CN111490839B - 调频广播测频解调电子*** - Google Patents

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Abstract

调频广播测频解调电子***，涉及广播电视领域，解决现有调频广播监测解调***使用受限，无法满足其使用要求的问题，包括输入端INPUT，时钟输入端，采样输出端，数据输出端，两个电容，四个电阻，运放器，D触发器，与门，D触发器，同步使能计数器，同步清零计数器，同步使能锁存器，同步分频器，锁存器，锁存器，乘法器，除法器，减法器，常数输出器和除法器；本发明可以取消传统解调设备中必需的鉴频器，模数转换器以及连接在两者之间的放大电路，在降低成本的同时减少了失真；所需电路元件少；解调得到音频节目内容数字数据流，可以直接播放，存贮或传输；因采用导频信号频率的四倍采样节目信号，在后续立体声解码时就无需再用硬件提取导频信号。

Description

调频广播测频解调电子***
技术领域
本发明涉及广播电视领域，具体涉及一种调频广播测频解调电子***。
背景技术
我国调频广播国家标准规定，调频广播节目采用频率调制，最大频偏为75Khz，立体声左右两声道用抑制载波双边带调幅38KHz载波，并把载波二分频成为导频信号，与节目信号一起调频发射；传统节目解调方法是用鉴频器把中频信号解调得到音频模拟信号，放大之后再用模数转换器转成数字化的声音数据流；在这种转化过程中，节目信号经历的模拟电路部分环节较多，引入的噪声与失真较大，并且模拟电路产品在生产中的一致性也不好控制。
现有文献公开《单片机直接测频的调频广播监测解调方法》提出一种可用于单声道节目监测***的单片机直接测频的解调方法，具体为采用单片机直接测频的解调方法。存在以下问题：
1、因硬件无法同时采样计数与周期两个信息的问题，只能在中断处理程序中不断重试碰撞到正确的结果，其文件中也有提到中频信号脉冲可能会在中断处理期间到达，并且中断服务程序也不可能同时读取到两个寄存器的数据，这样很可能发生一种意外情况，解决方案是需要在定时器的中断处理程序中交替循环读取这两个寄存器的内容，如果连续两次都能取得相同的数值，那么这个数值才是可用的。否则两个寄存器的内容就不配对，需要循环回去重读，直到确认它们的内容没有发生意外改变为止。这种方式的采样速率可达16KHz；因为单片机中断处理程序进入与退出所需时间均为微秒量级，重试碰撞多少次才成功还要依靠概率，实测在24KHz以上的频率，单片机几乎已经没有执行主程序的时间片了；因此若想取得76KHz可用于立体声解码的采样速率，受单片机性能限制难以实现；
2、其采用一个环形振荡器作为滤波器提高***的性能，环形振荡器采用电阻注入信号的滤波电路，使灵敏度从50dBuV提高到30dBuV，可提升20dB，滤波电路元件参数难以计算，只能采用合适的取值，使它的振荡频率大约是1.25MHz，也就是需要用实验得到的元件经验值来使振荡频率成为1.25MHz，无法通过相应的分析计算来设计合适的通频带。
3、***输出数据只是提到需要转成8位数据，并没提供具体转换方法；而本发明提供了具体电路和转换的方法。
发明内容
本发明为解决现有调频广播监测解调***使用受限，无法满足其使用要求的问题，提供一种调频广播测频解调电子***。
调频广播测频解调电子***，包括输入端INPUT，时钟输入端OSC，采样输出端CLK，数据输出端AUDIO，电容C1，电容C2，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，运放器U1，D触发器U3，与门U4，D触发器U5，同步使能计数器U6，同步清零计数器U7，同步使能锁存器U8，同步分频器U9，锁存器U10，锁存器U12，乘法器U11，除法器U15，减法器U16，常数输出器U14和除法器U13；
所述输入端INPUT与电容C1连接，所述电容C1分别与电阻R2的一端，电阻R3的一端，电阻R4的一端以及运放器U1的正输入端连接；
所述电阻R2的另一端与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与电阻R1的一端以及运放器U1的负输入端连接；所述运放器U1的输出端分别与电阻R1的另一端，电阻R3的另一端，D触发器U5的D输入端以及与门U4的正输入端连接；电源VCC端分别与运放器U1的正电源端以及电阻R4的另一端连接；GND端分别与运放器U1接地端，电容C2的一端以及电阻R2的另一端连接；
所述D触发器U5的Q输出端和与门U4的反输入端连接，与门U4的输出端与D触发器U3的D输入端连接；所述D触发器U5的C时钟端分别与同步使能计数器U6的CP时钟端，D触发器U3的C时钟端，同步清零计数器U7的CP时钟端，同步使能锁存器U8的C时钟端，同步分频器U9的C时钟端以及时钟输入端OSC连接；所述D触发器U3的Q输出端分别与同步使能计数器U6的CE计数使能端以及同步使能锁存器U8的LE同步锁存使能端连接；
