混合和全数字的FM带内-信道上 的数字声频广播方法和系统 本发明的背景
本发明涉及无线电广播，更特别的是涉及用于FM带内-信道上(IBOC)的数字声频广播(DAB)地诸调制格式和使用这些调制格式的诸广播系统。
数字声频广播是一种用于提供数字质量的声音的方法，它比现有的诸模拟广播格式来得优越。能以一种混合的格式发射FM IBOCDAB，在这种格式中被数字调制的信号与现在的广播模拟FM信号共存。因为每个DAB信号是在一个现有的FM信道分配的同一个谱掩蔽内同时发射的，所以IBOC不需要新的谱分配。IBOC促进频谱的节约使用，而同时使诸广播者能向他们现在的听众基地提供数字质量的声音。FM IBOC广播系统的使用已经成为包括专利No.5,465,396；5,315,583；5,278,844和5,278,826在内的若干美国专利的主题。此外，一个普通转让的悬而未决的专利申请，1994年7月归档的，序列号为No.08/294,140的D.Kumar和B.Hunsinger的“Method and System for Simultaneously Broadcasting andReceiving Digital and Anolog Signals”揭示了一个FM IBOC DAB系统。
声音数字传输的诸优点包括有比现有的FM无线电信道好的信号质量，低的噪声和宽的动态范围。最初，用混合格式允许诸新的IBOC接收机对数字信号进行解码，而同时允许诸现有的接收机继续接收模拟FM信号。在将来的某个时候，当有大量的IBOC DAB接收机时，广播者可以选择去发射一个全数字格式。FM混合IBOCDAB的目的是提供实际的CD质量的立体声数字声音(加上数据)，而同时发射现有的FM信号。FM全数字IBOC DAB的目的是和一条与一个具体的站的干扰环境有关地有高到约200 kbps(千比特/秒)的容量的数据信道一起提供实际的CD质量的立体声声音。
因为人们期望从混合IBOC DAB格式过渡到全数字IBOC DAB格式，所以希望发明一种能被这两种系统使用的调制格式，使能在最少地改变发射设备的情况下进行这种过渡。
本发明的总结
本发明提供一种广播方法，它包括下列诸步骤：提供一个在一条FM无线电信道的一个中心频带内的广播信号；提供在FM无线电信道的一个上边带中的多个上边带副载波，上边带位于一个从无线电信道的中心频率扩展约+100kHz到约+200kHz的频带内；提供在FM无线电信道的一个下边带中的多个下边带副载波，下边带位于一个从无线电信道的中心频率扩展约-100kHz到约-200kHz的频带内；用一个要被发射的程序的一个互补穿孔卷积编码变体对多个上边带副载波的一个第一个组进行正交频分调制；用要被发射的程序信号的互补穿孔卷积编码变体对多个下边带副载波进行正交频分多路复用；和发射中心频带信号，多个上边带副载波，多个下边带副载波。
当用一个混合调制格式工作时，中心频带信号包括一个被一个模拟程序信号FM调制的载波。当用一个全数字调制形式工作时，中心频带信号包括被一个数字信号调制的，并以一个比诸上边带副载波和诸下边带副载波的功率谱密度小的平均功率谱密度广播的一个第三类多个副载波。
在全数字格式中，本发明包括一个广播方法，该方法包含下列诸步骤：提供在一条FM无线电信道的一个上边带中的一个第一类多个副载波；提供在所述的FM无线电信道的一个下边带中的一个第二类多个副载波；用要被发射的程序信号的一个数字编码变体对所述的第一类多个副载波的一个第一个组进行正交频分调制；用所述的要被发射的程序信号的所述的数字编码变体对所述的第二类多个副载波的一个第一个组进行正交频分调制；提供在所述的FM无线电信道的一个中心频带中的一个第三类多个副载波，其中第三类多个副载波的功率谱密度小于在上和下边带中的诸副载波的功率谱密度；和发射所述的第一类多个副载波的所述的第一个组，所述的第二类多个副载波的所述的第一个组，和所述的第三类多个副载波。
