TWI499250B - 地面／手持式數位視訊廣播傳輸之強固感測 - Google Patents

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Description

地面/手持式數位視訊廣播傳輸之強固感測
本發明大體上係關於一感知無線電(Cognitive Radio；CR)網路中之若干裝置，且更特定言之，本發明係關於一種感測數位視訊廣播(DVB)傳輸之方法及系統。
本申請案主張2009年5月14日美國臨時申請案第61/178,231號之權利。
監管機構採用的新頻譜政策展望未經授權次要裝置在經指定給經授權操作的頻帶中之操作。次要裝置僅可操作於頻帶為空的或未被一主要裝置使用時。此暗示當一主要裝置開始傳輸時，次要裝置必須空出頻帶以便最小化次要裝置將對主要裝置造成之干擾量。歸因於次要裝置之感測環境且因此調適之能力，次要裝置亦稱為感知無線電(CR)。分配給電視廣播的UHF(超高頻)頻帶係容許感知無線電裝置之操作之一理想候選。
在美國，為了避免對鄰近市場及/或傳輸之廣播之干擾或來自鄰近市場及/或傳輸之廣播之干擾，在任何給定地理位置僅可使用一些電視頻帶。因此，剩餘電視頻帶大部分未被使用且因此可用於其他用途(諸如家庭網路連結等等)。其他監管領域亦具有類似之電視頻道分配。
為避免舉例而言藉由感知無線電裝置對數位電視(DTV)接收之有害干擾，監管機構已規定在如-114 dBm般低之信號強度之DTV信號之可靠偵測。因此，感知無線電裝置應在其等可使用用於主要傳輸之頻道之前感測該特別頻道。此需求強制感知無線電裝置實施強固感測演算法以偵測DTV(DVB-T/H)(數位視訊廣播-地面/手持)信號之存在。
然而，不像具有在頻率域內之一已知位置處之一單一導頻之8-VSB(8階殘邊帶)ATSC(先進電視系統委員會)信號，一DVB-T信號具有分佈於頻率域內的許多較低功率導頻。因此，在頻率域內濾波以便偵測導頻之方法對於DVB-T不可行。取而代之，一較佳做法可在時間域內與表示頻率域導頻之一已知時間域信號關聯。
用於DVB-T信號及DVB-H信號之偵測之現存感測演算法僅在傳輸模式之一子集下運作良好。根據本文的諸實施例，一感測演算法改良偵測效能並對於所有傳輸模式執行同樣地良好。
大多數OFDM(正交分頻多工)信號(諸如用於使用DVB-T傳輸數位電視的此等OFDM信號)具有用於頻道估計及同步之頻率域內之導頻。存在嵌入於資料串流中的兩種類導頻信號：(1)固定導頻，其等之值及位置係固定的；及(2)可變導頻，其等之值係固定的但位置隨符號而變化，有時以一已知型樣重複。取決於所需複雜程度，可使用兩種導頻進行感測。此處採取的基本做法係在時間域內將此等導頻視為嵌入於資料序列內之一連續已知序列並且關聯接收之信號與此已知序列。由於DVB-T具有許多不同FFT(快速傅立葉變換)大小及循環首碼，對於各個模式產生一不同參考信號並與每一者關聯以決定存在信號之類型。
在本發明之一實例實施例中，提供一種用於偵測一DVB(數位視訊廣播)傳輸之存在之方法。該方法包含：在一經選擇頻道中接收一RF(射頻)信號；自該接收的信號建立信號樣本；自該等信號樣本建立平均樣本，該等平均樣本之各者係預定數目個信號樣本之一平均，該預定數目個信號樣本係藉由自一信號樣本至下一信號樣本之一最小導頻型樣重複週期予以分離；關聯該等平均樣本與一參考序列；及比較一關聯結果與一臨限關聯值。
