CN101562486B

CN101562486B - 一种调频同步广播中加入随路音频信令的方法

Info

Publication number: CN101562486B
Application number: CN2009101476067A
Authority: CN
Inventors: 杨刚; 杨霏; 刘晋; 蔡超时
Original assignee: Communication University of China
Current assignee: Suzhou Weishida Information Technology Co., Ltd.
Priority date: 2009-06-09
Filing date: 2009-06-09
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2029-06-09
Also published as: CN101562486A

Abstract

本发明提供了一种解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述***的音频前端服务器执行以下步骤：与人机接口模块进行通信，得到数字调频同步广播***应用层用户数据；采用轮询的方式选择所要发送的数据帧型，同步帧和非同步帧轮流发送，每秒只发送一个同步帧；从应用层直至数据链路层的数据成帧；对数据链路层的数据进行FSK调制；从音频输入端接收数字音频信号，经低通滤波后，与随路音频信令调制后的FSK波形相加，经CODEC D/A转换后，由数字或模拟音频接口输出给后级设备。

Description

一种调频同步广播中加入随路音频信令的方法

技术领域

本发明涉及调频同步广播***技术，特别涉及一种解决数字调频同步广播***音频延时调整问题的***和方法。

背景技术

调频同步广播是指利用位于不同地点的两部或更多部发射机使用同一频率播出同样节目内容的广播形式。调频同步广播网的组建可以很好的解决使用单一频率进行大面积调频广播的问题。

调频同步广播的优点表现在以下两个方面。首先，由于调频同步广播采用小功率按需布点的覆盖方式，可以减少电磁污染，为电台节约运行成本。同时其单频覆盖的特点，与传统调频广播差转的覆盖方式相比，不但可以节约大量频谱资源，而且无需频繁调整接收机频率，为越来越多的移动接收听众(如汽车驾驶员)，带来很大的方便。

要实现调频同步广播，如果只是简单的利用多个分布于不同位置的电台，使用同一载波频率，广播同一节目是行不通的。如附图1所示，发射机A和发射机B使用同一载波频率播出同一节目，在发射机A和发射机B单独覆盖的区域，由于调频接收机的俘获效应，调频节目的收听效果很好。但在来自A、B两个发射台的信号场强差小于15个dB的相干区，由于同频干扰一般会听到较严重的干扰声。

调频同步广播所要解决的关键问题，就是要保证这个相干区的收听质量。具体的解决方案就是“三同一保”的实现(根据GY/T 154-2000)。“三同”是指同频、同相、同调制度。“一保”是指保证最低的可用场强。这里的同相是要保证接收机接收到的相邻2个发射台所发射的音频信号相位相同，也就是说音频信号在传输过程中要具有相同的音频延时。“三同一保”的实现一来可以缩小相干区的范围，从场强差小于15dB的交叠区域减小到场强差小于6dB的交叠区域，二来可以减少相干区的失真，明显改善相干区的收听效果。

为了保证“三同”中的同音频延时，必须对激励器接收到的音频信号进行自适应时延调整。因为在将音频信号从电台的播出控制中心到各个发射台激励器(如附图2中所示的激励器A和激励器B)的传输过程当中，不但会由于A、B两地与播控中心的距离不同而使到达各个激励器的音频信号产生固定的音频时延差，而且音频传输链路路由的变化、时钟的变化、信号在传输过程中的复用解复用等因素都会带来音频时延的不确定变化。要保证同音频延时，必须能够自动测量、自动补偿这种不确定变化。具体的办法是，在传输广播信号的同时传递一个时标信号，两者在同一信道中同时传输，具有相同的音频时延。这样激励器就可以根据测量到的时标信号的时延进行相应的时延调整。

但是，随路音频时标信号加入、分离和同步过程，一直是一个较难解决的问题，既不能影响调频同步广播***传输的音频信号质量，还要保证***能够准确地同步。

发明内容

为了解决数字调频同步广播***同音频时延问题，将GPS提供的1PPS秒脉冲信号作为时标信号，通过FSK调制的方式频分复用在信道中传输，本发明提供了一随路音频信令的加入和提取方法。所述技术方案如下：