同步使能计数器U6的QN数据输出端与锁存器U10的DN输入端采用并行数据总线连接；同步清零计数器U7的QN数据输出端与同步使能锁存器U8的DN输入端用并行数据总线连接；同步使能锁存器U8的QN数据输出端与锁存器U12的DN输入端采用并行数据总线连接；
所述同步分频器U9的OV输出端分别与同步清零计数器U7的CLR同步清零端，同步使能计数器U6的CLR同步清零端，锁存器U10的C时钟端，锁存器U12的C时钟端以及采样输出端CLK连接；
所述锁存器U10的QN数据输出端与乘法器U11的IN输入端用并行数据总线连接；所述乘法器U11的OUT输出端与除法器U15的A输入端用并行数据总线连接；所述锁存器U12的QN输出端与除法器U15的B输入端用并行数据总线连接；所述除法器U15的Y输出端与减法器U16的IN输入端用并行数据总线连接；
所述减法器U16的输出端OUT为24位并行接口，除法器U13的A输入端为32位并行总线接口，其中低8位用并行数据总线NF[7..0]接GND，高24位用并行数据总线NF[31..8]与减法器U16并行总线输出端OUT的24位并行接口连接；所述除法器U13的B输入端与常数输出器U14的输出端用并行数据总线连接，除法器U13的输出端与数据输出端AUDIO用并行数据总线连接。
本发明的有益效果：本发明所述的解调电子***采用四倍导频信号频率快速测量频率的方法实现调频广播节目数字解调，用于立体声调频广播信号接收设备；
本发明设计一种运用频率占据的信号滤波电路，使***具有更高的灵敏度；运用本发明提供的技术方案，可以取消传统解调设备中必需的鉴频器，模数转换器以及连接在两者之间的放大电路，在降低成本的同时减少了失真；与其它数字解调电路相比，所需电路元件少；解调得到音频节目内容数字数据流，可以直接播放，存贮或传输；因采用导频信号频率的四倍采样节目信号，所以在后续立体声解码时就无需再用硬件提取导频信号。
本发明采用数字逻辑电路，对于输入信号，设计有边沿同步采样电路，对输入的异步信号进行了同步之后，可以使整个电路在统一的时钟下同步工作，可以同时采样计数与周期两个信息，所以可以用高达76KHz的速率测量中频信号频率实现解调，数据采样率为导频信号频率四倍，可以直接用于立体声解码。
本发明中采用运算放大器以及电阻和电容构成的振荡器，采用电容注入信号到运放的正输入端，这种滤波器可以方便地通过计算来设计元件的参数，可准确设计中心频率和通频带；因普通运放的开环增益都大于十万倍，也就是可提升灵敏度40dB以上，具有更高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明所述的调频广播测频解调电子***的电路图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，调频广播测频解调电子***，该***包括输入端INPUT，时钟输入端OSC171M，采样输出端CLK76，数据输出端AUDIO，电容C1，电容C2，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，运放器U1，D触发器U3，与门U4，D触发器U5，同步使能计数器U6，同步清零计数器U7，同步使能锁存器U8，同步分频器U9，锁存器U10，锁存器U12，乘法器U11，除法器U15，减法器U16，常数输出器U14和除法器U13；
所述输入端INPUT与电容C1连接，电容C1分别与电阻R2，电阻R3，电阻R4，以及运放器U1的正输入端连接；电容C2分别与电阻R1，以及运放器U1的负输入端连接；
运放器U1的输出端分别与电阻R1，电阻R3，D触发器U5的D输入端，以及与门U4的正输入端连接；
D触发器U5的Q输出端和与门U4的反输入端连接；
时钟输入端OSC171M分别与D触发器U3的C时钟端，D触发器U5的C时钟端，同步使能计数器U6的CP时钟端，同步清零计数器U7的CP时钟端，同步使能锁存器U8的C时钟端，以及同步分频器U9的C时钟端连接；
与门U4的输出端与D触发器U3的D输入端连接，D触发器U3的Q输出端分别与同步使能计数器U6的CE计数使能端，以及同步使能锁存器U8的LE同步锁存使能端连接，同步使能计数器U6的QN数据输出端与锁存器U10的DN输入端用并行数据总线连接，锁存器U10的QN数据输出端与乘法器U11的IN输入端用并行数据总线连接；
