CN100369396C - 带内频道数字音频广播的混频方法及am和fm发送和接收器 - Google Patents

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Abstract

一种处理合成音频广播信号以减少在接收所述音频广播信号时产生的间歇性中断的方法。该方法包括以下步骤，从所述音频广播信号的数字调制部分中分离出所述音频广播信号的模拟调制部分；将来自所述广播信号的模拟部分的数据与来自所述广播信号数字部分的数据组合起来以产生一个混合的音频输出。还提供一种通过将所述调制解调帧与所述广播信号的模拟部分相加发送具有模拟部分和数字部分的合成音频广播信号以减少在所述音频广播信号的接收中产生的间歇性中断的方法，所述调制解调帧包括代表所述音频广播的数字部分的音频帧。

Description

带内频道数字音频广播的混频方法及AM和FM发送和接收器
背景技术
本发明涉及一种信号处理的方法和设备，更具体地说，涉及一种带内频道(in band on channel)数字音频广播系统中用于减轻信号衰减、暂时阻塞或严重频道损害影响的方法和设备。
数字音频广播(DAB)是一种优于现有模拟广播形式的提供数字品质音频的媒体。AM和FM DBA信号都能以一种数字化调制信号与现有的模拟AM和FM广播信号共存的混合形式进行传播，或者以无模拟信号的全数字形式传播。带内频道(IBOC)DAB系统不需要新的频谱分配，因为每个DAB信号都是在现有的AM或FM频道分配的相同频谱掩膜(spectral mask)中同时传播。IBOC在使得广播电台能够为它们现有基础上的听众提供数字品质的音频的同时，提高频谱利用的经济效益。目前对关于IBOC DAB的方法已提出了几种建议。
FM IBOC DAB广播系统的使用已经成为几个美国专利的主题，这些专利包括，美国专利5,465,396；5,315,583；5,278,844和5,278,826。最近，有人提出的一种FM IBOC DAB信号把模拟调制载波与多个离FM中心频率大约在129kHz到199kHz范围内的正交频率分割复用副载波(OFDM)组合在一起，这些副载波的频率在模拟调制主FM载波占用的频谱之上和之下。
由美国专利5,588,022提出的一种AM IBOC DAB实现方法，提供了在一个标准的AM广播频道内同时广播模拟和数字信号的方法。运用这种方法，可以广播具有第一频谱的调幅无线电频率信号。该无线电频率信号包括由一个模拟程序信号调制的第一载波，同时，可以在包含第一频谱的带宽内广播多个数字调制载波信号。每一个数字调制载波信号被一个数字程序信号的一部分调制。第一组所述数字调制载波信号位于第一频谱内，并按与所述第一载波信号在相位上相差四分之一周期被调制。第二和第三组所述数字调制载波信号位于第一频谱外，并按与所述第一载波信号同相和在相位上相差四分之一周期被调制。通过正交频率分割复用(OFDM)的方法采用多个载波来承载传送的信息。
在广播系统中必须提到的是无线电信号容易遭到间歇性的衰减或阻塞。传统上，FM无线电广播通过从立体声音频到单声音频的转换来减少信号衰减或部分阻塞产生的影响。这种方法之所以取得一些程度上对有害影响的减少，是因为在副载波上调制的立体声信息比位于基带内的单声信息需要更高的信噪比以便被解调到一个给定的品质水平。然而，某些阻塞充分地“断开”(“take out”)了基带并由此在音频信号接收中产生间断。IBOC DAB系统应设计成减少甚至是发生在传统模拟广播中的最近类型的破坏，至少是那些间歇种类的并且持续小于几秒钟的破坏。为了获得这种减少的效果，数字音频广播可以采用将主广播信号与冗余信号一起发送的方法，该冗余信号相对所述主广播信号延迟预定数量的大约几秒时间。接收器相应地延迟以便延迟接收到的主广播信号。一个接收器能够在听众收听到之前，检测出主广播频道中代表射频(RF)信号衰减或阻塞的品质降低。响应这种检测结果，所述延迟了的冗余信号能暂时地代替所述恶化了的主音频信号，当所述主信号被破坏或收不到时充当“空白填充者扑”(“gapfiller”)。这就提供了一种从主音频信号平滑地转换到延迟的冗余信号的混合功能。
