Hd無線電廣播單頻率網絡中的分離的平臺的同步的製作方法

2023-10-17 02:29:19 1

Hd無線電廣播單頻率網絡中的分離的平臺的同步的製作方法
【專利摘要】一種廣播方法，包括：使用第一發射器來發送包括與關於第一GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號，在第一遠程發射器處接收信號，在第一遠程發射器處使幀同步於第二GPS脈衝信號，以及將同步幀從遠程發射器傳輸到多個接收器。還提供了實現該方法的系統。
【專利說明】HD無線電廣播單頻率網絡中的分離的平臺的同步
[0001]本申請是申請號為200980153210.1、申請日為2009年12月3日、發明名稱為「HD
無線電廣播單頻率網絡中的分離的平臺的同步」的申請的分案申請。
【技術領域】
[0002]本發明涉及無線電廣播系統，更具體而言，涉及包括多個發射器的這樣的系統。
【背景技術】
[0003]iBiquity Digital Corporation HD Radio?系統被設計成允許從當前模擬調幅(AM)和調頻(FM)收音機平穩演變到完全數字的帶內信道上(IB0C)系統。此系統在現有的中頻(MF)和特高頻(VHF)無線頻帶中從陸地發射器向移動可攜式固定接收器輸送數字音頻和數據服務。廣播公司可以利用新的更高質量且更加強健的數位訊號同時持續傳輸模擬AM和FM，使得其自身以及他們的聽眾能夠從模擬變換為數字無線電，而同時保持他們的當前頻率分配。
[0004]該設計通過提供三種新的波形類型:混合、擴展混合、以及全數字，來提供向數字廣播系統過渡的靈活手段。混合型和擴展混合型保留了模擬FM信號，而全數字類型卻不。所有三種波形類型都符合當前分配的頻譜輻射屏蔽。
[0005]數位訊號是使用正交頻分復用(OFDM)來調製的。OFDM是一種並行調製方案，其中，數據流調製同時傳輸的大量正交子載波。OFDM是固有靈活的，輕鬆地使得邏輯信道能夠映射到不同的子載波組。
[0006]國家無線電系統委員會，由全國廣播工作者協會和消費電子協會贊助的標準設置組織，在2005年9月採用了命名為NRSC-5A的IBOC標準。通過引用的方式併入本公開中的NRSC-5A以及其更新NRSC-5B，闡述了對於通過AM和FM廣播信道廣播數字音頻和輔助數據的要求。該標準以及其引用文檔包含對於RF/傳輸子系統以及傳輸和服務復用子系統的詳細說明。可以從NRSC的網站http://www.nrscstandards.0rg/SG.asp獲得該標準的副本。iBiquity的HD Radio?技術是NRSC-5IB0C標準的一種實現。關於HD Radio?技術的更進一步的信息可以在WWW.hdradi0.com和www.1biquity.com找到。
[0007]典型的HD無線電廣播實現將內容聚合和音頻編解碼器分割為通常被稱為導出器的東西。導出器將通常處理主要節目服務(MPS)的源和音頻編碼，S卩，在模擬信道上鏡像的數字音頻。饋送給導出器的可以是導入器，該導入器聚合除MPS以外的輔助節目。然後，導出器產生無線電廣播數據包，以及將那些數據包轉發到激勵器平臺的數據機部分或激勵器，激勵器平臺通常被稱為激勵器引擎(exgine)。
[0008]在某些情況下，期望將HD無線電廣播系統實現為單頻率網絡(SFN)。一般而言，單頻率網絡或SFN是其中幾個發射器通過同一個頻道同時發送同一個信號的廣播網。模擬FM和AM無線電廣播網以及數字廣播網可以以這種方式操作。SFN的一個目標是增大覆蓋區域和/或縮小中斷概率，因為總的接收到的信號強度可以在覆蓋由於地形而丟失和/或遮蔽嚴重的位置增大。[0009]SFN的另一個目標是有效利用無線電頻譜，與在每一個服務區域使用不同的傳輸頻率的傳統的多頻網絡(MFN)傳輸相比，使得能夠提供更多的無線節目。在多頻網絡中，為國家廣播業務建立了數以百計的站；因此，使用了很多頻率。在多個頻率上同時傳輸節目會使當在覆蓋區域之間傳播時常常記不住重調諧他們的收音機的聽眾產生混淆。
[0010]SFN的一種簡化形式可以通過低功耗同頻道中繼器或增強器來實現，中繼器或增強器被用作填隙發射器。在美國，FM增強器和轉換器是特殊類別的FM站，它們接收完全服務FM站的信號，並將那些信號傳輸或重新傳輸到要不然也是由於地形或其它因素將不會從主信號接收到令人滿意的服務的區域。最初，FM增強器是主站的同一頻率上的轉換器。在1987年之前，FM增強器被FCC限制為使用直接的無線(off-air)接收和重新傳輸方法(即，中繼器)。FCC規則改變允許使用幾乎任何信號傳送方法以及直到20%的他們轉播的完全服務站的最大允許的有效輻射功率的功率級。經過此規則變化，FM增強器現在基本上是SFN的子類。許多國內廣播公司當前利用FM增強器來填充或延伸覆蓋區域，特別是在諸如舊金山之類的山地。
[0011]在重疊的覆蓋區域，SFN傳輸可以被視為多路徑傳播的精確形式。無線電接收器接收同一信號的多個回波，這些回波之間的結構性的或破壞性幹擾(也稱為自幹擾)可能會導致衰落。這是有問題的，因為衰落是選頻的(而不是平衰落)，因為回波的時間分散可能會導致符號間幹擾(ISI)。
[0012]當接收器位於一個以上的發射器的範圍內時，好的接收準則包括相對信號強度和總的傳輸延遲。相對信號強度基於接收器的位置描述了兩個或更多個傳輸信號的關係，而總的傳輸延遲是計算出來的從信號離開演播室位置的時刻到它到達接收器的時刻的消逝的時間間隔。這種延遲會基於特定的演播室發射器鏈路的信號通路在不同發射器之間有所不同。
