CN1355956A - 带有失真校正的广播发射系统 - Google Patents

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Abstract

发射系统(14)广播信号。在该系统(14)内,功率放大器(20)引起非线性失真。放大器前的部件,诸如带通滤波器(32),引起线性失真。大功率滤波器(38)位于功率放大器(20)的下游并引起线性失真。线性均衡器(42)补偿由大功率滤波器(38)引起的线性失真。非线性校正器(44)补偿由功率放大器(20)引起的失真,并位于线性均衡器(42)的下游。线性均衡器(46)补偿由放大器前的部件(例如32)引起的失真。补偿部件(42－46)位于引起失真的放大器前的部件(例如32)的上游。插入部件(22)位于3个补偿部件(42－46)和引起失真的部件(20、32和38)之间,以增加信号的速率,使得补偿发生在较低速率的信号。信号采样点(70－74)位于引起失真的部件(20、32和38)的下游。采样有选择地在采样点(70－74)进行用于对补偿进行更新。

Description

带有失真校正的广播发射系统
广播发射系统，例如DTV广播系统，包含能增加电信息信号功率的放大装置，使天线被激励发出期望强度的广播信号。该放大装置被称为功率放大器。为了使广播信号的质量最优，在放大前对电信号进行调整。信号调整包括对该电信号进行带通滤波以限制输入到功率放大器的电信号的频带。
在这种发射系统的操作中会引起几个问题。一个问题是包括功率放大器和信号调整装置的该发射系统的各部件会使电信号偏离预期值而失真。具体地说，功率放大器会使信号产生非线性失真。此外，一些信号调整装置(例如带限滤波器)会使信息信号产生线性失真。
发射系统中产生这些失真会导致幅度(AM/AM)突变和相位突变(AM/PM)。此外，也会产生幅度和相变随频率变动。在相位-幅度调制系统中，为达到最佳的系统性能，必须保持系统的幅度及相位的完整性。
电视系统中通常采用模拟方式的预失真均衡器与静态(非自适应)校正器来实现均衡。这样的均衡器和校正器要求厂家调校以提供预期的预失真量(预均衡)。部件的老化，以及温度的变化会使均衡器及校正器应当施加的适当的预失真量发生漂移，因而有时需要进行现场调校。
数字信号处理技术可以提高信号预失真的性能。具体地说，数字信号处理可用于自适应校正和均衡方法中。这种自适应过程可以不需要厂家及现场调校。
众所周知，在送往天线的信号流中要进行信号自适应校正。然而，在相对较快的数据系统中，这种校正需要在短时间内进行相对大量的数据处理。在一种公知的技术中，对所有失真(线性的与非线性的)在单个步骤中进行校正。
在另一种技术中，沿到天线方向逐个地对部件系统内的失真进行校正。尤其是对于每个部件，对从该部件输出的信号进行监测，以确定该部件造成的失真量，然后针对该部件进行校正。接着，下一个部件被监测以对其进行失真校正。然而，这种技术比较费时，通常不适合于高速数据流。因此，在数字广播发射系统中需要一种高速技术用于线性和非线性失真的自适应校正。
第二个问题是功率放大器在放大期间可能使该信号发生频谱扩展。该扩展包括频率拖尾(smearing)和产生所不希望的频率分量。频率扩展导致广播信号的质量下降。主要是以带通滤波的形式进行的附加的信号调整能够改进广播信号的质量。但是，每一附加的信号调整部件(例如带通滤波器)使该信号产生另外的失真。在该系统内产生失真的部件的数量的增加与必须校正的失真的增加相关联。目前的微处理器不能对在具有较多引起失真的部件的系统内传递的高速率数据信号提供所需的失真校正和校正调整。此外，在这种系统内，幅度或群时延随频率的变化将降低任何所施加的瞬时非线性校正的有效性。因此，对具有较多引起失真的部件的系统，需要一种失真校正和校正调整技术。