CN107888207A - 一种fm语音信号解调数据音频恢复方法及记录方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种FM语音信号解调数据音频恢复方法及记录方法，采用软件化的FM模拟音频广播的数字化解调、音频恢复及记录保存方法，所有的信号及数据处理流程全部在个人计算机上以软件形式进行实现，无需像传统的方法需要借助于FPGA或DSP，简化了数字接收机的结构及处理流程，降低了硬件成本，软件化的实现也更为灵活易扩展，支持频谱参数的测量分析，音频数据可持久化保存的方式也为后续进行更多的音频处理带来了方便。

Description

一种FM语音信号解调数据音频恢复方法及记录方法

技术领域

本发明涉及无线电通信领域，特别是涉及一种FM语音信号解调数据音频恢复方法及记录方法。

背景技术

FM调频技术自上世纪中旬出现以来，由于调制方式简单易实现且抗干扰能力强的优势，在无线通信领域得到了广泛的应用，如无线广播电台、对讲机等模拟无线通信设备中大部分都采用了这种调制方式对语音信号进行调制解调。

当前对FM信号的解调方法分为两大类。一类是模拟解调，通过专用的模拟IC器件或芯片直接解调出音频信息，例如调频收音机中常用的FM信号解调器CL6017G，这种方式可以快捷的解调出模拟语音音频信号，但受限于模拟体制，无法支持对解调后的语音信息进行滤波、分析及存储录制处理。另一类是数字解调。在数字解调中，当前主要有两种方式，一种是通过专用数字IC器件，如可编程数字变频器，来解调出音频数字信号，但这种方式需要FPGA或DSP进行辅助的音频信号后处理，扩展性差，硬件设计复杂；另一种是直接使用FPGA或DSP可编程数字器件等来完成FM音频信号的整个数字解调流程，这种方式在效率上和灵活性上有很好的平衡性能，但受限于硬件编程体制，扩展性仍然较差。且当前的FM语音解调的方法局限于音频信号的解调，但对解调后的音频信号如何进行后续处理以还原出语音信息及持久化记录，并没有提出明确的方法。

随着半导体技术的飞速发展，个人计算机微处理器的性能得到的极大提升，使得过去在FPGA及DSP中实现的数字解调技术在个人计算机上进行软件化实现成为可能，且软件化实现可极大的提升扩展性及灵活性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种不需要借助FPGA或DSP,能够简化数字接收机的结构及处理流程，降低硬件成本的FM语音信号解调数据音频恢复方法及记录方法。

本发明采用的技术方案如下：一种FM语音信号解调数据音频恢复方法，采用软件化的FM模拟音频广播的数字化解调及音频恢复，具体方法步骤为：

步骤1：FM广播信号经接收天线进入到接收机中，经过射频变频模块，将设置广播频点f为射频中心、设置带宽范围内的输入射频信号变换为以f₁为中心的中频信号；

步骤2：中频信号再经过ADC量化采样后产生数字信号，将数字信号数据经USB接口送入到上位机PC中；

步骤3：对于经USB接口送入到上位PC中的数字信号数据进行数字正交下变频，获得正交的I、Q两路数据；

步骤4：对数字变频得到的I、Q数据进行两级滤波下抽降采样；

步骤5：对滤波下抽后得到的I、Q数据求取相位序列，随后对相位序列以差分方式进行数值微分；

步骤6：相位差分结果进行[-π,π]的范围修正，得到解调数据；

步骤7：对解调数据使用IIR切比雪夫低通滤波器进行数字音频低通滤波；

步骤8：使用IIR巴特沃斯低通滤波器对解调后音频进行高频降噪及解增强处理；

步骤9：对步骤8处理后的数据进行数字下抽，降采样；

步骤10：对降采样后的音频数据进行数字放大，并转换为有符号整数，得到最终的音频恢复数据。

所述步骤4中，进行两级滤波下抽降采样的具体方法为：首先使用IIR切比雪夫低通滤波器进行高倍数的滤波下抽，之后使用FIR低通滤波器及BlackMan窗进行低倍数的补偿滤波下抽。

