向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法
2023-10-26 03:15:12
專利名稱：向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法
技術領域：
本發明是一種無需改變現有的中/短波段調幅廣播發射機和相應的收音機，即可實現數位化聲音及其它信息的傳輸與接收方法，屬於數字信息傳輸的技術領域。
背景技術：
傳統的調幅(AM)廣播(或30MHz以下的廣播方式)可高效、經濟地實現大範圍覆蓋，其接收機即普通的中波(MW)波(SW)收音機簡單價廉，高度普及，我國現有約3億臺收音機和7億人堅持收聽廣播。但由於AM是窄帶調製，抗幹擾能力差，並且傳輸信道(尤其是中波高端和短波)存在多徑、衰落及都卜勒頻移等現象，接收質量不佳，音質也差。改進的方法是像電視和錄音/錄像那樣進行全數位化改造。
歐洲的世界無線電組織(DRM)和美國已先後向國際電信聯盟(ITU)提出了自己的數字AM廣播(DAMB)系統方案，均被ITU接受為國際標準。但是，美國提出的DAMB標準採用帶內同頻方式，需要製造全新的數字廣播發射機和建立全新的數字廣播網絡；而歐洲的DRM標準採用編碼正交頻分復用(COFDM)方式，信號為複數形式，需要對載波的幅度和相位同時進行調製，但現有的大功率AM廣播發射機只能利用音頻信號調製載波的幅度，這就需要對其全部進行改造。另外，兩種標準的DAMB接收機也與現有的MW/SW收音機不兼容。由於美國經濟實力強大，對DAMB可以另起爐灶；歐洲小國為多，每個國家無需改造幾部發射機。而我國幅員遼闊，現有大量的廣播電臺和MW/SW發射機，若按歐、美方案改造或更新將是一筆不小的負擔，也不利於將來數字收音機成本的降低。另外，從廣播的政治色彩和宣傳任務考慮，國內各廣播電臺也不願輕易改動現有的廣播網絡和MW/SW廣播發射機。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種在完全不改變現有的MW/SW調幅廣播發射機和收音機的情況下，而實現信號與傳輸的數位化的向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法。
技術方案為了充分利用國內現有的大功率AM廣播發送設備，不對廣播網絡和廣播發射機做任何改動，本發明提出將數字調製後的信號直接從現有模擬AM廣播發射機的音頻口接入，像普通聲音信號一樣，對發射載波的幅度進行調製後經天線發送；而數字接收機可直接從普通MW/SW收音機的檢波端或音頻輸出口取得數字調製信號，解調後即為傳送的數字信息。若接收的仍為現有的模擬聲音AM調製的信號，則可省去數字解調這一步驟，這就是所謂「向下」(或向後)兼容的含義，即新一代的數字AM收音機，仍然可以收聽傳統的模擬AM廣播節目。但反之不然若用普通的模擬MW/SW收音機接收數字AM廣播節目，聽到的將是一片噪聲或幹擾！即「向上」不能兼容。
要達到本發明的目的，這就需要讓數字調製信號直接通過模擬的AM廣播信道傳輸。由於現有的AM廣播當初為了簡化收音機，而採用了保留載波的雙邊帶(DSB)調幅方式，這就浪費了一半頻帶資源，因為單邊帶(SSB)中已包含了調製信號全部的信息。因此本發明的實際可用帶寬只有歐、美方案的一半，這就需要節省或更合理地利用寶貴的頻率資源必須壓縮信號帶寬，提高頻帶利用率，並證實發明的可行性。
具體的傳輸方法是把經過數字基帶調製的音頻信號直接送入模擬調幅廣播發射機的音頻輸入埠，對射頻載波進行保留載波的雙邊帶調幅後發射；接收機則採用相應的非相干調幅解調方法或相干調幅解調方法得到發送的數字基帶調製的音頻信號。
所述的向下兼容現有模擬調幅廣播收音機的數字調幅廣播信息的非相干解調方法為，射頻或中頻信號的解調，直接取自普通中/短波收音機的檢波輸出端或音頻輸出口，沿用現有模擬調幅廣播收音機的包絡檢波方法。
所述的向下兼容現有模擬調幅廣播收音機的數字調幅廣播信息的相干解調方法為，射頻或中頻信號的解調，直接取自普通中/短波收音機的中頻輸出端，採用類似於單邊帶調幅信號的正交解調方法，利用兩個邊帶濾波器分別取出上下邊帶信號相加後再輸出。
1)發送端發送端主要包括信源編碼、信道編碼、基帶調製和射頻(RF)調製四個步驟。其中前三個步驟是數字通信領域公知的，可以直接沿用或改進現有的標準和技術，而最後一個步驟則直接利用現有廣播發射機的模擬射頻調製器。