[0013]在HD無線電系統的SFN實現中，一個導出器可以與許多激勵器引擎組合使用，以改進覆蓋。發明人已經觀察到對滿足下列對於HD無線電廣播系統中的單頻率網絡的操作的要求的系統和方法的需要。
[0014]對於諸如HD無線電廣播系統之類的基於OFDM的系統，發射器必須輻射不是完全一樣但是相同的播放信號。如此，子載波的頻率和相位必須被輻射為非常高的容差。OFDM系統中的載波之間的任何頻率偏移都導致符號間幹擾和在頻域中的感覺到的都卜勒頻移。對於HD無線電系統，頻率偏移預計在?20Hz內。另外，單獨的子載波頻率必須同時出現。每一個發射器都必須在相同時間輻射相同的OFDM符號，以便數據在時域中是同步的。這種同步在很大程度上取決於保護時間間隔，該保護時間間隔管理基於OFDM系統可以容忍的最大延遲或回波。它還影響發射器之間的最大距離。OFDM接收器定期對預定的時間長度內的接收到的信號進行採樣。在這些採樣時間之間(在保護時間間隔期間)，接收器忽略任何接收到的頻率。對於HD無線電廣播系統，每一個OFDM符號都必須時間對準到75 μ sec內，以便使FM系統正確地操作。優選地，對準在10 μ sec內。
[0015]另一個要求是，單獨子載波必須對於每一個符號都承載相同的數據。換言之，來自不同的發射器的子載波必須是「位準確的」。這意味著，對於SFN中的每一個節點，從導出器在發射位置處接收到的數字信息必須包含相同的位(即，MPS數字音頻、節目服務數據(PSD)、站信息服務(SIS)，以及高級應用服務(AAS)或其它數據都必須是相同的)。此外，信息還必須由每一個激勵器引擎以相同的方式處理，使得對於網絡的每一個傳輸節點，輸出波形是相同的。
[0016]還期望構成網絡的各種設備異步操作，以便設備可以上線或離線，而不要求整個網絡被復位。必須在獨立的節點重新啟動(即，可以獨立於所有其它節點使SFN中的每一個節點下線和上線，而不會影響系統性能)期間保持上文所描述的定時準確性和「位準確性」。SFN的每一個節點還都必須具有調節傳輸延遲以解決傳播延遲並能夠調諧SFN的能力。

【發明內容】

[0017]在第一方面，本發明提供了一種廣播方法，包括:使用第一發射器來發送包括與第一 GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號，在第一遠程發射器處接收信號，在第一遠程發射器處將幀同步於第二 GPS脈衝信號，以及將同步幀從遠程發射器傳輸到多個接收器。還提供了實現該方法的系統。
[0018]在另一方面，本發明提供了一種廣播系統，包括:第一發射器，用於發送包括與第
一GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號；以及第一遠程發射器，包括用於使幀同步於第
二GPS脈衝信號並用於將同步幀傳輸到多個接收器的電路。
[0019]在另一方面，本發明提供了使廣播系統中的平臺同步的方法，包括:在基發射器和多個遠程發射器處接收主時鐘信號，在主時鐘信號中的第一時鐘脈衝之前的預定時間間隔內在基發射器處開始音頻採樣，將音頻樣本組合為音頻幀，在第一時鐘脈衝之後發生的絕對層I幀編號時間，開始將音頻幀從基發射器傳輸到遠程發射器，在遠程發射器處接收音頻中貞，以及從對應於絕對層I巾貞編號時間的音頻巾貞的時間開始，從遠程發射器傳輸音頻中貞。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1是單頻率網絡的示圖。
[0021]圖2是單頻率網絡的框圖。
[0022]圖3是無線電廣播系統的框圖。
[0023]圖4是導出器和激勵器引擎/激勵器的某些部分的框圖。
[0024]圖5是導出器和激勵器引擎/激勵器的某些部分的另一個框圖。
[0025]圖6、7和8是示出了本發明的各個方面的操作的時序圖。
[0026]圖9是用於調節輸出波形的延遲相位的滑動緩衝器。
[0027]圖10、11和12示出了不同的廣播系統拓撲。
[0028]圖13是示出了簡化的模擬和數字對準定時的時序圖。
[0029]圖14和15是導出器和激勵器引擎的同步和異步啟動的時序圖。
【具體實施方式】
[0030]在一方面，本發明涉及用於保持支持帶內信道上(IBOC)系統中的單頻率網絡(SFN)或增強器應用所需的時間對準的方法和設備。在另一方面，本發明涉及用於調節由SFN中的多個發射器輸出的波形的延遲相位的方法和設備。
[0031]圖1示出了廣播系統10，其中，通過STL從演播室向兩個發射器位置同時傳送同一個音頻節目。在此例子中，使用演播室和發射器間的鏈路(STL) 18和20，向兩個遠程發射器14和16 (分別被稱為站I和2)傳輸在第一發射器(例如,演播室)12處始發的節目內容。通過橢圓形22示出了站I覆蓋區域。通過橢圓形24示出了站2覆蓋區域。兩個發射器位置具有相等的發射功率。當接收器位於站I覆蓋區域時，來自站2的信號強度足夠低，以便不會影響接收。當接收器位於站2覆蓋區域時，產生相反的情形。覆蓋區域通常被定義為20dB所期望的/不期望有的(D/U)輪廓。
[0032]然而，當接收器位於重疊區26時，它從兩個發射器位置接收具有功率比小於20dB的信號。在這些情況下，如果兩個信號之間的延遲小於保護時間或75 μ sec，則接收器基本上處於多路條件下，最有可能能夠協商此條件，並繼續接收HD無線電信號，特別是在行駛中的汽車中。然而，當相對延遲變得大於75 μ sec時，會產生符號間幹擾(ISI)，並且可以設想接收器將不能夠對HD無線電信號進行解碼，並將回到只接收模擬。
