专利名称：调频广播频段数字广播信号接收系统的制作方法
技术领域：
本实用新型属于数字音频广播技术领域，具体地说为一种调频广播频段数字广播信号接收系统。
背景技术：
调幅(AmplitudeModulation, AM)广播始于 1拟0 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 Af^ 150kHz，功率差 ΔΡ 彡 20dB。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 108MHz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。[0011]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HD Radio 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。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。模拟主调频信号和数字调频信号的混合信号表示为x(t) = xFM(t)+d(t)其中d(t)表示传输的数字调频信号；XFM(t)表示模拟主调频信号。在传统的IBOC 同频同带广播系统中，数字调制信号对模拟主调频信号的影响受限于a. OFDM信号功率低于模拟主调频信号功率25dB ；b.在基本模式中，OFDM信号频谱和模拟主调频信号频谱没有重叠；在扩展模式中，两者重叠的范围是有限制的。采用上述混合数字广播的COLT等方法恢复分离调频信号，然后消除模拟调频信号进而得到数字调频信号时，残留的模拟调频信号就成为了数字信号的背景噪声。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。这个关键的技术问题使数模频谱完全重叠的数模音频广播系统难以实现。
实用新型内容本实用新型的目的是设计一种调频广播频段数字广播信号接收系统，针对频谱完全重叠的带内同播中模拟主调频信号和数字调频信号难以良好分离的问题，提出了模拟主调频和数字信号迭代抵消的分离装置，使得模拟主调频和数字信号能够较好地分离，恢复一个干净的模拟主调频广播信号，同时数字调频信号的信噪比达到要求，得到高质量的数
字声音广播。本实用新型设计的调频广播频段数字广播信号接收方法针对的是数模音频广播发射的调频广播频段射频数模混合的数字广播信号，该数字广播信号中模拟声音广播信号和数字声音广播信号共用一个调频频道，它们的频谱完全重叠。其中的数字声音广播信号是经过正交频分复用调制(OFDM)处理得到的，在数字信号的每个OFDM符号之间插入保护间隔(Guard Interval，GI)，采用了循环前缀正交频分复用(Cyclic Prefix OFDM, CP-OFDM)方式，在保护间隔GI内放入一个循环前缀，成为一个OFDM符号的周期扩展。在正交频分复用调制的子载波中插入了导频(Pilot)信号，导频信号的功率可高于数字声音广播信号的功率，以便接收端易于检测到导频信号，所述导频信号为在某些子载波连续插入的连续导频信号，或者为按预定方式分散插入的离散导频信号，至此本广播设备发射端信号完成了信道编码和调制。然后即送入速率调整滤波单元，通过速率调整滤波，调节传输码率，得到数字声音广播信号。离散导频信号的插入方式为每隔数个子载波插入1个导频信号，或者相邻的OFDM 符号中按交错的位置插入导频信号，m个OFDM符号后导频信号插入的位置又循环重复，当m =4时插入的导频信号形成菱形图案。数字调频信号中可含有内码，每个OFDM符号或几个OFDM符号对应一个内码码字。 内码可采用卷积码、RS码、BCH码、LDPC码(Low Density Parity-check Code，低密度校验码)和Turbo码中的任一种。内码和外码构成级联码，例如卷积码+LDCP码、或RS码+卷积码，或BCH+LDPC码等。