DE10123150A1 - Method for increasing the radiated power when transmitting digital multi-carrier signals with AM transmitters - Google Patents

Method for increasing the radiated power when transmitting digital multi-carrier signals with AM transmitters

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Abstract

For digital transmission with existing AM emitters, the ITU recommends a system which functions according to a multi-carrier method (OFDM). Based on the distribution density of the amplitude values, digital multi-carrier signals have a relatively large ratio of maximum power to effective power (crest factor), in such a way that the AM emitter can only emit comparatively small digital power. Furthermore, in the event of saturation, the non-linear mode of the AM emitter causes inner band and outer band disturbances. By limiting the amplitude of the amplitude signal, the crest factor can be reduced and the inner band and outer band disturbances can be minimised. The amplitude is advantageously limited before converting the complex I/Q signal into an amplitude signal and a phase-modulated RF signal, so as not to disturb the narrow coupling between the amplitude signal and the RF signal. In this way, non-linear distortions can be minimised. By carrying out an additional filtering after limiting the amplitude, the truncated VQ signal is rounded, and especially inner band disturbances can be reduced.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Rundfunksender, die im Zuge der Digitalisierung von analoger Amplitudenmodulation (AM) auf digitale Modulation umgestellt werden.The invention relates to the field of radio stations, which in the course of the digitization of analog amplitude modulation (AM) can be switched to digital modulation.

Die bisher üblichen Sendertypen, nichtlineare AM-Sender mit RF-Eingang (Radio Frequency) und Audioeingang, sollen dabei weiterhin verwendet werden. Dies hat folgende Gründe:
The previously common transmitter types, non-linear AM transmitters with RF input (radio frequency) and audio input, will continue to be used. The reasons are as follows:

  • - Die AM-Sender arbeiten intern im Schaltbetrieb und haben demzufolge bis zu einem Faktor 3 bessere Wirkungsgrade als lineare Sender, die sonst üblicherweise für digitale Übertragung, z. B. bei DAB (Digital Audio Broadcasting) und DVB (Digital Video Broadcasting), eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich eine Einsparung an Betriebskosten.- The AM transmitters work internally in switching mode and therefore have up to one factor 3 better efficiencies than linear transmitters, which are otherwise usually used for digital Transmission, e.g. B. with DAB (Digital Audio Broadcasting) and DVB (Digital Video Broadcasting). This results in savings in operating costs.
  • - Die Broadcaster sind leichter zur Migration von analog nach digital zu überzeugen, wenn keine großen Investitionen im Vorfeld anfallen.- The broadcasters are easier to convince to migrate from analog to digital if no big investments in advance.

Die Digitalisierung des AM-Rundfunks wird als einzige Chance gesehen, diese Frequenz­ bereiche und die darin angewendete Technologie langfristig zu erhalten. Für die Umsetzung wurde das Konsortium "Digital Radio Mondiale" gegründet, siehe Rundfunktechnische Mitteilungen, Jahrgang 43, 1999, Heft 1, Seite 29-35.The digitalization of AM broadcasting is seen as the only chance, this frequency areas and to preserve the technology used in them in the long term. For implementation the "Digital Radio Mondiale" consortium was founded, see broadcasting technology Mitteilungen, Volume 43, 1999, Issue 1, pages 29-35.

Die Verwendung eines nichtlinearen AM-Senders für digitale Modulation erfordert eine spezielle Betriebsart des Senders. Im analogen AM-Fall wird nur die Hüllkurve der RF- Trägerschwingung gemäß dem Nachrichtensignal beeinflusst.The use of a non-linear AM transmitter for digital modulation requires one special operating mode of the transmitter. In the analog AM case, only the envelope of the RF Carrier vibration affected according to the message signal.