在本發明之另一實例實施例中，提供一種用於偵測一DVB傳輸之存在之系統。該系統包含一RF前端模組，其用於接收一RF信號；一取樣模組，其用於自該接收的RF信號建立信號樣本；一緩衝器，其用於保持該等信號樣本；一累加/平均模組，其用於自該等信號樣本建立平均樣本，該等平均樣本之各者係預定數目個信號樣本之一平均，該預定數目個信號樣本係藉由自一信號樣本至下一信號樣本之一最小導頻型樣重複週期予以分離；一記憶體模組，其用於儲存一參考序列；一相關器，其用於關聯該等平均樣本與該參考樣本；及一臨限值偵測模組，其用於比較一關聯結果與一臨限關聯值。
在說明書完結時之申請專利範圍內特別指出並明顯主張視為本發明之主旨。透過連同隨附圖式取得的下文詳細描述將顯而易見本發明之前述及其他特徵及優點。
重要的是，注意本發明所揭示的諸實施例僅係本文中的創新教示之許多有利使用之實例。一般而言，在本申請案之說明書中作出的陳述未必限制任何各種主張的發明。此外，一些陳述可適用於一些發明性特徵但不適於其他特徵。一般而言，除非另外指示，在不失一般性下，單數元件可係複數，且反之亦然。在諸圖式中，全部若干視圖中相同數字指示相同零件。
DVB-T傳輸規格之簡述
針對數位電視之地面廣播，歐洲電信標準聯盟(ETSI)已標準化地面數位視訊廣播(DVB-T)。DVB-T標準使用一正交分頻多工(OFDM)調變方案並提供選項以根據廣播者的需求調適編碼參數及調變參數。DVB-T規格提供兩種操作模式：即，「2K模式」及「8K模式」。另外，DVB-H增強提供「4K模式」。該等模式係基於用於產生所傳輸之信號的FFT(快速傅立葉變換)大小而定義。表1中列出此等模式之各者之一些參數。
DVB-T傳輸的信號係以訊框組織。各個訊框由68個OFDM符號組成且四個此等訊框構成一個超訊框。如圖1中所示，一OFDM符號100由兩部分組成：一有用符號週期102及一防護區間101。該有用符號之一部分係在防護區間101(稱為循環首碼(CP))中傳輸，且此特徵用於最小化符號間干擾。DVB-T規格對於該防護區間提供符號週期之1/4、1/8、1/16或1/32之一選擇。
除了循環首碼外，DVB-T標準亦提供下列參考信號以輔助信號之同步、解調變及解碼。
‧ 　連續導頻：此等參考信號係放置於固定副載波位置處，且其等位置不隨符號而變化。在「2K模式」中存在45個連續導頻，且在「8K模式」中存在177個連續導頻。
‧　分散導頻 ：此等參考信號201(圖2)係均勻(每第12個副載波)分佈於OFDM符號內。在各個OFDM符號上，此等導頻之位置係偏差達三個副載波，且因此，在訊框200內，該導頻型樣每四個OFDM符號重複，如圖2所示。假定該頻道係準靜態，該等分散導頻係用於推導頻道估計。
‧　TPS導頻 ：此等傳輸參數發信號(TPS)參考信號係用於承載該等傳輸參數。用於「2K模式」之17個副載波及用於「8K模式」68個副載波之一固定組已指定為TPS導頻副載波。在一OFDM符號內之所有該等TPS導頻副載波承載相同資訊。
相較於其餘副載波，該等連續導頻及分散導頻係在一較高功率位準(~2.5 dB)傳輸。
DVB-T信號偵測方法
基於能量之偵測方案
在所關注的頻道中偵測信號能量之存在通常係極快速並提供頻道佔用之一良好指示。然而此方法未提供關於該信號自身之任何資訊，且因此其無法區別一主要信號與一次要信號。另外，偵測機率隨臨限值顯著變化。因此，當決定待使用的臨限值時(尤其當偵測具有低信號雜訊比(SNR)之信號時)必須極為小心。
基於特徵之偵測方案
基於特徵之偵測方案依賴用於偵測之現任信號(諸如調校信號、導頻型樣等等)之唯一特徵。如先前所提到，DVB-T信號具有以可用於偵測程序之循環首碼、連續導頻及分散導頻等等形式之一些唯一特徵。
時間域自動關聯
在時間域自動關聯中，DVB-T信號之循環首碼特徵係用於決定在頻道中存在或不存在該信號。該接收的信號係與該信號之一延遲版本關聯，如下列方程式所示：
