JP2005176311A - 進行波管増幅器の非線形性を測定するためのコヒーレント平均化 - Google Patents
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Abstract
【課題】時間/温度に対して変化するときに、TWTAの非線形性を正確に決定するシステムおよび方法を提供する。
【解決手段】信号を受信して復調し1302、復調信号から理想信号1320を発生させる1304。受信信号をコヒーレントに平均化して1324/1326、雑音を減少させ、理想信号1320とコヒーレントに平均化された受信信号との差から性能特性を推定する。
【選択図】 図13C
【解決手段】信号を受信して復調し1302、復調信号から理想信号1320を発生させる1304。受信信号をコヒーレントに平均化して1324/1326、雑音を減少させ、理想信号1320とコヒーレントに平均化された受信信号との差から性能特性を推定する。
【選択図】 図13C
Description
これは一部継続出願であり、以下の同時継続中で共通して譲渡された実用新案登録出願の35U.S.C.120条のもとでの利益を主張し、これらの出願は参照によりここに組み込まれている。
Ernest C.Chen氏により2001年4月27日に出願され、“デジタル信号用レイヤード変調”と題する実用新案登録出願第09/844,401号、代理人ドケット番号PD−200181(100.0051−US−01)。
Ernest C.Chen氏により2002年6月7日に出願され、“衛星TWTAオンライン非線形測定”と題する米国出願第10/165,710号、代理人ドケット番号PD−200228(109.0055−US−01)。
Ernest C.Chen氏とShamik Maitra氏により2003年10月17日に出願され、“非線形進行波管増幅器における動作点の推定”と題するPCT国際特許出願第PCT/US03/33130号、代理人ドケット番号PD−202131PCT(109.0099−WO−U1)。
この出願は以下の米国仮特許出願の35U.S.C.119条(e)のもとでの利益を主張し、この米国仮特許出願は参照によりここに組み込まれている。
Ernest C.Chen氏により2003年10月10日に出願され、“TWTA AM−AMおよびAM−PM測定の改善”と題する米国仮特許出願第60/510,368号、代理人ドケット番号PD−202118(109.0104−US−P1)。
発明の分野
本発明はデータを送信するシステムおよび方法に関し、特に、コヒーレント平均化を使用して進行波管増幅器曲線測定を改善するシステムおよび方法に関する。
本発明はデータを送信するシステムおよび方法に関し、特に、コヒーレント平均化を使用して進行波管増幅器曲線測定を改善するシステムおよび方法に関する。
デジタル信号通信システムは地上または衛星のいずれかのデジタルTV信号送信を含むさまざまな分野で使用されている。さまざまなデジタル信号通信システムおよびサービスが発展するにしたがって、増加するデータスループットおよび追加サービスに対して伸びゆく需要がある。しかしながら、送信機および受信機のような既存のレガシーハードウェアを置換する必要があるとき、古いシステムまたは新しいサービスにおいて改善を行うことはさらに困難である。新しいシステムおよびサービスは既存のレガシーハードウェアを利用できるときに進歩する。ワイヤレス通信の範囲では、この原理は電磁スペクトルの制限された利用可能性によりさらに目立つ。したがって、新しい周波数で拡張または追加データを単に送信することは可能ではない(または少なくとも実用的でない)。
スペクトル容量を増加させる従来の方法はより高次変調への移動であり、例えば4相位相偏移変調(QPSK)から8位相偏移変調(8PSK)または16直交振幅変調(16QAM)への移動である。残念ながら、QPSK受信機は従来の8PSKまたは16QAM信号を復調することができない。結果として、QPSK受信機を持つレガシーカスタマは8PSKまたは16QAM変調により送信される何らかの信号の受信を継続するために、彼らの受信機をアップグレードさせなければならない。
追加周波数を要求することなく、拡張および増加データスループットを受け入れることが信号を送信するシステムおよび方法にとって有利である。さらに、新しい受信機がレガシー受信機と後方互換性があることが信号を送信するシステムおよび方法にとって有利である。送信信号がレガシー送信機から離れた情報源からアップグレードできるようにするシステムおよび方法がさらに有利である。
これらの必要性を満たすために、上位および下位レイヤ信号の両方で非コヒーレントに送信するレイヤード変調信号を使用できることが提案されている。このようなレイヤード変調システムは後方互換性を持ちより高い情報スループットを可能にする。しかしながら、(まったく新しいシステムのように)後方互換性が要求されないときでさえ、レイヤード変調は依然として有利である。その理由は、所定のスループットに対して従来の8PSKまたは16QAM変調フォーマットよりもかなり低い進行波管増幅器(TWTA)ピーク電力しか必要としないからである。
(以下で詳細に説明する)レイヤード変調スキームを提供するために、再構成された上位レイヤ信号が受信複合信号から減算され、下位レイヤ信号を明らかにする。このようなことであるから、下位レイヤ信号性能は、上位レイヤ信号がオリジナル信号に対してどれだけ近く再構成できるかによって影響を受ける。言い換えれば、下位レイヤ信号性能は再構成信号の忠実度により影響を受ける。したがって、レイヤード変調は、さらなる処理のために下位レイヤ信号をさらすために、上位レイヤ信号のきれいな消去を必要とする。きれいな消去には、TWTA非線形/歪みが上位レイヤ信号の再構成において正確に再現されることが必要である。要求されるTWTA特性のオンライン推定は要求されるTWTA電力と衛星動作の複雑性を最小にすることが避けられない。さらに、非線形測定を使用して衛星の健全性を監視し、他の通信診断ルーチンを実行してもよい。しかしながら、このようなTWTA非線形の正確な再現および情報は大きな障害を与える。
TWTAにより、近似線形性の領域が存在し、ここでは出力電力は入力電力に比例し、これには、出力電力が横ばい状態になり、最大に到達する点まで曲線遷移が続く。この点において(すなわちTWTA曲線が非線形領域に十分に入っているとき)、増幅器は飽和に達したと言われる。この非線形性のために、そして相互変調を避けるために、入力電力は特定量(例えば6dB)だけ“バックオフされる”ことが多い。入力電力が“バックオフされた”後の曲線上の結果として得られる点はTWTAの動作点と呼ばれる。上位レイヤ信号を後に再構成するとき、オリジナル信号を生成させるのに使用される歪み/非線形性の量は再構成された信号の忠実度を増加させるように機能する。したがって、高忠実度の再構成された上位レイヤ信号を生成させるために、非線形性(および動作点)の情報が重要である。したがって、TWTA非線形性を含めること(または考慮に入れること)は10dB以上だけ上位レイヤ信号消去比を改善することができる(消去比は消去が改善される前後の非線形性導入雑音間の比である)。
動作点の推定におけるエラーは、上位レイヤ信号を再構成するときに大きな影響を与えることがある。動作点エラーによる振幅(AM−AM[振幅変調に対する振幅変調])および位相(AM−PM[位相変調に対する振幅変調])非線形性の影響は、シフト解析に基づいて個々に解析される。個々の影響は総影響に対して結合されてもよい。性能影響を評価するために、レイヤ変調信号と既知のTWTA非線形性およびシステム/典型的な動作CNR(搬送波対雑音比)との合成を使用してもよい。上位レイヤ消去エラーは、信号再構成プロセスにおけるシミュレートされた動作点エラーのそれぞれの量に対して計算される。したがって、上位レイヤ消去比は動作点変位に対してプロットしてもよい。消去エラーは下位レイヤCNR低下量に変換することができ、これは上位および下位レイヤの両方の信号に対して要求されるCNRを増加させる。このような増加したCNRは動作点推定エラーの影響を示す。
図14Aおよび図14Bは例示的なAM−AMおよびAM−PM非線形性を有する信号再構成における動作点エラーの影響を示す。図14Aおよび図14Bでは、信号再構成エラーの感度がTWTA入力動作点エラーに対してプロットされている。有効雑音は信号再構成エラーの尺度として計算される。
図14Aでは、1組の一般的なTWTA非線形性曲線が使用されている。信号再構成プロセスは、非線形性曲線についての完全な情報を有しているが、動作点については不確実であると仮定される。図14Aの性能プロットは、約+/−1dBまでの入力動作点エラーに対して消去エラーが−25dBを下回ることを示す。
図14Bでは、性能プロットは同じTWTA非線形性に基づいているが、8dBの入力バックオフを持つ。このような入力バックオフにより、非線形性が改善され、TWTA動作点エラーに対して余り影響を受けにくい。結果として、再構成および消去エラーは図14Bに示されているようにかなり減少する。有効雑音は図14Aのように約+/−1dBまでで同じ入力動作点で−33dBを下回る。
したがって、TWTA非線形性および動作点を正確に決定するレイヤード変調システムを実現するシステムおよび方法に対する必要性が存在する。
先行技術では、TWTA非線形性測定は衛星が発射される前に地上で実行される。TWTA動作点は、TWTAの動作点をセットする遠隔測定追跡および制御(TT&C)コマンドから得られる(手順は衛星が発射されてからTWTA特性が少し変化したことを仮定する)。言い換えれば、発射前測定中にTT&Cコマンドによりセットされた動作点を、衛星からの信号を受信した後の発射後で使用する。しかしながら、非線形性および有効動作点を含むTWTA特性は(衛星発射後を含む)時間および温度に対して変化するかもしれない。これに関して、レイヤード変調における上位レイヤ信号消去は非線形性更新を行わないと正確に行われないかもしれない。
他の先行技術方法は試行錯誤により非線形性を推定することであり、適度な努力と費用内で要求される精度に収束することを望む。
したがって、必要とされるものは、時間/温度に対して変化するときに、TWTAの非線形性を正確に決定するシステムおよび方法である。さらに、望まれているものはいつでも、衛星ダウンリンクフットプリント内のいずれかから、このような決定を自動的かつ正確に行う能力である。本発明はこの必要性を満たし、以後に詳細に説明されているさらなる効果を提供する。
上述した要求を取り扱うために、本発明はコヒーレント平均化を使用して、進行波管増幅器(TWTA)の非線形性を測定する方法および装置を開示する。これに関して、本発明はレイヤード変調スキームで下位レイヤ信号の正確な抽出を助ける。このような正確な抽出は信号の両レイヤに対して要求される電力量を最小にし、TWTAの健全性を監視するのも助ける。
TWTAの非線形性を測定するために、測定手順は受信信号を捕捉することおよび雑音なしでTWTA非線形性を持たない理想信号を発生させることから始まる。理想信号は、疑似エラーなし(QEF)性能でデコードされたシンボルを再エンコーディングおよび再変調することにより発生させてもよい。理想信号はTWTAに対する入力を表し、捕捉信号はTWTAの出力プラスダウンリンク雑音および他の損傷を表す。2つの信号は復調器のタイミング回復ループによりサンプル毎に整列される。データ対が対応するすべてのサンプルに対して形成される。データ分類処理はデータ対を理想信号サンプルの電力/振幅に分類する。
データ分類後、本発明の平均化プロセスは(平均化比を表す)所定数の隣接TWTA入力信号を加えて、雑音を減少させる(すなわち、これによりCNRを有効に増加させる)。同じプロセスがTWTA出力信号において実行される。使用されるべき平均化比は信号SNRと、所定のアプリケーションに対して要求される非線形性測定の品質とに依存する。
データが集められる前の信号パスに沿ったフィルタの存在は推定の精度を減少させるかもしれない。したがって、完全なTWTA非線形性がほとんどの正確な測定のために復元されるように、逆フィルタ処理および等化を使用して、フィルタ処理効果を取り消してもよい。
同様な参照番号は全体を通して対応する部品を表している図面をこれから参照する。
以下の説明では、添付図面に対して参照を行い、添付図面はこの文章の一部を形成し、本発明のいくつかの実施形態を例として示す。本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態を利用してもよく、構造的な変更を行ってもよいことが理解される。
1. 概 観
