專利名稱：帶有模擬信號預先補償的am數字音頻廣播的制作方法
技術領域：
本發明涉及無線電廣播，尤其涉及AM帶內信道上(IBOC)數字音頻廣播(DAB)和AM IBOC DAB發射機中的信號處理。
背景技術：
數字音頻廣播是用于提供數字質量音頻的媒介，其優于現有的模擬廣播格式。AM IBOC DAB能夠以混合形式發送，在此，數字信號與模擬調制信號共存；它也可以以全數字形式發送，在此，由于篩除了模擬信號，干擾減少，從而擴大了數字覆蓋范圍。IBOC DAB不需要新的頻譜分配，因為在現有的AM信道分配的頻譜屏蔽(mask)內每一個DAB信號都能同時得以傳送。IBOC能在保證廣播電臺向它們現有的主要聽眾提供數字質量聲音的同時促進頻譜的節約。
美國專利第5,588,022號披露了用于在一個標準AM廣播頻道內同時廣播模擬和數字信號的混合AM IBOC廣播方法，該方法包括步驟廣播具有第一頻譜的調幅射頻信號，其中該調幅射頻信號包括一個經模擬節目信號調制的第一載波；同時廣播包括第一頻譜的一個帶寬內的多個經數字調制的載波信號，每個數字調制載波信號都由一部分數字節目信號加以調制。第一組經數字調制的載波信號位于第一頻譜內，并被調制成與第一載波信號正交。第二組和第三組經數字調制的載波信號位于第一頻譜之外，并被調制成既與第一載波信號同相，又與第一載波信號正交。
在美國，根據聯邦通信委員會(FCC)規定，AM廣播站的發射局限于如下定義的信號電平屏蔽內從模擬載波去除的10.2kHz-20kHz的發射必須被衰減到至少比未調制的模擬載波電平低25dB，從模擬載波去除的20kHz-30kHz的發射必須被衰減到至少比未調制的模擬載波電平低35dB，而從模擬載波去除的30kHz-60kHz的發射必須被衰減到至少比未調制的模擬載波電平低[35dB+1dB/kHz]。
美國專利第5,859,876號旨在減小與模擬AM信號所處的同一頻道內由多個數字調制載波引起的模擬AM信號包絡失真。美國專利第5,859,876號的信號傳輸系統包括發射一個調幅載波和多個數字調制載波的裝置。高于和低于模擬AM載波的頻率處都有數字載波。高于模擬AM載波頻率的某些數字載波有一個位于模擬AM載波之下的相同頻率偏置的相關數字載波。在上部的數字載波和其對應的數字載波上進行的數據調制使得從它們相加產生的信號中沒有與模擬AM載波同相的成分。據說，以這種方式排列的數字載波對是互補的。這種配置使數字廣播信號的模擬接收保真度提高。美國專利第5,859，876號中也提到，減小包絡失真的另外一種手段是使信號包絡預失真。信號包絡被預失真以抵消數字載波帶來的失真。美國專利第5,859，876號披露了利用模擬處理進行的預失真操作，并且提到利用數字處理也可以進行該操作。
在混合IBOC DAB系統中，模擬調制信號的出現也引起對接收機解調器的輸出中的數字調制信號的干擾。在本混合系統中用于傳輸數字信息的正交頻分復用(OFDM)波形使得可以輕松消除模擬調制信號對互補子載波的影響，這些子載波直接位于AM頻譜之下。這些子載波的結構保證了它們在被調制和適當組合后能夠與模擬調制信號正交。但模擬調制信號對其他的非互補子載波的影響無法通過在接收機中的處理而消除。
本發明尋求提供一種用于減小從AM IBOC混合數字廣播系統的模擬調制載波產生的非互補載波所發送的數字信號中的失真的方法和設備。
發明內容
本發明提供了一種用于預先補償包括一個模擬信號和多個數字調制子載波信號的復合數字音頻廣播信號中的模擬信號的方法，該方法包括以下步驟抽樣模擬信號以獲得連續幾組樣本；對每一組樣本進行解調以獲取多個解調器輸出；對那些與預定的數字調制子載波信號對應的解調器輸出再調制以產生一個錯誤信號；從一組樣本中扣除錯誤信號以產生一組預先補償的樣本；以及將經預先補償的那組樣本與多個OFDM脈沖組合在一起，以產生一個經補償的復合信號。
幾組連續的樣本可能相互重疊。預先補償樣本組中的樣本數優選等于OFDM信號中的樣本數。為了產生與復合信號中的非互補子載波對應的解調器輸出，與互補子載波對應的解調器輸出可設定為零。
