JP2008538166A - デジタルテレビ信号の存在を検出する方法及び機器 - Google Patents

Abstract

デジタルテレビ信号の存在を検出する方法200及びシステム300は、ＤＴＶ信号内の周期的トレーニングシーケンスを利用する。前記方法200及びシステム300は、トレーニングシーケンス間の期間とおよそ同一である遅延410及び510を用いて前記デジタル的にサンプリングされた受信信号を自己相関化する。設定されたしきい値を超える相関化ピークが検出される場合、ＤＴＶ信号が存在することが決定され、そうでない場合、何のＤＴＶ信号も存在しないことが決定される。

Description

本発明は、信号検出の分野に関し、より特には、デジタルテレビ（ＤＴＶ）信号の存在を検出する方法及び機器に関する。

２００４年５月２５日付けで、米国連邦通信委員会（ＦＣＣ）は、無免許の無線送信器が、１つ又は複数の割り当てされた地上波テレビチャネルが用いられていない場所において、放送テレビ周波数内で稼働することを許可する、Notice of Proposed Rulemaking (NPRM)(FCC 04-113) in ET Docket No. 04-186を発表した。しかし、ＦＣＣは、斯様な無免許の送信器は、免許済み地上波テレビ信号の受信との干渉がないことを保証する保護手段を用いてのみ許可され得ることを強調した。したがって、地上波テレビサービスとの干渉を防ぐためには、如何なる斯様な無免許の送信器も、地上波テレビ信号が同一のエリアで受信および視聴され得る如何なる周波数又はチャネルにおいても稼動しないことを保証することが重要である。

したがって、テレビ局及びその視聴者への何の干渉も生じないことを確実にするために、前記委員会は、これらの無免許の送信器が、未使用又は空きのテレビチャネルを識別するとともに斯様な空きチャネルにおいてのみ送信する能力を組み込むことを必要とすることを提案した。ＦＣＣによって進められた考案の１つは、無許可の送信器が動作状態になる前に、他の送信器（すなわち、免許済みの地上波テレビ放送送信器）がエリアにおける特定のチャネルにおいて稼動しているかを検出する感知能力を無免許送信器に組み込むことであり得る。

例えば、固定無許可送信器は、送信器がインストールされるべきエリアにおいて特定の地上波テレビチャネルが実際に用いられているかを検出することが可能である受信器およびアンテナを組み込むことを必要とされ得る。アンテナ及び受信器が特定のチャネルにおいて地上波テレビ放送信号を検出する場合、無許可送信器は、当該チャネルを用いることを禁じられ得る。無許可送信器は、アンテナ及び受信器が、何の地上波テレビ放送信号も当該チャネルにおいて存在しないことを確証する場合にのみ、特定の場所における特定のチャネルで稼働することを許可され得る。

しかし、斯様なセンシングは、地上波テレビ信号を受信し、音声及びビデオ信号を復号するのに通常用いられる受信器よりも遥かに敏感である必要があり得る。というのも、地上波テレビ信号は、フェーディング及び構造的な妨害物などの影響を受けやすいので、周辺エリアよりも地上波テレビ信号が低いような場所において測定が行われ得る可能性があるからである。

したがって、地上波テレビ信号、特に地上波デジタルテレビ（ＤＴＶ）信号の存在を検出する方法及び機器を提供することが所望であり得る。また、視聴可能な画像に関して必要なレベルより十分低いような低電力レベルで斯様な信号を検出し得る斯様な方法及び機器を提供することが所望であり得る。更に、ＤＴＶ信号に同期化する必要なく、ＤＴＶ信号を検出することが所望であり得る。より更に、低コストで提供され得る斯様な方法および機器を提供することが所望であり得る。

本発明の態様の１つにおいて、デジタルテレビ信号の存在を検出する方法が、受信信号をサンプリングするステップと、自己相関結果を生成するために、Ｎ個のサンプルを有する相関ウィンドウにおいて前記サンプリングされた受信信号の少なくとも１つの自己相関化を実行するステップであって、前記自己相関化が、デジタルテレビ信号内のトレーニングシーケンスの送信間の期間の整数倍である遅延を用いて実行される、ステップと、前記自己相関結果をしきい値と比較するとともに、前記自己相関結果のうちの１つが前記しきい値よりも大きい場合にデジタルテレビ信号が存在することを決定するステップと、を有する。

