CN111541507B - 单片机测频式调频立体声解调系统 - Google Patents

单片机测频式调频立体声解调系统 Download PDF

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Abstract

单片机测频式调频立体声解调系统，涉及广播电视领域，解决现有立体声调频广播解调系统必须恢复38KHz载波才能解调双声道节目以及现有用单片机中断测频性能较低只能达到16KHz采样率而无法满足立体声使用要求等问题，包括中频输入端，计数器，捕获定时器，升沿捕获器，降沿捕获器，第一计数DMA控制器，第二计数DMA控制器，第一捕获DMA控制器，第二捕获DMA控制器，采样定时器，第一计数缓存器，第二计数缓存器，第一捕获缓存器，第二捕获缓存器，计数比较器，捕获比较器，选择器，频差计算器，正非分析器，差拍校正器和声道决断器；本发明实现调频立体声广播节目数字解调，所需电路元件少，成本低，失真小。

Description

单片机测频式调频立体声解调系统
技术领域
本发明涉及广播电视领域，具体涉及单片机测频式调频立体声解调系统。
背景技术
我国调频广播国家标准规定，调频立体声广播采用导频制，节目左右两个声道在和差计算之后用抑制载波双边带调幅38KHz载波信号得到立体声调制信号，并把载波二分频成为导频信号,与立体声调制信号一起再次调频调制发射出去；接收机收到调频信号需要先解调，再滤波得到导频信号，经过倍频恢复载波，再用相干解调方式解码立体声调制信号，才能恢复还原节目的左右两个声道；必须用恢复出原始的载波才能发生干涉进而实现相干解调，这是相干解调技术的一个重要特征。
现有文献公开《单片机直接测频的调频广播监测解调方法》提出一种可用于单声道节目监测系统的单片机直接测频的解调方法，具体为采用单片机定时器中断处理，之后软件计算出频率的解调方法，只可以解调单声道的节目，无法实现立体声节目解调；在文献中也有提到中频信号脉冲可能会在中断处理期间到达，因为受到单片机内部结构局限，无法同时采样计数与周期两个信息，只能采取在中断处理程序中不断重试碰撞的方法获得正确结果；在性能指标上虽然可达到16KHz的采样频率，但是单片机的中断处理不可以过于频繁，否则将干扰整个系统运行甚至不能正常运转，因此这种用单片机中断配合软件的方法难以实现更高采样频率的测量。
发明内容
本发明为解决现有立体声调频广播解调系统必须恢复38KHz载波才能解调双声道节目以及现有用单片机中断测频性能较低只能达到16KHz采样率而无法满足使用要求等问题，提供一种单片机测频式调频立体声解调系统。
单片机测频式调频立体声解调系统，包括中频输入端，计数器，捕获定时器，升沿捕获器，降沿捕获器，第一计数DMA控制器，第二计数DMA控制器，第一捕获DMA控制器，第二捕获DMA控制器，采样定时器，第一计数缓存器，第二计数缓存器，第一捕获缓存器，第二捕获缓存器，计数比较器，捕获比较器，选择器，频差计算器，正非分析器，差拍校正器和声道决断器；
调频广播信号经下变频成为中心频率为1.25MHz的低中频信号，将所述低中频信号整形成为单片机接收的方波信号，所述方波信号经所述中频输入端后同时传送至计数器，升沿捕获器以及降沿捕获器，所述计数器在每个方波信号的上升沿累加计数一次；
所述捕获定时器以系统最高时钟频率累加计数，所述升沿捕获器在每个方波信号的上升沿捕获并保存捕获定时器中的数值，所述降沿捕获器在每个方波信号的下降沿捕获保存捕获定时器中的数值；
所述采样定时器以76KHz的频率产生一个采样DMA触发信号同时触发四路DMA控制器，DMA仲裁器使四路DMA控制器按照DMA的优先级顺序执行DMA触发，按优先级从高到低为：第一计数DMA控制器，第一捕获DMA控制器，第二捕获DMA控制器以及第二计数DMA控制器；
首先第一计数DMA控制器将计数器中的计数值保存在第一计数缓存器中，然后第一捕获DMA控制器把升沿捕获器中捕获保存的数据保存到第一捕获缓存器中，之后第二捕获DMA控制器将降沿捕获器中捕获保存的数据保存到第二捕获缓存器中，最后第二计数DMA控制器将计数器中的计数值保存在第二计数缓存器中；
