JP4864263B2

JP4864263B2 - デジタル音声放送システムにおけるデータ送信及び受信方法

Info

Publication number: JP4864263B2
Application number: JP2001537186A
Authority: JP
Inventors: クローガー，ブライアン，ウイリアム; ベイアド，ジェフリー，エス
Original assignee: USA Digital Radio Inc
Current assignee: Ibiquity Digital Corp
Priority date: 1999-11-10
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2012-02-01
Anticipated expiration: 2020-11-10
Also published as: EP1232591A1; MXPA02004550A; US6982948B2; ATE303021T1; DE60022220D1; WO2001035556A2; DE60022220T2; BRPI0015462B1; CA2389470C; WO2001035556A3; AU769559B2; CN1391743A; US6549544B1; AR028875A1; CN1228934C; BR0015462A; RU2002115296A; EP1232591B1; CA2389470A1; AU2924901A

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は、デジタルデータの送受信方法及び装置に関し、さらに詳細には、デジタル音声放送システムに用いるかかる方法及び装置に関する。
【０００２】
デジタル音声放送（ＤＡＢ）は、既存のアナログ放送フォーマットより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ＦＭＤＡＢ信号は共に、デジタル変調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またはアナログ信号のない全デジタルフォーマットの何れかにより送信することができる。イン・バンド・オン・チャンネル（ＩＢＯＣ）ＤＡＢシステムは新しいスペクトルの割当てを必要としないが、その理由は、各ＤＡＢ信号が既存のＡＭまたはＦＭチャンネルの割当てと同じスペクトルマスク内で同時に送信されるからである。ＩＢＯＣＤＡＢは、スペクトルの経済的利用を促進すると共に、放送者がデジタル品質の音声をそれらの現在の聴取者ベースへ供給するのを可能にする。
【０００３】
１つのハイブリッドＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号は、アナログ変調キャリアと、アナログ変調ホストＦＭキャリアが占有するスペクトルの上方及び下方の、ＦＭ中心周波数から約１２９ｋＨｚ乃至約１９９ｋＨｚ離れた領域に位置する複数の直交周波数分割多重化（ＯＦＤＭ）サブキャリアとを組み合わせたものである。全デジタルＩＢＯＣＤＡＢシステムは、アナログ変調ホスト信号がなく、上記サブキャリアとは別に、ＦＭ中心周波数から約１００ｋＨｚ乃至約１２９ｋＨｚ離れた領域に新たなサブキャリアが付加されている。これらの新しいサブキャリアは、主またはコア信号が失われた場合受信機が出力を発生させるために使用可能なバックアップ信号を送信できる。
【０００４】
高品質のステレオ・コーデック・アルゴリズムの開発により、事実上、ＣＤステレオ品質の音声が９６ｋｂｐｓの低いレートで実現可能であることが示されている。ＩＢＯＣは新しいスペクトルの割当てを必要としないが、その理由は、各ＤＡＢ信号が既存の割当てのスペクトルマスク内で同時に送信されるからである。ＩＢＯＣＤＡＢは、電力レベル及び占有スペクトルにより、アナログラジオの聴取者にとって「トランスパレント」であるように設計されている。ＩＢＯＣは、スペクトルの経済的利用を促進すると共に、放送者が現在の聴取者ベースにデジタル品質の音声を供給するのを可能にする。ＦＭＩＢＯＣ方式は、本出願人のＰＣＴ公開公報第ＷＯ９９／５０９８０号（発明の名称："FM In-Band On-Channel Digital Audio Broadcasting Method And Apparatus"）に記載されている。
ＰＣＴ公開公報第ＷＯ９５／０７５８１号は、一定振幅ゼロ自己相関(CAZAC)ビット時系列を含むＯＦＤＭシステムにおいて基準信号を送信する方法を開示している。
Brian Kroefer et al.の論文"Robust Modem And Coding Techniques For FM Hybrid IBOC DAB", IEEE transactions on Broadcasting, Vol. 43, No. 4, December 1997は、ＦＭデジタル音声放送システムの信号符号化法を開示している。
【０００５】
ＩＢＯＣＤＡＢ信号は、隣接チャンネルによる干渉または他局間アナログ信号の干渉を受けやすい。多数の放送局から強力な電波が送られてくる都会においてもかかる干渉に対する耐性があり、デジタル情報を低い記号レートで送信できるＩＢＯＣＤＡＢ方式を提供することが望ましい。
【０００６】
【発明の概要】
本発明によると、デジタル音声放送システムのデータ送信方法であって、複数のデータサブキャリア及び複数の基準サブキャリアを含む複数の直交周波数分割多重化サブキャリアを発生させ、前記複数のデータサブキャリアを送信すべき情報を表わすデジタル信号により変調し、ブロック同期ワードを含む時系列ビット信号により前記複数の基準サブキャリアをそれぞれ変調し、前記複数のデータサブキャリア及び前記複数の基準サブキャリアが変調された前記複数の直交周波数分割多重化サブキャリアを送信するステップより成り、前記ブロック同期ワードは不連続のブロック同期フィールドに配置された複数のブロック同期ビットより成り、前記ブロック同期ビットの数は前記時系列ビット信号のビット数の半分より小さく、前記時系列ビット信号のビット数（Ｌ）は下式により定義され、