本发明包含一种广播发射系统，该系统包括：一种装置，用于提供第一速率值的信息信号；插入装置，用于将速率从第一速率值增加到第二速率值；功率放大装置，位于所述插入装置的下游，用于将该信息信号放大到广播发射功率级；其特征在于放大器后调整装置位于所述功率放大装置的下游，用于在该信息信号由所述功率放大装置放大后对该信息信号进行调整，所述放大器后调整装置使该信息信号偏离预期值产生失真，预均衡装置，位于所述插入装置的上游，用于在该信号为第一速率补偿由所述放大器后调整装置产生的失真时修正该信息信号。方便的是，一种广播发射系统包括提供第一速率值的信息信号的装置。插入装置将速率从第一速率值增加到第二速率值。功率放大装置将该信息信号放大到广播发射功率级。该功率放大装置位于该插入装置的下游。放大器后调整装置用于在该信息信号由该功率放大装置放大后对该信息信号进行调整。该放大器后调整装置位于该功率放大装置的下游，并且使该信息信号偏离预期值产生失真。预均衡装置在该信号为第一速率补偿由该放大器后调整装置产生的失真时修正该信息信号。该预均衡装置位于该插入装置的上游。
下面参照附图通过示例的方式说明本发明，其中：
图1为根据本发明的装置的方框图；
图2为应用本发明的一种实例设备的方框图；
图3为在图放大器转换曲线图；
图4为在图1的装置中执行校正/调整处理的流程图。
装置10在图1中以功能方框图的形式表示为定义数据流12的路径的多个部件。信息数据信号沿数据流路径12前行。该信息信号最好是具有相对高的数据速率。该高数据速率与装置10所处的系统的环境有关。具体地说，装置10最好是如图2所示的高清晰度(“HD”)数字电视(“DTV”)系统14的一部分。DTV系统14在天线频率范围内广播信号。在一个实施例中，广播信号位于超高频范围内(300-3000MHz)，并且最好在470-860MHz范围内。
DTV系统14在有关部分包括有一个8VSB激励器16和一个发射机18。图1所示装置10的各部件位于图2所示的8VSB激励器16和发射机18内。具体地说，发射机18包括有功率放大器20(图1)，功率放大器20将信息信号放大到适合RF信号广播发射的功率水平。在一个实例中，放大后的功率级为50千瓦。功率放大器20也可由一系列放大设备组成。若功率放大器20内包含多个放大设备，则要有一个合成器设备来对放大器设备的输出进行合成。应当理解，可以采用各种放大器配置。
下面讨论位于发射机18(图2)上游的部件，这些位于上游的部件中有很多以数字形式和某一预定的数据速率工作。特别地，8VSB激励器16对信息进行数字处理。而且，在8VSB激励器16内的某一点，基带调制器输出的该信息信号为复数域、数字形式，输出的采样速率等于基带码元(symbol)速率。对于HDTV，该速率为每秒采样10.76兆次(Msa/s)。
不同的是，功率放大器20对希望频率的模拟信号进行放大来传递较高速率的数据。因此，一系列部件位于功率放大器20的上游对该信息信号进行转换和调整以给该功率放大器提供所希望的输入。具体地说，(从图1的右下角开始)数字信号形式的信息信号以预定的数据速率(例如21.52Msa/s)提供到插入部件22。最好进行插入的因子为2。
数模转换器(DAC)24将该信息信号变换为模拟形式。输出频率可以为任何合适的中频(IF)。最好是该输出信号频率为位于中间的10.76MHZ。低通滤波器26位于DAC24的下游。低通滤波器26的输出被提供给由第一本机振荡器30驱动的第一上变换器28。带通滤波器32位于第一上变换器28和第二上变换器34之间。第二本机振荡器(L.O.)36驱动第二上变换器34。第二上变换器34的输出为所希望的频率和数据速率，由功率放大器20进行放大。
放大后滤波器38位于功率放大器20的下游。这里，放大后滤波器(post-amplification filter)38被称为大功率滤波器38。大功率滤波器38是带限滤波器。发射机18中还可包括其它部件。
