专利名称：数据信号的处理和传输方法
技术领域：
本发明涉及对数据信号进行处理和传输的方法，具体地说，涉及在同时进行声音和数据广播的系统中对数据信号进行处理和传输的方法.
对于双声道立体声广播来说，单纯语音(说话)广播节目的立体声是没有什么实际意义的。通常，在调频立体声广播播送语音时，只传送一路模拟量的声音信号，所以人们便提出了这样的方案，即利用节省下来的信道传输能力来传送计算机数据，进行数据广播，立体声广播的“听众”在接收端可以利用个人计算机(PC)将被传播的计算机数据加工还原成文字和图形画面信息而加以利用，这样，便使得双声道立体声广播变成一种能传播声音、文字和图形画面的多媒体。
本发明的同一发明人在1993年3月9日向中国专利局提出的第93102224.X的名称为《声音信号和计算机数据的传输方法和系统》的专利申请中，提出了利用立体声传输和/或记录设备传输和/或记录一路声音信号，而利用剩余的传输能力来传送数据信号的技术方案。该文件在此引作为本发明的参考文献而引入到本发明的公开之中。
把计算机数据转换成音频形式的信号，直接利用立体声设备的一个声道进行传送或记录，这是一种比较简便的传输方式，其优点是1.可适用于现有的双声道录音设备和其他立体声广播系统，如调频、调幅和有线立体声广播系统。这些系统和设备相互衔接(如节目的录放和转播)时，数据信号无须转换。这种方式比较适合用于计算机广播教学。
2.计算机与广播和录音设备的接口是音频电路，如喇叭或者音频功率放大器的输入端。接口电路简单，便于现有设备的改造。
这种方案的主要原理是，在信号发送端，利用一发送调制器来作为计算机与立体声广播网(或立体声录音机)之间的接口，完成对数据信号的调制转换，以便于双声道立体声广播网中的一个通道进行数据传输。在接收端利用一接收解调器作为立体声收音机或录音机与计算机的接口，将其中所接收到的一个通道中的数据信号还原解调成计算机数据后，送入计算机中加以利用。
图1示出了这种系统的原理图。这种系统可以用来进行数据广播，也可以用作有声的计算机教学。由于是利用了现有的立体声广播网及立体声录音设备，所以系统的成本低，改造容易，还能够与现有的立体声广播系统兼容。
在这种数据广播中，接收端可以采用如图2所示的接口电路完成。计算机与立体声收音或录音设备之间的接口电路的原理是，将双声道中作为数据通道(比如R声道)里的信号(可能是声音信号，也可能是数据信号)，通过“信号转换器”转换后送至接收解调器。当接收端解调器识别出其中的“数传标记”时，驱动一个“兼容开关”，将相应的一路音频输出(比如R路喇叭)接到声音通道(比如L声道)上去。“数传标记”是数据流中的一种特殊字符串，(比如数据包的“分割符”)，它以特定的时间间隔出现在数据流中。数据传输一旦结束，“数传标记”消失，接收解调器便自动把“兼容开关”复位，音频输出便还原成正常的双声道状态。图3表示计算机与调频单声道收音机的接口。接口电路中包括一个立体声解码器和“L+R”电路，收音机的鉴频输出被送入立体声解码器，分解出来的L信号和R信号被送到“L+R”电路相加，得到单声道信号。其他原理与图2类同。
直接采用一个声道传输数据的工作方式有以下缺点1.调频立体声广播中左右声道之间存在有窜音干扰。按有关的技术标准规定，调频立体声广播和接收设备的声道隔离度必须≥36dB，而节目信号的信噪比却必须大于等于60dB。在进行数据广播时，如果把数据信号对声音信号的“窜音”当做干扰，那么声音信号的信噪比达不到60dB的要求。
2.现有调频收音机必须加装上述接口电路，才能自动完成数据广播节目与正常立体声广播节目之间的切换操作，即存在兼容问题。未经这种技术改造时，现有的调频立体声广播收音机尚可人为地将数据通道一侧的音量关掉，收听声音广播;而现有的调频单声道收音机则无法人工地消除数据信号的影响。
3.传输信道的利用率低。调频立体声广播中用于传播两路声音信号的主信道的带宽为53KHz。传输一路声音信号(L+R声音信号)实际上只须带宽15KHz(即L+R信道)，其余仍有宽度为30KHz以上的信道可以用于传输数据信号。但是，由于L-R信道中采用双边带调幅工作方式，同时现有技术中数据信号的频谱较宽，所以数据通道实际可以利用的带宽只有15KHz。
本发明是针对数据的处理和传输所提出的改进。因此，本发明的目的在于，提供对数据信号进行处理和传输的方法，它能够使数据信号在双声道立体声广播系统中声音通道内的窜扰减小至-60dB以下，并且也提高数据广播中声音信号与数据信号之间隔离度。
本发明的目的还在于，提供一种对数据信号进行处理和传输的方法，其中使数据信号的频谱得到压缩，进而充分利用传输信道的通讯能力，提高所传输的数据的可靠性。
本发明的目的还在于，提供了在数据广播中的计算机与广播发送及接收设备之间接口的方法，其中数据传输速率可以任意设置。
根据本发明，提供了一种对数据信号进行处理和传输的方法。它包括高速率和低速率两种传输方式。在高速率传输方式中，本发明利用现有调频立体声广播的主信道中“左+右”(L+R)和“左-右”(L-R)传播声音和数据信号。其中利用“L+R”信道传送一路声音信号，利用“L-R”信道传送数据信号。在低速率传输方式中，则直接利用立体声双声道的一个声道传送声音信号，另一个声道用来传送数据信号。本发明的数据信号处理和传输方法包括利用连续n个字符x(x可为"1"或"0")的字符串作为"分割符"，利用连续n+1个字符x的字符串作为解码"时钟同步符".在数据发送之前，先按常规将数据分割成大小是适当的数据块，然后对其进行"加码"处理，这包括对数据"加x"，"加x"和"再加x"的过程，其目的为了使数据在后续被编码和调制之后，信号的低频和高频谐波成份得到减少，功率频谱变得相对集中，从而提高信道得利用率和传输可靠性.
