CN104601266B - 一种广播信号在线监测和并行解调的系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广播信号在线监测与并行解调系统及方法，具体方法如下：系统采用数字信道化技术进行信道划分，将多路混合数字广播信号分离到多个信道中进行输出；然后监测模块采用信号自动搜索技术来搜索判断每个信道是否有信号输出；最后将每个有信号的信道输出连接到解调模块进行广播信号的解调实现。本发明通过将数字信道化接收机和数字广播解调系统相结合，提出了基于FFB算法的数字信道化技术、信号自动搜索技术和数字化正交解调技术，可实现广播信号的多路并行监测和解调功能，适用于多种广播信号(AM、DSB、SSB、FM、FM立体声)，提高了广播接收机的效率，具有很大的灵活性。

Description

一种广播信号在线监测和并行解调的系统

技术领域

本发明涉及一种广播信号在线监测和并行解调的系统，属于无线通信领域。

背景技术

近年来，随着无线通信技术的飞速发展，无线广播接收机因具有简单的接收工具、低廉的价格等优点，广泛应用于汽车、手机、电视等设备领域，可方便地在室内室外和船、车等移动设备中接收广播信号。幅度调制和频率调制是无线广播的两种主要调制类型。相比调幅收音机，调频广播接收机不仅具有较强的抗干扰能力，接收到的广播信号还具有高音质和高稳定性等特点，因此得到了广泛的应用。

随着调幅广播和调频广播的发展，近年来逐渐兴起的数字广播是广播系统的第三代发展形式。传统模拟广播接收机在模拟信号的基础上采用模拟元器件来实现，具有声音效果差、信号易衰落等缺点。数字广播接收机因具有高音质、抗干扰能力强、覆盖范围广、避免衰落和多径等优点得到快速发展。

数字广播接收机主要实现单通道广播接收功能，同一时间只能解调某一特定频率的广播信号。但是，实际广播信号频率覆盖范围广，信号比较密集，在同一时刻会有多个不同频率的广播信号同时到达，单通道广播接收机在同一时间只能接收一个频率值的信号，需要通过在不同频道之间进行切换来接收不同频率的广播信号。频道之间的切换不仅会有很大的延时，也会造成重要信息的丢失问题。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种广播信号在线监测和并行解调的系统及方法，可以将不同频率的广播信号分离开来进行并行分析与处理，实现了广播信号的多路并行监测和解调。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种广播信号在线监测和并行解调的系统，所述系统包括下变频模块、A/D采样模块、数字信道化模块、信号检测模块、数字化正交解调模块、时域频谱显示器和扬声器；所述数字信道化模块包括单速率滤波器组；所述数字化正交解调模块包括IQ正交解调模块；所述信号检测模块中包括信号能量检测模块；

所述数字信道化模块包括单速率滤波器组；假设和为FFT的每级低阶原型子滤波器，其中i为滤波器级数；所述单速率滤波器组选择长度为奇数并对称的半带滤波器和来替代FFT中低阶原型滤波器和形成快速滤波器组FFB结构，所述快速滤波器组FFB结构的各级子滤波器传递函数和通过将各级传递函数和中的z因子替换为获得，其中，为旋转因子，为j的L-1位编码的倒序码，j为FFB的第i级的第j个子滤波器；

下变频模块将采集到的广播信号下变频为中频信号；A/D采样模块将输入的所述中频信号转换为数字信号；所述数字信号输入数字信道化模块，数字信道化模块采用单速率滤波器组将接收到的数字信号信道划分为若干个子信道；信号检测模块采用自动搜索技术对每个子信道的输出信号进行自动搜索，对搜索到的输出信号进行功率谱估计，得到输出信号对应的功率谱密度和信号能量的频率分布；根据信道环境计算搜索门限值，所述信号能量检测模块利用所述搜索门限对输出信号对应的功率谱密度进行存在性检测判断，判断子信道的输出信号是否超过搜索门限值，若超过搜索门限值，则将输出信号所对应的子信道与解调模块连接；所述IQ正交解调模块对接收到的信号进行解调，解调出的信号可分为两路：一路通过频域时域显示器显示解调信号的时域频域图，另一路通过扬声器将解调出的广播信号播放出来。

