专利名称：在单频网络中扩展广播覆盖范围的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及经空中的电磁信号传输系统，特别是从至少两个在空间上分开的发射站点提供同时信号发射的系统。
为了向指定地区提供足够的经空中的信号广播覆盖范围，供应商通常可以采用一个单个的发射站点，利用足够的功率到达该地区的所有部分，或采用覆盖整个地区所有部分的多个地点。虽然两种方法存在着缺陷，更希望多地点系统理由是因其存在着经济和技术原因。例如，在许多感兴趣的频率，发射的信号以″视线″的方式工作。这表明信号通常不能在地平线(相对于发射站点)上传输。此外，如建筑、桥梁、大地等之类的地理障碍遮挡发射站点的一些地区的区域。在经济上，许多较小的、较低功率的发射站点与产生相同功率量和/或提供相同广播覆盖范围的一个单个地点相比在拥有和操作方面经常更便宜。另外美国联邦通信委员会所赞成的应用观点是将现有的、不同频率的发射站点转换成全部在相同频率工作的地点，由于这样做会在已经拥挤的商用频带内空出一些带宽。
图1A说明了覆盖感兴趣的R区的一个单个高功率发射机，图1B说明了六个低功率发射机，每个发射机接收从中央演播现场馈送的节目，覆盖近似相同的感兴趣的R区。每个低功率发射机TXn覆盖区域Rn(所有n从1到6)。
图1B的多发射机结构体系的一个缺陷是重叠区域(即由一个或多个发射机覆盖的区域，从而来自不同发射机的信号电平相似)内的接收机趋于接收多个信号。图2说明了位于两个发射机TX1和TX2之间的重叠区域附近的接收机M。在该说明中，每个发射机经演播室到发射机链路(下文称之为STL)从中心演播室X接收音频节目，演播室到发射机链路是通过公共交换电话网(下文称之为PSTN)中的T1(或E1)数字电路实现的，由于TX1的SLT的网络路径可以比TX2的STL的网络路径更长或更短，由TX1和TX2发射的音频节目可能不同时存在。对重叠区附近的接收机的结果在于，随着它从多个发射机接收信号，解调的输出将在同一个音频节目的两个时间延迟的版本之间″跳跃″。某些现有系统将固定延迟插入STL路径以均衡路径延迟。然而，当经PSTN(而不是经专用线路)实现STL时，STL路径延迟可能因诸如重新路由选择通信链路、业务条件改变、数据缓冲、和PSTN交换机的可变处理延迟之类的各种原因而不能保持恒定。
本发明的一个目的是基本上克服上面指出的不足和缺陷。
本发明包括用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信链路向N个广播站分配的N个相同的数字化音频节目信号的相位特征的系统，所述演播室和所述N个广播站各自接收一个准确的定时信号，该系统包括位于所述演播室的N个TDM复用器，其中所述N个复用器中的每一个(i)把所述数字化音频节目信号复用到从演播室向所述N个广播站发射的TDM通信信号的至少一个信道，(ii)把由所述演播室接收的所述准确的定时信号复用到所述TDM通信信号的另一个信道，对于所述N个广播站中的每一个，包括(i)一个TDM去复用器，用于从所述N个TDM通信信号中的一个对应信号去除所述数字化音频节目信号和所述演播室定时信号，(ii)一个定时信号比较器，用于将所述演播室定时信号与延迟偏移的本地定时信号比较以产生比较结果，并产生与所述比较结果对应的偏移时间；和(iii)一个延迟调节电路，用于动态调节作为所述偏移时间的函数的所述TDM通信信号的延迟，其中所述延迟调节电路最好基本是无碰撞的(hitless)。