在“加码”后的数据进行打包，即每个数据块的前端加上三个(或三个以上的)由特定字符组成的“分割符”和一个“填充符”，数据块的后端加上一个“填充符”和三个(或三个以上的)“分割符”。数据块的中间不得插入任何字符，而数据块与数据块之间可以插入任意个“分割符”。这些“分割符”用来供接收端进行解码时钟的同步监测、字节同步和数据块同步处理。这里的“填充符”用来避免“分割符”与后面的有效数据的组合，生成与“分割符”或“时钟同步符”相同的字符;
对打好的数据包进行编码;本发明采用一种改良的密勒码方式，对经“加码”处理和打包后的数据进行编码调制。首先用发送时钟信号对数据信号进行“同”门或“异”门运算，生成数字双相码，再用数字双相码驱动一双稳态触发器，得到数据信号的密勒码。这种改良的密勒码信号的频谱成分较未经“加码”处理过的数据信号的密勒码的频谱成分大大地集中了，故而降低了发送数字信号所占的带宽，为提高数据的传输速率创造了前提;
将经过编码后的数字信号变换成一种变幅平顶正弦脉冲，理想的情况是变换成一种钟形脉冲，送至广播发射机加以发射。
在接收端对数据的解调还原包括步骤利用限幅放大器对所接收信号进行解调，并用解调后的信号对解调器的时钟进行频率监控;
对解调后的信号进行密勒解码，并通过信号中的特定字符，比如前面提到的“分割符”，对解码器的时钟的相位进行锁定，以及进行数据流中的字节同步和数据包同步，防止误解码的出现。
对解包后的数据进行“去码”处理，它相应地包括“去x”、“去x”和“再去x”的过程，进而拼装出原数据。
为了充分利用信道的传输能力，本发明中，上述密勒码的编码和解码过程，解码器中的解码时钟的同步、数据字节的同步以及数据块的同步均由软件实施。本发明的发送端采用异步/同步串行规程的传换，即在数据调制器与计算机之间的数据传输采用异步串行规程，数据以通常的异步方式从计算机串行输入/输出(SIO)口送入调制器;而在数据的传输和存储过程中采用同步串行规程。接收端的解调器接收到的是同步串行数据，它以异步串行方式送入个人计算机的串行输入/输出(SIO)口，即在接收端的解调器里采用了同步/异步串行规程的转换。经过这种装置，可以大大地提高数据的传输效率，并使数据信号的实际传输速率可以任意设置。当然，在不采用SIO口时，也可以采有计算机总线方式进行数据交换。这种结构可以制作成一个插板与计算机相连的方式。
为了简明地说明本发明在发送端与接收端对数据进行处理的过程，下面的表1给出了发送端对数据进行处理以及接收端对数据进行还原的步骤对照表。
如前所述，根据本发明的数据处理和传输方法，双声道立体声广播电台可以以高、低两种不同的传输速率传播数据信号，供不同接收终端接收对于调频立体声广播，电台可以利用主信道中的“L-R”信道以66.25Kbps的传输速率来传输数据信号，以主信道中的“L+R”信道传送一路声音信号，这时，电台关闭导频信号(19KHz)，以表示系统在进行高速率数据广播。由于没有了导频信号普通的调频立体声和单声道收音机只能收听到声音广播，不再需要解调器中的“兼容开关”，而广播中的数据信号则由数据解调器送之用户的计算机加以使用。
对于调频立体声广播也可以利用立体声中的一个声道，以18.75Kbps的传输速率传输数据信号，而另一声道传送声音信号。如果采用调幅、有线立体声广播或供接收端磁带记录设备使用时，数据传输的速率则应相应降低。在这种低速率的数据广播方式中通过对数据流中一种“数传标记”的识别，对正常立体声广播和这种低速率数据广播进行区别，驱动解调器中的“兼容开关”，控制声音信号的输出。为了将数据信号对声音信号的窜扰降低到-60dB以下，应适当降低发送端数据信号的幅度电平，使其等于或低于-24dB(设100%调制为0dB电平);为了减少声音信号都数据信号的窜扰，接收端将接收到的数据信号经过一个高通虑波器(如3.4KHz)。
简而言之，本发明在传输之前先将数据进行“加码”处理，然后打成数据包发送;在发送时将数据流进行密勒码编码，然后将它转换成一种变幅平顶正弦信号传输。采用了这些措施后，传输信号的频谱集中，直流和低频成分消失，高频谐波分量也明显降低，不但提高了系统的可靠性，而且提高了数据传输速率。采用本发明的这种数据信号处理方式后，1.数据信号可以直接通过调频立体声广播中的“L-R”信道传送，而不干扰“L+R”信道，传输速率可达66.25Kbps。此时只要将调频广播的导频信号关闭，便可对现有的调频收音机兼容。
2.当直接利用一个声道传送数据信号时，可以使数据信号对声音信号的窜扰小于-60dB，而数据信号本身具有很强的抗干扰(包括抗声音信号窜扰)的能力。
另外，本发明中，数据包的分割符同时具有字符(时钟时钟)同步、字节同步和数据块同步的功能。在传输中采取了串行数据的“异步/同步”规程转换，使计算机的异步串行口的数据传输速率达到同步传输的水平，提高其效率25%，数据传输速率可任意设置，不受计算机串行口的硬件的局限。本发明中采用软件完成密勒码的编码过程，从而简化的发送调制器和接收解调器的硬件电路。本发明还对播送的数据采取了保护措施，防止数据被非法使用，保证信息广播电台的效益。
通过下面结合附图对本发明最佳实施例的描述，本发明的以上和其它的目的及优点将变得更加明显。
图1表示使用本发明的数据信号处理与传输方法的一种广播系统的原理示意图;
图2表示一般可用的计算机与立体声收音机或录音设备的接口原理图;