[0033]在相等場強的點不位於相等距離點並且要求接收的情況下，可以使用此處所描述的滑動緩衝技術來有意並準確地改變其中一個發射器中的信號延遲。這會改變信號延遲曲線相對於信號電平曲線的位置，如此，可以消除有問題的區域或使它們能夠轉移到諸如山頂或水體上方之類的沒人居住的地區。
[0034]圖2示出了 IBOC SFN的基本示意圖。在此圖中，第一發射器(例如，演播室)和遠程發射器之間的STL30可以是微波、Tl、衛星、電纜等等。在圖2中，演播室10被示為包括音頻源32、同步器34和STL發射器36。同步器34從通過GPS天線38所示的全球定位系統(GPS)接收定時信號。來自全球定位系統的定時信號充當主時鐘信號。發射器也被稱為
T D O
[0035]站12被示為包括STL接收器40、同步器42、激勵器44，以及天線46。同步器42從通過GPS天線48所示的全球定位系統(GPS)接收定時信號。
[0036]站14被示為包括STL接收器50、同步器52、激勵器54，以及天線56。同步器52從通過GPS天線58所示的全球定位系統(GPS)接收定時信號。來自全球定位系統的定時信號充當主時鐘信號。
[0037]圖3是可以被用來播放FM IBOC信號的演播室位置60、FM發射器位置62，以及演播室發射器鏈路(STL)64的相關組件的功能框圖。演播室位置包括，其中，演播室自動化設備84、導入器68、導出器70、激勵器輔助服務單元(EASU) 72、以及STL發射器98。發射器位置包括STL接收器104、包括激勵器引擎子系統108的數字激勵器106、以及模擬激勵器110。
[0038]在演播室位置處，演播室自動化設備向EASU提供主要節目服務(MPS)音頻92，嚮導出器提供MPS數據90，嚮導入器提供補充的節目服務(SPS)音頻88，並嚮導入器提供SPS數據86。MPS音頻充當主要音頻節目源。在混合模式下，它保留了模擬和數字傳輸中的現有的模擬無線電節目格式。也稱為節目服務數據(PSD)的MPS數據包括諸如音樂標題、歌星、專輯名稱等等的信息。補充的節目服務可包括補充的音頻內容、以及用於該服務的與節目相關的數據。
[0039]導入器包含用於提供高級應用服務(AAS)的硬體和軟體。「服務」是經由IBOC廣播信號傳送給用戶的內容，並可包括沒有被分類為MPS或SPS的任何類型的數據。AAS數據的例子包括實時交通和天氣信息、導航圖更新或其它圖像、電子節目指南、多播節目、多媒體節目、其它音頻服務及其它內容。AAS的內容可以由服務提供商94提供，服務提供商94嚮導入器提供服務數據96。服務提供商可以是位於演播室位置的廣播公司或服務和內容的來源於外部的第三方提供商。導入器可以在多個服務提供商之間建立會話連接。導入器編碼和復用服務數據86、SPS音頻88，以及SPS數據96以產生導出器鏈路數據74，該數據74又經由數據鏈路被輸出到導出器。
[0040]導出器70包含為提供用於播放的主要節目服務(MPS)以及站信息服務(SIS)所需的硬體和軟體。SIS提供諸如呼號、絕對時間、與GPS相關的位置等等之類的站信息。導出器通過音頻接口接受數字MPS音頻76，並壓縮音頻。導出器也復用MPS數據80、導出器鏈路數據74、以及經過壓縮的數字MPS音頻，以產生激勵器鏈路數據82。另外，導出器還通過其音頻接口接受模擬MPS音頻78、並對它應用預先編程的延遲，以產生延遲的模擬MPS音頻信號90。此模擬音頻可以作為用於混合IBOC廣播的備份信道來播放。延遲補償數字MPS音頻的系統延遲，使得接收器能夠在數字和模擬節目之間調配，而不會產生時間偏移。在AM傳輸系統中，由導出器將延遲的MPS音頻信號90轉換為單信號，並作為激勵器鏈路數據102的一部分直接發送到演播室和發射器間的鏈路(STL)。
[0041]EASU72從演播室自動化設備接受MPS音頻92，將它在速率方面轉換為適當的系統時鐘，並輸出信號的兩個副本，一個是數字的76，一個是模擬的78。EASU包括連接到天線75的GPS接收器。GPS接收器使得EASU能夠得到主時鐘信號，該主時鐘信號同步於激勵器的時鐘。EASU提供導出器所使用的主系統時鐘。EASU還用於在導出器發生災難性的故障並無法再運行的情況下將模擬MPS音頻繞過(或重定向)，不穿過導出器。繞過的音頻82可以被直接饋送到STL發射器，消除了停播事件。
[0042]STL發射器98接收延遲的模擬MPS音頻100和激勵器鏈路數據102。它通過STL鏈路64輸出激勵器鏈路數據和延遲的模擬MPS音頻，鏈路64可以是單向的或者雙向的。STL鏈路可以是例如數字微波或乙太網鏈路，並可以使用標準用戶數據報協議(UDP)或標準傳輸控制協議(TCP)。
[0043]發射器位置包括STL接收器104、激勵器106以及模擬激勵器110。STL接收器104通過STL鏈路64接收包括音頻和數據信號的激勵器鏈路數據以及命令和控制消息。將激勵器鏈路數據傳遞到產生IBOC波形的激勵器106。激勵器包括主機處理器、數字向上變頻器、RF向上變頻器、以及激勵器引擎子系統108。激勵器引擎接受激勵器鏈路數據，並調製IBOC DAB波形的數字部分。激勵器106的數字向上變頻器將激勵器引擎輸出的基帶部分從數字變換為模擬。數/模變換是基於GPS時鐘進行的，GPS時鐘與導出器的基於GPS的、從EASU得到的時鐘是共用的。如此，激勵器106還包括GPS單元以及天線107。
