CN104618276B - 一种调频接收机中的载波频偏估计方法及系统 - Google Patents
一种调频接收机中的载波频偏估计方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种调频接收机中的载波频偏估计方法及系统，上述方法包括以下步骤：步骤S1：根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿；步骤S2：滤除所述步骤S1的输出信号的带外干扰；步骤S3：将所述步骤S2的输出信号转换为频域信号；步骤S4：根据所述步骤S3的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。本发明公开的调频接收机中的载波频偏估计方法及系统，能够解决现有技术无法对付调频系统存在较大载波频偏的问题。
Description
技术领域
本发明涉及调频接收技术领域，尤其涉及一种调频接收机中的载波频偏估计方法及系统。
背景技术
尽管数字系统无线接收装置的使用率在提高，但模拟调频(FM，FrequencyModulation)系统的FM接收机(俗称收音机)仍很流行，而且越来越多地出现于手机及其它电子手持装置(诸如MP3播放器)中。其中，立体声FM广播是现在使用的主流格式。
为了保证立体声广播与仅具有一个扬声器的单声道接收器相兼容，以允许单声道接收器也可以接收立体声广播的一部分声音信号，立体声广播标准规定了如图1所示的发射信号频谱图。其中，对于单声道FM广播标准来说，发射信号只占0Hz～15KHz的频段，在此频段内发射单声道广播信号。而对于立体声FM广播标准来说，在0Hz～15KHz的频段内，发射的广播信号是左右声道的和信号(L+R)，因此采用单声道接收机接收立体声广播信号时，实际接收的是左右声道的和信号(L+R)。具体来说，除了承载左右声道和信号(L+R)的主信道外，立体声广播信号还包括19KHz的导频信号，以及承载左右声道差信号(L-R)的副信道(位于23KHz～53KHz的频段内，为双边带抑制载波(DSBSC，Double Side Band SuppressedCarrier)信号)。发射19KHz导频信号的目的是辅助左右声道差信号(L-R)的解调，因为左右声道差信号(L-R)以38KHz为中心，在接收端恢复出19KHz信号后，通过倍频即可获得38KHz信号，再进一步对L-R信号进行解调。
众所周知，若要正确接收无线信号，必须首先准确知道该无线信号所处的射频(RF，Radio Frequency)频点，即中心频率和带宽，FM系统亦如此。接收FM信号，必须先确定FM信号的中心频点。但实际上，FM发射信号的中心频点和FM接收机设定的接收信号的中心频点往往存在差别，尤其目前存在许多便携式FM发射机，其频率精度较差。我们称FM发射信号的中心频点和FM接收机设定的接收信号的中心频点之间的偏差为载波频偏。
当然，如果载波频偏较小(如<500Hz)，其导致的负面效果较小；但如果载波频偏较大，如大于3KHz，其带来的负面影响是十分明显的，将会直接导致FM接收机的接收性能下降，包括例如引入带外干扰、破坏信号完整性，导致信号质量估计出现错误等等。因此，非常有必要消除载波频偏带来的负面效果。
目前调频接收机对付载波频偏的一般做法如下：输入的时域信号先经信道滤波器滤除带外干扰，然后转换为频域信号，最后直接用带陷滤波器(Notch filter)直接将直流去除。这样做的原理是，载波频偏在频域中表现为直流分量，直接采用Notch filter可将直流分量消除。
目前的上述做法适用于FM系统存在较小的载波频偏，而当FM系统表现出较大的载波频偏时，上述方法就失效了。这是因为，载波频偏是发射机和接收机之间的载波偏差，并非仅由接收机决定，因而无法事先确定带陷滤波器的深度和强度；并且，由于FM发射机多种多样，因此载波频偏的取值也会不确定。
发明内容
本发明提供一种调频接收机中的载波频偏估计方法及系统，用来解决现有方案无法对付调频系统存在较大载波频偏的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种调频接收机中的载波频偏估计方法，包括以下步骤：步骤S1：根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿；步骤S2：滤除所述步骤S1的输出信号的带外干扰；步骤S3：将所述步骤S2的输出信号转换为频域信号；步骤S4：根据所述步骤S3的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
进一步地，所述步骤S1根据下式实现：
I_out+j*Q_out＝(I_in+j*Q_in)*(cos(2*π*Δf*t)-j*sin(2*π*Δf*t))
其中，I_out+j*Q_out为所述步骤S1的输出信号，I_in+j*Q_in为所述输入时域信号，Δf为所述当前估计的载波频偏值。
进一步地，所述步骤S2由低通滤波器实现。
进一步地，所述步骤S3包括：对所述步骤S2的输出信号进行求相位操作及求微分操作。
进一步地，所述步骤S4包括：根据所述步骤S3的输出信号，提取所述步骤S3的输出信号中的直流分量；对提取的直流分量进行环路滤波，得到载波频偏值；用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