进一步的，所述下变频模块采用PXI仪器。

进一步的，所述L-1位编码的倒序码中的L＝6。

进一步的，所述数字化正交解调模块中包括AM、DSB、SSB、FM和FM立体声五种信号各自对应的IQ正交解调模块，并且在每个信号对应的IQ正交解调模块上设置模块使能端控制该模块的运行。

有益效果：本发明提供的一种广播信号在线监测和并行解调的系统，实现了广播信号的在线监测和并行解调系统，可以将不同频率的广播信号分离开进行并行监测和解调，避免了频道切换带来的延时和信息丢失问题，可以提高广播系统的通信效率。此外，系统可以实现多种不同调制广播信号的并行监测和解调，通过设置解调类型选择不同的解调模块，具有很大的灵活性。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明中基于分段STFT算法的数字信道化模块设计框图；

图3为本发明中基于FFB算法的数字信道化模块设计框图；

图4为本发明中基于FFB算法的64路信道划分的实现图；

图5为本发明中监测模块的流程图；

图6为本发明中数字化正交解调模块的一般模型；

图7为本发明中多种解调模块集成的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示一种广播信号在线监测和并行解调的系统，系统包括下变频模块、A/D采样模块、数字信道化模块、信号检测模块、数字化正交解调模块和扬声器；所述数字信道化模块包括单速率滤波器组；解调模块包括IQ正交解调模块；下变频模块采用PXI仪器。

下变频模块将采集到的广播信号下变频为中频信号；A/D采样模块将输入的所述中频信号转换为数字信号；数字信号输入数字信道化模块，数字信道化模块中的单速率滤波器组将接收到的数字信号将信道划分为若干个子信道；信号检测模块采用自动搜索技术对每个子信道的输出信号进行自动搜索，对搜索到的输出信号进行功率谱估计，得到搜索到的输出信号对应的功率谱密度和信号能量的频率分布；根据信道环境计算搜索门限，利用所述搜索门限对功率谱密度进行存在性检测判断，判断子信道的输出信号是否超过门限值，若超过门限值，则将输出信号所对应的子信道与解调模块连接；解调模块对接收到的信号进行解调，最后通过扬声器将解调出的广播信号播放出来。

本发明数字信道化模块采用单速率滤波器组来实现数字信道化。数字信道化模块通过设计数字滤波器组将仪器采集到的数字广播信号进行信道划分。本发明采用的滤波器组为单速率滤波器组，采用FFT和FFB两种算法来实现单速率滤波器组的设计，而FFT结构和快速滤波器组FFB结构本质上就是单速率滤波器组，所以数字信道化模块的关键是实现FFT结构与快速滤波器组FFB结构。单速率滤波器组指的是在实现数字信道化技术过程中设计的滤波器组对信号滤波前后的信号采样率保持不变。本发明单速率滤波器组数字信道化技术的实现可以采用基于分段STFT算法的数字信道化技术和基于FFB算法的数字信道化技术两种方法实现。

如图2所示为基于分段STFT算法的数字信道化接收机的实现原理图，包括数据整理模块、加窗模块、N点FFT运算模块和IFFT运算模块。采用基于分段STFT算法的数字信道化接收机实现单速率滤波器组的方法是根据加窗DFT运算的滤波特性和实现数字信道化的可能性，采用FFT运算来实现数字信道化。数据整理模块完成的功能是将输入连续时间序列x(n)划分为包含N个点的一帧数据，加窗模块对数据整理模块输出的N个点的一帧数据完成加窗滤波功能，经滤波后的N点一帧数据进入N点FFT运算模块，N点FFT运算模块完成对一帧数据作N点FFT运算，将原时域数据转化为频域数据。基于分段STFT的数字信道化技术可实现数字信道化模块，该技术通过FFT运算完成信道划分，将输入频域信号的特定频带宽度划分成N个信道，输出信号Y(n，k)为n时刻第k(k＝1～N)个信道输出频域信号，即输入时域信号经过离散傅立叶变换在频率点k处的傅立叶系数。随着n的连续变化，可以获得第k个信道的信号频谱随时间变化规律，即得到每个信道的频域复信号。因为经过STFT运算后得到的是频域数据，所以还要采用IFFT运算模块将频域信号转换成时域信号进行输出，得到的N信道时域数据交给后续处理模块(包括解调模块、监测模块)进行处理。整个过程实现了数字信道化技术。