本调频广播频段数字广播信号接收方法以模拟调频信号接收方式接收到调频广播频段射频数模混合的数字广播信号X (t)后，进行初步分离，得到初步恢复的模拟调频信号x°FM(t)，并得到从X(t)中消除了模拟调频信号的初步恢复数字调频信号d°(t)。初步恢复的X°FM(t)和d°(t)进行第一级基于导频的迭代调频分离处理，得到利用导频的第一级迭代分离后恢复的数字调频信号和模拟调频信号，迭代分离得到的数字调频信号进行信道解码后获得数字音频信号和数据信号；迭代分离得到的模拟调频信号进行模拟音频信号解调和数模转换、获得模拟音频信号。本实用新型设计的调频广播频段数字广播信号的接收系统包括接收天线、调谐模块、模数变换器、数字下变频器、模拟调频信号接收器、模拟调频广播解调器、数模变换器和低频放大器，还有数字调频信号解调解码器。接收天线接收的射频RF信号经调谐模块、再经过数模变换器转换为数字信号， 然后接入数字下变频器，同时将数模变换器数字化后的接收信号反馈到调谐模块，用于自动增益控制。数字下变频器将信号变成中频IF信号或零中频信号，送入重采样模块通过内插改变数据的码率，便于后面的处理。重采样模块的一路输出信号接到模拟调频接收器进行模拟调频信号的解调，另一路信号接到数字调频信号解调解码器，恢复发端发送的数字音频信号和数据信号。模拟调频接收器为已有技术，包括依次连接的限幅带通滤波器、微分器和鉴频器。 鉴频器可为锁相环鉴频器或包络检波鉴频器。输入的模数混合信号X(t)经过信号限幅和带通滤波，将调频信号在广播过程中产生的幅度变化部分去除，变成固定幅度的调频波，带通滤波器让调频信号顺利通过，滤除带外噪声和高次谐波分量，降低噪声干扰。微分器将幅度恒定的调频波变成调幅调频波，再用鉴频器从幅度变化中检出调制信号x°FM(t)。数字调频信号解调解码器包括初步调频分离器、迭代调频分离器、同步恢复和信道均衡模块、信道解码模块。接收到的模数混合信号x(t)和模拟调频接收器解调后初步恢复的模拟调频信号X°FM (t)接入初步调频分离器，从x(t)中减去X°FM(t)得到初步恢复的数字调频信号d°(t)。模拟调频接收器初步恢复的模拟调频信号x°FM(t)、初步调频分离器得到的初步数字调频信号d°(t)以及同步恢复和信道均衡模块的信道响应信息C(k)接入迭代调频分离器。通过基于导频的第一级迭代逐步消除和数模两种调频信号之间的相互干扰，
获得相对干净的模拟调频信号和数字调频信号Ao。迭代调频分离器以信道响应 C (k)均衡d° (t)经FFT得到的频域信号D° (k)，即D° (k) *C (k)。为了更好地消除和数模两种调频信号之间的相互干扰，还可有基于导频和内码的第二级迭代，实现模拟主调频和数字信号迭代抵消的分离。迭代调频分离器输出的数字调频信号々O接入同步恢复和信道均衡模块，同步
恢复即计算载波误差和定时偏差，对误差滤波后进行同步跟踪，获得系统同步，信道均衡则是估计信道特性，对广播传播过程产生的各种衰落进行校正，并把载波、定时和信道响应等信息分别回馈到前端的数字下变频器、重采样模块和迭代调频分离器。同步恢复和信道均衡模块的输出接入信道解码模块，进行前向纠错(FECJorward Error Correction)信道解码。信道解码模块含一个解交织器，用于提高数据对脉冲干扰的抵抗力。信道解码模块的输出接入信源解码模块，最终得到发端发送的数字音频信号和数据信号。迭代调频分离器输出的模拟调频信号送入模拟调频解调器，获得一个满足质量要求的音频信号，再经过数/模变换器转换为一个模拟声音信号，经低频放大器后驱动扬声器。所述迭代调频分离器的第一级基于导频的迭代调频分离处理方法如下dk(t)表示第k步迭代恢复的数字调频信号，xkFM(t)表示第k步迭代恢复的模拟调频信号；AxkFM(t) 表示第k步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，Δ xkFM(t)为0 ；初步恢复的x°FM(t) 和d°(t)为迭代初始输入信号。其中第k步迭代的过程如下，首先对dk(t)与AxkFM(t)求和，然后对两者求和结果dk+1(t)进行快速傅利叶变换运算，即FFT运算，得到解调的正交频分复用信号，即OFDM信号。基于插在每个正交频分复用符号(OFDM符号)的导频信号， 用这些已知的导频信号代替用于导频信号的快速傅利叶变换(FFT)频点，再进行快速傅利叶逆变换运算，即IFFT运算后，重建时域OFDM信号，表示为fa)。即基于导频信号重建OFDM符号就是作导频代替后，再作IFFT运算。(Γ ηα)和dk(t)之间的差值信号表示为 Δ dk(t)。本实用新型设定迭代得到的数字调频信号的误差AdkU)是源自模拟调频信号的一部分，那么模拟调频更新信号为
