CN100566224C - 用于数字调制信号中脉冲重叠预补偿的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在数字调制信号中对脉冲重叠进行预补偿的方法，该方法包含的步骤为，接收一个脉冲序列，(62)对脉冲进行调制以产生第一调制脉冲序列，(68)对第一调制脉冲进行解调以产生第一解调脉冲序列，(70)将第一解调脉冲序列与第一脉冲序列组合起来以产生第一误差脉冲序列，(74)对第一误差脉冲序列进行调制以产生第一调制误差脉冲序列，以及(78)将第一调制误差脉冲序列与第一调制脉冲序列组合起来以产生第一补偿脉冲序列。

Description

用于数字调制信号中脉冲重叠预补偿的方法和装置

技术领域

本发明涉及无线电广播，更具体的，涉及调幅(AM)频带内同频(IBOC)数字音频广播(DAB)，以及AM IBOC DAB发射器中的信号处理。

背景技术

数字音频广播是一种提供数字质量音频的媒介，这种广播比现有的模拟广播更加优越。AM IBOC DAB可以按与AM信号共存的混合形式传播，或者也可以按全数字形式传播，在全数字形式中去掉模拟信号可以得到数字覆盖的提高以及干扰的减少。由于每个DAB信号是在已有的AM信道分配的同样的频率掩模(mask)下进行传播的，所以IBOC不需要分配新的频率。IBOC能够节约频谱，同时还能够让广播者为他们现有的听众提供数字品质的音频。

美国专利No.5,588,022公开了一个在标准AM广播信道中同时广播模拟和数字信号的混合AM IBOC广播方法，这包括的步骤为，广播具有第一频谱的调幅射频信号，其中调幅射频信号包括被模拟节目信号调制的第一载波，同时还在包含所述第一频谱的带宽内广播多个数字调制载波信号，其中每个数字调制载波信号被数字节目信号的一部分所调制。第一组被数字调制的载波信号位于第一频谱范围内，并且其调制方式与第一载波信号正交。第二和第三组数字调制载波信号位于第一频谱范围之外，并且对它们的调制与第一载波信号同相且正交。

在AM IBOC DAB系统中，频域旁瓣限制与符号率以及子载波间隔要求一起会导致脉冲序列发生脉冲重叠。AM传输包括一列正交频分复用(OFDM)脉冲。这些脉冲由均匀分布的子载波组成。数字化的数据被分成”m”比特字，然后被转换成幅度和相位值，最后分配到子载波上。当接收端使用匹配滤波器时，对这些脉冲形状的选择应该使得子载波是彼此正交的。这样匹配滤波器就可以恢复每个子载波的幅度和相位，从而恢复每个数字字的值。

确保所需要的正交性的一个方法是使用宽度为子载波间隔倒数的矩形脉冲。使用无重叠的矩形脉冲可以使传输速率最大。然而，这样的主要缺点在于过多的旁瓣值。此外，要得到理想的正交性需要精确地把频率置于中心。

要保持正交性同时又减小旁瓣值的问题在时域中有一个对偶情形，这正是Nyquist的经典论文(Nyquist，H.，“Certain Topics inTelegraph Transmission Theory(电报传输理论中的一些问题)”，Trans.Am.Ins.Electr.Eng.，47卷，1928年4月，617-644页)中所讨论的课题。其解决方法在于延长矩形脉冲的长度并且采用升余弦来给结果加权。发送端和接收端都实施加权值的平方根，从而将加权在发送端和接收端拆分开来。

在AM数字无线电广播系统中所使用的波形是Nyquist型脉冲与高斯密度函数的卷积。这样的构建方式确保了频域旁瓣能够满足FCC所提出的频谱掩模需求。Nyquist脉冲的长度是一个OFDM符号周期。卷积会增加脉冲长度。所以，在发送出去的脉冲序列中脉冲是重叠的。这种重叠的存在会在解调器的输出造成畸变。

由脉冲重叠所造成的畸变会产生与噪声类似的效果，也就是说解调器的输出会偏离它们所应该在的星座位置。当大量的解调器输出叠加在一张图上时，它们就会让解调信号的星座呈现模糊的形态。

