CN1241073A

CN1241073A - 调频广播副信道自动扫频连续相位频移键控数据通信系统

Info

Publication number: CN1241073A
Application number: CN 98102570
Authority: CN
Inventors: 熊庆旭
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-07-03
Filing date: 1998-07-03
Publication date: 2000-01-12

Abstract

调频广播副载波信道自动扫频连续相位频移键控(CPFSK)数据通信系统,属于调频广播与无线数据通信技术领域。该发明实现了在调频广播副载波信道中数据的无线通信。在实现过程中,该发明采用了连续相位频移键控数字调制方式,采用了开关取样技术,以及借助调频广播导频信号进行相干解调。该发明可以实现调频广播全频段88—108MHz范围内自动扫频并锁定接收频率。系统实现框图如摘要附图所示。

Description

调频广播副信道自动扫频连续相位频移键控数据通信系统

该系统属于调频广播与数据通信技术领域。

调频广播副载波信道是针对调频广播的基带而言的，在调频广播的基带中，0～15kHz是调频广播的单声道信道，19KHz是导频信号，28～53kHz是左右声差信道，以38kHz为分界点。这0～53kHz的信道被称为主信道，而53～100kHz为副载波信道。

调频广播副载波信道最初是用来传输语音节目的，采用模拟调频技术，但由于副载波信道发射功率只占整个发射功率的10％，因此效果很不理想。国内外都有调频广播电台开展过此项业务，均因覆盖范围太小，纷纷下马。

由于数字通信的特点，覆盖相同大小的范围，数字调制所需的能量仅为模拟调频的8％[1]。因此在调频广播副载波信道中，采用数字调制技术进行数据通信，达到与主信道相同的覆盖范围是可行的。

国外在调频广播副载波信道的开发利用做了大量的工作，相继推出了一系列调频副载波信道数据通信的产品。例如欧洲的RDS系统，美国的RBDS系统，日本的调频多工技术等[1]。

广电部曾组织力量引进RDS系统，但以失败告终。其原因是国内外广播覆盖场强不同。国外一般覆盖区的场强在60dBμv左右，而我们国内的部颁标准为48dBμv[3]，两者相差16倍。但在由广电部组织的测试中，发现即使在北京的亚运村地区，中央人民广播电台第一套节目的调频立体声广播信号的强度也只有35dBμv左右，在京广中心一楼大厅只有33dBμv左右。其它城市比北京更不理想。而著名的美国S.C.A Data Systems公司固定式接收的副信道数据系统的接收灵敏度是60dBμv[2]。NOKIA Paging公司的数字RDS寻呼接收机的接收灵敏度在35dBμv以上。显然与我国国情不符，无法在国内有效应用。

国内也有将欧洲RDS系统与传统的模拟调频组合起来的混合系统，但在实现一项业务的同时占用了两个副载波频道，信道资源利用率太低。一个是用RDS系统用来选址，占用53kHz-61kHz，信息的传输采用模拟调频方式，占用61kHz-73kHz，覆盖范围远达不到采用RDS系统的地址信号的范围。

经过建国以后，尤其是改革开放以来的几十年的发展，我国的广播事业取得了巨大的成就。目前广播已覆盖到了全国人口的85％左右，这个覆盖范围是目前其它通信手段所无法达到的。然而目前的情况是，一方面随着通信事业的发展，无线通信中的频率资源日益紧张，而另一方面，在国外被普遍利用的调频广播副载波信道资源，在国内几乎一直处于被闲置的状态，这一个巨大的频率资源的浪费。因此完全有必要充分利用数字通信的技术，结合我国调频广播的实际发展状况，开发符合我国实际情况有实用价值的调频广播副载波信道数据通信系统，实现广电部提出的“以广播养广播的”目的，为我国的经济和社会发展服务。