下面讨论一个理论上“理想”的系统，这种理想系统的发射机的所有的部件均为理想的。具体地说，该系统的功率放大器是理想的，理想放大器的转换曲线为线性。因此，在这样的理想系统内，仅根据表示放大量的线性关系，具有给定放大前功率的信息信号将由放大器放大到某个预定功率级。同样地，该理想系统内的滤波器也不会造成任何与频率有关的失真。
然而，装置10中实际的功率放大器20不是理想的，功率放大器20的实际的放大器转换曲线不是线性的。在信息信号放大的过程中，功率放大器20会使信息信号产生非线性失真。特别是，非线性失真会导致幅度与相位突变。因此，希望对信息信号进行校正以补偿功率放大器20所造成的失真。
此外，发射机18中的滤波器，具体地说是滤波器26、32和38使信息信号产生与频率有关的线性失真。低通滤波器26产生第一线性失真，带通滤波器32产生第二线性失真，大功率滤波器38使信息信号产生第三线性失真。例如，由大功率滤波器38造成的失真会导致群时延和幅度响应(即幅度随频率变化)。因此，对于发射机18中产生的每一个失真，都需要对信息信号施加一定的校正或均衡量以进行补偿。
再回到理论上理想的系统，对信息信号进行的任何处理(即放大或滤波)都是时不变的。特别是，在该理想系统中，对信号进行的处理操作不会随时间变化。这样，对于给定的输入激励，该理想系统的输出总是相同的，而与激励发生的时间无关。
然而，发射机18实际上是时变的。特别是，对于给定的输入激励，发射机18的输出随时间变化。时变的原因之一就是发射机18内的热效应。这种热效应会引起由功率放大器20、滤波器32及38造成的信号失真量的改变。因此，希望对所有失真(线性、非线性和线性的顺序)进行补偿，适应失真的变化。
装置10在8VSB激励器16内提供三个校正器或均衡器(即补偿)部件42-46，用于补偿发射机18内的失真。校正器/均衡器部件42-46位于产生失真的发射机部件的上游。具体地说，所有的校正器/均衡器部件42-46位于插入部件24的上游。因此，该校正/均衡是通过该信息信号的预失真进行的，使得一旦随后在发射机18内有失真产生，则该信号也具有所希望的值。
下面讨论校正器/均衡器部件42-46的细节，自适应线性均衡器42对信息信号施加一个预失真，以补偿由大功率滤波器38引起的线性失真。线性均衡器42最好包含至少一个有限脉冲响应(“FIR”)数字滤波器，这种滤波器具有对信息信号进行预补偿或预均衡以补偿由大功率滤波器38引起的线性失真的适合的结构。线性均衡器42可以由一个执行程序处理的微处理器构成或包含一个执行程序处理的微处理器，以及/或者可以由非连续的“硬连线”电路构成或包含非连续的“硬连线”电路。还可以采用其它的滤波器类型(如IIR、FIR与IIR的结合，甚至模拟滤波器)。
自适应非线性校正器44对该信号施加一个预失真，以补偿由功率放大器20引起的非线性失真。自适应非线性校正器44可以具有对信息信号进行预失真(即预校正)以补偿由功率滤波器20引起的非线性的任何适合的结构。具体地说，非线性校正器44可以施加一个线性分段校正曲线和采用迭代或经验法更新在存储器内的一组校正值。或者，该校正可以由诸如曲线匹配之类的任何数目的算法处理产生，该算法提供与功率放大器20内在失真的反向失真。因此，非线性校正器44中可包含一个执行程序处理的微处理器，以及/或者可包含非连续的“硬连线”或可编程电路。
自适应线性均衡器46对该信息信号施加一个预失真以补偿主要由低通滤波器26和带通滤波器32引起的线性失真。最好是，线性均衡器46是具有对该信息信号进行预补偿或预均衡以补偿由放大前失真的适合的结构的滤波器。线性均衡器46可以包含非连续的“硬连线”或可编程电路。
线性均衡器42、非线性校正器44以及线性均衡器46按照这样的顺序排列，即预失真(或预校正)施加的顺序与失真产生的顺序正好相反。特别是，由于大功率滤波器38所造成的线性失真最后才产生(即处于其它所有失真的下游位置)，线性均衡器42就最先施加线性预失真。由非线性校正器44施加的预失真第二个发生，因为由功率放大器20造成的非线性失真第二个发生。由线性均衡器46施加的预失真第三个发生(即位于来自线性均衡器42的预失真以及来自非线性校正器44的预失真的后面)，因为放大前线性失真在由功率放大器20和大功率滤波器38造成的失真之前产生。
