CN103560992A - 数字频谱动态接入的带内同频系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字频谱动态接入的带内同频系统，包括模拟FM激励器模块，模拟FM激励器将输入的实时音频信号上变频至载波频率，模拟FM激励器的输出经过一定延时后与实时调整的数字调制信号耦合，通过馈线送入天线发送。其中实时调整的数字调制信号通过以下模块得到，FM信号生成模块将模拟音频信号进行FM调制，调制后的信号通过数字频谱动态算法模块计算FM调制信号所对应的数字频谱，并通过数字频谱调整模块核算数字频谱所对应的子载波数，数字音频根据计算得到的子载波数通过数字信号调制器实现数字信号的OFDM调制。本发明通过增加模拟音频信号与数字信号调制器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，提高数字信号可用频谱，增加混合模式下数字信号的传输能力。

Description

数字频谱动态接入的带内同频系统

技术领域

本发明涉及无线通讯系统，尤其涉及一种数字频谱动态接入的带内同频系统。

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。美国的HD Radio标准中，采用的“带内同频（IBOC）”技术使数字广播与目前的模拟广播使用相同的载波频率，无需打破现有的频率规划，能够实现广播由模拟到数字的平滑过渡。IBOC技术在不影响现有模拟广播的前提下，使用现有模拟广播的频道提供高清晰度的数字声音广播与数据业务，符合我国国情。

在HD Radio的混合模式中，模拟信号和数字信号采用固定的频谱模式进行组合，即数字信号放在距离载波129.361～198.402KHz的位置。然而，由于FM模拟信号的频谱带宽随着节目信号的如频率、幅度而变化，导致模拟信号频谱与数字信号频谱之间出现大量的空闲频谱，这为数字信号的动态接入提供机会。

图1为HD Radio混合模式的频谱，数字信号放在模拟FM信号两边传输，仅使用每个主边带中距离中心子载波最远端的10个频谱子块，以及最远端编号为±546的参考子载波，称为PM频带，总共包括382个子载波，占用频带范围从-198.402～-129.361KHz和129.361～198.402KHz。频谱中-129.361～129.361KHz的范围保留给模拟信号，可以是单声道信号或立体声信号，也可能包含辅助通信认证信道。

HD Radio系统中，发送端分别调制生成模拟信号和数字信号，调制后的模拟信号经过一定延时后通过合成器与调制后的数字信号耦合，并通过馈线送入天线发送，系统模型如图2。此时，模拟信号和数字信号采用固定的频谱模式进行组合，即数字信号放在距离载波约130kHz至200kHz的位置。

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标准中规定模拟与数字信号频谱的分界带宽。在此情况下，模拟信号带宽的实时变化导致出现大量的空闲频谱，这为数字频谱的动态接入提供机会。

数字信号根据模拟信号的变化动态调整频谱位置时，不可避免地需要讨论的一个问题即是：动态分配数字信号的频谱位置是否会恶化用户的收听质量。对于收听质量的评价，以往的检测标准都是利用信噪比，信噪比衡量的是所有频带位置下的总噪声能量，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，PEAQ（PerceptualEvaluation of Audio Quality）心理声学模型利用人耳的感知特性，对于输入的参考信号和测试信号，输出反映音频质量的客观差异等级(Objective Difference Grade，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3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由基于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(Subjective DifferenceGrade，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信号和数字信号联合起来处理。通过实时检测模拟调频信号的频谱，将当前模拟信号的信息反馈给数字信号处理模块，以便于数字信号进行自适应参数调整，在接收端听众有相同的收听质量的前提下，达到提高系统传输能力的目的。

本发明拟确定的数字频谱动态接入的带内同频系统，如图4所示，包括模拟FM激励器模块（1），模拟FM激励器（1）将实时输入的音频信号上变频至载波频率，模拟FM激励器的输出经过一定延时（2）后与实时调整的数字调制信号（3）耦合（4），通过馈线送入天线（5）发送；其中实时调整的数字调制信号通过以下模块得到，FM信号生成模块（6）将模拟音频信号进行FM调制，调制后的信号通过数字频谱动态算法模块（7）计算FM调制信号所对应的数字频谱，并通过数字频谱调整模块（8）核算数字频谱所对应的子载波数，数字音频根据计算得到的子载波数通过数字信号调制器实现数字信号的OFDM调制。