本發明還包括一種用于預先補償包括一個模擬信號和多個數字調制子載波信號的復合數字音頻廣播信號中的模擬信號的設備，該設備包括用于抽樣模擬信號以獲得連續樣本組的裝置，用于對每組樣本進行解調以獲得多個解調器輸出的裝置，用于對那些與預定的數字調制子載波信號對應的解調器輸出進行再調制，以產生一個錯誤信號的裝置，用于從一組樣本中扣除錯誤信號以產生一組預先補償的樣本的裝置，以及用于將經預先補償的那組樣本與多個OFDM脈沖組合在一起以產生一個經補償的復合信號的裝置。
圖1是AM混合IBOC DAB信號的示意圖，表示AM和DAB信號的相對電平；圖2是IBOC DAB發射機相關部分的簡化方塊圖，該發射機可以結合本發明的預失真方法；圖3是說明本發明如何操作的功能性方塊圖；圖4是進一步說明本發明如何操作的功能性方塊圖。
具體實施例方式
參考附圖，圖1是AM混合IBOC DAB復合信號10的示意圖，表示AM和DAB信號的相對電平。混合信號格式包括傳統的AM模擬信號12連同在AM信號之下傳送的DAB信號14。DAB信號包括多個數據載波，它們之間間隔相同頻率。數字化調制載波是通過正交頻分復用(OFDM)產生的。這種形式能夠使這些載波的頻譜沒有任何中間保護帶地重疊，從而最優化頻譜利用。但是在時域可以使用保護間隔來補償信號定時上的不穩定性。OFDM調制技術對于成功的DAB操作極其有用，因為在AM帶內，帶寬是最佳的商品。另一個優勢在于無需通過發射機或接收機的過濾把DAB數字載波相互之間分隔開，因為OFDM的正交狀態使得這種干擾最小化。
DAB載波包含在帶寬為30kHz的頻道16內，該頻道分為中頻帶18，上頻帶20和下頻帶22。中頻帶帶寬約為10kHz，包括位于本頻道中間頻率±5kHz之內的頻率。上邊帶包括從中間頻率大約+5kHz到從中間頻率大約+15kHz之間的頻率。下邊帶包括從中間頻率大約-5kHz到從中間頻率大約-15kHz之間的頻率。FCC的發射屏蔽由項目號24表示。
復合模擬和數字DAB波形包括多個完全符合FCC發射屏蔽的調制載波。第一組數字調制載波位于由圖1中標記為18的包絡所示的頻帶內。這些信號中的大部分都處于30到40dB之間，比未調制的AM載波信號的電平低，以便最小化對模擬AM信號的串線干擾。通過以確保與模擬AM波形正交的方式編碼這個數字信息，可以進一步降低串線干擾。這種編碼稱為互補編碼(例如互補BPSK，互補QPSK或互補32QAM)，美國專利第5,859,876號對其有詳細介紹。
其他幾組正交調幅數字信號位于第一組外面。通過限制模擬AM信號的帶寬，就不必再要求這些數字波形與該模擬信號正交。美國專利第5,588,022號披露了有關IBOC DAB波形的其他信息，在此引入作為參考。
圖2是AM IBOC DAB發射機30的部分方塊圖，說明與本發明有關的信號處理功能。在線32上接收到抽樣的音頻信號，音頻編碼器34把經抽樣的音頻轉換成數字信號，該數字信號要經過如FEC編碼器方塊36所示的前向糾錯。FEC信號被如交織器方塊38所示交織，產生的交織信號通過快速傅里葉變換調制器40加以調制，以在線42上產生DAB信號。為了在線46上產生抽樣的模擬信號，信號源48提供抽樣的音頻信號。在線46上的抽樣模擬信號和線42上的數字信號在求和點50進行合成，在線52上產生出復合信號，隨后將該復合信號傳送到AM調制器54，最終傳送到天線56。天線傳送的信號具有圖1波形所示的一般形狀。雖然圖2中用不同功能方塊示意不同功能，但顯然，可以在同一處理器同時實現多種功能，也可以數個處理器執行一項功能。
在混合IBOC DAB系統中，模擬調制信號的出現，還引起了對接收機解調器的輸出中的數字調制信號的干擾。在本混合系統中用來發送數字信息的正交頻分復用(OFDM)波形使得可以輕松去除模擬調制信號對互補子載波，即直接在AM頻譜之下的子載波的影響。這些子載波的結構保證了它們在被解調和適當組合后能夠與模擬調制信號正交。但模擬調制信號對其他的非互補子載波的影響無法通過接收機中的處理而消除。