图3是一般可用的计算机与单声道收音机的接口原理图;
图4表示本发明发送端的密勒码编码的过程;
图5表示本发明接收端的密勒码解码的过程;
图6表示本发明接收端的时钟同步原理;
图7表示本发明发送端数据调制器的工作原理;以及图8表示本发明接收端数据解调器的工作原理。
图1示出了本发明的数据处理和传输方法适用的一个数据广播系统基本原理的示意图。在图1中，所有要对公众进行广播的数据信息通过多种多样的信息汇集媒介20(比如电话、电传、电报，计算机数据网等方式)“投稿”至信息处理中心30，这里示出其包括的最基本的部件。要广播的数据信号在计算机内得到编辑分类等处理后，与声音信号源(如用于传递语音信号的传声器等)所发出的声音信号相关地传送至发送调制器。经过发送调制器对数据信号的加工转换和调制之后，送至信息广播媒介(即双声道立体声广播网)40，有广播发射机加以发送，以供数目不定的信息用户10所接收。信息用户10最基本地包括一接收解调器，用以对所接收到的广播信号进行解调转换和还原的处理，将声音信号送至收/录音机，而将还原后的数据信号送给用户的个人计算机。
在发送端，数据被传输之前，数据首先被分割成大小适当的数据块，然后进行“加码”处理。以n＝6，x＝1为例，所述"加码"包括以下"加0"."加1"和"再加0"三个处理过程1.在数据流中，每一个连续为“0”的字符串(包括单个的“0”)，都被再插入一个“0”。经过这个“加0”处理之后，原字符串“…101…”变成了“…1001…”，原字符串“…1001…”变成了“…10001”，依此类推。因此，新数据流中不再存在单个的“0”(即字符串“…101…”)。经过“加0”处理的数据，在后续被编码和调制之后，传输信号中低频成分将明显减少，功率频谱变得比较集中，可以提高信道的利用率和传输可靠性。
2.在数据流中，当两个“0”之间连“1”(连续为“1”)的数目大于或等于6时，再向这个连“1”字符串中插入一个“1”。经过这个“加1”处理后，原数据流中的“…01111110…”字符就变成了“…011111110…”，原数据流中的“…011111110…”字符就变成了“…0111111110…”，…，依此类推。新数据流中不存在“…01111110…”字符，因此，字符“01111110”可以被用作传输规程中的数据包“分割符”。
3.在数据流中，当两个“1”之间连“0”的数目大于或等于7时，再向这个连“0”字符串中插入一个“0”。经过这个“再加0”处理后，原数据流中的“…100000001…”字符就变成了“…1000000001…”，原数据流中的“…1000000001…”字符就变成了“…10000000001…”，…，依此类推。新数据流中不存在“…100000001…”字符，因此，字符“100000001”可以被用作“时钟同步符”。
对于经过上述的“加码”处理后的这种大小适当的数据块，在每个数据块的头部添加一个“包头”，在其尾部添加一个“包尾”，即组成了一个数据包，即打包过程。“包头”由3个或3个以上的“分割符”(字符“01111110”)开始，随后是一个“填充符”(如字符“00000000”)，然后紧接着就是经过“加码”处理后的数据块。数据块的尾部紧接着(也就是“包尾”的开头)是一个“填充符”，随后是3个或3个以上的“分割符”。这里“填充符”的选择原则是，使其不会与其前面的“分割符”，以及与其后面的有效数据的组合而成为与“分割符”或“时钟同步符”相同的字符串，以避免可能发生的误码。
每个“分割符”既表示前一个数据包结束，又表示后一个数据包的开始。数据包的结构为…，“分割符”，“分割符”，“分割符”，“填充符”，“有效数据……”，“填充符”，“分割符”，“分割符”，“分割符”，…当两个“分割符”之间的数据长度大于一定的值(如大于2字节)时，接收端将它作为有效数据包。于是，数据包解包时，有效数据的第一个字节是其前方最后一个“分割符”之后第二个字节;该段有效数据的最后一个字节是其后方第一个“分割符”之前的第二个字节。
仍以n＝6，x＝1为例，在接收端，解包后的数据要进行以下"去码"还原处理
1.当数据流中一个连续为“0”的比特串的比特数大于或等于8比特时，从中抽去一个“0”。
2.当数据流中一个连续为“1”的比特串的比特数大于或等于7比特时，从中抽去一个“1”。
3.将数据流中每一串连续的“0”的比特串，从中抽去一个“0”。
在发送端数据信号被“加码”和打包之后，对数据信号进行密勒编码。图4表示发送端的密勒码编码过程。在本实施例中，数据(DTS)与发送时钟信号(CKS)进行“同”门(exclusive NOR)运算，生成数字双相码(DP)。再用数字双相码(DP)的前沿(脉冲上升沿)触发一个双稳态触发器便可得到待发送的密勒码(MLS)。设时钟信号CKS的半周期为T。当CKS的后沿(脉冲下降沿)与DTS的(正负)脉冲沿同步时，由于经过“加0”处理后的数据流中不存在单个的“0”，也就是没有“…101…”字符串，所以，经密勒码编码后的脉冲信号的脉宽只有2T和3T两种。与之相比，未经“加0”处理的数据的密勒码中，脉冲的宽度为2T、3T和4T三种取值，频谱要宽得多。由于不存在脉宽为4T的脉冲，因此经过“加0”处理后的密勒码的频谱成分减少了2/3。
为了进一步提高数据信号的传输速率，简化信号的频谱，本发明还采用了数据的异步/同步传输规程的变换。
