CN102394714B - 调频广播频段数字广播信号接收方法和接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明为调频广播频段数字广播信号接收方法和接收系统，本方法接收数模混合信号x(t)后，初步分离得到初步恢复的模拟调频信号x0 FM(t)和数字调频信号d0(t)。对它们进行第一级基于导频的迭代分离处理，得到第一级迭代分离后的数字和模拟调频信号，可再进行第二级借助于导频和内码的迭代分离，迭代分离后的数字调频信号经信道解码获得数字音频信号和数据信号，模拟调频信号经解调和数模转换获得模拟音频信号。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。本发明将同一频道重叠的混合数模信号分离，消除二者的相互干扰，使调频段数字广播系统得以实现。
Description
（一）技术领域
本发明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方法和接收系统。
（二）背景技术
调幅（Amplitude Modulation，AM）广播始于1920年，调频（FrequencyModulation，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，DigitalAudio 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 FrequencyDivision 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，并且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△f≥150kHz，功率差△P≥20dB。
带内同频（In-Band On-Channel，IBOC）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97kbps的数据率，其中包括96kbps的音频数据和1kbps的辅助数据，或者64kbps的音频数据和33kbps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28kHz，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147kbps的数据率，其中包括96kbps的音频数据和51kbps的辅助数据，或者64kbps的音频数据和83kbps的辅助数据。该模式也支持模拟立体声和广播数据系统(RDS)，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277kbps数据率，其中包括96kbps的音频数据和181kbps的辅助数据，或者64kbps的音频数据和213kbps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。
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HDRadio 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GBT4311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（Trulyin-band-on-channel，TIBOC）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。
（三）发明内容
本发明的目的是设计一种调频广播频段数字广播信号接收方法。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方法，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。
本发明另一目的是设计一种采用调频广播频段数字广播信号接收方法的调频广播频段数字广播信号的接收系统，能将模拟主调频信号和数字信号较好地分离，同时得到一个干净的模拟主调频广播信号和信噪比达到要求的数字调频信号，得到高质量的数字声音广播。
本发明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 DensityParity-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x0 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d0(t)。初步恢复的x0 FM(t)和d0(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。
