CN101197629B - 模拟调幅广播发射机数字化改造中模数同播的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明“模拟调幅广播发射机数字化改造中模数同播的实现方法”是一种将模拟调幅广播发射机改造为数字广播(DRM)发射机时，模拟节目与数字节目同时播出的实现方法，特别涉及一种基于残留单边带滤波的频谱安排的实现方法。该方法对模拟节目采用残留单边带滤波，提高其高频响应，对数字节目采用全带宽播出，达到全数字质量。本发明用于模拟调幅广播发射机数字化改造过程中模拟节目与数字节目同时播出，在不明显降低主观收听质量的前提下，有效节省带宽，实现高质量的模拟调幅广播和全带宽的数字DRM广播同播功能。

Description

模拟调幅广播发射机数字化改造中模数同播的实现方法

技术领域

本发明是一种模拟调幅广播发射机改造为数字广播(DRM)发射机时，模拟广播与数字广播同时播出的实现方法，特别涉及一种基于残留单边带滤波的模数同播频谱安排及其实现方法。

背景技术

在模拟调幅广播发射机的数字化改造过程中，为了实现由模拟到数字的平滑过渡，解决频率与设备的短缺，同一部发射机可以按照不同的方案同时播出模拟调幅广播节目与数字DRM节目。

所谓同播，是指在由模拟向数字过渡的时期中，使用同一部发射机，使用已有的频率(或同时占用邻频道频谱)，为相同的覆盖区域同时发射模拟调幅广播节目与数字DRM节目，下文和说明书附图中简称模拟节目和数字节目。同播的节目一般来说是相同的，但也可以不相同。不论相同或不相同，都没有必要要求模拟节目与数字节目在时间上完全同步。

DRM支持许多不同的同播方案，不同的选择适用于不同的条件，有与其相关的问题。不论采用何种方式，同播有共同的要求：一是发射的模拟节目与数字节目的频谱不能有重叠，否则会相互干扰；二是模拟节目与数字节目的瞬时电压合成幅度，不能超过发射机的设计能力，模拟节目运行要求的最大幅度一旦确定，数字节目运行的峰值电压、峰值功率和有效功率也相应确定。

同播与传统意义上的多工广播(例如调频广播的RDS等)不同，它本身不提供节约频谱和节约功率的好处，它是以容忍模拟与数字节目质量下降为代价。

理论上存在很多种同播方式，以下几种同播的方式特点比较明显，图1所示是模拟节目5与数字节目6不同同播方式的频谱图，其中三角形为模拟节目5占用的频谱，矩形为数字节目6占用的频谱。图1(a)为占据模拟广播频道1标准射频带宽(9KHz或10KHz)的原有模拟节目5的射频频谱。

(一)模拟与数字节目分享现有的一个9KHz或10KHz标准带宽(0.5+0.5标准带宽)

在不能使用邻频道的情况下，模拟节目5与数字节目6可以各占一半的带宽，分享现有的一个9KHz或10KHz标准带宽(0.5+0.5标准带宽)，如图1(b)所示。这时，模拟节目按照兼容单边带方式运行，模拟节目的调制信号通过低通滤波器严格限制在4.5KHz(或5KHz)以内，以免干扰数字节目。

这种方案的最大优点是不需要申请新的频率，广播电台可以使用原有的频道随时进行DRM广播。但是，这种方案的缺点也相当明显，就是同播的模拟节目与数字节目的质量都要下降。模拟节目限制在一半的信道带宽中，必须单边带运行，即使采用保留载波的单边带实现兼容，其模拟节目质量也不可避免的要受到损害；数字节目质量下降的原因，也是由于只使用一半的信道宽度，可传送的数据率减半，与数据率成正比的数字信号的质量也减半。

使用这种方案进行同播，不但原有的模拟节目质量降低，也减低了数字节目对听众的吸引力，极不利于DRM技术系统的发展。基于以上原因，目前还没有广播机构使用这种方案进行同播，若是长期运行，更不宜选择这种方案。

(二)模拟全带宽+数字全带宽(2.0标准带宽)

在频率规划允许使用邻频道的情况下，可以采用这种方式进行模拟与数字节目同播。这时，模拟节目5占用模拟广播频道1，数字节目6可以安排在模拟频道的左侧或右侧，以左侧为例，占用邻频道2，如图1(c)所示。

在这种情况下，模拟节目的调制信号同样需要通过低通滤波器将其频率严格限制在4.5KHz(或5KHz)以内，数字节目由于带宽与前面相比加倍，可传输的数据率加倍，质量提高加倍，达到全数字质量。

