在多徑傳播情況下具有改善兼容性的調頻立體聲系統的製作方法

2023-05-10 02:24:56

專利名稱：在多徑傳播情況下具有改善兼容性的調頻立體聲系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及調頻廣播系統，具體涉及一種改進的調頻立體聲廣播系統。它比之現行的雙聲道業務擴大了覆蓋面積，而且在多徑傳播情況下能與現行的單聲道和雙聲道接收機相兼容，第4485483號美國專利敘述了一種含有將差信號壓擴的立體聲廣播系統，它能與現有的接收機兼容，並且通過信噪比的改善可明顯擴大調頻廣播電臺的覆蓋面積。在該專利系統中，如

圖1所示，將立體聲的聲頻信號源L和R進行矩陣變換，以得出立體聲的和、差信號M、S。在發射機中，差信號S對第一副載波信號進行調幅，同時，還送到壓縮器以壓縮其動態範圍，產生出壓縮差信號S′。壓縮差信號S′用以對與第一副載波信號同頻而相位正交的第二副載波信號進行調幅。這裡，採用了抑制載波的雙邊帶調幅，由於副載波信號的頻率足夠高，可保證已調幅波信號的下邊帶與M信號之間有一定的頻率間隔。在此頻率間隔內傳送一個常規的低電平的基準相位導頻信號，供接收機檢測用。M信號、兩個已調幅波信號和導頻信號一起對一個高頻載波進行頻率調製，以便發送給一個或多個遠方的接收機。接收機中包括一個解調器，用以解調出M信號、常規的差信號S和壓縮的差信號S′;還包括一個擴張器，用以互補擴張所得到的壓縮差信號。將擴張後的降噪型差信號與接收到的和信號M混合，得出原來的聲頻信號源L和R。除了能改善接收信號的質量外，該系統的廣播覆蓋面積也比現行的雙聲道業務的覆蓋面積要大。
第4602380號美國專利敘述了上述系統中使用的壓縮器和擴張器，並講述了在接收機中將常規的立體聲差信號S與壓縮的立體聲差信號S′相混合，並將得出的信號進行擴張以得到降噪型差信號，再用此差信號與和信號M進行矩陣變換。第4，602，381號美國專利敘述了把差信號S用作基準信號，以控制接收到的壓縮差信號S′的擴張，使擴張後差信號的幅度等於非壓縮差信號的電平，做到擴張器自適應於發射機中可能採用的任何壓縮特性。
如果將常規的接收機適當地調整得不檢測附加的壓縮差信號，則上述三個專利中所述的系統也與它們相兼容。然而，當接收機的調整不能保持導頻信號與副載波之間適當的相位關係時，就會出現問題，在這種情況下壓縮差信號將對非壓縮差信號發生串擾，並視相位失調的方向，串擾可能加強也可能減弱常規的差信號。串擾大小受到壓縮信號的壓縮量(增益)和相位調整誤差量兩者的影響。如果相位誤差是負的，則串擾將反相，它會使呈現的立體聲聲場寬度潛在地變窄。和果相位誤差是正的，則串擾將同相，它會使立體聲的聲像變寬。實際上，由於大多數接收機的調整都能處在容限範圍之內，所以上面兩種效應幾乎不會出現。
然而，在運行車輛內接收，多徑傳播現象會使這個問題更加嚴重;這時，接收天線既收到直射波信號，也能收到因地形因素或人工建築造成的由多徑來的延時的反射波信號。根據反射波的延時時間，多徑傳播會減小接收到的射頻信號的電平，因而造成多噪聲的接收或整個信號的丟失。在常規的立體聲接收機中，上述效應的特點是隨著車輛駛過多徑空間時，噪聲瞬間突發。除射頻信號衰落外，接收機中多徑信號之和還會使導頻信號與立體聲差信號之間的相位關係畸變。如果發射信號中還包括附加的壓縮差信號S′，則除了噪聲外，這種瞬時相位誤差還能導致串擾的瞬間突發。由於壓縮差信號的電平一般高於非壓縮差信號的電平，如果相位誤差導致兩個立體聲差信號的串擾相加，則可聽到聲音的大聲突發。如果正交聲道中差信號的總壓縮(增益)減小，則上述效應可以減輕，但這樣做也將減低降噪功能的有效性。