本发明也包含利用上述诸方法的诸发射机和诸接收机。
本发明提供一个能被混合的和全数字的带内-信道上的数字声频广播系统两者使用的调制格式，使能在最小地改变发射设备的情况下进行发射。
诸图的简单描述
图1是根据本发明对于一个混合FM IBOC DAB信号的诸信号分量的频率分配和相对功率谱密度的一个示意性的表示。
图2是根据本发明对于一个全数字FM IBOC DAB信号的诸信号分量的频率分配和相对功率谱密度的一个示意性的表示。
图3是根据本发明对于FM IBOC DAB信号的上边带的诸信号分量的频率分配和相对功率谱密度的一个示意性的表示。
图4是根据本发明对于FM IBOC DAB信号的下边带的诸信号分量的频率分配和相对功率谱密度的一个示意性的表示。
图5说明在根据本发明的一个信道广播和一个IBOC DAB系统中的左边第一个相邻模拟FM信道之间可能存在的干扰。
图6说明在根据本发明的一个信道广播和一个IBOC DAB系统中的左边第一个相邻IBOC DAB信道之间可能存在的干扰。
图7是一个可以与本发明的调制方法结合的广播系统的一个简化的方框图。
诸优先实施例的描述
参照诸图，图1是根据本发明对于一个混合FM IBOC DAB信号10的诸信号分量的频率分配(谱位置)和相对功率谱密度的一个示意性的表示。混合格式包括常规的FM立体声模拟信号12，它有一个由位于信道的一个中心，或中心频带部分16中的三角形14表示的功率谱密度。一个典型的模拟FM广播信号的功率谱密度(PSD)近似为三角形，有一个从中心频率开始的约-0.35 dB/kHz的斜率。多个数字调制的均匀间隔的副载波位于模拟FM信号的无论那一边，可以在一个上边带18或一个下边带20中，并与模拟FM信号同时发射出去。所有的载波都是在一个落在美国联邦通信委员会的信道掩蔽22内的功率电平上发射出去的。图1中的垂直轴表示峰值功率谱密度，与一个较常规的平均功率谱密度特性不同。在这种情形中，总的单边DAB信号功率比FM载波功率低25dB，而峰值谱功率比则显得要大得多。当在一个1kHz带宽中观察短期的FM谱和短期的DAB谱两者时，短期的FM谱比短期的DAB谱更加“尖峰化”。如将从下面的描述可看到的那样，混合信号的数字调制部分是将以全数字IBOC DAB格式发射的全数字DAB信号的一个子集。
来自一个相邻的FM信道的诸信号(即第一类相邻的诸FM信号)，如果存在的话，将集中在离开感兴趣的信道的中心200kHz的间隔处。在本发明的一个称为混合FM IBOC调制格式的实施例中，95个均匀间隔的被正交频分调制(OFDM)的副载波位于主模拟FM信号的每一边，占据离开主FM中心频率从约129kHz到198kHz的频谱段，如由图1中的上边带18和下边带20所示。在混合系统中，将在每个边带中的被OFDM调制的诸副载波中的总的DAB功率设置在相对于它的主模拟FM功率约-25dB处。
在本发明的一个称为全数字FM DAB格式的第二个实施例中，由号码24表明的诸OFDM数字副载波的谱位置和相对的信号功率密度电平如图2所示。在本发明的这个实施例中，已经用位于中心频带28中的，称为扩展的全数字信号26的诸OFDM副载波的一个任选的附加的组代替了模拟FM信号。再次，诸均匀间隔的OFDM副载波位于一个上边带30和一个下边带32中。图2的全数字格式的诸边带比图1的诸边带宽。此外，将诸全数字IBOC信号边带的功率谱密度电平设置得比在诸混合IBOC边带中允许的电平约高10dB。这提供了有一个很重要的性能优点的全数字IBOC信号。而且，扩展的全数字信号的功率谱密度在比诸混合IBOC边带的约低15dB。这使对相邻的混合或全数字IBOC信号的诸任何干涉问题变得最小或消除了这些问题，而同时为诸其它数字业务提供了附加的容量。