我们希望能够减小由脉冲重叠所导致的畸变。本发明就是为了寻找一个能够对AM IBOC数字无线电广播系统中的信号脉冲进行预补偿的方法，从而减小畸变。

发明内容

本发明在发送端提供了在数字调制信号中对脉冲重叠进行预补偿的方法，该方法包含的步骤为，接收一个脉冲序列，对脉冲进行调制以产生第一调制脉冲序列，对第一调制脉冲进行解调以产生第一解调脉冲序列，将第一解调脉冲序列与第一脉冲序列组合起来以产生第一误差脉冲序列，对第一误差脉冲序列进行调制以产生第一调制误差脉冲序列，以及将第一调制误差脉冲序列与第一调制脉冲序列组合起来以产生第一补偿脉冲序列。

本发明还包括在数字调制信号中对脉冲重叠进行预补偿的方法，该方法包括的步骤为，接收脉冲序列，对这些脉冲进行调制以产生调制脉冲序列，存储调制脉冲，利用调制脉冲的非相邻对来产生一阶误差项序列，存储一阶误差项序列，以及从调制脉冲序列中的对应脉冲中减去各个一阶误差项以产生第一补偿信号。

按上述方法处理信号的发射器也被包括在内。

附图说明

图1是一个AM混合IBOC DAB信号的示意图，它表示了AM和DAB信号的相对值；

图2是IBOC DAB发射器相关部分的简化框图，它可以包括本发明的预补偿方法；

图3中的功能框图表示了本发明的操作；以及

图4是一个表示了本发明操作的更加详细的功能框图。

具体实施方式

参考附图，图1是一个AM混合IBOC DAB复合信号10的示意图，该图表示了模拟调制的AM信号与数字调制的DAB信号的相对值。该混合形式包括了传统的AM模拟信号12以及在AM信号之下传送的DAB信号14。DAB信号包括多个在频域上均匀分布的数据载波。该数字调制的载波是通过正交频分复用(OFDM)来产生的。这种形式可以让这些载波的频谱互相交叠而无需任何中间防护频带，从而就优化了对频谱的利用。然而，时域上可以使用一个防护间隔来补偿信号的时间抖动。由于带宽在AM频带中是一个主要消耗，所以采用OFDM技术对成功的DAB操作是非常有利的。另外一个优点在于，不需要在发送端或者接收端用滤波的方法将DAB数字载波彼此隔离开来，这是因为OFDM的正交条件将这种干扰降到最小。

如图1所示，DAB载波包含在带宽为30kHz的信道中。该信道被分成中频带18，高频带20和低频带22。中频带带宽约为10kHz，它包含了在信道中心频率两侧±5kHz范围内的频率范围。上边带从中心频率+5kHz延伸到中心频率+15kHz处。下边带从中心频率-5kHz到中心频率-15kHz处。FCC发射掩模用附图标记24来表示。

复合模拟与数字DAB波形包括多个与FCC发射掩模相适应的调制载波。第一组数字调制载波位于图1中标有14的包络所表示的频带之中。这些信号中的大多数都被设成比未调制AM载波信号低30到40dB，以减小与模拟AM信号之间的串扰。进一步降低串扰是通过使用能够与模拟AM波形正交的方式来对数字信息进行编码。这种编码称为互补调制(也就是互补BPSK，互补QPSK，或者互补16QAM)，这在美国专利No.5,859,876中有更详细的描述。

其它的正交分量幅度调制数字信号组处于第一组之外。通过限制模拟AM信号的带宽就可以消除对这些数字波形要与模拟信号相正交的要求。美国专利No.5,588,022公开了另外一些关于IBOC DAB波形的信息，该文献在这里被作为参考。

图2是一个AM IBOC DAB发送器30的一部分的框图，它表示了与本发明相关的信号处理功能。一个采样音频信号在线32处被接收。一个音频编码器34将该采样音频转化成一个数字信号。如FEC编码框36所示，该数字信号将被进行前向纠错。该FEC信号如交织框38所示被交织。所得到的交织信号被一个快速付立叶变换调制器40所调制以在线42处产生DAB信号。为了在线46处产生模拟信号，源48提供了一个采样音频信号。线46上的模拟信号与线42上的数字信号在求和点50被合并，从而在线52产生复合信号，接着该复合信号被AM调制器54所调制，最后送到天线56。天线所发送的信号具有图1中波形所表示的一般形式。