業已發現，通常，最普通而有害的多徑傳播的特徵是較短的延遲時間和有用信號與無用信號比值(D/U)低。這種接收條件在城市環境中由於鋼結構建築物成為射頻信號有效反射體，在其附近會經常遇到。還發現，當壓縮信號聲道和非壓縮信號聲道中聲頻信號同相時，可聞的串擾更討厭，而當這兩個信號反相時，此效應減輕。這種現象可以用上述導頻單音的相位誤差來解釋。
參閱1984年6月205期《EBU技術評論》中T·勃澤特(T·Bossert)的題為「多徑傳播對汽車中接收VHF/FM造成的損傷及改善接收機的可能性(ImPairmentstoVHF/FMrecePtioninmotorVehiclescousedbymultiPathProPagationendPOssibilitiesforimProvingreoeivers)」文章中所述的分析方法，圖2的曲線說明了衰減且延時的19千赫信號對19千赫導頻單音的影響。有用信號或指向信號由矢量D表示，滯后角為α的無用信號由矢量U表示，這兩個信號的矢量和由標有∑的虛線矢量表示。為了說明原理，假設無用信號U比有用信號的電平低3分貝，延遲時間約等於增加1英裡信號通路的傳播時間。可以看出，合成矢量的相位誤差φ總為正，除非延遲時間超過導頻單音周期的一半或即大約26微秒，這相當於D-U信號路徑差約為5英裡。可以想像，當延遲時間接近這種較大的數值時，無用信號的幅度將由於受較長傳播路徑的衰減而減小。因此，對於大部分多徑信號，誤差角φ不會是負的。於是，根據這個分析，可望將壓縮差信號聲道的聲頻相位設定得能使兼容接收中性能下降最小。
如前面所述，可以通過減小壓縮差信號的增益來減輕串擾對常規差信號性能下降的影響;但是，如果所有頻率上增益都以相同的數量減小，降噪的有效性將下降。然而，專利申請人認識到，根據他本人早期對人耳聽覺頻率響應的分析，可以減小壓縮差信號中低頻信息的電平，並不影響降噪感覺。這種可能性的原因在於，第3，594，506號題為「響度級指示器」(LoudnessLevelIndicator)的美國專利中所述的等響度曲線，示例出了人耳聽覺器官的頻率靈敏度。等響度曲線以曲線族形式給出了等響度的響度級與頻率和聲壓級間的函數關係。等響度曲線可通過主觀測試小組對粉色噪聲倍頻帶的感覺來得出。粉色噪聲的特點是每個倍頻帶內具有等能量分布。等響度曲線表明，對於給定的響度級，人耳對低於約1000赫的聲頻的靈敏度比之約1000赫上的聲頻靈敏度要低。本申請人認識到，在常規的調頻立體聲接收機中，可以利用這種效應來減小壓縮差信號S′對差信號S的串擾，而在擴展範圍系統的接收機中並不感覺降噪性能下降。
本發明的主要目的是提供一種含有差信號壓擴的改進型調頻立體聲廣播系統，在存在多徑傳播的情況下，該系統顯示出與常規的調頻立體聲接收機具有改善的兼容性。
