CN103560844A - 基于drm+系统的nmr移位数字频谱接入方法 - Google Patents

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杨霏
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方伟伟
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Abstract

本发明公开了一种基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法，包括以下步骤：步骤S1，生成模拟FM调频信号；步骤S2，根据模拟FM信号实时的频谱分布，采用数字频谱动态接入算法得到数字信号的传输带宽；以及步骤S3，根据算法得到的传输带宽，实时调整DRM+信号的传输参数，并传给DRM+激励器，最终将自适应的数字信号发送出去。本发明通过增加模拟FM信号与DRM+信号间的自适应调整模块，根据模拟信号实时的分布状态，动态调整数字信号的传输带宽，在保证听众收听质量不下降的前提下，可以增加数字信号可用频谱，提高数字信号的传输能力。

Description

基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法
技术领域
本发明涉及广播电视发射、广播数字化领域，尤其涉及一种基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法。
背景技术
广播数字化是目前国内外技术研究的热点问题，我国数字声音广播还处于研究阶段。不同的数字广播系统有不同的工作频段和射频带宽，在由模拟向数字转换的过渡期中，数字系统不应对现在的模拟广播以及其他无线电业务产生干扰。DRM+系统的带宽设计的和现在模拟信道的间隔相同，只要有空闲的频谱，就可以随时插入数字信道，既不会干扰现有的模拟广播，又便于数字信道逐一替换模拟信道，便于实现由模拟向数字的“软”过渡，符合我国国情。
DRM是工作于长中短波（150kHz～30MHz）的数字传输系统，她被ITU-R（ITU Radiocommunication Sector）推荐，并被IEC（InternationalElectrotechnical Commission）和ETSI（European TelecommunicationsStandards Institute）标准化，已经在世界范围取得成功。2005年3月，DRM组织决定将DRM标准扩展到120MHz的范围，包括47～68MHz（波段I,东欧FM波段）、65.8～74MHz(世界广播电视组织，FM波段)、76～90MHz（日本FM波段）和世界大多数国家调频广播使用的87.5～108MHz（波段II）。DRM+不是DRM的替代者，而是DRM标准的扩展。DRM+是独立的数字发射系统，最有希望成为FM波段模拟广播将来的替代者。
DRM+使用100kHz的带宽，与现有FM广播频道间隔相一致。它可以充分利用现有模拟FM广播的频率空隙进行数字广播，如图1所示。DRM+可以传输最多达186kb/s的数据率（16QAM调制）。
DRM+具有许多优点，如可使节目达到CD质量；有室内接收以及以300km/h的速度移动接收的可能性；有使用现有的FM广播发射网结构的可能性；有构成同步发射网的能力等。
然而，由于FM模拟信号的频谱带宽随着节目信号（如频率、幅度)而变化，在很大的时间概率下，模拟调频信号带宽远小于100kHz。在此情况下，模拟信号带宽的实时变化导致出现大量的短时空闲频谱，这为DRM+数字频谱的动态接入提供机会。
DRM+信号根据模拟FM信号的频谱分布动态调整频谱位置时，不可避免地会对模拟信号产生干扰，这就需要考虑动态分配数字信号的频谱位置是否会恶化模拟用户的收听质量。对于收听质量的评价，以往的检测标准都是利用信噪比，信噪比衡量的是整个频带内的总噪声能量，然而在不同的频带人耳对于噪声的敏感程度不同。为了更好地反映人耳收听音频的感觉，本专利采用PEAQ（Perceptual Evaluation of Audio Quality）心理声学模型作为检测标准。PEAQ模型利用人耳的感知特性，将参考信号和测试信号输入，最终输出一个反映音频质量的客观差异等级(Objective DifferenceGrade，ODG)。
本专利使用的PEAQ算法是ITU（International TelecommunicationsUnion）提出的一种基于音频感知技术的客观测试方法。它以心理声学模型为基础，模拟了从人耳对声音产生响应到最终感知的全过程，是目前针对音频质量客观评价算法中与主观评价结果相关度最高的算法，算法框图如图2所示。
PEAQ算法通过模仿人耳的听觉系统，将参考信号和测试信号分别经过基于FFT的感知模型对信号进行分析和综合，包括时频变换、频带分组、噪声掩蔽比（Noise Masking Ratio，NMR）计算等步骤，目的是更好的模拟人耳的感觉特性；激励样本预处理模块通过对参考信号和测试信号的响度差异和线性失真进行补偿，从而对计算模型输出参数(Model OutputVariables，MOV)前的数据进行适应性调整；预处理后的数据通过特征综合计算出11个MOV值。最后，由神经网络模块把这些MOV参数映射为一个ODG值输出，该定义等同于主观评价中的主观差异等级(SubjectiveDifference Grade，SDG)。
对于PEAQ算法的误差范围，ITU标准指出，ODG的等级结果在±0.02之内可以认为音频质量是相同的。
发明内容
