CN102957662B - 调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，模拟和数字声音广播信号合为模数混合信号，共用FM频段，FM频段分为多个子频段，数字声音广播信号在中间子频段子载波置零或只保留同步符号子载波，在其它子频段采用不同阶数的调制方式，且其子载波的分布以频段中心为镜像对称，调制阶数越远离中心越高。数字声音信号的同步符号子载波等间隔分布，采用低于24的低阶调制。数字声音信号的声音数据符号子载波在模拟信号电势高于3.5μV的子频段内，采用低于24的低阶调制，反之采用等于或高于24的高阶调制。本方法使FM数模混合系统，模拟信号的解调信噪比和失真度指标明显改善，较好地解决了带内同频混合广播信号中数模信号的相互干扰。
Description
技术领域
本发明涉及无线广播技术领域，尤其是一种调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法。
背景技术
目前，全世界电视的数字化过程已经初步完成。我国数字地面电视广播（Digital Television Terrestrial Broadcasting，DTTB）、移动多媒体广播（China Mobile Multimedia Broadcasting，CMMB，即手机电视）已进入稳步发展阶段，而有线电视的数字化已商用多年，正在进入双向、高清时代。数字化带来了更高质量的节目制作、发送与接收，数字化使得用户享有了更优质的用户体验。在电影、电视、手机多媒体等诸多传媒的数字化已取得显著成果之时，声音广播的数字化显得相对滞后，但这也带来了一个发展契机，即声音广播领域的数字化大有可为。将数字技术应用于声音广播可以带来高稳定的接收效果和高保真的音质，同时可以支持文字信息、电台节目信息、股票信息等诸多图文并茂的广播数据业务，从而使声音广播获得更快更好地发展。
声音广播的数字化主要涉及现有的调频（Frequency Modulation，FM）频段和调幅（Amplitude Modulation，AM）频段音频广播。在美国，HD Radio（HybridDigital Radio）技术已经得到商用，而在欧洲，数字声音广播两大标准“数字音频广播（Digital Audio Broadcasting，DAB）”和世界数字广播（DigitalRadio Mondiale，DRM）已经推广开来。
FM频段的可用频谱资源为88~108MHz，在不同的国家略有差别。该频段被进一步划分为100kHz整数倍的频道分配给每一个广播电台。在美国，频道的基本划分单位为200kHz，即频道间隔为200kHz，每一个广播电台被分配400kHz的频谱。在整个FM频段可布点百余个电台频道。在中国，FM频段允许的范围为87~108Mhz，基本划分单位为100kHz，每一个广播电台被分配200kHz的频谱，在整个FM频段内不规则地分布着很多电台，电台之间的实际最小间隔为100kHz，而最大间隔在1Mhz以上，而间隔300kHz的情况最常见。由于立体声调频信号实际带宽在150kHz以内，且各个广播电台之间的频谱间隔缝隙，实际上，FM频段的频谱利用率并不高，有很多频谱空洞资源可以被进一步利用。
已有的进一步利用调频广播频谱资源的方法，包括在200kHz带内叠加数字声音广播信号的方法、在200kHz带外叠加数字声音广播信号的方法以及在带内带外同时叠加数字声音广播信号的方法。在200kHz带内叠加数字声音广播信号的方法的一个关键问题是降低同频带内模拟和数字声音广播的相互影响，即克服模拟声音广播信号所受的影响尽量提高带内的频谱资源利用率，同时权衡数字信号对模拟声音信号的影响。
FM频段数字化是无线音频广播的发展趋势，国外比较成熟的方案包括DAB和HD Radio。在美国和欧洲，FM频段数字化改造已经铺开，而在中国FM频段的数字化标准正在制定中。
以HD Radio为例，它是美国iBiquity公司提出的一项数模混频同播的数字音频广播标准，HD Radio是一种正交频分复用(Orthogonal FrequencyDivision Multiplexing，OFDM)系统，该系统在常规FM信号两边创建了一组数字边带，FM和HD Radio的混合信号符合传统FM广播特定的频率掩模。HDRadio有三种频谱分配模式：混合模式、扩展混合模式、全数字模式。这三种模式的基本思想是利用FM频段的剩余频谱资源。实际上，混合模式在FM模拟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。混合模式提供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。
美国FM广播电台之间空间距离大，发射台密度小；且所在的国际电信联盟（International Telecommunications Union，缩写为ITU）2区信道间隔宽（为200kHz），频率重叠轻微。但中欧洲和中国所在的ITU 1区和3区频道间隔小得多，仅100kHz，发射台的密度却大得多。相比之下，在2区的发射台相互之间的干扰要比1区和3区轻微的多。由于2区的FM频谱比较空闲，在现有频谱的空隙可以用数字声音广播来填充。在现有的模拟信号频谱上安置数字信号，如果不需要申请新的载波频率的许可证，这种方法就被称为带内同频道（In Band on Channel，IBOC）。因此，美国的HD Radio从其频谱上看，实际是带内邻频道（In Band Adjacent Channel，IBAC）。
由于HD Radio附加的数字广播信号频谱位于正常模拟FM信道的两侧，因此，如果在我国属于的3区使用，会产生严重的邻频道干扰，对现有的模拟FM发射造成损害。
