专利名称：数字psm发射机中音频处理方法及电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种音频处理方法，特别是一种数字psm发射机中音频处理方法及电路。
背景技术：
脉阶调制器(psm)是一种可有效地提高发射机末端调制效率、扩展发射机功能的调 制技术。脉阶调制器是由多个功放模块串联构成的大功率的直流放大器。目前国内的无线 电台采用的psm调制器多是用模拟电路实现的，其主要包括音频处理电路和环形调制器(如 图1所示)，音频处理电路对送来的音频信号进行处理，按一定时序控制环形调制器，根据音 频信号的幅度，控制一定数量的功放模块导通，形成放大的由直流方波电压叠加所构成正弦 音频板压。由于用模拟电路实现，因此硬件系统庞大、故障率高、性能指标低、改造升级困难。目前国内的大功放中短波psm发射机一直延用美国大陆电子公司(CONTINENTAL ELECTRONICS) 80年代的技术，其音频处理方法包括1、按一定时间间隔进行采样，提供采样 瞬间音频信号幅值所需的开启的功放模块数；2、根据音频信号的幅值对直流方波叠加电压 进行补偿。其中音频补偿是依靠搭建最初级的门电路实现的，所以在处理方法上、在硬件平 台上都是比较落后。图2描述的是psm系统音频采用过程，正弦波代表音频信号，纵坐标代表幅度量化 台阶电压(即图中一格，一个台阶代表开启一路700伏功放模块)，横坐标代表采样点。由 图2可知目前psm机型中700伏的功放模块是固定为48个，也就是说纵坐标幅度的台阶范 围为0-48，最大为48，电压幅值最大为33. 6kV，psm发射机后端功放模块要求相邻两次采样 点对应的纵坐标量化份数最大步进为1，由图2可推算出采样频率至少为音频信号的96倍 过采样。对于广播，最高音频信号在7K赫兹范围内，则采样率需要96*7K = 672Κ，而目前 最快的音频AD转换器件的采样频率只在200Κ以内，所以单纯依靠硬件无法实现理想的音 频采样。采样频率低将严重影响放大后的音频信号的分辨率。图2所示的音频信号Xl是 48个700伏的功放模块全部开通，所对应的最大音量的音频信号，而实际音频信号经放大 后的最大幅值远小于33. 6kV，这就会造成相邻二采样点所要求开通的功放模块数相同，如 图2中的信号X2在tl-t4的采样严重失真的情况，需要进行补偿。由此可见，上述现有的模拟电路实现的在产品结构、处理方法上，显然仍存在有缺 陷，而亟待加以进一步改进。为了解决上述存在的问题，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决 之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成。数字psm调制技术已成为研发数字中 短波发射机的趋势，而psm音频处理方法是该技术的重点和难点。因此如何能创设一种数 字psm发射机系统中音频处理电路及方法，实属当前重要研发课题之一，亦成为当前业界 极需改进的目标。有鉴于上述现有的psm发射机中音频处理方法及电路存在的缺陷，本发明人基于 从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研 究创新，以期创设一种数字psm发射机中音频处理方法及电路，能够改进一般现有的音频处理电路，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创 设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有的模拟电路的psm调制器及其音频处理方法存 在的上述不足，而提供一种数字psm发射机中音频处理方法及电路，所要解决的技术问题 是使电路结构简化，提高产品可靠性，减小失真。本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出 的一种数字Psm发射机中音频处理方法，包括下列步骤步骤1对输入音频信号进行2m倍AD过采样；步骤2AD采样后的数据进行η倍内插处理；步骤3对处理后的信号进行数字滤波；步骤4音频算法处理，4-1本次样本点经过量化后达到开启或关闭一个台阶的电压，则通知环形调制器 增开或关闭一级功放模块，并对阶梯波与正弦波之间所差部分进行补偿；4-2本次样本点经过量化后未达到开启一个台阶电压，则计算补偿脉冲宽度，通知 环形调制器进行补偿；4-3本次样本点经过量化后未达到关闭一个台阶电压，则计算补偿脉冲宽度，通知 环形调制器关闭一级功放模块，并进行补偿；步骤5环形调制器根据命令进行相应的开启、关闭、补偿。