对发射机来说，这种方案的特点是工作带宽比原来加倍。如果发射系统原来的频率响应指标直到±9KHz或±10KHz都能满足要求，则运行于这种方式下是基本没有问题的。但是，由于整个同播频谱能量分布不对称，将给发射系统的天线调配网络调整带来麻烦，往往难以得到理想的匹配效果。

(三)模拟扩展带宽+数字全带宽(4.0标准带宽)

由于原有频率规划往往允许使用邻频道，为了提高广播质量，原有模拟节目5除占用本模拟广播频道1，还占用邻频道2和邻频道3，如果采用2.0标准带宽方案，必需对模拟信号进行带宽限制，使模拟广播信号不超出9kHz或10kHz范围，降低了原有模拟广播的服务质量。为保持原有模拟广播质量不下降，模拟节目5可按照模拟扩展带宽广播方式，占用三个标准频道，数字节目6安排在模拟频道的左侧或右侧，以左侧为例，占用邻频道4，数字节目6频谱中央频点跟模拟节目5载波频点相差两个频道带宽，如图1(d)所示。

在这种情况下，由于模拟节目频谱与目前运行的广播完全相同，所以节目质量可以做到几乎不受影响，数字节目占用一个标准频道，可达到全数字质量。

这种方案工作带宽为四个标准频道，要求发射系统的频率响应直到±18KHz或±20KHz都能满足要求，目前对调幅广播台来说非常苛刻，而且本方案跟2.0标准带宽方案一样，整个同播频谱能量分布不对称，要实现发射系统的天线调配网络良好工作很不容易。因此，虽然该方案在节目质量上有很大的优势，但难以大范围推广实施。

发明内容

本发明是一种将模拟调幅广播发射机改造为数字调幅广播(DRM)发射机时，模拟广播与数字广播同时播出的实现方法。该方法采用残留单边带滤波器对传统模拟调幅广播信号进行滤波，实现一种全新的模数同播频谱安排方案，在不明显降低主观收听质量的前提下，有效节省了带宽，提供了一种有效、高质量、可实现的模数同播方式。

对我国9kHz带宽的中波广播频道，本发明实现模数同播的频谱安排方案如下：

在模拟广播频道基础上扩展邻频道，在模拟广播频道传播模拟节目的低频节目分量，在邻频道传播模拟节目的高频节目分量；在模拟广播频道及其邻频道内对模拟节目采用残留单边带滤波，其中，在模拟广播频道对低于4.5kHz的音频信号采用双边带调制，传送低于4.5kHz音频信号的上边带和下边带，并保留载波信号，以实现双边带收音机解调兼容；在邻频道对高于4.5kHz的音频信号采用单边带调制，只传送高于4.5kHz音频信号的上边带，以提高模拟音频节目的高频响应，并且其中，所述单边带调制的增益比所述双边带调制的增益高6dB，滤波器频谱特性如图3所示；数字节目采用标准全频道带宽，占用模拟广播频道的另一个邻频道。其频谱安排如图2所示。

根据信号处理相关理论，实系数滤波器其滤波特性正负频率具有对称性，要得到符合图3所示非对称滤波特性的滤波器，需要采用复系数滤波器进行滤波。基于Matlab设计的FIR滤波器只能得到频谱对称的实系数滤波器，不能完全符合本发明的要求，为得到如图3所示频谱特性的复系数滤波器，将该非对称特性滤波器划分为对称模块，并进行搬移、合成，得到所需残留单边带滤波器。模拟广播的音频节目x(n)是实信号，频谱具有对称性，进行残留单边带滤波就是将频谱对称的实信号经过复系数滤波器，得到频谱不对称的复信号。设滤波器复系数为h(n)＝h_i(n)+jh_q(n)，则滤波后信号为

$y\left(n\right)=h\left(n\right)\⊗x\left(n\right)$

$y_i\left(n\right)+{\mathrm{jy}}_q\left(n\right)=h_i\left(n\right)\⊗x\left(n\right)+{\mathrm{jh}}_q\left(n\right)\⊗x\left(n\right)$

即x(n)分别与滤波器的实部、虚部进行卷积运算，得出滤波后信号的实部与虚部。得到滤波后的复数信号y(n)后，与频谱搬移后的数字DRM信号进行叠加，得到基带同播复信号，对基带同播复信号进行正交调制，将同播信号搬移到发射频率，即可得到射频同播信号。

本发明的软件运行流程为：

a)对模拟调幅广播节目数字化信号进行残留单边带滤波；

b)对数字DRM信号进行频谱搬移；

c)根据外部控制指令，分别对步骤a)和步骤b)获得的两路数字信号的幅度作与功率控制相关的调整处理；

d)对步骤c)输出的经功率控制的数字信号作基带合成，得到基带复播信号，输出至射频调制模块。

本发明产生的有益效果是：

在信号频谱占用方面，本方案同播频谱仅占用了原模拟广播频道及其两个邻频道，能满足目前大部分广播频谱规划要求。对于发射系统，需要频率响应直到±13.5KHz或±15KHz都能满足要求，而且频谱能量分布基本对称，对目前发射台大部分天调系统来说，仅需进行少量调整即可满足要求。