[0044]激勵器的RF向上變頻器將模擬信號向上變換為適當的帶內信道頻率。然後，將經過向上變換的信號被傳遞到大功率放大器112以及天線114，用於廣播。在AM傳輸系統中，激勵器引擎子系統連貫地將備份模擬MPS音頻添加到混合模式下的數字波形中；如此，AM傳輸系統不包括模擬激勵器110。另外，激勵器106還產生相位和幅度信息，並將數模信號直接輸出到大功率放大器。
[0045]在某些配置中，單塊激勵器組合導出器和激勵器引擎的功能，如圖10的廣播系統拓撲所示。在這樣的情況下，激勵器108』包含提供MPS和SIS所需的硬體和軟體。SIS與EASU72』中的GPS單元連接，以得到傳輸定時和位置信息所需的信息。激勵器108』通過其音頻接口接受來自音頻處理器210的數字MPS音頻，並壓縮該音頻。然後，此經過壓縮的音頻與在線路212上饋送給激勵器的主要節目服務數據(PSD)以及高級應用服務數據流被復用。然後，激勵器對此復用的位流執行OFDM調製，以形成HD無線電波形的數字部分。激勵器還通過其音頻接口從音頻處理器214接受模擬MPS音頻，並應用預先編程的延遲。此音頻作為混合配置中的備份信道來播放。延遲補償數字MPS音頻中的數字系統延遲，使得接收器能夠在數字和模擬節目之間混合，而不會產生時間偏移。延遲的模擬MPS音頻被發送到STL，或直接發送到模擬激勵器110。
[0046]可以在兩個基本拓撲中部署廣播系統的組件，如圖10和11所示。在單頻率網絡的上下文中，可以將演播室位置視為源，而可以將發射位置視為節點。在不顯著地增大STL鏈路的帶寬以適應額外的HD無線電音頻信道的情況下，圖10所示出的單塊拓撲不能支持AAS服務。然而，圖11所示出的導出器70/激勵器引擎109拓撲自然地支持添加AAS服務，因為AAS音頻/數據被首先處理，並被復用到現有的E2X鏈路上，而不額外地將STL帶寬要求增大到高於MPS服務所需要的帶寬要求。在圖12中更詳細地示出了此拓撲。
[0047]圖3、10、11以及12中的彼此相當的項目具有相同項目號。
[0048]使用各種波形，可以在AM和FM無線電頻帶中發射IBOC信號。波形包括FM混合IBOC DAB波形、FM全數字IBOC DAB波形、AM混合IBOC DAB波形，以及AM全數字IBOC DAB波形。
[0049]圖4示出了可以被用來實施本發明的導出器系統120和激勵器引擎系統122的某些部分的基本框圖，以強調整個系統中的時鐘信號的配置示出。導出器系統被示為包括嵌入式導出器124、導出器主機126、鎖相迴路(PLU128，以及GPS接收器130。音頻卡132接收線路134上的模擬音頻，並將模擬音頻發送到總線136上的導出器主機。導出器主機將延遲的模擬音頻發回到音頻卡132。音頻卡132將延遲的模擬音頻發送到線路138上的模擬激勵器。
[0050]音頻卡140接收線路142上的數字音頻，並將數字音頻發送到總線144上的導出器主機。導出器主機將解壓縮的數字音頻發回到音頻卡140。可以在線路146上監視數字音頻。
[0051]在線路148上將AAS數據提供給導出器主機。GPS接收器被耦合到GPS天線150，以接收GPS信號。GPS接收器在線路152上產生每秒一個脈衝(1-PPS)的時鐘信號，並在線路154上產生IOMHz信號。PLL將44.1時鐘信號提供給音頻卡。導出器主機在線路156上將導出器到激勵器引擎(E2X)數據發送到激勵器引擎。
[0052]激勵器引擎系統被示為包括嵌入式激勵器引擎158、激勵器引擎主機160、數字向上變頻器(DUC) 162、RF向上變頻器(RUC) 164，以及GPS接收器168。GPS接收器被耦合到GPS天線170，以接收GPS信號。GPS接收器在線路172上產生每秒一個脈衝(1-PPS)的時
鍾信號。
[0053]一般而言，激勵器基本上是導出器和激勵器引擎在單一箱子中，組合有導出器主機以及激勵器引擎主機功能。同樣，在一種實現中，GPS單元和各種PLL可以駐留在EASU中。然而，在圖4中，為簡明起見，它們被示為駐留在導出器和激勵器引擎中。
[0054]從圖4可以看出，DUC和音頻卡都由相同的IOMHz時鐘進行驅動，如果它們兩者都GPS同步到GPSl-PPS信號。導出器主機和激勵器引擎主機兩者都可以訪問每秒一個脈衝(1-PPS)的時鐘信號。此時鐘信號被用來將準確的開始觸發器提供給音頻採樣和波形開始兩者。在導出器主機中，1-PPS時鐘信號被用來生成與站信息服務(SIS)數據一起傳輸的時間信號(ALFN)。此系統的一個方面是模擬音頻和數字音頻之間的相對延遲。
[0055]圖13示出了此定時的簡圖。在h，音頻卡開始收集模擬和數字音頻樣本兩者。對於數字通路，這些樣本在它們可以在、被處理和以無線方式傳輸之前首先被緩衝和壓縮。緩衝區長度正好是I數據機幀或?1.4861秒，並且處理延遲大約是0.55秒。一旦接收到數位訊號，接收器正好要花3個數據機幀(或?4.4582秒)來處理數位訊號，並使數字音頻在tf可用。因此，為了使模擬和數位訊號被時間對準，在tf，模擬音頻必須被延遲4個數據機幀加任何激勵器處理延遲(?6.5秒)之後才能被傳輸。任何模擬音頻處理延遲或傳播延遲都沒有被表示，因為它們太小，難以被表示，但是當嘗試同步啟動多個發射位置時,可能需要考慮。