本发明还包括一种用于对准从一个演播室通过N个时分复用(TDM)通信信号向N个广播站分配的N个相同的数字化音频节目信号的相位特征的方法，所述演播室和所述N个广播站各自接收准确的定时信号，包括把所述数字化音频节目信号复用到从所述演播室向所述N个广播站中的一个发射的TDM通信信号的至少一个信道；把由所述演播室接收的所述准确的定时信号复用到所述TDM通信信号的另一个信道；和对于所述N个广播站中的每一个，从所述N个TDM通信信号中的一个对应信号去除所述数字化音频节目信号和所述演播室定时信号，将所述演播室定时信号与本地定时信号比较以产生比较结果，并产生与所述比较结果对应的偏移时间；和动态调节作为所述偏移时间的函数的所述TDM通信信号的延迟，以便驱动所述偏移时间基本为零，并包括以基本上无碰撞的方式动态调节所述音频节目的所述相位延迟的步骤，其中进一步的步骤包括从预先存在的时间分配网络接收所述准确定时信号中的每一个。
有利的是，一种用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信链路向N个广播站分配的N个相同的数字化音频节目信号的相位特征的系统。演播室和N个广播站各自接收准确的定时信号。该系统包括位于演播室的N个TDM复用器。N个复用器中的每一个(i)把数字化音频节目信号复用到在演播室和N个广播站中的一个之间建立的TDM通信链路的至少一个信道，和(ii)把由演播室接收的准确的定时信号复用到TDM通信链路中的另一个信道。N个广播站中的每一个包括TDM去复用器，定时信号比较器和延迟调节电路。TDM去复用器从N个TDM通信链路中的一个对应链路去除数字化音频节目信号和演播室定时信号。定时信号比较器将演播室定时信号与本地定时信号比较并产生与所述比较结果对应的偏移时间。延迟调节电路动态调节作为所述偏移时间的函数的数字化音频节目信号的延迟。在一个实施例中，延迟调节电路动态调节数字化音频节目信号的延迟以便驱动偏移时间基本为零。
在本发明的另一个实施例中，延迟调节电路基本上无碰撞。术语″无碰撞″是指可在延迟数字数据单元的输出序列中不丢失数据或不产生间隙的情况下实现延迟改变。
在本发明的另一个实施例中，由全球定位系统(GPS)接收机提供准确的定时信号。
在本发明的另一个实施例中，TDM通信链路包括用于T1通信链路的健全的成帧电路。
在本发明的另一个实施例中，TDM通信链路基本上是单向的，以致定时信号和节目音频信号数据从演播室流向N个广播站中对应的一个。
在本发明的另一个实施例中，该系统进一步包括一个位于演播室的音频卡和位于N个广播站中的每一个的基本相同的音频卡，其中演播室的音频卡将模拟音频节目数字化，每个广播站的音频卡将数字化的音频节目转换成模拟音频节目。
在本发明的另一个实施例中，每个音频卡在感兴趣的音频信号频带上保持音频信号始终为线性相位延迟，从而保持恒定的音频信号群延迟。
在本发明的另一个实施例中，音频卡包括至少一个FIR滤波器，以确保恒定的群延迟。
现在参考附图作为实例来描述本发明，其中图1A说明了覆盖感兴趣的R区的一个单个的、高功率发射机；图1B说明了提供与图1A的发射机近似相同覆盖范围的六个低功率发射机的组合；图2说明位于图1B所示的两个发射机之间重叠区附近的一个接收机；和图3示出信号分配系统的方框图。
图3示出了用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信链路向N个广播站分配的N个相同的数字化音频节目信号的相位特征的信号分配系统100的一个优选实施例的方框图。所说明的系统100的实施例包括一个演播室现场102，第一广播地点104和第二广播地点106。虽然系统100的其它实施例可包括多个(即某个整数N)广播地点。演播室现场102包括中心时间基准110，音频节目源112，第一TDM复用器114，第一发射(下文称为TX)音频电路116，第二TDM复用器118和第二TX音频电路120。具有N个广播地点的该系统的一般化实施例包括N个TDM复用器和N个TX音频电路，以致每个广播站在演播室现场102包括一个TDM复用器/音频电路对。因此，在所说明的实施例中，演播室现场102包括两个TDM复用器/音频电路对114/116和118/120。每个TDM复用器/音频电路对从中心时间基准110接收中心定时信号122并从音频节目源112接收音频节目信号124。