ОБНАРУЖЕНИЕ ПРИСУТСТВИЯ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ СИГНАЛОВ, ПОГРУЖЕННЫХ В ШУМ, С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАБОРА ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ЦИКЛОСТАЦИОНАРНОСТИ
DETECTION OF TELEVISION SIGNALS DROWNED IN NOISE USING SET OF CYCLOSTATIONARITY TOOLS

Изобретение относится к области когнитивных радиоустройств (Cognitive Radios), а более конкретно - к обнаружению присутствия или отсутствия телевизионного сигнала для гибкого использования когнитивными радиоустройствами.
Радиоустройства с подвижной спектральной характеристикой (также известные как когнитивные радиоустройства) представляют собой возникающий подход к беспроводной связи, в котором части частотного спектра используются на основе необходимости. Когнитивные радиоустройства корректируют свои характеристики передачи, основываясь на внешней среде. Это значит, что если часть спектра выделена лицензированному пользователю и не используется в данном месте и данное время, (при разрешении правилами Федеральной комиссии по связи) подвижные радиоустройства могут использовать этот спектр. Подвижные радиоустройства обычно убеждаются в том, что не существует лицензированных устройств, так что их передача не будет приводить к вредным помехам для лицензированных устройств.
Когнитивные радиоустройства могут быть использованы в беспроводных ситуациях короткого радиуса действия, таких как наблюдение пациентов в больнице, или беспроводных ситуациях дальнего радиуса действия, таких как беспроводной доступ “последней мили”. Заметим, что телевизионные приемники, которые участвуют в телевизионном обслуживании, не осуществляют передачу. Поэтому их присутствие трудно обнаружить. Тем не менее для функционирования телеприемники требуют максимального уровня сигнала от станции телевизионного вещания. Поэтому технические идеи, которые могут обнаружить присутствие телевизионных сигналов, глубоко погруженных в шум, являются важной частью подвижных/когнитивных радиоустройств.
Поэтому существует необходимость в производстве в разработке способов для идентификации телевизионных сигналов, глубоко погруженных в шум.
Раскрыт способ, устройство и компьютерный продукт для обнаружения присутствия телевизионного сигнала, внедренного в принятый сигнал, включающий в себя телевизионный сигнал и шум. Способ содержит этапы, на которых определяют пиковую энергию принятого телевизионного сигнала и определяют периодичность телевизионного сигнала на основе установленной пиковой энергии. В одном аспекте изобретения этап определения пиковой энергии содержит этапы, на которых увеличивают частоту дискретизации принятого сигнала на множитель N, выполняют синхронное усреднение набора M сегментов принятого сигнала с увеличенной частотой дискретизации, выполняют автокоррелирование сигнала и обнаруживают присутствие пиков на выходе функции автокорреляции. В другом аспекте изобретения способ содержит этапы, на которых увеличивают частоту дискретизации принятого сигнала на множитель N, выполняют задержку-перемножение сигнала, выполняют анализ тона и обнаруживают одиночный сигнал на выходе анализа тона.
Фиг. 1A и 1B иллюстрируют временное представление и частотное представление традиционного аналогового телевизионного сигнала;
Фиг. 2A и 2B иллюстрируют частотное представление и структуру кадра примерного цифрового телевизионного (ATSC) сигнала;
Фиг. 3A и 3B иллюстрируют циклическую корреляцию и плотность спектральной корреляции традиционных NTSC (аналоговых) телевизионных сигналов;
Фиг.3C иллюстрирует способ для определения отношения (ОСШ, SNR) выходного сигнала к шуму для получения телевизионного сигнала;
Фиг.4 иллюстрирует результаты обнаружения традиционного аналогового NTSC сигнала в соответствии с принципами настоящего изобретения;
Фиг.5 иллюстрирует результаты обнаружения традиционного ATSC (цифрового) телевизионного сигнала в соответствии с принципами настоящего изобретения; и
Фиг.6 иллюстрирует систему для выполнения обработки, показанной в данном документе.
Должно быть понятно, что данные чертежи имеют место единственно для целей иллюстрирования концепций изобретения и не подразумеваются в качестве определения границ изобретения. Варианты осуществления, продемонстрированные на фигурах в данном документе и описанные в сопутствующем подробном описании, должны использоваться в качестве иллюстративных вариантов осуществления и не должны толковаться в качестве единственного способа осуществления изобретения. Также, одинаковые ссылочные номера, возможно с добавлением ссылочных символов в соответствующих случаях, использованы для обозначения одинаковых элементов.