[0056]從軟體角度來看，如此處前面所引用的NRSC-5文件所描述的，根據邏輯協議堆棧，執行HD無線電廣播內容的封裝和調製。此多線程環境，當用於需要高度準確並可重複的啟動定時的系統中時，具有一個主要缺點，因為給每一個線程指定了時間片斷，且作業系統協調和調度何時進行特定線程，導致接收線程處理數據的固有偏差。這在層I (調製層)是最關鍵的，其中，DUC不被啟動，直到在它處理了第一數據幀之後。作為結果，在當音頻卡開始收集樣本時和當DUC開始輸出樣本時之間存在固有的抖動。每當系統被重新啟動時，此抖動本身表現為模擬/數字未對準。觀察到啟動抖動差不多有20msec。執行層4到層I中的功能的嵌入式導出器使原始多線程方法改進，將整個系統的定時縮小為更確定性的:啟動抖動現在在大約Imsec內。雖然啟動抖動已經被顯著地縮小,但是,若沒有音頻採樣的開始和DUC波形的開始之間的某種類型的同步，則它永遠不會被消除。此處所描述的用於SFN的系統設計解決了此固有的啟動定時易變性。
[0057]基於系統要求，此設計有四個主要方面:波形準確性、時間對準、頻率對準，以及可調節性。依次解決這些方面中的每一個方面。
[0058]波形準確性
[0059]關于波形準確性，因為由每一個發射器廣播的時域波形必須是相同的，每一個OFDM符號不能只是時間對準的，而是必須包含相同的信息。SFN中的每一個發射器都必須在相同時間輻射相同的OFDM符號，使得數據在時域中是同步的。OFDM符號的準確性意味著，必須以相同的方式處理信息(音頻和數據兩者)。即，在用於HD無線電系統中的分層系統架構中，被調製的每一個層I協議數據單元(PDU)必須是位準確的。
[0060]儘管圖10所示出的單塊拓撲對於使得現有的SFN能夠逐漸遷移到HD無線電廣播是有利的，但是，從波形準確性的觀點來看是不切實際的。首先，音頻編解碼器顯示滯後，並且在不查看輸入的歷史的情況下，無法預測輸出。這意味著，如果網絡的一個節點在與其它節點不同的時間被啟動，則來自音頻編解碼器的輸出可以是不同的，即使輸入系統的音頻信號是完全對準的。其次，輸入系統的PSD信息是非確定性的，並且還顯示了滯後。最後，單塊拓撲不會輕鬆地允許使用高級功能。
[0061]給定了單塊拓撲的上面的缺點，用於支持SFN的邏輯選擇是圖11和12所示出的導出器/激勵器引擎拓撲。在此拓撲中，從單一點處理用於每一個網絡節點的所有源材料，產生位準確的層irou，因為層I處理是確定性的(即，顯示不滯後)，在給定相同輸入的情況下，每一個激勵器弓I擎節點都將產生相同的波形。[0062]導出器/激勵器引擎拓撲不限於單一的導出器激勵器引擎對，而是導出器軟體被設計成向多個激勵器引擎發送相同數據。必須小心，保證所支持的激勵器引擎(節點)的數量不會超出系統的定時限制。如果節點的數量變多，則必須將UDP廣播或多播能力添加到廣播系統中。
[0063]時間對準
[0064]關於時間對準，必須在SFN的每一個節點處產生相同的OFDM波形，SFN中的每一個節點必須確保它正好同時正在傳輸相同的OFDM符號。如在此描述中所使用的，節點是指演播室STL發射器，以及遠程站發射器。
[0065]同步啟動和異步啟動兩者都必須被解決。同步啟動是每一個節點處的激勵器引擎在線並在導出器上線之前等待接收數據。異步啟動是在導出器在線之後在任何任意時間單個節點處的激勵器引擎上線的情況。在這兩種情況下，必須保證所有節點處的OFDM波形的絕對時間對準。另外，時間對準的任何方法都必須對於網絡抖動是強健的，並解決每一個網絡節點的不同的網絡路徑延遲。
[0066]在大多數以前已知的SFN實現中，將發送到每一個節點的某些額外數據添加到STL鏈路中。此另外的數據基本上是時間參考信號。在每一個節點處，OFDM調製器使用此時間戳來計算本地延遲，以便實現公共無線廣播時間。然而，本發明的方法利用1-PPS GPS時鐘信號和與每一個數據幀相關聯的ALFN時間之間的某些關係或幾何數據(geometry)以保證絕對時間對準，而無需跨E2X鏈路發送額外的定時信息。
[0067]SFN要求，如果激勵器位置彼此以及與主要並且是唯一的導出器異步地上線，則保留位置之間的絕對時間對準。如此，同步啟動(激勵器位置在導出器上線之前在線)和異步啟動兩者都需要保留波形對準。即，網絡上的每個激勵器都將在與每一個其它激勵器相同瞬間產生相同波形。
[0068]這裡所描述的方法依賴於GPS接收器在需要被對準的每一個位置是有效的，並且是鎖定的。GPS接收器提供每秒一個脈衝(1-PPS)硬體信號，該信號將跨平臺地產生時間對準，並且來自GPS的IOMHz信號將跨平臺地產生頻率和相位對準。波形將在絕對層I幀編號(ALFN)對準和開始，ALFN是一個有理數(44100/65536)乘以自從GPS開始時間1980年
I月6上午12:00以來的秒數的索引。導出器中的主要節目服務(MPS)音頻的開始是受控制的，使得波形可以在ALFN時間邊界開始，帶有同步啟動(激勵器引擎已經上線並在等待)或者異步啟動(在導出器有效之後的任何任意時間激勵器引擎在線)。
[0069]可以被用來確保數字波形在準確的ALFN時間邊界開始的一個機制是將數字向上變頻器(DUC)置於其中可以向DUC提供偏移的操作模式。偏移控制DUC波形何時將在下一1-PPS信號之後開始，下一 1-PPS信號是在中斷線上被輸入的。1-PPS信號被輸入到DUC，作為對控制DUC的固件處理器的中斷。在DUC驅動器電平，給DUC固件處理器提供「要在下一 1-PPS之後開始的毫微秒數」值，該值具有大約17毫微秒的解析度。時間量被變換為DUC固件處理器的59.535MHz時鐘周期的數量。用於啟動的這種類型的DUC 「待發狀態」或設置將使得對於DUC波形的「硬體級」時間能夠同步啟動。
[0070]知道第一音頻樣本的準確時間是十分重要的，以便使音頻開始時間到波形開始時間保持恆定。某些音頻卡可以被以與DUC硬體被待命中斷和觸發相似的方式來待命中斷和觸發。沒有硬體觸發器的音頻卡的一個例子是iBiquity參考音頻卡。代替硬體觸發，音頻卡驅動器在音頻卡被啟動時獲取主機處理器的64位循環計數。當輸入1-PPS信號時，也獲取主機處理器的循環計數，如此，存在將音頻開始採樣的時間與GPS時間相關聯的機制。首選的方法會是將音頻採樣直接與1-PPS信號關聯。