Die Erzeugung des modulierten digitalen Signals erfolgt mittels zweier, zueinander ortho­ gonaler Teilsignale (I und Q). Das I-Signal ("In Phase") wird auf eine Kosinusschwingung mit der Frequenz Ft (Trägerfrequenz) moduliert. Das Q-Signal ("Quadratur") wird auf eine Sinusschwingung der gleichen Frequenz Ft moduliert. Die Summe beider modulierten Schwingungen ergibt das komplexe modulierte Datensignal (Kosinus 0-180 Grad, Sinus -90 -+90 Grad). Das modulierte I/Q-Signal wird durch Filter so geformt, dass es exakt die vorge­ schriebene Kurvenform mit der gewünschten Bandbreite hat.The modulated digital signal is generated by means of two mutually ortho partial partial signals (I and Q). The I signal ("in phase") is connected to a cosine oscillation the frequency Ft (carrier frequency) modulated. The Q signal ("quadrature") is on a Sine wave modulated at the same frequency Ft. The sum of both modulated  The complex modulated data signal (cosine 0-180 degrees, sine -90 - + 90 degrees). The modulated I / Q signal is shaped by filters so that it exactly matches the written curve shape with the desired bandwidth.

Das modulierte I/Q-Signal muss jedoch so umgewandelt werden, dass die beiden Signale Amplitudensignal (A-Signal) und phasenmoduliertes Trägersignal (RF-P) daraus entstehen, die geeignet sind, den AM-Sender richtig anzusteuern. Am Ausgang des AM-Senders ergibt sich hernach wiederum das modulierte I/Q-Signal mit größerer Leistung.However, the modulated I / Q signal must be converted so that the two signals The resulting amplitude signal (A signal) and phase-modulated carrier signal (RF-P) which are suitable for correctly controlling the AM transmitter. At the output of the AM transmitter results afterwards the modulated I / Q signal with greater power.

Das modulierte I/Q-Signal entspricht einer kartesischen Darstellung. Diese wird in eine polare Darstellung mit Amplitude und Phase überführt. Für die Ansteuerung des AM-Senders am Audioeingang wird dadurch das Amplitudensignal (A-Signal) gewonnen. Aus dem zunächst entstehenden Phasensignal (P-Signal) wird eine phasenmodulierte RF (RF-P-Signal) erzeugt. Vorteilhaft kann auch das RF-P-Signal ohne den Zwischenschritt über das P-Signal direkt gewonnen werden. Damit erhält man die für die Ansteuerung des AM-Senders notwendigen Signale:
The modulated I / Q signal corresponds to a Cartesian representation. This is converted into a polar representation with amplitude and phase. The amplitude signal (A signal) is thus obtained for controlling the AM transmitter at the audio input. A phase-modulated RF (RF-P signal) is generated from the phase signal (P signal) that initially arises. The RF-P signal can also advantageously be obtained directly via the P signal without the intermediate step. This gives you the signals necessary to control the AM transmitter:

  • - Amplitudensignal (A-Signal)- amplitude signal (A signal)
  • - Phasenmoduliertes RF-Signal (RF-P-Signal)- Phase-modulated RF signal (RF-P signal)

Das A-Signal wird in den Modulatoreingang (Audioeingang) des AM-Senders gegeben und das RF-P-Signal dient zur HF-mäßigen Ansteuerung des Senders. In der Senderendstufe werden die beiden Signale A multiplikativ vereinigt und bilden das hochfrequente digitale Ausgangssignal. Dieses ist theoretisch identisch mit dem entsprechend verstärkten komplexen modulierten I/Q-Signal vor der Koordinatenumwandlung.The A signal is sent to the modulator input (audio input) of the AM transmitter and the RF-P signal is used to control the transmitter according to HF. In the transmitter power stage the two signals A are multiplicatively combined and form the high-frequency digital output signal. This is theoretically identical to the correspondingly reinforced one complex modulated I / Q signal before coordinate conversion.

Das ist Stand der Technik, beschrieben z. B. in EP 0 708 545 oder auch DE 197 17 169.This is state of the art, described for. B. in EP 0 708 545 or also DE 197 17 169.

In der Praxis ist das digitale Ausgangssignal eines AM-Senders nicht exakt identisch mit dem verstärkten modulierten I/Q-Signal. Vielmehr unterscheidet sich das Ausgangssignal infolge der beim Modulationsprozess im AM-Sender entstehenden nichtlinearen Verzerrungen und den daraus resultierenden unerwünschten Nebenaussendungen.In practice, the digital output signal of an AM transmitter is not exactly identical to that amplified modulated I / Q signal. Rather, the output signal differs as a result  the nonlinear distortions that occur during the modulation process in the AM transmitter and the resulting unwanted secondary emissions.