①信源編碼可以分為兩路一路是對目前為模擬信號的現場播音或事先錄音數位化後壓縮編碼(聲音編碼)，另一路是對可能與數位化聲音一起傳輸的夾帶數據(如字幕、圖形、圖像等)進行相應的編碼，然後將兩路輸出時分復用(TDM)為一路編碼數據流。
②信道編碼對信源編碼器輸出的TDM數據流進行擾碼(使其中的「0」和「1」基本均勻)、糾錯編碼(額外添加一些冗餘位，以增加傳輸的可靠性)和交織(把突發誤碼轉化為隨機誤碼)。
③基帶調製即將經過信道編碼的數字碼流再次轉換成模擬信號，其頻帶範圍與原模擬聲音信號的頻帶範圍相同(中波為4.5kHz或5kHz以內，短波為5kHz以內)，故在此也可以稱之為音頻調製。
④射頻調製目的是將音頻範圍內的包含信息的基帶信號，向上「搬移」到一個頻率更高(即發射頻率或射頻)的載波上，以便更適合遠距離的傳輸與接收。現有的模擬MW/SW廣播發射機是利用音頻信號控制發射載波的幅度，而本發明也將模擬的基帶信號經同一個音頻口接入廣播發射機的調製器，對發射載波進行完全相同的DSB調製，因而無須對現有的AM廣播發射機進行任何改動。
2)接收端接收端也主要包括與發送端順序相反、過程相逆的四個步驟，即射頻解調、基帶解調、信道解碼和信源解碼。
①射頻解調其實是中頻(IF)解調，因為標準的AM廣播接收機即普通的MW/SW收音機多採用超外差方式把接收信號從RF下變頻到IF，因而解調是在IF(我國標準為465kHz)進行，即利用檢波器取出放大後的IF信號的包絡，同時濾除IF載波。而該包絡信號就是廣播的聲音信號(可以直接取自檢波器的輸出端或收音機的音頻輸出口)，而在此則為發射端傳送過來的基帶信號。只是這樣的包絡檢波是一種非相干的解調方法，因其未利用載波的相位信息，因而雖然實現簡單，但性能卻不如相干解調方法。
本發明同時提出一種性能增強的DSB調製相干解調方法。一般的SSB解調是用一個與發送載波同頻但正交的本地載波與之相乘，再用相應的濾波器濾出所需的上邊帶或下邊帶信號。這樣的方法也完全可以用來相干解調DSB調製信號，因為任何一個邊帶中均已包含了所有的發送信息，取哪一個都行。但是，兩個邊帶中的噪聲或幹擾卻未必完全相同(如幅度、相位和頻率)，因此，若將兩個邊帶信號同時濾出後相加，即可提高接收性能。這就是本發明所謂的性能增強型DSB相干解調，但此時輸入信號只能取自收音機的IF輸出端。
②基帶解調、信道解碼和信源解碼分別為發射端所採用的相應的基帶調製、信道編碼和信源編碼的逆處理過程，均為數字通信領域公知的，不再贅述。
有益效果1)無須改動現有的模擬AM廣播發射機數字調製的基帶信號可直接從音頻口接入，可仍然維持現有的保留載波的雙邊帶調幅體制；2)無須改動現有的中/短波收音機數字基帶信號可直接取自收音機的音頻輸出，便於實現，且數字收音機仍可接收現有的模擬AM廣播，確保帶寬兼容和向下兼容；3)很容易適應未來新的SSB廣播發射機在採用現有DSB傳輸時，本方案的帶寬窄了一半，因而碼率要低一半；但若採用兩個SSB傳輸，則理論上帶寬可與DRM一致，可提高音質或同時傳兩路節目。因而修改方便，更加靈活；4)由於本方案的帶寬窄了一半，若基帶採用OFDM調製，則在同等條件下子載波數目只有DRM標準的一半，因而也顯著減小了OFDM調製信號的峰值功率與平均功率之比，有利於發射機效率的提高和失真的減少；5)價格低廉發射端的編碼/調製可藉助於PC機和音效卡軟體實現；而接收端則可藉助於普通收音機+PC+音效卡，軟體實現。本方案的數字收音機結構簡單，易於單片集成電路(IC)實現，價格比歐美方案低廉；6)收音機容易適應不同的體制或標準，既可以作為過渡期產品，也容易升級到最終的國際標準或能適應多種標準的多制式產品。且其思路也完全可移用於調頻(FM)廣播的數位化；7)與現有模擬AM廣播覆蓋範圍相同時，發射機可降功率使用；反之，覆蓋範圍加大；
8)較高檔的數字收音機還可以選擇相干解調，進一步改進接收質量(或將用於信道的碼率分配給信源，以進一步改善音質)。
圖1是向下兼容的DAMB發射系統的原理框圖，其中左邊的虛線框內為數字基帶編碼調製器，而右邊則為現行的模擬AM廣播發射機。
圖2是向下兼容的DAMB接收系統(非相干IF解調)原理框圖，其中左邊的虛線框內為數字基帶解調解碼器，而右邊則為普通的模擬AM廣播收音機。
圖3是向下兼容的DAMB接收系統(相干IF解調)原理框圖。