[0071]只要音頻卡在3個潛在的1-PPS信號中的一個之前幾百毫秒被啟動，那麼，將存在一個幾何數據，使得當在激勵器引擎處接收數據消息時，在下一 ALFN之前將會有唯一的單一 1-PPS信號，有足夠時間利用對於下一 ALFN必要的延遲緩衝，以待命中斷DUC。在圖14中示出了這種同步「可啟動的」幾何數據的例子。在異步啟動的情況下，已經建立了邏輯組幀。但是因為在ALFN和1-PPS信號之間沒有整數關係，並且導出器的啟動時間是未知的，因此，1-PPS和正確的ALFN之間的相位也是未知的。只要導出器中的音頻卡在適當的1-PPS信號之前?0.9秒被啟動，就可以建立一個幾何數據，使得即時的ALFN或下一 ALFN將顯示啟動DUC所需的適當的1-PPS與ALFN關係。在圖15中示出了此情況的例子。
[0072]圖5是用於驗證跨平臺同步的拆分配置導出器平臺180和激勵器引擎平臺182的框圖。從圖5可以看出，導出器和激勵器引擎平臺各自具有GPS接收器184、186，它們都被引用到公共時基(即，主時鐘)。在導出器平臺中，由GPS接收器單元所產生的1-PPS脈衝被定向到並行埠引腳188，並被輸入到導出器主機代碼。應該理解，圖5的框圖示出了可以以許多方式實現的功能集合。
[0073]—個優選的實現使用在導出器平臺和激勵器引擎平臺上被稱為TSMX的時空管理軟體模塊。同步啟動應用中的TSMX模塊的角色是收集帶有1-PPS信號的64位循環計數的GPS時間信息，並將所有該信息提供給音頻層(在導出器平臺上)或激勵器引擎II類代碼(在激勵器引擎平臺上)。當在並行埠上輸入1-PPS信號時，TSMX模塊190經由串行埠將來自GPS硬體的時間戳精確地附加到64位循環計數。這會將必要的信息提供給音頻層192，以便可以嘗試同步啟動。將來自音頻層的音頻信息傳遞給嵌入式導出器194，並通過數據鏈路復用器196傳輸到激勵器引擎。
[0074]在激勵器引擎平臺上，DUC硬體198包括作為硬體級中斷信號，從GPS接收器輸入1-PPS硬體信號的機制。在輸入端，此信息被蓋上時間戳(64位循環計數)，並被發送到TSMX模塊200。TSMX模塊將GPS時間與最後一個1-PPS的64比特循環計數封裝在一起，使它們對激勵器引擎II類代碼可用，以計算適當的開始時間。利用此機制，導出器平臺和激勵器引擎平臺兩者都基本上在公共時基上。下面將描述1-PPS時鐘信號和ALFN定時之間的定時關係。
[0075]潛在的ALFN時間(準確時間，每1.486077秒)與1-PPS時間是完全異步的。如此，為了處理任何任意系統開始時間，同步啟動算法必須處理任何可能的1-PPS和ALFN時間幾何數據。
[0076]可以表明，只要音頻卡在3個潛在的1-PPS信號中的一個之前幾百毫秒被啟動，那麼將存在一個定時幾何數據，使得當在激勵器引擎處接收數據消息時，在下一 ALFN之前將會有唯一的單一 1-PPS信號，有足夠時間待命中斷或設置DUC以在下一 ALFN時間開始。
[0077]為了確保1-PPS和ALFN時間的「可啟動的」幾何數據，已經開發了一個定理，該定理限制了 ALFN時間和用於同步啟動的任何3個連續的1-PPS之間的距離。ALFN時間、1-PPS和音頻開始的「可啟動的」幾何數據是在下一 1-PPS之前幾百毫秒首先發生音頻開始採樣。在該1-PPS上，利用該1-PPS之後的必要的延遲來待命中斷DUC，以開始波形，使得波形在下一準確的ALFN時間過渡為通。
[0078]如果波形在ALFN時間開始，那麼ALFN時間必須在該1-PPS之後超過某一數值，使得可以待命中斷DUC。
[0079]ALFN時間可以被表示成:
[0080]am = ( α / β ) m
[0081]其中，β < α < 2 β和m是通常僅被稱為ALFN的ALFN索弓丨。在我們的特定情況下，α =65536，並且，β =44100。對於每個η，存在三個連續的整數，η、η+1、η+2，使得p e {η,η+1，η+2}，以及
[0082]am-p < 2-(α/β)
[0083]這暗示，在任何任意系統開始時間的3個1-PPS內存在幾何數據，不管任意的AFLN時間/1-PPS幾何數據，其中，ALFN時間和1-PPS之間的差小於?0.5139秒。這使得能夠設置幾何數據，其中，音頻開始在1-PPS之前發生，ALFN時間在1-PPS之後0.5139秒內發生。
[0084]從系統角度來看，這是重要的，因為導出器將計算幾何數據，並將能夠在1-PPS之前不久開始音頻採樣，其中，ALFN時間在0.5139秒內。這將使音頻開始到波形開始保持儘可能小，而同時仍保持音頻開始/1-PPS/ALFN時間幾何數據。在一個特定系統中，音頻開始到波形開始是0.9秒。
[0085]圖6是導出器與激勵器同步啟動操作中的主要組件的時間線。如圖6所示，導出器將等待1-PPS發生，並將此叫做設置1-PPS。此時，L5導出器代碼不知道1-PPS和ALFN時間的定時關係。如果下一 ALFN時間落在被標記為「使用pps η的區域」的區域中，則音頻將在下一 1-PPS之前0.9秒被開始。如果下一 ALFN時間在標記為「使用pps η+2」的區域的相鄰區域中發生，那麼音頻開始將被延遲，直到標記為「音頻採樣開始」的行中的被標記為「使用pps η+2的區域」的區域。這種啟動方案將被延遲的原因是為了在音頻開始和ALFN時間之間發生1-PPS，以開始波形。如果不在這頭2個區域，ALFN時間可能發生的唯一其它可能的地方位於標記為「使用pps η+1的區域」的區域。如果使用此開始方案，那麼，音頻開始將在標記為「使用PPS η+1的區域」區域發生。