本发明还提供一种调频接收机中的载波频偏估计系统，包括载波频偏补偿器、信道滤波器、时域至频域转换器及载波频偏估计器，所述载波频偏补偿器，用于根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿；所述信道滤波器，用于滤除所述载波频偏补偿器的输出信号的带外干扰；所述时域至频域转换器，用于将所述信道滤波器的输出信号转换为频域信号；所述载波频偏估计器，用于根据所述时域至频域转换器的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
进一步地，所述载波频偏补偿器根据下式实现：
I_out+j*Q_out＝(I_in+j*Q_in)*(cos(2*π*Δf*t)-j*sin(2*π*Δf*t))
其中，I_out+j*Q_out为所述载波频偏补偿器的输出信号，I_in+j*Q_in为所述输入时域信号，Δf为所述当前估计的载波频偏值。
进一步地，所述信道滤波器为一个低通滤波器。
进一步地，所述时域至频域转换器包括相位求取单元及微分单元，所述相位求取单元，用于将所述信道滤波器的输出信号进行求相位操作，所述微分单元用于对所述相位求取单元的输出信号进行求微分操作，得到频域信号。
进一步地，所述载波频偏估计器包括低通滤波器及环路滤波器，所述低通滤波器，用于提取所述时域至频域转换器的输出信号中的直流分量，所述环路滤波器，用于对提取的直流分量进行环路滤波，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
本发明提供的调频接收机中的载波频偏估计方法及系统，可以自适应地消除载波频偏带来的负面影响，从而提升调频接收机的性能。
附图说明
图1所示为现有技术中立体声广播标准规定的发射信号频谱图；
图2所示为本发明较佳实施例提供的调频接收机中的载波频偏估计方法的流程图；
图3所示为本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的载波频偏估计系统的示意图；
图4所示为本发明第二较佳实施例提供的调频接收机中的载波频偏估计系统的示意图；
图5所示为本发明第二较佳实施例中载波频偏估计器的低通滤波器的实现示意图；
图6所示为本发明第二较佳实施例中载波频偏估计器的环路滤波器的实现示意图。
具体实施方式
如图2所示，本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的载波频偏估计方法包括步骤S1～S4。
于步骤S1:根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿。于步骤S2：滤除所述步骤S1的输出信号的带外干扰。于步骤S3：将所述步骤S2的输出信号转换为频域信号。于步骤S4：根据所述步骤S3的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
具体而言，首先，将输入的时域信号的信号频谱的中心频点移到预先设计的位置，即将载波频偏补偿掉(即步骤S1)，然后滤除带外干扰(即步骤S2)。接下来，将时域信号转换为频域信号(即步骤S3)。当时域信号被转换成频域信号后，载波频偏在频域信号中就表现为一个直流分量。最后，利用该直流分量，估计载波频偏，然后将得到的载波频偏值反馈给步骤S1(即步骤S4)，即，用所述得到的载波频偏值更新步骤S1中的当前估计的载波频偏值。
本发明较佳实施例还提供一种调频接收机中的载波频偏估计系统，包括载波频偏补偿器、信道滤波器、时域至频域转换器及载波频偏估计器。所述载波频偏补偿器，用于根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿；所述信道滤波器，用于滤除所述载波频偏补偿器的输出信号的带外干扰；所述时域至频域转换器，用于将所述信道滤波器的输出信号转换为频域信号；所述载波频偏估计器，用于根据所述时域至频域转换器的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
如图3所示，本发明第一较佳实施例提供的调频接收机中的载波频偏估计系统包括载波频偏补偿器10、信道滤波器11、时域至频域转换器12及载波频偏估计器13。
具体而言，输入的时域信号首先经过载波频偏补偿器10将信号频谱的中心频点移到预先设计的位置，即将载波频偏补偿掉，然后经过信道滤波器11，滤除带外干扰。由于信道滤波器11的输入信号频谱已经经过校正，不再存在偏移，因此信道滤波器11可以按预先设计的效果工作，即滤除带外干扰同时不破坏带内信号的完整性。接下来，经过时域至频域转换器12将时域信号转换为频域信号。当时域信号被转换成频域信号后，载波频偏在频域信号中就表现为一个直流分量。最后，由载波频偏估计器13利用该直流分量，估计载波频偏，然后将得到的载波频偏值反馈给载波频偏补偿器10。
其中，载波频偏估计器13例如由低通滤波器、环路滤波器及后处理单元实现。具体而言，时域至频域转换器12的输出信号先经过一个低通滤波器将频域信号中的直流分量提取出来，即将载波频偏值提取出来；然后通过一个环路滤波器，对载波频偏估计值进行降噪处理，同时控制估计值的收敛速度；最后，根据需要，通过后处理单元，以补偿前述两个滤波器模块引入的计算偏差。
图4所示为本发明第二较佳实施例提供的调频接收机中的载波频偏估计系统的示意图。于本实施例中，所述调频接收机为模拟FM立体声接收机。
于第二较佳实施例中，调频接收机中的载波频偏估计系统包括载波频偏补偿器、信道滤波器、时域至频域转换器及载波频偏估计器。如图4所示，载波频偏补偿器由复数乘法器20实现，信道滤波器由低通滤波器21实现，时域至频域转换器包括相位求取单元22及微分单元23，载波频偏滤波器包括低通滤波器24及环路滤波器25。
