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, OFDM 심벌의 특성을 고려한 상관 연산을 수행하여 하이브리드 방송되는 아날로그 FM 신호와 DRM Plus 신호를 용이하게 구분할 수 있으며, 종래의 가드인터벌 상관방법에 비해 신호 검출 확률을 높일 수 있으며, 실패 알람 발생 확률은 낮출 수 있다.
이러한, 본 발명은 종래의 가드인터벌 상관기에 FM 신호와 DRM Plus 방송을 구분하기 위한 연산 블록을 추가하고, 소프트웨어 일부를 변경에 따라 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 DRM Plus 방송 수신기뿐만 아니라, FM 방송 수신기에도 적용되어 FM 방송 수신기가 하이브리드 방송에서 FM 방송 신호를 추출하도록 지원할 수 있다.
도 1은 FM 방송 및 DRM+ 방송의 주파수 대역을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 DRM Plus 신호 검출 장치를 도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 DRM Plus 신호 검출 방법을 도시한 흐름도.
도 4는 잡음만 수신된 경우, 본 발명의 신호 검출 방법의 실패 알람 발생 확률을 도시한 그래프.
도 5a 및 5b는 FM 신호가 수신된 경우, 본 발명의 신호 검출 방법의 채널환경에 따른 실패 알람 발생 빈도를 도시한 그래프.
도 6a 및 6b는 DRM+ 신호가 수신된 경우, 본 발명의 신호 검출 방법의 채널 환경에 따른 검출 확률을 도시한 그래프.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
이제 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 DRM Plus 신호 검출 장치를 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 DRM Plus 신호 검출 장치(10)는 가드인터벌 상관기(110), 참조신호 생성기(120) 및 신호 판별기(130)를 포함한다.
가드인터벌 상관기(110)는 수신신호 r[m]를 입력받아 가드인터벌 상관 연산하고, 가드인터벌 상관된 결과를 정규화 계수로 제산하여 그 크기가 일정 범위로 제한된 D[n]를 출력한다.
먼저, 가드인터벌 상관기(110)는 수신신호 r[m]과 r[m]을 N만큼 지연한 수신신호 r[m+N]의 각 심벌을 하기의 수학식 1과 같이 가드인터벌 상관 연산한다.
Figure 112011104072516-pat00001
여기서, NG는 가드인터벌의 샘플 수, N은 DRM Plus의 FFT 크기, SMaxDelay는 최대 경로 지연에 포함된 샘플 수이다.
가드인터벌 상관기(110)는 잡음 및 시변 채널환경에서 신호 검출 확률을 높이기 위하여 가드인터벌 상관된 신호를 하기의 수학식 2와 같이 Nsearch(관찰 심벌 수) 심벌 동안 평균을 취한다.
Figure 112011104072516-pat00002
여기서, NS(=N+NG)는 하나의 DRM Plus 심벌의 샘플 개수이며, l은 DRM Plus 심벌의 계수이고, Nsearch는 관찰 심벌의 수이다.
이때, P[n]은 시변 채널환경에서 변화가 크므로, 정규화하여 그 크기를 일정 범위로 제한할 필요가 있다. 이를 위하여, 가드인터벌 상관기(110)는 하기의 수학식 3에 의해 P[n]의 크기를 일정 범위로 제한하기 위한 정규화 계수를 산출한다. 이때, 정규화 계수는 하기의 수학식 3과 같이 수신신호의 평균 전력을 이용하여 산출될 수 있다.
Figure 112011104072516-pat00003
Figure 112011104072516-pat00004
가드인터벌 상관기(110)는 하기의 수학식 4와 같이 Nsearch 심벌 동안의 평균 P[n]을 정규화 계수 C[n]으로 제산하여 D[n]을 출력한다.
Figure 112011104072516-pat00005
참조신호 생성기(120)는 하기의 수학식 5와 같이, 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후, 관찰 심벌 주기 동안 평균을 취하여 PREF[n] 신호를 산출한다.
Figure 112011104072516-pat00006
여기서,
Figure 112011104072516-pat00007
이다.
참조신호 생성기(120)는 하기의 수학식 6과 같이 PREF[n] 신호를 수신신호의 전력 값으로 나누어 정규화함에 따라, 참조신호 DREF[n]을 생성한다.