本発明はTWTAのオンライン非線形性測定値を決定/推定する方法を提供する。コヒーレント平均化技術は最高のTWTA AM/AMおよびAM/PM測定精度に対する処理利得を最大にする。この技術は、低搬送波対雑音比(CNR)領域において、推定をバイアスさせる測定フロアーを生成させない。レイヤード変調信号の補償のために現在のTWTA非線形性を測定できるようにすることは、サービスの混乱なく、最高のCNR性能で、連続的なレイヤード変調動作を提供する。さらに、ローカル的に非線形性曲線を発生させるために、システム設計オプションを個々の受信機に対して使用することができ、これによりブロードキャストセンターから曲線を送信する必要性を無くす。
本発明はTWTAのオンライン非線形性測定値を決定/推定する方法を提供する。コヒーレント平均化技術は最高のTWTA AM/AMおよびAM/PM測定精度に対する処理利得を最大にする。この技術は、低搬送波対雑音比(CNR)領域において、推定をバイアスさせる測定フロアーを生成させない。レイヤード変調信号の補償のために現在のTWTA非線形性を測定できるようにすることは、サービスの混乱なく、最高のCNR性能で、連続的なレイヤード変調動作を提供する。さらに、ローカル的に非線形性曲線を発生させるために、システム設計オプションを個々の受信機に対して使用することができ、これによりブロードキャストセンターから曲線を送信する必要性を無くす。
先のことに加えて、イコライザおよび/または逆フィルタを使用して、信号パスに沿った線形フィルタのために観測することができないTWTA非線形性の一部を復元してもよい。
2. ビデオ配給システム
図1は単一衛星ビデオ配給システム100の概観を示す図である。ビデオ配給システム100は地上または他のリンク114を通してアップリンクセンター104と、そして公衆電話交換ネットワーク(PSTN)または他のリンク120を通して加入者受信機局110と通信する制御センター102を備えている。制御センター102は番組素材(例えばビデオ番組、オーディオ番組およびデータ)をアップリンクセンター104に提供し、加入者受信機局110と互いに整合的に作用して、例えば、ビデオ番組の課金および関連する解読を含むペイパービュー(PPV)番組を提供する。
図1は単一衛星ビデオ配給システム100の概観を示す図である。ビデオ配給システム100は地上または他のリンク114を通してアップリンクセンター104と、そして公衆電話交換ネットワーク(PSTN)または他のリンク120を通して加入者受信機局110と通信する制御センター102を備えている。制御センター102は番組素材(例えばビデオ番組、オーディオ番組およびデータ)をアップリンクセンター104に提供し、加入者受信機局110と互いに整合的に作用して、例えば、ビデオ番組の課金および関連する解読を含むペイパービュー(PPV)番組を提供する。
アップリンクセンター104は制御センター102から番組素材および番組制御情報を受信し、アップリンクアンテナ106および送信機105を使用して、アップリンク信号116により番組素材および番組制御情報を衛星108に送信する。衛星はこの情報を受信して処理し、送信機107を使用してダウンリンク信号118を通してビデオ番組と制御情報を加入者受信機局110に送信する。加入者受信機局110はアウトドアユニット(ODU)112を使用してこの情報を受信する。ODU112には加入者アンテナおよび低雑音ブロックコンバータ(LNB)が含まれる。
1つの実施形態では、加入者受信機局アンテナは18インチのわずかに卵形形状のKuバンドアンテナである。このわずかに卵形の形状はLNB(低雑音ブロックコンバータ)の22.5度のオフセット給電のためである。LNBは加入者アンテナから反射された信号を受信するように使用される。オフセット給電は、到来マイクロ波信号の減衰を最小にするアンテナの任意の表面領域をブロックしないようにLNBをじゃまにならないところに位置付ける。
ビデオ分配システム100は、より広い地上カバレッジを提供し、追加チャネルを提供し、またはチャネル毎の追加帯域幅を提供するために、複数の衛星108を含むことができる。本発明の1つの実施形態では、各衛星は16のトランスポンダを備え、トランスポンダはアップリンクセンター104からプログラム素材および他の制御データを送受信し、それを加入者受信機局110に提供する。データ圧縮および多重化技術を使用することにより、チャネル能力、すなわち共に動作している2つの衛星108は150の従来(非HDTV)のオーディオおよびビデオチャネルを32のトランスポンダを通して受信およびブロードキャストすることができる。
ここに開示されている発明は衛星ベースのビデオ配給システム100に言及して説明するが、ブロードキャスト手段、ケーブルまたは他の手段によろうがそうでなかろうが、本発明は番組情報の地上ベースの送信によっても実現してもよい。さらに、先に説明したように、制御センター102とアップリンクセンター104に集合的に割り当てられた異なる機能は、本発明の意図する範囲を逸脱することなく、望ましいように再割り当てすることができる。
加入者122に配信される番組素材が映画のようなビデオ(およびオーディオ)番組素材である実施形態に関して先のことは説明したが、先の方法はその上、純粋にオーディオ情報または他のデータを含む番組素材を配信するのに使用することができる。
2.1 アップリンク構成
図2は単一衛星108トランスポンダに対する典型的なアップリンク構成を示し、制御センター102およびアップリンクセンター104により、どのようにビデオ番組素材が衛星108にアップリンクされるかを示しているブロック図である。図2は(高忠実度音楽、サウンドトラック情報、または外国語を送信するための2次オーディオ番組のための1つ以上のオーディオチャネルにより、それぞれ強化されてもよい)3つのビデオチャネル、番組ガイドサブシステム206からのデータチャネルおよびコンピュータデータ源208からのコンピュータデータ情報を示している。
図2は単一衛星108トランスポンダに対する典型的なアップリンク構成を示し、制御センター102およびアップリンクセンター104により、どのようにビデオ番組素材が衛星108にアップリンクされるかを示しているブロック図である。図2は(高忠実度音楽、サウンドトラック情報、または外国語を送信するための2次オーディオ番組のための1つ以上のオーディオチャネルにより、それぞれ強化されてもよい)3つのビデオチャネル、番組ガイドサブシステム206からのデータチャネルおよびコンピュータデータ源208からのコンピュータデータ情報を示している。
ビデオチャネルは(以後、番組源200として総称して呼ばれる)ビデオ素材の番組源200A〜200Cにより提供される。各番組源200からのデータは(以後、エンコーダ202として総称して呼ばれる)エンコーダ202A〜202Cに提供される。エンコーダのそれぞれは制御装置216から番組タイムスタンプ(PTS)を受け取る。PTSは循環バイナリタイムスタンプであり、エンコーディングおよびデコーディング後に、ビデオ情報がオーディオ情報と適切に同期化されることを確実にするために使用される。PTSタイムスタンプはMPEGエンコード化データの各Iフレームとともに送信される。
本発明の1つの実施形態では、各エンコーダ202は第2世代モーションピクチャーエキスパートグループ(MPEG−2)エンコーダであるが、他のコーディング技術を実現する他のデコーダも同様に使用することができる。データチャネルは(示されていない)エンコーダにより同様な圧縮スキームを受けることができるが、このような圧縮は通常不必要であるか、またはコンピュータデータ源中のコンピュータプログラムにより実行される(例えば、写真データは送信前に一般的に*.TIFファイルまたは*.JPGファイルに圧縮される)。エンコーダ202によるエンコーディング後に、この信号は各番組源200と関係する(以後、パケタイザ204として総称して呼ばれる)パケタイザ204A〜204Fによりデータパケットに変換される。
データパケットはシステムクロック214(SCR)からの、および条件アクセスマネージャー210からの基準を使用してアセンブルされ、条件アクセスマネージャー210は、データパケットを発生させるのに使用するために、サービスチャネル識別子(SCID)をパケタイザ204に提供する。これらのデータパケットはシリアルデータに多重化され、送信される。
2.2 ブロードキャストデータストリームフォーマットおよびプロトコル
図3Aは代表的なデータストリームの図である。第1のパケットセグメント302はビデオチャネル1からの情報(例えば、第1のビデオ番組源200Aから来るデータ)を含む。次のパケットセグメント304は、例えばコンピュータデータ源208から取得されたコンピュータデータ情報を含む。次のパケットセグメント306は(ビデオ番組源200の1つからの)ビデオチャネル5からの情報を含む。次のパケットセグメント308は番組ガイドサブシステム206により提供される情報のような番組ガイド情報を含む。図3Aに示されているように、ヌルパケットモジュール212により生成されるヌルパケット310は望まれるようにデータストリームに挿入されてもよく、これには番組源200からのデータパケット312,314,316がさらに後続する。
図3Aは代表的なデータストリームの図である。第1のパケットセグメント302はビデオチャネル1からの情報(例えば、第1のビデオ番組源200Aから来るデータ)を含む。次のパケットセグメント304は、例えばコンピュータデータ源208から取得されたコンピュータデータ情報を含む。次のパケットセグメント306は(ビデオ番組源200の1つからの)ビデオチャネル5からの情報を含む。次のパケットセグメント308は番組ガイドサブシステム206により提供される情報のような番組ガイド情報を含む。図3Aに示されているように、ヌルパケットモジュール212により生成されるヌルパケット310は望まれるようにデータストリームに挿入されてもよく、これには番組源200からのデータパケット312,314,316がさらに後続する。
したがって、データストリームは制御装置216により決定される順序でデータ源の任意の1つ(例えば、番組源200、番組ガイドサブシステム206、コンピュータデータ源208)からの一連のパケット(302〜316)を含む。データストリームは暗号化モジュール218により暗号化され、(一般的にQPSK変調スキームを使用して)変調器220により変調され、送信機105/222に提供され、送信機105/222は変調されたデータストリームを周波数帯域幅上でアンテナ106を通して衛星にブロードキャストする。受信機局110における受信機500はこれらの信号を受信し、SCIDを使用してパケットを再アセンブルし、各チャネルに対する番組素材を再発生させる。
図3Bはデータパケットの図である。各データパケット(例えば、302〜316)は147バイト長であり、多数のパケットセグメントを含む。第1のパケットセグメント320はSCIDおよびフラグを含む2バイトの情報を含む。SCIDは独特な12ビット数であり、データパケットのデータチャネルを一意的に識別する。フラグは4ビットを含み、他の機能を制御するのに使用される。第2のパケットセグメント322は4ビットパケットタイプインジケータと4ビット連続カウンタからなる。パケットタイプは4つのデータタイプ(ビデオ、オーディオ、データまたはヌル)の1つとしてパケットを識別する。SCIDと組み合わされたとき、パケットタイプはどのようにデータパケットが使用されるかを決定する。連続カウンタは各パケットタイプおよびSCIDに対して一度インクリメントする。次のパケットセグメント324は127バイトのペイロードデータを含む。これはパケット302または306のケースでは、ビデオ番組源200により提供されるビデオ番組の一部である。最終パケットセグメント326はフォワードエラー訂正を実行するのに要求されるデータである。
図4は変調器220の1つの実施形態を示すブロック図である。変調器220はオプション的にフォワードエラー訂正(FEC)エンコーダ404を含み、これは第1の信号シンボル402を受け取り、送信エラーを減少させるのに使用される冗長情報を加える。コード化シンボル405は第1の搬送波408にしたがって変調器406により変調され、上位レイヤ変調信号410が生成される。第2のシンボル420は同様にオプション的な第2のFECエンコーダ422に提供され、第2のコード化シンボル424が生成される。第2のコード化シンボル424は第2の変調器414に提供され、第2の変調器414は第2の搬送波416にしたがって第2のコード化シンボル424を変調し、下位レイヤ変調信号418が生成される。したがって、上位レイヤ変調信号410と下位レイヤ変調信号418は相関されていない。よって、上位レイヤ信号410と下位レイヤ信号418は個々のアップリンク信号116を通して1つ以上の衛星108上の個々のトランスポンダに送信することができる。よって、下位レイヤ信号418は独立したアップリンク信号116を受信する独立した衛星108から実現することができる。しかしながら、ダウンリンク信号118では、上位レイヤ信号410は、図6および図7に示されている信号配列を維持するために、下位レイヤ信号418よりも十分に大きな振幅でなければならない。
