TWI593238B - 脈衝雜訊偵測電路與方法 - Google Patents

Description

脈衝雜訊偵測電路與方法

本發明是關於脈衝雜訊，尤其是關於脈衝雜訊偵測電路與方法。

脈衝雜訊（impulsive noise）的來源包含了汽車引擎的點火系統與諸如洗衣機、吹風機等家電，且常以短脈衝串（burst）的形態出現。圖1為脈衝雜訊的示意圖。脈衝串1及脈衝串2為時間上兩個連續的脈衝串，各自包含複數個脈衝（impulse）。脈衝雜訊常以週期的形式出現，脈衝串週期約為10 ^-2~1秒，脈衝串長度約為10 ^-6~10 ^-2秒，而一個脈衝長度約為10 ^-7秒。

脈衝雜訊混雜於資料訊號中，造成資料接收端於解碼資料時產生錯誤。傳統上常基於能量大小來偵測脈衝雜訊，例如當脈衝雜訊的能量大於資料訊號的能量時，則據以偵測出脈衝雜訊；然而當脈衝雜訊的能量小於等於資料訊號的能量時，則不易偵測出脈衝雜訊，而無法進一步將其濾除。

鑑於先前技術之不足，本發明之一目的在於提供一種脈衝雜訊偵測電路與方法，以準確偵測脈衝雜訊。

本發明揭露一種脈衝雜訊偵測電路，用來偵測一輸入訊號是否包含一脈衝雜訊，該脈衝雜訊偵測電路包含：一接收電路，用來接收該輸入訊號；一類比數位轉換電路，用來將該輸入訊號轉換為一數位之輸入訊號；一濾波電路，用來濾除該數位之輸入訊號中之一資料頻段以產生一待測訊號；一計算電路，耦接該濾波電路，用來根據該待測訊號進行一移動平均計算，以產生一計算結果；以及一比較電路，耦接該計算電路，用來比較該計算結果與一臨界值以判斷該輸入訊號是否包含該脈衝雜訊。

本發明另揭露一種脈衝雜訊偵測方法，應用於一正交分頻多工系統，用來偵測一輸入訊號是否包含一脈衝雜訊，該脈衝雜訊偵測方法包含：接收該輸入訊號；將該輸入訊號轉換為一數位之輸入訊號；濾除該數位之輸入訊號中之一資料頻段以產生一待測訊號；計算該待測訊號以產生一計算結果；以及比較該計算結果與一臨界值以判斷該輸入訊號是否包含該脈衝雜訊。

本發明的脈衝雜訊偵測電路與方法能夠準確地偵測出脈衝雜訊。相較於習知技術，本發明的脈衝雜訊偵測電路與方法在非資料訊號的頻段偵測脈衝雜訊，因此能夠偵測出能量與資料訊號相當或甚至小於資料訊號的脈衝雜訊。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。

本發明之揭露內容包含脈衝雜訊偵測電路與方法，在實施為可能的前提下，本技術領域具有通常知識者能夠依本說明書之揭露內容來選擇等效之元件或步驟來實現本發明，亦即本發明之實施並不限於後敘之實施例。

圖2為本發明脈衝雜訊偵測電路之一實施例的功能方塊圖。脈衝雜訊偵測電路100在數位域偵測脈衝雜訊，包含接收電路102、類比數位轉換器（analog-to-digital converter, ADC）105、濾波電路110、計算電路120以及比較電路130。請同時參閱圖3，其係本發明脈衝雜訊偵測方法之一實施例的流程圖。濾波電路110對ADC 105所輸出的收位訊號進行濾波，目的在於濾除ADC 105之輸出訊號中屬於該資料訊號頻段的部分，並產生待測訊號（步驟S310）。圖4為ADC 105所輸出之數位訊號的頻譜圖。頻率0至頻率Q之間的範圍為ADC 105所輸出之數位訊號的頻段，而數位訊號中攜帶資料的部分為頻率0至頻率P之間的頻段，亦即資料訊號頻段。