由大功率滤波器38引起的线性失真必须被首先校正(即在非线性校正之前)，使得与频率有关的变化不会影响非线性预校正。这种顺序避免了这样的问题，即校正不足、甚至误校正和沿与正确的校正所需的方向反方向。因此，在根据本发明的该校正方法中，大功率滤波器38的线性影响(例如群时延)被首先校正。因此，幅度和群时延对频率的变化不会被误认为该信息信号的非线性失真。
下面讨论提供给如图1中所示的装置10的相关部分的信号输入，从基带调制器输出的信息信号(即复数、数字的、最好是10.76Msa/s)被输入到变换器48。变换器48将信息信号从复数形式变为实数形式，并有效地将该信息信号的采样速率加倍(最好到21.52Msa/s)。复数-实数变换器(complex-to-real converter)48的输出是线性均衡器42的输入。因此，校正器/均衡器部件42-46这样配置使得于发生在发射机18中的放大和滤波相比所有的校正/均衡都发生在基带或较低的IF(回忆一下插入部件22在功率放大器和滤波器32、38等的上游)。因此数字校正的有效采样速率是码元速率(symbol rate)的两倍。这使得能以更高的采样速率在更宽的带宽上进行校正。认为仅两倍的采样速率有用(因为它仅允许对功率放大器的两倍带宽进行校正)的原因是因为大功率滤波器38较窄(小于两倍带宽)，能滤去因有限带宽数字校正所不能校正的任何频谱扩展。此外，应当理解线性滤波器42在实数域内对信号进行处理。
实数-复数变换器50位于线性均衡器42和非线性校正器44之间。因此，非线性校正器44工作在复数域内使得幅度和相位校正均能实现。在该优选实施例中，复数-实数变换器52位于非线性校正器44和线性均衡器46之间。线性均衡器46和发射机18的部件工作在实数域内。
由线性均衡器42、非线性校正器44和线性均衡器46施加的校正/均衡量可以调整(即更新)。控制器60确定线性均衡器42、非线性校正器44和线性均衡器46的每一个的校正/均衡的变化量。为了确定校正/均衡调整，在每一校正/均衡部件之前对信息信号进行采样。在线性均衡器42之前进行的信号采样被保存在存储器W62中。在非线性校正器44之前进行的信号采样被保存在存储器D64中。在线性均衡器46之前进行的信号采样被保存在存储器X66中。存储器62-66与控制器60相连以将该信号采样值提供给控制器60。
确定校正/均衡是否需要调整(即改变)需要在校正/均衡之前的信息信号和失真产生后的信息信号之间进行比较。因此，对信息信号进行采样以用于每一失真。具体地说，从功率放大器20之前的70耦合出(couple-off)信息信号，使得带通滤波器32的线性失真可以被鉴别。从功率放大器20之后的72耦合出信息信号，使得功率放大器20的非线性失真可以被鉴别。从大功率滤波器38之后的74耦合出该信息信号，使得大功率滤波器的线性失真可以被鉴别。
采样器76在3个可进行的采样位置(即放大器前、放大器后和大功率滤波器后)有选择地进行采样。采样器76包括转换器和下变换器。该采样器的输出经低通滤波器78传送到模数转换器(A/D)80，然后送到存储器Y84。存储器Y84与控制器60相连。
控制器60控制采样器76对3个可进行的采样位置之一(即放大器前、放大器后和大功率滤波器后)进行采样。采样位置的选择的确定取决于要被监视/调整的校正/均衡。存储器Y84因此保存表示失真的、进行调整确定所需的该信息信号值。因此，仅需要较小的存储器容量，因为控制器60在每一时刻有选择地选择要监视和校正的失真，并且进行的处理是以减小的速率进行的。