建议将诸扩展的数据副载波设置在低于诸其它的主副载波的电平约15dB的一个相对电平上。这是在这些扩展的副载波的鲁棒性(坚韧性)和对一个第一类相邻信号的诸主副载波的干扰之间的一个折衷。为了评估可能的干扰情况，假定第一类相邻的全数字站的最大相对电平在54dBu的保护周线上为-6dB。对于满足FCC准则的一对第一类相邻的站就是这种情形，虽然有许多间隔很小的例外。诸扩展的数据副载波将在一个相对电平-21dB(-6dB-15dB)上与第一类相邻的诸主副载波发生干扰。这个干扰电平包括某个对于衰落的界限并且不应导致主信号的较大衰退。然而，当第一个相邻的干扰者为-6dB以下时，因为干扰者的诸主副载波将比诸扩展的数据副载波高9dB，所以诸扩展的数据副载波将受到损害。将FEC编码加到诸扩展的数据副载波上，使能容忍一个第一个相邻的干扰者。如果发觉扩展的数据比提供的保护的指示更有价值，则考虑将诸扩展的数据副载波的电平提高到-10dB而不是-15dB。
图3是根据本发明对于FM IBOC DAB信号的上边带的诸信号分量的位置和相对功率谱密度的一个示意性的表示。在图3和4中，给可能的副载波的诸位置指定号码，从在FM中心频率上的零到在400kHz带宽的两个边界上的正或负的273，正的数字表示载波频率高于信道的中心频率，负的数字表示载波频率低于信道的中心频率。图3中在频率标度上方的诸括号内所示的诸副载波的指定数字包括在混合系统和全数字系统两者的上边带中的所有任选的副载波。诸混合的DAB副载波构成诸全数字DAB副载波的一个子集。在本发明的诸优先实施例中，各个OFDM副载波在689.0625Hz(44100/64)上被QPSK调制，并在加上脉冲成形后(有7/128个过量时间作为防护时间的开方余弦时间脉冲)在约726.7456055Hz(44100*135/8192)上被正交地隔开。频率标度表示与信道的中心频率的频率差。
在图3中所示的上边带是由诸带有信息的副载波140到272组成的，它们与诸副载波频率101,744Hz到197,675Hz对应。副载波273是一个任选的参考副载波。如图所示上边带被分成若干个组34,36,38和40。组34代表主信道并包含诸副载波178到253。诸主信道副载波用于以编码算法的数据位形式在一个每秒至少96千比特(kbps)的速率发射要被广播的程序材料。主信道可以包括辅助数据。诸载波的一个第二个组36占据诸副载波位置254到272,用于发射诸奇偶校验位。我们能用诸载波的一个第三个组携带程序材料的一个24kbps的延迟变体，用于调谐和备用的目的。如将在下面讨论的那样，这些副载波更可能被诸干扰者而不是被位置较接近信道中心的诸副载波所恶化。将大多数消耗性的代码位放在诸外面的OFDM副载波上。诸消耗性的位对组合代码的自由距离或编码增益贡献最小，并且它们对于代码的纠错能力最不重要。所以，我们用诸最易受到攻击的副载波来携带这些消耗性的位。
如果，例如，通过移去立体声信息将在中心频率带中的模拟信号换算回来，则诸副载波的另一个组38可用在本发明的全数字实施例中携带诸奇偶校验位或任选的数据，并可以用在本发明的混合实施例中。副载波组40包括诸副载波位置140到158，并用在全数字实施例中在一个较低的速率，例如24kbps发射程序材料的一个延迟备用变体。在这个组中的诸副载波不用在混合实施例中，除非进一步将模拟基带信号换算回来。在全数字实施例中，组40的诸副载波提供能在主信道中发射的信号有一个损耗的情形中使用的数据。在位置273的副载波代表一个任选的参考信号42。如果想要的话，可以将这个信号用于信号截获的目的。
如图4所示的下边带有上边带格式的一个镜像，它有诸负的指数和频率。下边带主信道44包含在位置-178到-253的诸副载波并用于发射与在上边带主信道中发射的相同的程序材料。以与上边带的组36,38和40的诸副载波相同的方式利用在组46,48和50中的诸副载波。可以用在位置-273中的副载波发射一个任选的参考信号。在上下两个边带中的诸副载波都用正交频分多路复用技术并用诸互补穿孔卷积(CPC)代码对它们进行FEC编码。诸CPC代码在技术上是已知的，例如，请参见S.Kallel,“ComplementaryPunctured Convolution(CPC)Codes and Their Applications”,IEEETrans.Comm.,Vol.43,No.6,pp.2005-2009,June,1995。
