WO2002098028A2 - Verfahren und anordnung für digitale übertragung mit am-sendern - Google Patents

Verfahren und anordnung für digitale übertragung mit am-sendern Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to the field of radio transmitters, which are being converted from analog amplitude modulation (AM) to digital modulation in the course of digitization.
  • AM analog amplitude modulation
  • the AM transmitters work internally in switching mode and therefore have up to a factor of 3 better efficiencies than linear transmitters, which are otherwise usually used for digital transmission, e.g. with DAB (Digital Audio Broadcasting) and DVB (Digital Video Broadcasting). This results in savings in operating costs.
  • DAB Digital Audio Broadcasting
  • DVB Digital Video Broadcasting
  • the broadcasters are easier to convince to switch from analog to digital if there are no large investments in advance.
  • the use of a non-linear AM transmitter for digital modulation requires a special mode of operation of the transmitter.
  • the modulated digital signal is generated using two mutually orthogonal partial signals (I and Q).
  • the I signal (“in phase”) is modulated onto a cosine oscillation with the frequency Ft (carrier frequency).
  • the Q signal (“quadrature”) is modulated onto a sine wave of the same frequency Ft.
  • the sum of both modulated vibrations results in the complex modulated data signal (cosine 0 - 180 degrees, sine -90 - +90 degrees).
  • the modulated I / Q signal is shaped by filters so that it has exactly the prescribed curve shape with the desired bandwidth.
  • the modulated I / Q signal must be converted in such a way that the two signals amplitude signal (A signal) and phase-modulated carrier signal (RF-P) are generated, which are suitable for correctly controlling the AM transmitter.
  • the modulated I / Q signal with greater power is then again obtained at the output of the AM transmitter.
  • the modulated I / Q signal corresponds to a Cartesian representation. This is converted into a polar representation with amplitude and phase.
  • the amplitude signal (A signal) is thus obtained for controlling the AM transmitter at the audio input.
  • a phase-modulated RF (RF-P signal) is generated from the phase signal (P signal) that initially arises.
  • the RF-P signal can also advantageously be obtained directly via the P signal without the intermediate step. This gives you the signals necessary to control the AM transmitter:
  • the A signal is fed into the modulator input (audio input) of the AM transmitter and the RF-P signal is used to control the transmitter according to HF.
  • the two signals A & RF-P are multiplicatively combined in the transmitter output stage and form the high-frequency digital output signal.
  • both the A signal and the RF-P signal receive far larger bandwidths than the digital signal initially had and should also have again at the transmitter output.
  • Non-linear distortions are particularly problematic when multicarrier signals, e.g. B. OFDM signals (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) to be transmitted.
  • multicarrier signals e.g. B. OFDM signals (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) to be transmitted.
  • the amplitude signal of an AM transmitter operating in this nonlinear mode is limited in amplitude, nonlinear distortions arise which, on the one hand, lead to increased out-of-band radiation and, on the other hand, also cause in-band interference which, due to the mode of operation of the transmitter, can be considerably above the out-of-band radiation.
  • the in-band interference reduces the available coverage area, since a signal that is already disturbed can tolerate less interference in the radio channel in order to reach a critical threshold at the receiver.
  • the present invention describes a procedure and arrangement for digital transmission with conventional AM transmitters, with which undesired secondary emissions due to nonlinear distortions are largely avoided.
  • Nonlinear distortion can be prevented if the transmitter's operating point is shifted so that a linear mode of operation is created.
  • the transmitter output stage is controlled with the complex modulated data signal (I / Q signal), as is known from the digital systems DAB and DVB.
  • the linear operation of the transmitter is advantageous with regard to the interference emissions. These have spectrally much larger gradients than in the nonlinear mode described above, so that the ITU spectrum mask can be maintained if the transmitter is well balanced. Only the efficiency of the transmitter is very low in linear operation and causes high electricity costs.
  • the efficiency with linear operation of the AM transmitter is so bad because the full supply voltage is present at this stage even with a small modulation of the transmitter output stage and power is converted into heat due to the quiescent current of the transmitter output stage.
