Когерентный демодулятор am-сигнала с использованием взвешенной суммы нижней боковой полосы/верхней боковой полосы для подавления помех
Изобретение относится к обработке АМ-сигналов, в частности к способам и устройствам для их демодуляции. Способ обработки АМ-радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, заключается в том, что принимают АМ-радиосигнал, демодулируют области верхней боковой полосы и нижней боковой полосы. Определяют мощность шумов демодулированных сигналов верхней боковой полосы и нижней боковой полосы посредством получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы соответственно. Взвешивают демодулированные сигналы верхней боковой полосы и нижней боковой полосы в зависимости от мощности. Суммируют взвешенные демодулированные сигналы верхней боковой полосы и нижней боковой полосы для формирования выходного сигнала. 5 н. и 19 з.п. ф-лы, 11 ил.
Область техники, в которой относится изобретение
Данное изобретение относится к обработке АМ-радиосигналов, в частности к способам и устройствам для демодуляции АМ-радиосигналов.
Уровень техники
Качество приема АМ-сигналов в вещательном диапазоне часто ухудшается из-за помех от соседних каналов (ACI). Большая часть данных помех обусловлена 10-кГц разнесением аналоговых сигналов с шириной полосы частот 20 кГц (±10 кГц), когда приблизительно половина ширины полосы частот первого соседнего аналогового сигнала перекрывает представляющий интерес сигнал (SOI).
Системы внутриполосного канального (IBOC) цифрового звукового радиовещания (DAB) разрабатывают, чтобы обеспечить плавный переход от современного аналогового АМ-радиовещания (радиовещания с амплитудной модуляцией) к полностью цифровой внутриполосной канальной системе. IBOC DAB (внутриполосное канальное цифровое звуковое радиовещание) не требует нового распределения диапазона частот, поскольку каждый сигнал IBOC DAB передается внутри спектральной маски существующего распределения каналов АМ-сигналов. IBOC DAB обеспечивает экономию спектра и одновременно позволяет радиовещательным станциям передавать звук цифрового качества существующему основному множеству слушателей.
В одной из систем IBOC DAB с амплитудной модуляцией (AM IBOC DAB), предложенной в патенте США № 5588022, применен способ одновременной передачи аналоговых и цифровых сигналов в стандартном радиовещательном канале с амплитудной модуляцией (АМ-радиовещательном канале). Данным способом передают амплитудно-модулированный радиочастотный сигнал с первым частотным спектром. Амплитудно-модулированный радиочастотный сигнал содержит первую несущую, модулированную аналоговым сигналом радиовещательной программы. Одновременно передают множество несущих сигналов с цифровой модуляцией в пределах полосы частот, которая заключает первый частотный спектр. Каждый несущий сигнал с цифровой модуляцией модулирован областью цифрового сигнала радиовещательной программы. Первая группа несущих сигналов с цифровой модуляцией заключена в пределах первого частотного спектра и модулирована квадратурно с первым несущим сигналом. Вторая и третья группы несущих сигналов с цифровой модуляцией находятся в пределах верхней и нижней боковых полос вне первого частотного спектра и модулированы как синфазно, так и квадратурно с первым несущим сигналом. Несколько несущих используют мультиплексирование с ортогональным делением частот (OFDM) для переноса передаваемой информации.
Внутриполосное канальное (IBOC) цифровое звуковое АМ-радиовещание может обострять проблему помех для обычных АМ-радиосигналов вследствие ввода цифровых боковых полос внутриполосных канальных сигналов (IBOC-сигналов) в диапазон интересующего сигнала.
Существует потребность в способе и устройстве, предназначенных для демодуляции АМ-радиосигналов и способных улучшить характеристику приемника АМ-радиосигналов при приеме подверженных помехам сигналов.
Сущность изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предложен способ обработки АМ-радиосигнала, заключающийся в том, что принимают АМ-радиосигнал, содержащий область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, демодулируют область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы, взвешивают демодулированный сигнал верхней боковой полосы и демодулированный сигнал нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы и суммируют взвешенный демодулированный сигнал верхней боковой полосы и взвешенный демодулированный сигнал нижней боковой полосы для формирования выходного сигнала.
АМ-радиосигнал можно подвергнуть фильтрации по одной боковой полосе перед этапом демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
Способ может дополнительно содержать этап, на котором определяют мощность шумов демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос перед этапом взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы. Этап определения мощности шумов демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос может содержать этапы, на которых получают кросс-корреляцию между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и получают кросс-корреляцию между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы.
Этап получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы может содержать этапы, на которых сдвигают квадратурную составляющую демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и умножают сдвинутую квадратурную составляющую демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы, и этап получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы может содержать этапы, на которых сдвигают квадратурную составляющую демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и умножают сдвинутую квадратурную составляющую демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
Этап взвешивания демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос может содержать этапы, на которых умножают демодулированный сигнал верхней боковой полосы на весовой коэффициент и умножают демодулированный сигнал нижней боковой полосы на единицу минус весовой коэффициент.
