【発明の詳細な説明】
二重FFTを使用したAM互換ディジタル波形復調
発明の背景
本発明は、波形の復調に関し、さらに詳細には、ディジタル変調信号およびア
ナログ振幅変調信号を、同じ周波数チャンネル割当て内で受信し、復調する方法
および装置に関する。
ディジタル・コード化された音声信号の放送および受信により、改善された音
声忠実度が得られると期待され、いくつかの手法が提案された。帯域外技法は、
特別に指定された周波数帯中でディジタル無線信号の放送を提供する。帯域内技
法は、既存の放送周波帯中で(間隙手法)、またはコマーシャル放送会社が現在
使用している同じ周波数チャンネル割振り内の利用度の低い部分中で(帯域内オ
ン・チャンネル、すなわちIBOC手法)、隣接するチャンネル間の実質上空の
スロット内で放送を提供する。帯域内オン・チャンネル手法は、追加の周波数調
整を施す必要がなく、既存の送信装置への比較的小さな変更で実施できる。どの
ディジタル音声放送(DAB)技法も、通常のアナログ式受信機によるアナログ
信号受信の品質を低下させてはならないことも、必要条件である。
AMチャンネルの帯域幅は、FM帯域割振りに比較して割合に狭いので、ディ
ジタル音声放送の帯域内手法は、今までのところはFM帯域(88MHzないし
108MHz)中で提案されただけである。しかし、AM帯域(530kHzな
いし1700kHz)中の高忠実度ディジタル音声放送は、AMチャンネル放送
局にカセット・テープやコンパクト・ディスク・プレイヤなど高品質のポータブ
ル・オーディオ源に匹敵する手段を与える。したがって、既存のアナログ式AM
受信機による受信に影響を及ぼすことなく、ディジタル信号によって改善された
忠実度を提供する、AM放送帯域中での帯域内オン・チャンネル(IBOC)手
法を促進することが望まれる。
従来のアナログAM信号とディジタル変調信号セットの間の実質的直交性の要
件を満足するAM互換ディジタル放送波形が開発された。この波形は、1994
年3月7日出願の「METHOD AND APPARATUS FOR AM
COMPATIBLE DIGITAL BROADCASTING(AM互
換ディジタル放送の方法および装置)」という名称の米国特許出願第08/20
6,368号に記載されている。その波形スペクトルは、同位相成分および直交
成分から構成される。同位相の無線周波数(RF)搬送波はアナログ音声信号に
よって変調され、かつディジタル信号の同位相成分によって変調される。直交位
相RF搬送波はディジタル信号の直交成分によって変調される。ディジタル信号
は、直交周波数分割多重化(OFDM)形式を有する。同位相信号は、従来のア
ナログAM信号および選択されたディジタル搬送波からなる。同位相のディジタ
ル搬送波は、アナログAM信号が占めるスペクトル領域の外側にある。直交位相
搬送波は、アナログAM信号が占めるスペクトル領域の内外どちらにも位置する
(変調されないアナログ搬送波が占める中心周波数ではないが)。アナログAM
信号と同じスペクトル領域内に位置する直交ディジタル搬送波は、相補搬送波と
呼ばれる。前述の構成は、1995年1月3日出願の「METHOD ANDA
PPARATUS FOR IMPROVING AM COMPATIBLE
DIGITAL BROADCAST ANALOG FIDELITY(A
M互換ディジタル放送アナログ忠実度を改善する方法および装置)」という名称
の米国特許出願第08/368,061号に記載されている。
本発明の文脈では、漏話を最小にして複合波形を復調することが求められてい
る。変調された複合波形は、アナログ振幅変調(AM)信号およびアナログ音声
信号を表すディジタル信号(または他のどのディジタル信号でもよい)が、同じ
周波数チャンネル中で共にコード化され同時に送信される変調方法によって発生
する。この手法によれば、ディジタル搬送波の一部がアナログAMと直交位相に
され、受信機が適当な信号分離ができるとすると、それによってAM DABデ
ータが高忠実度でかつ漏話なしで抽出され、デコードされる。
受信機(必ずしも従来技術のものでなくてもよい)は、通常のIミキサおよび
Qミキサを使用してベースバンドに信号を変換すると考えられてきた。後述する
ように、Iチャンネル信号が、ディジタル高域フィルタを通過してアナログ信号
からディジタル信号を分離するが、アナログ信号とディジタル信号の間に漏話に
関する問題が発見された。問題の受信機中で、IおよびQ成分サンプルの復調が
単一の共通FFTプロセッサ中で実行される場合、アナログ信号が相補搬送波の
復調に干渉する。アナログ信号とディジタル信号の間の望ましくない漏話を最小
にする復調技法が求められている。
発明の概要
本発明によれば、直交周波数分割多重化(OFDM)変調形式を使用するAM
互換性ディジタル音声放送(AM DAB)システムにおいて、無線周波数の受
信および復調の方法および装置は、受信OFDMディジタル信号の別々の同位相
成分および直交位相成分に二重高速フーリエ変換処理を行い、直交チャンネルの
出力を使って相補データが回復され、結果として生じる処理済み成分信号を合計
して非相補データが回復される。
この装置は、受信信号を同位相成分を表す第1の信号と直交成分を表す第2の
信号との2つの信号に変換するミキサと、その2つの信号をディジタル信号に変
換する2つのアナログ/ディジタル変換器と、2つの信号からデータを抽出する
2つの高速フーリエ変換プロセッサとを含む。
本発明により、既知のものより良く、高分解能のデータ抽出が行われる。さら
に、本発明は、AM周波数帯におけるディジタル音声放送(DAB)に対する帯
域内オン・チャンネル(IBOC)解決策を提供するのに有用となり得る。
本発明の波形の利点は、(1)新しいFCC(Federal Commun
ications commision、米国連邦通信委員会)周波数割振りを
必要とせずに、既存のアナログAM放送チャンネルをディジタルにグレードアッ
プすることができ、(2)AM放送局を、ほんの限られた資本支出でディジタル
放送形式にグレードアップすることができ、(3)適当なディジタル電力レベル
の合成波形が、既存のアナログAM局と本質的に等価なサービス区域をもたらし
、(4)既存のAM受信機で、修正なしに合成信号のアナログ部分を回復でき、
(5)ディジタル信号とアナログ信号の間の干渉が最小限に抑えられることであ
る。
AM DAB波形の記述は、1994年3月7日に出願の米国特許出願第08
/206、368号に提示されており、その開示を参照により本明細書中に合体
する。
本発明の性質および利点のさらに詳しい理解は、明細書および図面の残り部分
を参照することにより、明らかになるであろう。
図面の簡単な説明
本発明は、添付の図面を参照すれば、当業者にはすぐに明らかになろう。
第1図は、合成アナログAMおよびディジタル放送信号の同位相成分のスペク
トルを表す図である。
第2図は、ディジタル放送信号の直交成分のスペクトルを表す図である。
第3図は、問題の波形のために考慮された復調器のブロック図である。
第4図は、本発明による復調器のブロック図である。
第5図は、第3図に示す受信機の搬送波の信号対雑音比(SNR)の表す図で