  • An improved efficiency can be achieved in that the supply voltage is not made much larger than the current control of the output stage requires.
  • the envelope of the complex modulated data signal is scanned by an amplitude detector (envelope rectifier or peak rectifier) and the supply voltage or anode voltage of the output stage is controlled by means of the modulator operating as a clocked power supply.
  • an amplitude detector envelope rectifier or peak rectifier
  • the time constant of the envelope detector must be such that an increase in the envelope curve can be followed immediately, so that there is no overdriving with the resulting distortions and interference emissions.
  • the time constant for the drop can be chosen just as large as for the increase, since here no "listening impression” must be taken into account. The smaller fall time constant further increases the efficiency of the transmitter.
  • PDM Pulse Duration Modulation
  • PSM Pulse Step Modulation

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Abstract

Bei digitaler Übertragung mit bestehenden nichtlinearen AM-Sendern treten aufgrund der nichtlinearen Verzerrungen Nebenaussendungen auf, die Innerbandstörungen verursachen und auch als Ausserbandabstrahlungen benachbarte Känale stören. Besonders kritisch sind nichtlinearen Verzerrungen bei digitalen Mehrträgersignalen (z.B. OFDM), deren Anwendung die ITU mit dem DRM-System für den AM-Bereich empfiehlt. Zur Vermeidung der nichtlinearen Verzerrungen wird vorgeschlagen, die Endstufe des AM-Senders im linearen Mode zu betreiben. Damit kann die Einhaltung der ITU-Spektrumsmaske gewährleistet werden. Der relativ geringe Wirkungsgrad des Senders im Linearbetrieb kann dadurch verbessert werden, dass die Versorgungsspannung der Senderendstufe in Abhängigkeit von der Ansteuerung nachgeführt wird. Die Hüllkurve des komplexen modulierten Datensignals wird dafür abgetastet und dieses Signal steuert über den als getaktetes Netzteil arbeitenden Modulator die Versorgungsspannung für die Senderendstufe.

Description

Verfahren und Anordnung für digitale Übertragung mit AM-Sendern
Beschreibung
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Rundfunksender, die im Zuge der Digitalisierung von analoger Amplitudenmodulation (AM) auf digitale Modulation umgestellt werden.
Die bisher üblichen Sendertypen, nichtlineare AM-Sender mit RF-Eingang (Radio Frequency) und Audioeingang, sollen dabei weiterhin verwendet werden. Dies hat folgende Gründe:
- Die AM-Sender arbeiten intern im Schaltbetrieb und haben demzufolge bis zu einem Faktor 3 bessere Wirkungsgrade als lineare Sender, die sonst üblicherweise für digitale Übertragung, z.B. bei DAB (Digital Audio Broadcasting) und DVB (Digital Video Broadcasting), eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich eine Einsparung an Betriebskosten.
- Die Broadcaster sind leichter zur Umstellung von analog nach digital zu überzeugen, wenn keine großen Investitionen im Vorfeld anfallen.
Die Digitalisierung des AM-Rundfunks wird als einzige Chance gesehen, diese Frequenzbereiche und die darin angewendete Technologie langfristig zu erhalten. Für die Umsetzung wurde das Konsortium „Digital Radio Mondiale" gegründet, siehe Rundfunktechnische Mitteilungen, Jahrgang 43, 1999, Heft 1, Seite 29-35.
Die Verwendung eines nichtlinearen AM-Senders für digitale Modulation erfordert eine spezielle Betriebsart des Senders. Die Erzeugung des modulierten digitalen Signals erfolgt mittels zweier, zueinander orthogonaler Teilsignale (I und Q). Das I-Signal ("In Phase") wird auf eine Kosinusschwingung mit der Frequenz Ft (Trägerfrequenz) moduliert. Das Q-Signal ("Quadratur") wird auf eine Sinusschwingung der gleichen Frequenz Ft moduliert. Die Summe beider modulierten Schwingungen ergibt das komplexe modulierte Datensignal (Kosinus 0 - 180 Grad, Sinus -90 - +90 Grad). Das modulierte I/Q-Signal wird durch Filter so geformt, dass es exakt die vorgeschriebene Kurvenform mit der gewünschten Bandbreite hat. Für den nichtlinearen Betrieb muss das modulierte I/Q-Signal so umgewandelt werden, dass die beiden Signale Amplitudensignal (A-Signal) und phasenmoduliertes Trägersignal (RF-P) daraus entstehen, die geeignet sind, den AM-Sender richtig anzusteuern. Am Ausgang des AM-Senders ergibt sich hernach wiederum das modulierte I/Q-Signal mit größerer Leistung.