上式において、Ｚは前記ブロック同期ワードにおける論理０ビットの数、Ｓは前記ブロック同期ビットの数であり、前記ブロック同期ワードのブロック同期ビットは、前記時系列ビット信号のビットが既知の時系列トレーニングビットと相関されると、オフセットが０の場合を除いて相関にオフセットがあれば少なくとも１つのビットミスマッチが存在するように、時系列ビット信号中に分布することを特徴とするデジタル放送システムのデータ送信方法が提供される。
【０００７】
【好ましい実施例の詳細な説明】
添付図面を参照して、図１は、本発明によるハイブリッドＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号１０の信号成分の周波数割当て（スペクトル位置）及び相対的電力スペクトル密度を示す概略図である。ハイブリッドフォーマットは、電力スペクトル密度がチャンネルの中心周波数バンド１６に位置する三角形１４により表わされる従来のＦＭステレオアナログ信号１２を含む。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、中心周波数からの勾配が約−０．３５ｄＢ／ｋＨｚであるほぼ三角形の形状である。デジタル変調され等間隔の複数のサブキャリアは、アナログＦＭ信号の両側の上側波帯１８と、下側波帯２０とに位置し、アナログＦＭ信号と同時に送信される。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内に納まる電力レベルで送信される。図１の垂直軸は、従来の平均電力スペクトル密度でなくてピーク電力スペクトル密度を示す。
【０００８】
典型的なＦＭ放送信号の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）の測定値は、ｄＢでほぼ三角形で表わされ、中心周波数からの勾配は約−０．３６ｄＢ／ｋＨｚである。第１の隣接ＦＭ信号は、もしあるとれば、その中心周波数の間隔は２００ｋＨｚである。
【０００９】
全ＦＭ電力は、三角形の電力スペクトル密度を積分することにより求めることができる。

【００１０】
理想的な三角形のＦＭ電力スペクトル密度のピークは、図１に示すように、全キャリア電力基準レベル（０ｄＢｃ）より１３．８ｄＢ低いところにある。ＦＭスペクトルの両側のＤＡＢ電力レベルは、全ＦＭ電力より２５ｄＢ低いところにある（この−２５ｄＢｃの値は特殊な干渉状況に適応するように調整可能である）。１ｋＨｚの帯域幅のＤＡＢ密度は、計算することができる。ＤＡＢ信号の電力スペクトル密度は、その全電力（−２２ｄＢ）をその帯域幅（１４０ｋＨｚ）により割算することにより近似可能である。