ある。
第6図は、第4図に示す受信機の搬送波の信号対雑音比(SNR)の表す図で
ある。
具体的な実施形態の詳細な説明
本発明は、既存のアナログAM放送割振りと同じチャンネル割当て上でアナロ
グ振幅変調信号とディジタル信号の両方を同時に受信する方法を提供する。
本発明のAM DAB波形については既に説明した。第1図は、複合アナログ
AMおよびディジタル放送信号の同位相成分のスペクトルを表す図である。この
同位相成分は、従来のアナログAM信号100と非相補ディジタル搬送波102
を含む。同位相成分は、アナログAM信号100が占めるスペクトル領域中にデ
ィジタル搬送波102を有さない。
第2図は、ディジタル放送信号の直交成分のスペクトルを表す図である。第2
図に示すように、スペクトルの直交部分は、ディジタル搬送波110および11
2のみを含む。アナログAM信号100のスペクトル領域の外側にあるディジタ
ル搬送波は非相補信号112であり、アナログAM信号100と同じ周波数領域
中にあるディジタル搬送波は相補信号110である。
第3図は、本明細書に記載の波形に関連して考察した復調器を示す。この復調
技法は、従来のIミキサおよびQミキサ150を使用して信号140をベースバ
ンドに変換する。ミキサ150は、受信信号の同位相成分と直交成分を分離する
。次いで、IチャンネルおよびQチャンネルが、アナログ・ディジタル(A/D
)変換器154および156中でディジタル化される。A/D変換器154に続
いて、Iチャンネルは、アナログAM信号をなくするように設計された高域フィ
ルタ152を通過する。高域フィルタ152は、理想に及ばない現実の世界のも
のであり、本発明によって解決されるいくつかの問題を引き起こす。次いで、I
チャンネルおよびQチャンネルは、受信データを回復し獲得するために、高速フ
ーリエ変換(FFT)プロセッサ158に入力される。
第3図に示す装置は、関連の信号を復調するが、改良の余地がある。具体的に
は、第3図の受信機には、いくつかの問題がある。たとえば、アナログAM信号
の一部が、高域フィルタ・ストップバンド152を通って漏れ、相補搬送波の復
調に干渉する。
第4図は、本発明における復調方法を示す。この新しい復調技法は、Iチャン
ネルおよびQチャンネル上で別々に動作する2つのFFTを使用することによっ
て、第3図に示す復調技法の問題を回避する。受信信号170は、通常のI信号
およびQ信号ミキサ180によってベースバンドに変換される。ミキサ150の
場合と同様に、ミキサ180は受信信号の同位相成分と直交成分を分離する。次
いで、IチャンネルおよびQチャンネルが、A/D変換器182および184に
別々に送られ、そこでディジタル化される。同位相成分は搬送波と位相コヒーレ
ントな同位相ディジタル信号に変換され、直交成分は直交ディジタル信号に変換
される。Iチャンネルは、高域フィルタ186に送られ、そこでアナログAM信
号を除去しようと試みられる。次いで、IチャンネルおよびQチャンネルが、二
重FFTプロセッサ188および190で別々に処理される。Qチャンネルの出
力は相補搬送波を回復するために使用され、IチャンネルとQチャンネルの合計
が、非相補搬送波を回復するために使用される。
第4図に示す復調技法は、高域フィルタを通るAM信号の漏洩を停止し、相補
搬送波の復調への干渉を阻止する。この技法はまた、雑音の影響を減少させ、I
ミキサおよびQミキサの非理想的動作を補償する。
第3図および第4図に示す復調技法は、ミキサや、復調器の様々な機能(たと
えば、FFT)を提供するソフトウエア付きの汎用ディジタル信号プロセッサ(
DSP)などの普通の市販のRFハードウエアを使用して実施される。
第5図は、第3図に示す受信機が使用されるときの搬送波のSNRを示す。F
FTビンの+16〜+19および−19〜−16の低いSNRによって、ビット
誤り率が増加される。これらのFFTビン中の搬送波は、相補バンドの縁部近く
にあり、対応するSNRは約16dbである。
第6図は、第4図に示す復調器が使用されたときの搬送波のSNRをプロット
したものである。第6図の相補搬送波のSNRは約33dbである。これは、第
3図に示す復調器の相補搬送波のSNRに勝る著しい改良であり、結果として、
低いビット誤り率が得られる。第4図の改良型の復調器を使用すると、システム
の送信機から遥か離れたところで信号が受信できる。
前述の本発明は、理解を明確にするために、図および例によって詳細に説明し
たが、いくつかの変更および修正が添付の請求の範囲内で実施できることは自明
であろう。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION BACKGROUND The present invention AM compatible digital waveform demodulation invention using dual FFT relates demodulation waveform, and more particularly, a digital modulation signal and an analog amplitude modulated signal, the same frequency channel within the allotted And a method and apparatus for receiving and demodulating. The broadcast and reception of digitally encoded audio signals is expected to provide improved audio fidelity, and several approaches have been proposed. Out-of-band techniques provide for the broadcasting of digital radio signals in specially designated frequency bands. In-band techniques may be used in existing broadcast frequency bands (gap approach) or in less utilized parts of the same frequency channel allocation currently used by commercial broadcasters (in-band on-channel or IBOC approach). ), Providing broadcast in substantially empty slots between adjacent channels. The in-band on-channel approach requires no additional frequency adjustments and can be implemented with relatively small changes to existing transmitters. It is also a