Figure 112011104072516-pat00008
Figure 112011104072516-pat00009
Figure 112011104072516-pat00010
이하, 참조신호 생성기(120)에 DRM Plus 신호가 입력될 경우와 FM 신호가 입력될 경우 참조신호 생성기(120)에서 출력되는 참조신호에 대하여 살펴본다.
<< 수신신호의 종류에 대응하는 참조신호의 형태 >>
먼저, 수신신호 r[m]이 DRM Plus 신호이면, 참조신호 DREF[n]은 0이 된다.
즉, 중심 극한 정리(Central Limit Theorem)에 의하여 FFT 크기가 클수록, 시간 영역의 OFDM 신호는 복소 가우시안 특성을 띠므로, r[m]=rDRM +[m]일 때 관찰 심벌 주기가 충분히 크다면,
Figure 112011104072516-pat00011
이므로
Figure 112011104072516-pat00012
이 되고, 결국 상기 수학식 6에 의해 연산되는
Figure 112011104072516-pat00013
이 된다.
반면, 수신신호 r[m]이 아날로그 FM 신호 sFM[m]이면, 참조신호 생성기(120)에 의해 연산된 현재 샘플과 이전 샘플의 상관 결과는 하기의 수학식 7과 같다. 이때, 아날로그 FM 신호 sFM[m]의 특성을 분석하기 위하여 수학식 7은 Flat-Fading 채널환경과 Ns 샘플 동안 채널 변화가 없다고 가정하여 정리되었다.
여기서,
Figure 112011104072516-pat00015
은 아날로그 FM의 베이스밴드 신호이며, AFM는 FM 신호의 전력, φFM[m]은 FM 인스턴스(instance)로서, 주파수 감도(Frequency Sensitivity) kFM, FM 방송의 메시지 신호 M[m]와
Figure 112011104072516-pat00016
의 관계에 있으며, Π[m, N]는 m+1 샘플부터 N 샘플의 합
Figure 112011104072516-pat00017
이다.
Nsearch가 충분히 크다고 가정하면, OFDM 신호와 달리 시간 영역의 FM 신호는 지연정도(lag)가 작을수록 큰 상관값을 가지므로, 이를 고려하면 참조신호 생성기(120)의 연산결과, FM 신호에 대응하는 참조신호는 하기의 수학식 8과 같이 산출될 수 있다.
Figure 112011104072516-pat00018
수학식 8의 DREF[n]은 NG 샘플 동안 2πkＦＭΠ[m, N]의 위상 변화에 따라 하기의 수학식 9와 같이 일정 범위 내의 값이다. 여기서, σ2는 수신신호의 분산이고, |E[·]|2는 [·]의 에너지값이다.
Figure 112011104072516-pat00019
또한, FM 신호 수신시, 참조신호 생성기(120)의 위상 변화 속도가 가드인터벌 상관기(110)의 위상 변화의 속도보다 더 작으므로, DRM Plus 신호 수신시, 참조신호
Figure 112011104072516-pat00020
는 하기의 수학식 10과 같이 FM 신호 수신시, 참조신호
Figure 112011104072516-pat00021
보다 큰 값을 갖는다.
Figure 112011104072516-pat00022
이 같이, 참조신호 생성기(120)는 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관연산하므로, 수신신호가 DRM Plus 신호(OFDM 신호)이면 거의 0에 가까운 값을 출력하며, FM 신호를 수신하면 큰 값을 출력한다.
신호 판별기(130)는 참조신호 생성기(120)의 출력이 기설정된 임계치(Threshold)를 초과하면 수신신호가 FM 신호라고 판정하고, 임계치 이하이면 수신신호는 FM 신호가 아니고, DRM Plus 신호일 가능성이 있다고 판정한다. 즉, 신호 판별기(130)는 참조신호 생성기(120)의 출력, 참조신호의 최대값을 검출하고, 참조신호의 최대값이 임계치를 초과하면, 수신신호 r[m]이 FM 신호라고 판정한다.
신호 판별기(130)는 수신신호가 DRM Plus 신호일 가능성이 있다고 판정하면, 가드인터벌 상관기(110)의 출력 D[n]을 이용하여 수신된 DRM Plus 신호를 검출한다.