其中x (m )係該時間域內之經取樣之接收信號且Rxx (n )係x (m )之自動關聯。NFFT 、NGI 及NSYM 分別表示FFT、循環首碼及OFDM符號長度。
由於該有用OFDM符號之一部分係以循環首碼重複，如上文之關聯將給出週期性重複之一峰值。在與峰值週期性之一選用之組合下之峰值振幅可用於偵測在所關注的該頻道中DVB-T信號之存在。
令表示|Rxx (n )|2 之峰值之值，定義為
接著比較與一預定義臨限值，以決定該信號之存在。
　信號存在
否則　信號不存在　(3)
該臨限值係基於所需誤警機率而決定。
對於高SNR值，該基於自動關聯的偵測器執行極良好。然而，對於中等SNR值及低SNR值(即，低於0 dB)，效能可能並不非常可靠。另外，效能顯著取決於循環首碼長度。因此，該偵測器對於具有1/4 GI之8K模式執行良好但對於具有1/32 GI之2K模式執行極差。然而，該偵測器對頻率偏差係強固的。圖3展示對於在5 dB及-5 dB之SNR下之2K、1/32模式之自動關聯標繪圖301、302。可觀察到對於SNR=-5 dB，關聯峰值並不清晰可辨且因此該偵測器的效能降級(見標繪圖302)。
時間域交互關聯
在時間域交互關聯方法中，DVB-T信號中之連續導頻及分散導頻係用於偵測信號。如在先前節次中所述，載波之一子集係指定為導頻副載波。此等載波承載已知資訊且此等載波係以相較於資料載波較高(更高大約2.5 dB)之功率傳輸。該接收的信號可與藉由採取僅由該等導頻副載波組成的一向量之一逆傅立葉變換而推導的一參考序列關聯。由於SP型樣每四個符號重複，下文展示形成之四個此等參考信號(n )
其中(n )表示該時間域序列，d表示該導頻型樣號碼並採取1至4之值。ΨP,d 表示導頻型樣號碼d之導頻副載波位置組。該導頻副載波組僅可係對應於分散導頻位置或分散導頻位置與連續導頻位置之一組合組之該等導頻副載波。舉例而言，對於SP之情況，ΨP,1 {0,12,24,...}。Ck,d 表示副載波k及型樣號碼d之符號。
另一參考序列亦可藉由組合該等上述四個參考序列而產生，如下所示：
其中n=0至(4NFFT -1)。
關聯輸出係由下列方程式給出：
在理想條件下，該相關器輸出R xp,d (n )將具有每4TSYM 個樣本重複之一峰值量值。
可對於當(n )用作一參考序列時之情況推導該關聯輸出之一類似方程式，如下所示
在此節次之其餘部分中，將考慮推導偵測度量之R xp ,1 (n )。分析可擴充至先前推導的所有關聯輸出。
令表示|R xp ,1 (n )|2 之峰值之值，定義為
接著比較與一預定義臨限值，以決定該信號之存在。
　信號存在
否則　信號不存在　(9)
甚至對於低SNR值，基於交互關聯的偵測器在不同頻道環境中執行極良好。另外，偵測器效能係與傳輸模式無關且因此對於2K模式以及8K模式執行同樣地良好。
圖4展示-5 dB及-10 dB之SNR之2K、1/32傳輸模式之相關器輸出401、402。(n )用作該參考序列。從標繪圖401及402可觀察到相較於該基於自動關聯的偵測器之效能，該基於交互關聯的偵測器之效能較佳。
偵測DVB-T信號之方法
下文係描述改良該偵測器的效能之先進演算法之實例實施例。
由於DVB-T部署係靜態的，假定偵測器可取得頻道頻寬及傳輸模式(FFT大小及GI持續時間)資訊。在其中傳輸模式資訊不可取得之情況下，偵測器可循環遍及所有不同傳輸模式以感測DVB-T信號。此將導致增加的偵測時間，但偵測效能實質上保持相同。
藉由資料平滑(減少雜訊變異數)之改良偵測
參考方程式(6)，可觀察到關聯輸出含有一雜訊項(貢獻自資料副載波及WGN)。在本發明之一實例實施例中，該雜訊項之變異數可藉由平均該等接收的符號而減少。然而，偵測器並不知道符號邊界。假定傳輸模式及GI持續時間已知，則可使用下列方程式N PPRP =N GI *N SYM 而推導最小導頻型樣重複週期(PPRP)。另一選擇為：可使用方程式N PPRP =4*B *N SYM 而推導該最小PPRP，其中B係一整數。使用此事實，該等接收的樣本被平均，如下所示