本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述2m倍AD过采样中的m是psm 发射机中的功放模块的数量，一般为48个。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述η倍内插为8倍内插，或10倍、 或12倍内插。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述补偿是等面积补偿，具体是，计 算相邻二采样时间点tl、t2之间的音频正弦曲线与阶梯波台阶之间的图形面积，在时间Al 开启一个功放模块的电压U，在时间A2，按先开先关原则，关闭一个功放模块的电压U，使矩 形脉冲面积UXA1A2 =音频正弦曲线与阶梯波台阶之间的图形面积。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述等面积补偿的时间位置是使补 偿的矩形脉冲的重心与被补偿的音频正弦曲线与阶梯波之间的图形的重心重合。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述等面积补偿的时间是将二采样 时间点tl、t2之间分割成Q份，A1A2之间的时间长度是(t2-tl) XN/Q。本发明还提供一种应用上述处理方法的数字psm发射机中音频处理电路，包括采 样电路、音频处理器和环形调制器，其中所述采样电路是AD采样电路，所述音频处理器是 由DSP构建的音频处理器，其中设有内插单元、数字滤波单元和音频处理单元，所述环形调 制器是FPGA数字环形调制器；所述AD采样电路连接所述内插单元，将音频信号进行2m倍 过采样的数据送内插处理单元进行η倍内插处理，所述内插单元连接所述数字滤波单元， 滤波内插处理的数据中的干扰噪声，数字滤波单元连接所述音频处理单元，所述音频处理单元对采用点的音频幅度进行量化，通知所述FPGA数字环形调制器控制功放模块的开启、 关闭或补偿。前述的数字psm发射机中音频处理电路，其中所述AD采样电路是采样速率为192K 的CS5361A/D转换器。前述的数字psm发射机中音频处理电路，其中所述内插处理单元是8倍内插处理单元。前述的数字psm发射机中音频处理电路，其中所述数字滤波单元是FIR数字滤波 单元。本发明提供的音频处理方法依托高效的DSP+FPGA的组合硬件平台，充分应用了 目前先进的数字信号处理技术加以实现。借由上述技术方案，本发明数字psm发射机中音频处理方法及电路至少具有下列 优点及有益效果1、本发明的音频处理方法是通过内插、数字滤波技术使采样频率达到96*7K = 672Κ的要求，具体是采用最高速率为192Κ的CS5361AD转换器，用96Κ的采样速率档，采样 后的样点值输入到DSP内进行8倍(可调)内插处理，使速率达到768Κ，该速率超过最高 7Κ音频所要求的采样速率，因此满足广播分辨率对音频采样系统的速率要求。2、本发明通过DSP中的音频处理单元，用软件算法实现等面积补偿，不仅极大减 小了音频处理电路的体积，而且极大地提高了运算速度，使音频调制的高速处理得以实现； 减少失真、大大改善了 Psm发射机的音频处理性能。3、本发明基于数字系统DSP+FPGA硬件平台实现的psm调制器具有极高的信号处 理精度，用软件方法代替硬件实现，显著的提高整机机的性能指标，并使得硬件系统根据数 字化、软件化，增强了系统的稳定性。综上所述，本发明数字psm发射机中音频处理方法及电路具有上述诸多优点及实 用价值，其不论在产品结构、处理方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有显著的进步， 并产生了好用及实用的效果，且较现有的psm发射机音频处理电路具有增进的突出多项功 效，从而更加适于实用，并具有产业的广泛利用价值，诚为一新颖、进步、实用的新设计。上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段， 而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够 更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
