JP4269003B2 - 振幅変調にコンパチブルなデジタル放送用受信機 - Google Patents

Description

発明の背景
本発明はラジオ放送に関し、さらに詳細には同一の割当て周波数チャンネル内においてデジタル変調信号とアナログ振幅変調信号とを放送する方式用受信機に関する。
音声の忠実度を改善するためにデジタル的に符号化された音声信号を放送する可能性についての関心が高まっている。いくつかの方式が提案されているが、その中の帯域外（out-of-band）方式はデジタルラジオ信号を特に指定された周波数帯域において放送するものであり、また帯域内（in-band）方式は無線周波数信号を既存の放送帯域の隣接チャンネル間の空きスロット内で（間げき利用方式）、または商用放送が現在使用している同一の割当て周波数チャンネル内で（帯域内オン・チャンネル方式）放送する。帯域内方式は特に周波数を協調させる必要がなく、また既存の送信設備の変更を比較的小規模に抑えることによって実現可能である。勿論、デジタル音声放送（ＤＡＢ）方式は従来のアナログ受信機回路による受信の質を低下させるものであってはならない。
デジタル音声放送向けの帯域内方式についてはこれまでＦＭ帯域（８８ｍＨｚ乃至１０８ｍＨｚ）においてのみ提案がなされているが、これはＡＭチャンネルの帯域幅が極めて狭いからである。しかしながら、ＡＭ帯域（５３０ｋＨｚ乃至１７００ｋＨｚ）を利用してデジタル音声放送を行うとすると、カセットテープ及びコンパクトディスクプレーヤのような高品質のポータブル音声源と競合できる手段をＡＭ放送局に与えることになる。従って、帯域内オン・チャンネル（ＩＢＯＣ）方式をＡＭ放送周波数に展開することによって既存のアナログＡＭ受信機による受信に悪影響を与えることなくデジタル信号処理を行って忠実度を高めることが望ましい。
発明の開示
本発明は、第１のキャリア信号がアナログ信号により振幅変調された第１の振幅変調信号と、第１の振幅変調信号の周波数スペクトルを包含する周波数レンジ内において各々がデジタル信号の一部によりデジタル変調された複数のデジタル変調キャリア信号とを含み、複数のデジタル変調キャリア信号のうち第１の群のデジタル変調キャリア信号は第１の振幅変調信号の周波数スペクトルとオーバーラップし且つ第１の振幅変調信号に対して直角位相で変調され、また、複数のデジタル変調キャリア信号のうち第２及び第３の群のデジタル変調キャリア信号は第１の振幅変調信号の周波数スペクトルに隣接してその両側にあり且つ第１の振幅変調信号に対して同相及び直角位相の両方で変調された、複合無線周波数波形のアナログ部分及びデジタル部分を共に受信する手段と、第１の振幅変調信号上のアナログ信号を検波する手段と、複数のデジタル変調キャリア上のデジタル信号を検波する手段とを含むことを特徴とする無線周波数受信機を提供する。
本発明は既存のＡＭ放送チャンネル内において既存のアナログＡＭ受信機に悪影響を与えることなく、また既存のＡＭ送信設備に比較的小規模の変更を加えるだけで音声プログラム材のデジタル表示または他のデジタルデータを送信可能な帯域内オン・チャンネル放送方式を提供する。この放送方式に従って信号を送受信する送信機及び受信機もまた本発明に包含される。
【図面の簡単な説明】
本発明は、添付図面を参照すると当業者に容易に明らかになるであろう。
図１は、本発明に従って周波数が決定されたキャリアを有する複合アナログＡＭ／デジタル放送信号のスペクトル表示である。
図２は、本発明に従って構成した送信機のブロック図である。
図３は、図２の送信機に用いるデータ分析器のブロック図である。
図４は、本発明に従って構成した受信機のブロック図である。
好ましい実施例の説明