Das modulierte I/Q-Signal entspricht einer kartesischen Darstellung. Diese wird in eine polare Darstellung mit Amplitude und Phase überführt. Für die Ansteuerung des AM-Senders am Audioeingang wird dadurch das Amplitudensignal (A-Signal) gewonnen. Aus dem zunächst entstehenden Phasensignal (P-Signal) wird eine phasenmodulierte RF (RF-P-Signal) erzeugt. Vorteilhaft kann auch das RF-P-Signal ohne den Zwischenschritt über das P-Signal direkt gewonnen werden. Damit erhält man die für die Ansteuerung des AM-Senders notwendigen Signale:
- Amplitudensignal (A-Signal)
- Phasenmoduliertes RF-Signal (RF-P-Signal)
Das A-Signal wird in den Modulatoreingang (Audioeingang) des AM-Senders gegeben und das RF-P-Signal dient zur HF-mäßigen Ansteuerung des Senders. In der Senderendstufe werden die beiden Signale A&RF-P multiplikativ vereinigt und bilden das hochfrequente digitale Ausgangssignal.
Sowohl das A-Signal als auch das RF-P-Signal erhalten aufgrund des erforderlichen Aufbereitungsprozesses weit größere Bandbreiten als das digitale Signal zunächst hatte und auch am Ausgang des Senders wieder haben soll.
Die erhöhten Bandbreiten (Faktor 3 - 5) können häufig von den älteren Modulatoren nicht bereitgestellt werden, da diese dafür nicht ausgelegt wurden. Wird nur die eingeschränkte Bandbreite verwendet, die "ältere" Sender im Modulatorteil zur Verfügung haben, so führt das zu erheblichen Außerbandabstrahlungen. Diese haben die Eigenschaft, dass sie im Spektrum nur eine sehr geringe Steigung aufweisen und somit recht viele Nachbarkanäle stören. Im Allgemeinen liegen die Störaussendungen auch oberhalb der durch die ITU koordinierten Grenzwerte, so dass eine Genehmigung fraglich erscheint.
Besonders problematisch sind nichtlineare Verzerrungen, wenn als digitale Modulation Mehrträger-Signale, z. B. OFDM-Signale (Orthogonal Frequency Division Multiplexing), übertragen werden sollen.
Bei dem aktuell von der ITU zur Standardisierung empfohlenen DRM-System (Digital Radio Mondiale) zur digitalen Übertragung in den AM-Bereichen wird als Mehrträgerverfahren ein OFDM- Verfahren mit etwa 200 Trägern vorgeschlagen.
Vielträgermodulationen haben zwar ein fast rechteckförmiges Spektrum, jedoch im Zeitbereich rauschähnlichen Charakter, und zwar sowohl für die I-Komponente als auch für die Q-Komponente des Zeitsignals. Das ist die Folge von der hierbei stattfindenden Überlagerung von vielen, statistisch praktisch von einander unabhängigen, Subkanälen. Nach den Regeln des „Zentralen-Grenzwert-Satzes" (Central Limit Theorem) hat eine derartige Überlagerung eine Verteilungsdichtefunktion der Amplitudenwerte, sowohl der I-Komponente als auch der Q-Komponente, die jeweils die Form einer Gauß'schen Glockenkurve fast erreicht. In einem solchen Fall hat die Verteilungsdichtefunktion der Amplitudenwerte der Summenfunktion die Form einer Rayleigh- Verteilung. Das bedeutet, dass kleine und mittlere Amplitudenwerte recht häufig auftreten, hingegen große Amplitudenwerte sehr selten vorkommen.