脈衝雜訊在頻譜上占有相當大的頻率範圍，不僅占滿ADC輸出訊號的內頻段（in-band）部分（即頻率0至頻率P之間的頻段），亦延伸到外頻段（out-band）部分（即頻率P至頻率Q之間的頻段）。為了避免ADC輸出訊號中資料訊號的成分影響偵測脈衝雜訊的準確度，脈衝雜訊偵測電路100只對ADC輸出訊號的外頻段部分進行偵測。脈衝雜訊偵測電路100的濾波電路110使用一個濾波器來將資料訊號的部分濾除，例如是一個帶通濾波器或者低通濾波器。如此一來，濾波電路110的輸出只留下ADC輸出訊號的外頻段部分，成為脈衝雜訊偵測電路100的待測訊號，亦即之後的計算電路120以及比較電路130僅針對ADC輸出訊號的外頻段部分進行偵測。

之後計算電路120對待測訊號進行計算，並輸出計算結果（步驟S320）。實作上，計算電路120可以藉由計算待測訊號於時間上的變化量，並計算該變化量的移動平均（moving average）來產生該計算結果，之後比較電路130再將計算結果與一臨界值做比較以產生偵測結果（步驟S330），偵測結果即指示ADC輸出訊號是否包含脈衝雜訊。濾波電路110、計算電路120以及比較電路130的細部電路及步驟S310~S330的操作細節詳述如後。

圖5為本發明濾波電路110之一實施例的功能方塊圖，圖6為本發明的濾波步驟S310之一實施方式的流程圖。濾波電路110包含暫存器112、濾波器114以及減法器116。ADC輸出訊號一方面完整暫存至暫存器112（步驟S610），另一方面進入濾波器114以濾除高頻部分，也就是濾除前述的外頻段部分而只輸出內頻段（亦即資料頻段）的部分（步驟S620）。之後減法器116對暫存器112的輸出以及濾波器114的輸出進行運算，將暫存器112的輸出減去濾波器114的輸出，亦即將完整的ADC輸出訊號扣除該內頻段的部分，以輸出ADC輸出訊號的外頻段部分，亦即前述的待測訊號（步驟S630）。減法器116可以由運算電路執行減法功能來實作。在此實施例中，因為濾波器114為一離散時間有限脈衝響應 (finite impulse response, FIR) 濾波器，其採用了複數個延遲電路，權重乘法器，以及加法器，因此在運作時會造成訊號延遲。在一個實施例中，FIR濾波器是採用direct form，當濾波器採用2m+1個權重乘法器（m為正整數），則濾波器114會於第m+1個取樣點輸入的時間點輸出第1個取樣點的計算結果，所以暫存器的大小必須等於該m+1，以使得其輸出能與濾波器114的輸出對齊。假設頻率0至P之間包含2m+1個個取樣點（m為正整數），則濾波器114會於第m+1個取樣點輸入的時間點輸出第1個取樣點的計算結果，所以暫存器112的大小必須等於該m+1，以使得其輸出能與濾波器114的輸出對齊。在另一個實施例中，FIR濾波器是採用Lattice Form，則當濾波器採用n個權重乘法器（n為正整數），則濾波器114會於第n個取樣點輸入的時間點輸出第1個取樣點的計算結果，所以暫存器的大小必須等於n，以使得其輸出能與濾波器114的輸出對齊。請注意，因為正交分頻多工（orthogonal frequency-division multiplexing, OFDM）系統（例如地面數位視訊廣播（digital video broadcasting-terrestrial, DVB-T2），但不以此為限）通常包含一個用來濾除鄰頻干擾（adjacent channel interference, ACI）的濾波器，所以當本發明應用於正交分頻多工系統時，鄰頻干擾濾波器可以直接作為本發明的濾波器114，以降低電路成本。再者，雖然此實施例中濾波電路110以暫存器112、濾波器114以及減法器116的組合來濾除ADC輸出訊號的資料頻段，然而在不同的實施例中濾波電路110可以藉由帶通濾波器來達成相同的目的。

圖7為本發明計算電路120之一實施例的功能方塊圖，圖8為本發明的計算步驟S320之一實施方式的細部流程圖。計算電路120包含差值計算單元122、移動平均計算單元124、平均值計算單元126以及乘法器128。其中差值計算單元122更包含延遲單元1222、減法器1224以及絕對值計算單元1226。差值計算單元122的主要目的是計算待測訊號在時間上的變化量，而得到差值（步驟S810）。更詳細地說，減法器1224計算目前的待測訊號與先前的待測訊號（即延遲單元1222的輸出）的差值，之後再由絕對值計算單元1226計算此差值的絕對值。當待測訊號為實數時，絕對值計算單元1226單純地計算該差值的絕對值，然而當待測訊號為複數時（例如當本發明應用於OFDM系統時），絕對值計算單元1226可以例如計算該差值的「1-範數」（1-norm）。