両ダウンリンク信号レイヤを送信するものを持つレガシー衛星を置換するのではなく、独立した衛星108上のトランスポンダを使用することにより既存システムを更新して、既存のレガシーダウンリンク信号に対して下位レイヤダウンリンク信号を送信することの方がより有効であることに留意すべきである。レイヤードダウンリンクブロードキャストを実現する際にダウンリンクレガシー信号を適応させることを強調する。
2.3 統合された受信機/デコーダ
図5は(以後、代わりに受信機500としても言及される)統合された受信機/デコーダ(IRD)500のブロック図である。受信機500は1つ以上の低雑音ブロック(LNB)502を有するODU112に通信可能に結合されたチューナ/復調器504を備えている。LNB502は衛星108からの12.2〜12.7GHzのダウンリンク信号118を、例えばIRD500のチューナ/復調器504により要求される950〜1450MHz信号に変換する。一般的に、LNB502は二重または単一出力のいずれを提供してもよい。単一出力LNB502は1つのRFコネクタのみを有する一方、二重出力LNB502は2つのRF出力コネクタを有し、第2のチューナ504、第2の受信機500または他の何らかの形態の配給システムに供給するのに使用することができる。
図5は(以後、代わりに受信機500としても言及される)統合された受信機/デコーダ(IRD)500のブロック図である。受信機500は1つ以上の低雑音ブロック(LNB)502を有するODU112に通信可能に結合されたチューナ/復調器504を備えている。LNB502は衛星108からの12.2〜12.7GHzのダウンリンク信号118を、例えばIRD500のチューナ/復調器504により要求される950〜1450MHz信号に変換する。一般的に、LNB502は二重または単一出力のいずれを提供してもよい。単一出力LNB502は1つのRFコネクタのみを有する一方、二重出力LNB502は2つのRF出力コネクタを有し、第2のチューナ504、第2の受信機500または他の何らかの形態の配給システムに供給するのに使用することができる。
チューナ/復調器504は単一の、デジタル的に変調された24MHzトランスポンダ信号を分離し、変調データをデジタルデータストリームに変換する。さらに、受信信号の復調に関する詳細は以下の通りである。
デジタルデータストリームはフォワードエラー訂正(FEC)デコーダ506に供給される。これにより、IRD500は(加入者受信機局110への送信前にフォワードエラー訂正を所望信号に適用する)アップリンクセンター104により送信されるデータを再アセンブルして、正しいデータ信号が受信されたことを確認し、もしあれば、エラーを訂正することができる。エラー訂正されたデータは、8ビットパラレルインターフェイスを通して、FECデコーダモジュール506からトランスポートモジュール508に供給されてもよい。
トランスポートモジュール508はIRD500により実行される多くのデータ処理機能を実行する。トランスポートモジュール508はFECデコーダモジュール506から受信されたデータを処理し、処理されたデータをビデオMPEGデコーダ514とオーディオMPEGデコーダ517に提供する。必要に応じて、トランスポートモジュールはシステムRAM528を使用して、データを処理する。本発明の1つの実施形態では、トランスポートモジュール508、ビデオMPEGデコーダ514およびオーディオMPEGデコーダ517はすべて集積回路上で実現される。この設計は空間と電力の両効率を向上し、トランスポートモジュール508内で実行される機能の安全性を増加させる。トランスポートモジュール508はマイクロ制御装置510とビデオおよびオーディオMPEGデコーダ514,517との間の通信通路も提供する。以後にさらに完全に述べるように、トランスポートモジュールは条件アクセスモジュール(CAM)512とともに動作して、加入者受信機局110がある番組素材にアクセスを許されるか否かの決定をする。トランスポートモジュール508からのデータは外部通信モジュール526にも供給することができる。
CAM512は他のエレメントと関連して機能し、トランスポートモジュール508からの暗号化信号をデコードする。CAM512はこれらのサービスを追跡および課金するために使用してもよい。本発明の1つの実施形態では、CAM512は取り外し可能スマートカードであり、情報を送るためにIRD500中のコンタクトと協同的にインターラクトするコンタクを有する。CAM512で実行される処理を実現するために、IRD500、特にトランスポートモジュール508はクロック信号をCAM512に提供する。
ビデオデータはMPEGビデオデコーダ514により処理される。ビデオランダムアクセスメモリ(RAM)536を使用して、MPEGビデオデコーダ514は圧縮されたビデオデータをデコードして、それをエンコーダすなわちビデオプロセッサ516に送り、ビデオプロセッサ516はビデオMPEGモジュール514から受け取ったデジタルビデオ情報をディスプレイまたは他の出力デバイスにより使用可能な出力信号に変換する。例として、プロセッサ516はナショナルTV規格審議会(NTSC)またはアドバンスドテレビジョンシステム審議会(ATSC)エンコーダを備えていてもよい。本発明の1つの実施形態では、S−ビデオおよび通常のビデオ(NTSCまたはATSC)信号が提供される。他の出力を利用してもよく、他の出力は高精細プログラミングが処理される場合に有用である。
オーディオデータは同様にMPEGオーディオデコーダ517によりデコードされる。デコードされたオーディオデータはデジタルアナログ(D/A)コンバータ518に送られてもよい。本発明の1つの実施形態では、D/Aコンバータ518はデュアルD/Aコンバータであり、1つが右用チャネルおよび他の1つが左用チャネルである。望まれる場合には、サラウンド音処理または2次オーディオプログラム(SAP)で使用するために、追加チャネルを追加することができる。本発明の1つの実施形態では、デュアルD/Aコンバータ518はそれ自体で左および右チャネル情報とともに、何らかの追加チャネル情報を分離する。他のオーディオフォーマットを同様にサポートしてもよい。例えば、多チャネルドルビーデジタルAC−3のような他のオーディオフォーマットをサポートしてもよい。
ビデオストリームのエンコーディングおよびデコーディングにおいて実行されるプロセスの説明、特に、MPEGおよびJPEGエンコーディング/デコーディングに関するものは、1998年、マグローヒル社、Michael Robin氏とMichel Poulin氏による“デジタルテレビジョン原理”の第8章に見いだすことができ、これは参照によりここに組み込まれている。
マイクロ制御装置510は遠隔制御装置524、IRD500キーボードインターフェイスおよび/または他の入力デバイスからのコマンド信号を受け取って処理する。マイクロ制御装置510はプロセッサプログラミングメモリからその動作を実行するためのコマンドを受け取る。プロセッサプログラミングメモリはそのようなコマンドを実行するための命令のようなものを永続的に記憶する。プロセッサプログラミングメモリは、リードオンリーメモリ(ROM)538、電気的消去可能なプログラム可能リードオンリーメモリ(EEPROM)522または同様なメモリデバイスを備えていてもよい。マイクロ制御装置510は(図5においてそれぞれ“A”および“D”で示される)アドレスおよびデータラインを通してIRD500の他のデジタルデバイスも制御する。
モデム540はPSTNポート120を通してカスタマの電話回線に接続する。モデム540は例えばプログラムプロバイダを呼び出し、課金目的のためにカスタマの購入情報および/または他の情報を送信する。モデム540はマイクロ制御装置510により制御される。モデム540は標準パラレルおよびシリアルコンピュータI/Oポートを含む他のI/Oポートタイプにデータを出力することができる。
本発明は、トランスポートモジュール508から得られたビデオおよび/またはオーディオデータを記憶させるためにビデオ記憶デバイス532のようなローカル記憶ユニットも備える。ビデオ記憶デバイス532はハードディスク駆動装置、DVDの読み出し/書き込み可能コンパクトディスク、ソリッドステートRAM、他の任意の適切な記憶媒体とすることができる。本発明の1つの実施形態では、ビデオ記憶デバイス532は特殊化されたパラレル読み出し/書き込み能力を有するハードディスク駆動装置であることから、データは同時にビデオ記憶デバイス532から読み出し、そしてビデオ記憶デバイス532に書き込むことができる。この快挙を成し遂げるために、ビデオ記憶デバイス532またはその制御装置によりアクセス可能な追加バッファメモリが使用されてもよい。オプション的に、ビデオ記憶プロセッサ530を使用して、ビデオ記憶デバイス532へのビデオデータの記憶およびビデオ記憶デバイス532からの取り出しを管理することができる。ビデオ記憶プロセッサ530はビデオ記憶デバイス532に送るまたはビデオ記憶デバイス532から出るデータをバッファするメモリを備えていてもよい。代わりに、あるいは先のものと組み合わせて、複数のビデオ記憶デバイス532を使用することができる。また代わりに、あるいは先のものと組み合わせて、マイクロ制御装置510はビデオ記憶デバイス532にビデオおよび他のデータを記憶およびビデオ記憶デバイス532からビデオおよび他のデータを取り出すのに要求される動作を実行することもできる。
ビデオ処理モジュール516の入力は、ビデオまたはコンピュータモニタのようなビューイングデバイスに対してビデオ出力として直接供給することができる。さらに、ビデオおよび/またはオーディオ出力をRF変調器534に対して供給して、従来のテレビジョンチューナに対する入力信号として適切なRF出力および/または8残留側波帯(VSB)を生成させることができる。これは、受信機500がビデオ出力のないテレビジョンとともに動作することを可能にする。
各衛星108はトランスポンダを備え、トランスポンダはアップリンクセンター104から番組情報を受け入れ、この情報を加入者受信機局110に中継する。多チャネルがユーザに提供できるように、既知の多重化技術を使用する。これらの多重化技術には、例えばさまざまな統計的または他の時間領域多重化技術および偏波多重化が含まれる。本発明の1つの実施形態では、単一周波数帯で動作する単一トランスポンダが、各サービスチャネル識別子(SCID)により識別される複数のチャネルを伝える。
IRD500がまた番組ガイドを受け取り、マイクロ制御装置510に利用可能なメモリに記憶することが好ましい。一般的に、番組ガイドは衛星108からデータストリーム中の1つ以上のデータパケットで受信される。番組ガイドはマイクロ制御装置510により実現される適切な動作ステップの実行によりアクセスおよびサーチすることができ、プロセッサROM538に記憶させることができる。番組ガイドはビューワーチャネル番号を衛星トランスポンダおよびサービスチャネル識別子(SCID)にマッピングするデータを含んでいてもよく、番組イベントを識別している加入者122にTV番組リスト情報も提供してもよい。
図5に図示されているIRD500で実現される機能は、1つ以上のハードウェアモジュール、プロセッサにより実行される命令を規定する1つ以上のソフトウェアモジュール、または両者の組み合わせにより実現することができる。
本発明は異なる電力レベルの信号の変調を行い、各レイヤからの非コヒーレントであるべき信号に対して有用である。さらに、信号の独立した変調およびコーディングが実行されてもよい。4相位相偏移変調(QPSK)受信機のようなレガシー受信機との後方互換性が可能とされ、新しいサービスが新しい受信機に対して提供される。本発明の典型的な新しい受信機は以下で詳細に説明するように、2つの復調器と1つの再変調器を使用する。
本発明の典型的な後方互換性実施形態では、レガシーQPSK信号はより高い送信(および受信)レベルに電力がブーストされる。これは電力“余裕”を生み出し、ここで新しい下位レイヤ信号が動作する。レガシー受信機は加法白色ガウス雑音から新しい下位レイヤ信号を識別することができず、したがって通常方法で動作する。レイヤ電力レベルの最適選択は、レガシー装置とともに、望まれる新しいスループットおよびサービスに対応することに基づいている。
新しい下位レイヤ信号には、適切に機能するために十分な搬送波対熱雑音比が提供される。新しい下位レイヤ信号およびブーストされたレガシー信号は互いに非コヒーレントである。したがって、新しい下位レイヤ信号は異なるTWTAから、および異なる衛星からさえも実現することができる。新しい下位レイヤ信号フォーマットはレガシーフォーマットから独立しており、例えば、従来の連結FECコードを使用する、または新しいターボコードを使用する、QPSKまたは8PSKであってもよい。下位レイヤ信号はアナログ信号であってもよい。