权利要求1.调频广播频段数字广播信号接收系统，包括接收天线、调谐模块、模数变换器、数字下变频器、模拟调频信号接收器、模拟调频广播解调器、数模变换器和低频放大器，数字调频信号解调解码器；所述接收天线接收的射频信号经调谐模块、再经过数模变换器转换为数字信号，然后接入数字下变频器，同时将数模变换器数字化后的接收信号反馈到调谐模块，数字下变频器将信号变成中频信号或零中频信号，送入重采样模块通过内插改变数据的码率，重采样模块的一路输出信号接到模拟调频接收器进行模拟调频信号的解调，另一路信号接到数字调频信号解调解码器，恢复发端发送的数字音频信号和数据信号；模拟调频接收器包括依次连接的限幅带通滤波器、微分器和鉴频器，输入的模数混合信号X(t)经过信号限幅和带通滤波变成固定幅度的调频波，微分器将幅度恒定的调频波变成调幅调频波，再用鉴频器从幅度变化中检出调制信号x°FM(t)；其特征在于所述数字调频信号解调解码器包括初步调频分离器、迭代调频分离器、同步恢复和信道均衡模块、信道解码模块，接收到的模数混合信号X(t)和模拟调频接收器解调后初步恢复的模拟调频信号X°FM (t)接入初步调频分离器，从X(t)中减去X°FM(t)得到初步恢复的数字调频信号d°(t)；模拟调频接收器初步恢复的模拟调频信号x°FM(t)、初步调频分离器得到的初步数字调频信号d°(t)以及同步恢复和信道均衡模块的信道响应信息C(k)接入迭代调频分离器，通过基于导频的第一级迭代逐步消除数模两种调频信号之间的相互干扰， 获得相对干净的模拟调频信号和数字调频信号；迭代调频分离器以信道响应 C(k)均衡d°(t)经快速傅里叶变换得到的频域信号D°(k)；迭代调频分离器输出的数字调频信号接入同步恢复和信道均衡模块，获得系统同步和校正广播传播过程的各种衰落，并把载波、定时和信道响应信息分别回馈到前端的数字下变频器、重采样模块和迭代调频分离器；同步恢复和信道均衡模块的输出接入信道解码模块，进行前向纠错信道解码；信道解码模块的输出接入信源解码模块，最终得到发端发送的数字音频信号和数据信号；迭代调频分离器输出的模拟调频信号送入模拟调频解调器，获得一个满足质量要求的音频信号，再经过数/模变换器转换为一个模拟声音信号。
2.根据权利要求1所述的调频广播频段数字广播信号接收系统，其特征在于 所述迭代调频分离器还有基于导频和内码的第二级迭代。
3.根据权利要求1所述的调频广播频段数字广播信号接收系统，其特征在于 所述模拟调频接收器的鉴频器为锁相环鉴频器或包络检波鉴频器。
4.根据权利要求1所述的调频广播频段数字广播信号接收系统，其特征在于 所述信道解码模块含一个解交织器。
专利摘要本实用新型为调频广播频段数字广播信号接收系统，包括接收天线、调谐模块、模数变换器、数字下变频器、模拟调频信号接收器、模拟调频广播解调器、数模变换器和低频放大器，还有数字调频信号解调解码器。本系统的数字调频信号解调解码器包括初步调频分离器、迭代调频分离器、同步恢复和信道均衡、解码模块，实现模拟主调频和数字信号迭代抵消的分离。本实用新型将同一频道重叠的混合数模信号进行迭代分离，消除二者的相互干扰，还原了发送端的模拟声音广播信号和数字声音广播信号，使调频段数字广播系统得以实现。
文档编号H04L27/26GK202309690SQ201120285339
公开日2012年7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