В соответствии с другим аспектом изобретения предложен способ обработки АМ-радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, при этом способ содержит этапы, на которых умножают преобразование Гильберта мнимой составляющей радиосигнала на взвешенный корректирующий сигнал для получения взвешенного сигнала и вычитают взвешенный сигнал из когерентного сигнала с двумя боковыми полосами.
В соответствии с настоящим изобретением предложены также демодуляторы для обработки АМ-радиосигнала, содержащие средство для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы АМ-радиосигнала для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы, средство для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы и средство для сложения взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы.
Демодуляторы могут дополнительно содержать средство для определения мощности шумов демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос перед взвешиванием демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос.
Средство для определения мощности шумов демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос может содержать средство для получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и средство для получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы.
Средство для получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы может содержать средство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы, и средство для получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы может содержать средство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
Средство для взвешивания демодулированных сигналов верхней и нижней боковых полос может содержать средство для умножения демодулированного сигнала верхней боковой полосы на весовой коэффициент и средство для умножения демодулированного сигнала нижней боковой полосы на единицу минус весовой коэффициент.
В соответствии с другим аспектом изобретения предложены приемники для обработки АМ-радиосигнала, содержащие средство для приема АМ-радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы, средство для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы, средство для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы и средство для сложения взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы для формирования выходного сигнала.
Приемники могут дополнительно содержать средство для фильтрации АМ-радиосигнала по одной боковой полосе перед демодуляцией области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
Приемники согласно настоящему изобретению могут автоматически производить выбор между когерентной демодуляцией нижней боковой полосы (LSB), верхней боковой полосы (USB) или двух боковых полос (DSB) в зависимости от помех. Технология сложения при максимальных отношениях (MRC) сигнал/помеха может обеспечить характеристику детектирования двух боковых полос двухполосного (DSB) детектирования при равенстве помех в боковых полосах частот.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичное представление аналогового АМ-радиосигнала и мешающего аналогового АМ-сигнала по соседнему каналу.
Фиг.2 - схематичное представление аналогового АМ-радиосигнала и мешающего IBOC-сигнала по соседнему каналу.
Фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая способ согласно настоящему изобретению.
Фиг.4 - функциональная блок-схема АМ-демодулятора, который выполнен в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.5 - функциональная блок-схема технологии частотно-избирательного суммирования в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6-9 - графики, показывающие характеристики когерентного, однополосных (SSB) и двухполосного (DSB) смешанного демодуляторов с помехой от первого соседнего канала.
Фиг. 10 - функциональная блок-схема АМ-приемника, который выполнен в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 11 - функциональная блок-схема АМ-приемника, который выполнен в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ, по которому приемник автоматически производит выбор между когерентной демодуляцией нижней боковой полосы (LSB), верхней боковой полосы (USB) или двух полос (DSB) в зависимости от помех. Дополнительно приведено описание средства для взвешивания суммы LSB и USB для получения максимального отношения звуковой сигнал/помеха (SNR). Данный способ основан на технологии сложения при максимальных отношениях (MRC) сигнал/помеха, который обеспечивает характеристику двухполосного (DSB) детектирования при равенстве помех в боковых полосах частот. Приемник может автоматически обеспечивать максимальное SNR для звукового сигнала во всевозможных режимах помех. Можно также показать, что неблагоприятное воздействие IBOC-сигналов на АМ-приемники минимально при использовании данной технологии демодуляции. Описан демодулятор только АМ-сигналов, использующий данную технологию, а также демодуляция аналоговой области с амплитудной модуляцией гибридного сигнала IBOC DAB.
На фиг.1 схематично показан представляющий интерес аналоговый АМ-радиосигнал 10, который содержит верхнюю боковую полосу 12 и нижнюю боковую полосу 14 с противоположных сторон от несущего сигнала 16 в канале 18. Мешающий АМ-сигнал 20 в соседнем канале показан с верхней боковой полосой 22, нижней боковой полосой 24 и несущей 26. Центральные частоты представляющего интерес сигнала и соседний канал разнесены на 10 кГц, и поэтому сигнал нижней боковой полосы мешающего сигнала налагается на, по меньшей мере, область верхней боковой полосы представляющего интерес сигнала.
На фиг.2 схематично показан представляющий интерес АМ-радиосигнал 28, который содержит верхнюю боковую полосу 30 и нижнюю боковую полосу 32 с противоположных сторон от несущего сигнала 34 в канале 36. Мешающий внутриполосный канальный АМ-сигнал 38 DAB в соседнем канале показан с верхней боковой полосой 40, нижней боковой полосой 42 и аналоговой модулированной несущей 44. Центральные частоты представляющего интерес сигнала и соседнего мешающего внутриполосного канального АМ-сигнала DAB разнесены на 10 кГц, и поэтому сигнал нижней боковой полосы мешающего сигнала налагается на, по меньшей мере, область верхней боковой полосы представляющего интерес сигнала.