requirement that any Digital Audio Broadcasting (DAB) technique must not degrade the quality of analog signal reception by conventional analog receivers. Since the bandwidth of the AM channel is relatively narrow compared to the FM band allocation, in-band techniques for digital audio broadcasting have so far only been proposed in the FM band (88 MHz to 108 MHz). However, high fidelity digital audio broadcasting in the AM band (530 kHz to 1700 kHz) provides AM channel broadcasters with a means comparable to high quality portable audio sources such as cassette tapes and compact disc players. Accordingly, it would be desirable to promote an in-band on-channel (IBOC) approach in the AM broadcast band that provides improved fidelity with digital signals without affecting reception by existing analog AM receivers. desired. AM compatible digital broadcast waveforms have been developed that satisfy the requirements of substantial orthogonality between conventional analog AM signals and digitally modulated signal sets. This waveform is described in US patent application Ser. No. 08 / 206,368, filed on Mar. 7, 1994, entitled "METHOD AND APPARATUS FOR AM COMPATIBLE DIGITAL BROADCASTING". I have. The waveform spectrum is composed of in-phase and quadrature components. An in-phase radio frequency (RF) carrier is modulated by an analog audio signal and modulated by an in-phase component of a digital signal. The quadrature RF carrier is modulated by the quadrature components of the digital signal. Digital signals have an Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) format. The in-phase signal consists of a conventional analog AM signal and a selected digital carrier. The in-phase digital carrier is outside the spectral region occupied by the analog AM signal. The quadrature carrier is located both inside and outside the spectral region occupied by the analog AM signal (although not the center frequency occupied by the unmodulated analog carrier). A quadrature digital carrier located in the same spectral region as the analog AM signal is called a complementary carrier. The foregoing arrangement is disclosed in U.S. Patent Application No. 08, filed January 3, 1995, entitled "METHOD AND PPARATUS FOR IMPROVING AM COMPATIBLE DIGITAL BROADCAST ANALOG FIDELITY". / 368,061. In the context of the present invention, there is a need to demodulate composite waveforms with minimal crosstalk. The modulated composite waveform is formed by a modulation method in which a digital signal (or any other digital signal) representing an analog amplitude modulated (AM) signal and an analog audio signal is coded and transmitted simultaneously in the same frequency channel. Occur. According to this technique, a portion of the digital carrier is quadrature-phased with the analog AM, and assuming the receiver is capable of adequate signal separation, the AM DAB data is thereby extracted with high fidelity and without crosstalk and decoded. Is done. Receivers (not necessarily prior art) have been considered to convert signals to baseband using conventional I and Q mixers. As described below, the I-channel signal passes