在第一TDM复用器/音频电路对114/116中，TDM复用器114接收定时信号122，而TX音频电路116接收音频节目信号124。在第二TDM复用器/音频电路对118/120中，TDM复用器118接收定时信号122，而TX音频电路120接收音频节目信号124。对于每个TDM复用器/音频电路对，TX音频电路数字化和处理接收的音频节目信号124，并将数字化信号126提供给对应的TDM复用器。TX音频电路116和120利用数字信号处理(下文称之为DSP)技术，例如有限冲击响应(下文称之为FIR)滤波器保持恒定的群延迟，并由此通过音频电路116和120保持准确和始终如一的相位对准。TDM复用器在输出TDM信号中可使用的多个时隙中分配数字化信号126和定时信号122。第一TDM复用器118产生第一TDM发射信号128，第二TDM复用器120产生第二TDM发射信号129。因此，通过TDM发射信号128和129发射的数据分组把与音频信号节目信号124对应的数字化节目信号126与″时间标志″该数字化信号126的定时信号122一起输送。换句话说，在TDM输出信号中与数字化信号126一起发送的定时信号122提供与演播室现场102何时发出数字化信号126有关的信息。
第一广播地点104包括第一TDM去复用器130，第一本地时间基准132，第一定时信号比较器134，第一延迟调节电路136，第一延迟偏移137，第一接收(下文称之为RX)音频电路138和激励器/发射机组件139。第一延迟调节电路136接收由位于演播室现场102的TDM复用器116产生的第一TDM发射信号128，并把TDM信号128的延迟版本提供给TDM去复用器130。TDM去复用器130从TDM发射信号128中的适当时隙去除数字化信号126和定时信号122，以产生恢复的数字化音频信号140和恢复的定时信号142，以及由本地时间基准132产生的并随后由延迟偏移137延迟的本地定时信号144。定时信号比较器134产生与恢复的定时信号142和本地定时信号144之间的时间差值对应的时间偏移信号146。延迟调节电路136接收时间偏移信号146和调节其施加到TDM信号128的延迟量以驱动时间偏移信号146为零。为了驱动时间偏移信号146为零，必须满足下面的等式[延迟偏移137的延迟]＝[延迟调节电路136的延迟]+[PSTN延迟]延迟偏移137的延迟必须比最大的预期PSTN延迟大。如果所有广播站同时传送演播站节目音频126，所有广播站中的延迟偏移必须相同。在替换实施例中，可为不同广播站设定不同的延迟偏移137，在不同时间向不同广播站传送节目音频126。该安排允许相邻广播站之间重叠区域略微简化。例如，重叠区最好位于两个相邻广播站之间相等功率的位置。如果两个相邻广播站具有不相等的功率，相等功率的位置不与每个广播站等距离，而是位于更靠近较低功率的广播站。通过调节延迟偏移137提供的延迟，可使重叠区准确地出现在相等功率的位置。
美国专利No.5,818,769的说明书中公开了延迟调节电路136的一个实例。延迟线实现了对一系列数字数据单元的通过量延迟的改变，最好是以无碰撞模式。术语″无碰撞″是指在不丢失数据或不在延迟的数字数据单元的输出序列中产生间隙的情况下实现延迟改变。延迟线也可以以″碰撞″模式工作，在″碰撞″模式期间，当可容忍该序列数字数据单元中的数据丢失或该序列数字数据单元中的间隙时可立即开始延迟改变。音频电路138接收数字化音频信号140并产生作为数字化音频信号140的函数处理的音频信号148。激励器/发射机139接收处理的音频信号148并产生将要由配置的天线组件152发射的调制载波信号150。
