专利名称：带有模拟信号预先补偿的am数字音频广播的制作方法
技术领域：
本发明涉及无线电广播，尤其涉及AM带内信道上(IBOC)数字音频广播(DAB)和AM IBOC DAB发射机中的信号处理。
背景技术：
数字音频广播是用于提供数字质量音频的媒介，其优于现有的模拟广播格式。AM IBOC DAB能够以混合形式发送，在此，数字信号与模拟调制信号共存；它也可以以全数字形式发送，在此，由于筛除了模拟信号，干扰减少，从而扩大了数字覆盖范围。IBOC DAB不需要新的频谱分配，因为在现有的AM信道分配的频谱屏蔽(mask)内每一个DAB信号都能同时得以传送。IBOC能在保证广播电台向它们现有的主要听众提供数字质量声音的同时促进频谱的节约。
美国专利第5,588,022号披露了用于在一个标准AM广播频道内同时广播模拟和数字信号的混合AM IBOC广播方法，该方法包括步骤广播具有第一频谱的调幅射频信号，其中该调幅射频信号包括一个经模拟节目信号调制的第一载波；同时广播包括第一频谱的一个带宽内的多个经数字调制的载波信号，每个数字调制载波信号都由一部分数字节目信号加以调制。第一组经数字调制的载波信号位于第一频谱内，并被调制成与第一载波信号正交。第二组和第三组经数字调制的载波信号位于第一频谱之外，并被调制成既与第一载波信号同相，又与第一载波信号正交。
在美国，根据联邦通信委员会(FCC)规定，AM广播站的发射局限于如下定义的信号电平屏蔽内从模拟载波去除的10.2kHz-20kHz的发射必须被衰减到至少比未调制的模拟载波电平低25dB，从模拟载波去除的20kHz-30kHz的发射必须被衰减到至少比未调制的模拟载波电平低35dB，而从模拟载波去除的30kHz-60kHz的发射必须被衰减到至少比未调制的模拟载波电平低[35dB+1dB/kHz]。
美国专利第5,859,876号旨在减小与模拟AM信号所处的同一频道内由多个数字调制载波引起的模拟AM信号包络失真。美国专利第5,859,876号的信号传输系统包括发射一个调幅载波和多个数字调制载波的装置。高于和低于模拟AM载波的频率处都有数字载波。高于模拟AM载波频率的某些数字载波有一个位于模拟AM载波之下的相同频率偏置的相关数字载波。在上部的数字载波和其对应的数字载波上进行的数据调制使得从它们相加产生的信号中没有与模拟AM载波同相的成分。据说，以这种方式排列的数字载波对是互补的。这种配置使数字广播信号的模拟接收保真度提高。美国专利第5,859，876号中也提到，减小包络失真的另外一种手段是使信号包络预失真。信号包络被预失真以抵消数字载波带来的失真。美国专利第5,859，876号披露了利用模拟处理进行的预失真操作，并且提到利用数字处理也可以进行该操作。
在混合IBOC DAB系统中，模拟调制信号的出现也引起对接收机解调器的输出中的数字调制信号的干扰。在本混合系统中用于传输数字信息的正交频分复用(OFDM)波形使得可以轻松消除模拟调制信号对互补子载波的影响，这些子载波直接位于AM频谱之下。这些子载波的结构保证了它们在被调制和适当组合后能够与模拟调制信号正交。但模拟调制信号对其他的非互补子载波的影响无法通过在接收机中的处理而消除。
本发明寻求提供一种用于减小从AM IBOC混合数字广播系统的模拟调制载波产生的非互补载波所发送的数字信号中的失真的方法和设备。
发明内容
本发明提供了一种用于预先补偿包括一个模拟信号和多个数字调制子载波信号的复合数字音频广播信号中的模拟信号的方法，该方法包括以下步骤抽样模拟信号以获得连续几组样本；对每一组样本进行解调以获取多个解调器输出；对那些与预定的数字调制子载波信号对应的解调器输出再调制以产生一个错误信号；从一组样本中扣除错误信号以产生一组预先补偿的样本；以及将经预先补偿的那组样本与多个OFDM脉冲组合在一起，以产生一个经补偿的复合信号。
几组连续的样本可能相互重叠。预先补偿样本组中的样本数优选等于OFDM信号中的样本数。为了产生与复合信号中的非互补子载波对应的解调器输出，与互补子载波对应的解调器输出可设定为零。