这种将IBOC系统的DAB信号混合成延时模拟音频信号(AM或FM信号)的想法在一个尚未授权的美国专利申请“一种在音频无线电广播系统中减少间歇性中断的系统和方法”中有描述，该专利申请于1999年10月9日提交，序列号为08/947,902。该申请的实施假定可以通过强力硬件实时处理信号来实现对模拟信号的实时延迟，这种方法能精确地控制相对延迟。
由Brian w.Kroeger等所著，名为“数字音频广播带内频道(IBOC)系统FM混合的兼容性”，发表在“IEEE广播学报”(美国，纽约，第3卷，第4号，1997年12月)上的文章公开了在带内频道数字音频广播系统中对模拟和数字信号的混合。
然而，人们期望能够用非实时的可编程数字信号处理器(DSP)来构建延时控制。本发明提供了一种DAB信号处理方法，包括不同延迟以及能用非实时操作的可编程DSP芯片实现的混合功能。
发明概述
本发明提供了一种处理合成的数字音频广播信号的方法，用于减少在接收所述数字音频信号时产生的间歇性中断。该方法包括以下步骤：将所述数字音频广播信号的模拟调制部分从其数字调制部分中分离出来，产生第一组具有代表所述数字音频广播信号模拟调制部分的记号的多个音频帧，产生第二组具有代表所述数字音频广播信号数字调制部分的记号的多个音频帧。测量所述第一组和第二组多个音频帧之间的偏移以产生一个错误信号；响应所述错误信号调整所述第二组多个音频帧；对所述经调整的第二组多个音频帧进行延时。然后所述第一组多个音频帧与所述第二组多个音频帧结合起来产生一个混合的音频输出。
此外，本发明包含一种发送具有一个模拟部分和一个数字部分的合成数字音频广播信号，以减少在接收所述数字音频广播信号时产生的间歇性中断的方法。该方法包括以下步骤，将代表所述数字音频广播信号中数字部分的记号置入多个音频帧，产生多个调制解调帧(modem frames)，每个所述调制解调帧包含预定数量的所述音频帧；然后对每个所述调制解调帧加上一个帧同步信号。然后所述调制解调帧与所述数字音频广播信号的模拟部分一起发送，所述模拟部分被延迟相应于所述调制解调帧的一个整数数量的时延。本发明还包括根据上述方法处理信号的无线电接收器和发送器。
附图说明
图1是根据本发明能够广播数字音频广播信号的一个DAB发送器的框图；
图2是根据本发明能将一个数字广播信号的模拟和数字部分混合起来的一个无线电接收器的框图；
图3是表明音频帧与一个帧同步记号调准的时序图；
图4是一个说明对FM混合DAB接收器执行混合操作的功能性框图。
优选实施例说明
参照附图，图1是根据本发明能够广播数字音频广播信号的一个DAB发送器10的框图。信号源12提供所要发送的信号。源信号可以采取多种形式，如模拟程序信号和/或数字信息信号。基于数字信号处理器(DSP)的一个调制器14根据各种不同的信号处理技术处理所述源信号，以在线16和18上产生所述复杂基带信号的同相和正交成分，所述信号处理技术如源编码，交错和向前错误校正不构成本发明的一部分。所述成分在向上变换器框20中被向上移频、滤波和插入以达到更高的采样率。这样就在线22上的中频信号fif上产生采样率为fs的数字采样信号。数/模转换器24将该信号转换成线26上的模拟信号。一个中频滤波器28滤除假频以产生线30上的中频信号fif。一个局部振荡器32产生线34上的信号flo，该信号与所述线30上的中频信号经混频器36混合以产生线38上的和数与差数信号。所述和数信号以及其它不想要的交叉调制成分和噪音被图像滤除滤波器40滤除以产生线42上的已调制的载波信号fc。然后一个高功率放大器44将这些信号送到天线46。
图2是根据本发明的一个无线电接收器的结构框图。DAB信号由天线50接收。一个带通预选滤波器52通过重要的频段，包括所希望的频率为fc的信号，但是滤除频率为fc-2fif的图像信号[为一个低侧翼注频局部振荡器(a low side lobe injection local oscillator)]。低噪音放大器54放大所述信号。所述经放大的信号在混频器56中与由可调谐局部振荡器60提供的线58上的一个局部振荡信号flo相混合。这就产生线62上的和数信号(fc+flo)和差数信号(fc-flo)。中频滤波器64通过中频信号fif并衰减位于所述重要调制信号带宽以外的频率。一个模/数转换器66通过一个时钟信号fs进行操作以产生线68上的采样率为fs的数字采样信号。数字式向下变换器70对所述信号进行移频，滤波和分样以产生线72和74上的具有更低采样率的同相和正交信号。然后一个基于数字信号处理器的解调器76提供附加的信号处理来为输出设备80产生线78上的输出信号。