本発明は、既存のアナログＡＭ放送に割当てられたものと同じチャンネル上でアナログ振幅変調信号とデジタル信号の両方を同時に放送する方式用受信機を提供する。この方式をＡＭラジオ放送に利用すると、現在ＡＭ放送に割当てられているものと同じ周波数帯域及び同じキャリア周波数で放送を行うことができる。アナログＡＭ信号と同じチャンネルでデジタル信号を放送する方式を帯域内オン・チャンネル（ＩＢＯＣ）放送と呼ぶ。相互干渉を防止する必要があるため、アナログＡＭスペクトルの下に置かれるデジタル波形に制限が加わる。この放送はデジタル波形を複数のキャリアによって送信することにより行なうが、これらのキャリアの一部はアナログＡＭ信号と直角位相で変調され、またそれらの位置は標準のＡＭ放送信号が有意なエネルギーを有するスペクトル領域内である。残りのデジタルキャリアはアナログＡＭ信号と同相及び直角位相の両方で変調され、それらの位置はアナログＡＭ信号と同一チャンネルであるがアナログＡＭ信号が有意なエネルギーをもたないスペクトル領域内である。直交する信号を発生させる方法には種々のものがある。この直交条件を確保するために用いる特別な方法は本発明の一部ではない。米国では、ＡＭ放送局による電波の放射は連邦通信委員会（ＦＣＣ）規則に従って決められた信号レベルマスクから外れないように規制される。この信号レベルマスクでは、アナログキャリアから１０．２ｋＨｚ乃至２０ｋＨｚ離れた放射は未変調のアナログキャリアレベルよりも少なくとも２５ｄＢ、またアナログキャリアから２０ｋＨｚ乃至３０ｋＨｚ離れた放射は未変調アナログキャリアレベルよりも少なくとも３５ｄＢ、さらにアナログキャリアから３０ｋＨｚ乃至６０ｋＨｚ離れた放射は未変調アナログキャリアレベルより少なくとも［５＋１ｄＢ／ｋＨｚ］減衰させる必要がある。
図１は、本発明に従って周波数を決められたキャリアを有するＡＭデジタル音声放送信号のスペクトルを示す。曲線１０は標準の放送用振幅変調キャリア信号を表わし、キャリア周波数はｆ₀である。ＦＣＣの放射マスクを番号１２で表わす。ドイツ放送技術研究所のＭＵＳＩＣＡＭ（マスクパターンに適合させた副帯域符号化及び多重化）アルゴリズムのようなソースコーリングの最近の進歩により、デジタル信号を毎秒９６キロビット（ｋｂｐｓ）のような低いレートで放送することによってステレオプログラム材につき高い音声品質を得ることができることが分かっている。このデータレートを支持する波形は帯域幅効率変調方式を用いることによりＡＭ放送局に現在割当てられているＦＣＣ放射マスク内に挿入することができる。
本発明のデジタル変調キャリアは、直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）により発生される。このフォーマットは、これらのキャリアのスペクトルをガード帯域を介在させずにオーバーラップするのを可能にするため、スペクトルを最適利用できる。しかしながら、信号タイミングジッタを補償するために時間領域でガードインターバルを使用することが可能である。ＯＦＤＭ変調方式は、帯域幅がＡＭ帯域では非常に貴重なものであるため、デジタル音声放送を成功裡に行うため極めて有用なものである。さらに別の利点として、ＯＦＤＭの直交条件がかかる干渉を最小限に抑えるため、送信機及び受信機のいずれにおいてもＤＡＢデジタルキャリアをフィルタリングによって互いに隔離する必要がないということがある。
ＯＦＤＭ波形は間隔が５００Ｈｚの一連のデータキャリアより成る。このため高度なスペクトルの囲い込みが可能となり、ＡＭのＤＡＢ波形をＦＣＣ放射マスクのエッジに極めて近いが依然としてそのマスク内にあるようにできる。この方式のさらに別の特徴は、各キャリアの振幅を調整して干渉レベルが高いと予想される領域、例えば干渉体のキャリア周波数に近い所の信号電力を増加できる点にある。この方式により信号エネルギーの割当てが最適化され、かくして振幅変調デジタル音声放送（ＡＭ ＤＡＢ）の有効領域が最大となる。
本発明によれば、その複合アナログ／デジタルＤＡＢ波形はＦＣＣ放射マスクに完全に合致する複数の変調キャリアを含む。本発明の好ましい実施例では、デジタル情報を運ぶために間隔がｆ₁＝５００Ｈｚの７６個のキャリアが用いられる。第１の群を構成する３４個のデジタル変調キャリアは、図１のエンベロープ１４で示すようにｆ₀−１７ｆ₁からｆ₀＋１７ｆ₁の周波数帯域内にある。これらの信号の大部分はアナログＡＭ信号とのクロストークを最小限に抑えるため未変調ＡＭキャリア信号のレベルより３０乃至４０ｄＢ低い。クロストークはこのデジタル情報をアナログＡＭ波形と確実に直交させるように符号化することによってさらに減少する。