【００１１】
ベースラインハイブリッドＤＡＢ方式は、ホストＦＭスペクトルの上方の１９１個のサブキャリアと、下方の１９１個のサブキャリアとを有する。各ＤＡＢサブキャリアは、ＱＰＳＫ変調されている。同相及び直交相のパルスの形状は、スペクトルのサイドローブを抑制するため、root raised cosine特性を有するようにエッジがテイパーしている（過剰時間＝７／１２８）。このパルスの形状は矩形パルスと比べるとスループット容量を５．２％減少させるが、マルチパスの性能が改善され、その結果スペクトルのサイドローブが減少して、干渉が軽減する。ベースラインＦＭＩＢＯＣ方式では、ホストＦＭ信号の各側に１９１個のＯＦＤＭサブキャリアが位置して、ホストＦＭ中心周波数から約１２９ｋＨｚ乃至１９９ｋＨｚ離れたスペクトルを占有する。
【００１２】
ハイブリッド信号のデジタル変調部分は、全デジタルＩＢＯＣＤＡＢフォーマットで送信される全デジタルＤＡＢ信号の副集合である。図２は、２４で示す、提案された全デジタルＦＭＤＡＢフォーマットのＯＦＤＭデジタルサブキャリアのスペクトル位置及び相対的信号電力密度レベルを示す。図１のアナログＦＭ信号は、中心周波数バンド２８に位置する拡張全デジタル信号２６と呼ぶ、オプションとしての別群のＯＦＤＭサブキャリアにとって代わられている。再び、等間隔のＯＦＤＭサブキャリアは、上側波帯３０と、下側波帯３２とに位置する。図２の全デジタルフォーマットの側波帯は、図１の側波帯より幅が広い。さらに、全デジタルＩＢＯＣ信号の側波帯の電力スペクトル密度レベルは、ハイブリッドＩＢＯＣ側波帯で許容されるレベルより約１０ｄＢ高いレベルにセットされている。これにより、全デジタルＩＢＯＣ信号は、有意な性能上の利点を有する。加えて、拡張全デジタル信号の電力スペクトル密度は、ハイブリッドＩＢＯＣ側波帯よりも約１５ｄＢ低い。これにより、隣接のハイブリッドまたは全デジタルＩＢＯＣ信号に対する干渉の問題が最小限に抑えられるかなくなると共に他のデジタルサービスを行うための付加的な容量が得られる。
【００１３】
図３は、本発明によるＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号の上側波帯の信号成分の配置を示す概略図である。各側波帯の全ＤＡＢ電力は、そのホストＦＭ電力に関して約−２５ｄＢにセットされている。個々のＯＦＤＭサブキャリアは、３４４．５３１２５Ｈｚ（４４１００／１２８）でＱＰＳＫ変調され、パルス成形（過剰時間が７／１２８のroot raised cosine特性のパルスはガード時間として働く）を施された後約３６３．３７２８Ｈｚ（４４１００＊１３５／８１９２）の間隔で直交変調されている。サブキャリアの想定位置は、ＦＭ中心周波数の０から、４００ｋＨｚの帯域幅のエッジの＋または−５５０までインデックスされている。外側に割当てられたサブキャリアは＋または−５４６で、中心周波数は＋または−１９８４０２ｋＨｚである。情報を含むベースラインシステムの内側のサブキャリアは＋または−３５６で、中心周波数は＋または−１２９３６１ｋＨｚである。基準サブキャリアは、各側波帯において、位置３５６から５６６にあり、その間隔はサブキャリア１９個である。これらの基準サブキャリアは、情報を含む他のサブキャリアの同期検波のための位相基準を確立するために使用する。基準サブキャリアはまた、フレーム同期及びチャンネル状態情報（ＣＳＩ）の推定を行うために使用する。
【００１４】
サブキャリア３５６乃至５０７は、約９６ｋｂｐｓの情報を運ぶ。サブキャリア５０８乃至５４５は、さらに２４ｋｂｐｓの情報ビットを運んで、ＦＭ信号の両側の実効コードレートをＲ＝４／５にすることができる。ベースラインシステムでは、フィルタリングが不適切な受信機に導入されるノイズを減少させるために、デジタル変調サブキャリアを１１４ｋＨｚから±１５ｋＨｚに配置するのを回避する。しかしながら、放送者は、スペクトルのこの部分を利用して、デジタル音声信号の堅牢性を改善しそして／またはデータキャスティング能力を増加させるオプションを有する。このオプションは、放送者がＦＭ信号のステレオ動作を回避する場合に魅力的である。
【００１５】
図３に示す上側波帯３０は、サブキャリア周波数１０１，３８１ｋＨｚ乃至１９８，７６５ｋＨｚに対応する情報を含んだサブキャリア２８０乃至５４６より成る。サブキャリア５４６は基準サブキャリアである。上側波帯は、幾つかのグループ３４、３６、３８、４０に分割された状態で示してある。グループ３４は、主チャンネルを表わし、サブキャリア３５６乃至５０７を含む。主チャンネルのサブキャリアは、符号化アルゴリズムのデータビットより成る放送すべきプログラム材料を毎秒少なくとも９６，０００ビット（ｋｂｐｓ）のレートで送信するために使用する。主チャンネルは、付属的及び補助的なデータを含んでもよい。サブキャリアの位置５０８乃至５４５を占有する第２のグループのキャリア３６は、パリティビットの送信に使用する。これらのサブキャリアは、チャンネルの中心に近い所に位置するサブキャリアと比べると干渉により損なわれやすいものである。外側のＱＦＤＭサブキャリア上には、消耗性の最も高いコードビットが配置される。消耗性の高いビットは、組み合わせたコードの自由距離または符号化利得への寄与が最も少なく、コードのエラー訂正能力にとっての重要度が最も低い。従って、これらの消耗性の高いビットを運ぶために最も弱いサブキャリアを使用する。
【００１６】
サブキャリアの別のグループ３８は、本発明の全デジタル方式の実施例では、パリティビットまたはオプションデータを運ぶために使用する。このグループのサブキャリアは、ハイブリッド方式において、中心周波数バンドのアナログ信号が、例えばステレオ情報を除去することによりスケールバックされる場合に使用する。サブキャリアのグループ４０は、サブキャリア位置２８０乃至３１７を包含し、全デジタル方式の例では、プログラム材料の遅延バックアップバージョンを、例えば２４ｋｂｐｓの低いデータレートで送信するために使用する。このグループのサブキャリアは、アナログベースバンド信号をさらにスケールバックしない限りハイブリッド方式では使用しない。全デジタル方式の例では、グループ４０のサブキャリアは、主チャンネルの送信信号が失われた場合に使用可能なデータを運ぶ。位置５４６のサブキャリアは基準信号４２を表わす。ＤＡＢの上側波帯のサブキャリアは、各々が１９個のサブキャリアより成るグループ４４に分割され、各グループのサブキャリア０は基準サブキャリアである。
【００１７】