本发明还包括一种用于预先补偿包括一个模拟信号和多个数字调制子载波信号的复合数字音频广播信号中的模拟信号的设备，该设备包括用于抽样模拟信号以获得连续样本组的装置，用于对每组样本进行解调以获得多个解调器输出的装置，用于对那些与预定的数字调制子载波信号对应的解调器输出进行再调制，以产生一个错误信号的装置，用于从一组样本中扣除错误信号以产生一组预先补偿的样本的装置，以及用于将经预先补偿的那组样本与多个OFDM脉冲组合在一起以产生一个经补偿的复合信号的装置。
图1是AM混合IBOC DAB信号的示意图，表示AM和DAB信号的相对电平；图2是IBOC DAB发射机相关部分的简化方块图，该发射机可以结合本发明的预失真方法；图3是说明本发明如何操作的功能性方块图；图4是进一步说明本发明如何操作的功能性方块图。
具体实施例方式
参考附图，图1是AM混合IBOC DAB复合信号10的示意图，表示AM和DAB信号的相对电平。混合信号格式包括传统的AM模拟信号12连同在AM信号之下传送的DAB信号14。DAB信号包括多个数据载波，它们之间间隔相同频率。数字化调制载波是通过正交频分复用(OFDM)产生的。这种形式能够使这些载波的频谱没有任何中间保护带地重叠，从而最优化频谱利用。但是在时域可以使用保护间隔来补偿信号定时上的不稳定性。OFDM调制技术对于成功的DAB操作极其有用，因为在AM带内，带宽是最佳的商品。另一个优势在于无需通过发射机或接收机的过滤把DAB数字载波相互之间分隔开，因为OFDM的正交状态使得这种干扰最小化。
DAB载波包含在带宽为30kHz的频道16内，该频道分为中频带18，上频带20和下频带22。中频带带宽约为10kHz，包括位于本频道中间频率±5kHz之内的频率。上边带包括从中间频率大约+5kHz到从中间频率大约+15kHz之间的频率。下边带包括从中间频率大约-5kHz到从中间频率大约-15kHz之间的频率。FCC的发射屏蔽由项目号24表示。
复合模拟和数字DAB波形包括多个完全符合FCC发射屏蔽的调制载波。第一组数字调制载波位于由图1中标记为18的包络所示的频带内。这些信号中的大部分都处于30到40dB之间，比未调制的AM载波信号的电平低，以便最小化对模拟AM信号的串线干扰。通过以确保与模拟AM波形正交的方式编码这个数字信息，可以进一步降低串线干扰。这种编码称为互补编码(例如互补BPSK，互补QPSK或互补32QAM)，美国专利第5,859,876号对其有详细介绍。
其他几组正交调幅数字信号位于第一组外面。通过限制模拟AM信号的带宽，就不必再要求这些数字波形与该模拟信号正交。美国专利第5,588,022号披露了有关IBOC DAB波形的其他信息，在此引入作为参考。
图2是AM IBOC DAB发射机30的部分方块图，说明与本发明有关的信号处理功能。在线32上接收到抽样的音频信号，音频编码器34把经抽样的音频转换成数字信号，该数字信号要经过如FEC编码器方块36所示的前向纠错。FEC信号被如交织器方块38所示交织，产生的交织信号通过快速傅里叶变换调制器40加以调制，以在线42上产生DAB信号。为了在线46上产生抽样的模拟信号，信号源48提供抽样的音频信号。在线46上的抽样模拟信号和线42上的数字信号在求和点50进行合成，在线52上产生出复合信号，随后将该复合信号传送到AM调制器54，最终传送到天线56。天线传送的信号具有图1波形所示的一般形状。虽然图2中用不同功能方块示意不同功能，但显然，可以在同一处理器同时实现多种功能，也可以数个处理器执行一项功能。
在混合IBOC DAB系统中，模拟调制信号的出现，还引起了对接收机解调器的输出中的数字调制信号的干扰。在本混合系统中用来发送数字信息的正交频分复用(OFDM)波形使得可以轻松去除模拟调制信号对互补子载波，即直接在AM频谱之下的子载波的影响。这些子载波的结构保证了它们在被解调和适当组合后能够与模拟调制信号正交。但模拟调制信号对其他的非互补子载波的影响无法通过接收机中的处理而消除。