この種の符号化をコンプリメンタリー符号化（即ち、コンプリメンタリーＢＰＳＫ、コンプリメンタリーＱＰＳＫ、またはコンプリメンタリー３２ ＱＡＭ）と呼ぶ。コンプリメンタリーＢＰＳＫ変調は周波数がｆ₀±ｆ₁の最も内側の一対のデジタルキャリアに用いてコスタスループ（Ｃｏｓｔａｓ ｌｏｏｐ）によるタイミング信号の回収を容易にする。これらのキャリアは−２５ｄＢｃにセットされている。周波数がｆ₀−１０ｆ₁からｆ₀−２ｆ₁及びｆ₀＋２ｆ₁からｆ₀＋１０ｆ₁のこの第１の群に含まれる１８個のキャリアはコンプリメンタリーＱＰＳＫを用いて変調され、そのレベルは−３９．７ｄＢｃである。第１の群の最後の１４個のキャリアは周波数がｆ₀−１７ｆ₁からｆ₀−１１ｆ₁及びｆ₀＋１１ｆ₁からｆ₀＋１７ｆ₁に位置する。これのキャリアはコンプリメンタリー３２ ＱＡＭにより変調され、そのレベルは−３０ｄＢｃである。
この第１の群の両側に隣接して別の群の直交振幅変調（ＱＡＭ）デジタル信号が位置する。アナログＡＭ信号の帯域幅を制限することによりこれらのデジタル波形をアナログ信号と直角位相にする必要がなくなる。アナログＡＭ受信機に普通みられるセラミックＩＦフィルタは音声応答を３．５ｋＨｚに制限するため、これは不当な要件であるとは思わない。図１のエンベロープ１６と１８により囲まれたこの第２及び第３の群の全てのキャリアは３２ ＱＡＭを用いて変調される。これらのキャリアは周波数がｆ₀−１９ｆ₁、ｆ₀−１８ｆ₁、ｆ₀＋１８ｆ₁及びｆ₀＋１９ｆ₁に位置し、そのレベルは−２８ｄＢｃである。ｆ₀−３９ｆ₁からｆ₀−３４ｆ₁、ｆ₀−３２ｆ₁からｆ₀−２３ｆ₁及びｆ₀−２１ｆ₁、ｆ₀＋２１ｆ₁、ｆ₀＋２３ｆ₁からｆ₀＋３２ｆ₁及びｆ₀＋３４ｆ₁からｆ₀＋３９ｆ₁に位置するキャリアのレベルは−３１ｄＢｃである。ｆ₀−３３ｆ₁、ｆ₀−２２ｆ₁、ｆ₀＋２２ｆ₁及びｆ₀＋３３ｆ₁に位置する残りのキャリアはレベルが−３２ｄＢｃである。
ＯＦＤＭキャリアはｆ₁＝５００Ｈｚの間隔を有する。しかしながら、時間領域のガードバンドを用いるため、各キャリアの記号レートはｆ_r＝毎秒１２８・５００／１３２記号である。第１の群のコンプリメンタリーＢＰＳＫキャリアの対は記号ごとに１ビット有するため、ビットレートはｆ_rである。コンプリメンタリーＱＰＳＫキャリアの９個の対はそれぞれ記号ごとに２ビットを含むため、ビットレートはｆ_rである。コンプリメンタリー３２ ＱＡＭキャリアの７個の対はそれぞれ記号ごとに５ビットを有するため、毎秒３５ｆ_rビットである。第２の群の４２個の３２ ＱＡＭキャリアはそれぞれ記号ごとに５ビットを運ぶため、毎秒２１０ｆ_rビットである。全てのＯＦＤＭキャリアの総データレートは２６４ｆ_r、即ち毎秒１２８キロビットである。
複合ＡＭ ＤＡＢ信号全体の占有帯域幅は、デジタル波形の最も外側の第１の０まで測ると４０ｋＨｚである。このスペクトルはＦＣＣ放射マスクの中央の４０ｋＨｚの部分内に入る。ｆ₀±２０ｋＨｚの外側の周波数に亘って延びるＯＦＤＭのサイドローブは、それらの間隔がｆ₁＝５００Ｈｚにすぎないため、別にフィルタリングを施さずとも放射マスクの−３５ｄＢｃ部分より低くなる。
±２０ｆ₁と±４０ｆ₁には空きのＯＦＤＭスロットがある。キャリア周波数ではＡＭ信号成分が優勢であるため、これにより第１及び第２の隣接チャンネルの干渉に対してさらなる免疫性が得られる。同様に、ＡＭ ＤＡＢスペクトルはｆ₀±２０ｋＨｚの外側では事実上未占有状態であるため、第２の隣接チャンネル干渉体に対してある程度の保護が得られる。
図２は本発明により構成した送信機のブロック図である。送信すべきアナログプログラム信号（本例では右及び左のステレオ部分を含む）が入力端子２８及び２８′に印加される。左及び右のチャンネルは加算点２９で結合された後アナログ音声プロセッサ３０に送られるため、平均アナログＡＭ変調度が３０％乃至８５％に増加し、有効領域が相当程度のびる。かかるプロセッサは世界中のアナログＡＭラジオ局で普通見られるものである。その信号は鋭いカットオフ特性を有するローパスフィルタ３１を通されると、ライン３２上にフィルタリング済みのモノーラルアナログプログラム信号を発生させる。フィルタ３１は、例えば６ｋＨｚのカットオフ周波数を有し、６．５ｋＨｚを過ぎると減衰が４０ｄＢとなる。