Традиционно, набор инструментальных средств циклостационарности используется для обнаружения сигналов, которые погружены в шум. Свойство циклостационарности возникает в сигнале, если сигнал имеет значения периодического среднего и периодической дисперсии (циклостационарность более высокого порядка, называемого четвертым порядком, также может быть проявлена). Фиг. 1A и 1B иллюстрируют периодическую природу традиционного аналогового телевизионного сигнала в интервалах времени и частоты соответственно. Обращаясь к фиг.1A, традиционный телевизионный сигнал обладает свойством (H) периодического времени, где сигнал “горизонтальной синхронизации” генерируется после каждого кадра данных (458 строк). Сигнал горизонтальной синхронизации повторяется 30 раз в секунду. Фиг.1B иллюстрирует периодический сигнал в интервале частоты, где энергия сигнала сгруппирована в частотах, разделенных периодом строчной развертки, представленным как “H”. Со ссылкой на фиг. 1A и 1B может быть видно, что спектр традиционного телевизионного сигнала имеет высокий порядок собственной корреляции и, следовательно, обладает свойством циклостационарности.
Фиг. 2A и 2B иллюстрируют сходное свойство циклостационарности для цифровых сигналов. В отношении фиг.2A, спектр цифрового телевизионного сигнала (IEEE ATSC 53) показан включающим подавленную несущую в предопределенной части частотного спектра и общий диапазон также фиксирован. Фиг.2B иллюстрирует повторяемую структуру кадра сигнала IEEE ATSC 53, где 313 сегментов передаются в 24,2 миллисекундном кадре.
(R
(τ))
(S
(f))
x
x
a
a
Для аналоговых сигналов циклическая функция автокорреляции  и циклическая функция спектральной плотности   (уравнения 1 и 2) показаны на фигурах 3A и 3B соответственно. Эти функции могут быть определены как
(1)
(2)
R
(τ)
x
a
где  - функция автокорреляции принятого сигнала (x);
S
(f) -
x
a
Фурье-преобразование циклической функции автокорреляции; и
τ -
задержка между двумя сигналами.
snr
Большинство существующих способов предлагают использование задержки-перемножения для обнаружения циклостационарных (периодически изменяющихся) сигналов. Для цифровых сигналов выходной сигнал SNR(O) для схемы задержки-перемножения задан посредством
snr
где O - выходной SNR;
s
N - время интегрирования или количество частей быстрого преобразования Фурье (FFT); а γ различно для разных схем обнаружения.
Тем не менее γ мало и типично равно 0,0012. Фиг.3C иллюстрирует способ определения значения γ.
В соответствии с принципами изобретения обнаружение сигналов на основе синхронного усреднения (использующего свойство циклостационарности первого порядка) или задержка-перемножение, за которой следует обнаружение тона (использующее свойство циклостационарности второго порядка), используется для обнаружения скрытой периодичности принятого сигнала, содержащего телевизионный сигнал и шум, и для дополнительного обнаружения наличия принятых аналоговых и/или цифровых телевизионных сигналов. Более точно, способ настоящего изобретения, использующий свойство циклостационарности первого порядка, может быть обобщен как способ, содержащий этапы, на которых:
a. увеличивают частоту дискретизации необходимого сигнала на множитель N;
b. выполняют синхронное усреднение набора из M сегментов;
c. выполняют автокорреляцию сигнала; и
d. обнаруживают наличие пиков в результате автокорреляции.
На основе оценки периодичности ″H″ (как показано на фиг.1A) на приемнике (так как восстановление тактовых импульсов полностью не определено, проводится поиск по B соседним элементам разрешения по частоте), принятый входной сигнал (телевизионный сигнал и шум) может быть сегментирован и M таких сегментов усредняются вместе. B выбирается на основе точности тактовых импульсов у приемника, то есть, если тактовые импульсы очень точны, B мало, тогда как если тактовые импульсы менее точны, B является большим числом. Поскольку ″H″ велико, ошибки в оценке величины тактовых импульсов не имеют существенного влияния на обнаружение (в дополнение, поиск по B соседним элементам разрешения по частоте частично уменьшает данную проблему). Следуя этому, обнаружение с использованием согласованного фильтра используется для обнаружения наличия образца синхроимпульсов в аналоговом телевизионном сигнале.