本発明の別の態様において、デジタルテレビ信号の存在を検出する受信器が、受信信号を設定されたレートでサンプリングするように構成される標本化器と、自己相関結果を生成するために、前記サンプリングされた受信信号を自己相関化するように構成される自己相関化器であって、前記自己相関化が、デジタルテレビ信号内のトレーニングシーケンスの送信間の期間の整数倍である遅延を用いて実行される、自己相関化器と、前記自己相関結果をしきい値と比較するとともに、前記自己相関結果のうちの１つが前記しきい値よりも大きい場合にデジタルテレビ信号の検出を示すように構成される比較器と、を有する。

図１は、北米ＤＴＶ標準に従うデジタルテレビ（ＴＶ）信号のフレーム構造を示す。フレームは、313個のセグメントからなる。各セグメントは、832個のシンボルからなる。各フレーム内において、トレーニングシーケンス(training sequence)が送信される。これは、一般にフィールド同期(frame sync)としても知られる。したがって、トレーニングシーケンスは、ＤＴＶ信号内における周期的な信号であり、24.2ms毎に一度送信される。

ダウンコンバージョン及びデジタル化（サンプリング）の後で、雑音が存在する受信されたＤＴＶ信号は、数式（１）：

に従いモデル化され得、ここで、Tはサンプリングレートであり、f₀は搬送波周波数エラーであり、n(mT)は雑音成分である。この場合、サンプリングレートTは、ＤＴＶ信号のサンプリングレートとは必ずしも同一でない。実際、斯様な特徴は、検出器がＤＴＶ信号と同期する必要がないので、より簡単な実施化になる。

一方で、a(mT)は、数式（２）：

によって記載される受信信号成分であり、ここで、xは送信されるＤＴＶ情報であり、hは地上波チャネルインパルス応答である。チャネルインパルスは、時間可変であり得る。それにもかかわらず、以下の分析の目的のために、検出ウィンドウ内の時間変数は、最小であることを仮定される。

前記されたように、ＤＴＶ信号は、24.2ms毎に既知のトレーニングシーケンスを周期的に送信する。

従来のＤＴＶ受信器において、この周期的成分（トレーニングシーケンス）の検出は、通常、受信信号をトレーニングシーケンスのローカル複製と相関化することによって達成される。しかし、この方法は、送信される信号とのほとんど完璧なタイミング及び搬送波周波数同期化を必要とする。実際には、ＤＴＶ信号の同期化は、周波数選択フェーディングが存在する場合、問題になることが分かっている。また計算的に高価である。

有利には、図２は、正確なタイミング及び搬送波周波数同期化を必要とすることなく、この周期的な信号を使用して、ＤＴＶ信号の存在を検出するロバストな方法のフローチャートを示す。

第１ステップ２１０において、受信器は、受信器がＤＴＶ信号が存在するか否かを決定することを望むチャネルに同調する。

第２ステップ２２０において、受信器は、前記チャネルに存在する（雑音を含めた）信号は何でも受信し、チャネルがデジタル的にサンプリングされ得るように受信信号をダウンコンバートする。代替的に、技術が発展するに従い、チャネルをＲＦ周波数で直接サンプリングすることが可能になり得る。

第３ステップ２３０において、信号は、サンプリングレート1/Tでデジタル的にサンプリングされる。サンプリングレートは、トレーニングシーケンスにおけるビットのデータレートと同一か、およそ同一であり得るが、このことは必要ではない。有益には、サンプリングレートは、1/T≧10.6Msamples/sec(T≦94.3nsec.)である。

第４ステップ２４０において、サンプリングされた受信信号は、数式（３）：

に従い、自己相関結果を生成するために、ウィンドウにおいてＮ個のサンプルに関して自己相関化され、ここで、r(n)は、受信されたサンプルであり、Dは遅延(D≒24.2ms/T)であり、Nは相関ウィンドウである。一つの実施例において、Ｎは、500である。