个人计算机(计算机)的串行输入/输出口(SIO口)多采用异步串行通讯规程，即传输时在每一个字节的开头加一个起始符(start)，在每一个字节的结尾加一个停止符(stop)。因此数据的传输速率低于SIO口比特率的80%。同时，SIO口比特率的值不能任意调整，取值范围被限定为115200除以一个正整数(1、2、3、…)，因此不能充分利用信道的传输能力，尤其是在比特率较高的时候，更是如此。例如当信道传输能力为38.0Kbps时，SIO口的比特率只能设定为28.8Kbps。
本发明中，发送端的数据调制器与计算机之间的数据采用异步串行规程传递数据，而传输和存储过程中则采用同步串行规程。在接收端的数据解调器接收的是同步串行数据，而送入计算机SIO口的则是异步串行数据。经对这个同步/异步转换后可提高计算机的异步串行口的数据传输效率25%，并使它的实际传输速率可以任意设置。
图7表示数据调制器的工作原理。发送端调制器与计算机之间异步/同步串行规程的转换电路包括，一个脉冲分离器PS，用以生成第一发送时钟信号CKs1的第一时钟信号发生器OSCs1、“串入并出”移位寄存器SIPOs、触发器RS、锁存器LT、“并入串出”移位寄存器PISOs，以及一个用于生成三种时钟信号的第二发送时钟信号发生器OSCs2。其中计算机把所要发送的数据通过数据调制器的TD端送入调制器。TD脉冲经过脉冲沿分离器PS后，用来把时钟信号发生器OSCs1中分频器清零，使第一时钟信号CKs1与TD脉冲保持正确的相位关系。CKs1的频率等于计算机的SIO口的比特率。TD和CKs1脉冲一起送入“串入并出”移位寄存器SIPOs。在CKs1的前沿的驱动下，数据TD送入SIPOs并从Q8向Q0移位。第二时钟信号发生器OSCs2产生三种时钟信号CKs2、4CKs2和1/8CKs2。其中CKs2等于信道中同步数据(即从发送端输出放大器送出的和由接收端解调器所接收的广播数据)的传输速率;4CKs2＝CKs2×4;1/8CKs2＝CKs2÷8。1/8CKs2的前沿作为发送请求信号，通过调制器的CTS端送给计算机的SIO口(如通过“V24”接口的信号线CTS、DSR、DCD、或者RI)。计算机在收到这个请求后，通过TD端向调制器输送一个字节。1/8CKs2的前沿同时还将SIPOs的所有寄存器置“1”(即异步传输规程的“停止符”);将触发器RS的输出Q置成“0”;并开启“并入串出”移位寄存器PISOs的并行输入端D0～D7。当一个完整的字节通过TD端送入SIPOs时，SIPOs的Q0为“0”(即异步传输规程的“起始符”)。这时，触发器RS的输出信号PL被SIPOs的Q0输出置成“1”。用PL的脉冲前沿起动锁存器LT，将SIPOs中Q8～Q1的状态(一个字节)分别存入LT的Q7～Q0。当下一个1/8CKs2脉冲前沿出现时，LT里的这个字节被送入PISOs的D7～D0。在CKs2的驱动之下，移位寄存器PISOs里的字符从D7向D0移位。PISOs的串行输出就是串行同步数据流DTSyn。CKs2的频率可以根据传输信道性能而设定，(如等于信道频带高端的5/4)。只要SIO口的性能允许，CKs1的频率应该尽可能地提高，它至少必须大于CKs2的1.25倍。计算机的数据是“一包一包”地发送，数据包里不得插入其他数据，不得间断，而在包与包之间可以插入任意个“分割符”。
一般来说，采用双极性(正负极性交替出现)的方波信号传送二进制数据时，传输信号的高频谐波成分很多，频谱的低端可能包括直流成分，因此要求较宽的信道带宽。采用密勒编码后，传输速率提高一倍，但信号频谱中仍有直流成分。即使是已经将数据经过“加0”处理之后，其传输信号的频谱成分大为减少，也依然存在直流和低频成分。这时如果再进一步采用滤波的办法，滤去其中的直流和低频成分，那么信号过零点处的相位将会发生较大的抖动，相位误差△＞T×21%。显然这是不可取的。
为了消除密勒码形式的数据信号中的直流成分，而且最大限度地降低其低频及高频分量，以提高数据的传输速率，本发明将其转换成一种变幅平顶正弦波信号(参见图4的波形CODE)，而加以传输。
参见图7，根据本发明，数据调制器还主要包括一个变幅指令发生器、一个平顶正弦信号发生器、一个带通虑波器(FS)和一个可变增益放大器(AS)。
变幅指令发生器由移位寄存器SF1、同门电路L1、L2、异门电路L3、与门电路L4和D-触发器D1组成。在第二时钟信号CKs2的驱动下，串行同数据DTSyn被送入移位寄存器SF1，从Q3向Q0移位。当SF1的输出端Q3、Q2和Q1的状态一样(同为“1”或者同为“0”)时，同门L1和L2的输出都为“1”，因此L4输出为“1”。L4的输出被送到D1的D端。当SF1的输出Q1和Q0状态不同时，L3输出为“1”。L3的输出被送到D1的CK端，它的前沿将触发D1，使D1对L4的输出取样。D1的输出就是“变幅”指令Ax。SF1的Q2端输出为同步数据流DTSyn’，它正好比Ax指令落后一个T的时间。
平顶正弦信号发生器由移位寄存器SF2和R0至R7八个电阻组成，它是一个八阶的数字式正弦信号合成器。在时钟信号4CKs2的驱动下，同步数据流DTSyn’从SF2的串行输入口送入，从Q7向Q0的移位。SF2的Q7～Q0输出经电阻R7～R0编码后，得到(包含直流成分的)平顶正弦信号。比如电阻R0＝R7＝57.6Ri、R1＝R6＝30.9Ri，R2＝R5＝23.7Ri，R3＝R4＝2.1Ri。Ri为带通虑波器FS的输入阻抗。
