CN105703861A - 基于drm+系统的数字频谱平均接入发送方法 - Google Patents

基于drm+系统的数字频谱平均接入发送方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于DRM+系统的数字频谱平均接入发送方法。DRM+是一种FM广播数字化系统，它可以利用现有模拟FM广播的频率空隙进行数字广播。本发明以ITU-R BS.1387-1心理声学模型为依托，实时分析数模同播信号的模拟部分音频接收质量，对于与原始信号音质等级相差过大的时间段上的信号，调整其数字信号频谱位置，使人耳感知音频质量在时间维度上保持一致，形成DRM+系统数字频谱平均接入发送方案。本发明目的是保证DRM+系统中模拟音频信号的人耳感知质量在任何时间段内都保持相对稳定。

Description

基于DRM+系统的数字频谱平均接入发送方法
技术领域
本发明涉及广播数字化领域。具体地说，涉及用于调频广播数字化平滑过渡方案-DRM+系统中的一种动态调整数字信号频谱分布的方法。
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，被ITU-R(ITURadiocommunicationSector)推荐，并被IEC(InternationalElectrotechnicalCommission)和ETSI(EuropeanTelecommunicationsStandardsInstitute)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而变化，带宽变化范围大。在很大时间概率下，模拟调频信号带宽远小于FM广播国家标准所分配的频率宽度(我国为200kHz)。在此情况下，模拟信号占用的频谱带宽实时变化，而数字信号频谱位置和频谱宽度固定，导致人耳听到的不同时段的音频质量变化很大。
DRM+信号根据模拟FM信号的频谱分布动态调整数字频谱时，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(PerceptualEvaluationofAudioQuality)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(ObjectiveDifferenceGrade，ODG)。
本专利使用的PEAQ算法是ITU(InternationalTelecommunicationsUnion)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(NoiseMaskingRatio，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(ModelOutputVariables，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(SubjectiveDifferenceGrade，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
为了保持DRM+系统的模拟FM信号收听音质不变，本发明在发射系统中增加了DRM+数字信号与FM调频信号自适应调整模块，通过实时计算FM信号的接收质量，动态调整数字信号频谱位置，从而使DMR+系统不同时段的FM调频节目具有相对稳定的收听质量。
本发明的创新点为结合人耳感知知识，利用PEAQ算法来评价音频的客观质量等级，以音频平均客观质量等级作为依据，逐帧调整DRM+数字信号频谱位置。
本发明拟确定的基于人耳感知的DRM+系统动态数据发送方法是这样实现的：
步骤一，按照DRM+标准规定的频谱格式，生成数模同播混合信号，并将数模混合信号通过DRM+测试系统，其中FM模拟信号频谱位于-100～100kHz，DRM+数字信号频谱位于100～200kHz，经过测试系统前的信号作为参考信号Refall，经过测试系统之后叠加了信道噪声的信号作为测试信号Testall；
步骤二，将Refall和Testall截取为I帧数据，记为Refi和Testi，其中信号的截取方法为：第i帧数据的起始采样点为(4096*N-2048)*i，终止采样点为4096*N*(i+1)-2048*i，其中N为正整数，i为帧数计数值，I为参考信号和测试信号的总帧数；
步骤三，利用Refi和Testi计算第i帧的NMR值，记为NMRi，并计算I帧NMRi的算数平均值，记为NMRa，其中
步骤四，定义第i帧的数字信号频谱起始位置为p，单位为kHz，调整p值，直到|NMRi-NMRa|≤5，记第i帧的p值为Fstarti，其中5是经验值；
步骤五，按照Fstarti记录的数字信号频谱位置，生成新的数模混合信号。
其中所述步骤三中NMRi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100至200kHz；以第i帧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NMRi。
其中所述步骤四中调整p的方法为：p的初始值为100，单位为kHz，如果NMRi＜(NMRa-5)则将p值减小1，生成新的数字信号，与模拟FM信号耦合后，在解调端得到当前第i帧的模拟音频信号，计算出此时的NMRi，并再次与NMRa的大小进行判别，直到NMRi≥(NMRa-5)，记录NMRi＜(NMRa-5)时的最小p值；如果NMRi＞(NMRa+5)则将p值增加1，直到NMRi≤(NMRa+5)，记录NMRi＞(NMRa+5)时的最小p值。
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DRM+的频谱图；
图2是FM与DRM+同播的发送系统模型图；
图3是PEAQ算法框图；
图4是基于DRM+系统的数字频谱平均接入发送方法图。
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。
本发明具体包括以下步骤：
步骤一，按照DRM+标准规定的频谱格式，生成数模同播混合信号，并将数模混合信号通过DRM+测试系统，其中FM模拟信号频谱位于-100～100kHz，DRM+数字信号频谱位于100～200kHz，经过测试系统前的信号作为参考信号Refall，经过测试系统之后叠加了信道噪声的信号作为测试信号Testall；
步骤二，将Refall和Testall截取为I帧数据，记为Refi和Testi，其中信号的截取方法为：第i帧数据的起始采样点为(4096*N-2048)*i，终止采样点为4096*N*(i+1)-2048*i，其中N为正整数，i为帧数计数值，I为参考信号和测试信号的总帧数；
步骤三，利用Refi和Testi计算第i帧的NMR值，记为NMRi，并计算I帧NMRi的算数平均值，记为NMRa，其中其中NMRi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100至200kHz；以第i帧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NMRi；
步骤四，定义第i帧的数字信号频谱起始位置为p，单位为kHz，调整p值，直到|NMRi-NMRa|≤5，记第i帧的p值为Fstarti，其中5是经验值；其中p值的调整方法为：p的初始值为100，单位为kHz，如果NMRi＜(NMRa-5)则将p值减小1，生成新的数字信号，与模拟FM信号耦合后，在解调端得到当前第i帧的模拟音频信号，计算出此时的NMRi，并再次与NMRa的大小进行判别，直到NMRi≥(NMRa-5)，记录NMRi＜(NMRa-5)时的最小p值；如果NMRi＞(NMRa+5)则将p值增加1，直到NMRi≤(NMRa+5)，记录NMRi＞(NMRa+5)时的最小p值；
步骤五，按照Fstarti记录的数字信号频谱位置，生成新的数模混合信号。
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 (3)