当所述DAB音频信号的数字部分不存在时(如，当频道被初始调谐，或当产生一个DAB破坏时)，所述模拟AM或FM备份音频号就被馈送给所述音频输出。当所述DAB信号可以得到时，所述基于数字信号处理器的解调器执行混合功能，在所述DAB中进行混合时，平滑地减弱并最终去掉所述模拟备份信号，以使这种转换几乎察觉不到。
类似的混合发生在损害所述DAB信号的频道破坏中。这种破坏通过周期性的冗余检查(CRC)错误检测方法在不同的延时中检测出来。在这种情况下，所述模拟信号被渐渐地混合到所述输出音频信号中，同时减弱所述DAB信号以便当所述DAB破坏出现在所述音频输出中时所述音频能完全地混合到模拟信号中。此外，所述接收器在没有所述DAB信号的任何时候输出所述模拟音频信号。
在所提出的一种数字音频广播接收器的设计中，所述模拟备份信号被检测和解调以产生一个44.1kHz的音频采样流(在FM情形下为立体声，其能进一步在低SNR环境下混合到单声或无声中)。该44.1kHz的采样率与所述接收器的局部参考时钟同步。数据解码器也以44.1 kHZ的频率产生音频采样信号，但是这些采样信号与基于所述发送器参考时钟的调制解调数据流同步。所述发送器和接收器之间44.1kHz时钟的微小差别防止所述采样模拟信号一对一的直接混合，因为音频内容将会随着时间渐渐地移开。所以需要某种再调准所述模拟和DAB采样信号的方法。
如图3所示，所述发送器调制器将数字信息置入连续的调制解调帧82中。在每个调制解调帧开始时发送一个帧同步记号(FSS)84，出现例如每256个正交频率分割复用(OFDM)记号。所述帧同步记号(FSS)表明如图1中所示的模拟信号与数字信号之间的调准。优选实施例中调制解调帧的持续时间包含来自正好16个音频帧86(大约为371.52微秒的时段)的记号。所述FSS的前沿与所述音频帧0(模16)的前沿调准。所述模拟备份信号的相同的前沿与所述FSS的前沿同时发送。具有所述音频帧0的相同压缩信息的编码数据帧在所述调制解调帧之前被发送，该调制解调帧是在恰由所述不同延时分开的过去时段中被发送的。相同的前沿定义为相应于FSS第一采样信号的模拟(FM)信号的时间采样信号，或所述调制解调帧的开始。不同的延时定义为所述调制解调帧的整数乘积。所述不同的延时远远大于在一个DAB系统中数字处理采用的处理延时，该延时大于2.0秒，且最好在3.0-5.0秒的范围内。
所述模拟和数字音频采样信号能通过采样插入(再采样)所述音频流中的一个来调准，从而使它们互相同步。如果所述局部接收器的44.1kHz时钟用于音频D/A输出，则对所述数字音频流再采样，以便将其混合入已经与所述接收器的局部时钟同步的所述模拟音频流中是最方便的。这由图4功能框图所示的混合技术来完成。图4所示的混合实施意在与采样信号的非实时计算机处理相兼容。例如，任何延时都是通过对采样信号记数，而不是测量绝对时间或周期时钟记数来实现的。这包括需要调准时对采样信号“作标记”(“marking”)。所以这种实现可依照允许对采样信号进行块传输和处理的松散偶接的DSP子程序进行。仅有的限制就是绝对的端对端延时处理要求以及合适的采样信号标记以减少处理时间窗口的模糊性。
图4是一个FM混合DAB接收器相关部分的功能性框图。一个AM混合DAB接受器包括几乎相同的功能度。为了方便对图4中本发明的描述，程序信号路径用实线表示，而控制信号路径用虚线表示。在线100上的对混合功能的信号输入是复杂的基带调制解调信号(优选实施例中FM的采样频率为744，187.5kHz)。图框102说明该信号分解成一个模拟FM信号路径104和一个数字信号路径106。可以通过利用滤波器把所述信号分开来实现。所述模拟FM信号路径由FM检测器108进行处理以产生一个在线110上的采样频率为44.1kHz的立体声音频输出序列。所述FM立体声信号也可以有其自身的混合到单声的算法，类似于在汽车收音机中已经作的那样，以便以立体声信号的分离为代价改善信噪比(SNR)。为方便起见，如图框112所示，所述FM立体声序列用FM音频帧时钟114形成具有1024个立体声音频采样信号的FM音频帧。这些帧然后能成批地被发送和处理。在线116上的FM音频帧与可得到的所述再调准的数字音频帧在框118中进行混合。一个混合控制信号从线120上输入用以控制所述音频帧的混合。所述混合控制信号控制用以形成输出的信号的模拟和数字部分的相对数量。典型地，所述控制信号响应所述信号数字部分品质降低的一些测量结果。用以产生所述混合控制信号的技术不是本发明的一部分，但是前面提到的系列号为08/947,902的申请描述了一种产生混合控制信号的方法。