Wird bei einem AM-Sender, der in diesem nichtlinearen Mode betrieben wird, das Amplitudensignal amplitudenbegrenzt, so entstehen nichtlineare Verzerrungen, die einerseits zu erhöhter Außerbandstrahlung fuhren und andererseits auch Innerbandstörungen verursachen, die aufgrund der Betriebsweise des Senders erheblich über den Außerbandstrahlungen liegen können. Die Innerbandstörungen reduzieren die erreichbare Versorgungsfϊäche, da ein bereits in sich gestörtes Signal weniger Störungen im Funkkanal vertragen kann, um am Empfanger an eine kritische Schwelle zu kommen. Die vorliegende Erfindung beschreibt eine Verfahrensweise und Anordnung für digitale Übertragung mit herkömmlichen AM-Sendern, mit denen unerwünschte Nebenaussendungen durch nichtlineare Verzerrungen weitestgehend vermieden werden.
Nichtlineare Verzerrungen können verhindert werden, wenn der Arbeitspunkt des Senders so verschoben wird, dass eine lineare Arbeitsweise entsteht. Für den linearen Betrieb wird die Senderendstufe mit dem komplexen modulierten Datensignal (I/Q-Signal) angesteuert, wie von den digitalen Systemen DAB und DVB her bekannt ist.
Der Linearbetrieb des Senders ist vorteilhaft bezüglich der Störaussendungen. Diese haben spektral sehr viel größere Steigungen als im zuvor beschriebenen nichtlinearen Mode, so dass die ITU-Spektrumsmaske bei gutem Abgleich des Senders eingehalten werden kann. Nur der Wirkungsgrad des Senders ist im Linearbetrieb sehr gering und verursacht hohe Stromkosten.
Der Wirkungsgrad bei Linearbetrieb des AM-Senders ist deshalb so schlecht, weil auch bei kleiner Aussteuerung der Senderendstufe die volle Versorgungsspannung an dieser Stufe anliegt und aufgrund des Ruhestromes der Senderendstufe Leistung in Wärme umgesetzt wird. Ein verbesserter Wirkungsgrad kann dadurch erreicht werden, dass die Versorgungsspannung nicht viel größer gemacht wird, als die momentane Aussteuerung der Endstufe es erfordert.
Für das Nachführen der Versorgungsspannung für die Senderendstufe in Abhängigkeit von der momentanen Aussteuerung wird die Hüllkurve des komplexen modulierten Datensignals durch einen Amplitudendetektor (Hüllkurven-Gleichrichter oder Spitzengleichrichter) abgetastet und die Versorgungsspannung bzw. Anodenspannung der Endstufe mittels des als getaktetes Netzteil arbeitenden Modulators gesteuert.
Besonderer Wert ist darauf zu legen, dass im Rahmen der Nachfuhrung keine - wenn auch nur kurzzeitige - Übersteuerung auftritt. Eine Übersteuerung könnte dadurch entstehen, dass die Hüllkurve des digitalen Signals schneller ansteigt, als es die Nachführung der Versorgungsspannung schafft. Davon ist im Regelfall auszugehen, da der Modulator gerade nicht die erforderliche Bandbreite hat. Dieser Nachteil kann dadurch behoben werden, dass das komplexe digitale Signal nach der Abtastung seiner Hüllkurve in einer Verzögerungsstufe so verzögert wird, dass zwischenzeitlich die Versorgungsspannung der Senderendstufe nachgeführt werden kann. Amplitudendetektor und Verzögerungsstufe sind anläßlich der Umstellung auf digitalen Betrieb im Sender nachzurösten (siehe Fig. 1).
Die Zeitkonstante des Hüllkurvendetektors muss so beschaffen sein, dass einem Anstieg der Hüllkurve unmittelbar gefolgt werden kann, damit keine Übersteuerung mit den dadurch bedingten Verzerrungen und Störausstrahlungen auftritt. Anders jedoch als es z. B. bei "dynamischer Amplitudenmodulation" üblich ist, kann die Zeitkonstante für den Abfall genau so groß gewählt werden wie für den Anstieg, da hier nicht auf einen "Höreindruck" Rücksicht genommen werden muss. Die kleinere Abfall-Zeitkonstante vergrößert den Wirkungsgrad des Senders zusätzlich.