所述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，xk FM(t)表示第k步迭代恢复的模拟调频信号；△xk FM(t)表示第k步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xk FM(t)为0；初步恢复的x0 FM(t)和d0(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△xk FM(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drecon(t)。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。drecon(t)和dk(t)之间的差值信号表示为△dk(t)。本发明设定迭代得到的数字调频信号的误差△dk(t)是源自模拟调频信号的一部分，那么模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xk FM(t)+△dk(t)
调频信号是恒包络信号，其星座图是一个圆。当xFM updated(t)不在调频信号的恒包络星座图圆周上时，利用调频信号的恒包络性质，以该圆周重建xk+1 FM(t)，即可从xFM updated(t)重建模拟调频信号xk+1 FM(t)，存入寄存器，用于第k+1步迭代；同时利用xFM updated(t)和xk+1 FM(t)求出然后得
计算出的xk+1 FM(t)、dk+1(t)一起作为下一轮第k+1次迭代的输入。
当迭代次数达到预定的数值M，或者相邻迭代次序的△xk FM(t)或△dk(t)变化差等于或小于参数δ，迭代停止。参数δ的取值为0≤δ≤0.002。dM(t)赋给变量
作为基于导频后恢复的数字调频信号；xM FM(t)赋给变量
作为基于导频后恢复的模拟调频信号。和作为第一级迭代的输出信号。
M值的选择取决于所要求的恢复信号的质量以及迭代实现复杂度、迭代处理时延等因素，通过计算机仿真选定一个兼顾各主要条件的折中的M值，一般选择M=8～12。
第一级迭代分离后得到的数字调频信号和模拟调频信号还是不太令人满意，可以再增加第二级借助于导频和内码的迭代分离，第二级迭代分离过程与第一级迭代分离相似。
第二级迭代分离中，dn(t)表示第n步迭代恢复的数字调频信号，xn FM(t)表示第n步迭代恢复的模拟调频信号；△xn FM(t)表示第n步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xn FM(t)为0；第一级迭代利用导频后恢复的数字调频信号
和利用导频后恢复的模拟调频信号为第二级迭代的输入信号。其中第n步迭代的过程如下，首先对dn(t)与△xn FM(t)求和，然后对两者求和结果dn+1(t)进行FFT运算，得到OFDM符号。用已知精确位置的导频信号代替OFDM符号中受到调频污染的导频子载波，对于非导频的数据载波，通过内码提供的纠错译码信息进行约束。所谓内码提供的纠错译码信息即指纠错译码后得到的对于非导频数据载波的可能取值。用这些可能的取值取代非导频数据载波上的数据再进行IFFT运算后，重建时域OFDM信号，表示为drecon(t)。drecon(t)和dn(t)之间的差值信号表示为△dn(t)。模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xn FM(t)+△dn(t)
利用调频信号的恒包络性质，以圆周重建xn+1 FM(t)，从xFM updated(t)重建第n+1步迭代恢复的模拟调频信号xn+1 FM(t)，存入寄存器，用于第n+1步迭代；同时利用xn FM(t)和xn+1 FM(t)求出△xn FM(t)=xn+1 FM(t)-xn FM(t)，然后以△xn FM(t)、xk+1 FM(t)和dk+1(t)作为输入参数开始新的第n+1次迭代。
当迭代次数达到预定的数值N，相邻迭代次序的△xn FM(t)或△dn(t)变化差等于或小于参数δ，迭代停止。参数δ的取值为0≤δ≤0.002。此时，把dN(t)赋给变量
作为第二级利用导频和内码后恢复的数字调频信号，送给后面的信道纠错解码；把xN FM(t)赋给变量
作为第二级利用导频和内码后恢复的模拟调频信号，送给模拟调频解调器，可得到更高质量的模拟调频广播。
N值的选择与前面M值的选择原则一样，一般选择N=8～12。
本发明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x0 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x0 FM(t)接入初步调频分离器，从x(t)中减去x0 FM(t)得到初步恢复的数字调频信号d0(t)。模拟调频接收器初步恢复的模拟调频信号x0 FM(t)、初步调频分离器得到的初步数字调频信号d0(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
迭代调频分离器以信道响应C(k)均衡d0(t)经FFT得到的频域信号D0(k)，即D0(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
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（FEC，Forward 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。
本发明调频广播频段数字广播信号接收方法的优点为：