其中L係一設計參數並係相依於感測時間及所需效能。該等平均樣本xL (n)係與參考序列關聯如下：
在[0,NPPRP -1]內等於4*NSYM 個樣本之任何範圍可用於決定最大峰值量值。若使用峰值位置之一致性改良偵測器之強固性，則亦可推導及驗證額外峰值量值。
令表示|R L XP ,1 (n )|2 之峰值之值，定義為
接著比較與一預定義臨限值，以決定該信號之存在。
圖5展示使用資料平滑之一DVB-T偵測器500之一簡化方塊圖。RF前端501將該RF信號降頻偏移為一中間頻率(IF)。接著將該IF信號降頻偏移為DC(另一選擇為：該IF信號可在數位域內(即在類比轉數位轉換之後)降頻偏移為DC)。接著該信號係藉由一類比轉數位轉換器(ADC)502予以數位化。接著使用模組緩衝器503、累加/平均505及相關器506根據上文描述的該等方法處理經取樣之信號。該緩衝器503、累加/平均505及相關器506模組基於一特別傳輸模式而操作，且該偵測器可在不同傳輸模式操作。如圖6中所示，一交替配置600係在該緩衝器503之前放置該相關器506，使得在緩衝、累加及平均之前執行該關聯。此信號「序列ID」決定該參考序列，其由導頻產生並係儲存於記憶體504中待用於關聯。「臨限值偵測」模組507亦使用此信號以決定待使用的該等臨限值。比較該相關器之輸出與該經選擇的臨限值，以決定一DVB-T信號之存在/不存在。
圖7展示有關該關聯輸出在資料平滑上之效果。未使用資料平滑之該關聯輸出701及使用資料平滑之該關聯輸出702證明當如較早所述當該資料平滑時該等峰值係清晰可見的，且因此該偵測器可甚至能夠對於低於-15 dB之SNR偵測該等DVB-T信號。
提出的演算法之效能係透過AWGN與多路徑頻道中之模擬而評估。使用下列模擬參數：
‧ 　傳輸模式：2K，1/32
‧ 　各個SNR之運行數目：1000
‧ 　平滑因數L-8(~60毫秒感測時間)
‧ 　誤警機率(PFA )：<0.01
‧ 　頻道：AWGN或瑞利(Rayleigh)衰落
圖8展示該提出的偵測器在該AWGN頻道801及瑞利頻道802中之偵測機率(Pd )對SNR曲線。圖9展示本文描述的實例實施例偵測器(使用平均之AWGN 901、使用平均之瑞利902)及標準偵測器(未使用平均之AWGN 903、未使用平均之瑞利904)之Pd 對SNR曲線。可觀察到該提出的偵測器對於不同頻道條件可強固地偵測甚至低於-15 dB之DVB-T信號。
除了該峰值量值外，亦可使用峰值之週期性中之一致性來改良該偵測器的強固性。根據本發明之一實例實施例，在使用(n )作為一參考序列之該基於交互關聯的方法中，在存在一DVB-T信號時，該關聯峰值可每4*NSYM 個樣本重複。因此，在4*NSYM 個樣本之每一區塊上之最大峰值(l )之位置差係如下所示而計算
若D(l)之值<Dthreshold ，則存在一DVB-T信號。Dthreshold 之值可設定為諸如10(符號)之一固定值或可基於感知無線電裝置之操作環境由該裝置設定。
安靜週期(QP)感測A
在一實例實施例中，為了維持一應用之服務品質(QoS)需求，一感知無線電將不可停止其傳輸達一連續時間週期。取而代之，一感知無線電裝置將更頻繁排程短安靜週期(QP)。在此實例實施例中，該資料平滑方程式如下所示修改