本发明考虑到为保证在信号场强较低的条件下，能有效地接收到数据信息，采用了连续相位的频移键控(CPFSK)数字调制方式，系统传输码率为1.2kbps，与欧洲RDS系统的传输码率相同。CPFSK的调制频率为67±4.5kHz，采用负极性方式。采用67kHz的副载波信道，一是符合广电部的标准[3]，二是该副载波信道与主信道之间的干扰最小。采用4.5kHz的频偏是出于两个方面的因素，一是有效利用副载波信道的频带宽度，因为67kHz副载波信到的带宽是61kHz-73kHz，以提高接收灵敏度。二是利用市面现有的元器件，以利于实现。

整个系统技术包括发射技术和接收技术两大部分，

发射部分的框图如图1所示。基带信号的传输码型为非归零码，经过CPFSK的调制后，通过一带通滤波器，其通带为62kHz-72kHz，截止频率为60kHz和74kHz，带内抖动小于1dB，带外衰减大于60dB。该带通滤波器采用无源器件实现，电路图见图2所示。随后CPFSK信号经过一阻抗及电压匹配网络，送入调频广播发射机的调频副载波信道的接入口，由于各个调频广播发射机生产厂家的接口标准不完全相同，匹配网络的输出电压设计为0-2v可调，输出电压的大小以实现对广播调频载波的7.5kHz的调制频偏为准，一般为0.775v。阻抗匹配，输入/输出阻抗分为600Ω/600Ω的平衡匹配，和2kΩ/600Ω的非平衡匹配两种，以实现与不同生产厂家设备接口的匹配。

信号进入调频发射机后，与主信道的语音信号一起构成调频广播的复合基带信号，对调频载波进行模拟频率调制，放大后由天线一同发射出去。复合基带信号的频谱分布如图3所示。

由于在不同的地区存在相同的发射频率的问题，为实现接收系统的自动扫频接收，在传输的数据信号中应该包含表示不同电台的台标码。

在接收端采用了扫频接收技术，框图如图4所示。首先通过天线和带宽为500kHz的带通滤波器，滤波器的中心频率为所接收调频广播的载波，这一部分可以借鉴现有的调频广播收音机的相应部分。再经过一阻抗匹配电路与两级高频放大电路相连，高放电路必须采用低噪高放管，增益不低于36dB。

信号经过高频放大后，与本振信号混频，得到10.7MHz的中频信号。本振信号由频率合成电路产生，采用10ppm的晶体振荡器，本振频率范围为88MHz-108MHz，频率间隔为200kHz。

10.7MHz的中频信号经过一中心频率为10.7MHz的带通滤波器，考虑到多谱勒效应问题，滤波器的通带带宽为280kHz，带外衰减要求大于40dB。经过两级中频放大后，进行模拟鉴频，得到复合基带信号。

复合基带信号中包含了主信道的语音信号和副载波信道的数据信号，其中前者的能量是后者的9倍。因此为有效地解调副载波信道的CPFSK信号，应当将其通过带通滤波器取出。带通滤波器的通带为62kHz-72kHz，截止频率为60kHz和74kHz，带内抖动小于1dB，带外衰减大于60dB，其性能与发射部分相同。但考虑到接收机的体积，供电电压以及功耗的因素，这里利用了三极管或场效应管，在小信号状态下的输入输出电压之间的线性关系，采用了开关取样的技术实现频谱搬移，开关取样频率为522kHz，将67kHz的载波频率搬移到455kHz。通过中心频率为455kHz通带宽度为12kHz的带通滤波器，取出副载波信道的调制信号。开关取样的电路图如图5所示。

随后对经过455kHz带通滤波器的CPFSK信号放大，进行解调。解调有两种方法，一是采用鉴频的方法，与模拟FM鉴频一样。另一种解调方法是采用CPFSK的相干解调。相干解调参考频率是由19kHz的导频信号，采用开关取样的技术来提取的。开关取样频率为474kHz，通过中心频率为455kHz，通带宽度为4kHz，带外衰减大于60dB的带通滤波器，取出用于CPFSK相干解调的参考频率。

采用工作电压为1.5v的单片机，对所得码流解码。当没有接收到信号，或接收到的台标码与接收机内的台标码不符时，向本振频率合成器及高频带通滤波器发送控制信号改变本振频率，及相应调整滤波器中心频率。

