基於HDRadio系統的動態頻譜接入方法
2023-12-08 23:19:16
基於HD Radio系統的動態頻譜接入方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於HD?Radio系統的動態頻譜接入方法。HD-Radio系統解決了模擬信號和數位訊號的帶內同頻傳輸問題，這種帶內同頻傳輸的方式將數位訊號固定的置於偏離載頻130至200KHZ的位置，採用所述固定的組合方式與FM模擬信號進行耦合；然而，由於FM模擬信號的頻譜帶寬隨著節目信號而變化，帶寬變化範圍大。本發明以ITU-R?BS.1387-1心理聲學模型為依託，通過在時間維度上動態改變數位訊號頻譜的接入位置，對信號調製後的模擬音頻質量進行分析，統計得到在不影響音頻信號質量的前提下信號傳輸可節省的帶寬，為提高HD-Radio系統中數位訊號的傳輸能力提供支持。
【專利說明】基於HD Radio系統的動態頻譜接入方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及無線通訊系統，尤其涉及一種帶內同頻系統的動態頻譜接入方法。
【背景技術】
[0002]HD-Radi0廣播混合模式中採用固定的組合方式對模擬和數位訊號頻譜進行帶內同頻(In-Band On-ChanneI，IBOC)傳輸。然而，由於FM模擬信號的頻譜帶寬隨著節目信號而變化，帶寬變化範圍大。在很大的時間概率下，模擬調頻信號帶寬遠小於混合模式中規定模擬與數位訊號頻譜的分界帶寬。在此情況下，模擬信號帶寬的實時變化導致出現大量的空閒頻譜。同時，由於模擬信號所佔用的頻譜帶寬在實時變化，而數位訊號頻譜固定地放在同一頻譜位置，導致人耳聽到的不同時間段內的音頻質量變化很大。
[0003]圖1為HD Radio混合模式的頻譜，數位訊號放在模擬FM信號兩邊傳輸，僅使用每個主邊帶中距離中心子載波最遠端的10個頻譜子塊，以及最遠端編號為±546的參考子載波，稱為PM頻帶，總共包括382個子載波，佔用頻帶範圍從-198.402?-129.36IKHz和129.361?198.402KHz。頻譜中-129.361?129.36IKHz的範圍保留給模擬信號，可以是單聲道信號或立體聲信號，也可能包含輔助通信認證信道。
[0004]HD Radio系統中，發送端分別調製生成模擬信號和數位訊號，通過合成器完成模擬和數位訊號合成，系統模型如圖2。此時，模擬信號和數位訊號採用固定的頻譜模式進行組合，即數位訊號放在距離載波約130KHZ的位置。
[0005]本專利使用的心理聲學模型是基於PEAQ算法的心理聲學模型，如圖3所示。PEAQ算法通過模仿人耳的聽覺系統，對參考信號和測試信號進行對比分析得出對應於音頻質量的客觀差異等級(Objective Difference Grade, ODG),該定義等同於主觀評價中的SDG。
[0006]參考信號和測試信號分別經過心理聲學模型處理後，各自的輸出經由感知模型特徵綜合便可計算出一系列模型輸出參數(Model Output Variables,MOV)。最後，由神經網絡模塊把這些MOV參數映射為一個客觀差異等級輸出。
[0007]心理聲學模型可將音頻的時域信號轉換成基底膜表不。基底膜位於耳蝸內，聲音的不同頻率成分可以激發其不同位置的興奮。再由毛細胞把這種興奮轉化為生理刺激，通過聽覺神經傳至大腦。心理聲學模型的具體計算過程是:對於本專利中使用的基本版本，音頻信號通過FFT變換轉換到頻域，然後通過頻譜係數加權來模擬外耳和中耳對聲音的頻率響應，再將其映射到生理感知域。
[0008]感知模型負責信號分析和綜合，目的是更好的模擬人耳的感覺特性。
[0009]神經網絡負責將以上兩個模塊計算出的MOV參數並將MOV參數通過神經網絡映射成一個客觀差異等級。
[0010]然而，由於FM模擬信號的頻譜帶寬隨著節目信號(如頻率、幅度)而變化，在很大的時間概率下，模擬調頻信號帶寬遠小於標準中規定模擬與數位訊號頻譜的分界帶寬。在此情況下，模擬信號帶寬的實時變化不僅導致出現大量的空閒頻譜，而且導致人耳聽到的不同時間段內的音頻質量變化很大。