図４に示す下側波帯のサブキャリアの配置は、上側波帯のサブキャリアの配置と鏡像関係にあり、インデックス及び周波数が負である。下側波帯の主チャンネル４６は、−３５６乃至―５０７のサブキャリアを含み、上側波帯の主チャンネルで送信されるものと同じプログラム材料を送信するが、使用するパンクチャド畳み込み符号化法はＤＡＢの上側波帯に用いるものと相補的である。グループ４８、５０、５２のサブキャリアは、上側波帯のグループ３６、３８、４０のサブキャリアと同じ態様で使用される。位置５４６のサブキャリアは、基準信号５４を送信するために使用する。ＤＡＢの上側波帯にサブキャリアは、各々が１９個のサブキャリアより成るグループ５６に分割され、各グループのサブキャリア０は基準サブキャリアである。
【００１８】
両側波帯のサブキャリアは、直交周波数分割多重化を使用し、相補的パンクチャド畳み込み（ＣＰＣ）コードを用いてＦＥＣ符号化される。ＣＰＣコードは当該技術分野で公知であり、例えば、S. Kallel,"Complementary Punctured Convolution (CPC) Codes and Their Applications", IEEE Trans. Comm., Vol. 43, No. 6, pp. 2005-2009, June, 1995を参照されたい。９６ｋｂｐｓの主チャンネルは、ハイブリッド方式と全デジタル方式の両方で同じようにフォーマットされる。この主チャンネルはＤＡＢの両側波帯に亘りＣＰＣコードを用いて符号化されるため、レートが１／２のＣＰＣコードとなる。
【００１９】
サブキャリア５０８乃至５４５（上及び下側波帯）は、ＣＰＣコードの別のパリティビットかまたはハイブリッド及び全デジタル方式の両方でデータを運ぶ。ここで、パリティビットを送信すると、各側波帯について独立に、主チャンネルに亘るＦＥＣコードレートがＲ＝１／２からＲ＝２／５またはＲ＝４／５へ改善される。隣接チャンネルによるＦＭ干渉が存在する場合、これらの外側ＯＦＤＭサブキャリアは最も損なわれやすく、上及び下側波帯の干渉はそれぞれ独立である。ＦＭ放送信号の電力スペクトル密度（ＰＳＤ）はほぼ三角形であるため、干渉は、ＯＦＤＭサブキャリアが第１の隣接する信号の周波数に近付くに従って増加する。パリティビットを送信する場合、この一様でない干渉に対処して情報通信の堅牢性が得られるように、符号化及びインターリービングを特に調整するとよい。
【００２０】
上側波帯のグループ３８のサブキャリア３１８乃至３５５及び下側波帯のグループ５０のサブキャリア−３１８乃至―３５５は、ＣＰＣコードの別のパリティビットかまたはデータを運ぶことができる。この選択はハイブリッド方式ではオプションであるが、全デジタル方式では必ず行なわなければならない。ここで、パリティビットを送信すると、ＤＡＢの各独立の側波帯について、主チャンネルに亘るＦＥＣコードレートがＲ＝１／２からＲ＝２／５またはＲ＝４／５に改善される。パリティビットを３１８乃至３５５及び５０８乃至５４５（及び下側波帯の対応サブキャリア）の両方の領域で送信する場合、全体のコードレートは、ＤＡＢの各独立の側波帯につきＲ＝１／３またはＲ＝２／３である。
【００２１】
全デジタル方式は、上側波帯のグループ４０のサブキャリア２８０乃至３１７と、下側波帯のサブキャリア−２８０乃至−３１７を利用して、主チャンネルのデータの低いデータレートのバージョン、例えば、２４ｋｂｐｓの埋め込まれたコードを運ぶ。この低いレートのバックアップデータは、時間ダイバーシティを用いて性能を向上させるために遅延される。全デジタル方式のこのバックアップデータは、本願の出願人の１９９７年１０月９日付け米国特許出願第０８／９４７，９０２号（発明の名称："A System And Method For Mitigating Intermittent Interruption In An Audio Radio Broadcast System"）に記載されたハイブリッド方式のアナログＦＭ混合信号にとって代わるものである。主チャンネルのデータが損なわれている場合、バックアップデータを音声セグメントに詰め込むことができる。バックアップデータは主チャンネルのデータビットの埋め込んだ副集合より成るため、バックアップにより主チャンネルのエラー保護を増強することが可能となる。
【００２２】
全デジタル方式では、図２の中心周波数バンド２８内にあるインデックスが−２７９乃至２７９のサブキャリアを、ＤＡＢ容量の拡張のためにオプションとして用いることができる。符号化なしのこの「拡張された」帯域幅に亘るチャンネルビットレートは、約３８４ｋｂｐｓである。この帯域幅の半分は第１の隣接するＤＡＢ信号により損なわれる可能性があるため、ＣＰＣＦＥＣ符号化法を拡張帯域幅の各半分に適用する必要がある。即ち、サブキャリア１乃至２７９がサブキャリア−１乃至−２７９と同じ情報を運ぶようにしなければならない。そうすると、２つの半分のうち何れかが損なわれた状態でも、残りの半分にレートが２／３の相補的なコードが依然として存在する。この場合、レートが１／３の符号化の後の情報容量は約１２８ｋｂｐｓである。
【００２３】
拡張された全デジタルバンドは、最初の隣接するハイブリッドまたは全デジタルの干渉源だけによる干渉に曝される。現在の保護マスクガイドラインの下では、第１の隣接する干渉源の最大レベルはホスト局に関して−６ｄＢである。この第１の隣接干渉源が全デジタルＩＢＯＣである場合、その干渉源は拡張バンドのその半分より最大１４ｄＢ高くなることがある。拡張バンドは、干渉源のスペクトル密度が拡張バンド信号とほぼ同じレベルであれば、符号化利得に積極的に寄与し始める。これは全デジタルの第１の隣接干渉源が、拡張バンドのその半分が利用可能であるためには、対象となる信号より少なくとも２０ｄＢ低く（２０ｄＢｄｉ／ｄｕ）なければならないことを意味する。この拡張データの受信は両方の第１の隣接干渉源のレベルが−２０ｄＢであっても可能であるが、フェージングでの堅牢な受信を行なうためには、恐らく、少なくとも１つの第１隣接干渉源が−３０ｄＢもしくはそれよりも以下であることが必要であろう。
【００２４】
隣接チャンネルによる干渉が存在する場合、外側のＯＦＤＭサブキャリアは最も損なわれやすく、上側波帯と下側波帯の干渉はそれぞれ独立無関係である。ＦＭ放送信号のＰＳＤはほぼ三角形であるため、干渉は、ＯＦＤＭサブキャリアが第１の隣接する信号の周波数に近付くに従って増加する。符号化及びインターリービングは、情報通信が堅牢性を有するようにこの一様でない干渉に対処すべく特に調整される。
【００２５】