組み合わされたレイヤード信号は最初に上位レイヤを復調して上位搬送波を除去することにより、復調およびデコードされる。安定化されたレイヤード信号はデコードされた上位レイヤFECと上位レイヤトランスポートに通信される出力上位レイヤシンボルとを有していてもよい。上位レイヤシンボルが再変調器において使用され、理想化上位レイヤ信号が発生させてもよい。理想化上位レイヤ信号は安定なレイヤード信号から減算され、下位レイヤ信号が現れる。下位レイヤ信号は復調され、FECデコードされ、下位レイヤトランスポートに通信される。
後方互換性応用において、あるいは現在または後日に1つ以上の追加レイヤを提供する予め計画されたレイヤード変調アーキテクチャの一部として、本発明を使用する信号、システムおよび方法を使用して、レガシー受信ハードウェアと互換性がある予め存在する送信を補ってもよい。
2.4 レイヤード信号
図6A〜6Cは受信されたレイヤード変調送信における信号レイヤの基本的な関係を図示している。図6Aは送信信号の上位レイヤ信号配列600を図示しており、信号点またはシンボル602を示している。図6Bはレイヤがコヒーレントである(すなわち同期化されている)上位レイヤ信号配列600に対するシンボル604の下位レイヤ信号配列を図示している。図6Cはレイヤが非コヒーレントである上位レイヤ配列に対する第2の送信レイヤの下位レイヤ信号606を図示している。下位レイヤ606は、非コヒーレント送信における2つのレイヤの相対変調周波数により、上位レイヤ配列602に関して回転する。上位および下位レイヤの両方はパス608により記述されるように第1のレイヤ変調周波数により原点に関して回転する。
図6A〜6Cは受信されたレイヤード変調送信における信号レイヤの基本的な関係を図示している。図6Aは送信信号の上位レイヤ信号配列600を図示しており、信号点またはシンボル602を示している。図6Bはレイヤがコヒーレントである(すなわち同期化されている)上位レイヤ信号配列600に対するシンボル604の下位レイヤ信号配列を図示している。図6Cはレイヤが非コヒーレントである上位レイヤ配列に対する第2の送信レイヤの下位レイヤ信号606を図示している。下位レイヤ606は、非コヒーレント送信における2つのレイヤの相対変調周波数により、上位レイヤ配列602に関して回転する。上位および下位レイヤの両方はパス608により記述されるように第1のレイヤ変調周波数により原点に関して回転する。
図7A〜7Cは上位レイヤ復調後の上位送信レイヤに対する下位送信レイヤとの非コヒーレント関係を図示した図である。図7Aは上位レイヤの第1の搬送波回復ループ(CRL)前で、配列リング702が破線により示される大きな半径の円の回りを回転する前の配列700を示している。図7Bは上位レイヤのCRL後の配列704を示しており、配列リング702の回転が止まっている。配列リング702は上位レイヤのノード602回りの下位レイヤの信号点である。図7Cはノード602に関する受信信号の位相分布を図示している。
非コヒーレント上位および下位レイヤ信号の相対変調周波数は、下位レイヤ配列を上位レイヤ配列のノード602回りに回転させ、リング702を形成させる。下位レイヤCRL後、この回転は除去され、(図6Bに示すように)下位レイヤのノードが現れる。下位レイヤ配列リング702の半径は下位レイヤ電力レベルを示す。リング702の厚みは下位レイヤの搬送波対雑音比(CNR)を示している。2つのレイヤが非コヒーレントであるので、下位レイヤを使用して異なるデジタルまたはアナログ信号を送信することができる。
図8Aはレイヤード変調信号の送信および受信のためのシステムを示している図である。(信号を増幅するためにTWTAを含む)独立した送信機107A,107Bは衛星108A,108Bのような何らかの適切なプラットフォーム上に配置され、本発明の信号の異なるレイヤを非コヒーレント送信するのに使用される。アップリンク信号116は一般的に、アンテナ106を通して1つ以上の送信機105により、1つ以上のアップリンクセンター104から各衛星108A,108Bに送信される。
図8Bは衛星108上でレイヤード変調信号を受信および送信するための例示的な衛星トランスポンダ107を図示している図である。アップリンク信号116は衛星108により受信され、入力マルチプレクサ(IMUX)814を通して送られる。これに続いて、信号は進行波管増幅器(TWTA)816で増幅され、ダウンリンク信号118が受信機802,500に送信される前に、出力マルチプレクサ(OMUX)818に通される。
図8Cは、本発明の1つ以上の実施形態にしたがった、例示的な衛星トランスポンダおよび信号処理のシミュレーションの詳細を図示する図である。特に、図8Cはレイヤ変調信号をどのようにシミュレートして、ここで説明されているような結果を発生させるかを図示している。図8Cにおいて、上位レイヤTWTAの非線形測定精度において潜在的な影響を有するブロックが強調されている。以下でさらに詳細に図示され説明されているように、隣接または同一チャネル干渉820は含まれていない。
FECエンコーダ404および422はそれぞれ第1および第2の信号シンボル402および420を受け取り、送信エラーを減少させるのに使用される冗長情報を付加する。エンコード信号は変調され、周波数がアップコンバートされ、アップリンクされ、比較的少ない損傷で衛星108において受信される。
シミュレーションでは、上位および下位信号はそれぞれ信号マッパー824Aおよび824Bにより処理される。信号マッパー824Aおよび824BはFEC出力ビットを配列シンボルに変換する。信号のパルスの基本形状が後に受信機における最適サンプリング点において互いに確実に干渉しないようにするために、パルス成形フィルタ826Aおよび826Bを使用して所望のパルス形状を確立してもよい。これに関して、パルス成形フィルタ826Aおよび826Bはルートライズドコサインフィルタ(RRCF)を備えていてもよく、その中で周波数フィルタは、フルライズドコサインフィルタ(RCF)の振幅スペクトルの平方根として周波数応答を表すために設けられる。
シミュレーションを継続すると、パルス成形された信号はボーおよび搬送波オフセットモジュール828Aおよび828Bにより独立してオフセットされる。図8Bに示されるように、信号は衛星入力マルチプレクサ(IMUX)フィルタ814Aおよび814Bに送られる。これに続いて、信号は進行波管増幅器(TWTA)816Aおよび816Bで増幅され、出力マルチプレクサ(OMUX)818Aおよび818Bに送られる。上位レイヤ信号および下位レイヤ信号は、ダウンリンク送信前に、要求されるように、隣接および同一チャネル干渉820と組み合わされる。図8Cに図示されているシミュレーションでは、本発明の強さをテストするために加法白色ガウス雑音(AWGN)830を加算してもよい。
シミュレーションの一部として、位相雑音832を信号に加算してもよい。受信機フロントエンドフィルタ834(例えば、アンチエイリアシングフィルタとして4次バターワースローパスフィルタ(LPF))を含めて、TWTA非線形性を測定するためにオフライン受信機処理ブロック836に対してシミュレートされた受信信号を出力する受信機構成をモデル化してもよい。代わりに、TWTA非線形性測定のために、ダウンリンクされた信号838を受信機500により捕捉してもよい。ここで図示され説明されているように、ボーおよび搬送波オフセットモジュール828A、衛星TWTA816A、衛星OMUXフィルタ818A、ダウンリンクAWGN830、位相雑音832、および受信機フロントエンドフィルタ834は、衛星および受信機の他のコンポーネントよりも、TWTA非線形性測定の精度においてさらに重要な影響を有する。
図8Aに戻って参照すると、レイヤード信号808A,808B(例えば、複数のダウンリンク信号118)は衛星パラボラアンテナのような受信機アンテナ812A,812Bにおいて受信され、これらはそれぞれ低雑音ブロック(LNB)810A,810Bを備え、統合された受信機/デコーダ(IRD)500,802に結合される。例えば、第1の衛星108Aおよび送信機107Aは上位レイヤレガシー信号808Aを送信することができ、第2の衛星108Bおよび送信機107Bは下位レイヤ信号808Bを送信することができる。両信号808A,808Bは各アンテナ812A,812BおよびLNB810A,810Bに到達するが、レイヤ変調IRD802のみが両信号808A,808Bをデコードすることができる。レガシー受信機500は上位レイヤレガシー信号808Aのみをデコードすることができ、下位レイヤ信号808Bはレガシー受信機500に対して雑音として現れるだけである。
信号レイヤは非コヒーレントに送信されるかもしれないことから、異なる衛星108A,108B、あるいはグランドベースまたは高高度プラットフォームのような他の適切なプラットフォームを使用して、任意の時間に個々の送信レイヤを追加してもよい。したがって、新しい追加信号レイヤを含む任意の複合信号はレガシー受信機500と後方互換性があり、レガシー受信機500は新しい信号レイヤを無視する。信号が確実に干渉しないように、下位レイヤに対する組み合わされた信号および雑音は特定の受信機アンテナ812A,812Bにおいて上位レイヤに対して許容された雑音フロアーにあるかまたはこれより下でなければならない。
レイヤード変調応用は、後方互換性および非後方互換性応用を含む。この意味における“後方互換性”はレガシー受信機500が追加信号レイヤにより時代遅れにならないシステムを説明している。代わりに、レガシー受信機500が追加信号レイヤをデコードできない場合でさえ、レイヤード変調信号を受信し、オリジナル信号レイヤをデコードすることができる。これらの応用では、予め存在するシステムアーキテクチャは追加信号レイヤのアーキテクチャにより対応する。“非後方互換性”はレイヤード変調を使用するシステムアーキテクチャを説明するが、使用される変調スキームはそのようなものであるから、予め存在する装置は付加的な信号レイヤ上の情報を受信およびデコードすることができない。
予め存在しているレガシーIRD500は、それらが受信するように設計されたレイヤ(または複数のレイヤ)からのみのデータをデコードおよび使用し、追加レイヤにより影響を受けない。しかしながら、後に説明するように、レガシー信号は新しいレイヤを最適に構成するように修正されてもよい。本発明は既存のダイレクト衛星サービスに適用してもよく、レガシー受信機に悪影響を与えることなく、付加的な信号周波数を要求することなく、新しい受信機で追加機能およびサービスを可能にするために、これらのダイレクト衛星サービスは個々のユーザにブロードキャストされる。
2.5 復調器およびデコーダ
図9はレイヤード変調信号を受信することができる拡張IRD802の1つの実施形態を図示しているブロック図である。拡張IRD802にはフィードバックパス902が含まれる。フィードバックパス802では、後に詳細説明するように、拡張され改良されたチューナ/復調器904およびトランスポートモジュール908にFECデコードシンボルがフィードバックされ、両信号レイヤがデコードされる。
図9はレイヤード変調信号を受信することができる拡張IRD802の1つの実施形態を図示しているブロック図である。拡張IRD802にはフィードバックパス902が含まれる。フィードバックパス802では、後に詳細説明するように、拡張され改良されたチューナ/復調器904およびトランスポートモジュール908にFECデコードシンボルがフィードバックされ、両信号レイヤがデコードされる。
図10Aは拡張チューナ/変調器904およびFECエンコーダ506の1つの実施形態のブロック図である。図10Aは受信を図示しており、上位レイヤ搬送波が既に復調されている信号上でレイヤ減算が実行されている。LNB502からの受信された組み合わせ信号1016の上位レイヤはレガシー変調フォーマットを含み、上位レイヤ復調器1004に提供されて処理され、安定な復調信号1020が生成される。復調信号1020はFECデコーダ1002に通信的に結合され、FECデコーダ1002は上位レイヤをデコードして、上位レイヤシンボルを生成させ、上位レイヤシンボルは上位レイヤトランスポートモジュール908に出力される。また上位レイヤシンボルを使用して理想化上位レイヤ信号が発生される。上位レイヤシンボルは、当業者に知られている一般的なデコーディング動作において、ビタビデコーディング(BER<10-3またはそれ位)後に、あるいはリードソロモン(RS)デコーディング(BER<10-9またはそれ位)後に、デコード402から生成されてもよい。上位レイヤシンボルはフィードバックパス902を通して上位レイヤデコーダ1002から再変調器1006に提供され、再変調器1006は効果的に理想化上位レイヤ信号を生成させる。理想化上位レベル信号は復調された上位レイヤ信号1020から減算される。