接下來，移動平均計算單元124計算該差值的移動平均並產生該計算結果（步驟S820）。移動平均的計算方式為本技術領域具有通常知識者所熟知，故不再贅述。當脈衝雜訊存在時，差值計算單元122所輸出的差值在短時間內（亦即對應脈衝串出現的時間）會呈現較大的數值，然而為了避免本發明的脈衝雜訊偵測電路100將非脈衝雜訊的脈衝訊號誤判為脈衝雜訊，所以利用計算移動平均的方式來緩和該脈衝訊號的影響，並且在比較電路130中以基於脈衝雜訊之特性所設計的機制來進一步判斷是否有脈衝雜訊存在。當真正的脈衝雜訊存在時，移動平均計算單元124的輸出（亦即計算結果）對時間的關係會呈現三角形的波形（例如圖10的區域1010），而當移動平均計算單元124的視窗長度小於脈衝串長度時，則會出現高原效應（plateau effect）（例如圖10的區域1020）。事實上，此計算結果便足以反應ADC輸出訊號是否存在脈衝雜訊干擾，例如說後級的比較電路130可以直接將此計算結果與一固定的臨界值做比較，只要計算結果大於該固定的臨界值，即可判斷存在脈衝雜訊干擾；然而，隨電子設備真實的使用環境的不同，其所受的脈衝雜訊的干擾程度也不盡相同，因此若以固定的臨界值作為判斷標準，可能無法做出準確的判斷。

為了提高本發明脈衝雜訊偵測電路100的判斷準確度，本發明更將計算結果與一個動態的臨界值做比較，而且此臨界值與計算結果相關。如圖7所示，平均值計算單元126耦接移動平均計算單元124，用來算出計算結果的平均值（步驟S830），而後再由乘法器128將此平均值乘上一個預設值S，而得到該動態的臨界值（步驟S840）。平均值計算單元126依據下式計算平均值： 其中， MA[ n]為計算結果， MA_avg[ n]為計算結果的平均值，1/ M代表對 M個計算結果做平均， 以及 。根據上式，平均值計算單元126的實作電路如圖9所示。乘法器910將計算結果 MA[ n]乘上 ，乘法器930將延遲後的臨界值 MA_avg[ n-1]（即延遲單元940的輸出）乘上 ，最後再由加法器920將乘法器910的結果與乘法器930的結果相加後得到新的臨界值。上述的預設值S一般而言大於1。

最後，比較電路130比較計算電路120所輸出計算結果與動態的臨界值（即執行比較步驟S330），只要計算結果大於該動態的臨界值，即可判斷存在脈衝雜訊干擾。然而如前所述，電子設備可能受到具有不同特性的脈衝雜訊干擾，因此本發明更提出依據欲偵測的脈衝雜訊的特性設定不同的預設時間範圍，以取得更佳的判斷效果。例如當計算結果大於臨界值的持續時間在特定預設時間範圍內，則比較電路130判斷該ADC輸出訊號包含特定脈衝雜訊，該預設時間範圍係依據脈衝雜訊的特性而決定。此外，移動平均計算單元124或步驟S820中計算移動平均所使用的視窗長度也可以依據欲偵測的脈衝雜訊的脈衝串長度來進行設定，以達到最佳的判斷效果。舉例來說，假設ADC的取樣頻率為25MHz，依據脈衝雜訊的測試模型（例如第7版的DTG D-Book之A部分第三卷），當脈衝串的長度介於1~40,000μs，每個脈衝串所對應的ADC取樣數的數量級約介於10 ²~10 ⁶；也就是說，可以設計為當比較電路130判斷計算結果大於臨界值的持續時間介於[x1+L _buff, x2+L _buff]，則偵測結果指示有脈衝雜訊產生，其中x1及x2為正整數（x1＜x2），其數量級一般而言介於10 ²與10 ⁶之間（視實際的操作環境而定），L _buff為移動平均計算單元124或步驟S820中計算移動平均所使用的視窗長度。