ＩＢＯＣＤＡＢシステムは、ＦＭキャリアの各ＤＡＢ側波帯（上または下）上で全てのデジタル音声情報を送信する。ベースラインシステムを超える別のサブキャリアを、レートが１／３のＦＥＣコードの全てのコードビットの送信を可能にするように作動することができるが、ベースラインシステムは２／５のコードレートを使用する。各側波帯は検波及び復号を独立に行うことが可能であり、ＦＥＣ符号化利得はレート４／５（オプションとして、レート２／３）の畳み込みコードにより得られる。オプションとしてのリードソロモンコード（１４４、１４０、ＧＦ（８））外側コードも適用できる。各音声またはデータフィールドに対して８ビットのＣＲＣによりさらなるエラー検出能力が与えられる。側波帯の２倍の冗長性により、一方の側波帯が完全に損なわれた状態でも、もう一方の側波帯での動作が可能である。しかしながら、通常は両方の側波帯を組み合わせて、信号出力及び符号化利得を増加させる。強力な第１の隣接干渉源を復調分離する特別な方式を用いることにより、「復元される」ＤＡＢ側波帯をうまく組み合わせて強力な第１の隣接干渉源に対する耐力が得られるようにすることが可能である。
【００２６】
基準サブキャリアは、送信前に差動符号化される反復性の３２ビットＢＰＳＫ時系列ビット信号により変調される。この基準サブキャリアは、多数の目的のために、即ち、１）捕捉時におけるサブキャリアのあいまい性の解消、２）後で行なう同期検波のためのローカルな位相基準、３）チャンネル状態情報を推定するためのローカルなノイズ及び／または干渉サンプル、及び４）周波数及び記号トラッキングのための位相エラー情報として働く。ＢＰＳＫ時系列ビット信号の差動符号化により、残りのサブキャリアに必要な同期基準を確立する前にＢＰＳＫ時系列ビット信号を検出することができる。その後、遅延検波されたパターンを用いて基準サブキャリアから変調データを除去し、その基準のローカルな位相に関する情報だけでなくノイズまたは干渉のサンプルを残るようにする。これは、後で行う軟判定復号に必要なＣＳＩの推定に使用する。
【００２７】
基準サブキャリアは、図５に示すように、（差動符号化の前に）ＢＰＳＫ時系列ビット信号５８を送信するために使用する。本発明の好ましい実施例は、３２ビットの時系列ビット信号を使用する。３２ビットのうち１１ビットは、ブロック同期のために固定されている。ブロック同期ワード（またはパターン）は、不連続の、または隣接関係にないフィールド６０、６２、６４、６６に配置する。フィールド６０は７ビット、フィールド６２と６４はそれぞれ１ビット、フィールド６６は２ビットを含む。ブロック同期パターンの１１ビットは、残り２１ビットの値とは無関係に各ブロックの境界を一義的に画定するに十分である。ブロック同期パターンは、ブロックの境界を一義的に画定する。この時系列ビット信号はまた、ハイブリッド／デジタルフィールド６８、ブロックカウントフィールド７０、モードフィールド７２及びスペアフィールド７４を含む。ブロックカウントフィールドは、最大３２ブロックのモデムフレームを収容できる。モードフィールドは、最大２５６モードを収容できる。ＢＰＳＫ時系列ビット信号の４つの変数フィールド（ハイブリッド／デジタル、スペア、ブロックカウント及びモード）は、エラーに対する保護だけでなく各可変フィールドの端部における差動符号化による位相基準の変化をなくするために、パリティチェックされる。同じＢＰＳＫ時系列ビット信号が全ての基準サブキャリアに対して適用される。
【００２８】
ブロックの同期は、ＢＰＳＫ時系列ビット信号内に含まれるビットのユニークな２進パターンを認識することにより確立される。ＢＰＳＫ時系列ビット信号はまた、ブロックカウントフィールド、モードフィールド及び将来の拡張のための幾つかのスペアビットを含む他の情報を多少含む。ブロックまたはフレーム同期に常用する方法は、受信する時系列ビット信号を基準ユニークワードと交差相関すると検出できる「ユニーク（一義的な）ワード」を使用するものである。ユニークワードの特性は、ＢＰＳＫ時系列ビット信号内の如何なる有効なデータパターン内にも存在してはならないということである。これにより、ユニークワードパターンが無効のデータ時系列となるようなデータの符号化が必要になることがしばしばある。場合によっては、かかるデータの符号化の代わりに、十分に長いユニークワードを使用して、データ内においてそのワードが生じる蓋然性を受け入れ可能な程小さくし、その時系列ビット信号を全ての基準サブキャリアの位置で冗長的に送信し、ブロックカウントフィールドにおいて画定されるインターリーバのブロックと一致するようにする。
【００２９】
本発明の好ましい実施例において、ＢＰＳＫ時系列ビット信号の全長（即ち、３２ビット）は元来、比較的小さいものである。情報フィールド（即ち、モード、ブロックカウントなど）に３２ビットの半分以上を用いるのが望ましい。ユニークワードを一群の連続するビットとして従来のように定義する場合、このユニークワードの長さは３２ビットの時系列ビット信号の長さの半分より大きくなければならない。これにより、おそらくＢＰＳＫ時系列ビット信号のデータ部分内にユニークワードが存在しなくなるであろう。さらに、ユニークワードは自己相関値が低い２進時系列（例えば、Barker-like code）であろうから、ユニークワードとデータフィールドの部分的な相関があっても、それらは誤った相関にならないであろう。巡回シフト時系列の自己相関性を最小限に抑えるために最大長の２進時系列が常用されるが、最大長のケースにおいて全てのビットは変数フィールドが含まれないように定義される。
【００３０】
ここでは、それらのビットをＢＰＳＫ時系列ビット信号の全長に亘って注意深く分布させることにより（ブロック同期ビットを連続分布させるのではなく）ブロック同期フィールドの長さを最小限に抑えることができることを示す。全長がＬでブロック同期フィールドの長さがＳであるＢＰＳＫ時系列ビット信号を考える。さらに、ブロック同期ビットのうちＺ個のビットに論理０の値が割当てられていると仮定する。その場合、残りのＳ−Ｚ個のブロック同期ビットは論理１である。巡回シフトするＢＰＳＫ時系列ビット信号をブロック同期パターンと交差相関することにより、Ｌ個の可能な相関値をチェックし、割当てのないビットの“空白”位置を無視する。もちろん、パターンがマッチする場合の相関値（マッチするビットの数）はＳである。
【００３１】
ブロック同期ビットを、オフセットが０の場合を除いて相関にオフセットがあれば少なくとも１つのビットミスマッチが存在するように分布させ得る場合、ブロック同期パターンは一義的である。一義的なブロック同期パターンを有するＢＰＳＫ時系列ビット信号の長さＬの上方境界は、ブロック同期ビットの長さＳとＺの関数により求めることができる。

