专利名称：调频广播频段数字广播模数信号的分离方法和接收设备的制作方法
技术领域：
本发明属于数字音频广播技术领域，具体地说，涉及调频广播频段数字广播模数信号的分离方法和接收设备。
背景技术：
调幅(AmplitudeModulation, AM)广播始于 1920 年，调频(Frequency Modulation, FM)广播始于1940年。在我国，从20世纪50年代到60年代，中短波广播迅速发展，进入70年代，FM调频广播迅速崛起，广播的音质显著提高，FM广播得到了广泛的应用。虽然随着电视、互联网、移动通信网的迅猛发展，传统的音频广播一度变成了次重要的传媒方式，发展速度远远落后于其它的主要传播方式，但是音频广播有其特定的应用环境及需求，依然是很重要的传媒形式，并且随着新技术的出现，音频广播的发展依然前景广阔。伴随着全球数字化的浪潮，音频广播也不例外地开始了数字化广播，人们提出了许多数字化技术方案，主要有欧洲的数字音频广播(DAB，Digital Audio Broadcasting), 数字调幅系统(DRM，Digital Radio Mondiale)以及美国的混合数字广播(Hybrid Digital Radio, HD Radio)系统。DAB数字音频广播系统采用正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM,)调制方式，具有高数据率(主业务净数据率大约1. 5 1. 7Mb/s)，可以提供CD级的高质量音频，具有较强的抗多径干扰能力、发射功率小、频谱利用率高和业务构成灵活等特点，主要用于城市广播覆盖，但是，DAB没有考虑和现有调频的兼容性，对现有的FM调频是取而代之，现有的调频电台只能等DAB在其他波段(III波段、L波段)发展到一定程度后，才能将原有的调频广播全部关闭，再把相应的调频频段用于数字音频广播。 因此，DAB系统和现有调频系统难以实现平滑过渡。我国制定的数字音频广播DAB标准参考欧洲DAB标准，并已在北京等地开始了 DAB广播，但所用频段不是原有的调频FM和调幅AM 频段，专门为其划分了广播频段，并且DAB收音机价格昂贵，难以得到用户的广泛认可。因此，其推广受到限制，迄今未做到市场化和产业化。DRM数字调幅系统最初针对30MHz以下的中短波调幅广播数字化而开发，经过多年研究和实现，DRM组织于2001年4月4日向ITU提交了 30MHz以下数字调幅广播建议书(ITU-R BS. 1514)，并获得通过。2004年11月DRM组织提出了一项将DRM扩展到 30MHz 120MHz频率范围的建议，即DRM+，其目标是开发和标准化DRM扩展系统，即VHF 波段(传统调频广播频段)的数字化技术，使其频率覆盖波段I、II和III，成为从LW波段到VHF波段的开放式国际标准。DRM+与FM调频同播的频谱图如
图1所示，DRM+定义的频带间隔^|il50kHz，功率差^Ρμ2(ΜΒ。带内同频αη-Band On-Channel, IB0C)的HD Radio混合数字广播系统是由美国 iBiquity Digital公司针对FM调频广播和AM调幅中波广播数字化改造而开发的数字化广播系统，2000年11月15日获得了国际电信联盟(ITU)的许可，2002年10月，美国FCC(联
5邦通讯委员会)将其确定为美国唯一的数字广播标准。美国传统的调频广播分布在88 IOgMHz内，每个频道带宽为200kHz，约可布点百余个电台频道。IBOC-FM在原有调频模拟频带的基础上，增加数字边带用于传递音频或其它信息，每个电台可以占用400kHz的带宽， IBOC-FM兼容现有的FM调频系统，不需重新分配频谱。和其他数字声音广播方式相比较， HD Radio混合数字广播系统的优势在于可以实现模拟到数字的平稳过渡。但是HD Radio 系统使用固定在模拟信号上下两边带的数字信号进行传输，造成数字和模拟广播的相互干扰和信号覆盖问题。HD Radio混合数字广播系统在常规FM调频信号上下两边带创建了一组数字边带，其有三种频谱分配模式混合模式、扩展混合模式、全数字模式，这些模式的一个显著共同点是模拟调频信号和数字调频信号的频谱在同一个模拟调频频道内没有重叠，各自独享某段频道。在混合模式下，在原来模拟调频信号上下边带分别增加约70kHz的数字边带用于传输数字信号，模拟调频信号频谱位置和形状保持不变，频谱分配方式如图2所示，模拟调频信号两侧上下边带为数字调频信号占用。混合模式(Hybrid Mode)提供971ApS的数据率，其中包括961cbpS的音频数据和Ilibps的辅助数据，或者641cbpS的音频数据和331cbpS 的辅助数据。