所述基带输入信号也通过其自身的滤波器被分解成数字路径106以便将其从所述模拟FM信号中分离出来。图框122表明在对分离滤波器的不同处理延时进行适当的调整后，所述DAB基带信号依据FM音频帧队列一起被做上记号。这种作记号使得后续的调准测量能够进行，这样所述数字音频帧能相对于所述FM音频帧重新调准。所述数字信号解调器124向所述解码器126输出经压缩和编码的数据帧用于随后转换成数字信号音频帧。也假定所述数字信号解调器包括需要用来在其输出提供经编码和成帧的数据位的调制解调信号检测、同步及任何向前纠错(FEC)编码。此外，所述数字信号解调器检测所述帧同步信号(FFS)并测量相对于和FM音频帧调准的已作记号的基带采样信号的时延。这个测量的时延，如图框128所示，用744，185.5kHz采样信号的分辨率(即，在一个音频帧期间的分辨率为±672纳秒)揭示所述数字信号音频帧相对于所述FM音频帧时间的偏移时间。然而，仍然存在调准哪一个音频帧(即，0到15)的模糊性。这种模糊性可以通过在一个调制解调帧期间用0到15模16的序列数对每一个数字信号音频帧加标签来容易地解决。为实用起见，建议用一个大得多的模量(即，一个8位序列数给数字信号音频帧0到255加标签)来给所述序列数作标记，以便在允许处理时间“溢出”(slop)的同时仍能避免在不同的时延期间产生的调制解调帧调准的模糊性。
前述的解决音频帧模糊性的方法也可以通过每个调制解调帧编码一个精确数目的音频帧而得到简化。这要求对音频编码器进行调整，使得不同长度的音频帧不能跨越所述调制解调帧的边界。因为所述音频帧(例如，1，32或64音频帧)会在每个调制解调帧内的一个已知固定的序列中出现，所以这种简化能够减少对所述音频帧加序列标签的需要。
在调准错误被测出并已知后，该错误通过恰是用这个数对所述数字信号音频帧重新调准被排除。这用2个步骤来完成。第一再调准步骤用分数音频采样插入器130(fractional audio sample interpolator)排除分数采样未调准错误δ。实际上，所述分数音频采样插入器简单地用一个时延δ对所述数字音频采样信号进行再采样。再调准的下一步是排除采样延时错误的整数部分。这由所述分数再调准音频采样信号进入一个先入先出(FIFO)缓冲器132来完成。在这些采样信号从所述FIFO缓冲器中被读出后，就如图框134中所示的那样被再校准，这样所述再调准的数字信号音频帧就与所述FM音频帧同步。所述FIFO缓冲器采用一个重要的时延，该时延包括由所述不同的时延减去由所述编码器产生的时延。线136上的再调准数字信号音频帧然后与线116上的FM音频帧混合以产生一个线138上的混合音频输出。
尽管所述帧的模糊性只能在调制解调帧的边界解决，但是所述FFS相对于作了标记的数字信号基带采样信号的时间偏移的分数音频采样部分(δ)应在每个FM音频帧的开始测量出来。为使再采样的时间跳动减到最小，允许对分数插入时延值δ进行平滑处理。所述错误值δ随时间的动态变化与所述局部时钟错误成比例。例如，如果局部时钟相对于DAB发送器时钟的错误是百万分之十(10ppm)，则所述分数采样错误δ将每2.3秒变化大约整个一个音频采样信号。类似地，所述δ在一个调制解调帧时间中的变化大约为一个音频采样信号的六分之一。这一步长对于高品质的音频来说太大了。因此希望对δ进行平滑处理以使这一时间跳动最小。
这种特别的混合的实现允许所述DAB解调器、解码器以及分数采样插入器无须严格的时间限制而进行操作，只要这些处理在所述不同的时延中完成，以便所述数字信号音频帧在合适的混合时间能够得到。
本发明的音频混合功能结合了所有DAB IBOC系统要求的不同时延。优选实施例包括与源自所述接收器的局部时钟源的一个44.1KHz时钟相调准的音频采样率。在此描述的特别实现过程包括使用非实时操作而不是实时硬件执行的可编程数字信号处理器(DSPS)。所述调准必须与一个和所述发送的DAB数字信号同步的实际的44.1kHz DAB时钟相适应。尽管所述发送器和局部接收器时钟名义上为44.1kHz音频采样率而设计，但是实际的时钟容差导致一个必须被所述接收器所容纳的错误。所述调准的方法包括所述DAB音频信号的插入(再采样)以容纳该时钟错误。