平顶正弦信号发生器的输出经过带通虑波器FS，(滤去1/3～4/5baud以外频率成分之后)，送到放大器AS。放大器AS除了把平顶正弦脉冲的幅度放大到所需要的电平之外，还根据Ax指令改变其放大倍数，从而改变平顶正弦信号的幅度。AS的输出就是传输和存储过程中的数据信号。这一信号从调制器的DO端输出，送给广播发射机。
如图4所示，所转换成的变幅平顶正弦波(CODE)是一种双极性的变形的正弦脉冲。它的上升沿是一段负90度到正90度的正弦波，下降沿是一段正90度到负90度的正弦波，上升沿和下降沿的时间都为2T。当脉冲的宽度为2T时，它的幅度变为A0;当脉冲的宽度为3T时，它的幅度为A0的56%，并且在上下沿之间(也就是脉冲的中部)有一段时间为T的一段平坦部分。或者说，当脉冲宽度为2T时，它为F(t)＝±A0×sin(π×t÷2T)，(0≤t＜2T，π＝3.1416…);
当脉冲宽度为3T时，它为 这种经过“加0”处理、密勒编码、以及变幅平顶正弦脉冲变换后的数据信号没有直流成分，它的频谱低端为传输速率(baud)的1/3，高频谐波的分量也大为降低，实验证明它的有效频谱为1/3、2/5、1/2、4/5baud。因此信号的相位比较稳定。当滤去频谱高于4/5baud的谐波成分后，也就是说，当这种信号经过通频带为1/3～4/5baud的信道之后，信号的相位误差△≤T×9%，所以可以提高信号的稳定性。于是，调频立体声广播电台可以有两种数据广播方式一种是高速率数据广播方式，它适用于直接将数据存入接收端用户计算机以及计算机广播教学的高速率接收设备的情况。采用调频立体声广播的主信道传输数据信号和声音信号。这时，电台可将数据传输速率baud设定为66.25Kbps。在这种情况下，2T脉冲的宽度为15.09μS，3T脉冲的宽度为22.64μS。频谱的低端为22.083KHz，频率为53KHz以上的谐波分量小于1.5%。滤去22～53KHz以外的频率成分之后，这种信号可以直接通过调频立体声广播的“L-R”信道传输。这时，调频立体声广播的“L+R”信道传送一路声音信号，“L-R”信道以66.25Kbps的速率传播数据，并且关闭立体声导频信号。由于没有导频信号，普通的调频广播收音机(无论是立体声还是单声道的)只能收听到“L+R”信道里的声音广播;如果将接收机中鉴频器的输出经过一个22～53KHz的带通滤波器后，送给数据解调器，那么用户的计算机就可以收到电台的数据广播。这是调频立体声广播中高速率的数据传播方式。
另一种是低速率的数据广播方式。它适用于经改造的普通的接收设备，例如收音机、录音机等。特别是如果将数据传输速率设定为12.5Kbps时，接收端可以使用普通的磁带记录数据信号，然后在需要时经过配适器送入计算机，这对廉价的计算机教学系统是特别有意义的。在低速率数据广播方式下，调频立体声广播电台的数据传输速率可设定为18.75Kbps。在这种情况下，2T脉冲的宽度为53.33μS，3T脉冲的宽度为80μS，数据信号的频谱主要为6.25～15.0KHz。滤去15KHz以上的频率成分后，这种信号可以直接利用调频立体声广播的一个声道进行传输。这种低速率的数据传播方式具有较强的抗人类语音干扰的能力。
为了降低由于“信道隔离”引起的数据信号对声音信号的窜音干扰，必须对数据信号的电平适当限制，本发明人经过反复测试发现，当数据信号的幅度电平为-24dB为最佳(设100%调制为0dB电平)。这样，在经过-36dB的信道隔离之后，数据信号在声音通道里的窜扰将小于-60dB，达到有关标准所规定的技术要求。而声音信号经过“信道隔离”进入数据通道的窜扰可达-36dB电平，这时数据信号的信噪比为+12dB。这样的信噪比基本可以满足解调器的要求。人类声音的功率谱主要分布在3.4KHz以下，5KHz以上频率的分量已经非常的低。因此，当声音通道中的语音信号通过立体声广播的声道隔离窜入数据通道，与数据信号混在一起时，可以采用滤波方法(如滤去6KHz以下成分)，排除语音信号对数据信号的干扰。因此，送到数据解调器的数据信号的信噪比实际上远大于+12dB。如上所述，考虑到目前市场上流通的普通的盒式录音带的特性，例如数据传输速率设定为baud＝12.5Kbps，则数据信号的频谱主要为4.167～10KHz。这时数据可以收录在录音带里或通过有线立体声广播系统传播，与计算机广播教学兼容。这种低速率数据广播方式用在调幅立体声广播或有线立体声广播时，可将传输速率适当降低。
对于调频立体声广播系统来说，原先用于传送声音的信道(0～53KHz，不包括SCA副载波信道)，可以有两种数据广播方式。这两种方式可以在系统中同时存在。当导频信号消失时，表示“L-R”信道以高速率方式传播计算机数据。此方式对现有的调频收音机直接兼容。当导频信号出现时，表示系统可能在进行正常的双声道立体声广播，也可能是是以低速率方式传送数据。此时接口电路应该对数据通道(立体声中的声道)进行监测。一旦数据通道中出现“数传识别符”，接口电路便将两路音频输出(如两个喇叭)切换到声音通道上去，数据解调器解调出的数据送入计算机;“数传识别符”消失，并等待一段时间(大于最大的数据包的传输时间，如小于0.1秒)之后，接口电路便自动将音频输出恢复正常状态。