需注意的是，當選用動態的臨界值時，在沒有脈衝雜訊干擾的情況下，移動平均計算單元124所輸出（或步驟S820所產生）的計算結果將接近於0，且計算結果的平均值以及臨界值也都接近於0，此情況下可能會造成比較電路130誤判。為了避免誤判，本發明可以選擇在移動平均計算單元124之前或之後利用直流準位調整電路將訊號增加一個直流準位偏移offset（亦即對應圖8的步驟S810與步驟S820之間，或步驟S820與步驟S830之間增加一個直流準位調整步驟）；更明確地說，可以透過(1) 在差值計算單元122所輸出的差值增加直流準位偏移offset（藉由圖7的加法器123）；或是(2)在移動平均計算單元124所輸出的計算結果增加直流準位偏移offset（藉由圖7的加法器125）。直流準位偏移offset例如是大於0的正數，則當脈衝雜訊不存在時，計算結果與其平均值將會接近直流準位偏移offset而非0。當預設值S大於1時，平均值與預設值S相乘後所得的臨界值將大於直流準位偏移offset，因此便能夠將臨界值與不受脈衝雜訊影響的計算結果作區隔，並避免誤判發生。

由於本技術領域具有通常知識者可藉由圖2、圖5、圖7以及圖9之裝置發明的揭露內容來瞭解圖3、圖6以及圖8之方法發明的實施細節與變化，因此雖然本發明之實施例如上所述，然而該些實施例並非用來限定本發明，本技術領域具有通常知識者可依據本發明之明示或隱含之內容對本發明之技術特徵施以變化，凡此種種變化均可能屬於本發明所尋求之專利保護範疇，換言之，本發明之專利保護範圍須視本說明書之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧脈衝雜訊偵測電路

102‧‧‧接收電路

105‧‧‧ADC

110‧‧‧濾波電路

120‧‧‧計算電路

130‧‧‧比較電路

112‧‧‧暫存器

114‧‧‧濾波器

116、1224‧‧‧減法器

123、125、920‧‧‧加法器

122‧‧‧差值計算單元

1222、940‧‧‧延遲單元

1226‧‧‧絕對值計算單元

124‧‧‧移動平均計算單元

126‧‧‧平均值計算單元

128、910、930‧‧‧乘法器

S310~S330、S610~S630、S810~S840‧‧‧步驟

［圖1］為脈衝雜訊的示意圖； ［圖2］為本發明脈衝雜訊偵測電路之一實施例的功能方塊圖； ［圖3］為本發明脈衝雜訊偵測方法之一實施例的流程圖； ［圖4］為ADC輸出訊號的零中頻頻譜圖； ［圖5］為本發明濾波電路110之一實施例的功能方塊圖； ［圖6］為本發明的濾波步驟之一實施方式的流程圖； ［圖7］為本發明計算電路120之一實施例的功能方塊圖； ［圖8］為本發明的計算步驟之一實施方式的流程圖；以及 ［圖9］為本發明平均值計算單元126之一實施例的功能方塊圖；以及 ［圖10］為本發明移動平均計算單元124之輸出的示意圖。

100‧‧‧脈衝雜訊偵測電路

110‧‧‧濾波電路

120‧‧‧計算電路

130‧‧‧比較電路

Claims (19)