Хотя примеры на фиг. 1 и 2 изображают помехи от соседних каналов, следует понимать, что настоящее изобретение полезно также при других сценариях помех.
На фиг.3 представлена блок-схема, иллюстрирующая способ согласно настоящему изобретению. Как показано на фиг.3, настоящее изобретение предлагает способ обработки АМ-радиосигнала. Изобретение применимо к демодуляции как только АМ-сигналов, так и аналоговой АМ-области гибридного сигнала IBOC DAB. Этап 46 изображает прием АМ-радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы. Затем область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы АМ-радиосигнала демодулируются для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы, как показано на этапе 48. Затем демодулированный сигнал верхней боковой полосы и демодулированный сигнал нижней боковой полосы взвешиваются в зависимости от мощности для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы, как показано на этапе 50. Затем взвешенный демодулированный сигнал верхней боковой полосы и взвешенный демодулированный сигнал нижней боковой полосы суммируют для формирования выходного сигнала, как показано на этапе 52.
Ниже следует более подробное описание способа согласно настоящему изобретению. Сначала рассмотрим сценарий только с АМ-сигналами, в котором представляющий интерес АМ-сигнал подвержен помехам, создаваемым вторым АМ-сигналом, например, в соседнем канале. Типичный АМ-сигнал s(t) выражается следующим уравнением:
где fc обозначает несущую частоту, и m(t) обозначает действительный аналоговый (звуковой) модулирующий сигнал, ограниченный пределами ±1.
Колебания m(t) обычно держатся приблизительно на 12 дБ ниже несущей составляющей (с несущей, нормированной к единице для удобства) вследствие обработки звукового сигнала в передатчике. В результате данной модуляции формируется сигнал с двумя симметричными боковыми полосами (DSB-сигнал) в частотной области, с удвоенной шириной полосы частот исходного звукового сигнала. Сигнал содержит нижнюю боковую полосу частот (LSB) и верхнюю боковую полосу частот (USB). Современные вещательные звуковые сигналы имеют ширину полосы, ограниченную до менее, чем 10 кГц, в результате чего формируется DSB-сигнал с шириной полосы частот менее 20 кГц.
Временные представления данных LSB- и USB-сигналов (сигналов нижней и верхней боковых полос) обозначены lsb и usb соответственно. Сигналы боковых полос можно получить из (искаженного) исходного сигнала преобразованием Гильберта или эквивалентным ему, которое дает следующее:
и 
Когерентный приемник должен обеспечивать средство для слежения за частотой и фазой несущей. Данная функция обычно выполняется системой фазовой синхронизации (PLL), которая предназначена также для восстановления собственной версии несущей в приемнике. Когерентный приемник демодулирует принимаемый сигнал перемножением восстановленной несущей и принимаемого сигнала r(t) и затем вычитает постоянную составляющую (среднее) для формирования демодулированного модулирующего сигнала 
.
где r(t)=s(t)+n'(t)
обозначает мгновенную ошибку слежения за фазой, n'(t) обозначает шумы и/или помехи, а подстрочный индекс lpf означает низкочастотную фильтрацию результата для устранения нежелательных высокочастотных артефактов. Тогда:
когда фазовая ошибка 
мала, то результат можно аппроксимировать следующим выражением:
тогда 
где n(t) содержит все шумоподобные составляющие.
Предполагается также, что шумоподобные составляющие, обусловленные ошибкой 
слежения за фазой, меньше, чем шум в канале, так что дисперсия n(t) незначительно больше, чем у n(t), что обычно имеет место. Поэтому любое ухудшение обусловлено аддитивными шумами и помехами в полосе пропускания около представляющего интерес сигнала.
Когерентную однополосную демодуляцию (SSB-демодуляцию) можно осуществлять аналогично после фильтрации одной боковой полосы (SSB-фильтрации), LSB или USB, принимаемого сигнала. Комплексную верхнюю или нижнюю боковую полосу частот можно получить преобразованием Гильберта принимаемого сигнала.
usb(t)=r(t)+i·rh(t)
=m(t)+Re{n(t)}+i·Im{n(t)}+i·[m(t)h+Re{n(t)}h+i·Im{n(t)}h]
=m(t)+Re{n(t)}-Im{n(t)}h+i·[m(t)h+Re{n(t)}h+Im{n(t)}]
lsb(t)=r(t)-i·rh(t)
=m(t)+Re{n(t)}+i·Im{n(t)}-i·[m(t)h+Re{n(t)}h+i·Im{n(t)}h]
=m(t)+Re{n(t)}+Im{n(t)}h-i·[m(t)h+Re{n(t)}h-Im{n(t)}]
где подстрочный индекс h обозначает преобразование Гильберта сигнала. Приближенные значения восстановленных USB- или LSB-сигналов m(t) представляют собой действительные части комплексных однополосных сигналов.