其中所述数字频谱动态算法模块（7）的算法框图如图5所示，具体地，包括以下算法步骤：

步骤一，确定NMR_ref和ODG_ref的值，NMR_ref={NMR_T,j|j＝130}，ODG_ref={ODG_T,j|j＝130}，并设定初始值m＝0，其中T为待测试音频信号的总时长，j表示数字信号的频谱起始位置，单位为kHz，m为计数变量；

步骤二，设定初始值，i＝1，j＝60，其中i为计数帧；

步骤三，根据当前的i和j值，计算NMR_i,j,1≤i≤N,60≤j≤150，其中i为帧计数，N为总帧数；

步骤四，搜寻第i帧信号满足条件NMR_i,j-NMR_ref≤m所对应的最小j值，并储存在变量B_i中，搜寻方法为：当NMR_i,j-NMR_ref≤m时，i＝i+1，j＝60，并运行步骤三；否则j＝j+1，并运行步骤三；

步骤五，根据B_i,i＝1,2,...N所确定每帧数字信号的频谱位置，重新构造T秒的数模耦合信号，计算此时信号的ODG等级ODG_new；

第六步，判断按照B_i,i＝1,2,...N动态调整的音频质量等级是否合格，判别方法为：若|ODG_new-ODG_ref|＜＝0.02则音频合格，否则使m＝m-1并返回步骤二；则音频合格后B_i,i＝1,2,...N的值即是动态调整数字频谱位置最终搜寻到的结果。

其中所述步骤一中NMR_T,j和ODG_T,j的计算方法如图6所示，具体地包括以下设置：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中数字信号的频谱位置采用HD Radio标准中的参数，即距离载波129.361至198.402kHz；以时长为T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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到NMR_T,j和ODG_T,j。

其中所述步骤三中NMR_i,j的计算方法如图6所示，具体地包括以下设置：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中数字信号的频谱位置为距离载波j至198.402kHz；以第i帧时长为T/N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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到NMR_i,j。

其中所述步骤五中ODG_new的计算方法如图6所示，具体地包括以下设置：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中第i帧数字信号的频谱位置为距离载波B_i,i＝1,2,...N至198.402kHz；以时长为T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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到ODG_new。

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是HD Radio混合模式的频谱图；

图2是HD Radio混合模式数据发送方法图；

图3是PEAQ心理声学模型算法框图；

图4是本发明拟定的HD Radio系统数据发送方法图；

图5是数字频谱动态接入算法步骤；

图6是带内同频系统NMR、ODG计算方法图。

具体实施方式

下面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。

图4是示出了根据本发明的数字频谱动态接入的带内同频系统框图。参照图4，数字频谱动态接入的带内同频系统包括模拟FM激励器模块（1），模拟FM激励器（1）将实时输入的音频信号上变频至载波频率，模拟FM激励器的输出经过一定延时（2）后与实时调整的数字调制信号（3）耦合（4），通过馈线送入天线（5）发送；其中实时调整的数字调制信号通过以下模块得到，FM信号生成模块（6）将模拟音频信号进行FM调制，调制后的信号通过数字频谱动态算法模块（7）计算FM调制信号所对应的数字频谱，并通过数字频谱调整模块（8）核算数字频谱所对应的子载波数，数字音频根据计算得到的子载波数通过数字信号调制器实现数字信号的OFDM调制。

其中所述数字频谱动态算法模块（7）的算法框图如图5所示，具体地，包括以下算法步骤：

步骤一，确定NMR_ref和ODG_ref的值，NMR_ref={NMR_T,j|j＝130}，ODG_ref={ODG_T,j|j＝130}，并设定初始值m＝0，其中T为待测试音频信号的总时长，j表示数字信号的频谱起始位置，单位为kHz，m为计数变量；其中所述NMR_T,j和ODG_T,j的计算方法如图6所示，具体地包括以下设置：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中数字信号的频谱位置采用HD Radio标准中的参数，即距离载波129.361至198.402kHz；以时长为T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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到NMR_T,j和ODG_T,j；

步骤二，设定初始值，i＝1，j＝60，其中i为计数帧；

步骤三，根据当前的i和j值，计算NMR_i,j,1≤i≤N,60≤j≤150，其中i为帧计数，N为总帧数；其中NMR_i,j的计算方法如图6所示，具体地包括以下设置：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中数字信号的频谱位置为距离载波j至198.402kHz；以第i帧时长为T/N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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到NMR_i,j；