1.基于DRM+系统的数字频谱平均接入发送方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，按照DRM+标准规定的频谱格式，生成数模同播混合信号，并将数模混合信号通过DRM+测试系统，其中FM模拟信号频谱位于-100～100kHz，DRM+数字信号频谱位于100～200kHz，经过测试系统前的信号作为参考信号Refall，经过测试系统之后叠加了信道噪声的信号作为测试信号Testall；
步骤二，将Refall和Testall截取为I帧数据，记为Refi和Testi，其中信号的截取方法为：第i帧数据的起始采样点为(4096*N-2048)*i，终止采样点为4096*N*(i+1)-2048*i，其中N为正整数，i为帧数计数值，I为参考信号和测试信号的总帧数；
步骤三，利用Refi和Testi计算第i帧的NMR值，记为NMRi，并计算I帧NMRi的算数平均值，记为NMRa，其中
步骤四，定义第i帧的数字信号频谱起始位置为p，单位为kHz，调整p值，直到|NMRi-NMRa|≤5，记第i帧的p值为Fstarti，其中5是经验值；
步骤五，按照Fstarti记录的数字信号频谱位置，生成新的数模混合信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三中NMRi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100至200kHz；以第i帧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NMRi。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四中调整p的方法为：p的初始值为100，单位为kHz，如果NMRi＜(MMRa-5)则将p值减小1，生成新的数字信号，与模拟FM信号耦合后，在解调端得到当前第i帧的模拟音频信号，计算出此时的NMRi，并再次与NMRa的大小进行判别，直到NMRi≥(NMRa-5)，记录NMRi＜(NMRa-5)时的最小p值；如果NMRi＞(NMRa+5)则将p值增加1，直到NMRi≤(NMRa+5)，记录NMRi＞(NMRa+5)时的最小p值。
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