第二广播地点106包括第二TDM去复用器160，第二本地时间基准162，第二定时信号比较器164，第二延迟调节电路166，第二延迟偏移167，第二接收(下文称之为RX)音频电路168和激励器/发射机组件169。通常，第二广播站106的部件以与第一广播站104的部件基本相同的方式操作和交互作用。第二延迟调节电路166接收由在演播室现场102的TDM复用器120产生的第二TDM发射信号129，并把TDM信号129的延迟版本提供给TDM去复用器160。TDM去复用器160从TDM发射信号129中的适当时隙去除数字化信号126和定时信号122，以产生恢复的数字化音频信号170和恢复的定时信号172，以及由本地时间基准162产生的并随后由延迟偏移167延迟的本地定时信号174。定时信号比较器164产生与恢复的定时信号172和本地定时信号174之间的时间差值对应的时间偏移信号176。延迟调节电路166接收时间偏移信号176和调节其施加到TDM信号129的延迟量以驱动时间偏移信号176为零。为了驱动时间偏移信号176为零，必须满足下面的等式[延迟偏移167的延迟]＝[延迟调节电路166的延迟]+[PSTN延迟]延迟偏移167的延迟必须比最大的预期PSTN延迟大。如果所有广播站同时传送演播站节目音频126，所有广播站中的延迟偏移167必须相同。在替换实施例中，可为不同广播站设定不同的延迟偏移167，在不同时间向不同广播站传送节目音频126(如在第一广播地点104中描述的)。音频电路168接收数字化音频信号170并产生作为数字化音频信号170的函数处理的音频信号178。激励器/发射机169接收处理的音频信号178并产生将要由配置的天线组件182发射的调制载波信号180。
位于广播地点104和106的RX音频电路138和168各自分别采用DSP技术，例如，FIR滤波器，以便通过RS音频电路保持恒定的群延迟。恒定的群延迟通过RX音频电路用来维护广播的音频节目信号的准确性和始终一致的相位对准。
把由演播室现场102产生的N个TDM信号中的每一个经数字传输信道传送到N个广播地点中的一个。虽然本领域技术人员已知的其它传输媒体可提供这种信道，在优选实施例中，公共交换电话网(下文称之为PSTN)提供数字传输信道。虽然在替换实施例中可使用如E1、ATM、TCP/IP、以太网、ISDN、或其它方式之类的其它通信传送机理，在优选实施例中，PSTN中的T1电路提供传输信道。一个从演播室现场102到广播站104或106的T1数字传输链路定义TDM协议并实施健全的成帧算法，以防止因网络传输的比特误差造成的信号中断。通常，T1链路包括24个不同的TDM时隙，每个时隙输送8比特的信息。利用每组的24个TDM时隙包括一个单个成帧比特以形成一帧为193比特。12个连续帧的成帧比特形成一个单一码型，接收设备使用该单一码型建立帧同步。T1链路的传输速率是每秒1.544兆比特(下文称之为MBPS)，因此任何单个时隙的最大可用数据速率是每秒64千比特(下文称之为KBPS)。通过T1的TDM结构体系，可在一个单个T1链路上发射24个不同的64KBPS信道。为增加带宽，单个信道可使用多于一个时隙。例如，如果将两个时隙用于一个单个信道，信道容量增加到128KBPS。如果将全部24时隙用于一个单个信道，该系统达到1.536MBPS的最大信道容量。
对位于演播室现场102的中心时间基准以及分别位于广播地点104和106的本地时间基准132和162进行同步，以便在每个地点提供基本相同的时间。换句话说，定时信号122，本地定时信号144和本地定时信号174总是基本相同。在优选实施例中，利用位于演播室现场102的全球定位系统(GPS)接收机和广播地点104和106中的每一个实现该时间同步。GPS系统是按时紧密同步的对地静止轨道卫星的网络。卫星主要为了导航目的连续地广播地面接收机利用的定位和日期信息。然而，由于按时对卫星进行同步并且每颗卫星广播其自己的本地时间信息，GPS网络也可用于对广泛分布的地面地点有效地进行时间同步。在本发明的一个优选实施例中，每个GPS接收机伴随有供本地频率源参考的本地时间源。本地频率源可包括温度补偿晶体振荡器、恒温(ovenized)振荡器、铷振荡器、铯振荡器、氢微波激射型(hydrogen maser)或其它频率源。在短时间周期丢失GPS信号的情况下，本地时间源可起到″飞轮″的作用，以便在恢复GPS信号之前维持系统工作。