所述步骤4中，进行两级滤波下抽降采样的具体方法为：在ADC采样率为80MHz的情况下，首先使用IIR切比雪夫低通滤波器进行25倍的滤波下抽，之后使用FIR低通滤波器及BlackMan窗进行5倍的补偿滤波下抽。

基于上述FM语音信号解调数据音频恢复方法的音频数据记录方法，具体方法步骤为：

步骤11：将音频恢复数据进行内插，生成左右声道数据，将声道数据连同数据描述信息以windows WAVE波形文件格式保存到文本中。

所述方法步骤还包括：

步骤12：将音频恢复数据及音频采样率等数据描述信息推送到个人计算机声卡驱动中。

所述步骤11中，将音频恢复数据进行两倍内插，生成左右声道数据。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：软件化的FM模拟音频广播的数字化解调、音频恢复及记录保存方法，所有的信号及数据处理流程全部在个人计算机上以软件形式进行实现，无需像传统的方法需要借助于FPGA或DSP，简化了数字接收机的结构及处理流程，降低了硬件成本，软件化的实现也更为灵活易扩展，支持频谱参数的测量分析，音频数据可持久化保存的方式也为后续进行更多的音频处理带来了方便。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

具体实施例1

如图1所示，一种FM语音信号解调数据音频恢复方法，采用软件化的FM模拟音频广播的数字化解调及音频恢复，具体方法步骤为：

步骤1：FM广播信号经接收天线进入到接收机中，经过射频变频模块，将设置广播频点f为射频中心、设置带宽范围(在本具体实施例中带宽范围B＝20MHz)内的输入射频信号变换为以f₁(在本具体实施例中f₁＝140MHz)为中心的中频信号；

步骤2：中频信号再经过ADC(模数变换器)量化采样后产生数字信号，将数字信号数据经USB接口送入到上位机PC中；在本具体实施例中，中频信号经过采样率为F_s＝80MHz，采样位数为D＝12位的ADC量化采样后产生数字信号，将数字信号数据经USB3.0接口送入到上位机PC中；

步骤3：对于经USB3.0接口送入到上位PC中的数字信号数据进行数字正交下变频，获得正交的I、Q两路数据；

在本具体实施例中，以每N₁＝10240000个采样数据为一个处理单元，进行数字下变频，获得正交的I、Q两路数据，具体变频方法如下：

设采样数据S_i，i＝1，2…N₁，利用三角函数sin和cos计算获得序列COS_i及SIN_i

令采样数据序列S_i分别与SIN_i和COS_i进行点乘即可获取将目标信号频率变换到零频的正交的I、Q两路数据,

I_i＝S_i*SIN_i

Q_i＝S_i*COS_i

其中i＝1，2…N₁；

步骤4：对数字变频得到的I、Q数据进行两级滤波下抽降采样；

在本具体实施例中，对数字变频得到的I、Q数据使用IIR切比雪夫低通滤波器进行滤波(截止频率为0.0025，波动为0.2，阶数为3)滤波后进行25倍下抽降采样，之后使用FIR低通滤波器(截止频率为0.03125)及BlackMan窗进行补偿滤波，后再次进行5倍下抽降采样，采样率降至640kHz，采样数据降至N₂＝81920；

步骤5：对滤波下抽后得到的I、Q数据求取相位序列φ，

由相位序列进行差分得到差分序列

步骤6：由于相位计算的不连续性，导致的相位差分结果并不一定在[-π,π]范围内，故对相位差分结果进行[-π,π]的范围修正，得到解调数据；在本具体实施例中，对于大于π的相减去2*π，对于小于-π的相进行加2*π处理，得到解调数据

步骤7：对解调数据使用IIR切比雪夫低通滤波器进行数字音频低通滤波；在本具体实施例中，对于解调数据使用IIR切比雪夫低通滤波器进行数字音频滤波(截止频率为0.002，波动为0.2，阶数为3)，将音频信号带宽滤至12.8kHz；