在AM系统中，频域旁瓣限制与符号速率和子载波间隔要求一起使得脉冲序列中的脉冲是重叠的。脉冲重叠会给接收端解调器的输出引入畸变。该畸变在解调的星座图中表现为“细毛(fuzz)”。图3中的功能框图表示了本发明的操作。图3中所表示的功能可以与图2中框40所表示的调制器相结合来实现。如图3所示，频域上的多个OFDM脉冲在线60处被接收。这些脉冲如框62所示而被调制，从而在线64处产生第一调制信号。如框66所示，这就产生了脉冲重叠。该重叠的脉冲如框68所示被解调，然后在求和点70处从原脉冲中减除。在线72处所得到的第一误差信号如框74所示被调制，然后线76上的第二调制信号在求和点78处被从第一调制信号中减除。这就在线80产生了包含多个补偿脉冲的第一补偿信号。由于补偿脉冲还会有重叠，所以解调器输出就还会包含畸变。所以，该过程就可以一直重复，直到畸变达到一个可接受的水平。在图3中还有一个解调/调制序列。如框82所示，线80上的补偿脉冲包含重叠。该补偿脉冲如框84所示被解调，然后在求和点86处从原脉冲中减除。在线88处得到的第二误差信号如框90所示被调制，然后在线92上所得到的第三调制信号在求和点94处被从第一补偿信号中减除。这就产生了时域中的第二补偿信号输出，该补偿信号包括了线96上的第二组预补偿脉冲。线96上的脉冲仍然会包含一定的重叠。

由于重叠脉冲可以被解调然后从解调器输入被减除，所以本发明就利用了在发送端可以获得畸变定量值这样的事实。调制器输入与解调器输出之间的差，也就是误差，可以从调制器输入减去从而形成一列预补偿的脉冲。

除了实施像图3所示的计算量很大的过程，本发明的脉冲重叠预补偿还可以采用能够高效的进行解调功能以及相继的再调制功能的公式来实现。图4就是表示了这一更高效的方法的功能框图。

对应于每个OFDM脉冲的星座数据在线100上被接收，然后如框102所示被调制。输入到调制过程中的是一个复数字的序列。这些复数字所能够取到的值在复平面上形成一个网格。这个网格常被称为星座(constellation)。

组成OFDM系统输入的数字比特流的比特被组装成固定长度的字。其字长对应了星座图中点数的基为2的对数。为了得到组成调制过程输入的复数字，数字字被用作指向星座表格的地址。

被调制的脉冲进入一个移位寄存器类型的存储器104，该存储器包括多个存储器位置106、108、110以及112。两个非相邻的调制脉冲(被一个脉冲分开)在图中的框114处的标为“UV”的过程中被合并，从而在线116处产生多个一阶误差项。

该“UV”过程将在下面给出定义。一阶误差项又被存储在包含了多个存储器位置120、122和124的移位寄存器类型存储器118中。如框126所示，这次UV过程又被作用在一阶误差项上，从而在线128处得到多个二阶误差项。多个二阶误差项被存储在具有存储器位置132和134的另一个寄存器类型的存储器130中。该过程可以利用将更高阶误差组合在一起的方式来扩展得到任意阶的误差项。

一阶误差项与调制器的输出在求和点136相加，所得到的线138上的信号与二阶误差项在求和点140相加。这样在线142处得到的信号会包含如框144所示的重叠。在发送端的输出，由于补偿过程没有减小每个脉冲的长度，所以被补偿的脉冲一定是重叠的。图4中所示的实施方式在270个采样(符号周期)组成的块中产生输出。但每个脉冲的长度是349个采样。所以，该过程对现有脉冲的所有349个采样都进行补偿。然后，它将现有脉冲的前79个采样与上一个被补偿脉冲的最后79个采样相加，然后将该求和结果与现有脉冲(补偿后)的下191个采样一起输出。然后将本补偿脉冲的最后79个采样存储起来用以与下一个补偿脉冲相组合。最后得到的预补偿脉冲在线146处输出。