另外，GPS卫星包括极精确的频率基准，GPS接收机可从卫星广播恢复准确的频率信号。因此，GPS接收机可提供准确的频率源供并置的设备使用，只要该接收机保持到卫星的链路。位于每个广播站地点的一个接收机锁定载频，从而将每个广播地点锁定到公共基准。
本发明的主要实用性是其在演播室现场102与广播地点104和106之间对分配网络(例如公共交换电话网)中的小延迟变化动态补偿的能力。理想情况下，从中央演播室场所102到广播站中的每一个的路径延迟应该相等。由于每个广播地点中的延迟调节电路可改变其吞吐延迟而不丢失数据或在数据串中插入间隙，该系统可保持所希望的相等路径延迟而不破坏或中断音频节目。系统的精度主要受演播室和广播站之间的TDM通信链路的时间分辨率的限制。例如，使用T1 TDM通信链路使该系统可将从演播室现场到每个广播地点(相对于绝对基准)的路径延迟控制在正或负两微秒内。可利用具有更大分辨率的通信链路提供精度。在一个优选实施例中，系统分辨率0.1微秒，就是说，可在0.1微秒的步调内偏移演播室现场与广播地点之间单独的路径延迟，以优化该系统在广播重叠区中的性能。在其它实施例中，可改进延迟电路(如在′769专利中详细描述的)以便根据系统的性能要求增加或降低系统分辨率。
用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信信号向N个广播站分配的N个相同数字化音频节目信号的相位特征的系统包括N个TDM复用器，每个复用器(i)把数字化音频节目信号复用到该演播室与N个广播站之一建立的TDM通信链路的至少一个信道中，和(ii)把定时信号复用到TDM通信信号的另一个信道中。位于每个广播站的TDM去复用器从对应的TDM通信信号提取数字化音频节目信号和定时信号。定时信号比较器把提取的定时信号与按精确的和可调节量延迟的本地定时信号比较，并产生与该比较结果对应的偏移时间。延迟调节电路最好动态调节作为偏移时间的函数的TDM信号的延迟，以便驱动偏移信号基本为零。利用现有的时间分配网络提供在演播室的定时信号和在每个广播站的定时信号。
权利要求
1.一种用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信信号向N个广播站分配的N个相同数字化音频节目信号的相位特征的系统，所述演播室和所述N个广播站各自接收准确的定时信号，该系统包括位于所述演播室的N个TDM复用器，其特征在于所述N个复用器中的每一个(i)把所述数字化音频节目信号复用到从所述演播室向所述N个广播站之一发射的TDM通信信号的至少一个信道中，和(ii)把由所述演播室接收的所述准确的定时信号复用到所述TDM通信信号的另一个信道中，对于所述N个广播站中的每一个广播站，(i)一个TDM去复用器，用于从所述N个TDM通信信号中的对应信号去除所述数字化音频节目信号和所述演播室定时信号，(ii)一个定时信号比较器，用于把所述演播室定时信号与延迟偏移的本地定时信号比较以产生比较结果，并产生与所述比较结果对应的偏移时间；和(iii)一个延迟调节电路，用于动态调节作为偏移时间的函数的所述TDM信号的延迟，其中所述延迟调节电路基本是无碰撞的。
2.根据权利要求1所述的系统，其中由预先存在的时间分配网络提供所述精确定时信号，所述预先存在的时间分配网络包括全球定位系统(GPS)卫星网络，并由至少一个GPS接收机提供所述精确定时信号。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述TDM通信信号包括T1通信信号，其中所述TDM通信信号还包括E1通信信号。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述TDM通信信号基本是单向的，以致所述精确的定时信号和所述节目音频信号从所述演播室流向所述N个广播站中所述的一个。