步骤8：使用IIR巴特沃斯低通滤波器(在本具体实施例中，截止频率为0.0033，波动为0.2，阶数为1)对解调后音频进行高频降噪及解增强处理；

步骤9：对步骤8处理后的数据进行数字下抽，降采样；在本具体实施例中，对解调后音频数据进行20倍下抽降采样处理，最终将音频数据采样率降至32kHz，采样数降为N₃＝4096，得到音频数据T_i；

步骤10：对降采样后的音频数据进行数字放大，并转换为有符号整数，得到最终的音频恢复数据。在本具体实施例中，对步骤9中得到的音频数据T_i进行数字音频放大，放大1000倍后，转存为16位有符号整数，即得到了以4096个有符号整数表示的一帧语音恢复数据单元。

具体实施例2

在具体实施例1的基础上的的音频数据记录方法，具体方法步骤为：

步骤11：将音频恢复数据进行内插(在本具体实施例中，将音频恢复数据进行两倍内插)，生成左右声道数据，将声道数据连同数据描述信息以windowsWAVE波形文件格式保存到文本中，即可进行语音持久化记录，并可使用普通音乐播放软件进行回放。

具体实施例3

在具体实施例2的基础上，所述方法步骤还包括：

步骤12：将音频恢复数据及音频采样率等数据描述信息推送到个人计算机声卡驱动中，即可由扬声器发出解调恢复后的音频信息。

Claims (6)

1.一种FM语音信号解调数据音频恢复方法，采用软件化的FM模拟音频广播的数字化解调及音频恢复，具体方法步骤为：

步骤1：FM广播信号经接收天线进入到接收机中，经过射频变频模块，将设置广播频点f为射频中心、设置带宽范围内的输入射频信号变换为以f₁为中心的中频信号；

步骤2：中频信号再经过ADC量化采样后产生数字信号，将数字信号数据经USB接口送入到上位机PC中；

步骤3：对于经USB接口送入到上位PC中的数字信号数据进行数字正交下变频，获得正交的I、Q两路数据；

步骤4：对数字变频得到的I、Q数据进行两级滤波下抽降采样；

步骤5：对滤波下抽后得到的I、Q数据求取相位序列，随后对相位序列以差分方式进行数值微分；

步骤6：相位差分结果进行[-π,π]的范围修正，得到解调数据；

步骤7：对解调数据使用IIR切比雪夫低通滤波器进行数字音频低通滤波；

步骤8：使用IIR巴特沃斯低通滤波器对解调后音频进行高频降噪及解增强处理；

步骤9：对步骤8处理后的数据进行数字下抽，降采样；

步骤10：对降采样后的音频数据进行数字放大，并转换为有符号整数，得到最终的音频恢复数据。

2.根据权利要求1所述的数据音频恢复方法，所述步骤4中，进行两级滤波下抽降采样的具体方法为：首先使用IIR切比雪夫低通滤波器进行高倍数的滤波下抽，之后使用FIR低通滤波器及BlackMan窗进行低倍数的补偿滤波下抽。

3.根据权利要求1或2所述的数据音频恢复方法，所述步骤4中，进行两级滤波下抽降采样的具体方法为：在ADC采样率为80MHz的情况下，首先使用IIR切比雪夫低通滤波器进行25倍的滤波下抽，之后使用FIR低通滤波器及BlackMan窗进行5倍的补偿滤波下抽。

4.基于权利要求1到3之一所述的FM语音信号解调数据音频恢复方法的音频数据记录方法，具体方法步骤为：

步骤11：将音频恢复数据进行内插，生成左右声道数据，将声道数据连同数据描述信息以windows WAVE波形文件格式保存到文本中。

5.根据权利要求4所述的音频数据记录方法，所述方法步骤还包括：

步骤12：将音频恢复数据及音频采样率等数据描述信息推送到个人计算机声卡驱动中。

6.根据权利要求4或5所述的音频数据记录方法，所述步骤11中，将音频恢复数据进行两倍内插，生成左右声道数据。