JP4201303B2 - イン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のためのfm混信減少方法及び装置 - Google Patents
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Description
【発明の背景】
本発明は、信号処理に関し、さらに詳細には、デジタル音声放送(DAB)方式に用いる信号処理技術に関する。
【0002】
デジタル音声放送は、既存のアナログ放送フォーマットよりも優れたデジタル品質の音声を提供するメディアである。AM及びFM DAB信号は共に、デジタル変調された信号が現在放送中のアナログAMまたはFM信号と共存するハイブリッドフォーマットか、あるいはアナログ信号のないのオールデジタルフォーマットで送信することが可能である。イン・バンド・オン・チャンネル(IBOC)DABシステムはスペクトルの新規割当てを必要としないが、これは各DAB信号が割当てられた既存のAMまたはFMチャンネルと同一のスペクトルマスク内で同時に送信されるからである。IBOC方式は、スペクトルの経済性を向上させると共に、放送者による現在の聴取者へのデジタル品質の音声の放送を可能にする。いくつかのIBOC DAB方式が提案されている。
【0003】
FM DAB方式は、米国特許第5,465,396;5,315,583;5,278,844;及び5,278,826号を含むいくつかの米国特許の主題である。さらに詳しく説明すると、提案されたFM IBOC信号の直交周波数分割多重化(OFDM)サブキャリアは、FM中心周波数から約129kHz乃至199kHz離れた領域であって、共にアナログの変調済みホストFMキャリアが占有するスペクトルの上方及び下方の領域に配置されている。IBOCのオプション(例えば、オールデジタル方式のオプション)の中には、サブキャリアを中心周波数から100kHz離れたところからスタートさせるものもある。
【0004】
DAB信号のデジタル部分は、ハイブリッドIBOC DAB方式では、例えば第1の隣接するFM信号またはホスト信号による妨害にさらされやすい。対象となる信号を、妨害信号の存在下で抽出する信号処理技術が必要とされる。
【0005】
COLT(COntinuous Look Through)と呼ばれる1つのFM抽出技術を用いると、広帯域のFM信号の下方から狭帯域の信号を抽出することが可能である。この技術は、米国特許第5,263,191;5,428,834;及び5,355,533号に記載されている。これらの特許に記載された方法は、実際、妨害信号のFM瞬時周波数を追跡し、抑制するノッチフィルタを用いる。
米国特許第5,465,396号は、既存のFMチャンネル上でデジタル音声放送信号とFM信号とを同時に送信するイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式を開示している。
【0006】
FM IBOC DAB信号は、従来のCOLT法の有効性に制約を与える種々のフェージング状態及び帯域幅の特性の影響を受けやすい。フェージング状態下でイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送信号にとって有効な信号抽出法が要望されている。
【0007】
【発明の概要】
本発明は、イン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式におけるFM混信減少方法を提供する。この方法は、対象となる信号と混信信号とを含み、複合信号を規準化して規準化済みの複合信号を発生させ、複合信号に規準化済みの複合信号の複素共役を乗算して実信号を発生させ、実信号をろ波してろ波済み信号を発生させ、ろ波済み信号に規準化済み複合信号を乗算して出力信号を発生させるステップをさらに含むことを特徴とする。出力信号中の混信信号の悪い影響は、元の複合信号中の対象信号に対して減少されるため、この対象となる信号の検出が容易となる。このことに関して、悪い影響とは、ビットエラーレート(BER)を増加させる検出済み記号の劣化のような影響を指す。
【0009】
本発明は、さらに対象となる信号を複合信号から分離し、ろ波済み信号と複合信号を混合する上述の方法を用いる無線周波数受信機を包含する。