在此調頻立體聲廣播系統中，發射常規的立體聲差信號S和壓縮的立體聲差信號S′，為了使常規的調頻立體聲接收機中信號S′對信號S的串擾最小，以改善它與常規的接收機的兼容性，將信號S和S′中的聲音信號相互反相。還對壓縮差信號S′的聲音頻譜的不同部分調整相對幅度，使得與人耳對聲音響度級的響應近乎一致，以提供出進一步的改善。這種調整的作用可使常規的調頻立體聲接收機中的串擾最小，而聽眾對相應系統的降噪性能並不感覺下降。例如，相對於較高頻率的信號，使大約1000赫以下的頻譜成分中的信號受到衰減。
在接收機中，將接收到的壓縮差信號S′中頻譜低端部分的聲音信號電平恢復到頻譜其餘部分的電平，並將包含在充分壓縮的差信號S′頻譜中的聲音信號的相位反轉，以便在擴張之前使之與接收到的立體聲差信號S中的相應聲音信號同相。
本發明的其它目的，特性和優點，從結合附圖的以下詳細說明中可對其結構和工作原理有更全面的理解。
圖1，前面已提到過，是根據本發明的原理研製出的複合基帶信號的頻帶圖。
圖2，前面已提到過，它說明有用信號與多徑傳播時引起的無用信號相加的矢量圖。
圖3，是發送端用以產生和發送圖1中複合信號的簡化方框圖。
圖4，示出圖1中調頻複合信號的非壓縮差信號和壓縮差信號聲道各自的幅頻特性曲線。
圖5，示出壓縮差信號聲道內聲音信號方面相對相位效應的一對曲線。
圖6，是按照本發明組成的接收端簡化方框圖。
為了使本發明的調頻立體聲廣播系統與美國聯邦通信委員會(FCC)批准的現有的雙聲道立體聲系統相兼容，發射機內的立體聲發生器將立體聲有關的左信號L和右信號R相加，以形成頻率約達15000赫的和信號M，此外，再加上被抑制的、雙邊帶38千赫副載波信號S和供接收機同步用的19千赫導頻信號。因此，該信號有圖1所示的基帶頻譜，其中包含一個大約50赫到15千赫的單聲道信號M、一個19千赫的導頻信號和一個23千赫到53千赫的常規的立體聲差信號S。與第4，485，483號專利中敘述的系統一樣，壓縮差信號S′對38千赫的正交副載波進行調幅，然後與常規的調頻複合信號相加。
產生這種複合信號的發射的發射機示於圖3，它有所改進，以使由多徑傳播引起的有害串擾最小;為了簡單起見，圖中省略了某些較為普通的發射機電路。兩個來自分立聲源(圖中未畫出)的聲頻信號L和R通過常規的75微秒預加重網絡6和8後分別送到常規的矩陣網絡10的兩個輸入端，該網絡例如由求和放大器組成，在該矩陣網絡的輸出端產生M＝(L+R)和S＝(L-R)兩個聲頻信號。單聲的和信號M經過第一延時器12後加到加法器14的第一輸入端，立體聲差信號S通過第二延時器16輸入到第一調製器18，其輸出加到加法器14的第二輸入端。如頻率與信號幅度以對數刻度表示的圖4的上部曲線所示，常規的差信號聲道具有20赫左右到15000赫左右的聲音頻譜，並且幅頻特性十分平直。為了防止聲音信號不受19千赫導頻單音的幹擾，故上限頻率限制到15千赫左右。又為了將非壓縮差信號聲道與圖4下方所示的壓縮差信號聲道進行幅度比較，圖中非壓縮差信號副聲道的幅度為0分貝。