Затем приемник должен вычислить только действительную часть однополосных сигналов в виде:
Боковые полосы можно сложить с получением, в результате, эквивалентной DSB-демодуляции.
В данном случае особый интерес представляет случай, когда n(t) располагается несимметрично относительно несущей частоты и сказывается на одной боковой частоте сильнее, чем на другой. Такой режим часто обусловлен помехами от соседнего канала.
Сначала рассмотрим случай представляющего интерес аналогового АМ-сигнала. Приемник будет взвешивать демодулированные LSB- и USB-сигналы перед их суммированием для формирования выходного звукового сигнала. Максимальное SNR для звукового сигнала обеспечивается взвешиванием LSB и USB пропорционально их индивидуальным SNR. Весовые коэффициенты дополнительно нормируют так, чтобы сумма весовых коэффициентов составляла единицу. В предположении, что мощность сигнала имеет одинаковое значение в каждой полосе, индивидуальные весовые коэффициенты обратно пропорциональны расчетной мощности шумов в каждой боковой полосе. Пусть:
дает дисперсию шумов и помех в USB,
дает дисперсию шумов и помех в LSB.
Если весовой коэффициент b применяют к LSB, то к USB следует применить весовой коэффициент 1-b, чтобы выдержать постоянный коэффициент передачи сигнала в диапазоне. Тогда суммирование боковых полос принимает форму:
Оптимальное значение b(t) можно найти как функцию дисперсии помех плюс шумов в каждой боковой полосе частот. Предполагается, что DSB-сигнал m(t) характеризуется одинаковой мощностью в каждой боковой полосе частот. Мощность сигнала суммированных составляющих боковых полос частот и мощность шумов и помех находят через математическое ожидание и временное устранение временной зависимости. Для удобства обозначения:
=
=
=
Мощность сигнала m равна S, которая является константой. Чтобы найти значение b, которое сводит к минимуму шумы, приравнивают к нулю производную и решают уравнения относительно b.
тогда 
Поэтому выходной звуковой сигнал с максимальным SNR в условиях налагаемых фильтрами ограничений аппроксимируется выражением:
Весовой коэффициент b зависит от оценки дисперсии шумов и/или помех в каждой боковой полосе (в данном описании помехи включают в себя шумы). На практике невозможно оценить помехи в каждой боковой полосе независимо, поскольку помехи неотличимы от сигнала. Однако использование некоторых свойств DSB-модуляции дает метод оценки. Идеальный звуковой DSB-сигнал m(t) содержит только синфазную сигнальную составляющую и нулевую квадратурную составляющую. Любая помеха, не коррелируемая с m(t), будет присутствовать с одинаковыми дисперсиями как в синфазной, так и в квадратурной составляющих. Следовательно, половину помех можно наблюдать в квадратурной составляющей принимаемого сигнала, а другая половина скрыта в синфазной составляющей вместе с m(t).
Одна лишь квадратурная составляющая шумов не достаточна для определения уровня помех в каждой боковой полосе. Однако можно найти кросс-корреляцию данной квадратурной составляющей с каждой боковой полосой для статистического определения относительной степени засорения каждой боковой полосы. Данные кросс-корреляции можно вычислить посредством перемножения во временной области преобразования Гильберта квадратурной составляющей с каждой боковой полосой и затем низкочастотной фильтрации результатов в течение достаточно продолжительного времени для оценки кросс-корреляции LSB и USB с квадратурными помехами. Можно применить низкочастотный фильтр с бесконечной импульсной характеристикой (IIR) и постоянной τ времени затухания около одной секунды. Преобразование Гильберта квадратурной составляющей, определяемое как Im{r(t)}h=Im{n(t)}h, представляет интерес потому, что процесс SSB-демодуляции соответственно преобразует ее помехи. Составляющая Im{n(t)}h уже вычислена в процессе USB- или LSB-демодуляции. Кросс-корреляции для USB и LSB можно представить как:
Результаты данных корреляций можно анализировать с использованием математического ожидания вместо зависимости от временной фильтрации:
=
=
=
и аналогично,
Если помехи определенно присутствуют в одной боковой полосе, при нулевых помехах в другой боковой полосе, то математическое ожидание 
равно 
, причем знак зависит от того, в какой боковой полосе, LSB или USB, соответственно, имеются шумы. Если шумы поровну распределены в обеих боковых полосах, но не коррелируются, то 
. Данные результаты обусловлены свойствами преобразования Гильберта. Приведенные результаты кросс-корреляции статистически пропорциональны дисперсии или мощности помех в каждой боковой полосе. Поэтому кросс-корреляции можно использовать при определении весового коэффициента b(t).