【0010】
上述の技術は第1の隣接するFM混信信号の影響を軽減するのに好適であるが、DAB信号がそのFMホストに近接して配置されている場合、ホストFM信号の影響を軽減するためにも利用可能である。しかしながら、後者における問題点はそのFMホストに対するDABの混信である傾向がある。
【0011】
【好ましい実施例の説明】
図面を参照して、図1は、ハイブリッドFM IBOC DAB信号10の周波数割当て(スペクトル配置)及び信号成分の相対的電力スペクトル密度を略示したものである。このハイブリッドフォーマットにおいて、従来のFMステレオアナログ信号12は、そのチャンネルの中心または中心周波数バンドの部分16にある三角形14で表される電力スペクトル密度を有する。典型的なアナログFM放送信号の電力スペクトル密度(PSD)はほとんど三角形に近く、その勾配は中心周波数から−0.35dB/kHzである。複数のデジタル変調された等間隔のサブキャリアは、アナログFM信号の両側の上側波帯18及び下側波帯20にあり、アナログFM信号と同時に送信される。これら全てのキャリアは、米国連邦通信委員会のチャンネルマスク22内に収まる電力レベルで送信される。
【0012】
ハイブリッドFM IBOC変調フォーマットの一例では、95個の等間隔の直交周波数分割多重化(OFDM)デジタル変調サブキャリアがホストアナログFM信号の両側にあり、図1の上側波帯18及び下側波帯20に示すようにホストFM中心周波数から約129kHz乃至198kHz離れたスペクトルを占有する。ハイブリッドシステムでは、各側波帯におけるOFDMデジタル変調サブキャリアの全DAB電力は、そのホストアナログFMの電力に対して約−25dBに設定される。
【0013】
隣接するFMチャンネルからの信号(即ち、第1の隣接するFM信号)は、もし存在するとすれば、その中心が対象となるチャンネルの中心から200kHz離れた所にある。図2はハイブリッドDAB信号10のスペクトル図であるが、上方にある第1の隣接する混信信号24は、アナログ変調信号26と、側波帯28及び30の複数のデジタル変調サブキャリアとを有し、これらのサブキャリアは対象となる信号(信号10のデジタル変調サブキャリア)に対して約―6dBである。この図はまた、DABの上側波帯18が第1の隣接する混信信号中のアナログ変調信号により劣化することを示している。本発明は、この状況下において混信の影響を抑制できる第1の隣接するキャンセラー(FAC)を提供する。FACは、上DAB側波帯及び下DAB側波帯の両方における第1の隣接する混信信号に対処し、それらの下に埋もれたDAB信号を成功裏に回収できることが判明している。DAB信号はFM混信キャリアの下から抽出されるが、この抽出プロセスによりDAB信号にひずみが生じる。DAB信号は、混信させる第1の隣接するアナログFM信号に比べると小さいため、FMトラッキング及び相殺が有効であり得る。
【0014】
フェージングが存在しない場合、複合信号であるアナログFM信号とDAB信号は下記のように表される。
【0015】
上式において、aは振幅、θ(t)はFM信号の瞬時位相、d(t)はDAB信号である。一般性を失わずに、d(t)の平均電力を1と仮定できる。さらに、FM捕捉効果を表すためにa≫1と仮定する。信号の振幅は、分析のこの部分では信号のフェージングは想定していないため、一定であると仮定する。また、これは雑音のない理想的な場合である。この信号を米国特許第5,263,191;5,428,834;及び5,355,533号に示される技術により処理すると、出力はおおよそ下式のようになる。
【0016】
COLT出力の第1項は所望の項であるが、第2項は混信信号である。混信信号の項は第1項と同じ電力を有するが、そのスペクトルはFM変調帯域幅の2倍の幅を有するFM信号の自乗にコンボルブされる。
【0017】
DAB信号の帯域幅が混信FM信号の帯域幅に等しく、DAB信号の中心がFM信号上にある場合、従来のCOLT法により得られる信号対混信波の比率はせいぜい数dBに減少する。もう1つの大きな劣化原因は、マルチパスフェージングである。フェージングにより瞬時FMキャリアが振幅変調される。選択的なフェージングによりFMベースバンド帯域幅のオーダー(即ち、53kHz)の振幅変調帯域幅が得られるが、動的なフラットフェージングによる帯域幅は自動車用受信機では最大ハイウェイ速度で約13Hzに制限される。米国特許第5,263,191;5,428,834:及び5,355,533号の抽出プロセスは入力信号によりノッチの中心周波数を直接制御するものであるため、フェージングによる入力信号の振幅変調は性能を劣化させる。