즉, 신호 판별기(130)는 D[n] 중에서 최대값이 임계치를 초과하면, 수신신호 r[m]이 DRM Plus 신호라고 판정한다. 이때, 신호 판별기(130)는 수신신호 r[m]이 임계치보다 작으면, 수신신호는 잡음이라고 판정한다.
한편, 도 2의 참조신호 생성기(120) 및 신호 판별기(130)는 FM 방송 수신기에 적용되어, 하이브리드 방송으로부터 FM 신호를 추출하는데 이용될 수도 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 DRM Plus 신호 검출 방법에 대하여 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 DRM Plus 신호 검출 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 신호 판별기(130)는 가드인터벌 상관 및 정규화하여 산출된 상관신호 D[n]및 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 및 정규화하여 산출된 참조신호 DREF[n]를 입력받는다(S310).
신호 판별기(130)는 입력된 참조신호 DREF[n] 중에서 최대값 DREF을 검출한다(S320).
신호 판별기(130)는 참조신호의 최대값 DREF가 임계치를 초과하는지 여부를 확인한다(S330).
신호 판별기(130)는 참조신호의 최대값 DREF가 임계치를 초과하면, 수신신호가 FM 신호라고 판정한다(S340). 이때, 신호 판별기(130) 또는 다른 구성요소는 FM 신호를 기설정된 방식으로 복조하여 스피커를 통해 재생한다.
신호 판별기(130)는 참조신호의 최대값 DREF가 임계치 이하이면, 수신신호가 DRM Plus 신호일 가능성이 있다고 판정하고, 상관신호 D[n]의 최대값 D를 산출한다(S350).
신호 판별기(130)는 상관신호의 최대값이 임계치를 초과하는지 여부를 확인한다(S360).
신호 판별기(130)는 상관신호의 최대값이 임계치를 초과하면, 수신신호가 DRM Plus 신호라고 판정한다(S370). 그러면, 신호 판별기(130) 또는 다른 구성요소가 DRM Plus 신호를 기설정된 방식으로 복호화하여 스피커를 통해 재생한다.
신호 판별기(130)는 상관신호의 최대값이 임계치 이하이면, 잡음이 수신되었다(No Signal)고 판정한다(S380).
이하, 도 4 내지 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 방송 신호 검출 방법의 성능에 대하여 살펴본다.
<<잡음만 수신된 경우>>
도 4는 잡음만 수신된 경우, 본 발명의 신호 검출 방법의 잡음 전력에 대비한 실패 알람 발생 확률을 도시한 그래프이다. 도 4는 관찰 심벌 수가 20 심벌 및 40 심벌인 경우, 임계치는 0.2, 0.3, 0.4인 경우를 도시한 것이다.
도 4와 같이 잡음만 수신된 경우, 관찰 심벌 수에 비교하여 실패 알람 발생 확률은 크게 차이는 없지만, 임계치가 증가할수록 실패 알람 발생 확률이 낮아지는 것을 알 수 있다.
<< FM 신호가 수신된 경우>>
도 5a 및 5b는 FM 신호가 수신된 경우 본 발명의 신호 검출 방법의 채널환경에 따른 실패 알람 발생 빈도를 도시한 그래프이다. 여기서, FM 신호는 1kHz 싱글 톤 FM 신호이며, 도 5a는 Nsearch(Search Symbol Duration)=20인 경우, 도 5b는 Nsearch=40인 경우이다.
도 5a의 Urban 채널환경에서 SNR이 6dB인 경우와 같이, 종래의 가드인터벌 상관방법은 약 9.7%의 실패 알람이 발생하지만, 본 발명의 신호 검출 방법은 1.8%의 실패 알람이 발생하여 본 발명의 가드인터벌 상관방법이 종래의 가드인터벌 상관방법에 비해서 실패 알람 발생 빈도가 낮은 것을 확인할 수 있다.
도 5b에서, 본 발명의 신호 검출 방법은 관찰 심벌 수가 20에서 40으로 늘어나면, 실패 알람 발생 빈도는 다소 감소하는 것을 알 수 있다.
<< DRM + 신호가 수신된 경우 >>
도 6a 및 6b는 DRM+ 신호가 수신된 경우, 본 발명의 신호 검출 방법의 채널 환경에 따른 검출 확률을 도시한 그래프이다. 도 6a는 Nsearch=20, 도 6b는 Nsearch=40인 경우다.