中国桂林市思奇通信设备公司提出的一种称作CDRadio的FM频段数字化方案同样采用正交频分复用的数字信号调制方式，创新地提出了一种克服调频信号对带内数字广播信号的干扰，实现了正交频分复用数字广播信号与调频信号的完全叠加。为了让数字信号不干扰已有的模拟声音广播信号，数字信号的功率不能高于给定值。通常，数字广播信号要比模拟声音信号低10~25dB。该方案的一个典型实现，是在200kHz的带内构造一个具有48个子载波、每一个子载波带宽为4kHz的正交频分复用数字广播信号。
但现有方案均未能完全解决调频广播频段带内数模混合信号中两种信号的相互干扰问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，根据模拟声音广播信号频谱的特点将调频广播频段分为多个子频段，数字声音广播信号在不同子频段上的子载波上采用不同的调制方式，以避免现有模拟声音广播信号和数字声音广播信号的相互影响。
本发明提出的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，分别产生的模拟声音广播信号和数字声音广播信号合成为一路模拟数字混合信号，共用一个调频广播频段，所述调频广播频段分为多个子频段，所述数字声音广播信号在中间子频段子载波置零或者只保留同步符号子载波，在其它子频段采用不同阶数的调制方式，数字声音广播信号子载波的分布以调频广播频段的中心为镜像对称，且调制的阶数越远离中心越高。
所述调频广播频段分为5、7或9个子频段。
所述的数字声音广播信号所包含的同步符号子载波在其所处的调频广播频段内等间隔分布。
所述的数字声音广播信号所包含的同步符号子载波在调频广播频段内采用低于24的低阶调制方式。以降低数字声音广播信号对模拟声音广播信号的影响，提高传输质量。
以2.5～4.5μV中某值为设定值，所述的数字声音广播信号所包含的声音数据符号子载波在模拟声音广播信号电势高于所述设定值的子频段内采用低于24的低阶调制方式，以降低数字声音广播信号对模拟声音广播信号的影响，提高传输质量。在模拟声音广播信号电势等于或低于所述设定值的子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用等于或高于24的高阶调制方式，以提高传输效率。
所述低阶调制方式为四相相移键控（QPSK）或二进制相移键控（BPSK）调制方式；所述高阶调制方式为十六相相移键控（QAM16）、三十二相相移键控（QAM32）和六十四相相移键控（QAM64）调制方式中的任一种。
所述调频广播频段为200kHz分为5个子频段，
在-50～50kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波置零，
在-50～-75kHz和50～75kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用低阶调制方式，
在-75～-100kHz和75～100kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用高阶调制方式。
为了更可靠地实现系统同步，提升数字声音广播信号的同步符号的发射功率，使之比声音数据符号的发射功率大0～5dB。
为了保证模拟声音广播信号的质量，衰减数字声音广播信号的发射功率电平，或者调节放大模拟声音广播信号的发射功率，使数字声音广播信号的发射功率比模拟声音广播信号发射功率低10～40dBc。
与已有技术相比，本发明调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法的优点为：1、采用本方法的调频广播频段数模混合系统，模拟声音广播信号的解调信噪比和失真度指标明显改善，较好地解决了带内同频混合广播信号中数字声音广播信号和模拟声音广播信号的相互干扰；2、本法可在现有的调频广播频段数模混合信号系统中实施，无需增添新设备。
附图说明
图1是本调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法实施例带内频谱示意图；
图2是本调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法实施例的FM频段内数字声音广播信号时域安排方式；
图3是本调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法实施例FM频段内数字声音广播信号包含的声音数据符号的频谱结构示意图；
图4是本调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法实施例FM频段内数字声音广播信号包含的同步符号帧的频谱结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图详细说明本调频广播（FM）频段数模混合信号的带内分段调制方法实施例。
图1是本实施例调频广播频段的数字声音广播信号带内频谱示意图，本例调频广播频段带宽200KHz，即-100KHz至+100KHz，0KHz为该频段中点。调频广播频段的200KHz分为5个子频段，如图1所示，以模拟声音广播信号电势3.5μV作为设定值，
在-50～50kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波置零，
在-50～-75kHz和50～75kHz子频段内，模拟声音广播信号电势高于3.5μV，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用四相相移键控（QPSK）的低阶调制方式，
在-75～-100kHz和75～100kHz子频段内，模拟声音广播信号电势低于3.5μV，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用十六相相移键控（QAM16）高阶调制方式。
以调频广播频段的中点0KHz为中点，数字声音广播信号的子载波分布为镜像对称。