本发明与现有的调频广播副载波信道数据通信系统相比，其最突出的特点是系统接收灵敏度高，在由广电部科技司主持的测试中，接收1.5v电压供电的接收机，测得接收灵敏度为30-32dBμv，可以满足在我国现有广播覆盖条件下的实际使用要求，符合我国的国情。另外整套系统的成本低廉，且所有元器件均可在市面上购买到，易于实现。再者接收机的体积很小，与平常的寻呼机一般大小，便于携带。

接收系统的设计，基于体积小，工作电压低，耗电量低，接收灵敏度度高的原则，供电电压仅为1.5v。所用器件均为低功耗器件。可以实现自动扫频，异频联网的功能。

本发明申请人认为实现本发明的最佳方式如下：

发射系统：对于CPFSK的调制，通常采用的方式是压控振荡器加锁相环路来实现的，现有的IC也很多，例如XR2206，XR205等，但其不足之处是频率稳定度受外界环境影响。因此采用以晶体为振荡源的频率合成的方法，这方面的IC也很多，例如AD7008等。

副载波信道的滤波器，是确保副载波信道信号不对主信道广播产生干扰的关键。广电部部颁标准[3]对此有严格的技术要求，带外衰减必须大于等于60dB。一般实现的方法是采用有源滤波器，或数字滤波器的方法，例如RDS系统。但这样使得实现较为复杂。通过合理地设计，是可以用无源滤波器实现的，图2所示的无源滤波器由三级带通滤波器串联构成，其带外衰减，经实际测量达到了63dB。因为发射系统是安装在调频广播发射机房的，环境条件很好，可以做到恒温恒湿，滤波器性能能够得到保证。

匹配网络可以由运算放大电路来实现。实际实现中做成两个并联的匹配接口，每个接口的输出电压在0-2v范围内可调。但输入输出阻抗分别为600Ω/600Ω的平衡匹配，和2kΩ/600Ω的非平衡匹配。绝大多数调频发射机均属于这两者之一。

接收系统：

天线可以选用磁棒天线和金属环行天线，一般磁棒天线效果好些，但有时从体积等方面考虑，也可以采用环行金属天线。从我们的实际测量对比中得到，后者的效果是可以接受的，32dB的接收灵敏度的接收机采用的就是金属环行天线。

高频带通滤波器的带外衰减应在30dB以上，通带带宽不得小于300kHz。对于具有扫频功能的接收机，在每个扫频的频点上，均要做到这个指标，就体积及复杂程度的增加而言，是不合算的，也没有必要。可以将整个调频广播波段88MHz-108MHz分为5段即可。但每一段的带外衰减应在30dB以上。

为提高接收灵敏度，在进行混频之前，应该进行高频放大，其增益不低于36dB。市面上有高放IC，但一般噪声系数比较大。因此直接采用低噪三极管较好。为提高增益采用两级放大。这里高放电路前后及之间的阻抗匹配是影响接收灵敏度的关键所在。

本振信号由频率合成器产生，基准频率应由晶体振荡器产生。这有许多现成的IC，例如Motorola公司的MC145145-1，MC145106等等，选择范围较大。频率合成器产生的频率范围是88-108MHz，频率分辨率即频率间隔为200kHz，因为一个FM信道的宽度为200kHz。

信号经过混频后，得到10.7MHz的中频信号。10.7MHz的中频滤波器是标准产品，有带宽为180kHz，230kHz，280kHz及320kHz几种。这里综合考虑到对噪声的滤除效果，以及多谱勒效应等因素，选用带宽为280kHz的中频滤波器。中放到鉴频部分，可以采用Toshiba公司的TA7765FN IC实现。TA7675FN IC是由Toshiba公司生产的中放及鉴频IC，具有体积小，功耗低，综合性能比较好的特点，同时输出保留了副载波信号。