针对在同一个调频频道内，模拟主调频信号和数字广播信号频谱完全重叠的混合数模射频信号，基于导频的迭代和基于内码的进一步迭代将模拟主调频和数字广播信号良好地分离，较好地消除二者的相互干扰，恢复了和现有的模拟调频保持兼容的高质量的模拟调频声音广播，现有的模拟广播接收设备还可继续使用；同时，提供了一定码率的高质量的数字声音广播，使数模频谱完全重叠的数模音频广播系统得以实现。数模频谱完全重叠的数模音频广播系统使用原有的模拟广播频道，不需要重新划分频谱，使频谱得到充分利用，节省了频谱资源；随着数字广播用户的增多，逐渐降低模拟调频的发射功率，提高数字信号的发射功率，即提高了数字声音的传输码率，传输更多的数字声音节目，直至最终关闭模拟调频，实现了模拟声音广播到数字声音广播的无缝平滑过渡。
本发明调频广播频段数字广播信号的接收系统的优点为：
1、接收模拟主调频信号和数字广播信号频谱完全重叠的混合数模射频信号，良好地分离模拟主调频信号和数字广播信号，较好地消除二者的相互干扰；2、结构简单，性能可靠，易于实现。
（四）附图说明
图1图1是欧洲DRM+频谱分配模式示意图；
图2是IBOC-FM的混合模式频谱示意图；
图3是IBOC-FM的增强混合模式频谱示意图；
图4是IBOC-FM的全数字模式频谱示意图；
图5是IBOC-FM的主信道和第一邻频信道相互干扰示意图。
图6是中国FM频谱分配示意图；
图7是频谱重叠的数模调频信号频谱示意图；
图8是本调频广播频段数字广播信号接收方法实施例迭代分离流程图；
图9是图8中基于导频的第一级调频信号迭代分离流程图；
图10是图8中基于导频和内码的第二级调频信号迭代分离流程图；
图11是本调频广播频段数字广播信号的接收系统实施例结构示意图；
图12是本调频广播频段数字广播信号的接收系统实施例计算机仿真SNR～BER性能曲线。
（五）具体实施方式
调频广播频段数字广播信号接收方法实施例
本例用于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的分离，如图7所示，该混合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，导频信号的功率高于数字声音广播信号的功率，所述导频信号为在某些子载波连续插入的连续导频信号，本例按菱形插入导频信号，即相邻的OFDM符号中在交错的位置插入导频信号，相邻的OFDM符号中插入的导频信号在不相同的位置上，4个OFDM符号后导频信号插入的位置循环重复。OFDM数字调频信号中含有内码，每个OFDM符号或几个OFDM符号有一个内码。
如图8所示，本例以模拟调频信号接收方式接收到射频数模混合信号x(t)后，进行初步分离，得到初步恢复的模拟调频信号
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d0(t)。初步恢复的x0 FM(t)和d0(t)进行第一级基于导频的迭代调频分离处理，得到利用导频后恢复的数字调频信号
和模拟调频信号
再对
和
进行第二级基于导频和内码的迭代处理，进一步消除它们之间的相互干扰，获得相对干净的数字调频信号
和模拟调频信号
所述第一级基于导频的迭代调频分离处理方法如图9所示：dk(t)表示第k步迭代恢复的数字调频信号，xk FM(t)表示第k步迭代恢复的模拟调频信号；△xk FM(t)表示第k步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xk FM(t)为0；初步恢复的x0 FM(t)和d0(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△xk FM(t)求和，然后对两者求和结果dk+1(t)进行FFT运算，得到解调的OFDM信号。基于插入到每个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FFT频点，进行IFFT运算后，重建时域OFDM信号，表示为drecon(t)。drecon(t)和dk(t)之间的差值信号表示为△dk(t)。本发明设定迭代得到的数字调频信号的误差△dk(t)是源自模拟调频信号的一部分，那么模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xk FM(t)+△dk(t)
调频信号是恒包络信号，其星座图是一个圆。当xFM updated(t)不在圆周上时，利用调频信号的恒包络性质，以圆周重建xk+1 FM(t)，即可从xFM updated(t)重建模拟调频信号xk+1 FM(t)，存入寄存器，用于第k+1步迭代；同时利用xk FM(t)和xk+1 FM(t)求出△xk FM(t)=xk+1 FM(t)-xk FM(t)，然后把△xk FM(t)反馈到输入端，和前面计算出的xk+1 FM(t)、dk+1(t)一起作为输入开始一个新的第k+1次迭代。
当迭代次数达到预定的数值M，或者相邻迭代次序的△xk FM(t)或△dk(t)变化差等于或小于δ=0.001，迭代停止。dM(t)赋给变量
作为基于导频后恢复的数字调频信号；把xM FM(t)赋给变量
作为基于导频后恢复的模拟调频信号。
和作为第一级迭代的输出信号送给第二级迭代，进行基于导频和内码的迭代调频分离。
本例通过计算机仿真选定M=10。
本例第一级调频分离后得到的数字调频信号和模拟调频信号再进行第二级借助于导频和内码的迭代分离，第二级迭代分离过程与第一级相似。第二级借助于导频和内码的迭代分离如图10所示，dn(t)表示第n步迭代恢复的数字调频信号，xn FM(t)表示第n步迭代恢复的模拟调频信号；△xn FM(t)表示第n步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xn FM(t)为0；第一级迭代利用导频后恢复的数字调频信号
