CN100364302C - 模拟调幅中波广播发射机数字化改造的数字音频处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明“模拟调幅中波广播发射机数字化改造的数字音频处理方法”是一种将模拟中波广播发射机改造为数字广播(DRM)发射机时，音频支路数字信号处理的实现方法。该方法可以对发射机的发射功率和供电电压进行功率补偿的智能增益调节。通过软件的设置实现了灵活的软件无线电设计理念。本发明采用基于升采样处理获得数字信号包络成分，并根据发射机功率控制参数及供电电压进行智能补偿，以获得最佳调制和功率发射效率。本发明用于模拟中波调幅广播发射机改造为数字广播(DRM)发射机，性能和效果良好。

Description

模拟调幅中波广播发射机数字化改造的数字音频处理方法

技术领域

本发明是一种将模拟调幅中波广播发射机改造为数字广播(DRM)发射机时，音频支路数字信号处理的实现方法，特别涉及一种基于数字升采样处理获取数字广播(DRM)信号包络成分和根据发射机功率控制参数以及对发射机供电电压进行智能功率补偿的实现方法。

背景技术

目前采用的模拟中波(AM)广播发射机是由输入的音频信号1经放大器3之后，在混频电路5中与从射频放大器4输出的载波信号2进行混频、功率放大，然后进行发射16，如图1所示。

模拟中波(AM)发射机实现双边带调幅调制功能可用数学公式表示如下：

设音频输入信号为：I_ΩcosΩt

调制后得到的输出信号为：

i(t)＝(I_T+I_ΩcosΩt)cos(ωt+)    {1}

其中I_T为载波信号振幅，ω为载波频率。

模拟中波发射机信号处理过程一般分为音频信号处理、直流成分叠加，音频+直流信号放大，射频信号放大，混频、功率放大等环节。直流叠加相当于式{1}的I_T+I_ΩcosΩt运算，混频通过乘法实现。

数字广播(DRM)信道编码调制器输出的基带复数信号可表示为：

其中c_r，s，k表示所需要传输的QAM符号矢量，ψ_r，s，k是一个周期矢量信号，根据DRM规范，开路发射的DRM无线信号为

$i\left(t\right)=\mathrm{Re}\left\{e^{\mathrm{j\ωt}}\underset{r=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{s=0}{\overset{N_S-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=K_{\min }}{\overset{K_{\max }}{\mathrm{\Σ}}}{c}_{r,s,k}{\mathrm{\ψ}}_{r,s,k}\left(t\right)\right\}$

其中ω表示射频角频率，则DRM调制的数学算式可表示为：

即

i(t)＝I_tcos(ωt)-Q_tsin(ω_t)    {2}

i(t)＝A_tcos(ωt+_t)           {3}

上面式(2)和式(3)是等同的，通过数字射频激励调制器既可以直接产生i(t)，也可以产生cos(ωt+_t)分量。如果采用线性功率放大器进行放大，可以先通过数字射频激励调制器产生小功率的i(t)信号，然后将经信号线性功率放大后发射出去，但这种方式的放大器效率只有40％左右，对于大功率发射机来说，电能的浪费十分严重，而且这种i(t)信号(如(3)式所示)也不适合采用模拟调幅发射机中效率很高的C、D类放大电路进行功率放大。

模拟调幅发射机的射频放大电路虽然不能对i(t)信号进行无失真放大，但却能对不包含幅度信息的cos(ωt+_t)分量进行无失真放大的，此时cos(ωt+_t)信号是一个只带有相位信息的射频信号。

利用模拟调幅发射机调制大功率DRM信号时，先将i(t)信号分为包络分量A_t和高频调相分量cos(ωt+_t)，A_t分量送至发射机音频支路进行线性放大，cos(ωt+_t)分量送至发射机高频支路、利用C、D类放大电路进行高效率的功率放大，然后将经过放大的A_t和cos(ωt+_t)送到发射机的混频电路中进行混频，得到大功率的i(t)信号，实现DRM信号的功率放大与调制。这种方式既可以充分利用模拟调幅发射机的现有电路和设备，同时也实现了高效的功率放大与调制，节省了电能。目前模拟调幅发射机的DRM改造大都基于这种思路，其框图如图2所示。音频信号1进入DRM编码/调制器6，在DRM编码/调制器6中音频信号被编码/调制处理后，输出数字基带信号，并分别送入“求模-数/模转换(D/A)”7和数字射频激励调制器8。送入“求模-数/模转换(D/A)”7的一路信号生成幅度包络，向发射机提供音频信号，送入发射机的音频处理放大器2放大，最终进入混频电路5；进入数字射频激励调制器8的一路经处理生成相位调制的载波，替代改造前模拟调幅发射机中的载波激励器2的输出，送入射频放大器4放大，最终也进入混频电路5。