一种解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述***的音频前端服务器执行以下步骤：

步骤A：与人机接口模块进行通信，得到数字调频同步广播***应用层用户数据；

步骤B：采用轮询的方式选择所要发送的数据帧型，同步帧和非同步帧轮流发送，每秒只发送一个同步帧；

步骤C：从应用层直至数据链路层的数据成帧；

步骤D：对数据链路层的数据进行FSK调制；

步骤E：从音频输入端接收数字音频信号，经低通滤波后，与随路音频信令调制后的FSK波形相加，经CODEC D/A转换后，由数字或模拟音频接口输出给后级设备。

优选地，所述***音频前端服务器发送的数据帧型包括同步帧、站点信息帧和命令帧，同步帧包含作为时标信号的时延参考点，站点信息帧为各个激励器提供参数控制，命令帧则可以对全网中所有激励器的参数进行集中设置。

优选地，所述同步帧的帧头与GPS提供的秒脉冲信号对齐。

优选地，所述同步帧的帧头和数据帧分别进行CRC校验。

优选地，对于数据链路层数据的FSK调制，采用查表加键控的方法。

一种解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述***的数字调频激励器执行以下步骤：

步骤A：对接收的数字音频信号进行低通滤波，供激励器编码调制使用；对接收的数字音频信号进行高通滤波，得到信令的FSK已调波；

步骤B：FSK的相关检测算法是通过比较相关器输出的平方律最大值来进行解调的。将得到的FSK已调波与帧头数据的同相分量和正交分量分别做相关运算，得到两组相关计算结果，对两组值逐点做平方运算，并把结果进行相加，保存运算结果。同时在结果中求取最大值，在一个帧周期内找到的最大值对应点即为帧同步点，从而恢复出整个传输帧的精确采样点相对位置关系，实现采样点同步、位同步和帧同步。

步骤C：对得到的信令数据进行CRC校验和帧解析，得到正确的网络管理信息，并结合GPS的1PPS标准时标信号推算音频时延。

优选地，步骤B中，利用已调波与帧头进行相关运算实现帧头同步，并实现采样点同步。

优选地，收发两端的***时钟都与GPS提供的10MHz基准频标锁相；每隔一段时间，解调的起始位置进行微调。

本发明的技术方案带来的有益效果是：

通过本发明提供的随路音频信令以频分复用方式传输，接收端只需高通滤波并进行FSK解调就可以得到发送端所加的随路音频信令，这种随路音频信令的加入方法适用于任何传输带宽为20KHZ的音频传输***，具有最广泛的适用性，而且这种方法无需添加任何附加设备，在实际组网过程中为使用方带来了很大的便利。

附图说明

图1是本发明所述调频同步广播示意图；

图2是本发明所述调频同步广播***在GPS标准时标信号同步下推算音频时延的示意图；

图3是随路音频信令和音频信号的时分复用示意图；

图4是时分复用的随路音频信令传输方案示意图；

图5是随路音频信令和音频信号的频分复用示意图；

图6是频分复用的随路音频信令传输***分层的体系结构；

图7是频分复用的随路音频信令传输***各分层的具体构成；

图8是各种功能帧的传输顺序；

图9是硬件平台的结构框图；

图10是发送端的软件功能模块示意图；

图11是CRC校验快速算法流程图；

图12是FSK调制模块实现框图；

图13是接收端的软件功能模块示意图；

图14是采用相关和平方律判决器完成采样点同步、帧同步示意图；

图15是数据解调处理框图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

本发明所述调频同步广播中，把GPS提供的1PPS秒脉冲信号作为时标信号，与音频流复用在一起在信道中传输的。如附图2所示，在发送端，音频前端服务器将GPS提供的秒脉冲信号作为随路音频信令加入到音频流中。在接收端，激励器将随路音频信令提取出来，并将其中的时标信号与本地的GPS秒脉冲进行比较，就可以得到传输过程所造成的音频时延了。另外，随路音频信令中还可以包含网络的下行管理信息，这样可以实现对各个激励器的远程控制，为整个网络的管理提供了很大的方便。

对于前面所提到的音频信号从播出控制中心到各个发射台站调频激励器的传输，可以利用为调频同步广播提供的专门网络来实现。这些专门网络可以是光纤网络、微波网络或者是电信的PDH/SDH网络。不过这种专门的网络具有一个普遍的缺点就是建设费用昂贵，很难推广。