Wird bei einem AM-Sender, der in diesem nichtlinearen Mode betrieben wird, das Ampli­ tudensignal amplitudenbegrenzt, so entstehen nichtlineare Verzerrungen, die einerseits zu erhöhter Außerbandstrahlung führen und andererseits auch Innerbandstörungen verursachen, die aufgrund der Betriebsweise des Senders erheblich über den Außerbandstrahlungen liegen können.If an AM transmitter operating in this non-linear mode, the Ampli tudensignal limited in amplitude, so nonlinear distortions arise, on the one hand lead to increased out-of-band radiation and on the other hand also cause in-band disturbances, which are significantly above the out-of-band radiation due to the operation of the transmitter can.

Die Innerbandstörungen reduzieren die erreichbare Versorgungsfläche, da ein bereits in sich gestörtes Signal weniger Störungen im Funkkanal vertragen kann, um am Empfänger an eine kritische Schwelle zu kommen.The in-band disturbances reduce the reachable coverage area, since one is already in itself disturbed signal can tolerate less interference in the radio channel to be sent to a receiver critical threshold to come.

Besonders problematisch sind nichtlineare Verzerrungen, wenn als digitale Modulation Mehrträger-Signale, z. B. OFDM-Signale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) übertragen werden sollen. Vielträgermodulationen haben zwar ein ziemlich rechteckförmiges Spektrum, jedoch im Zeitbereich rauschähnlichen Charakter, und zwar sowohl für die I- Komponente als auch für die Q-Komponente des Zeitsignals. Das ist die Folge von der hierbei stattfindenden Überlagerung von vielen, statistisch praktisch von einander unabhängigen, Sub- Kanälen. Nach den Regeln des "Zentralen-Grenzwert-Satzes" (Central Limit Theorem) hat eine derartige Überlagerung eine Verteilungsdichtefunktion der Amplitudenwerte, sowohl der I-Komponente als auch der Q-Komponente, die jeweils die Form einer Gauß'schen Glocken­ kurve fast erreicht. In einem solchen Fall hat die Verteilungsdichtefunktion der Amplituden­ werte der Summenfunktion die Form einer Rayleigh-Verteilung. Das bedeutet, dass kleine und mittlere Amplitudenwerte recht häufig auftreten, hingegen große Amplitudenwerte sehr selten vorkommen. Lässt man die ganz seltenen, ganz großen Amplitudenwerte außer Acht, so ist immer noch davon auszugehen, dass das Verhältnis von maximaler Leistung zu effektiver Leistung (Crestfaktor) einen Wert von 10 dB erreicht, dem ein Leistungsverhältnis von 10 entspricht, was einem Verhältnis von ca. 3,16 der zugehörigen Amplituden bedeutet. Der Crestfaktor im digitalen Fall wird zur Verdeutlichung Crestfaktor_digital benannt. Nonlinear distortions are particularly problematic when used as digital modulation Multi-carrier signals, e.g. B. OFDM signals (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) should be transferred. Multi-carrier modulations have a rather rectangular shape Spectrum, but in the time domain noise-like character, both for the I- Component as well as for the Q component of the time signal. That is the consequence of this overlapping of many, statistically practically independent of each other, sub- Channels. According to the rules of the "Central Limit Theorem" such an overlay a distribution density function of the amplitude values, both the I component as well as the Q component, each in the form of a Gaussian bell curve almost reached. In such a case the distribution density function has the amplitudes value the sum function the form of a Rayleigh distribution. That means small and medium amplitude values occur quite frequently, whereas large amplitude values very rarely occurrence. If you ignore the very rare, very large amplitude values, then that is still assume that the ratio of maximum performance to more effective Power (crest factor) reaches a value of 10 dB, the power ratio of 10 corresponds, which means a ratio of approximately 3.16 of the associated amplitudes. The Crest factor in the digital case is named Crestfactor_digital for clarification.  

Ein Crestfaktor_digital von 10 dB bedeutet, dass ein Sender, der z. B. 100 KW effektive digitale Leistung abstrahlen kann, für eine Spitzenleistung von 1000 KW ausgelegt sein muss.A Crestfactor_digital of 10 dB means that a transmitter that e.g. B. 100 KW effective can radiate digital power, must be designed for a peak power of 1000 KW.