过去，将模拟调幅中波发射机改造为数字广播(DRM)发射机时，对音频通道所采取的改造方法是“全模拟法改造”的方法，即将音频通道板上的贝塞尔(Bessel)滤波器旁路，以保留数字广播(DRM)信道编码调制器的直流电平信息，并去除72KHz的平滑振荡器，提高整个音频支路系统的带宽，然后将数/模转换后的DRM信号通过原音频支路通道，从而实现DRM信号的音频支路信号处理。这个方法虽然能在不额外增加硬件的条件下实现数字广播(DRM)信号的音频支路的信号处理，但通过此种方法发射的数字广播(DRM)信号的性能指标不够理想，原因是该方法在信号处理上，先进行了数/模转换(D/A)，然后再进行模/数(A/D)转换。这两个环节，都引入了一定的量化误差，不能发挥现有模拟中波发射机中已有的数字调制处理的优势，并使得音频支路信号引入了一些噪声成分，另一方面，由于DRM信号的包络本身含有有用的高频分量，如果简单进行低通滤波，虽然会降低引入附加高频噪声成分，但同时也会抑制DRM信号的包络本身含有有用的高频分量，使DRM信号出现幅度失真。这两个问题是“全模拟法改造”方法的固有缺陷，在技术上难以解决，因此使得整个系统的性能指标(如信噪比)难以提高。

发明内容

本发明是一种将模拟中波广播发射机改造为数字广播(DRM)发射机时，音频支路数字信号处理的实现方法。该方法采用基于升采样处理获得数字信号包络成分，并根据发射机动率控制参数及供电电压进行智能补偿，以获得最佳调制和功率发射效率。

本发明的信号处理过程为：将原有的模拟音频支路输入信号用数字(DRM)信号取代，并采用数字信号处理方法替代原模拟信号处理方法。首先将供电电压的采样值进行模/数转换，并与功率控制信号(BCD码)经可编程逻辑器(FPGA)处理后组合产生电压采样和功率控制的二进制信号作为参数由可编程逻辑器(FPGA)输入到数字信号处理器(DSP)中。同时将由AES(音频工程师协会接口)接口接收到的数字(DRM)信号，即调制后的同相信号I、正交信号Q，转换成串行数字信号送入该数字信号处理器(DSP)中，进行32阶的FIR(有限冲激响应)升采样处理和求模运算，并根据发射机供电电压的波动变化对信号幅度作与功率控制相关的调整处理，然后输出到可编程逻辑器件(FPGA)，可编程逻辑器件(FPGA)通过比较器获得射频的采样信号，将从数字信号处理器(DSP)输入的数字(DRM)包络信号进行采样率转换，最后通过缓冲器输出到发射机的音频放大器，同时提供数据保持、清零信号给控制显示，提供相关的控制显示信号。

本发明采取的方法技术方案是：

模拟调幅中波广播发射机数字化改造的数字音频处理方法，所述的方法包括以下步骤：

a)用于对数字广播DRM调制编码器输出的数字串行音频符号流进行串/并转换的步骤；

b)用于对步骤a)输出的串/并转换后的信号进行数字升采样处理的步骤；

c)用于对步骤b)输出的数字升采样信号进行分离包络成分获得DRM信号的包络成分的步骤；

d)用于步骤c)获得的DRM信号的包络成分进行对发射机供电电压功率补偿的步骤；

e)用于对步骤d)经发射机供电电压功率补偿的DRM信号的包络成分进行发射机输出功率控制的步骤；

f)用于对步骤e)经发射机动率控制的输出信号进行采样率转换的步骤；

h)用于将步骤f)经采样率转换的输出信号输出至音频放大器的步骤。

一种实现模拟调幅中波广播发射机数字化改造的数字音频处理方法的数字音频处理板包括：音频工程师协会AES接口，数字信号处理器DSP，模/数A/D转换器，可编程逻辑器件FPGA，缓冲器，比较器；供电电压的采样信号进行模/数转换，并与功率控制信号经可编程逻辑器处理后组合为二进制信号，将所述二进制信号作为参数由可编程逻辑器输入到数字信号处理器中，同时将由AES接口接收到的数字广播DRM信号，即调制后的I、Q正交两路信号，转换成串行数字信号输入到数字信号处理器中，进行32阶的有限冲激响应FIR升采样处理和求模运算，并根据发射机供电电压的波动变化对信号幅度作与功率控制相关的调整处理，然后将调整处理后获得的信号输出到可编程逻辑器件，可编程逻辑器件基于通过比较器获得的射频采样信号，对从数字信号处理器输入的数字包络信号进行采样率转换，最后通过缓冲器输出到音频放大器。

本发明产生的有益效果是：低成本，用较少的硬件开销即可实现直接获取输入的高速码流的包络信息的目的；采用了软件无线电的设计理念，可以不改动硬件设计，就能实现不同速率输入的符号数据流的包络信息提取，易于升级与扩展应用。由于将DRM信号的处理全部在数字域完成，所以，能够得到很高的性能指标，完全符合DRM的技术标准要求。