through a digital high-pass filter to separate the digital signal from the analog signal, but problems with crosstalk between the analog and digital signals have been discovered. If the demodulation of the I and Q component samples is performed in a single common FFT processor in the receiver in question, the analog signal interferes with the demodulation of the complementary carrier. There is a need for a demodulation technique that minimizes unwanted crosstalk between analog and digital signals. SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, a method and apparatus for receiving and demodulating radio frequencies in an AM compatible digital audio broadcast (AM DAB) system using an orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) modulation format is provided. Performs a dual fast Fourier transform operation on the separate in-phase and quadrature components of the signal, recovers the complementary data using the outputs of the quadrature channels, and sums the resulting processed component signals to recover the non-complementary data Is done. The apparatus comprises a mixer for converting a received signal into two signals, a first signal representing an in-phase component and a second signal representing a quadrature component, and two analog / digital converters for converting the two signals into digital signals. It includes a digital converter and two fast Fourier transform processors that extract data from the two signals. The present invention provides better and higher resolution data extraction than is known. Further, the present invention may be useful in providing an in-band on-channel (IBOC) solution for digital audio broadcasting (DAB) in the AM frequency band. The advantages of the waveforms of the present invention include: (1) existing analog AM broadcast channels can be digitally upgraded without the need for a new FCC (Federal Communications Commission) frequency allocation; 2) AM broadcast stations can be upgraded to digital broadcast formats with only limited capital expenditure, and (3) composite waveforms of appropriate digital power levels provide services that are essentially equivalent to existing analog AM stations. Area, (4) existing AM receivers can recover the analog portion of the composite signal without modification, and (5) interference between digital and analog signals is minimized. A description of the AM DAB waveform is provided in US patent application Ser. No. 08 / 206,368, filed Mar. 7, 1994, the disclosure of which is incorporated herein by reference. A more detailed understanding of the nature and advantages of the present invention will become apparent by reference to the specification and the remainder of the drawings. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The present invention will be readily apparent to one of ordinary skill in the art with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram showing spectra of in-phase components of a synthetic analog AM and a digital broadcast signal. FIG. 2 is a diagram showing a spectrum of an orthogonal component of a digital broadcast signal. FIG. 3 is a block diagram of a demodulator considered for the waveform in question. FIG. 4 is a block diagram of a demodulator according to the present invention. FIG. 5 is a diagram showing the signal-to-noise ratio (SNR) of the carrier of the receiver shown in FIG. FIG. 6 is a diagram showing the signal-to-noise ratio (SNR) of the carrier of the receiver shown in FIG. DETAILED DESCRIPTION OF SPECIFIC EMBODIMENTS The present invention provides a method for simultaneously receiving both analog amplitude modulated signals and digital signals on the same channel assignment as existing analog AM broadcast allocations. The AM DAB waveform of the present invention has already been described. FIG. 1 is a diagram showing spectra of in-phase components of a composite analog AM and a digital broadcast signal. This in-phase component includes a conventional analog AM signal 100 and a non-complementary digital carrier 102. The in-phase component has no digital carrier 102 in the spectral region occupied by the analog AM signal 100. FIG. 2 is a diagram showing a spectrum of an orthogonal component of a digital broadcast signal. As shown in FIG. 2, the orthogonal portion of the spectrum includes only digital carriers 110 and 112. Digital carriers outside the spectral region of analog AM signal 100 are non-complementary signals 112, and digital carriers in the same frequency region as analog AM signal 100 are complementary signals 110. FIG. 3 shows the demodulator discussed in connection with the waveforms described herein. This demodulation technique uses a conventional I and Q mixer 150 to convert signal 140 to baseband. Mixer 150 separates the in-phase component and the quadrature component of the received signal. The I and Q channels are then digitized in analog-to-digital (A / D) converters 154 and 156. Following the A / D converter 154, the I channel passes through a high pass filter 152 designed to eliminate analog AM signals. The high pass filter 152 is less than ideal in the real world and raises several problems solved by the present invention. The I and Q channels are then input to a fast Fourier transform (FFT) processor 158 to recover and acquire the received data. The device shown in FIG. 3 demodulates the relevant signal, but there is room for improvement. Specifically, the receiver of FIG. 3 has several problems. For example, some of the analog AM signal leaks through the high pass filter stopband 152 and interferes with the demodulation of the complementary carrier. FIG. 4 shows a demodulation method according to the present invention. This new demodulation technique avoids the problems of the demodulation technique shown in FIG. 3 by using two FFTs that operate separately on the I and Q channels. Received signal 170 is converted to baseband by ordinary I and Q signal mixer 180. As with mixer 150, mixer 180 separates the in-phase and quadrature components of the received signal. The I and Q channels are then sent separately to A / D converters 182 and 184, where they are digitized. The in-phase component is converted to an in-phase digital signal that is phase-coherent with the carrier, and the quadrature