图3表示了为什么补偿过程会影响非相邻脉冲。重叠66“模拟”了当把脉冲组合到一个脉冲列中去时所发生的畸变。本发明正是希望去处该畸变。解调68、求差70以及调制74产生了补偿项76以使得减法78能够产生没有误差的脉冲。但这些脉冲的长度仍然是超过符号周期的。所以，补偿脉冲在组合到脉冲列中时会彼此重叠。重叠82表示了这一重叠，解调84、求差86、调制90以及减法94纠正了第二误差源，也就是重叠82。现在，第一补偿66、68、70、74以及78的结果所产生的误差来自某个脉冲任一边的脉冲；也就是说，对于第n脉冲，第(n-1)、n、(n+1)脉冲会影响误差项76。所以，第(n-1)、n、(n+1)脉冲会影响第n脉冲的输出80。重叠82将来自输出80的相邻的三个脉冲组合在一起，所以就会通过误差项76受到五个相邻脉冲的影响。这样，补偿过程所涉及的脉冲就超出了一个给定脉冲两边的脉冲。

下面将要详细描述用来实现图4所示功能的算法。算法的输入是一个复数星座序列{X_n(m)}，其中n表示脉冲数，而m是一个从1到256的索引。对于任何n，只有对于那些对应了工作的子载波的m值，X_n(m)才不为零，所述子载波包括BPSK和IDS子载波。下面的表格列出了工作子载波的指标。如表所示，工作子载波的数量和位置是与模式相关的。主载波会在发送处理序列中被后来加入。

算法的输出是270个采样脉冲，这些采样脉冲在链接起来之后就形成了一列重叠预补偿脉冲。算法输出的每个脉冲的开始都是两个相邻预补偿脉冲的79个采样的重叠部分。算法输出的剩下的191个采样是两个预补偿脉冲中第二个预补偿脉冲的非重叠部分。更准确地说，如果X_n(k)，k＝1，2，...，349表示了第n重叠预补偿脉冲，那么相应的算法输出就是

$y_n\left(k\right)=\left\{\begin{array}{c}{x}_{n-1}(k+191)+x_n\left(k\right),k=\mathrm{1,2},...,93,\\ x_n\left(k\right),k=\mathrm{94,95},...,270\end{array}\right.$

算法重复的速率就是OFDM符号速率，即1488375/32/270＝11025/64～172.266Hz。

平均有效输出速率是AM采样率：(11025/64)·270～46512Hz。

过程从OFDM调制开始。调制输出x_n ⁽⁰⁾为：

$x_n^{\left(0\right)}\left(k\right)=w\left(k\right)\frac{1}{N}\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{X}_n\left(m\right)\·\exp (2\·\mathrm{\π}\·j\·\frac{(k-1+82)\·(m-1)}{N}),$

对k＝1，2，…，349

其中X_n(m)表示了复数星座点，w(k)，k＝1，2，...，349为方根升余弦窗口项。

预畸变脉冲，x_n为

$x_n=x_n^{\left(0\right)}-\underset{r=1}{\mathrm{\Σ}}{e}_n^{\left(r\right)}$

其中e_n ^(r)是下面要定义的349点列向量。

对于任意整数r≥1，按如下方式给第n脉冲定义第r个误差项e_n ^(r)：

$e_n^{\left(1\right)}=[U\·x_{n+1}^{\left(0\right)}+V\·x_{n-1}^{\left(0\right)}]$

以及

$e_n^{(r+1)}=-[U\·e_{n+1}^{\left(r\right)}+V\·e_{n-1}^{\left(r\right)}]$

其中U和V是349×349的矩阵，x_n+1 ⁽⁰⁾以及x_n-1 ⁽⁰⁾是列向量。矩阵U和V被定义成

按上述方式定义的349×349的矩阵是为了记号的方便，但它对于计算是繁琐(且不必要)的。下面的步骤计算了U·a+V·b，其中a和b是349点列向量。

c(k)＝0，k＝1，2，...，349

c(k)＝w²(k)·a(k-270)，对于k＝271，272，...，349

c(k)＝w(k)·w(k+256)·a(k-14)，对于k＝15，16，...，93

c(k)＝c(k)+w²(k)·b(k+270)，对于k＝1，2，...79

c(k)＝c(k)+w(k)·w(k-256)·b(k+14)，对于k＝257，258，...，335

没有对应工作子载波的调制器输入被设成零。下面的表格表示了含有非零数据的调制器输入，以及调制器输入数与相对于主载波位置的子载波索引之间的关系。

在数字调制正交频率复用信号的脉冲重叠中，用来进行预补偿的装置可以实现上述过程，所述装置包括接收脉冲序列的一个输入、对脉冲进行调制以产生第一调制脉冲序列的第一调制器、用来对第一调制脉冲序列进行解调以产生第一解调脉冲序列的第一解调器、用来将第一解调脉冲序列与第一脉冲序列组合起来以产生第一误差脉冲序列的第一组合器、用来对第一误差脉冲序列进行调制以产生第一调制误差脉冲序列的第二调制器、以及用来将第一调制误差脉冲序列与第一调制脉冲序列组合起来以产生第一补偿脉冲序列的第二组合器。