于此，载波频偏补偿器采用复数乘法器20实现，例如参见下式：
I_out+j*Q_out＝(I_in+j*Q_in)*(cos(2*π*Δf*t)-j*sin(2*π*Δf*t))
其中，I_out+j*Q_out为载波频偏补偿器的输出信号，I_in+j*Q_in为载波频偏补偿器的输入信号(即输入时域信号)，Δf为当前估计出的载波频偏值。
于此，信道滤波器为一个低通滤波器21，例如通道为75KHz的低通滤波器。
于此，时域至频域转换器的处理包括：相位求取单元22，用于先对输入的时间域信号进行求相位操作，例如可采用反正切(ATAN)或坐标旋转数字计算(CORDIC，CoordinateRotation Digital Computer)方案实现，然后，微分单元23，用于进行求微分操作，例如可采用差分操作近似，最后，其输出信号即成为了频率域信号。
于此，载波频偏估计器由低通滤波器24及环路滤波器25实现。如图5所示，低通滤波器24包括两个乘法器、两个加法器及延时电路。所述低通滤波器24，用于将频率域信号中的直流分量提取出来。如图5中，控制因子F1由寄存器设定，0<F1<1，影响低通滤波器的带宽。
如图6所示，环路滤波器25包括一个乘法器、一个加法器及延时电路。所述环路滤波器25，用于对提取出来的直流分量进行环路滤波。如图6中，控制因子F2，0<F2<1，控制着环路滤波器的收敛速度和计算精度。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。
Claims (10)
1.一种模拟调频接收机中的载波频偏估计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿；
步骤S2：滤除所述步骤S1的输出信号的带外干扰；
步骤S3：将所述步骤S2的输出信号转换为频域信号；
步骤S4：根据所述步骤S3的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
2.如权利要求1所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计方法，其特征在于：所述步骤S1根据下式实现：
I_out+j*Q_out＝(I_in+j*Q_in)*(cos(2*π*Δf*t)-j*sin(2*π*Δf*t))
其中，I_out+j*Q_out为所述步骤S1的输出信号，I_in+j*Q_in为所述输入时域信号，Δf为所述当前估计的载波频偏值。
3.如权利要求1所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计方法，其特征在于：所述步骤S2由低通滤波器实现。
4.如权利要求1所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计方法，其特征在于：所述步骤S3包括：对所述步骤S2的输出信号进行求相位操作及求微分操作。
5.如权利要求1所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计方法，其特征在于：所述步骤S4包括：根据所述步骤S3的输出信号，提取所述步骤S3的输出信号中的直流分量；对提取的直流分量进行环路滤波，得到载波频偏值；用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
6.一种模拟调频接收机中的载波频偏估计系统，其特征在于，包括载波频偏补偿器、信道滤波器、时域至频域转换器及载波频偏估计器，
所述载波频偏补偿器，用于根据当前估计的载波频偏值对输入时域信号进行载波频偏补偿；
所述信道滤波器，用于滤除所述载波频偏补偿器的输出信号的带外干扰；
所述时域至频域转换器，用于将所述信道滤波器的输出信号转换为频域信号；
所述载波频偏估计器，用于根据所述时域至频域转换器的输出信号，进行载波频偏估计，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
7.如权利要求6所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计系统，其特征在于：所述载波频偏补偿器根据下式实现：
I_out+j*Q_out＝(I_in+j*Q_in)*(cos(2*π*Δf*t)-j*sin(2*π*Δf*t))
其中，I_out+j*Q_out为所述载波频偏补偿器的输出信号，I_in+j*Q_in为所述输入时域信号，Δf为所述当前估计的载波频偏值。
8.如权利要求6所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计系统，其特征在于：所述信道滤波器为一个低通滤波器。
9.如权利要求6所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计系统，其特征在于：所述时域至频域转换器包括相位求取单元及微分单元，所述相位求取单元，用于将所述信道滤波器的输出信号进行求相位操作，所述微分单元用于对所述相位求取单元的输出信号进行求微分操作，得到频域信号。
10.如权利要求6所述的模拟调频接收机中的载波频偏估计系统，其特征在于：所述载波频偏估计器包括低通滤波器及环路滤波器，所述低通滤波器，用于提取所述时域至频域转换器的输出信号中的直流分量，所述环路滤波器，用于对提取的直流分量进行环路滤波，得到载波频偏值，用所述载波频偏值更新所述当前估计的载波频偏值。
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