虽然本发明已依照其优选实施例进行了说明，但是显然对于那些本领域熟练的技术人员来说，可以对所描述的实施例进行各种变化而不背离由下列权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (11)

1.一种处理合成数字音频广播信号以减少在该数字音频广播信号的接收中产生的间歇性中断的方法，所述方法包括以下步骤：
从所述数字音频广播信号的数字调制部分中分离出所述数字音频广播信号的模拟调制部分；
产生第一组具有代表所述数字音频广播信号的所述模拟调制部分的记号的多个音频帧；
产生第二组具有代表所述数字音频广播信号的所述数字调制部分的记号的多个音频帧；
测量所述第一组和第二组多个音频帧之间的偏移以产生一个错误信号；
响应所述错误信号调整所述第二组多个音频帧；
对所述经调整的第二组多个音频帧进行延时；以及
将所述第一组多个音频帧与所述第二组多个音频帧组合起来以产生一个混合的音频输出。
2.如权利要求1所述的方法，进而包括步骤：
用一个代表所述第二组多个音频帧调准的记号(84)对所述第二组多个音频帧作标记。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述产生代表所述数字音频广播信号的所述模拟调制部分的第一组多个音频帧的步骤包括下列步骤：
对所述数字音频广播信号的所述模拟调制部分进行采样以便为所述第一组多个音频帧产生记号；以及
将预定数量的所述第一组多个所述音频帧置入第一组多个调制解调帧中的每一个中。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述产生代表所述数字音频广播信号的所述数字调制部分的第二组多个音频帧的步骤包括步骤：
将预定数量的所述第二组多个所述音频帧置入第二组多个调制解调帧中的每一个中。
5.一种无线电接收器(48)，用于处理合成的数字音频广播信号以减少在该数字音频广播信号的接收中产生的间歇性中断，该接收器包括：
从所述数字音频广播信号的数字调制部分中分离出所述数字音频广播信号的模拟调制部分的设备(102)；
产生第一组具有代表所述数字音频广播信号的所述模拟调制部分的记号的多个音频帧的设备(112)；
产生第二组具有代表所述数字音频广播信号的所述数字调制部分的记号的多个音频帧的设备(124)；
测量所述第一组和第二组多个音频帧之间的偏移以产生一个错误信号的设备(128)；
响应所述错误信号调整所述第二组多个音频帧的设备(130)；
对所述经调整的第二组多个音频帧进行延时的设备(134)；以及
将所述第一组多个音频帧与所述第二组多个音频帧组合起来以产生一个混合的音频输出的设备(118)。
6.如权利要求5所述的无线电接收器，进而包括：
用代表所述第二组多个音频帧调准的记号对所述第二组多个音频帧作标记的设备(126)。
7.如权利要求5所述的无线电接收器，其中所述产生第一组代表所述数字音频广播信号的所述模拟调制部分的多个音频帧的设备包括：
对所述数字音频广播信号的所述模拟调制部分进行采样以便为所述第一组多个音频帧产生记号的装置(108)；以及
将预定数量的所述第一组多个所述音频帧置入第一组多个调制解调帧的每一个中的装置(112)。
8.如权利要求7所述的无线电接收器，其中所述产生第二组代表所述数字音频广播信号的所述数字调制部分的多个音频帧的设备包括：
将预定数量的所述第二组多个所述音频帧置入第二组多个调制解调帧的每一个中的装置(132)。
9.一种发送具有模拟部分和数字部分的合成数字音频广播信号以减少在所述数字音频广播信号的接收中产生的间歇性中断的方法，所述方法包括步骤：
将代表所述数字音频广播信号数字部分的记号置入多个音频帧；
产生多个调制解调帧，每个所述调制解调帧包括预定数量的所述音频帧；
对每个所述调制解调帧加上一个帧同步信号；
发送所述调制解调帧；以及
在相应于所述调制解调帧的一个整数数量的时延之后发送所述数字音频广播信号的所述模拟部分。
10.如权利要求9所述的方法，进而包括步骤：
用一个序列数对每一个所述音频帧作标签。
11.如权利要求10所述的方法，其中所述序列数包括遍布多个所述调制解调帧的一系列数。
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