【0018】
フェージングが存在する場合、複合信号であるアナログFM信号とデジタル変調サブキャリア信号は下式になる。
【0019】
上式において、f(t)は選択的にフェージングを受ける偏差帯域幅にわたるFMキャリアの振幅変調による動的フェージング項である。この振幅変調は、FMベースバンド帯域幅のオーダーの帯域幅(即ち、53kHz)を有する。Raleighフェージングによる遅いフェージング成分は、100MHzの範囲内のキャリア周波数においてハイウェイ速度で約13Hzに制限される。この遅いフェージング成分はこのモデルから省略されるが、これは分析窓にわたってほぼ一定であると仮定できるからである。選択的フェージングが存在する場合、別の混信成分が有意になってくる。
【0020】
従来のノッチフィルタによる方法は、DAB電力に対するアナログFM電力の比率が高いため、入力信号それ自体がFM信号に大体近いと仮定していた。しかしながら、入力信号がフェージングを受けて、FM信号にそれ程近くない場合、処理ステップが後続のステージでは除去できないイメージを発生させることがある。
【0021】
本発明は、規準化済み信号抽出プロセスによりこの問題を解決する。信号を最初に乗算すると瞬時FM周波数が0にシフトするが、第2の乗算により第1の乗算の逆数が得られる。理想的には、第1及び第2が複素共役である場合、そしてそれらの振幅の積が一定の値に留まる場合、信号は位相及び振幅について完全に復元される(ろ波により除去されたFMキャリアを差し引いて)筈である。しかしながら、動的フェージング及び選択的フェージングは、フェージングレートとベースバンド信号帯域幅とに応じた振幅のばらつきを生ぜしめる。さらに、基準となる振幅を規準化するステップは、元のCOLT法に付随する望ましくない混信信号の一部の発生を阻止する。この規準化済み信号抽出プロセスを、図3に示す。複合信号
【0022】
はライン32で受信される。ブロック34は、入力がその絶対値による割算により規準化されてライン36上に規準化済み信号を発生させることを示す。フェージングが存在する場合、複合信号であるアナログFM信号とDAB信号とは規準化後ほぼ下式のようになる。
【0023】
上式において、FMアナログ信号はデジタルDAB信号に比べて格段に大きいものと仮定されている。ブロック38に示すように規準化済み信号の複素共役が得られ、乗算器40により複合信号に規準化済み信号の複素共役が乗算されて、中間信号がライン42上に得られる。
【0024】
ブロック44で示す直流ノッチ操作により、一定の項aが除去されて、下式のような信号がライン46上に得られる。
【0025】
有限インパルス応答のローパスフィルタ48は、ライン50上に一定の項の予想値を発生させる。ライン42上の信号は、フィルタ遅延とマッチさせるために、図示のようにブロック52により遅延され、フィルタの出力は図示のように加算器54により遅延信号から減算され、ライン46上に中間信号を発生させる。ノッチの近傍にあるDAB信号もまた抑制され、ノッチフィルタの動作はDAB信号の健全性にある影響を及ぼすことを注意されたい。最後に、この中間信号は乗算器58において規準化済みの元の複合信号と乗算されるが、この元の複合信号はブロック58により遅延されているため、ライン60上には出力信号が得られる。
【0026】
FM信号がDAB信号に比べて格段に大きいと仮定すると(これは通常の場合そうである)、出力は下式のようになる。
【0027】
上式は、選択的フェージングにより生じる振幅変調の項f(t)=0の場合、元のCOLT法による結果が得られることを示している。しかしながら、選択的フェージングが存在する場合、別の混信信号の項を選択的フェージング状態下のCOLT法の項と比較することができる。さらに詳しく説明すると、もし、
【0028】
であれば、本発明の方法を用いる自己誘導雑音は低い。上記の不等式は、1より非常に小さいそれほど重要でない項をさらに省略して近似化することにより、下式のようになる。
