專利名稱：減少數(shù)字傳輸用調(diào)幅發(fā)射機中帶外發(fā)射的方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及AM廣播發(fā)射機(AM-振幅調(diào)制)的領域，該發(fā)射機在數(shù)字化向前推進時由模擬發(fā)射轉(zhuǎn)換成數(shù)字傳輸。
到現(xiàn)在為止，通常的發(fā)射機類型是非線性的AM發(fā)射機，它的特點是RF輸入(射頻)和音頻輸入，而且該發(fā)射機類型是連續(xù)在使用。其原因如下AM發(fā)射機以開關(guān)的模式在內(nèi)部操作并因此具有比那些線性發(fā)射機好上3倍的效率，后者在其它情況下通常用于數(shù)字傳輸，比如，對DAB(數(shù)字音頻廣播)和DVB(數(shù)字視頻廣播)的情況。這樣便可節(jié)約操作的成本。
如果在初步階段無更多的投資，則確信廣播電臺從模擬向數(shù)字轉(zhuǎn)換是比較容易的。
對于數(shù)字調(diào)制采用非線性AM發(fā)射機需要特殊的發(fā)射機操作模式。在模擬AM的情況下，只有HF(高頻)振蕩的包絡會根據(jù)信息信號而受到影響。如果，數(shù)字信號代替音頻信號饋給調(diào)制器，則隨著數(shù)字調(diào)制將發(fā)生“通斷鍵控”(OOK)或幾乎等效于“幅移鍵控”(ASK)。在矢量圖中，OOK或ASK只分別處于正的實軸上。
然而，在數(shù)字調(diào)制中，這是常見的，而且，由于較佳的信噪比，故對數(shù)字信號，有必要通過全部的復雜平面。當觀察矢量圖中數(shù)字信號的各個取樣點，可獲得相關(guān)的相位星。由于這上面的組點是在4個象限上分布并且如在OOK或ASK的情況那樣不是處于一條直線上，所以該組點的最小距離較大(對于傳輸?shù)臄?shù)字信號給出相同的能量支出)。
所調(diào)制的數(shù)字信號由兩個部分的信號(I和Q)產(chǎn)生，這兩個信號互相垂直。I-信號(“同相位”)被調(diào)制成具有頻率Ft(載頻)的余弦振蕩。Q-信號(“正交”)被調(diào)制成具有相同頻率Ft的正弦振蕩。兩種調(diào)制振蕩的和產(chǎn)生復雜的調(diào)制數(shù)據(jù)信號(余弦0-180度，正弦-90_+90度)。調(diào)制的I/Q-信號通過濾波器以如此的方式成形，從便它具有與所希望的帶寬完全一樣的預定曲線形狀。
但是，需要調(diào)制的I/Q-信號以這樣的方式加以轉(zhuǎn)換，以便使兩種信號，振幅信號(A-信號)和相位調(diào)制的載波信號(RF-P)從中產(chǎn)生，它們適合于對AM發(fā)射機的適當控制(見圖2)。接著，在AM發(fā)射機的輸出，所調(diào)制的I/Q信號又一次用較高的功率產(chǎn)生。
所調(diào)制的I/Q-信號對應于迪卡爾圖。迪卡爾圖被轉(zhuǎn)換成帶振幅和相位的極性圖。以這種方式，可獲得振幅信號(A-信號)以控制在音頻輸入的AM發(fā)射機。相位調(diào)制過的射頻(RF-P信號)從初始得到的相位信號(P-信號)產(chǎn)生。有利的是，也可無中間步驟直接通過P-信號獲得RF-P信號。以此便產(chǎn)生控制AM發(fā)射機所需要的信號-控制音頻輸入用的振幅信號(A-信號)-控制RF電路用的相位調(diào)制的RF信號(RF-P信號)。