本发明利用经抽样的模拟信号产生出错误信号，该错误信号可以用来补偿在接收机解调器上将出现的，由非互补载波携带的数字信号的失真。
图3是说明本发明如何操作的功能性方块图。在程序一开始，抽样一音频信号以产生出多个信号样本，如方块60所示。这些样本是代表电压电平的数字信号。读出预定个数的样本以形成第一组样本，如方块62所示。在图3给出的例子中，每一组样本中样本的预定个数为349。不过，也应该认识到，对于本发明，对样本数的唯一限制是该样本数要同进入OFDM解调过程中的样本数相同。这就是OFDM窗口函数的样本长度。
含349个样本的样本组与OFDM脉冲同步。在AM IBOCDAB中，每次操作OFDM调制器都会产生349个样本，每一个样本都是复数正弦波的总和，各正弦波的频率与组成OFDM信号的子载波一致。在整个这组样本中，每一个正弦波的起始相位保持恒定。这些总和要用窗口函数加权。在使用此窗口函数之前，每一个复数正弦波的幅度都是恒定的。这些样本组构成了组成OFDM信号的脉冲。由于每次要为270个样本进行一次调制器操作，这349个样本组信号相互重叠以形成OFDM波形。每一个样本组，如方块64所示被解调。每当解调器启动时，它就会产生一系列复数值。方块66表示选择一些与非互补子载波对应的样本，方块68表示对这些样本接着进行再调制。方块70表示对上述已经经过校正的样本组中最后79个样本进行保存。方块72表示将这最后79个样本添加到再调制的信号中。这样，在线74上就产生了一个错误信号。如果OFDM窗口函数超过OFDM符号周期(就像在AM IBOC DAB中那样)，错误项会相互重叠，在某种意义上即是一个含349个样本的样本组中的错误项会与其前或其后的349个样本的错误项相互重叠。但本发明不要求脉冲相互重叠。于是，错误信号就要从AM信号中扣除，经过校正的270个样本同OFDM脉冲组合在一起，如方块76所示。方块78表示，如果能获得更多的数据，那么最后79个样本就要保存起来，读地址加上270，如方块80所示，而且图3所示的过程要重复几次，直到无法再得到更多的数据，这样就到达了方块82。
错误信号要么从数字化AM(即音频)信号中扣除，要么从OFDM信号中扣除。重要的是，错误脉冲要与OFDM和数字化AM同步。方块图4说明模拟预先补偿如何与在DAB发射机中的其他处理相配合。在图4中在线84上接收到基带幅度调制信号，在线86上，模数变换器88将其转换成数字信号。然后线86上的信号将根据图3所示的过程经过模拟预先补偿，如图4中方块90所示。这样就在线92上产生出一个错误信号。迟延元件94用来在线96上产生经迟延的数字化基带信号。
在线98上接收数字信息，并经过OFDM调制器100调制以在线102上产生OFDM脉冲。包含定时块104是表示模拟预先补偿脉冲与OFDM脉冲同步。包含迟延块94是使错误信号与数字化基带AM对齐。线92上的错误信号从经迟延的数字化基带信号和求和点106中的OFDM脉冲中扣除以在线108上产生一个经过补偿的复合信号，该信号接着被上变频用于广播。
再回到图3，再调制过程是OFDM调制。再调制总共产生349个样本，将来自先前脉冲的再调制器输出的最后79个样本添加到当前脉冲的再调制器输出的头79个样本上。然后将合并在一起的79个样本和当前再调制器输出的接下来191个样本从当前349个AM样本的样本组中的头270个样本中扣除。将再调制器输出的剩余79个样本保存起来，用于处理接下来的AM样本组。
相互重叠的AM样本信号组构成了处理程序的输入，如图3所示。这些样本组长度为349个样本，其中79个样本相互重叠，也就是说，任何一组样本的头79个样本都与其前一组样本的后79个样本完全一样。处理程序输出非重叠的相邻接的预先补偿的AM数据组，每一个数据组包括270个样本。