为了克服现有技术中存在的技术问题本发明在系统中增加数字信号与模拟信号自适应调整模块，将模拟FM信号和DRM+信号联合起来处理。通过实时检测模拟调频信号的频谱分布，将当前模拟信号的信息反馈给数字信号处理模块，以便于DRM+信号进行自适应参数调整，在保证听众收听质量不下降的前提下，可以增加数字信号可用频谱，提高数字信号的传输能力。
本发明拟确定的基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法，如图3所示，包括以下步骤：步骤S1，生成模拟FM调频信号；步骤S2，根据模拟FM信号实时的频谱分布，采用数字频谱动态接入算法得到数字信号的传输带宽；以及步骤S3，根据算法得到的传输带宽，实时调整DRM+信号的传输参数，并传给DRM+激励器，最终将自适应的数字信号发送出去。
其中所述步骤S2数字频谱动态接入算法框图如图4所示，具体地，包括以下步骤：
第一步，计算模拟音频信号的NMRref值，其中NMRref表示时间长度为T秒的模拟音频信号的噪声掩蔽比；
第二步，计算模拟音频信号的ODGref值，其中ODGref表示时间长度为T秒的模拟音频信号的客观差异等级；
第三步，设定初始值k＝0，其中k为计数变量；
第四步，设定初始值m＝1，n＝70，其中m为计数帧，n表示DRM+信号的起始频率与模拟FM信号载波频率的频谱距离，单位为kHz；
第五步，计算NMRm,n(1≤m≤N,70≤n≤120)值，其中N为参考信号的总帧数，NMRm,n表示第m帧且DRM+信号的起始频率距离FM载波频率为n kHz信号的噪声掩蔽比；
第六步，对于第m帧信号，寻找满足NMRm,n-NMRref≤k条件时所对应的最小n值，并把该n值储存在寄存器Bandm中，搜寻方法为：当不满足NMRm,n-NMRref≤k时，n＝n+5，并执行第五步；否则m＝m+1，n＝70，并执行第五步；
第七步，根据Bandm,m＝1,2,...N所确定每帧DRM+信号的频谱位置，重新生成时间长度为T秒的DRM+信号，计算此时模拟音频信号的客观差异等级ODGnew；
第八步，判断按照Bandm,m＝1,2,...N动态调整的音频质量是否合格，判断方法为：当不满足|ODGnew-ODGref|≤0.02时，音频质量不合格，使k＝k-1，并返回第四步；否则音频质量合格，此时Bandm,m＝1,2,...N的值即是采用数字频谱动态接入算法得到的DRM+信号动态频谱位置。
其中所述步骤一中NMRref和步骤二中ODGref的计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波100kHz至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到NMRref和ODGref。
其中所述步骤五中NMRm,n的计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波n至200kHz；以第m帧时间长度为T/N秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到NMRm,n。
其中所述步骤七中ODGnew的计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中第i帧数字信号的频谱位置为距离FM信号载波Bandm,m＝1,2,...N至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到ODGnew。
关于本发明的优势与方法可通过下面的发明详述及附图得到进一步的了解。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为DRM+与FM广播的频谱图；
图2为PEAQ心理声学模型算法框图；
图3为本发明拟定的基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法框图；
图4为数字频谱动态接入算法步骤。
具体实施方式
下面对结合附图对本发明的较佳实施例作详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围作出更为清楚明确的界定。
本发明拟确定的基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法，如图3所示，包括以下步骤：步骤S1，生成模拟FM调频信号；步骤S2，根据模拟FM信号实时的频谱分布，采用数字频谱动态接入算法得到数字信号的传输带宽；以及步骤S3，根据算法得到的传输带宽，实时调整DRM+信号的传输参数，并传给DRM+激励器，最终将自适应的数字信号发送出去。
其中所述步骤S2数字频谱动态接入算法框图如图4所示，具体地，包括以下步骤：
第一步，计算模拟音频信号的NMRref值，计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波100kHz至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到时间长度为T秒的模拟音频信号的噪声掩蔽比NMRref；
第二步，计算模拟音频信号的ODGref值，计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波100kHz至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到时间长度为T秒的模拟音频信号的客观差异等级ODGref；
第三步，设定初始值k＝0，其中k为计数变量；
第四步，设定初始值m＝1，n＝70，其中m为计数帧，n表示DRM+信号的起始频率与模拟FM信号载波频率的频谱距离，单位为kHz；