按照本發明，為使正交的壓縮差信號對常規的差信號的串擾最小，壓縮聲道內節目信號的相位相對於非壓縮聲道是反相的，並從圖4的下部曲線中可以很好地看出，在低端頻率上幅度受到衰減。以S′標誌的壓縮差信號具有與常規的差信號副聲道一樣的高頻和低頻界限，並且如果不按照本發明的原理作出改變，它將有20分貝的相對幅度;也就是說，該壓縮器(後面要說明)比標準立體聲差信號電平一般引入高出約20分貝的增益。如圖4所示，在1000赫左右到15000赫左右的範圍內壓縮差信號的幅度為20分貝，而從1000赫左右到100赫左右以每倍頻程約6分貝的速率滾降，直到0分貝電平，也就是非壓縮差信號的電平，並在到達通頻帶下限之前保持於這個電平上。簡要地說，在正交調製器中進行調幅的壓縮差信號，從通頻帶的下限起到大約100赫頻率，與非壓縮差信號有一樣的幅度，然後幅度增大，在大約1000赫頻率上電平增加到20分貝左右，並在頻譜的其餘部分保持這一電平。
有一個10赫的頻率成分隨著壓縮差信號在正交聲道內傳送，用以對配備有相應電路的接收機指明接收的信號中包含有壓縮差信號。由於這個10赫成分的幅度很小，因此沒有畫在波形旁的刻度上。立體聲差信號的幅度引起40%至50%的射頻載波總頻偏，而插入的識別信號的電平只引起1%的射頻載波頻偏，識別信號放在它所表徵的正交副聲道中不僅是合適的，而且由於它存在於正交聲道中，對於現有的立體聲和單聲接收機它是不顯露出來的。
雖然圖4的曲線示出在1000赫到100赫頻率範圍內有20分貝的滾降，但這兩個頻率的界限不是嚴格限定的，滾降特性也不是嚴格限定的。滾降的目的是要減小在常規接收機中多徑失真的可聞效應;然而，又認識到，當信號被互補地擴張時，滾降會減小降噪作用，換句話說，在大約1000赫以上的頻譜部分有很大的降噪效應，而在大約100赫以下的頻率部分降噪效應很小或者根本沒有，至少從電壓上測不出來。不過，由於人耳聽覺系統在較高的聲音頻率上響應最靈敏，所以圖4波形的斜率最好與人耳聽覺等響度曲線對應的斜率十分相近。
現在回過來說明圖3，為了得到具有圖4所示幅頻特性的壓縮差信號S′，來自矩陣10的差信號S加到壓縮器20，它可以是前述第4，602，380號美國專利中敘述的型式，包括一個用於控制輸入信號增益的可變增益裝置和一個對可變增益裝置產生控制信號的電路，該電路包含一個隨輸入信號產生相應直流信號的整流器，直流信號基本上隨輸入信號動態地變化。然後，壓縮差信號S′加到均衡器22，這可以是一個常規的濾波器，其中包括一個設計在1000赫左右開始滾降的高通段和一個滾降到0分貝電平後在大約100赫頻率之下停止滾降的截止濾波器。
均衡器22的輸出加到一個反相器24上，它相對於差信號S將聲音移相180°。雖然均衡濾波器和反相器各以單獨的功能方框示出，但實際上可以是一個兼有反相作用的濾波鰨詰ヒ壞牟考詬鏊璧姆迪煊拖轡環醋Ｑ顧醪鈽藕臩′經均衡器22變成圖4所示的幅頻特性，然後加到第二調製器26的輸入端，其輸出送到加法器14的第三輸入端，在那裡與單聲信號M和調製器18來的信號進行線性混合。
副載波和導頻信號由載波發生器28輸出，載波發生器提供38千赫頻率的正弦波信號，該信號送到調製器18，也送到公知結構的移相網絡30，以使加到調製器26的副載波信號與加到調製器18的副載波信號相位相差90°。調製器18和26都含有公知結構的抑制載波調幅器，由兩個音頻信號分別對兩個副載波進行調幅，以產生出兩個雙邊帶、抑制載波的調幅信號。這兩個信號與和信號M及也由載波發生器28給出的19千赫正弦波導頻信號一起在加法器14內進行混合。然後將加法器14輸出的複合信號送到發射機調頻激勵器32，對一個高頻載波進行調頻後予以發射。