于是希望借用目前已经很成熟的DVB传输链路。首先来看DVB的卫星传输链路，目前，各中央和省级电视台绝大多数都已经具有了DVB-S的数字电视上星节目。而且，一路***节目除了包括节目本身的电视伴音外，还可以附带六路音频。可以把要传输的音频信号作为一路附加音频和电视节目复合在一起传输。由于无需单独另辟信道，所以没有额外的信道占用费。另外，卫星广播覆盖范围广，适合于大面积调频同步广播网的组建。而且，卫星广播不受地理条件限制，某些地理条件恶劣，不适于有线线路铺设的地方，也可以接收到卫星传输的信号。目前DVB***的有线电视网络在城市中的普及率已经相当高，而且通过卫星链路实现的音频传输方案几乎可以完全移植到有线电视网络中来。这些都使DVB传输链路成为组建调频同步广播网的首选。不过，无论是专用网络，还是DVB网络，都可能带来音频时延的不确定变化，所以无论采用哪一种传输方式，均需要进行时延调整。

针对调频同步广播网中最常用的DVB传输链路，对随路音频信令的加入方法做了如下的考虑：目前DVB***中使用的某些MPEG-2编码器只支持模拟音频输入，而且网络提供方一般不允许对现有设备进行改动，所以需要将带有时标信号的随路音频信令加入到模拟音频流中，以保证两者在传输过程中始终保持相同的时延。加入的方法就是先对数字形式的随路音频信令进行调制，再将调制信号与模拟音频复用在一起。由于的随路音频信令数据率较低，而且考虑到FSK的调制和解调较简单，所以本实施例采用了FSK的调制方式。

随路音频信令的调制波形与模拟音频的复用方式可以有时分复用和频分复用两种。

首先来看时分复用，如附图3和4所示。首先，将输入的音频流通过采样率转换，在时域对其进行压缩，以留出时隙来传输信令。接收时，先用较高的采样率将复合信号接收下来，再对其进行分离。分离的过程中，收发两端的旋转开关必须同时打开或闭合，如果这个同步过程出现误差，信令将混入音频信号中，对播出的音频信号的质量产生严重的干扰。在实际的实现过程中，由于信号中很有可能出现伪信令，所以这个严格同步很难保证，这在广播级的设备中是绝对不允许出现的，所以在本推荐实施例中不采用这种复用方式。

接着再看频分复用，如图5所示。由于大部分音频信号的频谱都集中在15KHz以下，所以频分复用的思想就是通过FSK调制将随路音频信令调制到音频信号15KHz以上的频谱高端。这样，在接收端，只需一个简单的低通滤波器就可以滤除信令对音频信号的影响，不会影响播出的音频信号质量。而且，这种复用方式适用于任何音频传输带宽为20KHz的***，具有广泛的通用性。因此，本实施例选用了频分复用的方式来实现随路音频信令与模拟音频的复用。

根据前面的分析可知调频同步广播中最常用的音频传输方式是DVB的传输链路。在这种传输链路中，需要使用MPEG-2编码器。这个MPEG-2编码器的使用会对频分复用的随路音频信令的传输产生影响。由于MPEG-2的编码标准充分利用了人耳的心理声学特性对音频信号进行了有损压缩。而人耳对音频中的高频成分感觉迟钝，所以如果高频分量幅度太小或被时间掩蔽或频谱掩蔽，编码器就不会对其进行编码传送。由于采用频分复用时，随路音频信令被调制到了音频信号的频谱高端，所以经过MPEG-2编码器后，很可能出现某段时间没有对信令进行编码传送的现象。

针对MPEG-2编码器的特性，本实施例对随路音频信令的传输参数进行了慎重的选择。在这里，FSK的调制频率尽量选择较低的频率，如17KHz和18KHz。FSK的调制幅度要求适中，本实施例选择的是-24dBFS。FSK调制符号的持续期选择了1ms。持续期较短，这样，当由于MPEG-2编码而使某一段FSK调制波形丢失时，就可以尽快找到新的一帧完整信号，重新进行正确的解调。由于信令的数据率较低，所以丢失的数据可以由后面的重发数据来弥补，音频时延也不需要每秒都去调整，所以不会影响信令的性能。另外，在发送端，还对音频信号进行了15KHz的低通滤波，以减小音频信号对信令的干扰。在设计的帧结构中，也加入了CRC校验，来检测可能存在的解调误码。