減算してクリーンな下位レイヤ信号を生成させるために、上位レイヤ信号は正確に再生しなければならない。例えば、進行波管増幅器(TWTA)の非線形性、あるいは送信チャネルにおける他の非線形または線形歪みにより、非線形変調信号は歪んでいる。歪みの影響はこの発明方法による事実の後に受信信号から推定することができる。本発明の方法により、TWTA特性はAM/AMおよび/またはAM/PMマップ1018にダウンロードされて、歪みを除去するのに使用されてもよい(以下の詳細な説明参照)。時間領域応答p(t)1014は信号特性として組み込まれる。代わりに、本発明の1つ以上の実施形態にしたがうと、個々のIRD500および802は非線形性曲線をローカルに発生させ、それにより、ブロードキャストセンターから曲線を送信する必要性をなくしてもよい。
減算器1012は安定な復調信号1020から理想化上位レイヤ信号を減算する。これは低電力の第2のレイヤ信号を残す。減算器1012は、理想化上位レイヤ信号が構成されている間に安定な復調信号1020を保持するようにバッファまたは遅延機能を含んでいてもよい。第2のレイヤ信号は下位レベル復調器1010により復調され、その信号フォーマットにしたがってデコーダ1008によりFECデコードされて、下位レイヤシンボルが生成される。下位レイヤシンボルはトランスポートモジュール908に提供される。
図10Bは他の実施形態を図示しており、レイヤ減算は(上位レイヤ復調前に)受信されたレイヤード信号において実行される。このケースでは、上位レイヤ復調器1004は上位搬送波信号1022(とともに安定な復調信号出力1020)を生成させる。上位搬送波信号1022は再コード化器/再変調器1006に提供される。再コード化器/再変調器1006は再コード化/再変調された信号を非線形歪マッパー1018に提供し、非線形歪マッパー1018は理想化上位レイヤ信号を効果的に生成させる。図10Aに示されている実施形態と異なり、この実施形態では、理想化上位レイヤ信号には受信された組み合わせ信号808A,808Bから減算するための上位レイヤ搬送波が含まれる。
レイヤ減算の他の均等な方法は当業者の心に浮かぶであろう。本発明はここに提供される例に限定されるべきではない。さらに、当業者は本発明が2つのレイヤに限定されないことを理解するであろう。追加レイヤが含まれていてもよい。理想化上位レイヤはそれらの各レイヤシンボルからの再変調を通して生成され、減算される。減算は受信された組み合わせ信号または復調された信号において実行されてもよい。最後に、すべての信号レイヤをデジタル送信する必要はない。最下位レイヤはアナログ送信であってもよい。
以下の解析は例示的な2レイヤ復調およびデコーディングを説明している。追加レイヤを同様な方法で復調およびデコードしてもよいことは当業者に明らかであろう。到来組み合わせ信号は以下のように表される。
fU(・)およびfL(・)および雑音n(t)を無視すると、以下のものは上位搬送波を取り除いた後の組み合わされた信号を表す。
減算器1012においてsUL(t)から上位レイヤを減算した後に、以下のものが残る。
本発明を使用すると、QPSKによる2レイヤード後方互換性変調は、既存のTWTA電力の約6.2dB上のTWTAを加えることにより、現在の6/7レート容量を2倍にする。新しいQPSK信号は別の送信機から、例えば異なる衛星から送信されてもよい。さらに、16QAMによるような、線形進行波管増幅器(TWTA)に対する必要性はない。また、8PSKおよび16QAMのようなさらに高次の変調には位相エラーペナルティは課されない。
3.0 変調レイヤの電力レベル
レイヤード変調システムでは、後方互換性応用を促進するように個々の変調レイヤ間の関係を構成することができる。代わりに、レイヤード変調システムの組み合わされた効率および/または性能を最適化するように新しいレイヤ構造を設計することができる。
レイヤード変調システムでは、後方互換性応用を促進するように個々の変調レイヤ間の関係を構成することができる。代わりに、レイヤード変調システムの組み合わされた効率および/または性能を最適化するように新しいレイヤ構造を設計することができる。
3.1 後方互換性応用
後方互換性応用に本発明を使用してもよい。このような応用において、下位レイヤ信号はアドバンスドフォワードエラー訂正(FEC)コーディング技術を利用して、システムにより要求される全体的な送信電力を低下させてもよい。
後方互換性応用に本発明を使用してもよい。このような応用において、下位レイヤ信号はアドバンスドフォワードエラー訂正(FEC)コーディング技術を利用して、システムにより要求される全体的な送信電力を低下させてもよい。
図11Aは本発明の例示的な実施形態の相対電力レベル1100を示す。図11Aはスケール図ではない。この実施形態は既存のTWTA等価等方放射電力(EIRP)より6.2dB上のTWTAおよび既存のTWTA電力より2dB下の第2のTWTAを使用して、既存のレート6/7容量を2倍にする。この実施形態は上位および下位QPSKレイヤを使用し、これらは非コヒーレントである。両レイヤに対して6/7のコードレートを使用する。この実施形態では、レガシーQPSK信号1102の信号を使用して上位レイヤ1104を発生させ、新しいQPSKレイヤは下位レイヤ1110である。レガシーQPSK信号1102のCNRは約7dBである。本発明では、レガシーQPSK信号1102は約6.2dBだけ電力がブーストされ、上位レイヤ1104のように熱雑音より約13.2dB上に新しい電力レベルをもたらす。上位レイヤの雑音フロアー1106は約6.2dBである。新しい下位QPSKレイヤ1110はターボコードのようなアドバンスドFECで約5dBのCNRを有する。下位レイヤの総信号および雑音は下位レイヤの許容可能な雑音フロアー1106にまたはこれより下に維持される。本発明の電力ブーストされた上位レイヤ1104は非常に強く、浴びせかけられるフェードに対して耐性を持たせる。混合された変調、コーディングおよびコードレートを有する複数レイヤに本発明を拡張してもよいことに留意すべきである。
この後方互換性応用の代替実施形態において、上位レイヤおよび下位レイヤ1104,1110の両方に対して2/3のコードレートを使用してもよい。このケースでは、(コードレート2/3を有する)レガシーQPSK信号1102のCNRは約5.8dBである。レガシー信号1102は約5.3dBだけブーストされて約11.1dB(2/3のコードレートを有するレガシーQPSK信号1102より4.1dB上)にされ、上位QPSKレイヤ1104を形成する。新しい下位QPSKレイヤ1110は約3.8dBのCNRを有する。下位レイヤ1110の総信号および雑音は約5.3dBに、すなわち上位QPSKレイヤの許容可能な雑音フロアー1106にまたはこれより下に維持される。このケースでは、全体的な容量は1.55倍だけ改善され、レガシーIRDに対する有効レートはレイヤード変調を構成する前のものの7/9となる。
本発明の後方互換性応用の別の実施形態では、上位レイヤと下位レイヤ1104,1110との間のコードレートを混合してもよい。例えば、レガシーQPSK信号502は約5.3dBだけブーストされて、6/7において不変のコードレートを有する約12.3dBにされ、上位QPSKレイヤ1104を生成してもよい。新しい下位QPSKレイヤ1110は約3.8dBのCNRを有する2/3のコードレートを使用してもよい。このケースでは、レガシー信号1102に対する総容量は約1.78倍である。さらに、レガシーIRDは大きなレート減少を受けない。
3.2 非後方互換性応用
先に説明したように、本発明は“非後方互換性”応用においても使用してもよい。このような応用では、両上位レイヤ信号および下位レイヤ信号はアドバンスドフォワードエラー訂正(FEC)コーディング技術を利用して、システムにより要求される全体的な送信電力を低下させてもよい。第1の例示的な実施形態では、2つのQPSKレイヤ1104,1110が2/3のコードレートでそれぞれ使用される。上位QPSKレイヤ504はその雑音フロアー1106より上の約4.1dBのCNRを有し、下位QPSKレイヤ1110も約4.1dBのCNRを有する。下位QPSKレイヤ1110の総コードおよび雑音レベルは約5.5dBである。上位QPSK信号1104に対する総CNRは約9.4dBであり、レート6/7のレガシーQPSK信号より単に2.4dB上である。レート6/7のレガシーと比較して容量は約1.74倍である。
先に説明したように、本発明は“非後方互換性”応用においても使用してもよい。このような応用では、両上位レイヤ信号および下位レイヤ信号はアドバンスドフォワードエラー訂正(FEC)コーディング技術を利用して、システムにより要求される全体的な送信電力を低下させてもよい。第1の例示的な実施形態では、2つのQPSKレイヤ1104,1110が2/3のコードレートでそれぞれ使用される。上位QPSKレイヤ504はその雑音フロアー1106より上の約4.1dBのCNRを有し、下位QPSKレイヤ1110も約4.1dBのCNRを有する。下位QPSKレイヤ1110の総コードおよび雑音レベルは約5.5dBである。上位QPSK信号1104に対する総CNRは約9.4dBであり、レート6/7のレガシーQPSK信号より単に2.4dB上である。レート6/7のレガシーと比較して容量は約1.74倍である。
図11Bは上位レイヤ1104および下位レイヤ信号1110の両方がレガシー信号レベル1102より下である代替実施形態の相対電力レベルを図示している。2つのQPSKレイヤ1104,1110は1/2のコードレートを使用する。この例では、上位QPSKレイヤ1104は約4.1dBのその雑音フロアー1106より約2.0dB上である。下位QPSKレイヤは約2.0dBのCNRを有し、総コードおよび雑音レベルは4.1dBまたは4.1dBより下である。この実施形態の容量はレート6/7のレガシーと比較して約1.31倍である。
4. ハードウェア環境
図12は例示的なコンピュータシステム1200を図示しており、このコンピュータシステム1200は本発明の選択されたモジュールおよび/または機能を実現するのに使用することができる。コンピュータ1202はプロセッサ1204と、ランダムアクセスメモリ(RAM)のようなメモリ1206を備えている。コンピュータ1202はディスプレイ1222に動作可能に結合され、ディスプレイ1222はウィンドウのようなイメージをグラフィックユーザインターフェイス1218B上でユーザに提示する。コンピュータ1202はキーボード1214、マウスデバイス1216、プリンタなどの他のデバイスに結合してもよい。もちろん、当業者は上記構成部品、または任意の数の異なる構成部品、周辺機器および他のデバイスの任意の組み合わせをコンピュータ1202とともに使用してもよいことを理解するであろう。
図12は例示的なコンピュータシステム1200を図示しており、このコンピュータシステム1200は本発明の選択されたモジュールおよび/または機能を実現するのに使用することができる。コンピュータ1202はプロセッサ1204と、ランダムアクセスメモリ(RAM)のようなメモリ1206を備えている。コンピュータ1202はディスプレイ1222に動作可能に結合され、ディスプレイ1222はウィンドウのようなイメージをグラフィックユーザインターフェイス1218B上でユーザに提示する。コンピュータ1202はキーボード1214、マウスデバイス1216、プリンタなどの他のデバイスに結合してもよい。もちろん、当業者は上記構成部品、または任意の数の異なる構成部品、周辺機器および他のデバイスの任意の組み合わせをコンピュータ1202とともに使用してもよいことを理解するであろう。
一般的に、コンピュータ1202はメモリ1206に記憶されているオペレーティングシステム1208の制御下で動作し、ユーザとインターフェイスして、入力およびコマンドを受け入れ、グラフィックユーザインターフェイス(GUI)モジュール1218Aを通して結果を提示する。GUIモジュール1218Aは独立したモジュールとして図示されているが、GUI機能を実行する命令はオペレーティングシステム1208、コンピュータプログラム1210に存在し、または配置し、あるいは特殊目的のメモリおよびプロセッサにより実現することができる。コンピュータ1202はコンパイラ1212も実現する。コンパイラ1212はCOBOL、C++、FORTRANまたは他の言語のようなプログラミング言語で書かれているアプリケーションプログラム1210をプロセッサ1204が読み取り可能なコードに変換できるようにする。完了後、アプリケーション1210は、コンパイラ1212を使用して発生された関係およびロジックを用いてコンピュータ1202のメモリ1206に記憶されているデータにアクセスし、操作する。コンピュータ1202はまた、モデム、衛星リンク、イーサネットカードのような外部通信デバイス、あるいは他のコンピュータと通信する他のデバイスをオプション的に備える。
