DE4239509A1 - Verfahren und Empfänger für die terrestrische digitale Rundfunkübertragung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Empfänger nach dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 8 und 9.

Die Erfindung findet Verwendung bei der terrestrischen di­ gitalen Rundfunkübertragung.

Für terrestrische Übertragung wurden mehrere digitale Ver­ fahren vorgeschlagen, die alle zur Bandbreitenersparnis eine Quell-Codierung mit einer Datenreduktionsrate von ca. 8 arbeiten.

Eine Übersicht gibt Broadcast Engineering, Juli 1991: "Di­ gital Radio Formats compared".

Die hierin verglichenen Verfahren sind:

• a) Breitbandverfahren mit der Bündelung mehrerer Kanäle
• b) Schmalbandverfahren mit
• - QPSK-Modulation
• - Frequenz-Diversity oder -Hopping zwischen verschiedenen Kanälen
• - Unter-Träger oder Mehrfach-Träger.

Bei der Einführung eines digitalen terrestrischen Rund­ funks ergibt sich das Problem, einen geeigneten Frequenz­ bereich für das neue Übertragungsverfahren zu finden. Überlegungen, den digitalen Rundfunk in dem bisher für den analogen FM-Rundfunk genutzten Frequenzband unterzubrin­ gen, indem schrittweise die einzelnen Sender auf das neue Übertragungsverfahren umgestellt werden, wurde unter an­ derem auch deshalb verworfen, weil sich herausgestellt hatte, daß es erhebliche Nachbarkanalstörungen (Über­ sprechstörungen) bei UKW-FM-Empfängern gab.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein di­ gitales Übertragungsverfahren und geeignete Empfänger an­ zugeben, um diese Nachbarkanalstörungen zu verhindern und einen FM-UKW-Sender nach Bedarf durch Sender für den digi­ talen Rundfunk ersetzen zu können.

Die Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1, 8 und 9 angegebenen Merkmale. Vor­ teilhafte Ausgestaltungen und/oder Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen be­ schrieben unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß das modulierte digitale Signal eine konstante Einhüllende hat mit einer Frequenz­ bandbreite entsprechend einem FM-UKW-Rundfunkkanal. Der FM-UKW-Sender kann in vorteilhafter Weise durch einen Sen­ der für den digitalen Rundfunk ersetzt werden, ohne daß

• - die Kanal-Struktur und der Kanal-Abstand im UKW- Band geändert werden muß,
• - die vorhandenen UKW-Sender komplett ersetzt werden müssen,
• - neue Sender-Antennen gebraucht werden,
• - Störungen (durch einen frequenzmäßig benachbarten digital modulierten Sender) in den noch verblei­ benden UKW-FM-Empfängern auftreten,
• - auf preiswerte Kombinationsempfänger für FM einer­ seits und digitale Modulation andererseits ver­ zichtet werden müßte.

Dabei ist pro Sender ein Programm vorgesehen.

Das vorgeschlagene Verfahren verwendet die Frequenzmodula­ tion (FM) bzw. die Continuons Phase Modulation (CPM) und das Frequency Shift Keying (FSK) für das digitale Signal. Es wird ein CPM-Verfahren für Schmalband-DAB angegeben, bei dem pro Rundfunkkanal ein Frequenzkanal benutzt wird.

Wird für die Signalaufbereitung z. B. das auch bei COFDM- DAB übliche Quellcodierungsverfahren (Musicam) eingesetzt, und werden die digitalen Symbole geeignet verrundet (z. B. Gauß-Filterung GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying) oder TFM(Tamed Frequency Modulation)), so erhält man für das vorgeschlagene Verfahren eine HF-Bandbreite, die dem im UKW-FM-Band pro Sender üblichen Wert entspricht. Das vor­ geschlagene Verfahren ist also zu dem bestehenden UKW-FM- Rundfunk Bandbreiten-kompatibel.

Aufgrund einer konstanten Einhüllenden kann der Sender im C-Betrieb arbeiten. Daher ist es möglich, Sender, die bis­ lang FM-Rundfunk abstrahlen, zum Senden von CPM-Signalen zu verwenden (Sender-Kompatibilität). Dies hat mehrere entscheidende Vorteile:

• 1. Keine großen Investitionen auf der Senderseite nö­ tig.
• 2. Bequeme Möglichkeit zur Einführung des Verfahrens.
• 3. Großer Wirkungsgrad des Senders wegen C-Betrieb.
• 4. Senderseitige Tests sind einfach möglich.
• 5. Vorhandene Sende-Antennen können weiterbenutzt werden.