相较混合模式而言，扩展混合模式(Extended Hybrid Mode)的数字边带扩展侵占了原模拟调频信号的部分频道，上下边带各多出^kHz,即减少了模拟调频信号的带宽，但两者频谱仍没有共用，频谱分配方式如图3所示，模拟调频信号两侧箭头所指为扩展的数字上下边带。扩展混合模式提供1471ApS的数据率，其中包括961ApS的音频数据和 51kbps的辅助数据，或者641ApS的音频数据和831cbpS的辅助数据。该模式也支持模拟立体声和广播数据系统(RDQ，在扩展混合模式中，减少了模拟调频信号的频谱宽度，让位给扩展的数字频谱，上、下边带扩展部分各30kHz。在全数字模式下，如图4所示，原有的模拟信号停用，完全被数字信号代替，主数字信号两侧为数字上下边带，还有箭头所指的扩展的数字上下边带。全数字模式的频谱分配方式中没有了模拟信号，可提供2771ApS数据率，其中包括961cbpS的音频数据和lSllibps的辅助数据，或者641cbpS的音频数据和2131cbpS的辅助数据。可以看出，处于两侧的主信道传输的功率要比处于中间的信道大很多。由图2、3和4的HD Radio混合数字广播系统的调频广播频谱图可以看到，其要求频率间隔为400kHz，由于现有的调频广播频率间隔为200kHz，因此，由模拟调频广播过渡到HD Radio混合数字广播系统的数字广播，将多占用一倍的带宽。这在调频广播电台密集的地区，可能无法将所有电台数字化。对此，HD Radio混合数字广播系统采用了折中方案， 在调频电台频率规划时，保证调频电台的相邻两边不同时出现200kHz的电台。即便如此， 系统仍然需要考虑第一邻频道干扰问题。例如，工作于混合模式的HD Radio中的边带数字信号位于模拟主调频中心频率 129. 361 198. 402kHz之间，如图5所示，基于频道间隔为200kHz的第一邻频(距主调频中心频率+200kHz处，用虚线表示)和主调频频道(实线)之间存在相互干扰，第一邻频道可能是原来的模拟调频信号，或者是另一个HD Radio频道。可以看出，第一邻频道对主调频频道中数字边带的干扰很严重，图中虚线三角形完全覆盖了主调频的上边带数字信号。同样，考虑距离主调频中心频率-200kHz处的邻频道干扰，则主调频频道中的下边带数字信号也将全部被干扰覆盖。
由于主调频频道和第一邻频道之间存在较为严重的干扰，因此，需要采取信号处理技术从存在干扰的环境中分离出需要的有用信号。一种调频信号分离技术称之为 COLT (Continuous Look Through，连续浏览)，它用于从宽带调频信号中提取窄带信号，其效果类似于陷波滤波器，跟踪和抑制干扰信号的调频瞬时频率，参见美国专利U. S. Pat. Nos. 5263191。由于FM HD Radio信号在传播过程中受到各种衰落影响和带宽特性，这限制了 COLT技术的实际效果。因此，美国专利U. S. Pat. Nos. 6259893描述了另外一种减少 HDRadio FM干扰的方法。首先将接收到的混合信号进行归一化处理，然后把归一化后混合信号的复数共轭与原始的混合信号相乘，得到一个实信号，这个实信号经过一个高通滤波后，与归一化混合信号相乘，产生最后的输出信号，输出中的干扰信号相对于有用信号得到了减少，从而易于检出有用信号。在我国，调频音频广播频率范围规定为在87 108MHz，其频谱分配如图6所示。 国内的调频音频广播方式由GBT 4311规范，调频频率间隔为200kHz。除了单声道及立体声广播外，还规范了多路声广播和调频数据广播两类。我国现有的调频广播以模拟信号为主， 虽然也定义了调频广播利用基带空闲频谱调制附加信息的方式，但是附加的数字边带带宽很窄，主要用于传输辅助的数据信息，而不能传输数字化了的模拟音频信息。且目前国内实际FM频点间隔有IOOkHz、200kHz、300kHz、500kHz和600kHz等，频点使用情况复杂，尚有空白频率资源未得到充分利用。但上述的现有数字音频广播技术在我国不适用。如果通过FM 数字化实现调频广播频率的充分利用，将是对我国调频广播的极大补充。HD Radio系统在主频道内模拟调频信号与上下边带的数字调频信号的频谱是完全不重叠的，但与第一邻频道存在相互干扰，因此难以适用于现有的调频频段，例如中国的调频频道。为此已出现了真正的同频同带(Truly in-band-on-channel,TIB0C)数模音频广播系统，频谱如图7所示，模拟主调频信号和数字调频信号的频谱完全重叠，即相同的调频频道同时用于传输模拟主调频信号和数字调频信号。其中的数字调频信号经过信道编码和调制，以便更好地抵抗噪声和干扰。数字调制信号可以是传统的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)多载波方案、单载波方案，或者扩频方案。较多采用OFDM方案。采用上述混合数字广播的COLT等方法可以恢复分离模拟调频信号，然后再从模数混合信号中消除模拟调频信号进而得到数字调频信号时，但此时残留的模拟调频信号就成为了数字信号的背景噪声，恢复的数字信号效果不佳。因此，在真正的同频同带的TIBOC数模音频广播系统中，模拟主调频信号和数字调制信号频谱完全重叠，采用传统调频分离技术，解调的模拟调频信号将成为OFDM信号的一部分，且源自模拟调频信号的残留噪声功率将远大于OFDM信号的功率，使得所恢复的数字调制信号达不到一定信噪比的要求，影响数字调制信号的接收质量。同时，数字调制信号对模拟主调频信号的干扰使得模拟主调频信号无法准确恢复。因此，如何在数模频谱完全重叠的数模音频广播系统中很好地实现模拟和数字信号的分离就成为关键技术。