【發明內容】
[0011]為了克服現有技術中存在的技術問題，本發明基於心理聲學模型，採用一種動態頻譜接入方法，對數位訊號在不同的頻譜位置下，HD-Radio信號解調後的模擬音頻進行質量分析，統計得到在不影響音頻質量的前提下信號傳輸可節省的帶寬。
[0012]本發明擬確定的基於HD Radio系統的動態頻譜接入方法包括以下步驟:
[0013]第一步，根據HD Radio混合模式，將模擬FM信號與數位訊號耦合，在解調端得到解調後的模擬音頻信號，其中數位訊號的頻譜帶寬固定在偏離載頻130KHZ至200KHZ ；
[0014]第二步，根據PEAQ模型，通過輸入參考信號和測試信號，計算模擬音頻信號的整體噪聲掩蔽比，記為NMR_all，計算模擬音頻信號的整體PEAQ等級，記為PEAQ_all，其中參考信號為發送端待發送的模擬音頻信號，測試信號為解調後的模擬音頻信號；
[0015]第三步，將模擬音頻信號進行截取，第i幀數據的起始採樣點為2048*N*(i_l)+l，終止採樣點為2048*N*i，其中N為正整數，i為幀數計數值，根據PEAQ模型，計算第i幀模擬音頻信號的噪聲掩蔽比，記為NMR_i，計算模擬音頻信號的整體PEAQ等級，記為PEAQ_mov ；
[0016]第四步，將數位訊號頻譜的帶寬固定為70KHZ保持不變，根據NMR_i和NMR_all的大小，調整數位訊號頻譜的起始位置P，P的初始值為130KHZ，如果NMR_i〈NMR_all+Num，則將P左移1KHZ，生成新的數位訊號，與模擬FM信號耦合後，在解調端得到當前第i幀的模擬音頻信號，計算出此時的NMR_i，並再次與NMR_all+Num的大小進行判別，直到NMR_i>NMR_all+Num,記錄 NMR_i〈NMR_all+Num 時的最小 p 值；如果 NMR_i>NMR_all+Num，則將 p 右移IKHZ,直到NMR_i〈NMR_all+Num，記錄NMR_i〈NMR_all+Num時的最小p值；其中起始位置P的調整範圍從60KHZ到150KHZ，Num為NMR偏移量，取整數；
[0017]第五步，根據PEAQ·_mov和PEAQ_al I的大小，整體調整數位訊號頻譜的起始位置 P，如果 I PEAQ_mov-PEAQ_all |〈0.02，統計系統可節省帶寬；如果 | PEAQ_mov-PEAQ_all I >=0.02，將各幀數位訊號的頻譜位置整體右移1KHZ，生成新的數位訊號，與模擬FM信號耦合後，計算出此時的PEAQ_mov，並再次與PEAQ_all的大小進行判別，直到滿足|PEAQ_mov-PEAQ_all|〈0.02 ；
[0018]第六步，收集整理每幀數據的頻譜起始位置，與HD-Radio系統中數位訊號固定的頻譜起始位置130KHZ比較，統計得到信號傳輸可節省的帶寬。
[0019]NMR變量作為PEAQ模型中11個MOV變量中的一個，反映噪聲與信號掩蔽閾值之間的比值關係。其中所述噪聲掩蔽比NMR的計算方法為:
[0020]第一步，對輸入的一幀長的參考和測試信號分別進行時域加窗操作，而後進行Nf ADFT變換，接著根據外耳、中耳濾波器的特性計算各個頻點的加權因子，之後對DFT變換的結果進行頻域加權，其中外耳和中耳濾波器的特性為:
W(k) = -2.1 M(k /1000) α8 + 6.5e 卿.獅-0.001(/c / _0)M ? k 是譜線計數值；
[0021]第二步，計算信號差異，其中信號差異的計算方法為:
KiiII W =M-W.Uf] + H]，0Xref [k]和 xtest[k]分別
是參考信號和測試信號的經DFT變換後的譜線值，k是譜線計數值；
[0022]第三步，將頻域的參考信號和測試信號轉換到Bark域，其中頻域與Bark域的轉換關係為:Z = B(k) = 7*asinh(k/650)，其中，k是頻域譜線計數值，B(k)代表頻域到Bark域的轉換關係，z代表Bark域，將轉換後的數據平均分為109個Bark域子帶，找到每個Bark域子帶對應的邊界值，再將邊界值反變換到頻域，反變換關係式為:k = B—1 (z)=650*sinh (z/7)，其中B—1 (z)代表Bark域到頻域的轉換關係，找到頻域對應的邊界值，從而將頻域數據分為109個頻域子帶；