【0029】
これは、規準化方法を用いる選択的フェージングによる雑音の減少が6dB改善され可能性があることを示す。
【0030】
本発明は、例えば、対象となる信号の大きさまたは電力スペクトル密度を混信信号に対して増加させることにより出力中の混信信号の悪い影響を減少できることが明らかであろう。
【0031】
上述のFM相殺プロセスは、第1の隣接する混信FM信号がある場合は必ず、FM IBOC DAB方式に直接に利用可能である。第1の隣接する混信FM信号は、処理を行ってDAB信号のデジタル部分から効果的に相殺・除去することが可能であるが、その際DAB信号にはかなり小さい歪みが発生する。この歪みは、以下の3つの条件がFM相殺プロセスの開始前に満足されるとかなり小さいものとなる。
1)有意な電力を有する信号としては、第1の隣接するFM信号と、混信を受けるDAB信号のデジタル部分(即ち、DAB信号のデジタル上または下側波帯)だけが存在している。これは、FM混信信号を0Hzと混合し、その結果得られた信号をローパスフィルタに通すかまたはその信号をバンドパスフィルタに通すことだけで実現可能である。
2)デジタル信号は、第1の隣接するFM信号の上半分または下半分の何れかに完全に含まれている。これは、デジタル信号の端縁部がほとんど、第1の隣接するFM信号の中心である200kHz上にあるIBOC DAB方式のレイアウトにおいて固有である。従って、デジタル信号はFM混信信号の一半分上に含まれる。これは、この抽出プロセスにより発生する望ましくない歪みまたはイメージがFM信号に対してDAB信号とは反対のスペクトル側に見えることから重要である。
3)第1の隣接するFM信号は、デジタル信号より約6dB電力が大きい。第1の隣接する信号の電力が低くなると、それはFACを実行しない方がよい。これにより、FM信号がDAB信号と比べて十分に大きくなり、かくして捕捉効果が得られる。マルチパスフェージングの状況下では、FM信号の電力はしきい値より6dB以上低くなることがあるため、スイッチングオフアルゴリズムの使用が望ましい。
【0032】
1つの提案されたFM IBOC方式内では、3つの状態が、FM放送局の有効範囲の特に端縁部の領域で時として存在することがある。第1の隣接するFM信号を相殺することにより、混信が軽減され、放送局の有効範囲が拡張される。
【0033】
FACをオンかオフに切替える1つの方法は、FAC処理済みでない信号へまたはその信号から滑らかに移行することである。ノッチングを受けつつある電力の大きさの測定は、ノッチに入る電力とノッチから出る電力の間の差を求めることによって行うことができる。これら2つの信号は、差を計算する前に損失のある簡単な積分器により滑らかにする。図4は、FAC及び混合機能を説明するブロック図であり、これらの機能は上下両方の第1の隣接するFM混信信号について実行可能である。複合信号はライン62上に入力され、ミキサー64で局部発振器信号と混合されてライン66上のベースバンド信号となり、そこで第1の隣接する混信信号が直流に変換される。この信号は有限インパルス応答のローパスフィルタ68によりろ波され、混信FM信号の帯域幅の外側にある信号が除去される。その結果ライン70上に得られる信号は、図示のようにブロック72においてFMトラッキング及び相殺処理される。相殺処理は、図3に示したように行われ、ノッチフィルタの前及び後の信号がライン42及び46上に出力される。混合制御ブロック72において、ノッチ済み電力(dB)は、混合が起こるレンジを表わす上及び下のしきい値と比較される。その範囲は規準化されるため、未規準化レンジ内のノッチ済み電力の大きさをレンジの百分率で表わすことができる。ライン76上の制御信号は、乗算器78においてFAC処理済み信号を乗算するために用いる百分率数を表わす。ライン80上の制御信号は、1から百分率数を差し引いたものを表わし、図示のようにブロック82において遅延されたFAC処理済みでない信号の乗算に用いられる。乗算器78、84の出力は加算器86で加算結合されてライン88上の信号となり、この信号は有限インパルス応答フィルタ90によりろ波される。その結果、ライン92上のろ波済み信号は再びミキサー94で局部発振器信号と混合され、ライン96上の出力信号となる。この出力信号はその後、公知技術に従ってさらに処理され、受信機からの音声出力となる。この混合によりFAC処理済みとFAC処理済みでない信号との間で滑らかな移行が生じるが、これは、図3に示すものを含む種々の混信相殺技術だけでなく上述した特許に開示された技術を用いる受信機に利用可能である。