如图3所示为基于FFB算法的数字信道化技术的实现框图。基于分段STFT算法的数字信道化接收机的实现方法采用FFT算法来实现离散傅里叶变换DFT运算，FFT算法有很低的时间复杂度，运算量很小，但是具有通带响应差、阻带旁瓣高、频率选择性不理想等缺点。本发明对基于STFT算法的数字信道化技术进行了改进，提出了一个基于FFB算法的数字信道化设计方案。FFB(快速滤波器组)通过设计高选择性的滤波器组克服了FFT的缺点，使得信号旁瓣相比FFT要低很多，并借鉴了FFT低时间复杂度的优点。因FFT算法的每级蝶形运算相当于一组低阶滤波器，FFB算法使用高阶滤波器组代替FFT算法的低阶滤波器组，即假设为FFT的每级低阶原型子滤波器，为FFT的每级高阶原型子滤波器，其中i为滤波器级数；单速率滤波器组选择长度为奇数并对称的半带滤波器和来替代FFT中低阶原型滤波器和高阶原型滤波器形成快速滤波器组FFB结构，由于选择了长度为奇数的半带滤波器，这样使得滤波器中一半系数为零系数，快速滤波器组FFB结构的各级子滤波器传递函数和通过将各级传递函数和中的z因子替换为获得，其中为j的L-1位编码的倒序码，j为快速滤波器组FFB的第i级的第j个子滤波器；本发明提高了FFT算法的性能，FFB算法的实现关键在于各级子滤波器的实现，主要是滤波器H_i，j(z)的设计与实现。本发明实现了64通道的FFB运算，实现了64通道的信道划分，即图3中取L＝6。基于FFB算法的64路信道划分的实现如图4所示，根据各级子滤波器传递函数和设计出每级的子滤波器，可实现64通道的信道划分，如图3所示的单速率滤波器组，由A/D采样模块输入数字信道化模块的信号分为实部和虚部两路信号，因此本发明实现了对两路信号同时进行64通道的信道划分，对64通道的FFB结构进行扩展可实现通道数更高的数字信道化技术。

图5显示了监测模块的数据处理流程图。监测模块采用信号自动搜索技术对每个信道的输出信号进行自动搜索，判断该信道是否有满足条件的信号输出。具体为：信号检测模块采用自动搜索技术对每个子信道的输出信号进行自动搜索，对搜索到的输出信号进行功率谱估计，得到输出信号对应的功率谱密度和信号能量的频率分布；根据信道环境计算出搜索门限值，用户根据实际情况自由设计搜索门限值规则，主要包括环境门限、自适应门限和水平门限三种。以自适应门限为例，在信道受大气效应影响大，噪声起伏比较大时可采用自适应门限，自适应门限通过噪声基底瞬时值估计所得，表达式为其中，P(n)，n＝1，2，...N为功率谱估计函数，Q(n)为P(n)的降序排列序列，mean表示求均值，0＜α，β，γ＜1为序列选取比例系数。环境门限通常用来捕捉突发信号，水平门限应用于信道环境噪声比较平坦的情况。信号能量检测模块使用设置的搜索门限值对子信道中输出信号对应的功率谱密度实施存在性检测，检测各信道超出搜索门限值的信号。根据检测结果判断各信道是否存在广播信号，若有超过搜索门限值的输出信号，则检测出该信道存在广播信号，将该信道输出连接到解调模块实现广播信号的解调功能，若没有超过搜索门限值的输出信号，则说明该子信道不存在广播信号，即不需要对信道输出实现解调功能。