1つの実施形態では、オペレーティングシステム1208、コンピュータプログラム1210およびコンパイラ1212を実現する命令はコンピュータ読み取り可能な媒体、例えばデータ記憶デバイス1220に具体的に埋め込まれ、コンピュータ読み取り可能な媒体には、ジップ駆動装置、フロッピー(登録商標)ディスク駆動装置1224、ハード駆動装置、CD−ROM駆動装置、テープ駆動装置などのような1つ以上の固定またはリムバーブルデータ記憶デバイスが含まれる。さらに、オペレーティングシステム1208およびコンピュータプログラム1210は命令から構成され、命令はコンピュータ1202により読み取られ、実行されるときに、本発明を実現および/または使用するのに必要なステップをコンピュータ1202に実行させる。コンピュータプログラム1210および/またはオペレーティング命令はメモリ1206および/またはデータ通信デバイス1230に具体的に埋め込まれてもよく、それにより本発明にしたがったコンピュータプログラム製品または製品を作る。このようなことであるから、ここで使用されているような用語“製品”、“プログラム記憶デバイス”および“コンピュータプログラム製品”は任意のコンピュータ読み取り可能なデバイスまたは媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含することを意図している。
当業者は本発明の範囲を逸脱することなくこの構成に対して多くの修正をなし得ることを認識するであろう。例えば、当業者は上記構成部品の任意の組み合わせ、あるいは任意の数の異なる構成部品、周辺機器、および他のデバイスを本発明とともに使用してもよいことを認識するであろう。
5. 非線形性の推定
図10Aおよび図10Bに戻って参照すると、レイヤード変調信号再構成プロセス中に、TWTAの非線形性を図示する非線形性歪マップ1018を非線形性歪マップモジュールにより使用してもよい。上述したように、例示的な受信機802では、再エンコードされ、再変調された信号に推定された動作点を使用して、TWTA AM−AMおよびAM−PMマップが適用され、上位レイヤ信号をさらに正確に再構成する。
図10Aおよび図10Bに戻って参照すると、レイヤード変調信号再構成プロセス中に、TWTAの非線形性を図示する非線形性歪マップ1018を非線形性歪マップモジュールにより使用してもよい。上述したように、例示的な受信機802では、再エンコードされ、再変調された信号に推定された動作点を使用して、TWTA AM−AMおよびAM−PMマップが適用され、上位レイヤ信号をさらに正確に再構成する。
図10Aおよび図10Bは非線形性歪マップの使用を図示しているが、非線形性歪マップ(および動作点)の情報を決定する必要がある。非線形性の測定はレイヤード変調スキームの一部としてさまざまな方法で実行してもよいことに留意すべきである。TWTA非線形性はローカルIRD500または802において測定してもよく、このケースでは、動作点は非線形性測定値から自動的に計算してもよい。TWTA非線形性の測定は同様に得られる動作点によりブロードキャスト/アップリンクセンター104においてなされてもよく、このケースでは、TWTA非線形性および動作点における情報は、ダウンリンク信号118のようなものを通して個々のIRD500/802にダウンロードして、レイヤード変調信号受信プロセスをサポートすることができる。
6. 非線形性の測定
上述したように、非線形性の測定はレイヤード変調スキームの一部としてさまざまな方法で実行してもよい。TWTA非線形性測定に対する第1のメカニズムはErnest C.Chen氏により2002年6月7日に出願され、“衛星TWTAオンライン非線形性測定”と題する米国特許出願第10/165,710号に完全に説明されている。
上述したように、非線形性の測定はレイヤード変調スキームの一部としてさまざまな方法で実行してもよい。TWTA非線形性測定に対する第1のメカニズムはErnest C.Chen氏により2002年6月7日に出願され、“衛星TWTAオンライン非線形性測定”と題する米国特許出願第10/165,710号に完全に説明されている。
(ここで説明されているような)第2の測定メカニズムは第1のメカニズムに対する改善をもたらす。第2の測定メカニズムでは、(例えば、処理利得を最大にするコヒーレント平均化技術を使用して)非線形性はブロードキャストセンターにおいて、または各ローカルIRD500/802において測定してもよい。
IRD500/802は(例えばLNB502から)ダウンリンク信号118を受信し、信号プロセッサを含んでいてもよい。信号プロセッサは到来信号からシンボルストリームおよび搬送波周波数を抽出し、理想信号、すなわちTWTAおよび雑音の影響がない信号を発生させる。理想信号は比較プロセッサにおいて使用され、(TWTA非線形性に対する測定を提供する)TWTA特性マップが生成される。ここで説明するように、信号プロセッサおよび比較プロセッサはチューナ/復調器904、FEC506内でIRD802に組み込んでもよい。特性マップの発生に関する詳細は図13A〜図13Dに関して以下で説明する。
一般的に、TWTA特性マップは入力振幅変調対出力振幅変調(AM−AMマップ)および入力振幅変調対出力位相変調(AM−PMマップ)の測定値を含む。受信信号はTWTA増幅器出力(プラス雑音)を表し、発生された理想信号は増幅器入力を表す。増幅器の診断および監視に加えて、これらの特性マップを使用して、レイヤード変調送信スキームを使用するシステムの下位レイヤ信号の受信を促進および/または改善してもよい。
図13A、図13Bおよび図13Cは特性マップを測定するための基本システム1300のブロック図である。説明した機能のすべては上述したような基本アーキテクチャを有する直接ブロードキャスト衛星システムで使用される受信機802内で実行してもよい。適切な信号セクションは復調器1302により捕捉され、変調される。復調器1302はシンボルタイミングを整列させて、信号中の何らかの残余搬送波周波数および位相を除去する。復調された信号は信号発生器1304において使用され、理想信号、すなわち事前に送信された信号を表すものを発生させる。デジタル信号のケースでは、信号は信号シンボルを得るためにさらにデコードされ、信号シンボルは理想信号を発生させるのに使用される。理想信号と受信信号との差をプロセッサ1306,1310,1308,1312により使用して、送信非線形性特性を推定する。受信信号のわずかなセクション、一般的には数千シンボルのみが受信信号のCNRに依存する推定値を得るために必要とされる。
図13Aは実施形態を図示しており、非線形性特性は発生された理想信号(雑音がなく、TWTA非線形性がない)と復調(および必要に応じてFECデコーディングおよび再変調)後の受信信号との差から推定される。理想信号はシンボルおよびシンボルタイミングから容易に発生させることができることから、復調後の受信信号から推定値を得ることは処理を簡単にする。
図13Bは実施形態を図示しており、性能特性は理想信号と復調前の受信信号との差から推定される。このケースでは、理想信号は受信信号の搬送波周波数とともに発生させなければならない。これは復調されたシンボルタイミングおよび搬送波周波数および位相を理想信号に加えることにより行ってもよい。
図13Cは図13Aと類似しており、非線形性特性は発生された理想信号(雑音がなく、TWTA非線形性がない)と復調後の受信信号との差から推定される実施形態を図示している。図13Aおよび図13Bでのように、測定手順は受信信号を捕捉し、雑音がなくTWTA非線形性がない理想信号1320を発生させることから始まる(1304)。理想信号1320は(上述したような)疑似エラーなし(QEF)性能でデコードされたシンボルを再エンコーディングおよび再変調することにより発生される。理想信号1320はTWTA816への入力を表し、捕捉信号は(雑音のある)TWTA816の出力を表す。
通常の条件では、非線形性はIM−3(3次相互変調)などを通して信号帯域幅を広げる。さらに、さまざまな雑音および干渉は非線形性測定値を損なうかもしれない。例えば、熱雑音(付加的なダウンリンク)、位相雑音(LNB、チューナ)および他の干渉(CCI、ACI、下位レイヤ信号)が測定値を損なうかもしれない。このような損傷は一般的にAM−AMおよびAM−PM推定値をバイアスさせない。一方、信号パスに沿ったフィルタリングは一般的に観測可能な非線形性を減少させる。
フィルタリングの影響に対処するため、逆フィルタ/イコライザ1322を使用して、フィルタリングされていない信号を復元することにより測定精度を改善してもよい(すなわち、これは隠れた非線形性を回復する)。したがって、図13Cに図示されている実施形態は逆フィルタおよび/またはイコライザ1322を使用し、さらに正確な測定のためにTWTA非線形性が復元されるようにフィルタリングの影響を取り消す。線形イコライザ1322を使用して全体的な信号パスに対する線形チャネル歪とマルチパスの影響を推定して、除去してもよい。したがって、線形イコライザ/逆フィルタ1322は逆フィルタリングを効果的に実行して、組み合わされたフィルタの影響を“キャンセル”する。例えば、逆フィルタ1322は(大きな影響を有するかもしれない)衛星OMUXフィルタ、(帯域幅が通常制限されていることから、大きな影響を有するかもしれない)IRDフロントエンドローパスフィルタ(LPF)、および/またはTWTAと受信/捕捉データとの間の他のフィルタにより生じる線形チャネル歪を推定し、除去してもよい。しかしながら、あるフィルタは信号に影響を与えないかもしれない。例えば、TWTA非線形性の帯域幅拡張の影響前に生じることから、IMUXフィルタはわずかな影響しか与えないかもしれない。
すべての(すなわち図13A、図13Bおよび/または図13Cに図示されている実施形態において、理想信号および受信信号は次にプロセッサ1306,1308において使用され、2次元分散図(ここでの目的のための分散図はそれぞれXおよびY軸に沿って表されている入力および出力値を有する対になった点の集合である)中の2つの信号のデータ点を対にし、分類する。これらのプロセッサ1306,1308は雑音がプラスされた、増幅器の入力信号と出力信号との間の関係を特徴付ける。このケースでは、入力信号は発生された理想信号1320(再変調された、またはそうでない)により表され、出力信号は受信信号により表される。AM−AM分散図のX軸はTWTA非線形性歪前の理想信号サンプルの振幅をプロットし、Y軸はTWTA非線形性(および雑音)を含む受信信号サンプルの振幅からなる。AM−PM分散図が同様に形成される。X軸はAM−AM分散図に対するものと同じであり、Y軸はTWTA非線形性を有するおよび有しない対応するサンプル間のすべての位相差からなる。
したがって、2つの信号は復調器1302のタイミング回復ループによりサンプル毎に整列され、データ対がすべての対応するサンプルに対して形成される。データ分類(1306および1308)は理想信号サンプルの電力に対するデータ対を分類する。例えば、再発生される理想(線形)信号サンプルは電力/振幅で分類される。受信された(非線形)信号サンプルは、再順序付け後の再発生された信号サンプルに対してタグが付けられたままである。
プロセスのこの点において、図13Cの実施形態は図13Aおよび図13Bの実施形態から分岐する。図13Cに図示されている平均化プロセスは、(平均化比を表す)所定数の隣接分類TWTA入力信号をコヒーレントに加えて平均化し(すなわち、コヒーレント平均化プロセッサ1324および1326を使用し)、雑音の影響を減少させる。使用されるべき平均化比は信号CNRと、所定の応用に対して要求される非線形性測定の品質とに依存する。したがって、測定の損傷は平均化比を増加させることにより補償してもよい。相関されていないまたはわずかに相関されている雑音および干渉サンプルに対して、平均化プロセスは平均化比の倍増毎に3dBだけ、バイアスされていない推定の品質を増加させることができる。しかしながら、上述したように、データが収集される前の信号パスに沿ったフィルタの存在は推定の精度を減少させることがある。衛星OMUXフィルタおよびIRDフロントエンドローパスフィルタ(LPF)を含めることにより、インパスフィルタは捕捉データから非線形性の一部を隠すことができる。
コヒーレント平均化を使用すると、すべての入力信号電力に渡って測定フロアーを生成することなくTWTA AM−AMおよびAM−PM推定を改善し、クラッシックまたはレイヤ変調信号の両者により動作する。さらに、コヒーレントな平均化はTWTA非線形性を個々のIRDにより測定できるようにし、それにより必要な場合に、TWTAテーブルをIRDにダウンロードする必要性を避ける。