【００３２】
さらに、Ｌは、ブロック同期パターンが論理１と０との間でほぼ一様に分布されている場合に限りＳの関数として最大限にされる。

【００３３】
上記の不等式によると、長さＬ＝３２ビットのＢＰＳＫ時系列ビット信号は、一義性を保証するためには、Ｓ＝８ビット以上のブロック同期パターンが必要である。実際、正確にＳ＝８ビットのパターンが最小の境界に合致することがわかっている。この最小のブロック同期パターンは、適当な位置の１及び０と、どうでもよい位置のＸとで定義される。
【００３４】
最小ブロック同期パターン：０Ｘ１０ＸＸ０ＸＸ１ＸＸＸＸ０ＸＸＸＸＸＸ１１ＸＸＸＸＸＸＸＸＸ
ブロック同期パターンにさらに３個のビットが固定され、これは、ビットエラーが存在する時の誤検出の蓋然性を減少する。
【００３５】
ブロック同期パターン：０１１００１０ＸＸ１ＸＸＸＸ０ＸＸＸＸＸＸ１１ＸＸＸＸＸＸＸＸＸ
差動符号化ＢＰＳＫ時系列ビット信号は、ＢＰＳＫ論理“１”（差動符号化の後）をＱＰＳＫビット対“１，１”に割当て、またＢＰＳＫ論理“０”（差動符号化の後）をＱＰＳＫビット対“０，０”に割当てることにより、ＱＰＳＫ基準サブキャリア上にマッピングされる。ＢＰＳＫが基準サブキャリアについて選択されるが、その理由は、遅延検波ＱＰＳＫと比べるとノイズ及びチャンネル損傷に対する耐性が大きいからである。さらに、全ての基準サブキャリアに亘るＢＰＳＫ時系列ビット信号の冗長性により、干渉及びチャンネル状態が最も厳しい状況の下でも堅牢性のある基準が得られる。
【００３６】
図６は、本発明に従ってデジタル音声放送信号を放送できるＤＡＢ送信機７６のブロック図である。信号源７８は送信すべき信号を与える。この信号源の信号は、多数の形態、例えば、声または音楽を表わすアナログプログラム信号及び／または交通情報のようなメッセージデータを表わすデジタル情報信号がある。デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）を利用する変調器８０は、ソース信号符号化、インターリービング及び前方誤り訂正のような種々の公知の信号処理法によりソース信号を処理して、ライン８２、８４上に複合ベースバンド信号の同相及び直交相成分を発生させる。これらの信号成分は、アップコンバータブロック８６において、周波数をシフトアップされ、フィルタリングを施され、補間されて高いサンプリングレートとなる。これにより、ライン８８上に中間周波数信号ｆ_ifのレートｆ_sのデジタルサンプルが発生する。デジタル−アナログコンバータ９０は、その信号をライン９２上のアナログ信号へ変換する。中間周波数フィルタ９４は、折り返し周波数を除去して、ライン９６上に中間周波数信号ｆ_ifを発生させる。局部発振器９８は、ライン１００上に信号ｆ_loを発生させ、この信号をライン９６上の中間周波数信号とミキサー１０２により混合されて、ライン１０４上の和と差の信号となる。和の信号及び他の望ましくない相互変調成分並びにノイズは、イメージリジェクトフィルタ１０６により除去され、ライン１０８の上の変調済みキャリア信号ｆ_cとなる。その後、高出力増幅器１１０がこの信号を増幅してアンテナ１１２へ送る。
【００３７】
受信機は、送信機で説明した機能の一部の逆を実行する。図７は、本発明に従って信号を処理できるラジオ受信機１１４のブロック図である。ＤＡＢ信号はアンテナ１１６で受ける。バンドパスプリセレクトフィルタ１１８は、周波数ｆ_cの所望の信号を含む対象周波数帯域を通過させるが、ｆ_c−２ｆ_ifのイメージ信号（低いサイドローブを注入する局部発振器の）を除去する。低ノイズ増幅器１２０はこの信号を増幅する。増幅された信号は、ミキサー１２２において、同調可能局部発振器１２６からライン１２４へ供給される局部発振器信号へｆ_loと混合される。これにより、ライン１２８上に和の信号（ｆ_c＋ｆ_lo）と差の信号（ｆ_c−ｆ_lo）とが得られる。中間周波数フィルタ１３０は、この中間周波数信号ｆ_ifを通過させるが、対象となる変調済み信号の帯域幅の外側の周波数成分は減衰させる。アナログ−デジタルコンバータ１３２は、クロック信号ｆ_sを用いて動作することにより、ライン１３４上にレートｆ_sでデジタルサンプルを発生させる。デジタルダウンコンバータ１３６は、この信号の周波数をシフトし、フィルタリング及びデシメーションを施して、ライン１３８と１４０上に、低サンプリングレートの同相及び直交相信号を発生させる。デジタル信号プロセッサを用いる復調器１４２は、さらに信号処理を行なって、出力装置１４６のための出力信号をライン１４４上に発生させる。
【００３８】
同期検波されたＱＰＳＫサブキャリア記号について、重み付けと最大比率を組み合わせた（ＭＲＣ）軟判定ビタビ復号法を使用して、チャンネルに亘る損失を最小限に抑える。干渉及び信号レベルは選択的フェージングによりサブキャリア（周波数）及び時間に亘って可変であるため、軟記号の重み付けを適応的に調整するためにはタイムリーなチャンネル状態情報（ＣＳＩ）が必要である。ＣＳＩ推定法は、１００ＭＨｚの周りのＦＭバンドにおける最大の車両速度について最大約１３Ｈｚのフェージング帯域幅に適応するように設計する必要がある。数マイクロ秒のドップラー分散が典型的であるが、状況によっては大きな分散が測定されている。図８は、位相基準と、基準サブキャリアからのＣＳＩとの両方を推定する方法の機能的ブロック図である。このＣＳＩの重みは、最大比率の組み合わせ（ＭＲＣ）の振幅の重みを、チャンネル位相エラーの位相訂正量と組み合わせたものである。