送信信号のアナログ及びデジタル部分を用いて同じプログラム材を送る用途では、ＩＳＯ ＭＰＥＧレイヤー２Ａに合致するデジタルソースエンコーダ３４が右及び左のアナログプログラム信号をライン３６上の毎秒９６キロビットの結合ステレオデジタル信号に変換する。フォーワードエラー補正エンコーダ／はさみ込み回路３８は、インパルス雑音及び干渉により損なわれるチャンネル上のデータの健全性を改善して、ライン４０上に毎秒１２８キロビットのデジタル信号を発生させる。送信すべきデジタル信号がアナログプログラム信号のデジタル版でない用途では、データポート４２がそのデジタル信号受信のために設けられている。アナログプログラム信号のデジタル版またはポート４２へ送られるデジタル信号が別のデータを加えることによって補充する必要のある例では、補助データ源４４も設けられている。
データ分析器４６は、そのデジタルデータを受けてライン４８上に複数の出力を発生させる。データ分析器４６からのライン対４８上の信号は複素係数を構成するが、これらはブロック５０の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムに加えられて、ライン５２及び５４上にそれぞれデータ信号のベースバンド同相成分Ｉ及び直角位相成分Ｑを発生させる。処理されたベースバンドアナログＡＭ信号はアナログ−デジタルコンバータ６０によりデジタル信号に変換され、加算点６２においてデジタルＤＡＢ波形の同相部分と結合されてライン６４上に複合信号を発生させる。ライン６４上の複合信号はデジタル−アナログコンバータ６６によりアナログ信号に変換され、ローパスフィルタ６８によりフィルタリングされ、ミキサー７０に送られて、そこで局部発振器７４によりライン７２上に発生した無線周波数信号と結合される。ライン５４上の直角位相信号はデジタル−アナログコンバータ７６によりアナログ信号に変換され、ローパスフィルタ７８によりフィルタリングされてフィルタリング済みの信号を発生させた後、第２のミキサー８０においてライン８２上の信号と結合される。ライン７２上の信号はブロック８４に示すように移相されてライン８２上に信号を発生させる。ミキサー７０及び８０の出力はライン８６及び８８を介して加算点９０に送られ、ライン９２上に複合波形を発生させる。ミキシングにより発生するスプリアスな成分はバンドパスフィルタ９４により除去され、その結果得られるＤＡＢ信号が送信アンテナ９８へ送るために出力増幅器９６により増幅される。
図３は図２のデータ分析器４６のブロック図である。データ分析器は、入力ライン４０が示す直列デジタル信号を受けて１０２及び１０４で示す複数群のライン上にデジタル信号である複数の出力を発生させる直列−並列コンバータ１００を含む。各群のラインはエンコーダ１０６及び１０８のようなＱＡＭエンコーダへ信号を送り、同相出力信号Ｉと直角位相出力信号Ｑを発生させる。実際の例では、例えば各群につき５本のライン及び７６個のＱＡＭエンコーダが存在する。さらに、ＱＡＭエンコーダの一部はＢＰＳＫまたはＱＰＳＫを用いる。
図４は、本発明に従って放送されるデジタル及びアナログ信号を受信するように構成した受信機のブロック図である。アンテナ１１０は、デジタル及びアナログ信号を含む複合波形を受けてその信号を従来型入力段１１２へ送る。この入力段は無線周波数プリセレクタ、増幅器、ミキサー及び局部発振器を含む。これらの入力段が中間周波数信号をライン１１４上に発生させる。この中間周波数信号は、自動利得制御回路１１６を通ってＩ／Ｑ信号発生器１１８へ送られる。Ｉ／Ｑ信号発生器はライン１２０上に同相信号を、またライン１２２上に直角位相信号を発生させる。ライン１２０上の同相チャンネル出力はアナログ−デジタルコンバータ１２４へ入力される。同様に、ライン１２２上の直角位相チャンネル出力は別のアナログ−デジタルコンバータ１２６へ入力される。ライン１２８及び１３０上のフィードバック信号はそれぞれデジタル−アナログコンバータ１３２及び１３４へ入力される。ライン１３６及び１３８上のデジタル−アナログコンバータ出力は自動利得制御回路１１６の制御に用いられる。ライン１２０上の信号はアナログＡＭ信号を含むが、この信号はブロック１４０で示すように分離されて出力段１４２へ送られ、次いでスピーカー１４４または他の出力装置へ送られる。