[0086]選擇0.9秒時段，以滿足同步啟動和異步啟動條件。異步情況涉及有效的導出器以及此後上線的激勵器引擎。在此情況下，已經由導出器建立邏輯組幀，然而，在激勵器引擎啟動時間，我們不知道1-PPS與ALFN時間的相位關係。
[0087]在異步啟動的情況下，已經建立了邏輯組幀。但是因為在ALFN和1-PPS之間沒有整數關係，並且導出器的啟動時間是未知的，因此，1-PPS和正確的ALFN時間之間的相位也是未知的。可以表明，只要導出器中的音頻卡在適當的1-PPS信號之前?0.9秒被啟動，就可以建立一個幾何數據，使得即時的ALFN時間或下一 ALFN時間將顯示啟動DUC所需的適當的1-PPS與ALFN時間關係。
[0088]圖7是導出器與激勵器異步啟動操作中的主要組件的時間線。在圖7中，在頂行示出了通過ALFN時間分隔的ALFN索引(m、m+l、m+2、...)，導出器定時在下面，激勵器引擎定時在導出器定時下面。底行示出了對於對應的ALFN (m、m+l、或者m+2)的支持的區域。黑格子線和標記為「I秒」的框旨在示出ALFN時間和1-PPS信號之間的可能的許多幾何數據。重要的是要認識到，如果導出器如導出器行所描述的那樣已經設置初始定時(在ALFN時間之前0.9秒啟動音頻)，那麼，不管激勵器引擎何時在線，它們都應該在該ALFN時間之前大約0.7秒接收用於下一 ALFN時間波形輸出的數據。然後，根據底行，如果下一 1-PPS發生在標記為「PPS在這裡，使用下一 ALFN」的區域，則下一 ALFN時間將是波形開始時間。如果情況不是這樣的，那麼，可能需要跳過一個數據機幀(正好I個ALFN時間)，並期待下一ALFN時間，以開始波形。如果將所有1-PPS線移動到一起，則可以觀察到在特定ALFN時間用於開始波形的ι-pps支持的區域。
[0089]圖7示出了需要0.9秒來建立一個幾何數據，使得當發生異步啟動時，可以使用即時的ALFN (m)時間或下一 ALFN (m+1)時間來作為波形開始時間。參考系統上的一種特定實現大約要花200毫秒將時鐘消息從音頻開始轉移到激勵器引擎。
[0090]查看問題的約束的另一種方式如下。如果我們期望在候選的ALFN時間之前找到激勵器引擎的令人滿意的待發狀態時間，那麼，在滿足下列公式的點
[0091]am-pn = arm- ε ,
[0092](其中，arm是在下一Pn1-PPS與ALFN時間an的待發狀態時間差，ε是保護時間間隔)，差太小並且我們必須使用下一 ALFN時間。管理該邊界的等式將是
[0093]am+1-pn+2 ≤ ε
[0094]從上面的等式代入，我們發現
[0095]arm ^ 2~ ( a / β )
[0096]如果我們移動暗的1-PPS線的序列，使得在第一 「 I秒」區域的劍背後沿有一個，
[0097]am-pn≤ ε
[0098]那麼
[0099]am+1-pn+1 = δ
[0100]但是，下列等式也成立
[0101]am+1-pn+1 ≤ arm- ε
[0102]求解δ，我們得到
[0103]δ ≥(α /β )-1+ ε
[0104]如此，選擇arm為0.7，ε的保護時間間隔為25毫秒，將把音頻開始到波形開始置為大約0.9，並給出足夠的空間來支持第一 ALFN時間開始或者第二 ALFN時間開始。
[0105]可以基於arm值、1-PPS，以及當我們清楚要進行計算時我們處於什麼時間，即，在時鐘信號已經到達激勵器引擎之後，簡單地計算可用於開始波形的ALFN時間。然而，在檢查各幾何數據並取決於arm值有多小之後，在出現啟動幾何數據之前，其未來可以是多個ALFN時間。
[0106]圖8示出了導出器與激勵器同步中的主要組件的時間線。這裡，通過大體一致地移動1-PPS線，可以看出，如果我們選擇太小的音頻開始到波形開始時間間隔，可能不能找到有1-PPS和ALFN時間的可啟動的幾何數據的解決方案。對於這裡所描述的例子，0.9或
0.8秒的音頻開始到波形開始時間足以保證多個ALFN時間內的可啟動的幾何數據。
[0107]本發明提供了不要求與傳輸的數據一起發送定時信息的同步方法。所描述的方法的一種實現可以依賴於硬體組件中的某些特徵，以確保可以計算準確的定時。首先，音頻卡必須具有將允許它們要麼在1-PPS信號上被啟動或延遲啟動的硬體觸發器，或者替換地音頻卡必須在它們開始採樣時記錄循環計數，如此，可以執行準確的定時計算。儘管可以使用記錄循環計數的音頻卡，但是，硬體觸發器是強健得多的方法。[0108]頻率對準
[0109]對於具有GPS鎖定的傳輸設施的聯網系統，總的絕對數字載波頻率誤差必須在±1.3Hz內。對於具有非GPS鎖定的傳輸設施的系統，總的絕對數字載波頻率誤差必須在± 130Hz 內。
[0110]可調節件
[0111]SFN要求在每一個激勵器處調節波形定時的能力，以引入各位置之間的相位延遲。這些相位延遲可以被用於調節準確的覆蓋區域輪廓。
[0112]一旦完成了發射器位置之間的波形同步，就可以使用每一個位置處的相位調節，以形成重疊覆蓋區的輪廓。在不相等的發射器功率平衡的情況下，在相等場強的點不位於相等距離點的情況下，其中一個發射器處的信號延遲必須被有意而準確地改變。這會改變延遲曲線相對於信號電平曲線的位置，消除了有問題的區域或使得它們能夠轉移到諸如山頂或水體上方之類的沒人居住的地區。