【００３９】
上式において、

はチャンネル利得の複素共役の推定値であり、σ²はノイズのばらつきの推定値である。
【００４０】
図８のＣＳＩ復元法の動作は、サブキャリアの周波数の捕捉及び追跡と、ＯＦＤＭ記号の記号タイミングとを想定している。周波数及び記号タイミング捕捉方法は、巡回プレフィックスの特性を利用する。周波数及び記号の追跡は、時間または周波数（サブキャリアに亘る）に亘って記号から記号への位相ドリフトを観察することにより行なわれる。
【００４１】
周波数と記号タイミングの両方を捕捉した後、ＢＰＳＫ時系列ビット信号のブロック同期パターンに対する同期は、遅延検波されたＢＰＳＫ時系列ビット信号をブロック同期パターンと交差相関することにより試みる。遅延検波は、トレーニングサブキャリアの位置が最初知られていないと仮定して全てのサブキャリアに亘って行なう。既知のブロック同期パターンと各サブキャリアの検出ビットとを交差相関する。サブキャリアの相関は、ブロック同期パターンの１１ビット全てのマッチを検出した時宣言する。ブロック同期（及びサブキャリアあいまい性の解消）は、サブキャリアの相関数がしきい基準値（例えば、１９個のサブキャリアの倍数だけ離隔した４個のサブキャリアの相関）に合致するかそれを超えると確立される。
【００４２】
ブロック同期が確立されると、ＢＰＳＫ時系列ビット信号の可変フィールドを復号することができる。これらの可変フィールドの遅延検波ビットは、これらのサブキャリアまたはビットの一部が損なわれた状態にある時復号が可能なようにトレーニングサブキャリアに亘って多数決方式で決定する。各モデムフレーム内の１６個のブロックに逐次０から１５の番号を付す。そうすると、ブロックカウントフィールドのＭＳＢは常に０にセットされるが、その理由はブロックカウントは決して１５を超えないからである。モデムフレームの同期は、ブロックカウントフィールドを知ることによって行なう。
【００４３】
この信号を同期検波するには、コヒーレントな位相基準が必要である。ＢＰＳＫ時系列ビット信号からの復号情報を用いて、トレーニングサブキャリアから変調信号を除去し、ローカル位相基準及びノイズについての情報を残す。図８を参照して、基準サブキャリアにより運ばれる複素トレーニング記号はライン１４８に入力され、その記号の複素共役をブロック１５０に示すように取る。複素共役を、乗算器１５４により、ライン１５２上の既知のトレーニングシーケンスと乗算する。これにより、受信したトレーニングサブキャリアと、同期され、復号され且つ差動再符号化されたＢＰＳＫ時系列ビット信号とを乗算して、受信したトレーニングサブキャリアから二進（＋／−１）時系列変調を除去する。ライン１５６上にその結果得られる記号を、有限インパルス応答（ＦＩＲ）フィルタ１５８により処理して、その結果得られる記号を時間に亘り滑らかにすると、ライン１６０上にローカル位相及び振幅の複素共役推定値が得られる。この値は、時間遅延手段１６２で遅延させた後、乗算器１６６によりライン１６４上のノイズ分散値の逆数の推定値と乗算する。ノイズ分散値は、ライン１６０上のローカル位相及び振幅の滑らかにされた推定値を、加算点１７０において、入力記号から減算する（遅延手段１６８により時間を適当に整列させた後）ことにより推定する。次に、ブロック１７２で示すようにその結果を自乗し、ブロック１７４で示すように複素ノイズサンプルをフィルタにかける。その逆数は、ブロック１７６で示すように近似する（０での割算による保護）。このＣＳＩの重みは、ブロック１７８で示すように、隣接するトレーニングサブキャリアの対の間に１８個のサブキャリアに亘って補間することにより、ライン１８０上にローカルＣＳＩの重みを得る。これらのＣＳＩの重みをその後使用して、ライン１８２上に受信した対応するローカルデータ記号を乗算するが、これは、それらがブロック１８４で示すように適当に遅延した後である。その後、乗算器１８６はライン１８８上に軟判定出力を発生する。
【００４４】
本発明は、既存のＡＭ及びＦＭ放送と比べて改善された性能を有する、本願の出願人により提案された堅牢性のあるイン・バンド・オン・チャンネル（ＩＢＯＣ）デジタル音声放送（ＤＡＢ）方式を提供する。本発明は、さらにチャンネルスペクトルを割当てることなく前方及び後方の両方においてコンパチブルである。放送者は、割当てられたチャンネルマスク内でアナログ信号とデジタル信号とを同時に送信できるため、既存のアナログ受信機との完全なコンパチビリティーが得られる。本発明によると、放送者はハイブリッドアナログ／デジタル信号の代わりに全デジタルの信号を送信することもできる。これはまた、隣接のチャンネルによる干渉、または、例えば多数の放送局のある電波の強い都会においても他局のアナログ送信による干渉に対して耐性を有する。基準サブキャリアは、捕捉、追跡及びチャンネル状態情報（ＣＳＩ）の推定並びにコヒーレントな動作を含む多数の目的のために使用される。
【００４５】
本発明を好ましい実施例につき説明したが、当業者は、頭書の特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく図示説明した実施例に対して種々の変形例及び設計変更を想到できることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、ハイブリッドＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号の信号成分の周波数割当て及び相対的電力スペクトル密度を示す概略図である。
【図２】図２は、全デジタルＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号の信号成分の周波数割当て及び相対的電力スペクトル密度を示す概略図である。
【図３】図３は、本発明によるＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号の上側波帯の周波数割当てを示す概略図である。
【図４】図４は、本発明によるＦＭＩＢＯＣＤＡＢ信号の下側波帯の周波数割当てを示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の好ましい実施例によるＢＰＳＫ時系列ビット信号の概略図である。
【図６】図６は、本発明に従ってフォーマットされる信号を送信可能なデジタル音声放送システムに用いる送信機のブロック図である。
【図７】図７は、本発明によりフォーマットされる信号を受信可能なデジタル音声放送システムに用いる受信機の機能的ブロック図である。
【図８】図８は、図７の受信機に用いるチャンネル状態推定方法を示すブロック図である。