Временную задержку можно вводить в тракт сигнала перед взвешиванием для компенсации задержки фильтра, применяемого для вычисления b(t). Приемник выполняет усреднение по времени для оценки шумовых составляющих в USB и LSB при вычислении b(t).
Настоящее изобретение применимо также к демодуляции гибридных сигналов IBOC DAB. Различие между демодуляцией гибридных сигналов IBOC DAB и аналоговых сигналов заключается в добавлении квадратурных дополняющих поднесущих d(t) под аналоговым сигналом. Данные поднесущие не содержат действительной составляющей и должны интерпретироваться иначе, чем шумы или помехи. USB- и LSB-сигналы в сценарии с гибридным сигналом DAB имеют вид:
Суммирование USB и LSB, взвешенных с коэффициентами соответственно b и 1-b, дает:
Для упрощения определим новую составляющую c(t) в виде:
c(t)=2·b(t)-1, тогда
Выражение в приведенной форме показывает, что демодулированный выходной сигнал представляет собой когерентный демодулированный DSB-сигнал Re{n(t)}, из которого вычитается составляющая помех, образованная асимметрией боковых полос Im{r(t)}h, умноженной на весовой коэффициент c(t). Ниже приведено описание некоторых свойств c(t). Разделим шумы на составляющие LSB и USB.
Тогда
; или эквивалентно,
Пусть x(t) и y(t) обозначают действительные части, соответственно nlsb(t) и nusb(t). Тогда однополосные составляющие шумов выражаются как функции преобразований Гильберта:
nlsb(f)=x(t)-i·x(t)h; и 
Выражение для 
эквивалентно нижеприведенному:
где 
Выше показано, что c(t) обеспечивает минимальный шум. Кроме того, очевидно, что -1(t), c(t)=1, когда все шумы приходятся на USB, c(t)=-1, когда все шумы приходятся на USB, и c(t)=0, когда шумы в LSB равны шумам в USB.
Взятие математических ожиданий для определения мощности суммированного сигнала и временное исключение зависимости от времени дает:
Исключение мощности сигнала m(t) оставляет только шумоподобные составляющие, которые следует сводить к минимуму.
Значение c, обеспечивающее минимум присутствующих шумов, находят приравниванием к нулю производной выражения для шумов и последующим решением относительно c.
; где 
Следует отметить, что, если 
=0, и это подразумевает, что шумы в USB и LSB не коррелированы с одинаковой дисперсией, то результат эквивалентен DSB-демодуляции. Поскольку аналоговый сигнал, помехи и квадратурные цифровые поднесущие предполагаются некоррелируемыми, то математическое ожидание в числителе последнего выражения можно заменить следующим образом:
=
и математические ожидания в знаменателе можно заменить следующим образом:
= 
Поэтому способ для вычисления c принимает вид:
Поскольку помехи изменяются со временем, замену математических ожиданий в практических вариантах осуществления выполняют с помощью низкочастотного фильтра.
В практических вариантах осуществления, возможно также потребуется обеспечить c(t)=0, когда помехи невелики, поскольку оценки кросс-корреляции, получаемые за короткий период, засорены m(t). Кроме того, возможно также потребуется обеспечить c(t)=±1, когда помехи преобладают в одной боковой полосе частот. Практическое выражение для c(t) можно видоизменить следующим образом:
с условием 
где P≅0,004 для гибридного сигнала, или P≅0,00004 для аналогового сигнала (несущая=-1).
Функциональная блок-схема опережающей коррекции для адаптивного демодулятора АМ-сигналов со взвешиванием в боковой полосе частот показана на фиг. 4. Как показано на фиг. 4, сигнал принимается по линии 54 и разделяется на действительную и мнимую составляющие на этапах, изображенных блоками 56 и 58. Действительную составляющую сигнала можно задержать, как показано на этапе, изображенном блоком 60, для формирования задержанного сигнала в линии 62. Преобразование Гильберта можно выполнить на мнимом сигнале, как показано на этапе, обозначенном блоком 64, для формирования преобразованного сигнала в линии 66. Сигналы в линиях 62 и 66 используют для вычисления коэффициента C(t-τ), как показано на этапе, обозначенном блоком 68. Далее, как показано на этапе 70, можно дополнительно ввести задержку в преобразованный сигнал в линии 66, объединить данный сигнал с коэффициентом C(t-τ) в смесителе 72, и суммировать результирующий сигнал в линии 74 с действительной составляющей в точке 76 суммирования для формирования выходного сигнала в линии 78. В действительную составляющую можно ввести дополнительную задержку 80 перед сложением с сигналом в линии 74.