本申请设计了频分复用的随路音频信令传输***分层的体系结构。主要包括四层，分别是物理层、数据链路层、传输层和应用层。本***的体系结构与ISO/OSI和TCP/IP的对应关系如图6所示。

***采用分层的体系结构，可以带来两个好处：一是，根据不同特性抽象的分层，每层实现一个明确的功能，可以避免各层功能混乱。二是，各层相对独立，从而使得分配到各层的任务能够独立实现。这样，当其中一层提供的某解决方案更新时，不会影响其它层。

各层的具体构成如图7所示。

随路音频信令定义了三种功能帧：同步帧、站点信息帧和命令帧。同步帧包含作为时标信号的时延参考点，站点信息帧为各个激励器提供参数控制，命令帧则可以对全网中所有激励器的参数进行集中设置。传输时，同步帧和非同步帧轮流发送，每秒只发送一个同步帧。同步帧的帧头与GPS提供的秒脉冲信号对齐，如图8所示。

信令传输***是在一个基带音频信号的通用处理硬件平台之上实现的。此硬件平台包括如图9所示的七个模块：人机接口模块、数字音频收发模块、模拟音频CODEC模块、FPGA和CPLD模块、DSP模块、电源模块和时钟模块。

其中，模拟音频CODEC模块和数字音频收发模块是此平台的输入输出模块。模拟或者数字形式的音频信号，通过这两个模块送入后级模块中进行处理；或者***可以通过这两个模块将处理过后的音频数据输出，供下一级设备使用。

DSP模块是整个硬件平台的核心，几乎所有的信号处理功能都是在这个模块完成的。

FPGA和CPLD模块用来为上述几个模块提供信号的传输和数据的缓存。部分信号处理功能也在这个模块中实现。

人机接口模块为人机对话提供了一个交流的界面。电源和时钟模块则是整个电路正常运行的必备条件。

发送端，也就是音频前端服务器，所要实现的功能有以下几个方面：

(1)与控制液晶面板和计算机串口的单片机通信，得到***应用层用户数据；

(2)采用轮询的方式选择所要发送的数据帧型；

(3)从应用层直至数据链路层的数据成帧；

(4)对数据链路层的数据进行FSK调制；

(5)从输入端接收数字音频信号，经15KHZ低通滤波后，与随路音频信令调制后的FSK波形相加，经CODEC D/A转换后，由模拟音频接口输出给后级设备。

发送端的软件功能模块示意图如图10所示。

对于CRC校验，DSP采用了一种基于查表的按字节计算的快速CRC校验算法。这种查表算法的思路是先离线构造一个单字节信息的余式编码表，根据此编码表进行查表及异或运算即可求得多字节信息的CRC余式。由于单字节信息共8个二进制码元，所以总共有256种不同组合。以应用最广的CCITT建议的生成多项式G(x)＝x¹⁶+x¹²+x⁵+1为例，每种组合经生成多项式G(x)除，就产生两个字节的校验值，所以单字节余式编码表共占256个字(512个字节)。

CRC校验快速算法流程图如图11所示。

对于数据链路层数据的FSK调制，采用查表加键控的方法。这种方法有三个优点：(1)速度快(2)可保证相位连续(3)实现简单。其算法示意图如图12所示。

***的接收端，也就是数字调频激励器端，所要完成的功能主要有以下几个方面：

(1)对接收的数字音频信号进行15KHZ低通滤波，供激励器编码调制使用。

(2)对接收的数字音频信号进行15KHZ高通滤波，得到信令的FSK已调波。

(3)将得到的FSK已调波与帧头进行相关运算，以简化FSK的解调。

(4)对得到的信令数据进行CRC校验和帧解析，得到正确的网络管理信息，并结合GPS的1PPS标准时标信号推算音频时延。

接收端的软件功能模块示意图如图13所示。

滤波器的设计

在本***中，均采用数字滤波器在DSP中实现对数字信号的滤波。数字滤波器主要分为两类：有限冲击响应(FIR)滤波器和无限冲击响应(IIR)滤波器。FIR滤波器具有一个有限长度的脉冲响应，是具有理想线性相位和常数群时延的滤波器。现将FIR滤波器的优点总结如下：