图1是现有psm调制器的电路方框图。图2是现有psm系统音频采用过程图。图3是本发明数字psm发射机中音频处理方法步骤图。图4是本发明数字psm发射机中音频处理方法中等面积补偿原理示意图。图5是本发明数字psm发射机中音频处理电路图。
具体实施例方式有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的较佳实施例的详细说明中将可清楚呈现。通过具体实施方式
的说明，当可对本发明为达成预定目的所 采取的技术手段及功效得一更加深入且具体的了解，然而附图仅是提供参考与说明之用， 并非用来对本发明加以限制。请参阅图3所示，本发明较佳实施例的数字psm发射机中音频处理方法，其主要包 括以下步骤步骤1对输入音频信号进行2m倍AD过采样；所述2m倍AD过采样中的m是PMS 发射机中的功放模块的数量，一般为48个，2m为96。即对输入音频信号进行96倍AD过采 样。具体的采样的AD器件是CS5361，其最高采样频率为192K，本发明中具体用96K采样频率档。步骤2AD采样后的数据进行η倍内插处理；这是为适合广播最高7Κ的采样需要， AD采样后的数据输入到信号处理平台DSP内，在DSP内进行8倍内插处理，具体做法就是在 每两个采样点之间插入7个零值，使数据速率增加8倍，达到768Κ，以满足最高7. 5Κ音频的 采样要求。当然也可以是10倍、或12倍内插。步骤3对处理后的信号进行数字滤波；由于数据进行了内插处理，原始数据频谱 受到干扰，所以必须进行相应的数字滤波处理。本发明采用的是FIR数字滤波处理。步骤4音频算法处理，4-1本次样本点经过量化后达到开启或关闭一个台阶的电压，则通知环形调制器 增开或关闭一级功放模块，并对阶梯波与正弦波之间所差部分进行补偿；4-2本次样本点经过量化后未达到开启一个台阶电压，则计算补偿脉冲宽度，通知 环形调制器进行补偿；4-3本次样本点经过量化后未达到关闭一个台阶电压，则计算补偿脉冲宽度，通知 环形调制器关闭一级功放模块，并进行补偿；步骤5环形调制器根据命令进行相应的开启、关闭、补偿。所述补偿是等面积补偿如图4所示，具体是，计算相邻二采样时间点tl、t2之间的 音频正弦曲线与阶梯波之间的面积差，在时间Al开启一个功放模块的电压U，在时间A2关 闭一个功放模块的电压U，使UXA1A2 =音频正弦曲线与阶梯波之间的面积差。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述补偿是等面积补偿，具体是，计 算相邻二采样时间点tl、t2之间的音频正弦曲线与阶梯波台阶之间的图形面积，在时间Al 开启一个功放模块的电压U，在时间A2，按先开先关原则，关闭一个功放模块的电压U，使矩 形脉冲面积UXA1A2 =音频正弦曲线与阶梯波台阶之间的图形面积。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述等面积补偿的时间位置是使补 偿的矩形脉冲的重心时间坐标与被补偿的音频正弦曲线与阶梯波之间的图形的重心时间 坐标重合。前述的数字psm发射机中音频处理方法，其中所述等面积补偿的时间是将二采样 时间点tl、t2之间分割成Q份，A1A2之间的时间长度是(t2-tl) XN/Q ；所述Q为64。图5所示，本发明还提供一种应用上述处理方法的数字psm发射机中音频处理电 路，包括采样电路、音频处理器和环形调制器，其中所述采样电路是AD采样电路，所述音频 处理器是由DSP构建的音频处理器，其中设有内插单元、数字滤波单元和音频处理单元，所 述环形调制器是FPGA数字环形调制器；所述AD采样电路连接所述内插单元，将音频信号进
7行2m倍过采样的数据送内插处理单元进行η倍内插处理，所述内插单元连接所述数字滤波 单元，滤波内插处理的数据中的干扰噪声，数字滤波单元连接所述音频处理单元，所述音频 处理单元对采用点的音频幅度进行量化，通知所述FPGA数字环形调制器控制功放模块的 开启、关闭或补偿。所述AD采样电路是采样速率为96Κ的CS5361A/D转换器。所述内插处理单元是8倍内插处理单元。所述数字滤波单元是FIR数字滤波单元。本发明提供的音频处理方法依托高效的DSP+FPGA的组合硬件平台，充分的应用 了目前先进的数字信号处理技术加以实现。本发明的音频处理方法是通过内插、数字滤波技术来提高采样频率的。具体实现 方法是，选用了一款采样率为96Κ的AD器件(CS5361)，采样后的样点值输入到DSP内进行 8倍(可调)内插处理，这样音频采样率提高为96*8 = 768Κ达到系统最高音频信号(7. 