经发生多次采样DMA触发信号后，四路DMA控制器形成四个数据序列，分别为：保存在第一计数缓存器中的第一计数序列，第一捕获缓存器中的第一捕获序列，第二捕获缓存器中的第二捕获序列以及第二计数缓存器中第二计数二序列；
所述四个数据序列中序号相同的数据保持四个一组，每组数据均包括第一计数数据，第一捕获数据，第二捕获数据以及第二计数数据；
采用计数比较器，捕获比较器以及选择器对每组数据进行比较选择后通过频差计算器计算获得频差序列，所述频差序列经正非分析器获取所有正位数据组成正位序列，并通过声道决断器分离出左右两个声道频差数据序列，获得数字化的立体声数据。
本发明的有益效果：本发明提供了一种用单片机直接测量信号频率，不需要相干解调就可以直接获得数字化的立体声节目数据流的解调系统；在硬件上采取四路被同时触发的DMA，按固定优先级顺用占用总线，产生四个数据序列，由主程序分析这四个数据序列实现节目解调。
本发明实现调频立体声广播节目数字解调，用于调频广播信号接收设备；运用本发明提供的技术方案，把调频广播低中频信号直接送入单片机，即可完成调频广播节目的解调与立体声解码，得到节目的声音数字流；与其它数字解调电路相比，所需电路元件少，成本低，失真小。
本发明的单片机中设置一个计数器和一个双路捕获定时器，以采样信号为周期，用四路DMA快速取得两个捕获数值和两次计数值，可实现计数与捕获数据的准确配对，实现四倍导频的76KHz采样速率；分析由DMA保存的数据序列，用计算极值的方式数字化分离出立体声两个声道，得到两路音频数据的数字流。
本发明不需要恢复立体声的调制载波，而是用单片机中的定时器产生采样信号，采样信号不能与上述载波发生干涉；本发明以定时器采样信号为周期快速测量接收机中频信号的频率，把这些频率值保存为数据序列，用计算极值的方式数字化分离出立体声两个声道，得到数字化的音频数据。
附图说明
图1为本发明所述的单片机测频式调频立体声解调系统的原理框图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，单片机测频式调频立体声解调系统，包括中频输入端1，计数器2，捕获定时器3，升沿捕获器4，降沿捕获器5，第一计数DMA控制器6，第二计数DMA控制器7，第一捕获DMA控制器8，第二捕获DMA控制器9，采样定时器10，第一计数缓存器11，第二计数缓存器12，第一捕获缓存器13，第二捕获缓存器14，计数比较器15，捕获比较器16，选择器17，频差计算器18，正非分析器19，差拍校正器20，声道决断器21和DMA仲裁器22；通过以下过程实现调频立体声广播节目的解调；
接收到的调频广播信号经下变频成为中心频率为1.25MHz的低中频信号，调频最大频偏仍然为75KHz，整形成为单片机可接收的方波信号，从中频输入端1送入单片机系统，同时送给计数器2，升沿捕获器4，以及降沿捕获器5，计数器2在每个方波信号的上升沿累加计数一次；
捕获定时器3以系统最高时钟频率累加计数，计数频率将影响最终解码所得到的声音数字流精度，计数频率越高，精度与越高；例如，在8位数字精度要求下，最低计数频率不得小于16MHz，若采用STM32F407单片机，在168MHz的计数频率下，可获得优于11位采样的数字精度；
升沿捕获器4在每个方波信号的上升沿捕获保存捕获定时器3中的数值；
降沿捕获器5在每个方波信号的下降沿捕获保存捕获定时器3中的数值；
采样定时器10以76KHz的频率产生一个采样DMA触发信号，同时对第一计数DMA控制器6，第二计数DMA控制器7，第一捕获DMA控制器8，以及第二捕获DMA控制器9共计四路DMA进行触发；
每当发生一个采样DMA触发信号时，四路DMA控制器各自都只执行数据传输一次；
DMA仲裁器22使四路DMA控制器按照DMA的优先级顺序执行DMA触发，第一计数DMA控制器6优先最高，第一捕获DMA控制器8为第二优先，以及第二捕获DMA控制器9为第三优先，第二计数DMA控制器7为最低优先；