A-信號被饋送給AM發(fā)射機的調(diào)制器輸入(音頻輸入)，而RF-P信號則用于對發(fā)射機的HF-型控制。在發(fā)射機輸出級，兩種信號A和RF-P被用乘法結(jié)合，形成高頻數(shù)字輸出信號。理論上輸出信號與坐標轉(zhuǎn)換前對應放大的復雜的調(diào)制I/Q信號相同。
這是技術(shù)發(fā)展水平所描述的對，比如，在歐洲專利EP0708545或在德國專利DE19717169中。
在實際中，發(fā)射機的數(shù)字輸出信號并不精確地等同于放大調(diào)制的I/Q-信號。倒不如說，由于在調(diào)制過程中發(fā)生的非線性失真和由此帶來的不想要的發(fā)射，輸出信號是不同的。
AM發(fā)射機數(shù)字操作所需要的迪卡爾→極性轉(zhuǎn)換是十分高度非線性的。作為這樣的結(jié)果，A-信號和RF-P信號都具有非常大的帶寬并因此變得顯著地寬于對應于I-信號和Q-信號的帶寬。這便產(chǎn)生了以下的問題1.發(fā)射機必須在其A-分量上具有大大寬于(5倍或更多)模擬AM所需的帶寬。
2.發(fā)射機也必須在其RF分量上具有大大寬于(5倍或更多)模擬AM所需的帶寬。
3.兩個分量的信號傳播時間必須相等(小到零點幾微妙)以允許A-信號和RF-P信號在發(fā)射機輸出級同步結(jié)合。
4.超越信道極限(也即，I/Q信號的帶寬)傳播的A-信號和RF-P信號的頻譜分量必須在發(fā)射機輸出級互相補償。不然，將發(fā)生不想要的發(fā)射(帶外發(fā)射-OOB和偽發(fā)射-SE)。
由于發(fā)射機輸出級是模擬目標，故所要求的超越信道極限傳播的頻譜分量的補償只是部分地成功了。實踐顯示，通過合理的努力可使這些不想要的頻譜分量僅僅抑制大約30dB(100倍的功率)到大約36dB(4000倍)。這些是有用頻譜和不想要發(fā)射的噪聲譜大小之間的距離。這些距離被稱為“過肩距離”。需要40dB(10000倍)到55dB(320000倍)的過肩距離以遵守由ITU(國際電信同盟，日內(nèi)瓦)定義的所允許頻譜罩(spectrum mask)。
ITU頻譜罩(ITU-RSM.328-9，頻譜和帶寬的發(fā)射3.6.1.3帶外頻譜)定義了最大的AM發(fā)射機不想要發(fā)射的允許水平。由于AM發(fā)射機的國際協(xié)調(diào)，不想要發(fā)射的絕對最大值由ITU頻譜罩確定。
在最接近有用頻譜的附近，該罩提供一個公差范圍，該范圍可以達到符合ITU罩的要求。根據(jù)這點，對于給定的過肩距離帶外發(fā)射只需要減小得足夠快從而使ITU罩不被超過。這在

圖1中示出幾個例子，在這里，作為如下假設，即用計數(shù)法產(chǎn)生的邊帶功率與對ITU罩(載波功率以下-12dB)所確定的標稱模擬邊帶功率一樣大。
從該圖中可看出，在發(fā)射機中獲得的過肩距離越小，則帶外發(fā)射中的傾斜率(或落差)就必定越高。如果，因為技術(shù)原因，比如，只有35dB的過肩距離可在發(fā)射機的輸出級獲得，則數(shù)字調(diào)制信號必須因此以這樣的方式加以影響，從而可獲得對于10kHz的信道帶寬得到至少10dB/7.2kHz的OOB傾斜度，一般來講，就是10dB/(0.72x帶寬)。
發(fā)射機中數(shù)字調(diào)制信號的影響及其對減少不想要發(fā)射用OOB傾斜度的作用是本發(fā)明的主題。
在矢量圖中，如果未采用特殊措施，則數(shù)字調(diào)制信號可從任何想要的可允許復雜點移到彎曲路徑上任何其它的可允許點，該彎曲路徑連接所有的可允許點而不形成紐結(jié)(kink)。這樣做的結(jié)果是，在矢量圖中就發(fā)生相當大數(shù)目的零交叉或近似零交叉。