コヒーレント平均化の一部として、実際のAM−AMおよびAM−PM曲線とともに入力信号および出力信号の平均電力(動作点)は最初に、後続する処理の便宜のためにそれぞれ0dBおよび0度に再スケーリングしてもよい。分類された線形性および非線形性信号は、入力信号CNRと、上述したように必要とされる非線形性測定の品質とに依存した平均化比でコヒーレントに平均化される。
必要であれば、フォワードエラー訂正(FEC)を復調された信号に適用してもよく、これには再エンコーディングおよび再変調プロセスが後続し、すべての回復されたシンボルに確実にエラーがないようにしてもよい。
分類(すなわち、図13Aおよび図13Bにおける)およびコヒーレント平均化(すなわち、図13Cにおける)後、理想信号のデータ点および受信信号の対応するデータ点はプロセッサ1310,1312により処理され、多項式によるような、線通過曲線近似を形成する。結果はTWTAの所望の性能特性に対する推定である1314,1316。
図13Dは本発明の方法のフローを概説している。ブロック1328で信号が受信される。ブロック1330でこの信号は復調される。その後、ブロック1332で、復調され(および必要なようにデコードされ、再エンコードされ、再変調され)た信号から理想信号が発生される。ステップ1334において、(復調前または後の)受信信号および/または(対応して再変調された、またはされない)理想信号がコヒーレントに平均化され、雑音が減少される。最後に、ブロック1336において、(コヒーレントに平均化された、または平均化前の)理想信号とコヒーレントに平均化された受信信号との差から性能特性(すなわち、TWTA非線形性曲線)が推定される。
上述したように、コヒーレント平均化1334および推定1336のステップはサンプル毎に受信信号と理想信号とを整列し、対応するサンプルに対するデータ対を形成し、データ対を理想信号サンプルの電力に分類し、受信信号をコヒーレントに平均化して、雑音を減少させることにより実行してもよい。このようなコヒーレント平均化は信号の振幅を単に調べる代わりに、複素数を平均化する能力を提供する。これに関して、コヒーレント平均化プロセスは多数の隣接受信信号サンプルを、平均化比を表すサンプル数にコヒーレントに加算する。さらに、上述したように、逆フィルタおよび/または線形イコライザを使用して受信信号を処理し、目に見える非線形性を復元してもよい。
7. TWTA非線形性測定のオフセット(シフト)処理
上述した動作点推定と無関係に、測定されたAM−AMおよびAM−PM曲線を故意にオフセットまたはシフトさせて、信号再構成およびキャンセルプロセス中に上位レイヤ信号の再構成を簡単にしてもよい。このようなオフセットはレイヤード変調処理の性能(または非線形性補償性能)を変えない。実際、動作点のオフセット処理は、入力飽和、入力バックオフなどとは無関係に、TWTA非線形性の簡単で一致した表示となる。
上述した動作点推定と無関係に、測定されたAM−AMおよびAM−PM曲線を故意にオフセットまたはシフトさせて、信号再構成およびキャンセルプロセス中に上位レイヤ信号の再構成を簡単にしてもよい。このようなオフセットはレイヤード変調処理の性能(または非線形性補償性能)を変えない。実際、動作点のオフセット処理は、入力飽和、入力バックオフなどとは無関係に、TWTA非線形性の簡単で一致した表示となる。
測定曲線をオフセットするために、入力および出力の両方に対して、動作点が所望の基準点(例えば、0dB)にあるように(例えば、それにより参照される動作点値を提供する)、入力および出力振幅値(すなわち、非線形性曲線測定中に使用されるもの)を再スケーリングしてもよい。対数領域では、このような再スケーリングは(dBにおける)すべての入力値から(dBにおける)測定された(AM)入力動作点値を減算することにより実行してもよい。同様に、(dBにおける)測定された出力(AM)動作点値を、(dBにおける)すべての出力点の値から減算してもよい。したがって、測定曲線をオフセットさせることにより、曲線をさらに容易に参照してもよい。しかしながら、シリコンおよび他のハードウェア構成では、入力および出力動作点または信号を後ろに(例えば、−3dBまたは−5dBに)スケーリングして、到来(理想)信号および送出(受信)信号に対する信号飽和または小数値表示オーバーフローを避けることが望ましい。上述したものに対して、シフト処理プロセスを同様に行うことができる。
望まれるように、シフトされたAMスケールで、出力動作点における測定された(角)位相値をすべての出力点の位相値から減算することにより、出力PM値を再スケーリングしてもよい。
上記のスケーリングの結果は、動作点が、AM−AMマップに対して(0dB,0dB)、AM−PMマップに対して(0dB,0°)のような便利な基準値を提供することである。この例示的なケースでは、入力信号は0dBにスケーリングされ、動作点に一致される。信号範囲外エラーに対して防護するために(そしてルックアップテーブル[LUT]外挿に対する必要性を避けるために)、構成された非線形性マップ中に測定された信号間隔を超えて境界点を置いてもよい。境界点に対する値はTWTA測定値の終点からの値を外挿または折り返すことにより得てもよい。
図14Aおよび図14Bは例示的なTWTA非線形性曲線上の仮定された動作点におけるエラー(オフセット点またはO.P.)の受信機性能の影響をシミュレーションしている。性能は信号電力に対するdBでの有効雑音として表されている。図14Aは実際の動作点がTWTA飽和にあるときの有効雑音を示している。図14Bは実際の動作点がTWTA飽和から8dBバックオフされているときの有効雑音を示している。信号電力の均一な(重み付けされていない)分布を仮定するとともに、電力における信号サンプルのヒストグラムによる重み付けを仮定してエラーが計算される。図14BはTWTAバックオフで減少された非線形性により、図14Aのものよりかなりよい。
8. コヒーレント平均化の効果
さまざまなコンピュータシミュレーションを使用して、本発明の1つ以上の実施形態にしたがったコヒーレント平均化の効果を示すことができる。ここで説明するシミュレーションはTWTA非線形性曲線の一般的なセットを使用し、すべてのレイヤに対する信号はQPSKフォーマットを仮定する。
さまざまなコンピュータシミュレーションを使用して、本発明の1つ以上の実施形態にしたがったコヒーレント平均化の効果を示すことができる。ここで説明するシミュレーションはTWTA非線形性曲線の一般的なセットを使用し、すべてのレイヤに対する信号はQPSKフォーマットを仮定する。
図15は良好なシナリオにおけるTWTA非線形性の推定を示している。ここで、(従来のQPSK信号のような)信号の1つのレイヤのみが存在し、雑音は加えられていない。しかしながら、大量の位相雑音が生データに加えられており、大部分の位相エラーを追跡し、(I,Q)空間で安定な配置を見せるように復調器1302が必要である。平均化比は1024であり、これは、個々の入力および出力信号に対して、1024隣接データのグループがコヒーレントに平均化されることを意味する。これは131,072(1024*128)の生データセットからの128のコラプスされた複素データ対となり、(5:1オーバーサンプリング比を持つ)100MHzのサンプルレートおよび20MHzのシンボルレートに基づいてリアルタイムで1.3m秒をカバーする。入力および出力信号のそれぞれの128複素数は、(総計で6つの多項式係数を持つ)5次多項式で別々に近似される前に(入力振幅、出力振幅)および(入力振幅、位相差)に変換される。近似多項式の次数を増加させると、さらに複雑なAM−PM曲線に対する測定精度が改善する。
近似AM−AMおよびAM−PM曲線は図において実際のAM−AMおよびAM−PM曲線に非常に近く追跡するように示されている。入力信号電力のヒストグラムにより重み付けられた、測定された曲線と実際の曲線との差電力は入力信号電力に対して−40.6dBである。重み付けられたヒストグラムは入力信号から形成され、図15における非線形性曲線でオーバーレイされていると見ることができる。比較および参照目的のために、重み付けられていないエラーが−37.4dBとなるように計算される。衛星信号は図15における信号ヒストグラムにより示される振幅分布を持つことから、重み付けされた性能のみが本願に関係する。
図16は平均化前の図15からの生データの131,072データ対の最初の16,384個を示している。16,384対はリアルタイムで164μ秒の期間を表している。生データに加えられる雑音がないと、復調信号は復調器1302における搬送波回復ループの性能に一致する振幅および位相で適度に拡散する。どのように、平均化および後続する多項式近似が図15に示されている真のものにぴったりと一致している曲線にデータを減少させるかに着目する。本来、ルジャンドル多項式のような、曲線近似に対する電力多項式以外のテンプレートまたは多項式を使用するかもしれない。
図17は、減少された数の16,384のデータ対が含まれていることを除いて図15と類似する。平均化比は128であり、個々の入力および出力信号に対して、128隣接データのグループがコヒーレントに平均化される。これは61,384(128*128)の生データセットからの128個のコラプスされた複素データ対となる。エラー性能は−41.1dBである。図15における131,072サンプルからの性能とエラー性能を比較すると、16,384データ対程度で強い搬送波対雑音比(CNR)を有する信号に対してほぼ完全な測定精度を提供することができると結論付けることができる。
図17に対する平均化および近似プロセスはそれぞれ16,384データ対の16の連続セットに対して反復される。エラー性能の短い期間の性能が図18にプロットされており、図18は近似されたAM/PM曲線の品質を図示している。図18は−40.7dBあたりで不変の測定精度を示している。
下位レイヤ信号およびいくらかのガウス雑音を加えて、ここで説明されている測定方法の強さをテストしてもよい。図19は、平均化(そして下位レイヤ信号およびガウス雑音の付加)後のレイヤード信号AM/AMおよびAM/PMデータを示している。下位レイヤ信号は上位レイヤ信号から−8.4dBにあり、熱雑音は上位レイヤ信号から−16dBにある。下位レイヤ信号および付加雑音は組み合わされて、上位レイヤ信号から−7.7dBにある上位レイヤ信号に対する有効雑音フロアーを形成する。重み付けられた測定エラーは−38.5dBである。このような良好の測定性能は、図15におけるものよりもわずか2.1dB悪いことを考慮すると非常に重要である。図15のものは雑音または干渉の損傷を含んでいない。この性能レベルは大部分のレイヤ変調応用に対して十分であると期待される。したがって、ローカルIRDはレイヤード変調応用に対して必要とされる精度でTWTA非線形性を測定することができるとの結論を導くことができる。さらに、図19の性能は、増加されたデータバッファおよび処理時間を犠牲にして、平均化比を増加させることにより改善することができる。
AMおよびPM曲線における多くの拡散を示している(レイヤード信号生AM−PMデータを示している)図20は図16の雑音のないケースに対応するものである。平均化および近似後に、16,384データ対のセグメントが(レイヤード信号近似されたAM/AMおよびAM/PMデータを図示している)図21における曲線に減少される。これは−36.3dBの重み付けられたエラーを有する。チャート18におけるものと類似するエラー性能の短い履歴が(AM/PM推定のレイヤード信号品質を図示している)図22に示されている。それぞれ16,384隣接データ対からの16セグメントを有する。16セグメントすべてに対する平均エラーは−36.4dBである。
図23は例示的なIMUXフィルタの影響を加える。CNR計算精度内で、図23に対する−39.1dBの重み付けられた性能がフィルタのない図19の−38.5dB値からわずかに変更されている。このような結果はIMUXフィルタへの入力信号が指定された信号帯域幅内に十分に抑えられ、入力信号がIMUXフィルタにより一般的にわずかに影響されるという事実と矛盾しない。
非線形性測定技術をテストするためにデータに損傷を加えることを続けると、10-5のシンボルボーレートオフセット比が次に、図24に示されているような受信データに含まれる。データシンボルとA/Dクロックとの間のスリップは復調器1302におけるタイミング回復ループが補間器を使用するようにさせる。この補間器は、補間器性能と釣り合う、あるフィルタ処理効果を伴う。図24における結果は−36.8dBのエラーを示している。これはボーレートオフセットがない図23における−39.1dBに匹敵する。
同様に、一連の16,384データ対に対する推定性能のサンプル履歴が図25に示されており、−35dBの平均性能が示されている。これはボーレートオフセットがない図22における−36.4dBに匹敵する。