Hingegen muss ein 100 KW AM-Sender nur für eine Spitzenleistung von 400 KW ausgelegt sein, da bei Amplitudenmodulation die maximal auftretende Spannung (Modulationsgrad von m = 100%) nur den doppelten Wert der Spannung im unmodulierten Fall erreicht. (Spannungsverhältnis = 2; Leistungsverhältnis bzw. Crestfaktor_analog = 4)In contrast, a 100 KW AM transmitter only has to be designed for a peak output of 400 KW be, since with amplitude modulation the maximum voltage occurring (degree of modulation of m = 100%) only reached twice the voltage in the unmodulated case. (Voltage ratio = 2; power ratio or crest factor_analog = 4)

Die Konsequenz daraus ist, dass ein AM-Sender der Typklasse 100 KW im digitalen Betrieb nur noch 40 KW (= 400 KW/Crestfaktor_digital) digitales Signal abstrahlen kann. Mehr digitale Leistung, bei gegebener Typgröße des Senders, ließe sich jedoch abstrahlen, wenn der Crestfaktor_digital kleiner als 10 dB wäre.The consequence of this is that an AM transmitter of type 100 KW in digital mode can only radiate 40 KW (= 400 KW / Crestfactor_digital) digital signal. However, more digital power, for a given type size of the transmitter, could be emitted if the crest factor_digital were less than 10 dB.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren anzubieten, mit dem bei der Übertragung digitaler Mehrträger-Signale durch AM-Sender ein kleiner Crestfaktor und damit eine hohe abgestrahlte Leistung erreicht wird und gleichzeitig Innerbandstörungen sowie Außerbandstrahlungen vermindert werden.The present invention has for its object to offer a method with which Transmission of digital multi-carrier signals by AM transmitters is a small crest factor and therefore a high radiated power is achieved and at the same time inner band disorders as well Out-of-band radiation can be reduced.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das A-Signal in der Amplitude begrenzt wird und die Amplitudenbegrenzung bereits vor der Umwandlung des komplexen I/Q-Signals in A-Signal und phasenmoduliertes RF-Signal vorgenommen wird.The object is achieved in that the amplitude of the A signal is limited and the Amplitude limitation even before the complex I / Q signal is converted into an A signal and phase-modulated RF signal is made.

Eine Amplitudenbegrenzung für das Amplitudensignal alleine wäre hinsichtlich der Begrenzerwirkung gangbar, hätte aber den Nachteil, dass das A-Signal unabhängig vom RF-P-Signal beeinflusst würde, wodurch die gegenseitige enge Verkopplung zwischen beiden Signalen aufgebrochen würde. Bei der Vereinigung beider Signale in der Senderendstufe könnte ein perfektes Ausgangssignal dann nicht erreicht werden. Das führt zu erhöhten Innerband- und Außerbandstörungen. An amplitude limitation for the amplitude signal alone would be with regard to Limiter effect feasible, but would have the disadvantage that the A signal is independent of RF-P signal would be affected, causing the mutual close coupling between the two Signals would be broken. When combining both signals in the transmitter output stage then a perfect output signal could not be achieved. That leads to increased In-band and out-of-band disorders.  

Eine wesentliche Verringerung bei den Innerband- und Außerbandstörungen ergibt sich, wenn die Amplitudenbegrenzung bereits vor der Umwandlung des komplexen I/Q-Signals in A- Signal und RF-P-Signal vorgenommen wird. Das ist deswegen vorteilhaft, weil nur bei ungestörter Verkopplung von A- und RF-P-Signal die Innerbandstörungen und Außer­ bandabstrahlungen minimiert werden können.A significant reduction in in-band and out-of-band disorders results when the amplitude limitation even before the complex I / Q signal is converted into A- Signal and RF-P signal is made. This is advantageous because only with undisturbed coupling of A and RF-P signal the in-band interference and out band emissions can be minimized.

Die Amplitudenbegrenzung für das I/Q-Signal wird dadurch erreicht, dass die äquivalenten Basisbandsignale über einen Begrenzen geführt werden (siehe Fig. 1).The amplitude limitation for the I / Q signal is achieved in that the equivalent baseband signals are carried over a limitation (see FIG. 1).