圖5示出壓縮聲音差信號相對於非壓縮聲音差信號倒相的測量結果。虛線曲線表示在1千赫音頻信號上有20分貝壓縮時壓縮差信號S′對同相的非壓縮信號S的串擾分貝數，當延時的發頻信號與有用信號180°反相時，這種串擾效應最明顯。但當兩聲頻信號反相時，如圖5中實線曲線所示，串擾的峰值電平受到衰減。
本發明的接收機方框圖示於圖6。為了簡單起見，某些更常規的調頻接收機電路(例如射頻級、中頻級和鑑頻器電路)沒有畫出，在必要時僅作簡要的敘述。接收到的調頻信號在接收機/調頻解調器40的射頻和中頻級(未示出)中放大，由公知的任一調頻檢波電路(未示出)解調出包含在接收信號中的聲頻信號，即M、S、S′信號和導頻信號。用一個低通濾波器42把單聲的和信號M與複合信號中的高頻成分分離開，送到常規設計的反變換矩陣電路44的一個輸入端。複合信號中其餘的成分由一個通頻帶頻率為19千赫到53千赫的帶通濾波器46分離出來。而抑制掉這個頻帶之下的頻率成分，然後加到S解調器48和S′解調器50。導頻信號是用通常的方法(未示出)得到的，並送到載波發生器52，從那裡再生出兩個正交的副載波，分別送到解調器48和50。
為了對壓縮差信號S′進行正確的擴張，將解調器50輸出的聲頻信號調整成在它的整個頻譜範圍內有平直的幅頻特性，並為了使它與解調器48輸出的非壓縮差信號同相，它的相位必須反轉。為此，解調器50的輸出先送到均衡器52，它的幅頻特性設計成與圖4下部所示的特性基本上相反。該均衡器可以採用常規設計的濾波器形式。經過均衡，由反相器54進行反相，並象在發射機內那樣，這兩項處理可採用單個的反相濾波器來完成。然後，信號S′送到擴張器58，與壓縮特性互補地受到擴張，以便在擴張器輸出端獲得降噪的信號S，當開關62處於圖中所示位置時，信號S送到反變換矩陣44的另一個輸入端。反變換矩陣44可以是常規的結構，它將M信號和降噪的S信號相混合而產生出2L與2R輸出信號;然後，將幅度減小一半，便形成L和R信號，分別送到左、右揚聲器(未示出)。這些都按常規的雙聲道調頻接收機的典型方式工作。
另一種方法，按照上述第4，602，380號美國專利的技術，由反相器54的輸出信號S′可以與非壓縮差信號S在加法器56內相加，得到的和信號，送到擴張器58。
所述的接收機與常規的單聲道和雙聲道立體聲廣播是兼容的。當接收單聲道廣播時，接收機/調頻解調器40的輸出僅包含有由(L+R)組成的單聲信號M，它經過通濾波器42後加到反變換矩陣44，由於沒有信號加到反變換矩陣的另一個輸入端，因此在它的兩個輸出端都只有信號M出現，送到左、右揚聲器。
藉助於將開關62切換(最好是自動的)到圖中所示的虛線位置，使解調器48的輸出連接到反變換矩陣的另一個輸入端，則接收機能放音出所接收的常規的雙聲道立體聲信號。採用一個檢測器。(未示出)可以實現這種自動切換，它能對前述的在壓縮差信號副聲道內傳送的識別信號起響應。產生出一個將開關62切換到虛線位置的信號。這樣，當接收常規的雙聲道立體聲信號時，如前所述，M信號加到反變換矩陣44的一個輸入端，來自解調器48的S信號加到另一個輸入端，經混合後產生出2L和2R輸出信號，將每路信號的幅度減小一半再分別送到左、右揚聲器。