【0034】
図5は、本発明に従って構成したラジオ受信機98のブロック図である。アンテナ100は、複数のOFDMデジタル変調サブキャリアよりなる対象信号と、アナログFMキャリア混信信号とを含むイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送信号を受信する手段として働く。この受信機は、よく知られた技術に従って構成されたフロントエンド回路を有する。フロントエンド処理の後、ライン102上の複合信号は、ブロック104において、上述した方法により、第1の隣接する信号の相殺処理を受け混合される。ライン106上の混合済み信号は公知技術に従ってさらに処理を受け、ライン108上の出力信号及びスピーカー110からの音声信号となる。
【0035】
本発明に用いる規準化プロセスは、選択的フェージング状態下での性能を改善する。この規準化は、振幅スケーリングにとって便利であるだけでなく、DAB受信機の後続段のチャンネル状態情報(CSI)予想器により追跡されるDAB信号の振幅のばらつきを減少させるという二次的な効果がある。改善ファクタは、使用するCSI予想プロセスの種類とこれらの予想フィルタの帯域幅により左右される。さらに、基準化済み信号は、FACプロセスの利得がa2でなくて1であるため、小さい動的レンジを利用する。複合信号通路の遅延をノッチフィルタの遅延とマッチさせることが、良好な性能を得る上で重要である。
【0036】
本発明は、FM放送信号からの混信の影響を抑制するために混信FM信号瞬時周波数の相殺処理及び/またはノッチフィルタリングを行う。本発明は、特に、第1の隣接するFM信号がDAB信号のデジタル部分にとって混信信号として作用するFMイン・バンド・オン・チャンネル(IBOC)デジタル音声放送(DAB)方式に利用可能である。この機能を有する装置を、第1の隣接相殺器(FAC)と呼ぶ。この方法は、ホストFM信号からDAB信号のデジタル部分への混信の影響を抑制するためにハイブリッドIBOC FM DAB方式に使用することもできる。
【0037】
本発明を現在において好ましい実施例と思われる例について説明したが、当業者にとっては頭書の特許請求の範囲に記載された範囲から逸脱することなく図示説明した実施例の種々の変形例及び設計変更が可能であることがわかるであろう。例えば、ノッチフィルタリングプロセスにおいて単なるIIRフィルタの代わりにFIRフィルタを用いても性能は有意に改善されない。IIRフィルタは、適当な性能を与え計算の複雑さを有意に減少させる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、FMイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送信号の電力スペクトル密度を示す図である。
【図2】 図2は、隣接チャンネルの2つのFMイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送信号の電力スペクトル密度を示す図である。
【図3】 図3は、本発明の信号処理方法を説明するブロック図である。
【図4】 図4は、本発明による第1隣接相殺器(FAC)の動作を説明するブロック図である。
【図5】 図5は、本発明に従って構成した受信機のブロック図である。
Claims (18)
- 対象となる信号(10)と混信信号(24)とを含む複合信号を受信するステップを含むイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法であって、
複合信号を規準化して規準化済みの複合信号を発生させ、
複合信号に規準化済みの複合信号の複素共役を乗算して実信号を発生させ、
実信号をろ波してろ波済み信号を発生させ、
ろ波済み信号に規準化済み複合信号を乗算して出力信号を発生させるステップを含むことを特徴とし、かくして出力信号中の混信信号の悪い影響が減少する、イン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - ろ波ステップは、