●能提供理想的线性相位响应。

●可以采用十分简单的算法进行实现。

●降低了算法对有限的算术精度和舍入误差的灵敏度。

●保证了稳定性。

FIR滤波器的理想线性相位是指滤波器的相位响应随频率线性衰减(即相位变化的速率是常数)。常数群时延对一些要求保存信号波形形状的应用，如高速数据传输或高保真的音频或视频应用有特别重要的价值。我们对音频时延的推算更是建立在这一点基础之上的，所以这里的滤波器设计均采用FIR数字滤波器来实现。

窗函数设计法是FIR滤波器的基本设计方法，得到了广泛的应用。本实施例中，在用窗函数设计法设计滤波器时可以使用凯泽窗。因为凯泽窗是最有用且最优的窗结构之一。对于给定的阻带衰减，它提供了最小的主瓣宽度，也就是最陡的过渡带，就这点而言，它是最优的。具体实现时，先根据凯泽窗的经验公式计算出滤波器参数N和β，然后通过MATLAB提供的firl函数得到所要的滤波器系数向量，再以系数表的形式在DSP程序中调用。

采样点同步

采样点同步是针对本***提出的一个同步概念。采样点同步要求解调时恢复出的位同步定时误差不超过一个音频采样点间隔，即位同步定时可以精确到采样点。只有这样，才能满足音频传输延时计算的精度要求。采样点同步的实现尤为重要，它是后续一系列计算的基础。

FSK解调

FSK解调采用相关和平方律判决器完成采样点同步、帧同步，方法如图14所示。

FSK的相关检测算法是通过比较相关器输出的平方律最大值来进行解调的。将得到的FSK已调波与帧头数据的同相分量和正交分量分别做相关运算，得到两组相关计算结果，对两组值逐点做平方运算，并把结果进行相加，保存运算结果。同时在结果中求取最大值，在一个帧周期内找到的最大值对应点即为帧同步点，从而恢复出整个传输帧的精确采样点相对位置关系，实现采样点同步、位同步和帧同步。在连续3次计算得到最大值输出位置均相同时，我们认为***进入采样点精确同步状态。采用上述的解调算法，可以同时实现位同步、帧同步和采样点同步。

实现同步后，对传输帧数据进行解调，解调时采用方法如图15所示。解调得到整个传输帧数据后，进行CRC校验，如果CRC校验结果正确，则保存解调数据，解析后输出。如果CRC校验结果不正确，则丢弃数据。

本申请提出了一种数字同步调频广播***中随路音频信令的加入和提取方法。通过对调频同步广播网可能使用的音频传输方式的分析，提出了一种将随路音频信令加入模拟音频信号中的通用方法。这种方法先通过FSK调制将随路音频信令调制到音频高端频率，再与音频信号频分复用在一起送往传输链路。接收端只需高通滤波并进行FSK解调就可以得到发送端所加的随路音频信令。这种随路音频信令的加入方法适用于任何传输带宽为20KHz的音频传输***，具有最广泛的适用性。而且这种方法无需添加任何附加设备，在实际组网过程中为使用方带来了很大的便利。

频分复用的随路音频传输***的体系结构设计充分考虑了目前最常用的DVB传输***中的MPEG-2编码器对音频高频成分，也即随路音频信令的影响。并针对这些影响对信令传输过程中所采用的各项参数和策略作了详细的规定。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述***的音频前端服务器执行以下步骤：

步骤C：从应用层直至数据链路层的数据成帧；

步骤D：对数据链路层的数据进行FSK调制；

2.如权利要求1所述的解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述***音频前端服务器发送的数据帧型包括同步帧、站点信息帧和命令帧，同步帧包含作为时标信号的时延参考点，站点信息帧为各个站点激励器提供参数控制，命令帧则可以对全网中所有激励器的参数进行集中设置。

3.如权利要求1所述的解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述同步帧的帧头与GPS提供的秒脉冲信号对齐。

4.如权利要求1所述的解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，所述同步帧的帧头和数据帧分别进行CRC校验。

5.如权利要求1所述的解决调频同步广播***同步音频时延计算与调整的方法，其特征在于，对于数据链路层数据的FSK调制，采用查表加键控的方法。