因此在迪卡爾→極性的轉(zhuǎn)換中，帶零接觸或帶幾乎零接觸的尖峰在A-信號中發(fā)生同時在相位上跳過π。兩種特征均導致，A-信號和RF-P信號都獲得了非常大的帶寬。由于在發(fā)射機輸出級中所需要的補償，這是不希望的而且必須加以避免。
當A-信號中的尖峰得以避免以及由此同時發(fā)生的相位跳躍時，那么A-信號中方向上的變化實際上得以保持但不再那么快。同樣保持的是π的相位變換(代替跳躍)，但該相位變換也不再如跳躍中的情況那樣快。為此，A-信號和RF-P信號的帶寬便明顯變窄，而對應頻譜的傾斜率則變得更大了。所以總的來說，發(fā)射機輸出級的補償過程變得不那么嚴格而不想要的發(fā)射則減少。
對過程更加精確的分析顯示，在接近有用信號(信道極限)頻率的頻譜中未發(fā)生很多變化，這說明，這種措施無法明確地增加過肩距離。畢竟，過肩距離的大小與可獲得的補償有關(guān)。另一方面，帶外發(fā)射頻譜中的傾斜度增加了，從而若通過補償獲得35dB的過肩距離則可獲得10dB/(0.72x帶寬)的想要值。
對A-信號“零接觸”和由此在相位中跳躍的避免通過就象在矢量圖的0/0點處“挖個孔”那樣加以得到。這意味著，矢量圖中避免0/0點的調(diào)制選擇必需通過寬余量進行。
對于AM帶中數(shù)字傳輸用的已由ITU推薦用于標準化并使用OFDM(正交頻分復用)多載波方法的DRM(數(shù)字無線電世界)系統(tǒng)的情況，由于傳輸信號的類噪聲特性而并不能為此容易地在矢量圖中進行挖“孔”。所以，DRM系統(tǒng)對發(fā)射機提出非常高的線性要求，因此相應地需要大的過肩距離。這意味著對DRM系統(tǒng)仍需發(fā)展新的高度線性的AM發(fā)射機以便能夠根據(jù)ITU頻譜罩符合有關(guān)不想要發(fā)射的要求。這是昂貴而乏味的并有可能一起危害DRM系統(tǒng)的引入。
通過使用在0/0點附近帶“孔”的調(diào)制方法，當今常用的具有小于35dB過肩距離的現(xiàn)存AM發(fā)射機，也可用于AM帶中的數(shù)字傳輸，如在“服務要求”中DRM所要求的那樣。繼續(xù)使用現(xiàn)存發(fā)射機的可能性是廣播電臺的最高優(yōu)先權(quán)。只需要額外添加用于調(diào)節(jié)A-信號和RF-P信號(見圖2)的數(shù)字調(diào)制器。以這種方式，就有可能由模擬轉(zhuǎn)換到數(shù)字而無需有關(guān)傳輸裝置的較大成本。
對于現(xiàn)存AM帶中的數(shù)字傳輸，提出了調(diào)制方法的建議，該方法的特征是在0/0點附近有一“孔”。那種調(diào)制方法是作為偏移調(diào)制(offset modulation)或代碼調(diào)制而出名的。
這樣的調(diào)制用于，比如不能將高頻的振幅減小到零值的發(fā)射機中。在具有行波管的衛(wèi)星脈沖轉(zhuǎn)發(fā)器或具有以C類操作的傳輸放大器的GSM移動電話中可發(fā)現(xiàn)那樣的例子。
特別適合的是由16APSK(帶16組點的振幅相移鍵控)得到的調(diào)制類型。之所以這樣是因為，相比對于短波傳送尤其困難，較少的組點數(shù)量(比如，16)和采用較高水平的調(diào)制(比如，64組點)相比導致較大的凈數(shù)據(jù)吞吐量，因為低水平的調(diào)制固有地更加凹凸不平且要求較少的護錯編碼。