其中NQP 對應於可容納於該給定安靜週期內之樣本數目。取決於安靜週期持續時間，NQP 可採取4*NSYM 、8*NSYM 、12*NSYM ...或NPPRP 之值。假定在非安靜週期期間樣本計數器係作用中。在一些情形中，無法在一給定安靜週期中擷取等於NQP 個並對應於所需範圍之一連續樣本組。在該等情況下，該等樣本可被捨棄且程序以下一安靜週期繼續。
在本發明之另一實例實施例中，與該交互關聯相關聯的實施複雜性可藉由如下所示修改方程式而降低
求和中之乘積運算可作為一簡單邏輯運算而實施並且因此相較於一乘法器顯著減少閘計數。圖10展示使用如方程式(16)中所定義的交互關聯之一DVB-T/DVB-H偵測器之效能。
圖11展示根據一實例實施例偵測一DVB之存在之程序。該程序包含：在一經選擇頻道中接收一RF(射頻)信號1101；自該接收的信號建立信號樣本1102；自該等信號樣本建立平均樣本，該等平均樣本之各者係預定數目個信號樣本之一平均，該預定數目個信號樣本係藉由自一信號樣本至下一信號樣本之一最小導頻型樣重複週期予以分離1103；使該等平均樣本與一參考序列關聯1104；及比較一關聯結果與一臨限值關聯值1105。基於比較之結果，可決定一DVB之存在。
可在感知無線電及其他系統中使用本發明所描述之技術，該等系統依賴偵測及迴避技術，其等用於偵測DVB-T/H信號或包含經定義的導頻型樣之其他OFDM信號。
前文詳細描述已闡述本發明可採取之很多形式之一些形式。希望前文詳細描述被理解為本發明可採取之經選擇形式之一說明而非為本發明之定義之一限制。希望僅包含所有均等物之申請專利範圍定義本發明之範圍。
最佳地，本發明之原理被實施為硬體、韌體及軟體之任何組合。此外，軟體較佳被實施為在一程式儲存單元或電腦可讀儲存媒體(由部件或由特定裝置及/或諸裝置之一組合組成)上具體實施之一應用程式。該應用程式可經上載至包括任何合適架構之一機器並由該機器執行。較佳地，該機器係在具有諸如一個或多個中央處理單元(「CPU」)、一記憶體、及輸入/輸出介面之硬體之一電腦平台上實施。該電腦平台亦可包含一作業系統及微指令碼。本文描述的該等各種程序及功能可係可由一CPU執行之該微指令碼之一部分或該應用程式之一部分、或其等之任何組合，無論是否明確展示此電腦或處理器。另外，諸如一額外資料儲存單元及一列印單元之各種其他周邊單元可連接至該電腦平台。
100．．．OFDM(正交分頻多工)符號
101．．．防護區間
102．．．有用符號週期
200．．．訊框
201．．．參考信號
500．．．數位視訊廣播傳輸(DVB-T)偵測器
501．．．射頻(RF)前端
502．．．類比轉數位轉換器
503．．．緩衝器模組
504．．．記憶體
505．．．累加/平均模組
506．．．相關器
507．．．臨限值偵測模組
600．．．替代DVB-T偵測器
圖1繪示具有循環首碼(CP)之一OFDM符號；
圖2繪示DVB-T OFDM符號中分散導頻副載波之位置；
圖3繪示有關在5 dB及-5 dB之SNR下2K、1/32模式之循環首碼之關聯；
圖4繪示有關在-5 dB及-10 dB之SNR下2K、1/32模式之導頻之關聯；
圖5繪示在本發明之一實施例中使用資料平滑之一DVB-T偵測器之一方塊圖；
圖6繪示在本發明之另一實施例中使用資料平滑之一DVB-T偵測器之一方塊圖；
圖7繪示在-15 dB之SNR且L=8下2K、1/32模式未使用(頂)資料平滑及使用(底)資料平滑之關聯標繪圖之一比較；
圖8繪示2K、1/32模式之一AWGN與瑞利衰落頻道中之經改良偵測器之效能；
圖9繪示2K、1/32模式之一AWGN與瑞利衰落頻道中之一標準偵測器(未使用資料平滑)與強固偵測器(使用資料平滑)之效能之一比較；
圖10繪示使用該經簡化交互相關器之DVB-T偵測器之效能；及
圖11繪示用於偵測一DVB信號之存在之一程序。