本例数字声音广播信号包含的同步符号占用全部的调频广播的200kHz频段，两者带内完全重叠，同步符号的频谱如图4所示,除了0KHz中心位置，在200kHz带宽内等间隔地分布着48个子载波。为了提高系统的同步可靠性，同步符号采用BPSK或QPSK低阶调制方式，本例采用BPSK方式。
数字声音广播信号包含的同步符号也可只分布于-50～-100kHz和50～100kHz频段内，完全避开模拟声音广播信号出现概率最大的-50～+50kHz子频段内频段，更加有利于降低数字广播信号对模拟信号的干扰。但是这样不利于数字声音广播信号的同步。
数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波的频带分布如图3所示，避开在-50kHz到50kHz这一模拟声音广播信号出现概率最大的频段，以降低数字声音广播对模拟声音广播的干扰。在50～75kHz和-50～-75kHz频段内，由于存在模拟声音广播信号和数字声音广播信号的相互干扰，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用QPSK低阶调制方式，以降低它们之间的相关影响。在75～100kHz和-75～-100kHz频段内，由于不存在模拟声音广播信号对数字信号的干扰，采用QAM16高阶调制方式，以提高传输效率。
图2所示为本例调频广播频段的数字声音广播信号时域安排方式，在时间轴上，数字广播信号时域被划分为连续的超帧，每一个超帧由一定数量的信号帧组成，包括一个同步符号帧和固定个数的声音数据符号帧。在本实施例中，一个超帧由50个信号帧构成，其中有49个声音数据符号帧。本例一个超帧的持续时间为25ms。
本例为了更可靠地实现系统同步，提升了数字声音广播信号的同步符号的发射功率，使之比声音数据符号的功率大，本例高3dB。
本例为了保证模拟声音广播信号的质量，衰减数字声音广播信号的发射功率电平，使数字声音广播信号的发射功率比模拟声音广播信号发射功率低25dBc。
本例测试结果表明，模拟声音广播信号的解调信噪比和失真度指标明显改善，如表1所示，满足了ITU对模拟FM受干扰时保护率的规定，和美国HDRadio、欧洲DRM+实际场测结果相当，为我国制定自己的数模混合声音广播提出了一个可行的技术方案。
表1本例的性能测试结果
上述具体实施方式以较佳实施例对本发明进行了说明，但这只是为了便于理解而提出的一个形象化的实例，不应被视为是对本发明范围的限制。根据本发明的技术方案及其较佳实施例的描述，可以做出各种可能的等同改变或替换，所有这些改变或替换均属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (9)
1.调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，分别产生的模拟声音广播信号和数字声音广播信号合成为一路模拟数字混合信号，共用一个调频广播频段，其特征在于：
所述模拟声音广播信号和数字声音广播信号共用的调频广播频段分为多个子频段，所述数字声音广播信号在中间子频段子载波置零或者只保留同步符号子载波，在其它子频段数字声音广播信号子载波采用不同阶数的调制方式，数字声音广播信号子载波的分布以调频广播频段的中心为镜像对称，且调制的阶数越远离中心越高。
2.根据权利要求1所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述调频广播频段分为5、7或9个子频段。
3.根据权利要求1所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述的数字声音广播信号所包含的同步符号子载波在其所处的调频广播频段内等间隔分布。
4.根据权利要求3所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述的数字声音广播信号所包含的同步符号子载波在调频广播频段内采用低于24的低阶调制方式。
5.根据权利要求1所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
以2.5～4.5μV中某值为设定值，所述数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波在模拟声音广播信号电势高于所述设定值的子频段内采用低于24的低阶调制方式，在模拟声音广播信号电势等于或低于所述设定值的子频段内采用等于或高于24的高阶调制方式。
6.根据权利要求5所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述低阶调制方式为四相相移键控或二进制相移键控调制方式；所述高阶调制方式为十六相相移键控、三十二相相移键控和六十四相相移键控中的任一种调制方式。
7.根据权利要求5所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述调频广播频段为200kHz分为5个子频段，
在-50～50kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波置零，
在-50～-75kHz和50～75kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用低阶调制方式，
在-75～-100kHz和75～100kHz子频段内，数字声音广播信号包含的声音数据符号子载波采用高阶调制方式。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述数字声音广播信号的同步符号的发射功率比声音数据符号的发射功率大0～5dB。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的调频广播频段数模混合信号的带内分段调制方法，其特征在于：
所述数字声音广播信号的发射功率比模拟声音广播信号发射功率低10～40dB。
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