キャリア振幅予想信号を発生させ、
実信号を遅延して遅延済み実信号を発生させ、
遅延済み実信号からキャリア振幅予想信号を減算してろ波済み信号を発生させるステップより成る請求項1のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - キャリア振幅予想信号を発生させるステップは、
実信号をローパスフィルタに通すステップを含む請求項2のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - ろ波ステップにより信号の遅延が得られ、さらに、
ろ波済み信号に規準化済み複合信号を乗算する前に規準化済み複合信号を遅延させるステップを含む請求項1のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - 複合信号を規準化するステップは、
複合信号を該複合信号の絶対値で割算するステップを含む請求項1のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - 複合信号は、
複数のデジタル変調されたサブキャリアと、アナログの変調済みキャリアとより成る請求項1のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - アナログの変調済みキャリアに含まれる周波数の約半分は、複数のデジタル変調されたサブキャリアと干渉する請求項6のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。
- 出力信号を複合信号と混合して、混合済み出力信号を発生させるステップをさらに含む請求項1のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。
- 出力信号を複合信号と混合して混合済み出力信号を発生させるステップは、
実信号とろ波済み信号の間の電力レベル差を求め、
出力信号の量と複合信号の量をその差に応じて制御するステップより成る請求項8のイン・バンド・オン・チャンネル・デジタル音声放送方式のFM混信減少方法。 - 対象となる信号(10)と混信信号(24)とを含む複合信号を受信する手段(100)を有する無線周波数受信機であって、
複合信号を規準化して規準化済みの複合信号を発生させる手段(34)と、
複合信号に規準化済みの複合信号の複素共役を乗算して実信号を発生させる手段(40)と、
実信号をろ波してろ波済み信号を発生させる手段(44)と、
ろ波済み信号に規準化済みの複合信号を乗算して出力信号を発生させる手段(58)とより成るFM混信減少手段と備えたことを特徴とする無線周波数受信機。 - ろ波手段(44)は、
キャリア振幅予想信号を発生させる手段(48)と、
実信号を遅延して遅延済み実信号を発生させる手段(52)と、
遅延済み実信号からキャリア振幅予想信号を減算してろ波済み信号を発生させる手段(54)とより成る請求項10の無線周波数受信機。 - キャリア振幅予想信号を発生させる手段(48)は、ローパスフィルタより成る請求項11の無線周波数受信機。
- 規準化済み複合信号を遅延させる手段(56)をさらに含む請求項10の無線周波数受信機。
- 複合信号を規準化する手段(34)は、
複合信号を該複合信号の絶対値で割算する手段より成る請求項10の無線周波数受信機。 - 複合信号は、
複数のデジタル変調されたサブキャリアと、アナログの変調済みキャリアとより成る請求項10の無線周波数受信機。 - 出力信号を複合信号と混合して、混合済み出力信号を発生させる手段(74)をさらに含む請求項10の無線周波数受信機。
- 出力信号を複合信号と混合して混合済み出力信号を発生させる手段は、
実信号とろ波済み信号の間の電力レベル差を求める手段と、
出力信号の量と複合信号の量をその差に応じて制御する手段とより成る請求項16の無線周波数受信機。 - アナログの変調済みキャリアに含まれる周波数の約半分は、複数のデジタル変調されたサブキャリアと干渉する請求項15の無線周波数受信機。
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