本發明利用經抽樣的模擬信號產生出錯誤信號，該錯誤信號可以用來補償在接收機解調器上將出現的，由非互補載波攜帶的數字信號的失真。
圖3是說明本發明如何操作的功能性方塊圖。在程序一開始，抽樣一音頻信號以產生出多個信號樣本，如方塊60所示。這些樣本是代表電壓電平的數字信號。讀出預定個數的樣本以形成第一組樣本，如方塊62所示。在圖3給出的例子中，每一組樣本中樣本的預定個數為349。不過，也應該認識到，對于本發明，對樣本數的唯一限制是該樣本數要同進入OFDM解調過程中的樣本數相同。這就是OFDM窗口函數的樣本長度。
含349個樣本的樣本組與OFDM脈沖同步。在AM IBOCDAB中，每次操作OFDM調制器都會產生349個樣本，每一個樣本都是復數正弦波的總和，各正弦波的頻率與組成OFDM信號的子載波一致。在整個這組樣本中，每一個正弦波的起始相位保持恒定。這些總和要用窗口函數加權。在使用此窗口函數之前，每一個復數正弦波的幅度都是恒定的。這些樣本組構成了組成OFDM信號的脈沖。由于每次要為270個樣本進行一次調制器操作，這349個樣本組信號相互重疊以形成OFDM波形。每一個樣本組，如方塊64所示被解調。每當解調器啟動時，它就會產生一系列復數值。方塊66表示選擇一些與非互補子載波對應的樣本，方塊68表示對這些樣本接著進行再調制。方塊70表示對上述已經經過校正的樣本組中最后79個樣本進行保存。方塊72表示將這最后79個樣本添加到再調制的信號中。這樣，在線74上就產生了一個錯誤信號。如果OFDM窗口函數超過OFDM符號周期(就像在AM IBOC DAB中那樣)，錯誤項會相互重疊，在某種意義上即是一個含349個樣本的樣本組中的錯誤項會與其前或其后的349個樣本的錯誤項相互重疊。但本發明不要求脈沖相互重疊。于是，錯誤信號就要從AM信號中扣除，經過校正的270個樣本同OFDM脈沖組合在一起，如方塊76所示。方塊78表示，如果能獲得更多的數據，那么最后79個樣本就要保存起來，讀地址加上270，如方塊80所示，而且圖3所示的過程要重復幾次，直到無法再得到更多的數據，這樣就到達了方塊82。
錯誤信號要么從數字化AM(即音頻)信號中扣除，要么從OFDM信號中扣除。重要的是，錯誤脈沖要與OFDM和數字化AM同步。方塊圖4說明模擬預先補償如何與在DAB發射機中的其他處理相配合。在圖4中在線84上接收到基帶幅度調制信號，在線86上，模數變換器88將其轉換成數字信號。然后線86上的信號將根據圖3所示的過程經過模擬預先補償，如圖4中方塊90所示。這樣就在線92上產生出一個錯誤信號。遲延元件94用來在線96上產生經遲延的數字化基帶信號。
在線98上接收數字信息，并經過OFDM調制器100調制以在線102上產生OFDM脈沖。包含定時塊104是表示模擬預先補償脈沖與OFDM脈沖同步。包含遲延塊94是使錯誤信號與數字化基帶AM對齊。線92上的錯誤信號從經遲延的數字化基帶信號和求和點106中的OFDM脈沖中扣除以在線108上產生一個經過補償的復合信號，該信號接著被上變頻用于廣播。
再回到圖3，再調制過程是OFDM調制。再調制總共產生349個樣本，將來自先前脈沖的再調制器輸出的最后79個樣本添加到當前脈沖的再調制器輸出的頭79個樣本上。然后將合并在一起的79個樣本和當前再調制器輸出的接下來191個樣本從當前349個AM樣本的樣本組中的頭270個樣本中扣除。將再調制器輸出的剩余79個樣本保存起來，用于處理接下來的AM樣本組。
相互重疊的AM樣本信號組構成了處理程序的輸入，如圖3所示。這些樣本組長度為349個樣本，其中79個樣本相互重疊，也就是說，任何一組樣本的頭79個樣本都與其前一組樣本的后79個樣本完全一樣。處理程序輸出非重疊的相鄰接的預先補償的AM數據組，每一個數據組包括270個樣本。
在本發明的一個實施例中，可以以59535000/1280＝1488375/32kHz的頻率抽樣主AM信號。解調器輸入中的樣本數為349，而樣本中OFDM符號周期為270。輸出包括AM信號加上與OFDM脈沖同步的270個樣本的樣本組中的錯誤信號的負數的總和。