附图说明

以下结合附图和实施例对本发明作一详细的说明。

图1为模拟中波广播发射机的原理框图；

图2为将模拟中波广播发射机改装为数字(DRM)广播发射机的原理框图；

图3为本发明的原理框图暨软件运行流程图；

图4为本发明的硬件结构框图。

图中：音频信号1，载波发生器2，音频放大器3，射频放大器4，混频电路5，DRM调制编码器6，获取包络7，数字射频激励调制器8，串/并转换9，升采样10，分离包络成分11，发射机电压补偿12，发射机功率控制13，输出信号采样率转换14，AES接口(音频工程师协会接口)15，数字信号处理器(DSP)16，数/模(A/D)转换器17，可编程逻辑器件(FPGA)18，缓冲器19，比较器20，功率控制信号(BCD码)，电压采样和功率控制信号22，电压采样信号23，射频信号24，射频采样信号25，控制显示26，数据保持、清零信号27，包络信号28。

具体实施方式：

图3所示为本发明的原理框图。对DRM编码器6输出的数字串行音频符号流先进行串/并转换9，接着进行数字升采样处理10，获得DRM信号的包络成分11，之后对发射机供电电压进行功率补偿12，然后进行发射机输出功率控制13，输出信号进行采样率转换14并输出至音频放大器3。

通过使用包含一组芯片的数字音频处理板硬件和嵌入到其中的软件，可具体实现这些步骤。所使用的芯片是：浮点型高性能的数字信号处理器(DSP)芯片，以及现场可编程逻辑器件(FPGA)为基础的芯片组。

本发明的硬件运行如图4所示：将供电电压的采样信号23进行模/数(A/D)转换，并与功率控制信号(BCD码)21经可编程逻辑器(FPGA)18处理后组合产生电压采样和功率控制的二进制信号22，将二进制信号作为参数由可编程逻辑器(FPGA)输入到数字信号处理器(DSP)中，同时将由AES接口(音频工程师协会接口)15接收到的DRM信号，即调制后的I、Q正交两路信号，转换成串行数字信号输入到数字信号处理器(DSP)16中，进行32阶的FIR(有限冲激响应)升采样处理和求模运算，并根据发射机供电电压的波动变化对信号幅度作与功率控制相关的调整处理，然后输出到可编程逻辑器件(FPGA)18，可编程逻辑器件(FPGA)18基于通过比较器获得的射频采样信号25，对从数字信号处理器(DSP)16输入的数字(DRM)包络信号进行采样率转换，最后通过缓冲器19输出到音频放大器3，同时提供数据保持、清零信号27给控制显示26，提供相关的控制显示信号。

Claims (2)

1.模拟调幅中波广播发射机数字化改造的数字音频处理方法，其特征是所述的方法包括以下步骤：

a)用于对数字广播DRM调制编码器(6)输出的数字串行音频符号流进行串/并转换(9)的步骤；

b)用于对步骤a)输出的串/并转换后的信号进行数字升采样处理(10)的步骤；

c)用于对步骤b)输出的数字升采样信号进行分离包络成分(11)获得DRM信号的包络成分的步骤；

d)用于对步骤c)获得的DRM信号的包络成分进行发射机供电电压功率补偿(12)的步骤；

e)用于对步骤d)经发射机供电电压功率补偿的DRM信号的包络成分进行发射机输出功率控制(13)的步骤；

f)用于对步骤e)经发射机功率控制的输出信号进行采样率转换(14)的步骤；

h)用于将步骤f)经采样率转换的输出信号输出至音频放大器(3)的步骤。

2.一种实现权利要求1所述方法的数字音频处理板，其特征在于，所述数字音频处理板包括：音频工程师协会AES接口(15)，数字信号处理器DSP(16)，模/数A/D转换器(17)，可编程逻辑器件FPGA(18)，缓冲器(19)，比较器(20)；供电电压的采样信号(23)进行模/数转换，并与功率控制信号(21)经可编程逻辑器处理后组合为二进制信号，将所述二进制信号作为参数由可编程逻辑器输入到数字信号处理器中，同时将由AES接口(15)接收到的数字广播DRM信号，即调制后的I、Q正交两路信号，转换成串行数字信号输入到数字信号处理器(16)中，进行32阶的有限冲激响应FIR升采样处理和求模运算，并根据发射机供电电压的波动变化对信号幅度作与功率控制相关的调整处理，然后将调整处理后获得的信号输出到可编程逻辑器件(18)，可编程逻辑器件(18)基于通过比较器获得的射频采样信号(25)，对从数字信号处理器(16)输入的数字包络信号进行采样率转换，最后通过缓冲器(19)输出到音频放大器(3)。

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