Предполагается, что принимаемый сигнал r(t) синхронизирован по фазе с АМ-несущей, поэтому действительную и мнимую составляющие r(t) можно разделить на основной полосе частот. Задержку τ1 вводят из-за того, что фильтр на основе преобразования Гильберта вызывает задержку, чтобы сделать его причинным. Дополнительная задержка τ2 повышает точность согласования сигнала с задержкой низкочастотного фильтра (LPF), используемого для вычисления корректирующего весового коэффициента c(t). Член выражения P, применяемый при вычислении c(t), заставляет весовой коэффициент стремиться к нулю при DSB-демодуляции, когда шумы малы. Если неизвестно, каким, гибридным или аналоговым, является принимаемый сигнал, то рекомендуется применять более высокое значение P.
Суммарная мощность шумов и помех в демодулированном выходном сигнале важна потому, что сигнал можно дополнительно обрабатывать для ослабления влияния шумов. В частности, ширину полосы после детектирования можно сужать, когда шумы становятся сильнее. Для суммарного шума на выходе выведено следующее выражение:
Данные шумы можно точно оценить только для аналогового сигнала. В предположении 
и 
члены выражения можно вычислить следующим образом:
К сожалению, шумы для аналоговой области гибридного сигнала можно всего лишь аппроксимировать, поскольку 
и отсутствует практический способ для оценки одной составляющей 
В качестве грубой аппроксимации, вышеприведенное выражение для шумов можно применить для ограничения шумов сверху в случае гибридного сигнала. Данные шумы завышены при гибридном сигнале, поскольку шумы квадратурной цифровой поднесущей отсутствуют в действительной составляющей сигнала. Когда значение c достигает ±1, данная ошибка устраняется и преобладают помехи. Но если c близко к нулю, то шумы квадратурной цифровой поднесущей подавлены в демодулированном выходном сигнале m(t), а выражение для шумов не объясняет данное подавление. Однако данный эффект может быть несущественным, если ограничение ширины полосы частот применяется только, когда расчетные помехи превосходят шумы квадратурной цифровой поднесущей.
Дополнительного повышения SNR звукового сигнала можно добиться частотно-избирательным сложением USB и LSB. Поскольку спектральная плотность мощности (PSD) помех обычно не равномерна по ширине полосы частот звукового сигнала, то частотно-избирательное сложение может максимально повысить SNR в нескольких частотных поддиапазонах, которые составляют ширину полосы частот звукового сигнала. Один практически осуществимый способ решения данной задачи заключается в использовании свойств квадратурных зеркальных фильтров (QMF). Свойство QMF состоит в том, что сумма данных фильтров, обладающих перекрывающимися частотными поддиапазонами, дает в совокупности плоскую характеристику по ширине полосы частот звукового сигнала.
Приведенный в настоящем описании способ суммирования боковых полос частот применяют просто в каждом поддиапазоне сигнала r(t) пропусканием через группу QMF, охватывающих максимальную необходимую ширину полосы частот звукового сигнала. В частности,
где подстрочный индекс QMFn означает, что сигнал обрабатывается после фильтрации n-ым QMF-фильтром. Поскольку выполняется вычисление n значений cQMFn(t), по одному для каждого поддипазона, то сложение применяют для каждого поддиапазона. Шумы в каждом суммируемом поддиапазоне можно также оценить (точно вычислить для идеального только аналогового представляющего интерес сигнала (SOI) или ограничить сверху для гибридного представляющего интерес сигнала).
Шумы можно ослабить дополнительно ограничением полосы частот в зависимости от оценки шумов в каждом поддиапазоне. Например, ограничение полосы частот можно выполнить подавлением высокочастотных выходных составляющих QMF в процессе сложения в зависимости от шумов. Например,
где gQMFn устанавливает "излом" функции подавления шумов для n-го поддиапазона.
Функциональная блок-схема технологии сложения частотных поддиапазонов показана на фиг. 5. На фиг. 5 сигнал r(t) принимается по линии 82 и пропускается через множество пар полосовых фильтров 84, 86 и 88 для формирования множества фильтрованных сигналов в линиях 90, 92 и 94. Фильтрованные сигналы демодулируются показанными демодуляторами 96, 98 и 100 и демодулированные сигналы в линиях 102, 104 и 106 суммируются для формирования выходного сигнала в линии 108.