第n個AM樣本組的解調輸出為A(m;n)=exp(-2·π·j·82·(m-1)N)Σk=1349w(k)·a(0)(270·n+k)]]>·exp(-2·π·j·(m-1)·(k-1)N),for m=1,2,···,Ν]]>其中a(0)(k)代表AM樣本序列，N＝256是AM抽樣率與OFDM子載波間隔的比率。這里，n是脈沖編號，m是脈沖中的樣本編號，W是窗口函數，k是求和位標(index)。
為了選取與非互補載波對應的樣本，要把與互補載波對應的樣本設定為零。
根據下面等式產生出非互補子載波的錯誤項
δ(k;n)=w(k)1NΣm=1NA(m;n)·exp(2·π·j·(k-1+82)·(m-1)N),]]>for k=1,2,···,349]]>其中對于k＝1，2，...，349，δ(k；n)是第n組AM數據的錯誤項。
為增加重疊，并且從AM信號中扣除錯誤信號，第n組預先補償的AM樣本為 盡管對本發明是根據目前認為是優選的實施方案進行描述的，但應理解，可以做各種修改，這些修改不會超出權利要求書所定義的發明范圍。
權利要求
1.一種用于預先補償包括一個模擬調制載波信號和多個數字調制子載波信號的復合數字音頻廣播信號中的所述模擬信號的方法，該方法包括以下步驟抽樣所述模擬信號以獲得連續多組樣本；對每一組樣本進行解調以獲得多個解調器輸出；對與所述預定多個數字調制子載波信號對應的解調器輸出進行再調制以產生一個錯誤信號；從其中一組樣本中扣除所述錯誤信號以產生一個經預先補償的樣本組；以及將所述經預先補償的樣本組與多個OFDM脈沖組合在一起以產生一個經補償的復合信號。
2.根據權利要求1的方法，其中連續多組樣本相互重疊。
3.根據權利要求1的方法，其中所述預先補償的樣本組中的樣本數等同于所述復合數字音頻廣播信號中的OFDM符號的樣本數。
4.根據權利要求1的方法，還包括將與所述復合數字音頻廣播信號中的互補子載波對應的解調器輸出設定為零的步驟。
5.根據權利要求1的方法，還包括使所述預先補償的樣本組與所述多個OFDM脈沖同步的步驟。
6.一種用于預先補償包括一個模擬信號和多個數字調制子載波信號的復合數字音頻廣播信號中的所述模擬信號的設備，該設備包括用于抽樣所述模擬信號以獲得連續多組樣本的裝置；用于對每一組樣本進行解調以獲得多個解調器輸出的裝置；用于對與所述預定多個數字調制子載波信號對應的解調器輸出進行再調制以產生一個錯誤信號的裝置；用于從其中一組樣本中扣除所述錯誤信號以產生一個經預先補償的樣本組的裝置；以及用于將所述經預先補償的樣本組與多個OFDM脈沖組合在一起以產生一個經補償的復合信號的裝置。
7.根據權利要求6的設備，其中連續多組樣本相互重疊。
8.根據權利要求6的設備，其中所述預先補償樣本組中的樣本數等同于所述復合數字音頻廣播信號中的OFDM符號的樣本數。
9.根據權利要求6的設備，還包括將與所述復合數字音頻廣播信號中的互補子載波對應的解調器輸出設定為零的裝置。
10.根據權利要求6的設備，還包括使所述經預先補償的樣本組與所述多個OFDM脈沖同步的裝置。
全文摘要
一種用于預先補償包括模擬信號和多個數字調制子載波信號的復合數字音頻廣播信號中的模擬信號的方法，該方法包括以下步驟抽樣(62)模擬信號以獲取連續多組樣本，對每一組樣本進行解調(64)以獲取多個解調器輸出，再次調制(68)與所述預定多個數字調制子載波信號對應的解調器輸出以產生一錯誤信號，從其中一組樣本中扣除所述錯誤信號以產生一組經預先補償的樣本，以及將所述經預先補償的那組樣本與多個OFDM脈沖組合在一起，以產生一個經補償的復合信號。本發明還包括一套實現該方法的設備。
文檔編號H04H20/36GK1602584SQ02824639
公開日2005年3月30日 申請日期2002年12月5日 優先權日2001年12月10日
發明者布里安·W·克勒格爾, 約瑟夫·B·布龍德爾 申請人:艾比奎蒂數字公司