如果使用的话，使诸参考副载波位于有正或负198,402Hz的诸中心频率的正或负273上。用与在以前的符号时间中用于调制副载波272的相同的符号相位对诸参考副载波进行调制。这允许接收机选择在从参考副载波开始的频率中实施差分(differential)检测，或在从副载波272的时间差分检测开始的频率中实施差分检测。理想地，在不存在干扰，但有衰落时，用参考副载波可使性能更好。然而，消除参考副载波，对使来自一个第二个相邻DAB信号的可能的干扰降至最小是有利的。
在混合系统和全数字系统两者中同样地对占据诸副载波178到253的96 kbps的PAC主信道进行格式化。用诸CPC代码在两个DAB边带上对这个主信道进行编码，导致一个速率1/2的CPC代码。如果使用的话，在混合系统和全数字系统两者中参考副载波也是相同的。可以用一个交替序列对这些参考(导频)副载波进行调制，以便允许对频率和符号的定时截获及跟踪有所帮助。本发明的优先实施例用一个感性的声频编码(PAC)算法。诸感性的声频编码算法已经成为许多美国专利如5,481,614,5,285,498和5,040,217的主题。然而，我们应该懂得本发明不限于使用诸感性的声频编码算法。
诸副载波254到272(上边带和下边带)或者携带用于CPC码的诸附加的奇偶校验位，或者携带在混合系统和全数字系统两者中的数据。这里诸奇偶校验位的发射在每个边带上相互独立地改善了在主信道上的FEC码速率从R=1/2到R=2/5，或R=4/5。在存在相邻信道的FM干扰时，这些外面的OFDM副载波是最易受到攻击而发生恶化，并且在上和下边带上的干扰是相互独立的。因为一个FM广播信号的PSD接近三角形，所以当诸OFDM副载波接近一个第一个相邻信号的频率时干扰增大。当发射诸奇偶校验位时，可以特别地调整编码和交错以便处理这种不均匀的干扰，使得信息的通信是鲁棒性的(坚韧的)。
在上边带的组38中的诸副载波159到177和在下边带的组48中的诸副载波-159到-177能够或者携带用于CPC码的诸附加的奇偶校验位，或者携带数据。在混合系统中这个选择是任意的，但是在全数字系统中这个选择是必须遵循的。这里在每个相互独立的DAB边带上发射诸奇偶校验位改善了在主信道上的FEC编码速率从R=1/2到R=2/5，或R=4/5。如果在两个从159到177和从255到273的区域(和在下边带中诸相应的副载波)中发射诸奇偶校验位，则在每个相互独立的DAB边带上总的编码速率为R=1/3，或R=2/3。
IBOC DAB系统将在FM载波的每个DAB边带(上或下)上发射所有的数字声频信息。尽管能够激活在基线系统外的诸附加的副载波，使它们能发射速率为1/3的FEC码的所有的代码位，但是基线系统采用一个2/5的编码速率。能够用一个由一个速率为4/5(任选地速率为2/3)的卷积代码实现的FEC编码增益独立地对每个边带进行检测和解码。这个冗余码允许当一个边带被恶化时在另一个边带上进行工作。然而，通常将两个边带组合起来提供与一个速率为2/5(任选地速率为1/3)的代码相当的附加的信号功率和编码增益。此外，能够用诸特殊的技术对诸强的第一类相邻干扰者进行解调并将它们分开，使得一个“恢复的”DAB边带能补充相对的边带，以便改善在任何一个边带上的编码增益和信号功率。