На фиг. 6-9 показаны характеристики АМ-демодулятора в разных режимах помех. На вертикальных осях отложены значения SNR в дБ аналогового звукового сигнала, а горизонтальные оси дают отношение искомого сигнала к первому соседнему источнику помех в дБ. Графики представляют отдельные характеристики когерентного DSB-демодулятора, USB-демодулятора, LSB-демодулятора и предлагаемого (смешанного) демодулятора со взвешиванием в боковой полосе частот. Значение весового коэффициента c(t) также показано в масштабе с умножением на 10. На фиг. 6 представлен график только аналогового представляющего интерес сигнала (SOI) с только аналоговым первым соседним источником помех. На фиг. 7 представлен график характеристики представляющего интерес гибридного IBOC-сигнала с только аналоговым первым соседним источником помех. На фиг. 8 представлен график характеристики только аналогового представляющего интерес сигнала с гибридным IBOC-сигналом от первого соседнего источника помех. На фиг. 9 представлен график характеристики представляющего интерес гибридного IBOC-сигнала с гибридным IBOC-сигналом от первого соседнего источника помех. Графики ясно показывают, что характеристика предлагаемого демодулятора со взвешиванием в боковой полосе существенно выше, чем у других демодуляторов в пределах изменения уровней помех.
На фиг. 10 приведена функциональная блок-схема АМ-приемника 110, который выполнен в соответствии с настоящим изобретением. АМ-радиосигнал принимается на антенну 112. Входная схема 114, выполненная в соответствии с широко известной технологией, фильтрует сигнал с антенны и выдает в линию 116 сигнал, который смешивается в смесителе 120 с сигналом из гетеродина 118 для формирования сигнала промежуточной частоты в линии 122. Затем сигнал промежуточной частоты фильтруется фильтром 124 и передается в демодулятор 126, который обрабатывает сигнал в соответствии с вышеизложенным описанием и формирует выходной сигнал в линии 128. Затем выходной сигнал можно усиливать в усилителе 130 и передавать в выходное устройство 132, например акустическую колонку.
На фиг. 11 представлена блок-схема радиоприемника 140, способного производить обработку сигнала в соответствии с настоящим изобретением. Сигнал DAB принимается на антенну 142. Полосовой предварительный избирательный фильтр 144 пропускает представляющую интерес полосу частот, включая искомый сигнал на частоте fc, но отрезает сигнал зеркального канала на частоте fc-2fif (для гетеродина с регулировкой амплитуды при низком уровне боковых лепестков). Малошумящий усилитель 146 усиливает сигнал. Усиленный сигнал смешивается в смесителе 148 с гетеродинным сигналом flo, подаваемым в линию 150 перестраиваемым гетеродином 152. В результате формируются сигналы с суммарной (fc+flo) и разностной (fc-flo) частотами в линии 154. Фильтр 156 промежуточной частоты пропускает сигнал fif и ослабляет частоты за пределами полосы частот представляющего интерес модулированного сигнала. Аналого-цифровой преобразователь 158 использует в процессе работы тактовый сигнал fs для формирования цифровых выборок в линии 160 с частотой fs. Цифровой преобразователь 162 с понижением частоты сдвигает и фильтрует сигнал и отбирает каждую десятую выборку для формирования синфазного и квадратурного сигналов с меньшей частотой выборок в линиях 164 и 166. Затем демодулятор 168 на основе цифрового сигнального процессора обеспечивает дополнительную обработку сигнала для формирования выходного сигнала в линии 170 для выходного устройства 172.
Приемники, выполненные в соответствии с настоящим изобретением, могут автоматически производить выбор между когерентной LSB-, USB- или DSB-демодуляцией в зависимости от помех. Помехи могут быть определены оценкой дисперсии шумов и/или помех в каждой боковой полосе частот. Технология сложения при максимальных отношениях (MRC) сигнал/помеха может обеспечить характеристику двухполосного (DSB) детектирования при равенстве помех в боковых полосах частот.
Хотя, в целях иллюстрации выше приведены конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники очевидно, что элементы настоящего изобретения допускают многочисленные видоизменения без отклонения от настоящего изобретения в том виде, как оно определено прилагаемой формулой изобретения.
1. Способ обработки АМ-радиосигнала, заключающийся в том, что
принимают АМ-радиосигнал, содержащий область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы;
демодулируют область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы;
определяют мощность шумов демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы посредством получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы;
взвешивают демодулированный сигнал верхней боковой полосы и демодулированный сигнал нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы; и
суммируют взвешенный демодулированный сигнал верхней боковой полосы и взвешенный демодулированный сигнал нижней боковой полосы для формирования выходного сигнала.
2. Способ по п.1, в котором дополнительно фильтруют АМ-радиосигнал по одной боковой полосе перед этапом демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
3. Способ по п.1, в котором
этап определения мощности шумов содержит этапы, на которых сдвигают квадратурную составляющую демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и умножают сдвинутую квадратурную составляющую демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы; и
этап определения мощности шумов содержит этапы, на которых сдвигают квадратурную составляющую демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и умножают сдвинутую квадратурную составляющую демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
4. Способ по п.1, в котором этап взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы содержит этапы, на которых
умножают демодулированный сигнал верхней боковой полосы на весовой коэффициент; и
умножают демодулированный сигнал нижней боковой полосы на единицу минус весовой коэффициент.
5. Способ по п.1, в котором весовой коэффициент является функцией дисперсии помех плюс шумов.