Claims

デジタル音声放送システムのデータ送信方法であって、
複数のデータサブキャリア及び複数の基準サブキャリアを含む複数の直交周波数分割多重化サブキャリアを発生させ、
前記複数のデータサブキャリアを送信すべき情報を表わすデジタル信号により変調し、
ブロック同期ワードを含む時系列ビット信号により前記複数の基準サブキャリアをそれぞれ変調し、
前記複数のデータサブキャリア及び前記複数の基準サブキャリアが変調された前記複数の直交周波数分割多重化サブキャリアを送信するステップより成り、
前記ブロック同期ワードは不連続のブロック同期フィールドに配置された複数のブロック同期ビットより成り、前記ブロック同期ビットの数は前記時系列ビット信号のビット数の半分より小さく、前記時系列ビット信号のビット数（Ｌ）は下式により定義され、

上式において、Ｚは前記ブロック同期ワードにおける論理０ビットの数、Ｓは前記ブロック同期ビットの数であり、
前記ブロック同期ワードのブロック同期ビットは、前記時系列ビット信号のビットが既知の時系列トレーニングビットと相関されると、オフセットが０の場合を除いて相関にオフセットがあれば少なくとも１つのビットミスマッチが存在するように、時系列ビット信号中に分布することを特徴とするデジタル放送システムのデータ送信方法。
前記時系列ビット信号はさらに、
ブロックカウントフィールドと、
モードフィールドと、
ハイブリッド／デジタルフィールドとを含む請求項１の方法。
前記時系列ビット信号は、０Ｘ１０ＸＸ０ＸＸ１ＸＸＸＸ０ＸＸＸＸＸＸ１１ＸＸＸＸＸＸＸＸＸであり、Ｘは１あるいは０である請求項１の方法。
前記ブロック同期ワードにおける論理０ビットの数は、前記ブロック同期ワードにおける論理１ビットの数に等しい請求項１の方法。
デジタル音声放送システムにおけるデータ受信方法であって、
前記データは、複数のデータサブキャリア及び複数の基準サブキャリアを含む複数の直交周波数分割多重化サブキャリア上に変調されたものであり、前記データサブキャリアは送信すべき情報を表わすデジタル信号で変調され、前記複数の基準サブキャリアはそれぞれブロック同期ワードを含む時系列ビット信号により変調され、前記ブロック同期ワードは不連続のブロック同期フィールドに配置された複数のブロック同期ビットより成り、前記ブロック同期ビットの数は前記時系列ビット信号のビット数の半分より小さく、前記時系列ビット信号のビット数（Ｌ）は下式により定義され、

上式において、Ｚは前記ブロック同期ワードにおける論理０ビットの数、Ｓは前記ブロック同期ビットの数であり、前記ブロック同期ワードのブロック同期ビットは、前記時系列ビット信号のビットが既知の時系列トレーニングビットと相関されると、オフセットが０の場合を除いて相関にオフセットがあれば少なくとも１つのビットミスマッチが存在するように、時系列ビット信号中に分布し、
前記方法は、
前記ブロック同期ワードを遅延検波し、
前記ブロック同期ワードを使用して、送信すべき情報を表わす前記デジタル信号を同期検波するステップより成るデジタル音声放送システムにおけるデータ受信方法。
前記時系列ビット信号を処理してチャンネル状態情報信号を発生させるステップをさらに含む請求項５の方法。
前記複数の基準サブキャリアのうちの２つの基準サブキャリア間の一群のデータサブキャリアに亘って前記チャンネル状態情報信号を補間することにより、ローカルチャンネル状態情報の重みを求め、
前記ローカルチャンネル状態情報の重みとそれに対応するデータ記号とを乗算するステップをさらに含む請求項６の方法。
チャンネル状態情報の重みを求め、
前記複数のデータサブキャリアを前記チャンネル状態の重みにより位相等化し、
前記複数のデータサブキャリアにフィルタリングを施し、
前記複数のデータサブキャリアを前記複数の基準サブキャリアのうちの２つの基準サブキャリアの間に補間するステップをさらに含む請求項５の方法。
前記時系列ビット信号を処理してチャンネル状態情報信号を発生させるステップは、
前記複数の基準サブキャリアから前記時系列ビット信号による変調を除去して基準記号を求め、
前記基準記号のローカル位相及び振幅を表わす第１の信号を発生させ、
前記第１の信号にノイズ分散を表わす第２の信号を乗算してチャンネル状態情報信号を発生させるステップより成る請求項５の方法。
前記時系列ビット信号を処理してチャンネル状態情報信号と位相基準とを発生させるス
テップをさらに含む請求項５の方法。
前記複数のデータサブキャリアを位相等化し、
前記複数のデータサブキャリアにフィルタリングを施し、
前記複数の基準サブキャリアのうちの２つの基準サブキャリア間の一群のデータサブキャリアに亘って前記チャンネル状態情報信号を補間することにより、ローカルチャンネル状態情報の重みを求め、
前記ローカルチャンネル状態情報の重みと、それに対応するデータ記号とを乗算するステップをさらに含む請求項１０の方法。