500．．．數位視訊廣播傳輸(DVB-T)偵測器
501．．．射頻(RF)前端
502．．．類比轉數位轉換器
503．．．緩衝器模組
504．．．記憶體
505．．．累加/平均模組
506．．．相關器
507．．．臨限值偵測模組

Claims (15)

  1. 一種用於偵測一DVB(數位視訊廣播)傳輸之存在之方法，其包括：在一經選擇頻道中接收一RF(射頻)信號(1101)；自該接收的信號建立信號樣本(1102)；自該等信號樣本建立平均樣本，該等平均樣本之各者係預定數目個信號樣本之一平均，該預定數目個信號樣本係藉由自一信號樣本至下一信號樣本之一最小導頻型樣(pilot pattern)重複週期予以分離(1103)；使該等平均樣本與一參考序列相關聯(1104)；及比較關聯結果與一臨限值關聯值(1105)。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括：自該等關聯結果計算關聯峰值之週期性內之一變動；及比較該變動與一臨限值變動值。
  3. 如請求項1之方法，其中該最小導頻型樣重複週期取決於該信號之該傳輸模式及防護區間持續時間。
  4. 如請求項3之方法，其進一步包括藉由在所有不同傳輸模式循環直到偵測到該DVB信號而決定該傳輸模式。
  5. 如請求項1之方法，其中信號樣本之該預定數目取決於一感測時間及/或所需效能層級。
  6. 如請求項1之方法，其中平均樣本之該數目取決於在一安靜週期期間可容納多少樣本。
  7. 如請求項1之方法，其中使該等平均樣本與該參考序列 相關聯包括：對該等平均樣本及該參考序列之正負號進行邏輯運算。
  8. 如請求項1之方法，其中該參考序列係由導頻產生並儲存於記憶體內。
  9. 一種用於偵測一DVB(數位視訊廣播)傳輸之存在之方法，其包括：在一經選擇頻道中接收一RF(射頻)信號；自該接收的信號建立信號樣本；關聯該等信號樣本與一參考序列；藉由採取對應於預定數目個信號樣本之關聯結果之一平均而計算一平均關聯值，該預定數目個信號樣本係藉由自一信號樣本至下一信號樣本之一最小導頻型樣重複週期予以分離；及比較該平均關聯值與一臨限值關聯值。
  10. 一種用於偵測一DVB(數位視訊廣播)傳輸之存在之系統，其包括：一RF(射頻)前端模組(501)，其用於接收一RF信號；一取樣模組(502)，其用於自該接收的RF信號建立信號樣本；一緩衝器(503)，其用於保持該等信號樣本；一累加/平均模組(505)，其用於自該等信號樣本建立平均樣本，該等平均樣本之各者係預定數目個信號樣本之一平均，該預定數目個信號樣本係藉由自一信號樣本至下一信號樣本之一最小導頻型樣重複週期予以分離； 一記憶體模組(504)，其用於儲存一參考序列；一相關器(506)，其用於使該等平均樣本與該參考序列相關聯；及一臨限值偵測模組(507)，其用於比較關聯結果與一臨限值關聯值。
  11. 如請求項10之系統，其中該相關器(506)係經進一步組態以自該等關聯結果計算關聯峰值之週期性內之一變動，其中該臨限值偵測模組(507)係經進一步組態以比較該變動與一臨限值變動值。
  12. 如請求項10之系統，其中該最小導頻型樣重複週期取決於該信號之該傳輸模式及防護區間持續時間。
  13. 如請求項12之系統，其進一步包括用於藉由在所有不同傳輸模式循環直到偵測到該DVB信號而決定該傳輸模式之構件。
  14. 如請求項10之系統，其中信號樣本之該預定數目取決於一感測時間及/或所需效能層級。
  15. 如請求項10之系統，其中平均樣本之該數目取決於在一安靜週期期間可容納多少樣本。
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