值得一提的是，经过“加码”处理后，所传输的数据量虽有增加，但由于这时传输信号的能量比较集中，可靠性增加，因此可以适当提高传输速率，使得有效数据的传输速率不但没有降低，甚至反而提高。例如，同样是采用密勒码和变幅平顶正弦脉冲，信道频带高端为10KHz，相位抖动△＝T×7%。经“加码”处理后传输比特率可为12.5Kbps，有效数据的传输速率至少大于8.2Kbps(数据全部为“…1010101…”的字符)，实际运用时(统计值)为9.25Kbps。而未经“加码”处理的数据的传输速率为9.6Kbps时，相位抖动△可达T×28%;如果相位抖动△＝T×7%，那么数据传输速率只能低于6Kbps。
图5示出接收端的密勒码解码过程。用ML的每一个脉冲沿(极性的跳变)触发，生成一个宽度为T的正脉冲，从而得到PP码。再用接收时钟信号(CKR)的正脉冲对PP码取样，便可还原得到所需要的数据流DTR。
图6表示接收端的时钟同步原理。当接收端解调器的解码时钟信号的相位错180度(或者说，极性颠倒)时，如CKRf所示，“分割符”将被错误地解码成为“时钟同步符”。即字符串“…0011111100…”将被解码成字符串“…100000001…”，如DTRf所示。由于原数据经过“再加0”处理后，数据流中不存在这样的字符串。因此，当接收端解码后出现“时钟同步符”时，说明解码器的解码接收时钟信号的相位(或极性)不对。此时只要将解码时钟信号后移或提前半个周期(或者极性翻转)，便可恢复正常。于是在这个传输规程中，“分割符”不仅仅表示数据包与数据包之间的分界，同时又可用它监测和效验接收端解码器的时钟同步和字节同步。接收端在接收每个数据包之前，都进行一次这两种同步状态的校验。
图8示出了本发明信号接收端解调器的原理图。在这里采用了同步/异步串行传输规程的转换，使计算机的异步输入/输出口的数据传输速率达到同步传输的水平。该解调器包括带通虑波器(FR)、限幅放大器(AR)、脉冲沿分离器(PR)、第一接收时钟信号发生器OSCr1、“串入并出”移位寄存器SIPOr、“并入串出”移位寄存器PISOr、以及第二接收时钟信号发生器OSCr2和幅度变换器AV24。其中接收到的数据信号被送到解调器的DI端。解调器首先用带通虑波器FR滤去数据信号中频率为1/3～4/5baud以外的成分，然后用限幅放大器AR将数据信号还原成正极性的方波脉冲信号DTR。这个DTR脉冲被送到“串入并出”移位寄存器SIPOr和脉冲沿分离器PR。经过PR分离出的脉冲沿将时钟信号发生器OSCr1的CKr1的两倍频置零，使时钟信号CKr1等于数据传输的速率baud。时钟信号1/8CKr1为CKr1的八分之一。OSCr1输出的CKr1等于传输信道中的数据速率，也就是发送调制器中的CKs2;1/8CKR1＝CKr1÷8。在CKr1的前沿的驱动下DTR被送入SIPOr，并从SIPOr的Q7向Q0移位。在1/8CKr1的后沿启开“并入串出”移位寄存器PISOr的并行取样口D0～D9。此时，SIPOr的并行输出端Q7～Q0的状态(字符)分别被送入PISOr的并行输入端D9～D2。PISOr的输入端D0接“1”电平(即异步传输规程的“停止符”);它的D1端接“0”电平(即异步传输规程的“起始符”);它的串行输入口SI接“1”电平。当PISOr里寄存器的位数大于10时，D9以后的并行输入端均接“1”电平。
解调器中第二时钟信号发生器OSCr2产生第二时钟信号CKr2，CKr2的频率等于接收端计算机的SIO口的比特率。在CKr2的驱动下，PISOr里的字符向串行输出口SO移位，它的串行输出端SO的输出就是异步串行数据RD。幅度变换器Av24将RD脉冲的幅度转换成计算机的SIO口所要求的(V24标准)电平，通过解调器的RD端送给计算机。
接收端的数据解调器实际上只完成数据信号的还原过程，由它的PISOr所添加的“起始符”和“停止符”，将由计算机的SIO口自动删除，于是计算机得到的实际上是串行同步数据流。
在本发明中，上述的密勒码的编码/解码过程，以及字节同步和时钟同步过程，均由计算机内软件完成，这样便能简化调制器和解调器的硬件电路。下面非限定性地给出本发明采用软件实现上述过程的原理。
软件实施密勒码编码过程的原理1.将“加码”和打包后的数据扩展成待发送的数据(DTS)，即原数据中的每一个“1”字符对应在DTS数据中生成两个“1”字符，每一个“0”字符对应生成DTS中的两个“0”字符，因此数据流DTS的大小和速率为原数据流的两倍。
2.发送时钟信号(CKS)是一组“0”“1”相间的数据流，将数据流DTS与数据流CKS进行“同”运算，得到双相码的数据流(DP)。
3.密勒码的数据流(MLS)是一个与数据流DP大小一样、平行的数据流，当DP数据中出现“01”码时，数据流MLS的字符转换一次，即从“1”变成“0”(出现“…10…”)，或者从“0”变成“1”(出现“…01…”)。
软件实施密勒码解码和接收端解码器解码时钟相位同步、字节同步以及数据块同步过程的原理
1.数据流MLR是解调后的数据，数据流PP是一个与数据流MLR大小一样、平行的数据流，当MLR数据中出现“01”或者“10”字符时，PP数据流中生成一个“1”字符，PP的其余字符均为“0”。
2.接收时钟CKR是一组“0”“1”相间的数据流，用CKR的正脉冲对PP数据取样(“与”运算)，便得到解码后的数据DTR。