1. 一種脈衝雜訊偵測電路，用來偵測一輸入訊號是否包含一脈衝雜訊，該輸入訊號包含一資料頻段與一非資料頻段，該脈衝雜訊偵測電路包含：一接收電路，用來接收該輸入訊號；一類比數位轉換電路，用來將該輸入訊號轉換為一數位之輸入訊號；一濾波電路，用來濾除該數位之輸入訊號中之該資料頻段以產生一待測訊號；一計算電路，耦接該濾波電路，用來根據該待測訊號進行一移動平均計算，以產生一計算結果；以及一比較電路，耦接該計算電路，用來比較該計算結果與一臨界值以判斷該輸入訊號是否包含該脈衝雜訊。
2. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雜訊偵測電路係應用於一正交分頻多工系統，其中該濾波電路包含：一濾波器，用來濾波該數位之輸入訊號以輸出該資料頻段；一暫存器，用來暫存該數位之輸入訊號；以及一減法器，耦接該濾波器及該暫存器，用來將該數位之輸入訊號減去該資料頻段以產生該待測訊號；該濾波器係該正交分頻多工系統之一鄰頻干擾濾波器。
3. 如申請專利範圍第2項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中該鄰頻干擾濾波器為一帶通濾波器。
4. 如申請專利範圍第2項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中該該濾波器為離散時間有限脈衝響應(finite impulse response,FIR)濾波器，包含複數個延遲電路、複數權重乘法器以及複數加法器，其中該暫存器的大小與該些權重乘法器的個數有關。
5. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中該計算電路包含：一差值計算單元，用來計算該待測訊號之一時間上的變化量，以得到複數差值；以及一移動平均計算單元，耦接該差值計算單元，用來計算該些差值之一移動平均以產生該計算結果。
6. 如申請專利範圍第5項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中該移動平均計算單元之一視窗長度與該脈衝雜訊之一脈衝串長度有關。
7. 如申請專利範圍第5項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中該計算電路更包含：一平均值計算單元，耦接該移動平均計算單元，用來計算該計算結果之一平均值；以及一乘法單元，耦接該平均值計算單元，用來將該平均值乘上一預設值以得到該臨界值；其中該預設值大於1。
8. 如申請專利範圍第5項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中該計 算電路更包含：一直流準位調整電路，耦接該移動平均計算單元，用來使該些差值或該計算結果產生一直流準位偏移；其中，該臨界值大於該直流準位偏移。
9. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中當該比較電路判斷該計算結果大於該臨界值，則判斷該數位之輸入訊號包含該脈衝雜訊。
10. 如申請專利範圍第1項所述之脈衝雜訊偵測電路，其中當該比較電路判斷該計算結果大於該臨界值之持續時間持續一預設時間範圍，則判斷該數位之輸入訊號包含該脈衝雜訊，該預設時間範圍與該脈衝雜訊之特性有關。
11. 一種脈衝雜訊偵測方法，應用於一正交分頻多工系統，用來偵測一輸入訊號是否包含一脈衝雜訊，該輸入訊號包含一資料頻段與一非資料頻段，該脈衝雜訊偵測方法包含：接收該輸入訊號；將該輸入訊號轉換為一數位之輸入訊號；濾除該數位之輸入訊號中之該資料頻段以產生一待測訊號；計算該待測訊號以產生一計算結果；以及比較該計算結果與一臨界值以判斷該輸入訊號是否包含該脈衝雜訊。
12. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中該濾除該數位之輸入訊號中之該資料頻段以產生該待測訊號之步驟包 含：以該正交分頻多工系統之一鄰頻干擾濾波器濾波該數位之輸入訊號以輸出該資料頻段的部分；暫存該數位之輸入訊號；以及將該數位之輸入訊號減去該資料頻段以產生該待測訊號。
13. 如申請專利範圍第12項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中該鄰頻干擾濾波器以帶通濾波進行濾波。
14. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中該計算步驟包含：計算該待測訊號之一時間上的變化量，以得到複數差值；以及計算該些差值之一移動平均以產生該計算結果。
15. 如申請專利範圍第14項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中該計算該些差值之該移動平均以產生該計算結果之步驟所使用之一視窗長度與該脈衝雜訊之一脈衝串長度有關。
16. 如申請專利範圍第14項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中該計算步驟更包含：計算該計算結果之一平均值；以及將該平均值乘上一預設值以得到該臨界值；其中該預設值大於1。
17. 如申請專利範圍第14項所述之脈衝雜訊偵測方法，更包含：調整該些差值或該計算結果使該些差值或該計算結果產生一直流 準位偏移；其中，該臨界值大於該直流準位偏移。
18. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中當該計算結果大於該臨界值，則判斷該數位之輸入訊號包含該脈衝雜訊。
19. 如申請專利範圍第11項所述之脈衝雜訊偵測方法，其中當該計算結果大於該臨界值之持續時間持續一預設時間範圍，則判斷該數位之輸入訊號包含該脈衝雜訊，該預設時間範圍與該脈衝雜訊之特性有關。