例1OFDM信號的改進OFDM信號具有完全矩形的頻譜，但在時域中，也即對時間信號的I-分量和Q-分量都具有類噪聲的特性，即時間。這是許多彼此互相獨立的子信道發(fā)生干擾的結(jié)果。
如果在OFDM信號的情況中，接受了某種退化，也即對于給定信噪比誤比特率略微增加，于是就可以在矢量圖中進行“挖孔”。
為了這個目的，需要改進OFDM基帶信號的I(t)和Q(t)分量。只有在完成該步后才可以執(zhí)行I/Q→A/RF-P轉(zhuǎn)換和給發(fā)射機調(diào)換頻率。
I(t)和Q(t)基帶信號是AC電壓并因此它們中的每一個都有零交叉。當I(t)和Q(t)都同時具有零交叉或在時間上只有很小的差別時，會發(fā)生臨界的情況，即此時在矢量圖中逼近或觸及0/0點。這在將I(t)和Q(t)分別看作x/y坐標系統(tǒng)(迪卡爾)中的x和y時就可看到。因此，如果同樣有x＝0，則不允許同時有y＝0；不然將遇到坐標原點0/0，但是這種情況必須絕對加以避免。
這個問題可通過定義閾值+So、+Su、-So和-Su，其中So＞Su，并不斷地將這些閾值與I(t)和Q(t)的大小進行比較加以解決(見圖3)。箭頭標出了需要修正以使I(t)信號在其零交叉處移動的位置。在實際中，I(t)和Q(t)信號是環(huán)繞的并且沒有紐結(jié)點。
當觀察以下情況，其中來自正值的Q(t)作為兩個信號的第一個(來自負值，它將是閾值-Su)那樣落在低閾值+Su下方時，I(t)將在此后立即具有零交叉。
對于I(t)，當信號來自正值時要檢查它是否落在閾值+So下方，或當信號來自負值時要檢查它是否落在閾值-So下方。如果發(fā)生這種情況，則希望信號落在相應的Su閾值下方不久之后就發(fā)生零交叉。這意味著，信號I(t)和Q(t)的零交叉互相跟得太緊，這根據(jù)前面的考慮是要加以避免的。
I(t)和Q(t)信號的零交叉不能絕對地加以避免。這里要達到的是在時間上移動零交叉為此相隔，從而使兩種信號不會同時具有低的振幅值。對于所描述的例子，這就是說，I(t)信號必須以這樣的方式受到影響即使零交叉的發(fā)生在時間上離Q(t)信號的零交叉足夠遠。
在該例中，為此目的向I(t)信號加入進一環(huán)繞的脈沖，環(huán)繞脈沖的領先符號根據(jù)Su閾值的領先信號選擇。照這樣，I(t)信號以這樣一種方式“彎曲”一短時間從而使它的零交叉與Q(t)信號有足夠的距離。
有利的是，加入的脈沖具有余弦(cos2)形狀或高斯鐘形曲線狀，選擇該形狀，從而使所發(fā)射信號的帶寬不增加。所加入脈沖的振幅由I(t)或Q(t)信號的傾斜度決定，要求選擇與傾斜度成正比的振幅。
改進后的I(t)和Q(t)信號如上述地被I/Q→A/RF-P轉(zhuǎn)換并饋送給AM發(fā)射機。由于進過改進，故A(t)和RF-P(t)信號在發(fā)射機中具有的帶寬較帶有OFDM基帶調(diào)制情況中的要小。
在發(fā)射機輸出級，結(jié)合A(t)和RF-P(t)信號以形成較低帶寬，也即信道帶寬的輸出信號，因為進行了改進所以需要較少的補償，這樣的結(jié)果就獲得了較低的帶外發(fā)射。
帶外發(fā)射的減少在過肩距離的大小中實際上變得幾乎不顯著；然而，用此使OOB向兩邊減少的傾斜度卻增加了。在本文中，在矢量圖中選擇的“孔”越大，則傾斜度就變得越大。
但是，矢量圖中的“孔”不能制作得跟想要的一樣大，因為OFDM信號被加入的脈沖所惡化了。這相當于有意增加噪聲。因此，必須選擇OOB和誤比特率之間適宜的折衷。在由接收機參照的OFDM信號中傳輸?shù)膶蚍栆矔艿皆肼暤挠绊?，該事實具有有利的效果因為噪聲由于這個原因而具有較不嚴重的后果。