Durch eine zusätzliche Filterung nach der I/Q-Amplitudenbegrenzung können die scharf abgeschnittenen Verläufe im I/Q-Signal verrundet werden, wodurch insbesondere Inner­ bandstörungen wesentlich verringert werden.With additional filtering according to the I / Q amplitude limitation, they can be sharp clipped courses in the I / Q signal are rounded, which in particular Inner band disturbances can be significantly reduced.

Bei dem aktuell von der ITU zur Standardisierung empfohlenen DRM-System (Digital-Radio- Mondiale) zur digitalen Übertragung in den AM-Bereichen wird als Mehrträgerverfahren ein OFDM-Verfahren mit etwa 200 Trägern vorgeschlagen.In the DRM system currently recommended by the ITU for standardization (digital radio Mondiale) for digital transmission in the AM areas is used as a multi-carrier method OFDM method with about 200 carriers proposed.

Auch für den Betriebsfall der gleichzeitigen Verwendung eines AM-Senders für analoge und digitale Ausstrahlung (Simulcast-Ausstrahlung), bei dem sich analoges und digitales Signal durch Innerbandstörungen gegenseitig stören können, ist die Minderung der unerwünschten Nebenerscheinungen von vordringlicher Bedeutung. Also for the case of simultaneous use of an AM transmitter for analog and digital broadcasting (simulcast broadcasting), in which there is analog and digital signal can interfere with each other by inner band disorders is the reduction of the undesirable Side effects of paramount importance.  

Liste der verwendeten BezugszeichenList of the reference symbols used

11

Multiplexer für Mehrträger-Signale z. B. OFDM
Multiplexer for multi-carrier signals e.g. B. OFDM

22

Amplitudenbegrenzer
amplitude

33

Verrundungsfilter
Verrundungsfilter

44

Multiplizierer
multipliers

55

Addierstufe
adder

66

Wandler kartesisch/polar
Cartesian / polar converter

77

Phasenmodulator
phase modulator

88th

AM-Sender
AM transmitter

Claims (2)

1. Verfahren zur Erhöhung der abgestrahlten Leistung bei der Übertragung digitaler Mehrträger-Signale mit AM-Sendern sowie eine Minimierung der Innerbandstörungen und Außerbandabstrahlungen, dadurch gekennzeichnet,
dass durch eine Amplitudenbegrenzung für das aus dem digitalen Mehrträger-Signal (1) gebildete Amplitudensignal eine Erhöhung der abgestrahlten Leistung - kleinerer Crestfaktor - und Minimierung der durch Übersteuerung des AM-Senders verursachten Nebenaussendungen erreicht wird,
dass die Amplitudenbegrenzung bereits vor der Umwandlung des komplexen I/Q-Signals in das Amplitudensignal und das phasenmodulierte RF-Signal vorgenommen wird, damit die gegenseitige Verkopplung zwischen Amplitudensignal und RF-Signal nicht gestört wird, weil dadurch erhöhte Innerband- und Außerbandstörungen auftreten würden, und
dass die Amplitudenbegrenzung für das I/Q-Signal dadurch realisiert wird, dass die äquivalenten Basisbandsignale über einen Amplitudenbegrenzer (2) geführt werden.1. A method for increasing the radiated power in the transmission of digital multi-carrier signals with AM transmitters and minimizing the in-band interference and out-of-band radiation, characterized in that
that an amplitude limitation for the amplitude signal formed from the digital multicarrier signal ( 1 ) increases the radiated power - smaller crest factor - and minimizes the secondary emissions caused by overloading the AM transmitter,
that the amplitude is limited before the conversion of the complex I / Q signal into the amplitude signal and the phase-modulated RF signal, so that the mutual coupling between the amplitude signal and the RF signal is not disturbed, because this would result in increased in-band and out-of-band interference, and
that the amplitude limitation for the I / Q signal is realized in that the equivalent baseband signals are routed via an amplitude limiter ( 2 ). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Amplitudenbegrenzung eine zusätzliche Filterung (3) zur Verrundung der abgeschnittenen Signalverläufe des I/Q- Signals vorgenommen wird, wodurch insbesondere Innerbandstörungen minimiert werden können.2. The method according to claim 1, characterized in that, after the amplitude limitation, an additional filtering ( 3 ) is carried out to round off the cut-off signal curves of the I / Q signal, which in particular allows to minimize in-band interference.
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