图6显示了广播信号数字化正交解调的一般模型。广播信号的解调方法一般有相干解调与非相干解调两种方法，相干解调要求严格的同频同相载波，容易造成载频失配，造成解调严重失真，非相干解调虽然实现起来很容易，但是相比相干解调有很差的抗噪声性。本发明在PXI仪器的平台上提出了一个数字化正交解调方法，不仅具有很好的抗噪声性能，还能较好的解决载频失配导致的解调失真问题。数字化正交解调方法的原理是将输入广播信号与两个本地正交正弦载波分别相乘，然后经过低通滤波器，滤除高频分量后，获得IQ两路信号，这一过程称为IQ正交解调；然后采用相应的解调算法对IQ两路信号进行运算获得解调信号。广播信号数字化正交解调的一般模型是指可以解调AM、DSB、SSB、FM和FM立体声信号的通用解调系统。不同调制信号对应有不同的解调算法，可通过对不同调制信号的IQ信号进行公式推导，得出相应的解调算法。经过解调算法模块后解调出的信号可分为两路：一路通过频域时域显示器显示解调信号的时域频域图；另一路用来通过扬声器播放广播信号。

图7显示了各调制类型的信号解调模块的集成原理图。本发明提出的广播信号在线监测和并行解调系统适用于多种调制信号，包括AM、DSB、SSB、FM和FM立体声五种信号。即将多种解调模块集成到一个解调模块系统里，用户可通过设置解调类型，使得系统调用特定的解调模块，具有很大的灵活性。实现过程中，可以通过使能来控制相应模块的运行，即给每个解调模块添加一个bool型变量的使能端输入来控制该模块的运行。根据用户的解调类型选择，将相应的模块使能端输入设置为Ture，则该模块被调用。如果用户选择FM，则FM模块输入使能为True，其余模块输入使能为False，即只有用户选择的解调模块在运行。这样，可完成多种调制信号的解调模块的集成，使得系统可用来解调多种调制类型的广播信号。本发明提出了一种数字化正交解调方法，这种方法具有很强的抗载频失配能力。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种广播信号在线监测和并行解调的系统，其特征在于：所述系统包括下变频模块、A/D采样模块、数字信道化模块、信号检测模块、数字化正交解调模块、时域频谱显示器和扬声器；所述数字化正交解调模块包括IQ正交解调模块；所述信号检测模块中包括信号能量检测模块；

下变频模块将采集到的广播信号下变频为中频信号；A/D采样模块将输入的所述中频信号转换为数字信号；所述数字信号输入数字信道化模块，数字信道化模块采用单速率滤波器组将接收到的数字信号信道划分为若干个子信道；信号检测模块采用自动搜索技术对每个子信道的输出信号进行自动搜索，对搜索到的输出信号进行功率谱估计，得到输出信号对应的功率谱密度和信号能量的频率分布；根据信道环境计算搜索门限值，所述信号能量检测模块采用所述搜索门限值对输出信号对应的功率谱密度进行存在性检测判断，判断子信道的输出信号是否超过搜索门限值，若超过搜索门限值，则将输出信号所对应的子信道与解调模块连接；所述IQ正交解调模块对接收到的信号进行正交解调，最终解调出的信号可分为两路：一路通过频域时域显示器显示解调信号的时域频域图，另一路通过扬声器将解调出的广播信号播放出来；

所述数字信道化模块包括单速率滤波器组；设定为离散傅氏变换的快速算法FFT的每级低阶原型子滤波器，为FFT的每级高阶原型子滤波器，其中i为滤波器级数；所述单速率滤波器组选择长度为奇数并对称的半带滤波器和来替代FFT中低阶原型滤波器和高阶原型滤波器形成快速滤波器组FFB结构，所述快速滤波器组FFB结构的各级子滤波器传递函数和通过将各级传递函数和中的z因子替换为得到，其中，为旋转因子，为j的L-1位编码的倒序码，j为快速滤波器组FFB的第i级的第j个子滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种广播信号在线监测和并行解调系统：其特征在于：所述下变频模块采用PXI仪器。

3.根据权利要求1所述的一种广播信号在线监测和并行解调系统：其特征在于：所述L-1位编码的倒序码中的L＝6。

4.根据权利要求1所述的一种广播信号在线监测和并行解调系统：其特征在于：所述数字化正交解调模块中包括AM、DSB、SSB、FM和FM立体声五种信号各自对应的IQ正交解调模块，并且在每个信号对应的IQ正交解调模块上设置使能端控制该模块的运行。