例2BPSK測試順序的改進為了測量無線電信道也為了和接收機同步，可以使用BPSK測試順序(二進制相移鍵控-偽隨機或CAZAC)。在本文中，該測試順序的特性要為此加以確定，使之不產(chǎn)生無法接受的不想要的發(fā)射。
未改進的BPSK測試順序在符號中具有頻繁的變化。因此在迪卡爾→極性圖的轉(zhuǎn)換期間，具有零接觸或幾乎零接觸的尖峰在A-信號中發(fā)生并在相位上跳過π。這兩種特性導致A-信號和RF-P信號都得到非常大的帶寬。由于在發(fā)射機輸出級中需要的補償過程，因而這是不想要的，且必須加以避免。
因此，BPSK測試信號以這樣的方式加以，從而使矢量圖中形成一“孔”。由此，改進過的BPSK測試信號屬于這樣一類表征為在矢量圖中的0/0點附近有一“孔”的調(diào)制。
在時域中，未進改進的BPSK測試順序看上去如圖4-A中部分所示的那樣。脈沖具有的大小為1且在時間上(定時地)有規(guī)律地彼此互相隔開。用于評估測試順序的已知算法旨在對改進過的測試順序同樣有用。
改進在于，第一步，將時鐘頻率加倍，以及在相同符號的兩個脈沖之間分別精確地設置附加的脈沖，如圖4-B的虛線所示。
第二步，在未改進測試順序中發(fā)生脈沖符號改變的每一處位置，在其中間精確地插入一脈沖。(見圖4-C)。脈沖的大小小于1(比如，0.2)并且在方向上為此定義使得未改進的測試順序中產(chǎn)生正脈沖以響應從+到-的轉(zhuǎn)變，而當符號從-變?yōu)?時則產(chǎn)生負脈沖(定義I)。
該定義是任意的從而使使改進測試順序中脈沖的符號可以其它相近的方式等效地加以選擇，這被稱為定義II。
由于改進的信號(圖4-C)，故當在復雜的平面中觀察時引起在調(diào)制的信號中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)造成頻譜中的不對稱。為了避免不對稱，每次順序被重復時根據(jù)定義II來決定脈沖。這導致對脈沖串定義的連續(xù)變化。
在調(diào)制之前，將改進過的測試順序的信號通過環(huán)繞濾波器(比如，帶外轉(zhuǎn)的根引起的余弦(root raised cosine with roll-off)＝0.2)。
改進并經(jīng)過濾波測試順序的調(diào)制器具有I/Q形狀，根據(jù)圖4-B的信號作為I-信號加以調(diào)制，而根據(jù)圖4-C的信號則作為Q-信號加以調(diào)制。
由此，保證了調(diào)制的測試信號的矢量圖在它的原點具有一“孔”。
在接收端，不需要復雜的相互關(guān)系。相反，分別將接收端I-信號和Q-信號與在根據(jù)圖4-B在接收機中產(chǎn)生的信號相關(guān)就足夠了。此后，接著發(fā)生的是，可將接收的I-分量和Q-分量分開。
權(quán)利要求
1.一種減少數(shù)字傳輸用AM發(fā)射機中帶外發(fā)射的方法，其中，用于控制AM發(fā)射機的振幅信號和相位調(diào)制RF信號從數(shù)字調(diào)制信號產(chǎn)生，其特征在于對于數(shù)字調(diào)制，所選擇的方法將振幅信號和相位調(diào)制RF信號的帶寬限制在這樣的程度，從而使帶外發(fā)射(1)作為過肩距離(2)的函數(shù)減少，后者可通過AM發(fā)射機以不超過(3)ITU頻譜罩的等級實現(xiàn)；數(shù)字調(diào)制方法具有的特征是，零交叉沒有觸及而是通過矢量圖中寬的余量，在0/0點附件形成一“孔”加以避免；以及對于數(shù)字調(diào)制，可以使用偏移調(diào)制或編碼調(diào)制的方法。