3.由于在发送端对数据进行了“再加0”处理，接收端的DTR数据流中出现“100000001”时既表示接收时钟信号的相位有误，此时将接收时钟CKR翻转(“0”变“1”或者“1”变“0”)，随后既可得到正确的解码结果。接收端在接收每一个数据包之前都校对一次接收时钟。
4.由于在发送端对数据进行了“加1”处理，DTR数据流中“01111110”的出现既表示一个字节的开始，也表示一个数据包的开始。
5.当两个“分割符”之间的数据长度大于一定的值(如大于2字节)时，前面的“分割符”之后第二个字节就是有效数据的第一个字节，后面的“分割符”之前的第二个字节就是该段有效数据的最后一个字节。
虽然以上结合一个最佳实施例对本发明进行了描述，但本领域的熟练技术人员应能理解到，在不离开本发明的精神和公开范围的前提下，可以对本发明的技术方案进行修改和变换。
权利要求
1.一种对数据信号进行处理与传输的方法，它能够用于立体声双声道广播系统同时进行声音和数据广播，其特征在于所述方法包括下述步骤在数据信号发送端将数据信号分割成适当大小的数据块；对所述数据块进行特定的加码处理，以便使数据信号的频谱经后续编码和调制之后变得相对集中；对加码处理后的数据块进行打包，即在其头部添加一个“包头”，其尾部添加一个“包尾”；利用一个其周期为2T的编码时钟信号(CKS)对打包后的数据包进行密勒编码，从而得到密勒码(MLS)；利用计算机数据总线方式或计算机串行输入输出(SIO)口的方式，将所述经密勒编码后的数据传送给调制器；对所述经密勒编码后的数据信号进行调制，使之变换成一种变幅平顶正弦脉冲(CODE)；利用广播发射机发送调制后的数据信号(CODE)；和在接收端；将接收到的数据信号(CODE)进行限幅放大解调，并根据所接收的所述信号(CODE)对接收解调器的解码时钟频率进行锁定；对所述经解调后的数据信号(CODE)进行密勒解码，其中用密码(ML)的每一个极性跳变的脉冲沿来触发，生成一个宽度为T的正脉冲，从而得到PP码，利用一个其周期为2T的解码时钟信号(CKR)的正脉冲对PP码取样，从而还原出数据信号(DTR)；利用对所述数据信号中一组相关联的特定字符，作为所述数据包之间的分割符，以及对所述解码时钟信号(CKR)进行相位锁定；根据“包头”与“包尾”的识别对经密勒解码后的数据信号进行解包处理；以及以与上述发送端“加码”步骤相逆的方式，对信号进行去码处理，从而拼装和还原出所述数据信号。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于利用连续n个的字符x(x可为1或0)的字符串作为“分割符”，利用连续(n+1)个的字符x的字符串作为解码的“时钟同步符”在所述发送端对数据块进行打包的步骤中，所述包头由3个或3个以上的所述“分害割符”和一个“填充符”组成，所述“填充符”的字符是由那些不会与其前面的所述“分割符”和其后面的有效数据字节组合成与所述“分割符”及“时钟同步符”相同字符串的字符组成;所述“包尾”由一个所述“填充符”和3个或3个以上的“分割符”组成;以及在所述接收端解包的过程包括以下字节同步和数据块同步的步骤当两个所述“分割符”之间的数据长度大于一定的值(如大于2字节)时，接收端将它作为有效数据包，于是，数据包解包时，有效数据的第一个字节是其前方最后一个“分割符”之后第二个字节;该段有效数据的最后一个字节是其后方第一个“分割符”之前的第二个字节。
3.根据权利要求2的方法，其特征在于，其中所述发送端的加码处理包括“加x”、“加x”和“再加x”三个处理过程A′.在数据流中，每个连“x”的字符串(连续为“x”的字符串)，包括单个的“x”，都被再插入一个“x”;B′.在数据流中，当连“x”的位数大于或等于n时，再向这个字符串中插入一个“x”;C′.在数据流中，当连“x”的位数大于或等于(n+1)时，再向这个连“x”字符串中插入一个“x”;以及所述接收端的去码处理包括“去x”、“去x”和“再去x”三个处理过程;A.当数据流中连“x”字符串的位数大于或等于(n+2)比特时，从中删去一个“x”;B.当数据流中连“x”字符串的位数大于或等于(n+1)比特时，从中删去一个“x”;C.将数据流中每一个连“x”的字符串，从中删去一个“x”。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于，所述“分割符”为“1000 0001”，所述同步符为“1000 0000 1”，而所述“填充符”为“0000 0000”。
5.根据权利要求3的方法，其特征在于当所述发送端的发送计算机与发送调制器之间采用所述串行输入/输出(SIO)时，采用异步通信规程把数据送入发送调制器，数据在所述调制器中被变换成同步数据后输出;所述发送调制器与所述接收端的解调器之间采用同步传输规程;当接收端的接收解调器与计算机之间采用所述串行输入/输出(SIO)时，数据在接收解调器中被转换成异步串行数据，采用异步通信规程输入计算机。