数式(１)を数式（３）に代入し、簡素化すると、数式(４)：

を生成し、ここで、Z(m)は、雑音項及び如何なる受信ＤＴＶ信号をも表す項のクロス相関である。

数式(４)から確認され得るように、有利には、自己相関化において用いられる遅延は、ＤＴＶ信号におけるトレーニングシーケンスの送信間の期間に等しい、又はおよそ等しい。言い換えると、自己相関化は、自身の遅延されたバージョンを用いて、サンプリングされた受信信号の相関の程度を決定し、ここで、遅延は、トレーニングシーケンス送信間の期間に等しい。チャネルが24.2ms内において準静的であるとの仮定の下において、24.2ms毎のＤＴＶ信号の周期的成分は、ほとんど同一である。したがって、ＤＴＶ信号が存在する場合、数式（４）の自己相関化の結果は、24.2ms毎に大きなピークを示す。更に、以下のシミュレーションにおいて、チャネルが時間可変であると仮定される場合であっても、ＤＴＶ信号の存在をロバストに検出することがなお可能であることが示される。数式（４）から、搬送波周波数エラーすなわちサンプリングエラーが自己相関化に影響を与えないことが確認され得る。有利には、これにより、実施化の簡素化になり、正確な周波数又はタイミング同期化に関する必要性を除去することに繋がる。

第５のステップ２５０において、数式（４）の相関結果は、デジタルテレビ信号が存在するかを決定するために、各サンプル間隔Ｔにおいてしきい値Ｘと比較される。すなわち、しきい値Ｘが自己相関化結果f(m)より大きい限りは、何のＤＴＶ信号も検出されない。しかし、自己相関化結果f(m)がＸより大きい場合及びときは、ＤＴＶ信号が存在し、検出されたことが決定される。しきい値Ｘは、雑音レベル、ＡＧＣ設定、及び期待される信号強度の関数である。通常、ＡＧＣは、弱い信号を捕まえるために最大化される。主な考え方は、相関雑音フロアに対して相関ピークの存在を検出することである。有益には、バースト検出ステップにおいて、ＡＧＣは、固定値に設定され、ＡＧＣが稼動に影響を与えないようにされる。通常、ＡＧＣは、弱い信号を捕まえるために最大値に設定される。

有益には、しきい値Ｘは、相関ウィンドウＮより大きいムービングウィンドウＭにおいて自己相関結果f(m)の全ての変動する平均を計算することによって、決定され得る。相関出力は、簡単なローパスフィルタを用いて実施化され得るウィンドウ平均化ユニットを介して通過される。このことは、以下に図６に関して更に詳細に説明される、平均相関出力と特定のウィンドウにおける相関ピークを比較することによって達成され得る。

有効な信号が存在する場合、このスキームは、通常、１フレームシンボル期間（すなわち24.2ms）内において検出を提供し得る。

ＤＴＶ信号が検出される場合、処理はステップ２１０に戻り、新しいチャネルに同調し、全ての許容ＤＴＶチャネルが確認されるまで処理を繰り返す。

ＤＴＶ信号が検出されない場合、ステップ２４０及び２５０は、ＤＴＶ信号を検出することなくＤＴＶ信号に関して設定された時間が満了するまで繰り返される。この場合、ステップ２６０において、チャネルがこの場所においてＤＴＶ信号を有さないことが決定される。この場合、ステップ２７０において全ての可能なＤＴＶチャネルが確認されたかが決定される。決定された場合、処理は終了する。そうでない場合、処理はステップ２１０へ戻し、新しいチャネルに同調し、全ての許容ＤＴＶチャネルが確認されるまで処理を繰り返す。

図３は、ＤＴＶ信号におけるトレーニングシーケンスの周期的送信を利用するために自己相関化を実行することによってＤＴＶ信号の存在を検出することが可能である受信器３００のブロック図を示す。

受信器３００は、同調器３１０、ダウンコンバータ３２０、信号標本化器３３０、自己相関化器３４０、及び比較器３５０を含む。受信器３００の動作は、図２に関して上記で説明されており、簡明性のために繰り返されない。

図４は、図３の受信器において用いられ得る自己相関化器４００の第１の実施例のブロック図を示す。自己相関化器４００は、Ｄ長の遅延部４１０、乗算器４２０、Ｎ長の遅延部４３０、合計回路４４０、及びＴの遅延部４５０を含む。自己相関化器４００は、上記の数式（４）を実施し、比較的低コストで実施化され得る。

基本自己相関化アルゴリズムの実行は、多レベルの階層型遅延相関を用いることによって向上され得る。これらの多レベル階層化相関は、数式（５）：

に従い記載され得る。

図５は、図３の受信器において用いられ得、また多（例えば２つの）自己相関化ブランチを用いる自己相関化器５００の第２実施例のブロック図を示す。自己相関化記５００は、それぞれがＤ長の遅延部５１０及び乗算記５２０を含む相関ブランチ５０５、相関ブランチ出力合計器５２５、Ｎ長の遅延部５３０、合計回路５４０、及びＴの遅延部５５０を含む。自己相関化器５００は、上述の数式（５）を実施化する。当然、２つより多い相関ブランチ５０５も用いられ得る。