当发生一个采样DMA触发信号时，四路DMA控制器将按照DMA的优先级顺序执行DMA过程，各自都只执行数据传输一次，首先第一一计数DMA控制器6把计数器2中的计数值保存在第一计数缓存器11中，然后第一一捕获DMA控制器8把升沿捕获器4中捕获保存的数据保存到第一捕获缓存器13中，之后第二捕获DMA控制器9把降沿捕获器5中捕获保存的数据保存到第二捕获缓存器14中，最后第二计数DMA控制器7把计数器2中的计数值保存在二计数缓存器12中；
经过多次发生采样DMA触发信号之后，四路DMA可以形成四个数据序列，分别是保存在第一计数缓存器11中的第一计数序列，第一捕获缓存器13中的第一捕获序列，第二捕获缓存器14中的第二捕获序列，以及第二计数缓存器12中的第二计数序列，并且数据序列的长度总是相等；
每次采样DMA触发，都可获得四个新数据，四个数据序列中序号相同的数据总是保持四个一组，分别为第一计数数据，第一捕获数据，第二捕获数据，以及第二计数数据，所有数据都是二进制无符号的整数格式；
对于每组数据，用计数比较器15，捕获比较器16，以及选择器17，用比较计算的方法从第一计数数据或第二计数数据两者中取得其中一个数据作为配对数据，与第一捕获数据一起送给频差计算器18，具体计算步骤为：
步骤一、所述计数比较器15比较第一计数数据与第二计数数据是否相等，如果是，则任取其中一个数据作为配对数据L，如果否，执行步骤二；
步骤二、判断第二计数数据减一后是否与第一计数数据相等，如果否，则系统出错，如果是，则执行步骤三；
步骤三、采用捕获比较器16比较第一捕获数据减去和第二捕获数据的差是否大于零，如果是，选择器17选择第二计数数据作为配对数据L；如果否，将第一计数数据作为配对数据L；
步骤四、比较完成后，所述选择器17将第一捕获序列中第n个数据Mn与对应的第n个配对数据Ln传输至频差计算器18，所述频差计算器18计算出第n个采样DMA触发信号时刻对应的低中频信号瞬时频率Fn；
设定捕获定时器3的计数频率为K，低中频信号的中心频率为1.25MHz，最大频偏为75KHz，则低中频信号瞬时频率F的公式为：
Fn＝Ln*K/Mn-(1250000-75000)
当第一捕获序列中所有数据以及与之配对的配对数据均经所述频差计算器18计算后，获得频差序列。
本实施方式中，采用正非分析器19分析频差序列，得到数据序列的正位与非位分布，具体过程为；
频差序列中，每个数据在序列中的位置分成正位与非位两种情况，所述正位与非位将交错排列，也就是如果奇数位置为正位，那么偶数位置为非位；如果偶数位置为正位，那么奇数位置为非位；确定正位的位置的具体方法是查找频差序列中的极值点；
从频差序列中P位置连续取得四个数据，通过比较大小找到最大值的位置序号，以及最小值的位置序号，若满足下述四种情况之一即可确定有效极值点的位置；
1)如果最大值出现在P+1位置，并且P+2位置不是最小值，则P+1位置为有效极值点；
2)如果最大值出现在P+2位置，并且P+1位置不是最小值，则P+2位置为有效极值点；
3)如果最小值出现在P+1位置，并且P+2位置不是最大值，则P+1位置为有效极值点；
4)如果最小值出现在P+2位置，并且P+1位置不是最大值，则P+2位置为有效极值点；
P值加1，在新的P位置连续取四个数据，即：第一次查找时查找的位置从P、P+1、P+2和P+3四个位置的数据，第二次查找时从新的P位置、P+1、P+2、P+3四个位置的数据，重复上述有效极值点的查找过程，采用两个计数器，分别为奇位计数器和偶位计数器，若有效极值点处于频差序列中的奇数位置，则奇位计数器加一，若有效极值点处于数据序列中的偶数位置，则偶位计数器加一；在设定的查找范围内，若奇位计数器数值大于偶位计数器，则正位处于数据序列的奇数位置，反之处于偶数位置。
如果在频差序列中找不到有效极值点，则这段频差序列不是立体声数据，此种情况的调频广播信号不是立体声广播节目，不能执行立体声解调。