次に、OMUXフィルタをシミュレートされたデータに追加する。図26における−33.8dBの性能はフィルタを追加する前の図24の−36.8dBに匹敵する。
図27は4次バターワースLPFフィルタの追加による性能を図示しており、4次バターワースLPFフィルタは14MHzの3−dB帯域幅を持つ、受信機フロントエンドにおけるアンチエイリアジングフィルタを表す。エラー性能は大きく−23.6dBに落ち、非線形性測定性能においてLPFフィルタの大きな影響を示す。示されているように、14MHzのフィルタはOMUXフィルタよりもかなり狭く、したがってTWTA非線形性の可観測性により大きな影響を与える。
次のいくつかの図面は2つのQPSK衛星信号からエミュレートされたレイヤ変調信号からの測定結果を表している。レイヤ変調信号は処理されて、測定されたAM/AMおよびAM/PM曲線が生成される。測定された曲線は性能評価のために提供された既知の曲線と比較される。
図27と比較すると、図28は捕捉された信号レイヤ信号からのレイヤ変調信号をエミュレートすることにより、測定された非線形性をプロットしている。上位レイヤ信号は入力バックオフを有する例示的な非線形化されたTWTAからのものであり、下位レイヤ信号は飽和においてドライブがかけられた、他の例示的な線形化TWTAからのものである。下位レイヤ信号はエミュレートされたレイヤ変調信号を形成するために上位レイヤ信号と組み合わされる前に適切に減衰される。IRDフロントエンドLPFの3−dB帯域幅は21.4MHzである。他の処理パラメータは上述したものと同様である。100MHzにおいて捕捉されたデータに匹敵する1.3m秒を処理した結果は−27.8dBのエラー性能を示す。したがって、図28は測定されたTWTA非線形性と製造者提供TWTA非線形性との差を示しており、後者はシミュレートされたデータを形成することに基づいている。
図29はAM/PMエミュレートRMSE(自乗平均誤差の平方根)履歴を示しており、短い捕捉データ間隔長から処理された1つのデータセグメントのみを含んでいる。図は−20.9dBの重み付けられていない非線形性測定エラーを示している。
図30は信号電力ヒストグラムと、処理されたデータセグメントからの再構成された信号のエラー寄与を示している。信号電力ヒストグラムはウィンドウの上半分における細い曲線として示されている。ヒストグラムには太い実曲線として示されているエラー寄与プロファイルが伴っている。エラー寄与プロファイルは信号ヒストグラムと、図28の測定された非線形性曲線と実際の非線形性曲線との間のエラーとの積である。エラー寄与プロファイルは−27.8dBの重み付けされたエラーに統合する。同様に、ウィンドウの下半分では、均一な“ヒストグラム”と対応するエラー寄与プロファイルが重み付けされていない性能に対してオーバーレイされている。エラー寄与プロファイルは−20.9dBの重み付けされていないエラーに統合する。
図31はいくつかの後続するプロット/図の生成のための信号処理図であり、どのように、TWTA非線形性が利用可能な信号電力を減少させ、どのように、受信機整合フィルタが実際に、上記で計算された残余CNRに関してTWTA非線形性の明白な影響を減少させるかを示している。測定性能を評価するために、LIN0として示されている理想線形性信号が再度最初に、レイヤ復調プロセスの一部として上位レイヤ信号からデコードされたQEFシンボルから発生される。LIN0は実際のAM/AMおよびAM/PM曲線により歪まされ、信号ACT0が形成される。理想信号も測定されたAM/AMおよびAM/PM曲線により歪まされ、信号MEA0が形成される。比較されている信号間の全体的な振幅および位相を整合させた後に、2つのエラー信号が計算され、ε1はACT0とLIN0との差であり、ε3はMEA0とACT0との差である。LIN0とACT0とMEA0は受信機整合フィルタにより処理され、それぞれLINMとACTMとMEAMとなる。受信機整合フィルタはルートライズドコサインフィルタ(RRCF)である。2つのエラー信号は整合フィルタ処理された信号から形成され、ε2=ACTM−LINMおよびε4=MEAM−ACTMである。上記信号の電力は信号サンプルの振幅の自乗を加えて結果を正規化することにより計算される。
図32は整合フィルタ処理前である信号LIN0のスペクトルと、整合フィルタ処理後である信号LINMのスペクトルをオーバーレイしている。両信号は中央周波数から+/−12MHzの帯域幅内に十分入っている。24MHzの両側帯域幅は20MHzプラス20%の超過帯域幅比のシンボルレートに対応する。
図33は実際のAM/PM非線形性を有する上位レイヤ出力信号を図示している。特に、図33は実際のTWTA非線形性を有する信号ACT0のスペクトルを示している。2つの層をスペクトルの両側で見ることができ、近くの層はIM−3(相互変調次数3)から来るものであり、遠くの層はIM−5(相互変調次数5)から来るものである。これらの層は約0.25dBだけ信号電力を減少させる。比較すると、整合フィルタは信号電力を0.28dBだけ減少させる。整合フィルタ処理された信号に対する点曲線は、+/−12MHzを超える非線形性が受信機RRCFにより除去されることを示している。
図34は測定されたAM/PM非線形性を有する上位レイヤ出力信号を図示している。特に、図34は測定された非線形性TWTAの出力における信号MEA0のスペクトルを示している。相互変調の2つの層は図33のものよりも下がっている。このような減少は、フィルタ処理が再生されるスペクトルを制限した後により小さくなる、観測可能なTWTA非線形性の量によるものである。
図35は実際と測定された非線形性信号との差、すなわち測定エラーを示している。実曲線はACT0とMEA0との差信号のスペクトルを示している。差信号は線形性信号に対して約−28dBに統合する。点曲線は整合フィルタ処理されたACTMと信号MEAMとの差信号を表している。この第2の差信号は線形性信号に対して−33dBに統合する。整合フィルタ処理後の5dBの改善は所望の信号に寄与しない非線形性の大部分をフィルタ処理する受信機RRCFによるものである。−33dB値は24MHz信号帯域幅内の曲線の部分に対するものである。さらに、図15〜図31に提示されているすべてのエラーは整合フィルタ処理されることなくスペクトル全体に対して測定されたものであることに留意すべきである。整合フィルタ処理は約3倍信号帯域幅を超えるIM3によるエラー電力を除去することにより、4から5dBだけ非線形性の影響を減少させることができることが観測される。
図36は非線形性信号と線形性信号との差を示している。特に、図36は非線形補償を行わない、TWTA非線形性の影響を図示している。実曲線は整合フィルタ処理されていない、ACT0とLIN0との差信号のスペクトルを描いている。このエラー信号は線形性信号に対して−19.6dBに統合する。図36における整合フィルタ処理された点曲線は3.3dBの減少で、−22.9dBに統合する。捕捉されたデータとシミュレートされたデータに対するTWTAは入力電力において8dBだけバックオフされて、さらに線形な領域で動作することが思い出される。本来、飽和により近い動作は差信号電力を大きく増加させることができる。図36の−22.9dB値を図35の−33dB値と比較すると、測定されたTWTA非線形性による補償はこのケースでは約10dBだけ非線形性の影響を減少させることに気付く。
結 論
これは本発明の好ましい実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の好ましい実施形態の先の説明は例示および説明の目的のために提示されている。徹底的なものである、あるいは本発明を開示されている正確な形態に制限することを意図しているものではない。多くの修正および変形は上記の教示の観点から可能である。例えば、先の開示で図示され説明されているアップリンク構成は1つ以上のハードウェアモジュール、プロセッサにより実行される命令を規定する1つ以上のソフトウェアモジュール、あるいは両者の組み合わせにより実現できることに留意すべきである。
これは本発明の好ましい実施形態の説明を締めくくるものである。本発明の好ましい実施形態の先の説明は例示および説明の目的のために提示されている。徹底的なものである、あるいは本発明を開示されている正確な形態に制限することを意図しているものではない。多くの修正および変形は上記の教示の観点から可能である。例えば、先の開示で図示され説明されているアップリンク構成は1つ以上のハードウェアモジュール、プロセッサにより実行される命令を規定する1つ以上のソフトウェアモジュール、あるいは両者の組み合わせにより実現できることに留意すべきである。
前述したように、コヒーレント平均化は処理信号を向上させ、非コヒーレント雑音および干渉を矮小化する。結果として、平均化はTWTA AM−AMおよびAM/PM推定の性能を大きく改善する。コヒーレント平均化はゼロ平均であることから、測定フロアーはプロセスで消失する。TWTA非線形性を正確に推定するために大きな受信アンテナによる非常に強力な信号レイヤード信号を必要としない。言い換えると、TWTA非線形性はレイヤ変調信号から、大きなアンテナを備えたブロードキャストセンターではなく現場の個々のIRDにおいて測定できる。この動作の柔軟性は通信システムの複雑さを大きく減少させることができ、トラフィックにおいてTWTA非線形性データを送信する必要性をなくす。
上記のことに加えて、データ捕捉前の信号伝搬パスにおける線形性フィルタは観測可能なTWTA非線形性を減少させることができる。失われた非線形性は逆フィルタまたはイコライザを使用することにより回復される。さらに、データ分類およびコヒーレント平均化のために捕捉データを記憶させるのに必要なメモリバッファはレイヤード変調受信機の既に一部である遅延バッファで共有することができる。
本発明の範囲はこの詳細な説明により限定されず、むしろ特許請求の範囲により限定されることが意図されている。上記の明細書、例およびデータは本発明の装置および方法の製造および使用の完全な説明を提供する。本発明の多くの実施形態は本発明の範囲を逸脱することなくなし得ることができ、本発明は特許請求の範囲に存する。
Claims (10)
- 送信性能特性を測定する方法において、
信号を受信し、
信号を復調し1302、
復調信号から理想信号1320を発生させ1304、
受信信号をコヒーレントに平均化して1324/1326、雑音を減少させ、
理想信号1320とコヒーレントに平均化された受信信号との差から性能特性を推定することを含む方法。 - コヒーレント平均化1324/1326は復調1302後に実行される請求項1記載の方法。
- 理想信号1320をコヒーレントに平均化すること1324/1326をさらに含み、性能特性はコヒーレントに平均化された理想信号とコヒーレントに平均化された受信信号との差に基づいている請求項1記載の方法。
- コヒーレントに平均化するステップ1324/1326と推定するステップは、
受信信号と理想信号とをサンプル毎に整列させ、
対応するサンプルに対してデータ対を形成し、
理想信号サンプルの電力に対して、データ対を分類し、
受信信号をコヒーレントに平均化して、雑音を減少させることを含む請求項1記載の方法。 - コヒーレントに平均化すること1324/1326は、所定数の隣接受信信号をコヒーレントに加算することを含み、所定数は平均化比を表す請求項1記載の方法。
- 送信性能特性を測定するシステムにおいて、
(a)受信信号を復調する復調器1302と、
(b)復調信号から理想信号1320を生成させる信号発生器1304と、
(c)(i)受信信号をコヒーレントに平均化して1324/1326、雑音を減少させ、
(ii)理想信号1320とコヒーレントに平均化された受信信号との差から性能特性を推定するためのプロセッサとを具備するシステム。 - コヒーレント平均化1324/1326は復調1302後に実行される請求項6記載のシステム。
- プロセッサは、理想信号1320をコヒーレントに平均化する1324/1326ようにさらに構成され、性能特性はコヒーレントに平均化された理想信号とコヒーレントに平均化された受信信号との差に基づいている請求項6記載のシステム。
- プロセッサは、
受信信号と理想信号1320とをサンプル毎に整列させ、
対応するサンプルに対してデータ対を形成し、
理想信号サンプルの電力に対して、データ対を分類し、
受信信号をコヒーレントに平均化して、雑音を減少させることにより、
コヒーレント平均化1324/1326と推定するように構成されている請求項6記載のシステム。 - プロセッサは、所定数の隣接受信信号をコヒーレントに加算することによりコヒーレントに平均化する1324/1326ように構成され、所定数は平均化比を表す請求項6記載のシステム。
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