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，矢量圖示中帶16組點的振幅相移鍵控的變量特別適合作為偏移調(diào)制，因為數(shù)量相對小的組點導致高的凈數(shù)據(jù)吞吐量；是個低水平的調(diào)制，它是相對地不平坦的且僅需較少的防差錯編碼。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，提出的調(diào)制原理可用于OFDM信號的傳輸；矢量圖示中的“孔”通過移動OFDM基帶信號零交叉處的I(t)和Q(t)分量來完成；零交叉的移動根據(jù)預定閾值以下I(t)和Q(t)分量的減少來進行；落在閾值以下的分量首先保持不變，但其它的分量隨后就由加入的脈沖加以校正；只有在第一分量已落在低閾值(q)以下并且隨后的分量落在高閾值(i)以下的情況才加入附加的脈沖；“孔”的大小由附加脈沖的振幅決定；并且必須在“孔”的大小和由附加脈沖引起的比特誤碼率之間選擇合理的折衷。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，測量無線電信道可以使用改進過的二進制相移鍵控測試順序；通過加倍時鐘頻率(B)和在未改進測試順序中具有符號改變的兩脈沖之間插入脈沖(C)，使改進產(chǎn)生了調(diào)制信號，該調(diào)制信號表征為在矢量圖示中的0/0點附近有一“孔”；“孔”的大小可由插入脈沖的振幅加以調(diào)節(jié)；并且為了評估改進過的測試順序，可為未改進過的測試順序用已知的算法。
全文摘要
與使用現(xiàn)存AM發(fā)射機的數(shù)字傳輸相關(guān)的問題是，必須減少發(fā)生的帶外發(fā)射以符合ITU罩，因為可由AM發(fā)射機獲得的過肩距離對于滿意的補償是不夠的?？刂艫M發(fā)射機所需要的信號，(振幅信號和相位調(diào)制的RF信號)，由通過迪卡爾→極性轉(zhuǎn)換的數(shù)字調(diào)制信號形成，從而使振幅信號和RF信號的帶寬到達一造成無法接收的帶外發(fā)射值。為了防止這一點，本發(fā)明提供了一用于數(shù)字調(diào)制的方法，該方法通過在其矢量圖示中的寬余量來避免零點，也即，在0/0點附近形成一“孔”。這種類型的調(diào)制方法被稱為偏移調(diào)制和編碼調(diào)制。16APSK的變量特別合適，因為只用16組點就可得到較高的凈數(shù)據(jù)吞吐量，而要求的編碼可忽略編碼。為了傳輸OFDM信號，通過偏移I(t)和Q(t)信號的零交叉來獲得矢量圖中的“孔”，后者通過將脈沖插入隨后的分量來獲得，比如，若另一個分量Q(t)已短期落入所定義閾值之內(nèi)則可將脈沖插入I(t)。通過調(diào)制可使用測量無線電信道用的BPSK測試順序，其中，通過在兩個符號位改變的脈沖之間插入一脈沖來形成調(diào)制信號，所述的調(diào)制信號在0/0點附近有一“孔”。孔的大小可由所插入的脈沖加以調(diào)節(jié)。
文檔編號H04H20/49GK1568591SQ02800506
公開日2005年1月19日 申請日期2002年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2001年3月6日
發(fā)明者D·如多爾夫, A·謝弗 申請人:德國電信股份有限公司