此时可以直接对副载波信道中的CPFSK信号进行解调。但主信道信号的能量是副载波信道信号的9倍，为降低误码率应该首先滤波，将主信道信号滤除。滤波器的带外衰减应大于60dB。以67kHz为中心频率，带宽为12kHz的带通滤波器，其带外衰减要达到60dB，体积较大，且在1.5v工作电压下达到这个指标是很困难的。因此考虑采用现成的455kHz晶体滤波器。这就需要进行频谱搬移。

在进行频谱搬移的过程中，必须防止主副信道信号的交调。因此这里采用如图5所示的开关取样技术，同时要求复合基带信号的幅度足够小，使之处于场效应管输入输出曲线的线性关系区域内。利用522kHz的晶体振荡源，由振荡信号来打开和关闭场效应管的N或P沟道，控制复合基带信号的通过和截止，实现开关取样。由于取样的频率是522kHz，远大于复合基带信号100kHz截止频率的两倍，因此实现了无失真的取样，不丢失任何信息。

为防止频率漂移，455kHz带通滤波器通带带宽为12kHz。

然后对经过455kHz带通滤波器的CPFSK信号放大后，进行解调。解调采用FSK相干解调法。考虑到信号传输过程中的频率漂移问题，相干解调的两个参考频率获得的方法是，首先由导频通过开关取样获得基准频率，其中开关取样的频率为474kHz。用此基准频率分别加减4.5kHz，而不是直接采用455kHz加减4.5kHz的方法，来获得解调所需的参考频率。FSK相干解调市面上有现成的IC，可选品种也较多。

解码所用的单片机主要有Motorola和Toshiba公司的产品，例如Motorola的NLN3716A，或PIC16C57。

[1]“数据广播文集”，广播电影电视部科技信息研究所，1993年4月。[2]“MUSIC4^TM PLUS 9600 Receiver”，S.C.A Data Systems公司，1997年8月。[3]“GB4311.3-84《调频广播立体声带附加信道”，广播电影电视部，1984年。

Claims

调频广播副载波信道CPFSK数字调制通信技术。该技术的特征是，为使得较高的接收灵敏度，采用CPFSK，调制参数为67kHz±4.5kHz负极性数字调制技术。在发射系统中，设计了无源器件构成的带通滤波器，中心频率为67kHz，通带宽度为12kHz，截止频率为60kHz和74kHz，带外衰减为63dB，超过广电部部颁60dB的标准，确保不对主信道产生干扰。在接收系统中，采用了开关取样技术，实现了主副信道信号无交调的频谱搬移，将副载波由67kHz搬移到455kHz。在CPFSK的相干解调中，将调频广播特有的导频信号，通过开关取样技术，提取解调所需的参考频率。在传输信息中设置了台标码，以实现接收系统的自动扫频接收。发射系统中副载波信道带通滤波器的指标，接收系统采用开关取样技术，CPFSK相干解调参考频率通过导频信号及开关取样电路来获得，以及接收机高放电路的匹配合理，是该系统具有较高接收灵敏度的几个关键所在。

1)67kHz副载波信道的带通滤波器。该滤波器的特征是，由无源器件电感，电容和电阻组成，由三个带通滤波器串联构成。前后两级带通滤波器的主要功能是解决带外衰减及提高上升下降边沿的陡度，中间一级带通滤波器的主要功能拓宽通带及降低带内抖动。整个滤播器的通带为62kHz-72kHz，截止频率为60kHz和74kHz，带内抖动小于1dB，带外衰减为63dB。说明书附图3给出了具体电路图。
2)副载波信道信号的提取技术。该技术的特征是，利用了场效应管在输入信号较小时，输入输出信号之间为线性关系。采用调制信号来控制场效应管的导通与截止，即打开或关闭场效应管N或P沟道。实现频谱无失真地搬移。说明书附图5给出了具体电路图。
3)CPFSK的相干参考频率的提取技术。该技术的特征是，利用调频广播中特有的导频信号，通过474kHz频率信号的开关取样，获得CPFSK相干解调所需的参考频率。有效地克服了信号传输过程中的频率漂移问题，提高了接收灵敏度。