5.根据权利要求4所述的系统，其中每个所述数字化音频节目信号包括足以准确地输送高保真音乐节目的频带，并包括足以准确地输送高保真音乐节目的动态范围。
6.根据权利要求5所述的系统，其中每个所述数字化音频节目信号输送至少一个单声道信息的信道，或每个所述数字化音频节目信号输送至少两个立体声信息的信道。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于位于所述演播室的演播室卡和位于所述N个广播站中每一个站的基本相同的音频卡，所述演播室音频卡将模拟音频节目数字化，每个所述广播站音频卡将所述数字化音频节目转换成所述模拟音频节目，每个所述音频卡在感兴趣的音频信号频带上保持所述音频信号始终为线性相位延迟，从而保持恒定的音频信号群延迟，其中所述音频卡包括至少一个FIR滤波器，以便保持所述恒定的群延迟。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述延迟调节电路动态调节所述TDM通信信号的所述延迟以便驱动所述偏移时间基本为零。
9.一种用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信信号向N个广播站分配的N个相同数字化音频节目信号的相位特征的方法，所述演播室和所述N个广播站各自接收准确的定时信号，其特征在于把所述数字化音频节目信号复用到从所述演播室向所述N个广播站之一发射的TDM通信信号的至少一个信道中；把由所述演播室接收的所述准确的定时信号复用到所述TDM通信信号的另一个信道中；和对于所述N个广播站中的每一个广播站，从所述N个TDM通信信号中的对应信号去除所述数字化音频节目信号和所述演播室定时信号；把所述演播室定时信号与本地定时信号比较以产生比较结果，并产生与所述比较结果对应的偏移时间；和动态调节作为所述偏移时间的函数的所述TDM通信信号的延迟，和包括以基本无碰撞的方式动态调节所述音频节目的所述相位延迟的步骤，其中进一步的步骤包括从预先存在的时间分配网络接收每个所述准确定时信号。
10.一种用于对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信链路向N个广播站分配的N个相同的数字化音频节目信号的相位特征的系统，所述演播室和所述N个广播站各自接收准确的定时信号，包括位于所述演播室的N个TDM复用器，其中所述N个复用器中的每一个(i)把所述数字化音频节目信号复用成在所述演播室和所述N个广播站中的一个之间建立的TDM通信链路中的至少一个信道，和(ii)把由所述演播室接收的准确的定时信号复用成所述TDM通信链路中的另一个信道；对于所述N个广播站中的每一个，(i)一个TDM去复用器，用于从所述N个TDM通信链路中的一个对应链路去除所述数字化音频节目信号和所述演播室定时信号，(ii)一个定时信号比较器，用于把所述演播室定时信号与本地定时信号比较以产生比较结果，并产生与所述比较结果对应的偏移时间；和(iii)延迟调节电路，用于动态调节作为所述偏移时间的函数的所述数字化音频节目信号的延迟。
全文摘要
一种对准从一个演播室经N个时分复用(TDM)通信信号向N个广播站分配的N个相同的数字化音频节目信号的相位特征的系统,该系统包括N个TDM复用器。每个复用器(i)把数字化音频节目信号复用成在演播室和N个广播站中的一个之间建立的TDM通信链路中的至少一个信道,和(ii)把定时信号复用到TDM通信信号中的另一个信道。由现有的时间分配网络提供位于演播室的定时信号和位于每个广播站的定时信号。
文档编号H04H20/67GK1273465SQ0010484
公开日2000年11月15日 申请日期2000年3月30日 优先权日1999年3月31日
发明者威廉·罗林斯, 朱纽斯·金 申请人:哈里公司