具體實施例方式
向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法是把經過數字基帶調製的音頻信號直接送入模擬調幅廣播發射機的音頻輸入埠，對射頻載波進行保留載波的雙邊帶調幅後發射；接收機則採用相應的非相干調幅解調方法或相干調幅解調方法得到發送的數字基帶調製的音頻信號。圖1是向下兼容的DAMB發射系統實施例左邊虛線框內為數字基帶編碼調製器，其中聲音編碼採用音質改善的(主要將輸入頻帶加寬，採樣頻率提高)ITU-T G723或G729語音壓縮標準，而信道編碼調製則採用與DRM方案類似的COFDM體制，只是子載波數減少了一半。數字編碼調製後的信號直接入右邊的模擬AM廣播發射機的音頻口，完成DSB調幅並功率放大後經廣播電臺的天線發射出去。
向下兼容現有模擬調幅廣播收音機的數字調幅廣播信息的非相干解調方法為，射頻或中頻信號的解調，直接取自普通中/短波收音機的檢波輸出端或音頻輸出口，沿用現有模擬調幅廣播收音機的包絡檢波方法。圖2是向下兼容的DAMB接收系統在IF上的非相干解調實施例其中虛線框右邊為普通的超外差收音機，它將接收到的高頻信號混頻成465kHZ(或更低)的標準中頻信號，放大後直接採用收音機中現有的檢波器取出信號的包絡，此即經COFDM編碼調製的基帶信號。然後送入圖2左邊虛線框內的數字基帶解調解碼器，先後完成OFDM解調、信道解碼及信源解碼，得到信息碼流經數-模轉換器(D/A)變換成模擬的音頻信號。注意數字基帶解調解碼器的輸入信號可以直接取自收音機的音頻輸出埠。
向下兼容現有模擬調幅廣播收音機的數字調幅廣播信息的相干解調方法為，射頻或中頻信號的解調，直接取自普通中/短波收音機的中頻輸出端或音頻輸出口，採用類似於單邊帶調幅信號的正交解調方法，利用兩個邊帶濾波器分別取出上下邊帶信號相加後再輸出。圖3是向下兼容的DAMB接收系統在中頻上的相干解調實施例與圖2不同的是要產生一個與混頻後的IF信號頻率相同但相位相差90°的信號與IF信號相乘，再用相應的邊帶濾波器分別取出上下邊帶後相加，即得到送給數字基帶解調解碼器的一個輸入樣本。其餘處理過程與圖2的實施例相同。圖3比圖2更複雜，但性能也會更好。而且若將其用於經典的模擬AM廣播收音機，亦有助於其性能的提高。
權利要求
1.一種向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法，其特徵在於把經過數字基帶調製的音頻信號直接送入模擬調幅廣播發射機的音頻輸入埠，對射頻載波進行保留載波的雙邊帶調幅後發射；接收機則採用相應的非相干調幅解調方法或相干調幅解調方法得到發送的數字基帶調製的音頻信號。
2.根據權利要求1所述的向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法，其特徵在於所述的向下兼容現有模擬調幅廣播收音機的數字調幅廣播信息的非相干解調方法為，射頻或中頻信號的解調，直接取自普通中/短波收音機的檢波輸出端或音頻輸出口，沿用現有模擬調幅廣播收音機的包絡檢波方法。
3.根據權利要求1所述的向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法，其特徵在於所述的向下兼容現有模擬調幅廣播收音機的數字調幅廣播信息的相干解調方法為，射頻或中頻信號的解調，直接取自普通中/短波收音機的中頻輸出端，採用類似於單邊帶調幅信號的正交解調方法，利用兩個邊帶濾波器分別取出上下邊帶信號相加後再輸出。
全文摘要
向下兼容的調幅廣播數位化傳輸方法是一種無需改變現有的中/短波段調幅廣播發射機和相應的收音機，即可實現數位化聲音及其它信息的傳輸與接收方法，該方法把經過數字基帶調製的音頻信號直接送入模擬調幅廣播發射機的音頻輸入埠，對射頻載波進行保留載波的雙邊帶調幅後發射；接收機則採用相應的非相干調幅解調方法或相干調幅解調方法得到發送的數字基帶調製的音頻信號。本發明同時提供了傳統的包絡檢波和性能更好的相干解調兩種中頻解調方案，採用本發明的數字收音機，可以向下兼容傳統的模擬AM廣播收音機。
文檔編號H04B1/06GK1558560SQ20041001404
公開日2004年12月29日 申請日期2004年2月12日 優先權日2004年2月12日
發明者吳樂南, 張仕元, 李旭明 申請人:東南大學