Will man im bestehenden UKW-FM-Band einzelne Sender auf DAB umstellen oder DAB in bislang ungenutzten Kanälen aus­ strahlen, darf dadurch keine Störung in den vorhandenen UKW-Empfangsgeräten entstehen. Solche Störungen entstehen jedoch immer dann, wenn ein HF-Signal eine Amplitudenmodu­ lation (AM) aufweist. Daher sind hierfür nur DAB-Verfahren mit konstanter Einhüllender brauchbar. CPM-Signale sind somit empfangs-kompatibel.

Für die Empfänger von digitalen Signalen sind i.a. "li­ neare" Empfangskonzepte üblich. Diese sind recht aufwen­ dig. Lineare Empfänger werden für schwierige Empfangsver­ hältnisse benötigt, z. B. beim mobilen Empfang im Auto.

Die konstante Einhüllende des CPM-Signals gestattet jedoch auch recht einfache Empfangskonzepte entsprechend zu den bei FM üblichen Empfängerkonzepten (Begrenzerverstärker und Diskriminator). "Einfache" Empfänger benötigen normale Empfangsverhältnisse. Unter dieser Voraussetzung ist kein Qualitätsunterschied im empfangenen Programm vorhanden.

Der einfache Empfänger geht davon aus, daß die gesamte In­ formation eines winkelmodulierten Signals aus seinen Null­ durchgängen gewonnen werden kann. Dies führt auf ein Emp­ fangskonzept, das in folgenden Komponenten identisch mit einem konventionelle (analogen) FM-Empfänger ist:

• - HF-Eingangsstufe und Tuner (Frequenzumsetzer)
• - ZF-Verstärker: Filter und Begrenzerverstärker
• - FM-Demodulator: üblicher analoger Diskriminator o. ä.

Der Aufwand für diesen Teil des Empfängers ist somit äußerst gering. Zusätzlich ist der Stromverbrauch niedrig, was besonders für portable Geräte von Bedeutung ist.

Der analoge FM-Demodulator hat zudemhin die Eigenschaft, daß er bezüglich kleiner Ablagen von der Sollfrequenz ab­ solut unkritisch ist.

An dem FM-Demodulator schließt der eigentliche Datenemp­ fänger an. Dieser besteht aus einem signalangepaßten Fil­ ter und einer Entscheiderstufe. Weiter ist eine Schaltung zur Bittakt-Synchronisation erforderlich (Fig. 1).

Für den Datenempfänger bietet sich eine digitale Realisie­ rung an. Abhängig von der Kanal-Codierung kann der Ent­ scheider z. B. als Viterbi-Decoder mit Soft-Decision reali­ siert werden. Hierfür werden bereits integrierte Schalt­ kreise angeboten, so daß der Aufwand trotzdem gering bleibt.

Eine Kanal-Entzerrung ist für den einfachen Empfänger nicht vorgesehen, da die Capture-Eigenschaft der FM be­ kanntermaßen Echos, Inkanal-Störer und Nachbarkanal-Störer weitestgehend unterdrückt. Von analogen FM-Empfängern ist bekannt, daß sich Capture-Ratios von < 1dB erreichen las­ sen.

Der einfache Empfänger ist damit billig in der Herstellung und sparsam im Stromverbrauch. Er eignet sich einerseits für portable Geräte (Henkelware) und andererseits für sta­ tionäre Empfänger (Stereo-Anlagen) mit günstigen Empfangs­ verhältnissen.

Da im Fall einer analogen FM-Übertragung nach dem Fre­ quenzdemodulator bereits das Multiplexsignal zur Verfügung steht, lassen sich mit diesem Konzept in einfacher Art Kombinationsempfänger für FM-UKW einerseits und DAB ande­ rerseits erstellen.

Die Möglichkeit auch mit einfachen Empfängern DAB empfan­ gen zu können, ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.

Das HF-Eingangsteil des linearen Empfängers unterscheidet sich prinzipiell nicht von dem des einfachen Empfängers. Das ZF-Filter kann ebenfalls gleichartig sein.

Der erste Unterschied besteht im ZF-Verstärker. Dieser muß linear sein. Damit verbunden ist die Forderung, daß der ZF-Verstärker eine automatische Verstärkungsregelung be­ sitzt, so daß er am Ausgang ein Signal mit konstantem Pe­ gel liefert.

Das ZF-Signal wird dann mit Hilfe von zwei linearen Multi­ plizierern, von denen einer mittels eines Cos-Trägers, der andere mittels eines Sin-Trägers angesteuert wird, in die Tiefpaß-Lage umgesetzt. (Bandpaß = < Tiefpaß - Transforma­ tion, Fig. 2).

Weitere wesentliche Unterscheidungsmerkinale des linearen Empfängers sind:

• a) Er besitzt einen Entzerrer zur Kompensation von Mehrwegeausbreitungen (Echos).
• b) Das signalangepaßte Filter und der Entzerrer sind Kanal-adaptiv.

Für die Entzerrung sind verschiedene Verfahren möglich:

• - Decision Feedback Equalizer (DFE) oder
• - Viterbi-Entzerrer.