和利用导频后恢复的模拟调频信号
为输入信号。其中第n步迭代的过程如下，首先对dn(t)与△xn FM(t)求和，然后对两者求和结果dn+1(t)进行FFT运算，得到OFDM符号。用已知精确位置的导频信号代替OFDM符号中受到调频污染的导频子载波，对于非导频的数据载波，通过内码提供的纠错译码信息进行约束。再进行IFFT运算后，重建时域OFDM信号，表示为drecon(t)。drecon(t)和dn(t)之间的差值信号表示为△dn(t)。模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xn FM(t)+△dn(t)
利用调频信号的恒包络性质，以圆周重建xn+1 FM(t)，从xFM updated(t)重建第n+1步迭代恢复的模拟调频信号xn+1 FM(t)，存入寄存器，用于第n+1步迭代；同时利用xn FM(t)和xn+1 FM(t)求出△xn FM(t)=xn+1 FM(t)-xn FM(t)，然后以△xn FM(t)、xk+1 FM(t)和dk+1(t)作为输入参数开始新的第n+1次迭代。。
当迭代次数达到预定的数值N，或者相邻迭代次序的△xn FM(t)或△dn(t)变化差等于或小于参数δ=0.001，迭代停止。本例通过计算机仿真选定N=10。此时，把dN(t)赋给变量
作为第二级利用导频和内码后恢复的数字调频信号，送给后面的信道纠错解码；把xN FM(t)赋给变量
作为第二级利用导频和内码后恢复的模拟调频信号，送给模拟调频解调器，得到更高质量的模拟调频广播。
本实施例中，数字广播信号中的数字调频广播信号的信道纠错编码采用了串行级联纠错码，内码采用卷积码，其母码是码率为1/2的卷积码，生成多项式是（171otc，131otc），通过凿空（puncturing）处理增信删余，得到其它码率的卷积码，例如2/3、3/4、5/6和7/8；外码采用低密度校验码（LowDensity Parity Check，LDPC）。第二级迭代首先借助内码去除部分信道误码，然后通过级联的外码经LDPC软判决迭代解码，进一步降低残余误码，改善渐进性能。
因为发射设备在信道纠错编码之前已经使用伪随机序列（PN，Pseudo-Random）进行了随机化，因此，在接收时在信道解码模块对纠错数据进行去随机化处理。去随机化后的码流送给信源解码，恢复发送的音频节目和其它数据。
调频广播频段数字广播信号的接收系统实施例
本例的频谱重叠的数模调频信号的接收系统用于接收数模音频广播发射的射频数模混合信号，该射频数模混合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、频谱完全重叠，本接收系统接收射频数模混合信号并将其二者分离，得到高质量的模拟和数字两种声音广播信号。
构成数字声音广播信号的音频和数据流、同步数据、控制数据、导频等信息组成的信号帧送入正交频分复用调制处理（OFDM）单元，不同业务数据集中起来经傅里叶逆变换，并置于相应的OFDM时频网格上，即不同时间不同频率的子载波上，得到数字信号的频谱。然后在数字信号的每个OFDM符号之间插入保护间隔（Guard Interval，GI），在本实施例中，采用了循环前缀正交频分复用（Cyclic Prefix OFDM，CP-OFDM）方式，在GI内放入一个循环前缀，成为一个OFDM符号的周期扩展。
本实施例的数模调频信号的每个OFDM符号或几个OFDM符号对应一个内码码字，内码和外码构成串行级联纠错码，在本实例中，内码采用了卷积码，外码采用了低密度校验码（Low Density Parity Check，LDPC）。
所述内码也可采用其它形式的纠错码，例如RS码(里德-所罗门码)，或者BCH(Bose,Ray-Chaudhuri,Hocquenghem Code)、LDPC码等。
按照频谱重叠的数模调频信号的发射设备相反的顺序进行解调解码，即可得到源端的数据。
本例调频广播频段数字广播信号的接收系统框图如图11所示，包括接收天线、调谐模块、模数变换器（A/D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。
接收天线接收的调频广播频段数字广播的射频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，同时数模变换器数字化后的接收信号经自动增益控制模块反馈到调谐模块，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（模拟FM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（数字FM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。本例采用包络检波鉴频器。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x0 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x0 FM(t)接入初步调频分离器（初步FM分离器），从x(t)中减去x0 FM(t)得到初步恢复的数字调频信号d0(t)。模拟调频接收器初步恢复的模拟调频信号x0 FM(t)、初步调频分离器得到的初步数字调频信号d0(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、基于导频和内码的第二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