第五步，计算NMRm,n(1≤m≤N,70≤n≤120)值，其中N为参考信号的总帧数，计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波n至200kHz；以第m帧时间长度为T/N秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到NMRm,n；
第六步，对于第m帧信号，寻找满足NMRm,n-NMRref≤k条件时所对应的最小n值，并把该n值储存在寄存器Bandm中，搜寻方法为：当不满足NMRm,n-NMRref≤k时，n＝n+5，并执行第五步；否则m＝m+1，n＝70，并执行第五步；
第七步，根据Bandm,m＝1,2,...N所确定每帧DRM+信号的频谱位置，重新生成时间长度为T秒的DRM+信号，计算此时模拟音频信号的客观差异等级ODGnew，计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中第i帧数字信号的频谱位置为距离FM信号载波Bandm,m＝1,2,...N至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到ODGnew。；
第八步，判断按照Bandm,m＝1,2,...N动态调整的音频质量是否合格，判断方法为：当不满足|ODGnew-ODGref|≤0.02时，音频质量不合格，使k＝k-1，并返回第四步；否则音频质量合格，此时Bandm,m＝1,2,...N的值即是采用数字频谱动态接入算法得到的DRM+信号动态频谱位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式之一，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于DRM+系统的NMR移位数字频谱接入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1，生成模拟FM调频信号；
步骤S2，根据模拟FM信号实时的频谱分布，采用数字频谱动态接入算法得到数字信号的传输带宽；
步骤S3，根据算法得到的传输带宽，实时调整DRM+信号的传输参数，并传给DRM+激励器，最终将自适应的数字信号发送出去。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2数字频谱动态接入算法包括以下步骤：
第一步，计算模拟音频信号的NMRref值，其中NMRref表示时间长度为T秒的模拟音频信号的噪声掩蔽比；
第二步，计算模拟音频信号的ODGref值，其中ODGref表示时间长度为T秒的模拟音频信号的客观差异等级；
第三步，设定初始值k＝0，其中k为计数变量；
第四步，设定初始值m＝1，n＝70，其中m为计数帧，n表示DRM+信号的起始频率与模拟FM信号载波频率的频谱距离，单位为kHz；
第五步，计算NMRm,n(1≤m≤N,70≤n≤120)值，其中N为参考信号的总帧数，NMRm,n表示第m帧且DRM+信号的起始频率距离FM载波频率为n kHz信号的噪声掩蔽比；
第六步，对于第m帧信号，寻找满足NMRm,n-NMRref≤k条件时所对应的最小n值，并把该n值储存在寄存器Bandm中，搜寻方法为：当不满足NMRm,n-NMRref≤k时，n＝n+5，并执行第五步；否则m＝m+1，n＝70，并执行第五步；
第七步，根据Bandm,m＝1,2,...N所确定每帧DRM+信号的频谱位置，重新生成时间长度为T秒的DRM+信号，计算此时模拟音频信号的客观差异等级ODGnew；
第八步，判断按照Bandm,m＝1,2,...N动态调整的音频质量是否合格，判断方法为：当不满足|ODGnew-ODGref|≤0.02时，音频质量不合格，使k＝k-1，并返回第四步；否则音频质量合格，此时Bandm,m＝1,2,...N的值即是采用数字频谱动态接入算法得到的DRM+信号动态频谱位置。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤一中NMRref和步骤二中ODGref的计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波100kHz至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到NMRref和ODGref。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤五中NMRm,n的计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中数字信号的频谱位置为距离FM信号载波n至200kHz；以第m帧时间长度为T/N秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到NMRm,n。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤七中ODGnew的计算方法为：按照FM广播标准建立FM调制解调的模型，按照DRM+标准建立DRM+发射系统，其中第i帧数字信号的频谱位置为距离FM信号载波Bandm,m＝1,2,...N至200kHz；以时间长度为T秒的原始模拟音频信号作为参考信号，以接收端解调后的模拟信号作为测试信号，将参考信号和测试信号分别送入PEAQ模型，得到ODGnew。
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