本实施方式中，所述频差序列中有大约万分之一的机会发生一次数据正非差拍交错，发生差拍交错问题之后，正位与非位的位置互换，其原因是单片机系统中晶振存在误差，导致由采样定时器10输出的采样DMA触发信号经过二分频后与立体声载波存在差拍，引发了正位与非位在频差序列中发生奇偶位置互换现象，系统需要具备正位与非位检查功能，可及时发现并调整正位的奇偶位置，具体方法是用差拍校正器20按下述方式纠正错误；
频差序列中，若已经从P位置开始确定了正位的位置，则在P位置向后继续验证所有的极值点一直位于正位，一旦发现极值点出现在非位，则继续验证后面的极值点是否也出现在非位，如果极值点出现在非位情况连续发生超过三次，那么可断定正位与非位发生了奇偶位置互换现象，从此处开始要按正非位互换之后的奇偶关系取得正位序列的数据。
本从频差序列中取得所有正位数据组成一个新的序列，称为正位序列，由声道决断器21分离出左右两个声道频差数据序列，具体过程为；
取得正位序列中奇数位置数据组成A序列，取得正位序列中偶数位置数据组成B序列；
把A序列和B序列中所有数据当作无符号整数累加求和，结果数值大的那个序列为左声道频差数据序列，另一个为右声道频差数据序列；
左声道频差数据序列以及右声道频差数据序列分别进行节目流还原，用Y变量表示两个序列中每一个数据值时，均可一对一的对应计算出节目左声道以及右声道音频的每一个N位数字化采样数值Z；
Figure BDA0002457273680000071
至此解调得到了可以播放，存贮，分析或远程传输的节目数字化的立体声数据。

Claims (3)

1.单片机测频式调频立体声解调系统，包括中频输入端(1)，计数器(2)，捕获定时器(3)，升沿捕获器(4)，降沿捕获器(5)，第一计数DMA控制器(6)，第二计数DMA控制器(7)，第一捕获DMA控制器(8)，第二捕获DMA控制器(9)，采样定时器(10)，第一计数缓存器(11)，第二计数缓存器(12)，第一捕获缓存器(13)，第二捕获缓存器(14)，计数比较器(15)，捕获比较器(16)，选择器(17)，频差计算器(18)，正非分析器(19)，差拍校正器(20)和声道决断器(21)；其特征是：
调频广播信号经下变频成为中心频率为1.25MHz的低中频信号，将所述低中频信号整形成为单片机接收的方波信号，所述方波信号经所述中频输入端(1)后同时传送至计数器(2)，升沿捕获器(4)以及降沿捕获器(5)，所述计数器(2)在每个方波信号的上升沿累加计数一次；
所述捕获定时器(3)以系统最高时钟频率累加计数，所述升沿捕获器(4)在每个方波信号的上升沿捕获并保存捕获定时器(3)中的数值，所述降沿捕获器(5)在每个方波信号的下降沿捕获保存捕获定时器(3)中的数值；
所述采样定时器(10)以76KHz的频率产生一个采样DMA触发信号同时触发四路DMA控制器，DMA仲裁器(22)使四路DMA控制器按照DMA的优先级顺序执行DMA触发，按优先级从高到低为：第一计数DMA控制器(6)，第一捕获DMA控制器(8)，第二捕获DMA控制器(9)以及第二计数DMA控制器(7)；
首先第一计数DMA控制器(6)将计数器(2)中的计数值保存在第一计数缓存器(11)中，然后第一捕获DMA控制器(8)把升沿捕获器(4)中捕获保存的数据保存到第一捕获缓存器(13)中，之后第二捕获DMA控制器(9)将降沿捕获器(5)中捕获保存的数据保存到第二捕获缓存器(14)中，最后第二计数DMA控制器(7)把计数器(2)中的计数值保存在第二计数缓存器(12)中；
经发生多次采样DMA触发信号后，四路DMA控制器形成四个数据序列，分别为：保存在第一计数缓存器(11)中的第一计数序列，第一捕获缓存器(13)中的第一捕获序列，第二捕获缓存器(14)中的第二捕获序列以及第二计数缓存器(12)中第二计数序列；
所述四个数据序列中序号相同的数据保持四个一组，每组数据均包括第一计数数据，第一捕获数据，第二捕获数据以及第二计数数据；