迭代调频分离器以信道响应C(k)均衡d0(t)经FFT得到的频域信号D0(k)，即D0(k)*C(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，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（FEC，Forward 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。本实施例中，FEC采用了级联码，首先内码去除部分信道误码，然后通过级联的外码，进一步降低残余误码，改善渐进性能。本实施例的内码采用了卷积码，FEC外码采用了LDPC码。信道解码模块的LDPC解码器为软判决迭代解码器，当迭代过程达到了规定的最大迭代次数（完迭代）时，或当在错误检测和错误纠正处理中没有了误码（部分迭代）时，迭代过程就结束。在信道解码模块还对纠错数据进行去随机化处理。信道解码模块去随机化后的码流接入信源解码模块，最终恢复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/模变换器转换得到高质量的模拟声音信号，该模拟声音信号经低频放大器后可直接驱动扬声器。
为了对上述调频广播频段数字广播信号接收方法实施例进行评价，采用基于2400长度LDPC码，OFDM数字信号比调频模拟信号功率低25dB的数模调频信号，进行了计算机仿真，得到误码率～信噪比（BER～SNR）曲线如图12所示，其中虚线是本例调频广播频段数字广播信号接收方法的结果，实线为未进行本发明的迭代分离的结果。从中可以看出，本例调频广播频段数字广播信号接收方法的性能有了很大的提高。
在计算机仿真的基础上，用现场可编辑门阵列（FPGA）和数字信号处理器（DSP）实现的本调频广播频段数字广播信号接收系统，接收调频广播频段频谱重叠的数模混合数字广播信号，效果良好，输出的模拟声音广播和数字声音广播均清晰地还原了发送端的原声音信号。
上述实施例，仅为对本发明的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本发明并非限定于此。凡在本发明的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.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x0 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d0(t)；其特征在于：
所述初步恢复的x0 FM(t)和d0(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；
所述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，xk FM(t)表示第k步迭代恢复的模拟调频信号；△xk FM(t)表示第k步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xk FM(t)为0；初步恢复的x0 FM(t)和d0(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△xk FM(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，得到解调的正交频分复用信号，基于插在每个正交频分复用符号的导频信号，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频点，再进行快速傅利叶逆变换运算，重建时域正交频分复用信号，表示为drecon(t)；drecon(t)和dk(t)之间的差值信号表示为△dk(t)；设定迭代得到的数字调频信号的误差△dk(t)是源自模拟调频信号的一部分，模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xk FM(t)+△dk(t)
当xFM updated(t)不在调频信号的恒包络星座图圆周上时，以该圆周重建xk+1 FM(t)，即从xFM updated(t)重建模拟调频信号xk+1 FM(t)，存入寄存器，用于第k+1步迭代；同时利用xk FM(t)和xk+1 FM(t)求出△xk FM(t)=xk+1 FM(t)-xk FM(t)，然后把△xk FM(t)反馈到输入端，和前面计算出的xk+1 FM(t)、dk+1(t)一起作为下一轮第k+1次迭代的输入；
当迭代次数达到预定的数值M，或者相邻迭代次序的△xk FM(t)或△dk(t)变化差等于或小于参数δ，迭代停止；所述参数δ的取值为0≤δ≤0.002；dM(t)赋给变量
作为基于导频后恢复的数字调频信号；把xM FM(t)赋给变量
作为基于导频后恢复的模拟调频信号，
和作为第一级迭代的输出信号；
所述M值通过计算机仿真兼顾恢复信号的质量以及迭代实现复杂度、迭代处理时延条件进行选择，M=8～12。
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方法，其特征在于：