全数字系统将利用在上边带的组40中的诸副载波140到158和在下边带的组50中的诸副载波-140到-158携带在主信道中的数据的一个较低数据速率的变体，例如24kbps的嵌入PAC代码。延迟这个较低速率的备用数据以便增强用时间分集的性能。全数字系统的这个备用数据代替混合系统的模拟FM混合，在一个共同所有的悬而未决的专利申请，1997年10月9日归档的，序列号为No.08/947,902的“A System And Method For Mitigating Intermittent InterruptionIn An Audio Radio Broadcast System”中对它进行了描述。当主信道数据被恶化时，备用数据能填满声频段。因为备用数据是由诸主信道数据位的一个嵌入的子集组成的，所以备用数据能够使主信道有附加的防错功能。
在全数字实施例中，能够将位于图2中的中心频带28中的从指数-139到139的诸副载波用作扩展DAB容量的一个选择。在这个没有编码的“被扩展”的带宽上的信道位速率约为384kbps。因为这个带宽的一半能被一个第一个相邻的DAB信号所恶化，所以应该将CPC FEC编码技术用于扩展带宽的每一半上，即从1到139的诸副载波应该携带与从-1到-139的诸副载波相同的信息。于是，如果无论那一半被恶化了，则在余下的一半上还将有一个速率为2/3的补码。在这种情形中，在速率为1/3的编码后的信息容量约为128kbps。
扩展的全数字频带只受到来自一个第一类相邻的混合或全数字干扰者的干扰。在诸现在的被保护的周线准则下，第一类相邻的干扰者的最大电平相对于主站为-6dB。如果这个第一类相邻的干扰者是一个全数字的IBOC，则干扰者能比扩展频带的那一半的电平高出到14dB。当干扰者的谱密度大约有与扩展频带信号相同的电平时，扩展频带开始对编码增益有正的贡献。这意味着在扩展频带的那一半成为有用前，一个全数字的第一类相邻的干扰者必须比感兴趣的信号至少低20dB(20dB di/du)。用两个在-20dB的第一类相邻信道可以接收扩展数据，然而在衰落中鲁棒性的(坚韧的)接收可能至少需要一个在-30dB或更低的第一类相邻信道。
考虑将扩展频带的电平提升到与诸混合DAB边带电平一样高的可能性。于是，对于一个第一类相邻的混合边带的扩展频带干扰在54dBu周线上只有-6dB。类似地，对一个全数字的干扰为-16dB。当扩展范围的复盖区域和鲁棒性(坚韧性)不像诸全数字边带一样好时，性能的诸可接受的水平在正常的被保护周线内是可以达到的，除了在两个第一类相邻信号很大的区域内的情形外。扩展的全数字带宽的可能的应用是环绕声，慢扫描视频，数据类型转换等。在可以得到的地方能够接收到这些扩展的业务。
对位于离开主信号±200kHz的诸第一类相邻信道的干扰和来自这些信道的干扰能够从由图5的曲线所示的诸相邻信号的关系推导出来。图5表示一个有一个中心频带信号56和上下边带58及60的混合DAB信号54与一个常规的第一个相邻左信道62。使一个不想要的相邻信道的额定接收功率至少比在它的复盖区域边界上的想要的站的功率低6dB那样地在地理上放置诸FM站。于是，D/U(想要的和不想要的功率比，以dB为单位)至少为6dB。知道每个站的DAB信号功率与它的FM主站的比就允许评估对DAB的第一类相邻干扰。类似地，能够从图6所示的关系评估第一类相邻DAB信号64(有中心频带信号66和上下边带68及70)对主FM信号的干扰。在这个例子中，主信号如图所示处在偏离干扰者200kHz的地方。
我们也已经对来自一个第二类相邻DAB干扰的对主DAB信号的干扰作了说明。通过将DAB信号的远边界限制在它的主载波频率的200kHz范围内以便防止频谱重叠来避免这个问题。
在复盖的边界上对第一类相邻干扰的DAB分析表明应该将总的DAB信号设置在相对于它的FM主功率约-21到-25dB的范围内。假定在复盖边界上的D/U为6dB，这使对FM信号的相邻DAB干扰比从-24dB降低到约-31到-34dB。