5Κ) 采样速率要求，由于内插处理造成的信息在频域里的混叠，再通过数字滤波技术进行滤波 处理。通过上述内插、滤波处理过的音频信号可以满足对大台阶电压的分辨率，即相邻两 次采样点对应的纵坐标量化份数最大步进为1的要求，但是对于落在同一台阶内的两次采 样，由于此时台阶数相等，如不加特殊处理，发射机功放模块的开关动作无法逼真的描述真 实的音频信号，为了解决这一问题，我们在上述实现大台阶处理的基础上增加了基于面积 相等的补偿方法，如图4所示。图4说明了音频处理过程中的误差产生及其相应的补偿方法。横坐标tl、t2、t3 是对一段音频信号X的3个相邻两采样点，其间隔时间(采样周期)T= 1/768Κ= 1.3ys。 其中tl以前所开启的功放模块的电压为U0，在时间tl，采样结果，大于开启一个功放模块 的电压台阶高度，因此开启一个功放模块，此时电压为U0+U ；经过一个采样周期1. 3 μ s，在 t2时间进行第二次采样，由于音频信号X，在t2时间上升的幅值小于开启一个功放模块的 电压台阶高度U(700V)，不增开功放模块，该两点对应纵坐标的电压量化值不变，处于同一 台阶UO-U上；到第3采样点t3采样，此时音频信号X，在t3时间上升的幅值大于开启一个 功放模块的电压台阶高度，因此在t3时刻再增开一个功放模块，此时电压为U0+2U ；对音 频信号的tl、t2、t3三个时间采样点对应形成U0、U0+U、U0+2U的阶梯电压，由图可见，UO、 UO+U、U0+2U的阶梯电压与音频信号χ之间存在误差，需要进行补偿。现以tl、t2 二采样点为例加以说明，tl、t2所对应的纵坐标的电压台阶数为U0+U， 电压线与时间线tl、t2的交点为D1、D2，而音频信号χ与时间线tl、t2的交点为D3、D4，因 此，tl、t2时间范围内的音频曲线上的D3、D4与阶梯电压U0+U上的D1、D2围成的面积就是 误差面积，tl、t2时间间隔极短，所以弧线D3D4可以认为是条直线，这样误差面积就可以定 义为一梯形面积Se D1D2D3D4。误差面积可以准确计算后，再考虑相应的补偿面积，根据信号 处理的采样理论，冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果相同，这 里所说的冲量即指窄脉冲的面积。这样只要在误差产生的时间范围内产生另一块与其面积 相等的冲量就可以对误差进行准确的补偿。如图4所示，在两采样点tl、t2时间范围内取 一段时间Al、A2作为宽，大台阶量化电压U作为长构成的图示阴影部分矩形的面积就是构 造补偿冲量，只要满足关系S 梯形 D1D2D3D4 = S 形而^^_ d\ + d2 T -其中 dl = |DlD3|，d2= |D2D4|，T = D1D2 为采样时间
ο梯形一 -· J采
2
间隔S矩形=U · T补其中U为大台阶量化电压，T补为补偿时间长度所以有
d\ + d2一 Tj rp 、
-·Γ 102 一 /*Γ补
2T补=，Γ采其中Um = ^^两采样音频信号与阶梯电压差值的平均值因为Um取值范围在0，U，所以T补的范围在0，T采，理论上可以做到在采样T χ时间内的任意宽度补偿冲量，在实际处理中把一定的采样时间分成64或者更多等份(可 变)，这样用来补偿的矩形面积就会在64种中间变化，1^对应的是内插后速度为768Κ的采 样速率，64等份后就是大约50Μ的处理速率，方法本身要求时序严格对齐，所以DSP硬件平 台已经无法满足设计要求，采用DSP+FPGA组合硬件平台中，FPGA芯片可以胜任如此高速的 信号处理。每一种补偿矩形面积对应的是开启一定时间的上一级大台阶电压，而这64种时 间变化不等的大台阶电压形成的冲量效果其实就相当于对大台阶量化电压U的64等分。补 偿前大台阶电压量化进度U对应开启700V电压模块，则补偿后量化电压可以精确到11V，这 样大台阶电压再加上脉冲补偿电压就可以很好的逼近音频信号，减少失真大大改善了 Psm 发射机的音频处理性能。脉冲补偿电压开启的时间位置因该是使补偿的矩形脉冲的重心时间坐标与被补 偿的音频正弦曲线与阶梯波之间的图形的重心时间坐标重合。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽 然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人 员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更 动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的 技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案 的范围内。