Wird ein DFE verwendet, ist der CPM-Demodulator weitgehend identisch mit dem (aus der Literatur hinlänglich bekann­ ten) PSK-Demodulator. Wie Fig. 3 zeigt, enthält der DFE jedoch zusätzlich - abweichend vom PSK-Demodulator - einen CPM-Modulator im Rückführzweig. Dieser erzeugt das zu den bereits empfangenen Symbolen gehörende Sendesignal. Die Antwort des signalangepaßten Filters auf dieses Signal wird dem Rückführungszweig zugeführt.

Die Anpassung von Matched Filter und DFE an den zeitvari­ anten Kanal erfolgt in der gleichen Art wie bei einem PSK- Demodulator. Während einer periodisch wiederholten Trai­ ningssequenz wird der Kanal vermessen. Zwischen zwei Ka­ nalmessungen wird die geschätzte Kanal-Impulsantwort (Stoßantwort) mit einem Adaptionsalgorithmus der sich än­ dernden Impulsantwort des realen Kanals nachgeführt.

Das für die Kanalvermessung (mit Hilfe einer Korrelations­ messung) notwendige Vergleichssignal setzt aufgrund der Nichtlinearität der CPM wieder ein Modell des Senders vor­ aus, welcher während der Vermessung mit der Testsequenz gespeist wird. Dies bedeutet aber keinen Mehraufwand, da die Testsequenz a priori bekannt ist. Es wird das zugehö­ rende Sendesignal im Empfänger fest abgespeichert und es wird somit der zugehörige Algorithmus für den CPM-Modula­ tor im Empfänger nicht benötigt.

Das für die Kanalvermessung verwendete Sendesignal muß spektral "weiß" sein. Wegen der nichtlinearen Eigenschaf­ ten der Frequenzmodulation trifft dies für die Testsequenz selbst nicht notwendigerweise zu.

Da der lineare Empfänger kritisch bezüglich eines Fre­ quenzversatzes ist, scheiden analoge Verfahren für die Frequenzmodulation aus. Senderseitig müssen die vorhan­ denen Modulatoren (Steuersender) ersetzt werden, z. B. durch einen EPROM-Modulator oder ein NCO (Numerically Con­ trolled Oscillator)-Modulator. Bei einem Steuersender mit einem EPROM-Modulator werden für die Entzerrung der digi­ talen Frequenzmodulation (CPM) die zeitlichen Verläufe der I- und Q-Komponenten für die Symbole des CPM-Signals elek­ trisch gespeichert (EPROM) und mittels einer Ansteuer­ schaltung ausgelesen.

Claims (11)

1. Verfahren zur digitalen Rundfunkübertragung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Modulationsverfahren mit konstan­ ter Einhüllender eingesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Continuous Phase Modulation (CPM) durchgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Übertragung innerhalb der Übertragungsbandbreite eines FM-Rundfunkkanals durchge­ führt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das senderseitige CPM-Signal mit einem einfachen FM-Empfänger verarbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das senderseitige DPM- Signal mit einem linearen Empfänger verarbeitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß senderseitig für die Erzeugung der digitalen Frequenzmodu­ lation (CPM) die zeitlichen Verläufe der I- und Q-Kompo­ nenten für die Symbole eines CPM-Signals elektronisch ge­ speichert werden (z. B. EPROM) und mittels einer Ansteuer­ schaltung ausgelesen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß senderseitig ein Numerically Controlled Oscillator (NCO) für die Frequenzmodulation eines CPM-Signals verwendet wird.

8. Empfänger für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zumindest eine HF- Eingangsstufe, einen Frequenzumsetzer, einen ZF- Verstärker, einen FM-Demodulator und eine Daten- Rückgewinnungs-Einrichtung enthält, dadurch gekennzeich­ net, daß

• - die HF-Eingangsstufe und der Frequenzumsetzer
• - der ZF-Verstärker
• - der FM-Demodulator identisch oder ähnlich denen eines analogen FM-Empfängers sind, und daß die Daten-Rückgewinnungs-Einrichtung des Empfängers
• - ein signalangepaßtes Filter,
• - einen Entscheider und
• - eine Bittakt-Synchronisation enthält.

9. Empfänger für ein Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger einen linear betreibbaren ZF-Verstärker enthält.

10. Empfänger nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest

• - eine Bandpaß-Tiefpaß-Transformation,
• - ein signalangepaßtes digitales Filter mit Adaption der Filter-Koeffizienten,
• - ein Entzerrers mit Adaption der Entzerrerkoeffizi­ enten,
• - ein Entscheider,
• - eine Bittakt-Synchronisation und
• - eine Kanalvermessung im Empfänger enthalten sind.

11. Empfänger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kanalvermessung ein definiertes Sende-Signal (Testsequenz) im Empfänger gespeichert ist.