虽然在某些国家中FM信道间隔为100kHz，但是使FM接收在复盖区域内不受到损害那样地将这些第一类相邻信道在地理上分开。所以这对于FM IBOC系统不应成为问题。在300kHz间隔上DAB对DAB的干扰能够损害在一个边带上的性能，但是我们设计CPC代码使能容忍这个情况。
我们已经对IBOC DAB描述了一个OFDM技术。一个OFDM信号由都在一个普通的符号速率上被调制的正交间隔的诸载波组成。对于诸矩形脉冲符号(例如，BPSK,QPSK,8PSK或QAM)的频率间隔等于符号速率。对于诸FM/DAB信号的IBOC发射，将诸OFDM副载波的一个冗余组放置在一个共存的FM信道频谱的任何一边上的约100kHz到200kHz的范围内。将DAB功率(上或下边带)设置在相对于FM信号约-25dB处。当为诸DAB副载波提供适当的SNR时，设置DAB信号的电平和频谱占用，以便限制对它的FM主信号的干扰。在离开FM载波±200kHz间隔处的诸第一类相邻信号能够恶化DAB信号。然而，在一个站的复盖区域内的任何具体位置上，两个第一类相邻信号不大可能与DAB发生很大的干扰。所以上和下DAB边带携带相同的冗余信息，使得为了进行信息的通信只需要一个边带。
OFDM的诸固有的优点包括在存在多路径干扰时的鲁棒性(坚韧性)和对由于选择性衰落产生的非高斯短期噪声或诸缺口的容忍。诸相对长的符号积分时间有助于“高斯化”这些短期退化。
图7是一个根据本发明建造的一个数字声频广播系统的十分简化的方框图。一台发射机72包括输入端74和76，用于接收程序材料的左右信道。发射机72还包括一个分开的数据输入端78，用于接收一个附加的数据信号，特别是为了与本发明的全数字调制格式一起使用。发射机72还包括一个模拟FM处理器80和FM激励器82，它们按照已有技术的处理器和激励器进行工作，在线路84上产生一个模拟FM广播信号。也将输入74和76馈送给一个编码处理器86，编码处理器86将程序材料变换成诸互补穿孔卷积编码信号，在方框88中对这些信号进行纠错，并将这些信号馈送给一个调制器90，调制器90用正交频分调制将诸经编码的信号加到多个副载波上。在加法器94中调制器的输出信号92与在线路84上的信号相加，将相加的结果传送给天线96。接收机98在天线100上接收被发射的信号并在解调器102中对信号进行解调以便恢复程序材料和相关的数据，如果它们被包括在信号中的话。将声频信息发送给一个扬声器104，并将附加数据，如果有的话，提供给输出端106，从输出端106可以将附加数据馈送给一个显示器或其它的能对附加数据进行进一步处理的装置。
本发明为FM混合的和全数字的带内-信道上的(IBOC)数字声频广播(DAB)系统提供诸调制格式。FM混合IBOC调制格式是与现有的FM模拟系统反向相容的，全数字IBOC调制格式是与FM混合IBOC系统反向相容的。本发明的全数字格式的实施例使一个大得多的数据类型转换容量成为可能。在这里提出的诸调制格式允许为诸广播者和听众提供一个相容的过渡，以便当提供一个新的数据类型转换方法时使诸广播者和听众移动到数字信号的实际的CD声频质量。
本发明的IBOC DAB调制格式用在两个边带(上边带和下边带)中的程序材料的一个互补穿孔卷积(CPC)编码变体，这两个边带可能受到几乎独立的有独立衰落的诸干扰者的损害。如果一个边带被一个在接收机附近的强的第一类相邻FM信号所恶化，则相对的边带必须在接收机上是能独立地解码的。所以必须用一个独立地可解码的FEC代码对每个边带进行编码。然而，当两个边带包含没有完全被一个干扰者恶化的有用的信息时，诸CPC代码提供附加的编码增益，该编码增益在由功率组合这两个边带达到的编码增益之上。
当用本发明的诸优先实施例对本发明进行了说明后，我们应该懂得对揭示的方法和系统可以作出诸不同的变化，而没有偏离在下列权利要求书中定义的本发明的范围。例如，虽然上述的优先实施例指出使用了用诸CPC代码的QPSK，但是也可以用诸不同的其它的调制格式和代码类型，如用后面接着一个任选的里德-索洛蒙块码的2/3格子码调制的8PSK。