도 6a 및 6b에서, 본 발명의 신호 검출 방법은 고려된 모든 채널의 SNR 0.5dB에서 검출 확률 95% 정도를 만족하며, 종래의 가드인터벌 상관방법에 비해 적어도 0.1~0.5dB 성능이 우수한 것을 알 수 있다. 또한, 종래의 가드인터벌 상관방법과 마찬가지로 본 발명의 신호 검출 방법도 관찰 심벌 수가 커질수록 검출 확률이 향상되는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 OFDM 심벌의 특성을 고려한 상관 연산을 수행하여 하이브리드 방송되는 아날로그 FM 신호와 DRM Plus 신호를 용이하게 구분할 수 있으며, 종래의 가드인터벌 상관방법에 비해 신호 검출 확률을 높일 수 있으며, 실패 알람 발생 확률은 낮출 수 있다.
이러한, 본 발명은 종래의 가드인터벌 상관기에 FM 신호와 DRM Plus 방송을 구분하기 위한 연산 블록을 추가하고, 소프트웨어 일부를 변경에 따라 용이하게 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 DRM Plus 방송 수신기뿐만 아니라, FM 방송 수신기에도 적용되어 FM 방송 수신기가 하이브리드 방송에서 FM 방송 신호를 추출하도록 지원할 수 있다.
본 발명의 구성에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 물론이다. 따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 국한되어서는 아니되며 이하의 특허청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (8)

  1. FM 신호 또는 DRM+(Digital Radio Mondiale Plus) 신호인 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후 정규화한, 참조신호를 출력하는 참조신호 생성기; 및
    상기 참조신호의 최대값을 검출하고 상기 참조신호의 최대값이 기설정된 임계치를 초과하면, 상기 수신신호가 상기 FM 신호라고 판정하는 판별기
    를 포함하는 신호 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 참조신호 생성기는,
    상기 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후 기설정된 관찰 심벌 주기 동안의 평균을 취하고, 상기 현재 샘플과 상기 이전 샘플의 평균전력을 이용하여 상기 관찰 심벌 주기 동안의 평균을 정규화하여 상기 참조신호를 생성하는 것인 신호 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 판별기는,
    상기 참조신호의 최대값이 상기 임계치 이하이면, 상기 수신신호가 상기 DRM+ 신호일 가능성이 있다고 판정하는 것인 신호 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수신신호를 가드인터벌(Guard-Interval) 상관 연산한 후 정규화하여 상관신호를 출력하는 가드인터벌 상관기를 더 포함하고,
    상기 판별기는, 상기 참조신호의 최대값이 상기 임계치 이하이면, 상기 상관신호의 최대값을 검출하고, 상기 상관신호의 최대값이 상기 임계치를 초과하는지를 비교하여 초과하면, 상기 수신신호가 상기 DRM+ 신호라고 판정하는 것인 신호 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 판별기는,
    상기 상관신호의 최대값이 상기 임계치 이하이면, 상기 수신신호가 잡음이라고 판정하는 것인 신호 검출 장치.
  6. 방송 수신기의 신호 검출 방법으로서,
    FM 신호 또는 DRM+(Digital Radio Mondiale Plus) 신호인 수신신호의 현재 샘플과 이전 샘플을 상관 연산한 후 정규화함에 따라 산출된 참조신호의 최대값을 검출하는 단계;
    상기 참조신호의 최대값이 기설정된 임계치 이하이면, 상기 수신신호를 가드인터벌(Guard-Interval) 상관 연산한 후 정규화하여 산출된 상관신호의 최대값이 상기 임계치를 초과하는지를 확인하는 단계; 및
    상기 상관신호의 최대값이 상기 임계치를 초과하면, 상기 수신신호가 DRM+ 신호라고 판정하는 단계
    를 포함하는 신호 검출 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 확인하는 단계는,
    상기 참조신호의 최대값이 상기 임계치를 초과하면, 상기 수신신호가 FM 신호라고 판정하는 단계
    를 포함하는 것인 신호 검출 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 상관신호의 최대값이 상기 임계치 이하이면, 상기 수신신호가 잡음이라고 판정하는 단계
    를 더 포함하는 신호 검출 방법.

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