6. Способ по п.1, в котором этап суммирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы дополнительно содержит этап, на котором выполняют частотно-избирательное суммирование взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы.
7. Способ по п.1, в котором дополнительно фильтруют область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы перед этапом демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
8. Способ по п.7, в котором этап фильтрации области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы содержит этап, на котором пропускают область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы через множество полосовых фильтров для формирования множества фильтрованных сигналов, и, при этом, этап демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы содержит этап, на котором демодулируют множество фильтрованных сигналов для формирования множества демодулированных сигналов.
9. Способ по п.1, в котором этап демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы содержит этапы, на которых
умножают преобразование Гильберта мнимой составляющей радиосигнала на взвешенный корректирующий сигнал для получения взвешенного сигнала; и
вычитают взвешенный сигнал из когерентного сигнала с двумя боковыми полосами.
10. Демодулятор для обработки АМ-радиосигнала, содержащий
средство для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы АМ-радиосигнала для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы;
средство для определения мощности шумов демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы посредством получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы;
средство для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы; и
средство для сложения взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы.
11. Демодулятор по п.10, в котором
средство для определения мощности шумов содержит средство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы; и
средство для определения мощности шумов содержит средство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
12. Демодулятор по п.10, в котором средство для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы содержит
средство для умножения демодулированного сигнала верхней боковой полосы на весовой коэффициент; и
средство для умножения демодулированного сигнала нижней боковой полосы на единицу минус весовой коэффициент.
13. Демодулятор по п.10, дополнительно содержащий средство для фильтрации области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
14. Демодулятор по п.10, в котором средство для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы АМ-радиосигнала для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы содержит
средство для умножения преобразования Гильберта мнимой составляющей радиосигнала на взвешенный корректирующий сигнал для получения взвешенного сигнала; и
средство для вычитания взвешенного сигнала из когерентного сигнала с двумя боковыми полосами.
15. Приемник для обработки АМ-радиосигнала, содержащий
средство для приема АМ-радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы;
средство для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы;
средство для определения мощности шумов демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы посредством получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы;
средство для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы; и
средство для сложения взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы для формирования выходного сигнала.
16. Приемник по п.15, дополнительно содержащий средство для фильтрации АМ-радиосигнала по одной боковой полосе перед демодуляцией области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
17. Приемник по п.15, в котором
средство для определения мощности шумов содержит средство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы; и
средство для определения мощности шумов содержит средство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
18. Приемник по п.15, в котором средство для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы содержит
средство для умножения демодулированного сигнала верхней боковой полосы на весовой коэффициент; и
средство для умножения демодулированного сигнала нижней боковой полосы на единицу минус весовой коэффициент.
19. Приемник по п.15, дополнительно содержащий средство для фильтрации области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы.
20. Приемник по п.15, в котором средство для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы содержит средство для умножения преобразования Гильберта мнимой составляющей радиосигнала на взвешенный корректирующий сигнал для получения взвешенного сигнала, и средство для вычитания взвешенного сигнала из когерентного сигнала с двумя боковыми полосами.
21. Демодулятор для обработки АМ-радиосигнала, содержащий
схему для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы АМ-радиосигнала для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы;
схему для определения мощности шумов демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы посредством получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы;
схему для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы; и
сумматор для сложения взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы.
22. Демодулятор по п.21, в котором
схема для определения мощности шумов содержит первое фазосдвигающее устройство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы; и
схема для определения мощности шумов содержит второе фазосдвигающее устройство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
23. Приемник для обработки АМ-радиосигнала, содержащий
вход для приема АМ-радиосигнала, содержащего область верхней боковой полосы и область нижней боковой полосы;
демодулятор для демодуляции области верхней боковой полосы и области нижней боковой полосы для формирования демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы;
схему для определения мощности шумов демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы посредством получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированным сигналом верхней боковой полосы и получения кросс-корреляции между квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы и демодулированным сигналом нижней боковой полосы;
схему для взвешивания демодулированного сигнала верхней боковой полосы и демодулированного сигнала нижней боковой полосы в зависимости от мощности шумов для формирования взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы; и
сумматор для сложения взвешенного демодулированного сигнала верхней боковой полосы и взвешенного демодулированного сигнала нижней боковой полосы для формирования выходного сигнала.
24. Приемник по п.23, в котором
схема для определения мощности шумов содержит первое фазосдвигающее устройство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала верхней боковой полосы на демодулированный сигнал верхней боковой полосы; и
схема для определения мощности шумов содержит второе фазосдвигающее устройство для сдвига квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на 90° и для умножения сдвинутой квадратурной составляющей демодулированного сигнала нижней боковой полосы на демодулированный сигнал нижней боковой полосы.