采用计数比较器(15)，捕获比较器(16)以及选择器(17)对每组数据进行比较选择后通过频差计算器(18)计算获得频差序列，所述频差序列经正非分析器(19)获取所有正位数据组成正位序列，并通过声道决断器(21)分离出左右两个声道频差数据序列，获得数字化的立体声数据；
所述频差序列经正非分析器(19)获取所有正位数据组成正位序列，具体过程为：
每个数据在频差序列中的位置分为正位与非位，所述正位与非位交错排列，查找所述频差序列中的极值点确定正位的位置；
从频差序列中P位置连续取得四个数据，通过比较大小找到最大值的位置序号，以及最小值的位置序号，若满足下述四种情况之一即可确定有效极值点的位置；
1)如果最大值出现在P+1位置，并且P+2位置不是最小值，则P+1位置为有效极值点；
2)如果最大值出现在P+2位置，并且P+1位置不是最小值，则P+2位置为有效极值点；
3)如果最小值出现在P+1位置，并且P+2位置不是最大值，则P+1位置为有效极值点；
4)如果最小值出现在P+2位置，并且P+1位置不是最大值，则P+2位置为有效极值点；
P值加1，在P+1的位置连续取四个数据，重复上述有效极值点的查找过程，采用两个计数器，分别为奇位计数器和偶位计数器，若有效极值点处于频差序列中的奇数位置，则奇位计数器加一，若有效极值点处于数据序列中的偶数位置，则偶位计数器加一；在设定的查找范围内，若奇位计数器数值大于偶位计数器，则正位处于数据序列的奇数位置，反之处于偶数位置；
将正位数据组成正位序列；
所述声道决断器(21)分离出左右两个声道频差数据序列，获得数字化的立体声数据，具体过程为；
取得正位序列中奇数位置数据组成A序列，取得正位序列中偶数位置数据组成B序列；
把A序列和B序列中所有数据分别累加求和，数值大的序列为左声道频差数据序列，数值小的序列为右声道频差数据序列；
将所述左声道频差数据序列以及右声道频差数据序列分别进行节目流还原，计算出节目左声道以及右声道音频的每一个N位数字化采样数值Z，用下式表示为：
Figure FDA0003305637130000031
式中，Y为左声道频差数据序列以及右声道频差数据序列中数据值。
2.根据权利要求1所述的单片机测频式调频立体声解调系统，其特征在于：采用计数比较器(15)，捕获比较器(16)以及选择器(17)对每组数据进行比较选择后通过频差计算器(18)计算获得频差序列，具体过程为：
步骤一、所述计数比较器(15)比较第一计数数据与第二计数数据是否相等，如果是，则任取其中一个数据作为配对数据L，如果否，执行步骤二；
步骤二、判断第二计数数据减一后是否与第一计数数据相等，如果否，则系统出错，如果是，则执行步骤三；
步骤三、采用捕获比较器(16)比较第一捕获数据减去第二捕获数据的差是否大于零，如果是，选择器(17)选择第二计数数据作为配对数据L；如果否，将第一计数数据作为配对数据L；
步骤四、比较完成后，所述选择器(17)将第一捕获序列中第n个数据Mn与对应的第n个配对数据Ln传输至频差计算器(18)，所述频差计算器(18)计算出第n个采样DMA触发信号时刻对应的低中频信号瞬时频率Fn；
设定捕获定时器(3)的计数频率为K，低中频信号的中心频率为1.25MHz，最大频偏为75KHz，则低中频信号瞬时频率Fn的公式为：
Fn＝Ln*K/Mn-(1250000-75000)
当第一捕获序列中所有数据以及与之配对的配对数据均经所述频差计算器(18)计算后，获得频差序列。
3.根据权利要求1所述的单片机测频式调频立体声解调系统，其特征在于：在所述频差序列中的正位与非位的出现差拍交错时，采用差拍校正器(20)纠正，具体为：
频差序列中，若从P位置开始确定了正位的位置，则在P位置向后继续验证直到所有的极值点一直位于正位，当所述极值点首次出现在非位时，则判断所述极值点出现在非位的情况是否连续超过三次，如果是，则正位与非位发生奇偶位置互换，从所述极值点首次出现在非位时按互换后的奇偶关系取得正位序列的数据。
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