权利要求
一种数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于包括下列步骤步骤1对输入音频信号进行2m倍AD过采样；步骤2AD采样后的数据进行n倍内插处理；步骤3对处理后的信号进行数字滤波；步骤4音频算法处理，4 1本次样本点经过量化后达到开启或关闭一个台阶的电压，则通知环形调制器增开或关闭一级功放模块，并对阶梯波与正弦波之间所差部分进行补偿；4 2本次样本点经过量化后未达到开启一个台阶电压，则计算补偿脉冲宽度，通知环形调制器进行补偿；4 3本次样本点经过量化后未达到关闭一个台阶电压，则计算补偿脉冲宽度，通知环形调制器关闭一级功放模块，并进行补偿；步骤5环形调制器根据命令进行相应的开启、关闭、补偿。
2.根据权利要求1所述的数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于所述2m倍AD 过采样中的m是psm发射机中的功放模块的数量，一般为48个。
3.根据权利要求1所述的数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于所述η倍内插 为8倍内插，或10倍、或12倍内插。
4.根据权利要求1所述的数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于所述补偿是等 面积补偿，具体是，计算相邻二采样时间点tl、t2之间的音频正弦曲线与阶梯波台阶之间 的图形面积，在时间Al开启一个功放模块的电压U，在时间A2，按先开先关原则，关闭一个 功放模块的电压U，使矩形脉冲面积UXA1A2 =音频正弦曲线与阶梯波台阶之间的图形面 积。
5.根据权利要求4所述的数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于所述等面积补 偿的时间Al的位置是使补偿的矩形脉冲的重心与被补偿的音频正弦曲线与阶梯波之间的 图形的重心重合。
6.根据权利要求4所述的数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于所述等面 积补偿的时间是将二采样时间点11、12之间分割成Q等份，A1A2之间的时间长度是(t2-tl) XN/Qo
7.根据权利要求6所述的数字psm发射机中音频处理方法，其特征在于所述二采样时 间点tl、t2之间分割成64等份。
8.一种应用上述处理方法的数字psm发射机中音频处理电路，包括采样电路、音频处 理器和环形调制器，其特征在于所述采样电路是AD采样电路，所述音频处理器是由DSP构 建的音频处理器，其中设有内插单元、数字滤波单元和音频处理单元，所述环形调制器是 FPGA数字环形调制器；所述AD采样电路连接所述内插单元，将音频信号进行2m倍过采样 的数据送内插处理单元进行η倍内插处理，所述内插单元连接所述数字滤波单元，滤波内 插处理的数据中的干扰噪声，数字滤波单元连接所述音频处理单元，所述音频处理单元对 采用点的音频幅度进行量化，通知所述FPGA数字环形调制器控制功放模块的开启、关闭或 补偿。
9.根据权利要求8所述的数字psm发射机中音频处理电路，其特征在于所述AD采样电 路是采样速率为192K的CS5361A/D转换器。
10.根据权利要求8所述的数字psm发射机中音频处理电路，其特征在于所述内插处理 单元是8倍内插处理单元；所述数字滤波单元是FIR数字滤波单元。
全文摘要
本发明涉及一种音频处理方法，特别是一种数字psm发射机中音频处理方法及电路，包括步骤1.对输入音频信号进行2m倍AD过采样；步骤2.AD采样后的数据进行n倍内插处理；步骤3.对处理后的信号进行数字滤波；步骤4.音频算法处理；步骤5.环形调制器根据命令进行相应的开启、关闭、补偿。用软件算法实现等面积补偿，不仅极大减小了音频处理电路的体积，而且极大地提高了运算速度，使音频调制的高速处理得以实现；减少失真、大大改善了psm发射机的音频处理性能。
文档编号H04L27/00GK101931421SQ20091008775
公开日2010年12月29日 申请日期2009年6月22日 优先权日2009年6月22日
发明者张守忠, 范继伟 申请人:北京北广科技股份有限公司