[0023]第四步，分別將XMf[k]各個頻域子帶內所包含的譜線能量相加，得到各個頻域子帶的掩蔽閾值Ehs [m],其中m是子帶數，m = I…109 ；
[0024]第五步，分別將Xdiff[k]各個頻域子帶內所包含的譜線能量相加，得到各個頻域子帶的樣本噪聲Ebn [m],其中m是子帶數，m = I…109 ；
[0025]第六步，將各個頻域子帶的掩蔽閾值和樣本噪聲加權平均，計算整幀數據的NMR，
其計算方法為:
【權利要求】
1.基於HDRadio系統的動態頻譜接入方法，其特徵在於，包括以下步驟: 第一步，根據HD Radio混合模式，將模擬FM信號與數位訊號耦合，在解調端得到解調後的模擬音頻信號，其中數位訊號的頻譜帶寬固定在偏離載頻130KHZ至200KHZ ； 第二步，根據PEAQ模型，計算模擬音頻信號的整體噪聲掩蔽比，記為NMR_all，計算模擬音頻信號的整體PEAQ等級，記為PEAQ_all ； 第三步，將模擬音頻信號進行截取，根據PEAQ模型，計算第i幀模擬音頻信號的噪聲掩蔽比，記為NMR_i，計算模擬音頻信號的整體PEAQ等級，記為PEAQ_mov，其中，i為幀數計數值； 第四步，將數位訊號頻譜的帶寬固定為70KHZ保持不變，根據NMR_i和NMR_all的大小，調整數位訊號頻譜的起始位置P ; 第五步，根據PEAQ_mov和PEAQ_all的大小，整體調整數位訊號頻譜的起始位置P ； 第六步，收集整理每幀數據的頻譜起始位置，與HD-Radio系統中數位訊號固定的頻譜起始位置130KHZ比較，統計得到信號傳輸可節省的帶寬。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟二中的PEAQ模型為:通過輸入參考信號和測試信號，計算噪聲掩蔽比和音頻質量的客觀差異等級，其中參考信號為發送端待發送的模擬音頻信號，測試信號為解調後的模擬音頻信號。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟三中信號的截取方法為--第i幀數據的起始採樣點為2048*N*(1-l)+l，終止採樣點為2048*N*i，其中N為正整數，i為幀數計數值。
4.根據權利要求1所述 的方法，其特徵在於，所述步驟四中調整P的方法為:p的初始值為130KHZ，如果NMR_i〈NMR_all+Num，則將p左移1KHZ，生成新的數位訊號，與模擬FM信號耦合後，在解調端得到當前第i幀的模擬音頻信號，計算出此時的NMR_i，並再次與NMR_all+Num的大小進行判別，直到NMR_i>NMR_all+Num，記錄NMR_i〈NMR_all+Num時的最小p值；如果 NMR_i>NMR_all+Num，則將 p 右移 1KHZ，直到 NMR_i〈NMR_all+Num，記錄 NMR_i〈NMR_all+Num時的最小P值；其中起始位置P的調整範圍從60KHZ到150KHZ，Num為NMR偏移量，取整數。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟五中整體調整P的方法為:判斷PEAQ_mov和PEAQ_all的大小，如果| PEAQ_mov_PEAQ_all |〈0.02，統計系統可節省帶寬；如果|PEAQ_mov-PEAQ_all |>=0.02，將各幀數位訊號的頻譜位置整體右移1KHZ，生成新的數位訊號，與模擬FM信號耦合後，計算出此時的PEAQ_mov，並再次與PEAQ_all的大小進行判別，直到滿足 I PEAQ_mov-PEAQ_al 11〈0.02。
【文檔編號】H04B17/00GK103546977SQ201310557578
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】楊剛, 楊霏, 劉晉, 方偉偉, 王菲, 焦瑋, 王威 申請人:蘇州威士達信息科技有限公司