[0113]為了促進該對SFN的「調諧」，已經向激勵器引擎軟體中添加了滑動緩衝器(如圖9所示)，使得延遲能夠被調節到IFM樣本或1.344 μ sec的解析度，或傳播延遲的1/4英裡和高達總延遲補償的±23.22毫秒，或大約傳播延遲的±4300英裡。
[0114]滑動緩衝器是環形緩衝器，長度為48個FM符號。由於緩衝器寫入進行一次一個符號或2160IQ樣本對，在每一個操作之後，寫入指針可以遞增符號大小，模緩衝區大小。整個緩衝器是48個符號長，並且寫入指針將始終在符號邊界換行。
[0115]必須管理緩衝器讀取，以允許高達1/4的FM塊或17280IQ樣本對的樣本滑動，前向的或反向的。對滑動緩衝器的控制只在FM塊邊界發生，即，每32FM符號或92.88毫秒。在每一個塊開始處，讀取指針前進或推後對該塊施加的樣本滑動的數量，然後，將整個數據塊讀取到輸出緩衝器中。跳過或者重複樣本，以實現所期望的滑動。通過控制界面，提供要滑動的樣本數量，以及應該對其應用滑動的塊的數量。由於讀取指針最初是在寫入指針後面17280個樣本以及在第一數據塊的末尾前面17280個樣本，在用完緩衝器的「滑動」部分之前，它可以在任一方向累加高達17280IQ樣本滑動。由於在每一個塊邊界讀取指針正在被移動任意數量的樣本，因此可以成碎塊地向輸出緩衝器進行複製。在數據已經被複製到輸出緩衝器之後，在最後一個在輸出緩衝器中返回之後，讀取指針將始終指向IQ樣本對。
[0116]儘管已經根據多個例子來描述本發明，但是對那些本領域的技術人員顯而易見的是，在不偏離如下面的權利要求所定義的本發明的範圍的情況下，可以對所公開的例子作出各種改變。上文所描述的實現及其他實現都在權利要求書的範圍內。
【權利要求】
1.一種廣播方法，包括: 使用第一發射器來發送包括與第一 GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號； 在第一遠程發射器處接收所述信號； 在所述第一遠程發射器處使所述幀同步於第二 GPS脈衝信號；以及將同步幀從所述遠程發射器傳輸到多個接收器，其中，調節由所述遠程發射器傳輸的同步幀之間的相位延遲，以相對於信號電平曲線改變信號延遲曲線，並形成所述遠程發射器的重疊覆蓋區域。
2.如權利要求1所述的方法，其中，使用樣本滑動緩衝器來實現所述相位延遲調節。
3.一種廣播方法，包括: 使用第一發射器來發送包括與第一 GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號； 在第一遠程發射器處接收所述信號； 在所述第一遠程發射器處使所述幀同步於第二 GPS脈衝信號；以及 將同步幀從所述遠程發射器傳輸到多個接收器，以及 對音頻信息進行採樣並將樣本組合為所述多個數據幀，其中，對於每一個幀的採樣在所述第一 GPS脈衝信號中的一個脈衝的預定時間內開始，並且，每一個幀與絕對層I幀編號相關聯。
4.如權利要求3所述的方法，其中，每一個幀的開始是在對應於所述絕對層I幀編號的時間被發送的。
5.一種廣播系統，包括: 第一發射器，用於發送包括與第一 GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號；以及第一遠程發射器，包括用於將所述幀與第二 GPS脈衝信號同步並用於將同步幀傳輸到多個接收器的電路，其中，調節由所述遠程發射器傳輸的同步幀之間的相位延遲，以相對於信號電平曲線改變信號延遲曲線，並形成所述遠程發射器的重疊覆蓋區域。
6.如權利要求5所述的廣播系統，其中，所述遠程發射器包括樣本滑動緩衝器，以調節同步幀的相位延遲。
7.一種廣播系統，包括:第一發射器，用於發送包括與第一 GPS脈衝信號同步的多個數據幀的信號；以及第一遠程發射器，包括用於將所述幀與第二 GPS脈衝信號同步並用於將同步幀傳輸到多個接收器的電路，其中所述第一發射器採樣音頻信息並將樣本組合為所述多個數據幀，其中，對於每一個幀的採樣在所述第一 GPS脈衝信號中的一個脈衝的預定時間內開始，並且每一個幀與絕對層I幀編號相關聯。
8.如權利要求7所述的廣播系統，其中，每一個幀的開始是在對應於所述絕對層I幀編號的時間被發送的。
9.一種使廣播系統中的平臺同步的方法，所述方法包括: 在基發射器和多個遠程發射器處接收主時鐘信號； 在所述主時鐘信號中的第一時鐘脈衝之前的預定時間間隔內在所述基發射器處開始音頻採樣； 將音頻樣本組合為音頻幀； 在所述第一時鐘脈衝之後發生的絕對層I幀編號時間，開始將所述音頻幀從所述基發射器傳輸到所述遠程發射器； 在所述遠程發射器處接收所述音頻幀；以及 從對應於絕對63層I幀編號時間的音頻幀的時間開始,從所述遠程發射器傳輸所述音頻幀。
10.如權利要求9所述的方法，其中，所述主時鐘信號包括具有每秒一個脈衝的時鐘脈衝的GPS時鐘。
11.如權利要求10所述的方法，還包括: 將偏移提供給數字向上變頻器，其中，所述偏移是在其中應該接通所述數字向上變頻器波形的下一 GPS時鐘脈衝之後的時間量。
12.如權利要求9所述的方法，其中，預定時間間隔是0.9秒。
【文檔編號】H04H20/67GK103475434SQ201310426204
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2009年12月3日 優先權日:2008年12月31日
【發明者】R·揚努利, S·D·馬特森, M·G·巴拉蘇布拉馬尼亞 申請人:艾比奎蒂數字公司