図６は、自己相関化器３４０及び比較器３５０を含む、図３の受信器の一部の一つの実施例の簡素化されたブロック図を示す。図６の実施例において、比較器３５０は、ムービングウィンドウＭにおいて自己相関結果の平均を取るとともに、決定回路６２０へしきい値Ｘを出力するように構成されるウィンドウ平均化ユニット６１０を含む。有益には、ムービングウィンドウＭのサイズは、自己相関ウィンドウＮのサイズよりも大きい。図６の実施例によると、ＤＴＶ信号が存在するか否かを決定するしきい値Ｘは、ムービングウィンドウＭにおける自己相関化結果の全ての平均として設定される。有益には、ウィンドウ平均化ユニット６１０は、ローパスフィルタであり得る。

上述の方法及びシステムの性能を評価するために、ＤＴＶ信号に関するモデルを用いたシミュレーションが行われた。シミュレーションは、Ｄ遅延部として記されるバッファに関して１ビット遅延ユニットを用いて実行された。このバッファの全体サイズは、したがって、832*313*2ビットである。最新のＣＭＯＳ技術は、デジタルＩＣへの斯様なメモリの容易な統合を可能にする。

図７は、入力される信号対雑音比が-5dBである、図４の自己相関化器の実施例のシミュレートされた出力を示す。図７が示すように、ＤＴＶ信号の存在は、確実に検出され得る。ＤＴＶに関する可視性のしきい値は、約15dBのＳＮＲである。このことは、シミュレートされる信号ＳＮＲが20dB悪いことを意味する。この20dBのＳＮＲ差は、実用的な機敏な無線システムに関して十分なマージンを提供し得る。例えば、他のことが等しい場合、検出を行う受信器における信号電力は20dBだけ低くされ得る一方で、近くのＤＴＶにおける信号電力は、ＴＶ受信器が確実に復号し得る最小値であり得る。したがって、この20dBの差は、例えばディープフェーディングなどを考慮し得るマージンであり得る。

第２の例として、1μsの遅延で強い(0dB)エコーを加えることによってシミュレーションが実行された。このエコーは、チャネル変化を考慮する5Hzのドッブラー周波数に影響を受けた。

図８は、入力される信号対雑音比が-5dBである強いマルチパス「ゴースト」信号が存在する、図４の相関化器の実施例のシミュレートされた出力を示す。図８は、明らかに、ＤＴＶ信号が斯様なマルチパス条件に影響を受ける場合でも、ＤＴＶ信号がなお検出され得ることを証明する。従来のＤＴＶ受信器は、斯様な信号を復号するために、22-30dBのＳＮＲを必要とし得る。このことは、図３の受信器がＤＴＶ受信器に関する要件より少なくとも27dB低く動作していること、すなわち27dBのマージンであることを示す。

したがって、上述の方法及び機器は、可聴画像に関して必要なレベルより十分低い低電力レベルで地上波デジタルテレビ（ＤＴＶ）信号を検出し得る。これらの方法及び機器は、ＤＴＶ信号に対する同期化を必要とせずに達成し、比較的低コストで実施化され得る。

好ましい実施例が開示されているが、本発明の概念及び範囲内にある多数の変形態様も可能である。斯様な変形態様は、本文書の明細書、図面、及び請求項の閲覧の後には当業者にとって明らかになり得る。したがって、本発明は、添付の請求項の精神および範囲内にあることを除いて制限されるべきでない。

図１は、デジタルテレビ（ＤＴＶ）信号のフレーム構造を示す。 図２は、ＤＴＶ信号の存在を検出する方法のフローチャートを示す。 図３は、ＤＴＶ信号の存在を検出することが可能である受信器のブロック図を示す。 図４は、図３の受信器において用いられ得る相関化器の第１実施例のブロック図を示す。 図５は、図３の受信器において用いられ得る相関化器の第２実施例のブロック図を示す。 図６は、図３の受信器の一部の一つの実施例の簡素化されたブロック図を示す。 図７は、入力される信号対雑音比が-5dBである、図４の相関化器の実施例の出力を示す。 図８は、入力される信号対雑音比が-5dBである強いマルチパス「ゴースト」信号が存在する、図４の相関化器の実施例の出力を示す。

Claims (10)