该装置还会包括用来对第一补偿脉冲序列进行解调以产生第二解调脉冲序列的第二解调器、用来将第二解调脉冲序列与第一脉冲序列组合起来以产生第二误差脉冲序列的第三组合器、用来对第二误差脉冲序列进行调制以产生第二调制误差脉冲序列的第三调制器、用来将第二调制误差脉冲序列与第一补偿脉冲序列组合起来以产生第二补偿脉冲序列的第四组合器。

本发明还包括用来给数字正交频率复用信号的脉冲重叠进行预补偿的装置，该装置包括用来接收脉冲序列的输入、用来对脉冲进行调制以产生调制脉冲序列的第一调制器、用来存储调制脉冲的第一存储元件、利用非相邻调制脉冲对来产生一阶误差项序列的第一组合器、用来存储一阶误差项序列的第二存储元件、以及用来从调制脉冲中相应的每一个中减去一阶误差项以产生第一补偿信号的第二组合器。该装置还可以包括利用一阶误差项序列中的非相邻对来产生二阶误差项序列的第三组合器、用来存储二阶误差项序列的第三存储元件、以及将二阶误差项序列中的每一个加到第一补偿信号中对应脉冲中以产生第二补偿信号的第四组合器。

本发明所需的处理可以用数字信号处理来实现，其中的多个调制、解调以及组合功能可以在一个或多个信号处理器上实现。

尽管本发明是通过这里被认为是最好的优选实施例来说明的，但应该理解可以对这些实施例作多种改变而不偏离权利要求书所确定的本发明的范围。

Claims (4)

1.在数字调制信号中对脉冲重叠进行预补偿的方法，该方法包含的步骤为：

接收一个信号脉冲序列；

对所述信号脉冲序列中的信号脉冲进行调制以产生第一调制脉冲序列；

对第一调制脉冲序列进行解调以产生第一解调脉冲序列；

从所述信号脉冲序列减去第一解调脉冲序列以产生第一误差脉冲序列；

对第一误差脉冲序列进行调制以产生第一调制误差脉冲序列；以及

从第一调制脉冲序列减去第一调制误差脉冲序列以产生第一补偿脉冲序列。

2.权利要求1中的方法，还包括步骤：

对第一补偿脉冲序列进行解调以产生第二解调脉冲序列；

从所述信号脉冲序列减去第二解调脉冲序列以形成第二误差脉冲序列；

对第二误差脉冲序列进行调制以产生第二调制误差脉冲序列；以及

从第一补偿脉冲序列减去第二调制误差脉冲序列以产生第二补偿脉冲序列。

3.用于对数字调制信号中的脉冲重叠进行预补偿的装置，该装置包括：

用于接收信号脉冲序列的一个输入；

对所述信号脉冲序列中的信号脉冲进行调制以产生第一调制脉冲序列的第一调制器；

用于对第一调制脉冲序列进行解调以产生第一解调脉冲序列的第一解调器；

用于从所述信号脉冲序列减去第一解调脉冲序列以产生第一误差脉冲序列的第一组合器；

用于对第一误差脉冲序列进行调制以产生第一调制误差脉冲序列的第二调制器；以及

用于从第一调制脉冲序列减去第一调制误差脉冲序列以产生第一补偿脉冲序列的第二组合器。

4.权利要求3中的装置，还包括：

用于对第一补偿脉冲序列进行解调以产生第二解调脉冲序列的第二解调器；

用于从所述信号脉冲序列减去第二解调脉冲序列以产生第二误差脉冲序列的第三组合器；

用于对第二误差脉冲序列进行调制以产生第二调制误差脉冲序列的第三调制器；以及

用于从第一补偿脉冲序列减去第二调制误差脉冲序列以产生第二补偿脉冲序列的第四组合器。

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