6.根据权利要求1和5的方法，其特征在于所述调制和解调的步骤分别包括在发送调制器中，利用一第一时钟信号发生器产生第一发送时钟信号CKs1，其频率等于所述发送计算机串行输入/输出(SIO)口的比特率;利用一第二时钟信号发生器产生第二时钟信号CKs2、以及4CKs2和1/8CKs2，其中第二时钟信号CKs2的频率等于信道中同步数据的传输速率(baud)，1/8CKs2是送给发送计算机的异步传输请求信号;以及在接收解调器中，利用一第一时钟发生器产生第一接收时钟信号CKr和1/8CKr1，其中CKr1的频率等于信道中同步数据的传输速率(baud)并由数据信号所锁定，1/8CKr1是送给接收计算机中的字节节拍信号;利用一第二时钟发生器产生第二接收时钟信号CKr2，其频率等于接收计算机串行输入/输出(SIO)口的比特率;其中数据传输速率baud的值可以根据信道特性，任意设置，而CKs1和CKr2均必须大于baud的1.25倍。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于所述变幅平顶正弦波(CODE)是一种双极性的变形的正弦脉冲，它的上升沿是一段负90度到正90度的正弦波，下降沿是一段正90度到负90度的正弦波，当发送时钟的周期为2T时，上升沿和下降沿的时间都为2T，当密勒编码后的数据信号的宽度为2T时，它为F(t)＝±A0×sin(π×t÷2T)，(其中0≤t＜2T，π＝.3.1416…，A0为脉冲幅度);当数据信号的宽度为3T时，它的幅度A0的56%，在上下沿之间有一段时间为T的平坦部分，即
8.根据权利要求1和5的方法，其特征在于还包括在所述发送端发送数据和/或所述接收端对所接收的数据信号进行放大之前，对所述数据信号进行带通滤波的步骤，该带通滤波器(FS，FR)的频带均为1/3baud-4/5 baud。
9.根据权利要求3的方法，其特征在于所述接收端对所述解码时钟进行相位同步锁定的步骤进一步包括在接收每个数据包之前，都利用所述分割符进行时钟同步和字节同步两种状态的校验，其中当在解码后的数据信号中找到所述“时钟同步符”时，使所述解码时钟信号后移或提前半个周期(T)，以实现解码时钟信号与数据信号之间相位的锁定。
10.根据权利要求9的方法，其特征在于当所述立体声双声道广播系统为调频立体声广播系统时，所述系统可以设定以下两种数据广播方式A.高速率广播方式以66.25Kbps的传输速率传输数据信号，滤除22KHz-53KHz以外的频率成份，关闭立体声导频信号，从而利用调频立体声广播的“左-右”信道传输数据信号，“左+右”信道传送一路声音信号;B.低速率广播方式直接通过立体声广播的一个声道进行传输，并且利用中数据信号中特定的字符串作为数传标记，用以区别正常的双声道立体声广播。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于所述低速率广播方式进一步适用于调频调幅立体声和有线立体声广播系统以及磁带录放音系统，其数据传输速率根据所述声道的特性来设定。
12.根据权利要求10-11中任何一个的方法，其特征在于在所述低速率广播方式中，适当降低数据信号的幅度电平，使其等于或低于-24dB(设100%调制为0dB电平)。
13.根据权利要求9的方法，其特征在于所述密勒编码、密勒解码、接收端解码时钟相位同步、字节同步以及数据块同步处理的步骤用软件来实现。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于所述用软件实现密勒编码的步骤包括a.将所述待发送的数据块中的每一个“1”字符扩展成两个“1”字符，每一个“0”字符扩展成两个“0”字符，从而得到数据(DTS)。b.将数据(DTS)与一组“0”、“1”相间的数据发送时钟(CKS)进行“同”运算，得到双相码的数据(DP)。c.当双相码数据(DP)中出现“01”码时，使与之平行的数据(MLS)的字符转换一次，即从“1”变成“0”(如“…10…”)，或者从“0”变成“1”(如“…01…”)，从而生成所述密勒码数据MLS。
15.根据权利要求13的方法，其特征在于所述用软件实施接收端密勒码解码、解码时钟信号的相位同步、字节同步以及数据块同步的过程如下a.当所述解调后的数据(MLR)中出现“01”或者“10”字符时，使得与之平行的数据(PP)中生成一个“1”字符，数据(PP)的其余字符均为“0”，从而生成所述数据流(PP);b.利用一组与数据(PP)平行的、“0”“1”相间的解码时钟数据(CKR)的“1”脉冲对所述数据(PP)进行取样，使之得到解码后的密勒码数据(DTR);c.当所述解码后的密勒码数据(DTR)中出现“时钟同步符”时，将解码时钟信号(CKR)翻转(即“0”变“1”或者“1”变“0”)，以便得到正常的解码结果;每一个数据包的解码之前都进行一次解码时钟的相位锁定。d.当数据(DTR)中出现"分割符"时，判定为一个字节的开始，同时也是一个数据包的开始;e.当两个“分割符”之间的数据长度大于一定的值(如大于2字节)时，判定前面的“分割符”之后第二个字节为有效数据的第一个字节，后面的“分割符”之前的第二个字节为就该段有效数据的最后一个字节。
全文摘要
本发明涉及数据传输中对数据进行数据变换、编码和解码、串行异步/同步传输规程之间的转换、以及信号调制/解调过程，使得在调频、调幅、有线立体声广播、磁带录音设备中能同时传输和存储声音信号和计算机数据，并对现有的收音机、录音机兼容。在调频立体声广播中可采用高速率和低速率两种数据传输方式。此方法可用于公共信息的数据广播、有声音的计算机广播教学、以及计算机通讯等方面。
文档编号H04L29/02GK1109232SQ9410332
公开日1995年9月27日 申请日期1994年3月24日 优先权日1994年3月24日
发明者王亚伦 申请人:王亚伦