步骤四，搜寻第i帧信号满足条件NMR_i,j-NMR_ref≤m所对应的最小j值，并储存在变量B_i中，搜寻方法为：当NMR_i,j-NMR_ref≤m时，i＝i+1，j＝60，并运行第三步；否则j＝j+1，并运行第三步；其中i和j的取值范围为1≤i≤N,60≤j≤150；

步骤五，根据B_i,i＝1,2,...N所确定每帧数字信号的频谱位置，重新构造T秒的数模耦合信号，计算此时信号的ODG等级ODG_new；其中ODG_new的计算方法如图6所示，具体地包括以下设置：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中第i帧数字信号的频谱位置为距离载波B_i,i＝1,2,...N至198.402kHz；以时长为T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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到ODG_new；

步骤六，判断按照B_i,i＝1,2,...N动态调整的音频质量等级是否合格，判别方法为：若|ODG_new-ODG_ref|＜＝0.02则音频合格，否则使m＝m-1并返回第二步；则音频合格后B_i,i＝1,2,...N的值即是动态调整数字频谱位置最终搜寻到的结果。

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)

1.一种数字频谱动态接入的带内同频系统，其特征在于，包括模拟FM激励器模块（1），模拟FM激励器（1）将实时输入的音频信号上变频至载波频率，模拟FM激励器的输出经过一定延时（2）后与实时调整的数字调制信号（3）耦合（4），通过馈线送入天线（5）发送；其中实时调整的数字调制信号通过以下模块得到，FM信号生成模块（6）将模拟音频信号进行FM调制，调制后的信号通过数字频谱动态算法模块（7）计算FM调制信号所对应的数字频谱，并通过数字频谱调整模块（8）核算数字频谱所对应的子载波数，数字音频根据计算得到的子载波数通过数字信号调制器实现数字信号的OFDM调制。

2.根据权利要求1所述的数字频谱动态接入的带内同频系统，其特征在于，所述数字频谱动态算法模块（7）包括以下算法步骤：

步骤一，确定NMR_ref和ODG_ref的值，NMR_ref={NMR_T,j|j＝130}，ODG_ref={ODG_T,j|j＝130}，并设定初始值m＝0，其中T为待测试音频信号的总时长，j表示数字信号的频谱起始位置，单位为kHz，m为计数变量；

步骤二，设定初始值，i＝1，j＝60，其中i为计数帧；

步骤三，根据当前的i和j值，计算NMR_i,j,1≤i≤N,60≤j≤150，其中i为帧计数，N为总帧数；

步骤四，搜寻第i帧信号满足条件NMR_i,j-NMR_ref≤m所对应的最小j值，并储存在变量B_i中，搜寻方法为：当NMR_i,j-NMR_ref≤m时，i＝i+1，j＝60，并运行步骤三；否则j＝j+1，并运行步骤三；

步骤五，根据B_i,i＝1,2,...N所确定每帧数字信号的频谱位置，重新构造T秒的数模耦合信号，计算此时信号的ODG等级ODG_new；

步骤六，判断按照B_i,i＝1,2,...N动态调整的音频质量等级是否合格，判别方法为：若|ODG_new-ODG_ref|＜＝0.02则音频合格，否则使m＝m-1并返回步骤二；则音频合格后B_i,i＝1,2,...N的值即是动态调整数字频谱位置最终搜寻到的结果。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述步骤一中NMR_T,j和ODG_T,j的计算方法为：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中数字信号的频谱位置采用HD Radio标准中的参数，即距离载波129.361至198.402kHz；以时长为T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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到NMR_T,j和ODG_T,j。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述步骤三中NMR_i,j的计算方法为：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中数字信号的频谱位置为距离载波j至198.402kHz；以第i帧时长为T/N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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到NMR_i,j。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述步骤五中ODG_new的计算方法为：按照HD Radio标准的混合模式建立FM调制解调的模型，其中第i帧数字信号的频谱位置为距离载波B_i,i＝1,2,...N至198.402kHz；以时长为T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为测试信号，将参考信号和测试信号送入PEAQ模型，得到ODG_new。

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