所敘述的發射機和接收機實施例，在本發明範圍內其形式和細節是容許改動的。例如，圖4示出的壓縮差信號S′的幅頻響應轉折頻率可以不同於所示例的規範，譬如，這兩個轉折頻率可以低一個倍頻程，或者採用具有不同衰減斜率的均衡器時，其中任一個轉折頻率可以獨自改變。送猓顧跗鰲⒗┱牌骱頭聰嗦瞬ㄆ韉奶匭約捌涫迪址絞揭踩菪磧心承┍潿段АＩ鮮鼉嚀宓氖凳├鑫得饜緣氖糾炯際趿煊蚰詡際躒嗽苯窈蠡崽岢齙謀湫禿託薷模灰譴υ謁餃ɡ蟮腦蠔頭段е冢冀皇遊痙⒚韉淖槌剎糠幀
權利要求
1.一種兼容的立體聲傳輸系統，它包括發射機裝置和接收機裝置，發射機裝置根據左、右立體聲信號產生和發送出調頻複合信號，複合信號中包含一個和信號M、一個調幅在第一副載波上的立體聲差信號S，一個調幅在正交的第二副載波上的上述立體聲差信號S的壓縮型差信號S′和一個導頻信號；接收機裝置用以接收上述調頻複合信號，從中得出上述的和信號M、上述立體聲差信號S、上述壓縮的立體聲差信號S′和上述導頻信號，還包括對壓縮的立體聲差信號S′進行擴張以獲得降噪型差信號S的裝置，和用於將降噪型差信號與得出的和信號相混合，以獲得上述的左、右立體聲信號的裝置；該傳輸系統的特徵在於，發射機裝置包括一個裝置，用以將含在壓縮立體聲差信號S′內聲音信號的相位相對於非壓縮立體聲差信號S內相應聲音信號的相位反轉180°；和一個用以將上述壓縮立體聲差信號S′的聲音頻譜加以均衡、使之近似地對應於人耳的響度響應特性的裝置，以使在常規的調頻立體聲接收機內的上述壓縮差信號S′對上述非壓縮立體聲差信號S的串擾最小，對系統中接收機裝置的降噪並不感覺其性能下降，該傳輸系統的特徵還在於，接收機裝置包括一個用以對上述得到的壓縮立體聲差信號S′進行基本上與發射機裝置的均衡互補的逆均衡的裝置，和一個用以將含在均衡後壓縮立體聲差信號S′中的聲音信號相位反轉過來的裝置。
2.一個接收由左、右立體聲信號形成的調頻複合信號的接收機，調頻複合信號中包含有一個和信號M、一個調幅在第一副載波上的立體聲差信號S、一個調幅在正交的第二副載波上的立體聲差信號S的壓縮型差信號S′和一個導頻信號，差信號S′先經過與人耳響度響應大體對應的均衡，並使其中包含的聲音信號的相位相對於立體聲差信號S內聲音的相位反轉180°;該接收機包括用以從調頻複合信號中得出上述的和信號M、上述立體聲差信號S、壓縮和均衡的立體聲差信號S′及導頻信號的裝置;用以對壓縮的立體聲差信號S′進行擴張，以獲得降噪型立體聲差信號S的裝置;用以將上述降噪型立體聲差信號與得到的和信號相混合、獲得上述的左、右立體聲信號的裝置;該接收機的特徵在於，所述接收機包括對得到的已壓縮、均衡的立體聲差信號S′進行互補均衡的裝置;和用以將含在互補均衡後的壓縮立體聲差信號S′內的聲音信號的相位反轉的裝置。
全文摘要
通過將壓縮的差信號對常規的立體聲接收機中的常規差信號的串擾減到最小來改善發送常規差信號及其壓縮的變型的調頻立體聲廣播系統與常規的調頻接收機的兼容性。它的實現在於在發射機中將含在壓縮差信號中的聲音信號相對於含在常規差信號中的聲音信號反相併將壓縮差信號均衡為大致相應於人耳的響度響應，在接收機中將收到的壓縮差信號按照發射機中的均衡進行互補的逆均衡，並將含在均衡的壓縮差信號中的聲音信號的相位在擴張前反相。
文檔編號H04H1/00GK1035217SQ8810147
公開日1989年8月30日 申請日期1988年3月21日 優先權日1987年3月25日
發明者埃米爾·裡·託瑞克 申請人:廣播技術公司