帯域消去フィルタ１４６は、ライン１２８上の同相成分にフィルタリングを施すことによりアナログＡＭ信号のエネルギーを消滅させ且つライン１４８上にフィルタリング済み信号を発生させる。高速フーリエ変換回路１５０はライン１４８及び１５２上のデジタル信号を受けてライン１５４上に出力信号を発生させる。これらの出力信号はイクオライザ１５６を経てデータレートフィルタ／データデコーダ１５８へ送られる。データデコーダの出力は逆はさみ込み回路及びフォーワードエラー補正デコーダ１６４へ送られてデータの健全性が改善される。逆はさみ込み／フォーワードエラー補正回路の出力はソースデコーダ１６６へ送られる。ソースデコーダの出力はデジタル−アナログコンバータ１６０によりアナログ信号に変換されてライン１６２上に信号を発生させ、この信号は出力段１４２へ送られる。
本発明は、帯域幅がＡＭ送信用のＦＣＣ放射マスク内に完全に収まるため既存のＡＭラジオ局をＤＡＢに転換するに必要な変更が最小限に抑えられるＡＭ ＤＡＢ波形を利用する。従って、放送業者は彼等の既存の送信アンテナをそのまま使用できると思われる。しかしながら、アナログＡＭ送信にとってはそれ程重要でないが、デジタル信号の記号間干渉を最小限に抑えるためチャンネルの群遅延変化量を一定といってもよいくらいにしなければならないため、彼等の供給回路網を更新する必要がある。出力増幅器を適度に線形モードで動作させると仮定すれば既存のアナログＡＭ送信機をそのまま使うことができると思われる。ハードウエアの主要な変更として、低レベルキャリア入力をＡＭ ＤＡＢエキサイタで置き換えることがあろう。このモジュールはＡＭ ＤＡＢ変調のアナログ及びデジタル部分を共に発生させるため、送信機は主として線形増幅器として働く。
本発明をＡＭデジタル音声放送システムにつき説明したが、この方式はアナログ振幅変調信号と共にデジタル信号を送信するいかなるシステムにも利用可能であることを理解されたい。さらに、アナログ振幅変調信号により送られる情報とは異なる情報をデジタル信号により送ることができることを理解されたい。従って、本発明の方式は振幅変調信号と信号に組合わせて、交通または気象情報、ビデオ信号または軍通信信号のような種々のタイプのデータの送信に利用可能である。潜在的に利用可能な分野としては、振幅変調される軍関係の通信、及びビデオ情報が振幅変調されるテレビジョン信号が含まれる。

Claims (3)

1. 第１のキャリア信号がアナログ信号により振幅変調された第１の振幅変調信号と、第１の振幅変調信号の周波数スペクトルを包含する周波数レンジ内において各々がデジタル信号の一部によりデジタル変調された複数のデジタル変調キャリア信号とを含み、複数のデジタル変調キャリア信号のうち第１の群のデジタル変調キャリア信号は第１の振幅変調信号の周波数スペクトルとオーバーラップし且つ第１の振幅変調信号に対して直角位相で変調され、また、複数のデジタル変調キャリア信号のうち第２及び第３の群のデジタル変調キャリア信号は第１の振幅変調信号の周波数スペクトルに隣接してその両側にあり且つ第１の振幅変調信号に対して同相及び直角位相の両方で変調された、複合無線周波数波形のアナログ部分及びデジタル部分を共に受信する手段と、
   第１の振幅変調信号上のアナログ信号を検波する手段と、
   複数のデジタル変調キャリア上のデジタル信号を検波する手段とを含むことを特徴とする無線周波数受信機。
2. デジタル信号を検波する前記手段は第１のキャリア信号の位相を位相基準として用いてデジタル変調キャリアを復調することを特徴とする請求項１の無線周波数受信機。
3. アナログ信号を検波する前記手段の同相チャンネルから前記アナログ信号を抽出するフィルタをさらに含むことを特徴とする請求項１の無線周波数受信機。

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