component is converted to a quadrature digital signal. The I channel is sent to a high pass filter 186 where an attempt is made to remove the analog AM signal. The I and Q channels are then processed separately by dual FFT processors 188 and 190. The output of the Q channel is used to recover the complementary carrier, and the sum of the I and Q channels is used to recover the non-complementary carrier. The demodulation technique shown in FIG. 4 stops the leakage of the AM signal through the high-pass filter and prevents interference with the complementary carrier demodulation. This technique also reduces the effects of noise and compensates for non-ideal operation of the I and Q mixers. The demodulation techniques shown in FIGS. 3 and 4 use common commercial RF hardware such as mixers and general purpose digital signal processors (DSPs) with software to provide various demodulator functions (eg, FFT). Is implemented using FIG. 5 shows the SNR of the carrier when the receiver shown in FIG. 3 is used. The low SNR of the FFT bin from +16 to +19 and -19 to -16 increases the bit error rate. The carriers in these FFT bins are near the edge of the complementary band and the corresponding SNR is about 16 db. FIG. 6 is a plot of the SNR of the carrier when the demodulator shown in FIG. 4 is used. The SNR of the complementary carrier in FIG. 6 is about 33 db. This is a significant improvement over the SNR of the complementary carrier of the demodulator shown in FIG. 3, resulting in a lower bit error rate. Using the improved demodulator of FIG. 4, the signal can be received far away from the transmitter of the system. While the foregoing invention has been described in detail by way of illustration and example for purposes of clarity of understanding, it will be apparent that certain changes and modifications may be practiced within the scope of the appended claims.
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(KE,LS,MW,SD,S
Z,UG),UA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD
,RU,TJ,TM),AL,AM,AT,AU,AZ
,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU,
CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GE,H
U,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ
,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,
MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,R
O,RU,SD,SE,SG,SI,SK,TJ,TM
,TR,TT,UA,UG,UZ,VN
(72)発明者 ガイル,マイケル・ジェイ
アメリカ合衆国・45140・オハイオ州・ラ
ブランド・マイアミ ヴァレー・316────────────────────────────────────────────────── ───
Continuation of front page
(81) Designated countries EP (AT, BE, CH, DE,
DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, L
U, MC, NL, PT, SE), OA (BF, BJ, CF)
, CG, CI, CM, GA, GN, ML, MR, NE,
SN, TD, TG), AP (KE, LS, MW, SD, S
Z, UG), UA (AM, AZ, BY, KG, KZ, MD
, RU, TJ, TM), AL, AM, AT, AU, AZ
, BB, BG, BR, BY, CA, CH, CN, CU,
CZ, DE, DK, EE, ES, FI, GB, GE, H
U, IL, IS, JP, KE, KG, KP, KR, KZ
, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MD, MG,
MK, MN, MW, MX, NO, NZ, PL, PT, R
O, RU, SD, SE, SG, SI, SK, TJ, TM
, TR, TT, UA, UG, UZ, VN
(72) Inventors Guile, Michael Jay
United States 45140 Ohio La
Brand Miami Valley 316