在节目质量方面，模拟广播信号由于采用残留单边带滤波，人耳特别敏感的低频信号仍然采用双边带调制，人耳不是很敏感的高频信号采用单边带调制，并进行高频能量补偿，基本满足人耳主观听觉要求。同时，模拟调幅广播保留载波能量，不影响目前大部分收音机的接收方式。数字广播节目由于占用一个标准信道，可达到全数字质量。

本发明在实现模拟调幅广播信号与数字DRM广播信号不混叠的前提下，使用与原来模拟调幅广播基本一样的频谱资源，就能实现高质量的扩展模拟调幅广播和全带宽的数字DRM广播同播功能，其原模拟调幅广播主观收听质量没有明显下降。

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为目前存在的几种可能的模数同播方式的频谱图；

图2为本发明实现模数同播的频谱安排示意图，即模拟广播采用残留单边带滤波和数字广播全带宽的同播方式的频谱图；

图3为本发明中残留单边带滤波器频谱特性图；

图4为本发明中残留单边带滤波器的实现方法示意图；

图5为本发明的模数同播实现方法应用于模拟调幅广播发射机数字化改造软件系统中的信号处理流程图。

图中：模拟广播频道1，邻频道2，邻频道3，邻频道4，模拟节目5，数字节目6，残留单边带滤波7，频谱搬移8，功率控制9，基带合成10，射频调制11。

具体实施方式

图2为本发明实现模数同播的频谱安排示意图，以我国中波频道(9kHz)为例，模拟节目5占用两个标准频道，在本模拟广播频道1内对低于4.5kHz的音频信号采用双边带调制，并保留载波信号；在邻频道3对高于4.5kHz的音频信号进行单边带调制，提高模拟音频节目的高频响应；数字节目6占用本模拟广播频道1的另一个邻频道2。

图4为本发明中残留单边带滤波器的实现方法示意图，实现方法如下：

使用Matlab工具设计低通滤波器(a)和(b)，得到a(n)和b(n)，若要求高频截止频率为f_r，则滤波器(a)截止频率为4.5kHz，过渡带宽为f_b，滤波器(b)截止频率为f_m＝(f_r+f_b-4.5kHz)/2，过渡带宽为f_b。将滤波器(b)进行频谱搬移得到滤波器(c)，搬移量f_n＝(f_r-f_b+4.5kHz)/2，则c(n)＝b(n)cos(wn)+jb(n)sin(wn)，w＝π(f_r-f_b+4.5kHz)/f_s，其中f_s表示采样频率。将滤波器(a)与滤波器(c)的系数进行加权相加，即可得到我们需要的滤波器系数h(n)＝a(n)+2×c(n)。

本发明中软件设计的信号处理过程如图5所示：对基本广播通路的模拟节目5进行残留单边带滤波7，同时对同播广播通路的数字节目6进行频谱搬移8，然后根据外部控制指令，按照一定的功率因子配比，分别对两个通路广播信号的信号幅度进行调整处理，即进行功率控制9，最后将两路信号作基带合成10，输出到后级射频调制模块11。

以上信号处理过程通过FPGA可编程逻辑语言实现，并整合到DX中波发射机DRM接口适配板的FPGA芯片中，在10KW DX中波发射机上进行了实测。采用现有调幅收音机接收，收听测试表明，按照本发明实现的频谱安排方案采用残留单边带调制，主观收听效果与双边带调制一致，达到预期效果。

Claims (1)

1.一种模拟调幅广播发射机数字化改造中模数同播的实现方法，其特征是所述方法包括：

对我国9kHz带宽的中波广播频道，在模拟广播频道(1)基础上扩展邻频道(3)，以使模拟节目(5)占用两个标准频道，在所述模拟广播频道(1)传播模拟节目(5)的低频节目分量，在所述邻频道(3)传播模拟节目(5)的高频节目分量；

在所述模拟广播频道(1)和所述邻频道(3)内对所述模拟节目(5)采用残留单边带滤波，其中，在所述模拟广播频道(1)对低于4.5kHz的音频信号采用双边带调制，传送低于4.5kHz的音频信号的上边带和下边带，保留载波信号，在所述邻频道(3)对高于4.5kHz的音频信号采用单边带调制，只传送高于4.5kHz的音频信号的上边带，并且其中，所述单边带调制的增益比所述双边带调制的增益高6dB；

数字节目(6)占用所述模拟广播频道(1)的另一个邻频道(2)。

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