发明内容
本发明的目的是设计一种调频广播频段数字广播模数信号的分离方法，对带内同播频谱完全重叠的模拟主调频信号和数字调频信号构成的模数信号，提出了矢量信号计算的分离方法，恢复一个干净的模拟主调频信号，并得到信噪比达到要求的、高质量的数字调频信号。本发明另一目的是设计一种采用调频广播频段数字广播模数信号的分离方法的调频广播频段数字广播模数信号的接收设备，能将模拟主调频信号和数字调频信号较好地分离，同时得到一个干净的模拟主调频信号和信噪比达到要求的数字调频信号。本发明提出的调频广播频段数字广播模数信号的分离方法针对真正的同频同带 (Truly in-band-on-channel, TIB0C)数模音频广播系统发射的调频广播频段的数字广播模数混合信号，该模数混合信号中m(t)表示模拟调频声音信号，f。是调频载波。模拟调频调制信号为xFM，用式①表示Xfm cos[a(0] 其中a (t)是②式给出的相位函数
权利要求
1.调频广播频段数字广播模数信号的分离方法，针对真正的同频同带数模音频广播系统发射的调频广播频段的数字广播模数混合信号，该模数混合信号中m(t)表示模拟调频声音信号，fc是调频载波；模拟调频调制信号为xFM，用式①表示Xfm = COS [⑴]①其中α (t)是②式给出的相位函数
2.根据权利要求1所述的调频广播频段数字广播模数信号的分离方法，其特征在于 所述数字调频信号的调制为正交频分复用的多载波调制，或者单载波调制，或者扩频调制。
3.根据权利要求2所述的调频广播频段数字广播模数信号的分离方法，其特征在于 所述数字调频信号正交频分复用调制的快速傅里叶变换长度N值为256、或512、或1024、或 2028。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的调频广播频段数字广播模数信号的分离方法设计的调频广播频段数字广播模数信号的接收设备，其特征在于包括天线、调谐模块、模数变换器、数字下变频器、重采样模块、模拟调频信号接收器、 数字信号解调解码器，还有执行上述本发明调频广播频段数字广播模数信号的分离方法的模数信号分离模块；天线接收的射频信号依次接入调谐模块、模数变换器、数字下变频器、重采样模块，同时模数变换器的输出端还接出反馈信号送到调谐模块；重采样模块的输出接入模数信号分离模块，得到相应的模拟调频信号和数字信号，分别接入模拟调频信号接收器的数字信号解调解码器；所述模数信号分离模块含有调频广播频段数字广播模数信号的分离方法具体计算程序。
5.根据权利要求4所述的调频广播频段数字广播模数信号的接收设备，其特征在于 所述模拟调频信号接收器包括依次连接的限幅带通滤波器、微分器、鉴频器、数模转换器和放大器。
6.根据权利要求5所述的调频广播频段数字广播模数信号的接收设备，其特征在于 所述鉴频器为锁相环鉴频器或包络检波鉴频器。
7.根据权利要求4所述的调频广播频段数字广播模数信号的接收设备，其特征在于 所述数字信号解调解码器包括依次连接的同步恢复和信道均衡模块、信道解码模块和信源解码模块。
全文摘要
本发明为调频广播频段数字广播模数信号的分离方法和接收设备，本分离方法把同频同带的模数混合信号S中相邻的两个矢量信号相加，消除掉了数字信号dm分量，得x2m+x2m+1，x2m和x2m+1的第n个分量可为相位调制信号ejα和ejβ的第n个分量，由此得振幅和相位；再求得参量θ、δ，得到x2m和x2m+1，恢复数字信号dm。按本方法设计的接收设备天线顺序连接调谐模块、模数变换器、数字下变频器、重采样模块，重采样模块的输出接入有本方法具体计算程序的模数信号分离模块，得到相应的模拟调频信号和数字信号，分别接入模拟FM接收器的数字信号解调解码器。最终得到发端发送的模拟声音信号、数字音频信号和数据信号。本发明分离模数信号好，消除相互干扰；性能可靠，易于实现。
文档编号H04L27/26GK102307168SQ201110224579
公开日2012年1月4日 申请日期2011年8月6日 优先权日2011年8月6日
发明者张豫伟, 门爱东, 黄建忠 申请人:桂林市思奇通信设备有限公司