Во втором аспекте, способ настоящего изобретения, использующий свойство циклостационарности второго порядка, может быть обобщен как способ, содержащий этапы, на которых (проводимый в B соседних элементах разрешения по частоте):
a. увеличивают частоту дискретизации необходимого сигнала на множитель N;
b. выполняют задержку-перемножение сигнала;
с. выполняют анализ тона; и
d. обнаруживают одиночный сигнал в результате анализа тона.
Фиг.4 иллюстрирует результаты синхронного усреднения на основе обнаружения циклостационарности традиционного аналогового NTSC телевизионного сигнала для сегментов размера M=5, 10, 15 и 20 в соответствии с принципами изобретения.
Коэффициент N выборки с увеличением обычно выбирается как несколько порядков амплитуды больше, чем аналоговая телевизионная частота выборки в 13,5 МГц и цифровая телевизионная частота выборки в 10,75 миллионов символов в секунду.
Как было проиллюстрировано, с увеличением количества выбранных сегментов (M) увеличивается результирующий SNR для известного входного SNR. То есть, с увеличением количества используемых сегментов, шум в принятом сигнале усредняется по большему количеству сегментов, предусматривая большее отношение сигнал-шум и лучшую возможность обнаружения скрытой периодичности в принятом сигнале. Соответственно, M как известное кратное число оценки периодичности (H) ожидаемого сигнала.
Фиг.5 иллюстрирует результаты обнаружения на основе задержки-перемножения и синхронного усреднения, в соответствии с принципами изобретения, примерного цифрового телевизионного сигнала. В этом проиллюстрированном представлении, корреляция-1 представляет автокорреляцию сигнала, за которой следует пороговое обнаружение для обнаружения полевого сигнала синхронизации (т.е. горизонтальная ось на фиг.2A), и корреляция-2 представляет синхронное усреднение, как обсуждалось выше, как применяемое к ATSС (цифровым) сигналам для обнаружения сегмента сигнала синхронизации (т.е. вертикальная ось на фиг.2A).
Как будет признано, обработка, показанная в данном документе, может быть выполнена посредством программного и/или аппаратного кода, функционирующего в компьютере или системе обработки данных. Система может включать программируемую память, т.е. PROM, RAM, FLASH и т.д., которая хранит код, который предоставляет необходимые команды системе обработки данных. Код может быть предварительно сохранен в памяти или может быть скачан с помощью одного или более машиночитаемых носителей или по сети. При другом подходе, код может быть аппаратным кодом, загруженным в FPGA или ASIC, который предоставляет требуемые команды системе обработки данных. Система обработки данных может дополнительно принимать входные данные от одного или более датчиков, которые предоставляют показания о движении переносного устройства.
Фиг.6 иллюстрирует традиционную систему 600 обработки, для выполнения обработки, показанной в данном документе. Система 600 обработки включает в себя процессор 610 на связи с памятью 615 и устройством 620 ввода/вывода по шине 625 связи. Память 615 может включать команды или компьютерный код, который при выполнении процессором 620 выполняет обработку, описанную в данном документе. Устройство 620 ввода/вывода предоставляет средства для процессора 610 и/или памяти 615 приема информации от, или передачи информации второй системе обработки данных или системе отображения информации. Хотя не показано, будет признано, что информация может быть передана по одной или более сетям между устройством отображения и устройством 620 ввода/вывода или второй системой обработки данных и устройством 620 ввода/вывода. Например, компьютерный код может быть передан памяти по сети через устройство 620 ввода/вывода.
В то время, как здесь были показаны, описаны и указаны существенные новые признаки настоящего изобретения, которые применяются для предпочтительных вариантов осуществления этого изобретения, будет понятно, что различные опущения и замены, и изменения в описанном устройстве, в виде и деталях раскрытых устройств, и их функционировании, могут быть выполнены специалистами в данной области техники без отклонения от сущности настоящего изобретения. Ясно обозначено, что все сочетания таких элементов, которые выполняют по существу одинаковую функцию по существу одинаковым способом для достижения одинаковых результатов, находятся в объеме изобретения. Замены элементов из одного описанного варианта осуществления к другому также полностью умышленны и предусмотрены.