图3表示控制采样器76的过程100。过程100从步骤102开始并前进到步骤104，在步骤104中采样器76等待来自控制器的转换指令。在步骤106，控制器提供转换指令。在步骤108，采样器76根据来自控制器60的指令调整其转换设定。信息信号在所选的“采样”位置(即放大器前、放大器后和大功率滤波器后)进行采样(步骤110)。过程100前进到步骤112来确定控制器60是否请求改变(即改变或禁用该采样器)。如果在步骤112确定为否(即控制器没有提供新的命令)，则过程回到步骤110，并且信号继续在选定采样点被采样。如果在步骤112确定为是(即控制器提供了新的命令)，则过程转到步骤104执行步骤104-108进行转换调整。
图4表示校正/调整的过程200。过程200从步骤202开始并前进到步骤204，在步骤204中线性均衡器42被设定提供预定量的补偿。最好是由线性均衡器42提供的初始补偿是标称(nominal)大功率滤波器补偿。在步骤206，非线性校正器被初始化以提供初始预定校正。最好是由非线性校正器提供的初始校正补偿是标称功率放大器校正。在步骤208，线性均衡器46被初始化以提供预定补偿。最好是该初始补偿是标称sinx/x和上变换器补偿。
在步骤210，该采样器被设定为在70采样。在步骤212，存储器X和存储器Y被填入数据。在步骤214，根据存储器X和存储器Y中的值的比较在均衡器42提供线性均衡。在步骤216，该采样器被设定到72。在步骤218，存储器X和存储器Y被填入数据。在步骤220，根据存储器D和存储器Y中的值的比较非线性校正器42的校正被最优化。在步骤222，该采样器被设定到74。在步骤224，根据存储器W和存储器Y中的值的比较线性均衡器42被均衡。在完成步骤224后，过程200回到步骤210。
发射系统(14)广播信号。在该系统(14)内，功率放大器(20)引起非线性失真。放大器前的部件，诸如带通滤波器(32)，引起线性失真。大功率滤波器(38)位于功率放大器(20)的下游并引起线性失真。线性均衡器(42)补偿由大功率滤波器(38)引起的线性失真。非线性校正器(44)补偿由功率放大器(20)引起的失真，并位于线性均衡器(42)的下游。线性均衡器(46)补偿由放大器前的部件(例如32)引起的失真。补偿部件(42-46)位于引起失真的放大器前的部件(例如32)的上游。插入部件(22)位于3个补偿部件(42-46)和引起失真的部件(20、32和38)之间，以增加信号的速率，使得补偿发生在较低速率的信号。信号采样点(70-74)位于引起失真的部件(20、32和38)的下游。采样有选择地在采样点(70-74)进行用于对补偿进行更新。

Claims (3)

1.一种广播发射系统，该系统包括：一种装置，用于提供第一速率值的信息信号；插入装置，用于将速率从第一速率值增加到第二速率值；功率放大装置，位于所述插入装置的下游，用于将该信息信号放大到广播发射功率级；其特征在于放大器后调整装置位于所述功率放大装置的下游，用于在该信息信号由所述功率放大装置放大后对该信息信号进行调整，所述放大器后调整装置使该信息信号偏离预期值产生失真，预均衡装置位于所述插入装置的上游，用于在该信号为第一速率补偿由所述放大器后调整装置产生的失真时，修正该信息信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述功率放大装置使该信息信号偏离预期值产生失真，并且所述系统包括预校正装置，用于在该信号为第一速率补偿由所述功率放大装置产生的失真时修正该信息信号，所述预校正装置位于所述预均衡装置的下游和所述插入装置的上游。
3.如权利要求2所述的系统，其特征为放大器前调整装置，其位于所述功率放大装置的上游，用于在该信息信号由所述功率放大装置放大前对该信息信号进行调整，所述放大器前调整装置使该信息信号偏离预期值产生失真；和第二预均衡装置，用于在该信号为第一速率补偿由所述放大器前调整装置产生的失真时修正该信息信号，所述第二预均衡装置位于所述预校正装置的下游和所述放大器前调整装置的上游。
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