1. デジタルテレビ信号の存在を検出する方法であって、
   (i)受信信号をサンプリングするステップと、
   (ii)自己相関結果を生成するために、Ｎ個のサンプルを有する相関ウィンドウにおいて前記サンプリングされた受信信号の少なくとも１つの自己相関化を実行するステップであって、前記自己相関化が、デジタルテレビ信号内のトレーニングシーケンスの送信間の期間の整数倍である遅延を用いて実行される、ステップと、
   (iii)前記自己相関結果をしきい値と比較するとともに、前記自己相関結果のうちの１つが前記しきい値よりも大きい場合にデジタルテレビ信号が存在することを決定するステップと、
   を有する方法。
2. 前記受信信号の少なくとも１つの自己相関化を実行するステップが、
   第１部分自己相関出力を生成するために、前記デジタルテレビ信号内の前記トレーニングシーケンスの送信間の前記期間に等しい遅延を用いて、前記サンプリングされた受信信号の第１自己相関化を実行するステップと、
   第２部分自己相関出力を生成するために、デジタルテレビ信号内のトレーニングシーケンスの送信間の前記期間の２倍である遅延を用いて、前記サンプリングされた受信信号の第２自己相関化を実行するステップと、
   前記自己相関結果を生成するために、前記第１及び第２部分自己相関出力を加えるステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記受信信号の少なくとも１つの自己相関化を実行するステップが、
   前記デジタルテレビ信号内の前記トレーニングシーケンスの送信間の前記期間に等しい遅延Ｄによって前記サンプリングされた受信信号を遅延させるステップと、
   乗算結果を生成するために、前記サンプリングされた受信信号及び前記遅延されたサンプリング受信信号の第１の複素共役を、前記サンプリングされた受信信号及び前記遅延されたサンプリング受信信号の第２のものによって乗算するステップと、
   前記相関ウィンドウＮにおいて前記乗算結果を合計するステップと、
   を含む、請求項１に記載の方法。
4. (a)ステップ(i)の前に、受信器を第１デジタルテレビチャネルに同調させるステップと、
   (b)ステップ(iii)の後に、前記受信器を別のデジタルチャネルに同調させるステップと、
   (c)ステップ(b)の後に、ステップ(i)から(iii)へ繰り返すステップと、
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記しきい値が、ムービングウィンドウにおける前記自己相関結果の全ての平均である、請求項１に記載の方法。
6. デジタルテレビ信号の存在を検出する受信器であって、
   受信信号を設定されたレートでサンプリングするように構成される標本化器と、
   自己相関結果を生成するために、前記サンプリングされた受信信号を自己相関化するように構成される自己相関化器であって、前記自己相関化が、デジタルテレビ信号内のトレーニングシーケンスの送信間の期間の整数倍である遅延を用いて実行される、自己相関化器と、
   前記自己相関結果をしきい値と比較するとともに、前記自己相関結果のうちの１つが前記しきい値よりも大きい場合にデジタルテレビ信号の検出を示すように構成される比較器と、
   を有する受信器。
7. 前記自己相関化器が、
   第１部分自己相関出力を生成するために、前記デジタルテレビ信号内の前記トレーニングシーケンスの送信間の前記期間に等しい遅延を用いて動作するように構成される第１自己相関化器と、
   第２部分自己相関出力を生成するために、デジタルテレビ信号内のトレーニングシーケンスの送信間の前記期間の２倍に等しい遅延を用いて動作するように構成される第２自己相関化器と、
   前記自己相関結果を生成するために、前記第１及び第２部分自己相関出力を加えるように構成される合計器と、
   を含む、請求項６に記載の受信器。
8. 前記自己相関化器が、
   前記サンプリングされた受信信号を遅延させるように構成されるＤ長の遅延部と、
   乗算結果を生成するために、前記サンプリングされた受信信号及び前記遅延されたサンプリング受信信号の第１の複素共役を、前記サンプリングされた受信信号及び前記遅延されたサンプリング受信信号の第２のものによって乗算するように構成される乗算器と、
   前記相関ウィンドウＮにおいて前記乗算結果を合計するように構成される合計回路と、
   を含む、請求項６に記載の受信器。
9. 前記受信器をデジタルテレビチャネルの周波数に同調させる同調器を更に備える、請求項６に記載の受信器。
10. 前記比較器が、ムービングウィンドウにおける前記自己相関結果の平均を取り、前記しきい値を出力するウィンドウ平均化ユニットを更に備える、請求項６に記載の受信器。

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