在本发明的一个实施例中，可以以59535000/1280＝1488375/32kHz的频率抽样主AM信号。解调器输入中的样本数为349，而样本中OFDM符号周期为270。输出包括AM信号加上与OFDM脉冲同步的270个样本的样本组中的错误信号的负数的总和。
第n个AM样本组的解调输出为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样本序列，N＝256是AM抽样率与OFDM子载波间隔的比率。这里，n是脉冲编号，m是脉冲中的样本编号，W是窗口函数，k是求和位标(index)。
为了选取与非互补载波对应的样本，要把与互补载波对应的样本设定为零。
根据下面等式产生出非互补子载波的错误项
δ(k;n)=w(k)1NΣm=1NA(m;n)·exp(2·π·j·(k-1+82)·(m-1)N),]]>for k=1,2,···,349]]>其中对于k＝1，2，...，349，δ(k；n)是第n组AM数据的错误项。
为增加重叠，并且从AM信号中扣除错误信号，第n组预先补偿的AM样本为 尽管对本发明是根据目前认为是优选的实施方案进行描述的，但应理解，可以做各种修改，这些修改不会超出权利要求书所定义的发明范围。
权利要求
1.一种用于预先补偿包括一个模拟调制载波信号和多个数字调制子载波信号的复合数字音频广播信号中的所述模拟信号的方法，该方法包括以下步骤抽样所述模拟信号以获得连续多组样本；对每一组样本进行解调以获得多个解调器输出；对与所述预定多个数字调制子载波信号对应的解调器输出进行再调制以产生一个错误信号；从其中一组样本中扣除所述错误信号以产生一个经预先补偿的样本组；以及将所述经预先补偿的样本组与多个OFDM脉冲组合在一起以产生一个经补偿的复合信号。
2.根据权利要求1的方法，其中连续多组样本相互重叠。
3.根据权利要求1的方法，其中所述预先补偿的样本组中的样本数等同于所述复合数字音频广播信号中的OFDM符号的样本数。
4.根据权利要求1的方法，还包括将与所述复合数字音频广播信号中的互补子载波对应的解调器输出设定为零的步骤。
5.根据权利要求1的方法，还包括使所述预先补偿的样本组与所述多个OFDM脉冲同步的步骤。
6.一种用于预先补偿包括一个模拟信号和多个数字调制子载波信号的复合数字音频广播信号中的所述模拟信号的设备，该设备包括用于抽样所述模拟信号以获得连续多组样本的装置；用于对每一组样本进行解调以获得多个解调器输出的装置；用于对与所述预定多个数字调制子载波信号对应的解调器输出进行再调制以产生一个错误信号的装置；用于从其中一组样本中扣除所述错误信号以产生一个经预先补偿的样本组的装置；以及用于将所述经预先补偿的样本组与多个OFDM脉冲组合在一起以产生一个经补偿的复合信号的装置。
7.根据权利要求6的设备，其中连续多组样本相互重叠。
8.根据权利要求6的设备，其中所述预先补偿样本组中的样本数等同于所述复合数字音频广播信号中的OFDM符号的样本数。
9.根据权利要求6的设备，还包括将与所述复合数字音频广播信号中的互补子载波对应的解调器输出设定为零的装置。
10.根据权利要求6的设备，还包括使所述经预先补偿的样本组与所述多个OFDM脉冲同步的装置。
全文摘要
一种用于预先补偿包括模拟信号和多个数字调制子载波信号的复合数字音频广播信号中的模拟信号的方法，该方法包括以下步骤抽样(62)模拟信号以获取连续多组样本，对每一组样本进行解调(64)以获取多个解调器输出，再次调制(68)与所述预定多个数字调制子载波信号对应的解调器输出以产生一错误信号，从其中一组样本中扣除所述错误信号以产生一组经预先补偿的样本，以及将所述经预先补偿的那组样本与多个OFDM脉冲组合在一起，以产生一个经补偿的复合信号。本发明还包括一套实现该方法的设备。
文档编号H04H20/36GK1602584SQ02824639
公开日2005年3月30日 申请日期2002年12月5日 优先权日2001年12月10日
发明者布里安·W·克勒格尔, 约瑟夫·B·布龙德尔 申请人:艾比奎蒂数字公司