所述第一级调频分离后得到的数字调频信号和模拟调频信号进行借助于导频和内码的第二级迭代分离；
第二级迭代分离中，dn(t)表示第n步迭代恢复的数字调频信号，xn FM(t)表示第n步迭代恢复的模拟调频信号；△xn FM(t)表示第n步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xn FM(t)为0；第一级迭代分离后恢复的数字调频信号和模拟调频信号
为输入信号；其中第n步迭代的过程如下，首先对dn(t)与△xn FM(t)求和，然后对两者求和结果dn+1(t)进行快速傅利叶变换运算，得到正交频分复用符号；用已知精确位置的导频信号代替正交频分复用符号中受到调频污染的导频子载波，对于非导频的数据载波，通过内码提供的纠错译码信息进行约束；再进行快速傅利叶逆变换运算后，重建时域正交频分复用信号，表示为drecon(t)；drecon(t)和dn(t)之间的差值信号表示为△dn(t)；模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xn FM(t)+△dn(t)
以调频信号的星座图圆周重建xn+1 FM(t)，从xFM updated(t)重建第n+1步迭代恢复的模拟调频信号xn+1 FM(t)，存入寄存器，用于第n+1步迭代；同时利用xn FM(t)和xn+1 FM(t)求出△xn FM(t)=xn+1 FM(t)-xn FM(t)，然后以△xn FM(t)、xk+1 FM(t)和dk+1(t)作为第n+1次迭代的输入参数；
当迭代次数达到预定的数值N或者相邻迭代次序的△xk FM(t)或△dk(t)变化差等于或小于参数δ，迭代停止，参数δ的取值为0≤δ≤0.002；dN(t)赋给变量
作为第二级迭代后恢复的数字调频信号，送给下一步进行信道解码；xN FM(t)赋给变量作为第二级迭代后恢复的模拟调频信号，送给模拟调频解调器。
3.根据权利要求2所述的调频广播频段数字广播信号接收方法，其特征在于：
所述N值通过计算机仿真兼顾恢复信号的质量以及迭代实现复杂度、迭代处理时延条件进行选择，N=8～12。
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方法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，数字调频信号解调解码器；
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x0 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x0 FM(t)接入初步调频分离器，从x(t)中减去x0 FM(t)得到初步恢复的数字调频信号d0(t)；模拟调频接收器初步恢复的模拟调频信号x0 FM(t)、初步调频分离器得到的初步数字调频信号d0(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d0(t)经快速傅里叶变换得到的频域信号D0(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。
5.根据权利要求4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；
第二级迭代分离中，dn(t)表示第n步迭代恢复的数字调频信号，xn FM(t)表示第n步迭代恢复的模拟调频信号；△xn FM(t)表示第n步迭代得到的FM信号的误差，假设迭代初始时，△xn FM(t)为0；第一级迭代分离后恢复的数字调频信号
和模拟调频信号为输入信号；其中第n步迭代的过程如下，首先对dn(t)与△xn FM(t)求和，然后对两者求和结果dn+1(t)进行快速傅利叶变换运算，得到正交频分复用符号；用已知精确位置的导频信号代替正交频分复用符号中受到调频污染的导频子载波，对于非导频的数据载波，通过内码提供的纠错译码信息进行约束；再进行快速傅利叶逆变换运算后，重建时域正交频分复用信号，表示为drecon(t)；drecon(t)和dn(t)之间的差值信号表示为△dn(t)；模拟调频更新信号为：
xFM updated(t)=xn FM(t)+△dn(t)
以调频信号的星座图圆周重建xn+1 FM(t)，从xFM updated(t)重建第n+1步迭代恢复的模拟调频信号xn+1 FM(t)，存入寄存器，用于第n+1步迭代；同时利用xn FM(t)和xn+1 FM(t)求出△xn FM(t)=xn+1 FM(t)-xn FM(t)，然后以△xn FM(t)、xk+1 FM(t)和dk+1(t)作为第n+1次迭代的输入参数；
当迭代次数达到预定的数值N或者相邻迭代次序的△xk FM(t)或△dk(t)变化差等于或小于参数δ，迭代停止，参数δ的取值为0≤δ≤0.002；dN(t)赋给变量
作为第二级迭代后恢复的数字调频信号，送给下一步进行信道解码；xN FM(t)赋给变量
作为第二级迭代后恢复的模拟调频信号，送给模拟调频解调器。
6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求5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。
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