Sender, die mit Pulse Duration Modulation (PDM) oder mit Pulse Step Modulation (PSM) arbeiten, haben derartige Modulatoren in Form von getakteten Netzteilen. Die Spannung, die aus der abgetasteten Hüllkurve des digitalen Signals gewonnen wird, benutzt man zur Ansteuerung dieser PDM- oder PSM-Modulatoren und erreicht damit exakt die Nacliführung der Versorgungsspannung für die Senderendstufe gemäß der Hüllkurve des digitalen Signals. Damit sind beide Ziele erreicht: Linearbetrieb und Erhöhung des Wirkungsgrades des Senders auf einen akzeptablen Wert.
Liste der verwendeten Bezugszeichen
1 Amplitudendetektor für die Hüllkurven- Abtastung
2 Verzögerungsstufe für das komplexe modulierte Datensignal
3 Hochfrequenz- Vorverstärkerstufen
4 Senderendstufe
5 Treiberstufe des Modulators für Nachführung der Versorgungsspannung
6 Leistungsstufe des Modulators für Nachführung der Versorgungsspannung
7 Glättungs-Tiefpass des Modulators
8 Ausgangsfϊlter des AM-Senders

Claims

Verfahren und Anordnung für digitale Übertragung mit AM-SendernPatentansprüche (3)
1. Verfahren für digitale Übertragung mit AM- Sendern, bei denen infolge der nichtlinearen Betriebsweise bei digitaler Übertragung nichtlineare Verzerrungen auftreten, die zu Innerbandstörungen und Außerbandabstrahlungen fuhren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Endstufe des AM-Senders im linearen Mode betrieben wird, dass der lineare Mode in Verbindung mit einer Nachführung der Versorgungsspannung der Senderendstufe in Abhängigkeit von der momentanen Aussteuerung betrieben wird, um den Wirkungsgrad zu verbessern, dass der Modulator des AM-Senders als getaktetes Netzteil arbeitet und die nachgeführte Versorgungsspannung für die Senderendstufe liefert, dass die Hüllkurve des komplexen modulierten Datensignals abgetastet wird und dieses Signal die Nachfuhrung der Versorgungspannung für die Senderendstufe steuert, dass die Zeitkonstante bei der Abtastung der Hüllkurve so beschaffen ist, dass einem Anstieg der Hüllkurve unmittelbar gefolgt werden kann, dass die Zeitkonstante bei der Abtastung der Hüllkurve für Anstieg und Abfall der Hüllkurve gleich groß sein kann, und dass das komplexe modulierte Datensignal nach der Abtastung seiner Hüllkurve so verzögert wird, dass zwischenzeitlich die Nachführung der Versorgungsspannung wirksam ist und somit selbst kurzzeitige Übersteuerungen der Senderendstufe verhindert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der als getaktetes Netzteil arbeitende Modulator auch ein Pulse Duration Modulator oder Puls Step Modulator sein kann, und dass bei AM-Sendern mit Gegentakt-B-Modulatoren ein Austausch gegen einen dieser Modulatoren vorzunehmen ist. Anordnung für digitale Übertragung mit AM-Sendern, bei denen die Senderendstufe zur Vermeidung nichtlinearer Verzerrungen im linearen Mode betrieben wird und deren Versorgungsspannung zur Verbesserung des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der Ansteuerung durch das komplexe modulierte Datensignal nachgefühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Amplitudendetektor (1) dem als getaktetes Netzteil arbeitenden Modulator (5 und 6) vorgeschaltet wird, der die Hüllkurve des komplexen modulierten Datensignals abtastet, und dass eine Verzögerungsstufe (2) für das komplexe modulierte Datensignal vor den hochfrequenten Vorverstärkerstufen (3) in den Signalweg zur Senderendstufe (4) installiert wird.
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