同步清零计数器U7的QN数据输出端与同步使能锁存器U8的DN输入端用并行数据总线连接，同步使能锁存器U8的QN数据输出端与锁存器U12的DN输入端用并行数据总线连接，同步分频器U9的OV输出端分别与同步使能计数器U6的CLR同步清零端，锁存器U10的C时钟端，锁存器U12的C时钟端，同步清零计数器U7的CLR同步清零端，以及采样输出端CLK76连接；
所述乘法器U11的OUT输出端与除法器U15的A输入端用并行数据总线连接，所述锁存器U12的QN输出端与除法器U15的B输入端用并行数据总线连接，所述除法器U15的Y输出端与减法器U16的IN输入端用并行数据总线连接，所述减法器U16的输出端OUT为24位并行接口；除法器U13的A输入端为32位并行总线接口，其中低8位利用并行数据总线NF[7..0]接GND；而A输入端的高24位用并行数据总线NF[31..8]与减法器U16并行总线输出端OUT的24位连接。
所述除法器U13的B输入端与常数输出器U14的输出端用并行数据总线连接，除法器U13的输出端与数据输出端AUDIO用并行数据总线连接，VCC分别与运放器U1的正电源端，以及电阻R4连接；GND分别与运放器U1，电容C2以及电阻R2连接。
本实施方式中，由所述运放器U1，输入端INPUT，电容C1，电容C2电阻R1，电阻R2，电阻R3以及电阻R4组成了一个信号滤波电路；传统滤波电路在没有输入信号时就不会输出信号，而这个信号滤波电路却是自激振荡电路，总是不断地输出方波信号，称为节目信号脉冲序列；当R2＝R4时，振荡频率f可以计算；
Figure BDA0002457244620000051
在输入端INPUT输入中心频率为1.25MHz的低中频调频信号，并且振幅受限，用VM表示调频信号电压的最大峰峰值，信号滤波电路将受输入信号影响使输出频率接近输入的信号频率。
接收信噪比较好的广播信号时，低中频调频信号中噪声很小，可忽略不计；此时低中频调频信号经过电容C1注入到运放器的正输入端，因与振荡频率f接近，发生频率占据，导致节目信号脉冲序列的频率等于输入的低中频调频信号；
当接收较弱的广播信号时，信噪比较差，低中频调频信号中混杂有较多的噪声，并且噪声会分布在很宽的频率范围内；此时信号滤波电路可以压制那些通频带BW之外的信号，使处于振荡频率f附近的节目信号得到提升，输出的节目信号脉冲序列频率近似等于低中频调频信号的频率，可从噪声中过滤出有效的节目信号；如果运放器电源电压为VCC，则通频带BW可以计算；
Figure BDA0002457244620000061
设计VM为2mV，R2＝R4＝1K，R3＝100K，R1＝200K，C2＝200P，VCC＝3.3V时，滤波电路的中心频率为1.25MHz，带宽为150KHz。
当接收信号较强时，低中频调频信号振幅较大，此时向输入端INPUT输入信号的前级电路要限制输入信号振幅的最大峰峰值不能超过VM，使通频带BW固定为150KHz；而当接收信号较弱时，输入信号振幅最大峰峰值会小于VM，通频带将减小。
信号滤波电路具有较高灵敏度，如果用Au表示运放器的开环增益，只要信号振幅大于
Figure BDA0002457244620000062
就能影响振荡频率；因为运放器的开环增益普遍都大于十万，也就是说明这个滤波电路可提升***接收灵敏度超过40dB。
本实施方式中，从时钟输入端OSC171M输入的171MHz的时钟信号作为整个***的同步时钟，同步时钟被同步分频器U9经过2250分频得到76KHz的采样时钟信号，高电平持续一个同步时钟周期，在采样输出端CLK76输出的同时，送到锁存器U10和锁存器U12的时钟输入端，实现一锁存器U10和锁存器U12同时用采样时钟锁存数据；根据调频立体声广播国家标准，立体声导频信号频率为19KHz，本***的采样时钟频率为导频信号频率的四倍，采样得到的数据可以直接用软件进行立体声解码。
本实施方式中，由所述D触发器U3，与门U4，D触发器U5组成同步边沿采样电路，不论异步的节目信号脉冲上升沿何时到达，在D触发器U3处总能产生一个同步时钟周期的高脉冲，可以确保同步使能计数器U6，以及同步使能锁存器U8同步工作；本***的基本原理是联合计算同步使能计数器U6以及同步使能锁存器U8中的数值，并且需要二者严格同步；同步使能计数器U6在CE端为高电平时每个同步时钟的上升沿累加一次，同步使能锁存器U8在LE端为高电平时同步时钟的上升沿锁存一次，累加与锁存可严格同步。
本实施方式中，由所述同步使能计数器U6,同步清零计数器U7，同步使能锁存器U8，锁存器U10以及锁存器U12组成数据采集器，采集得到的数据可以计算节目信号脉冲的频率；同步使能计数器U6的数据只能在同步时钟的上升沿发生变化；当同步使能计数器U6的CLR端和CE端同时为低电平时，同步使能计数器U6数据一直保持不变；当同步使能计数器U6的CLR端为低电平而CE端为高电平时，同步使能计数器U6中数据在每个同步时钟上升沿累加；当同步使能计数器U6的CLR端为高电平而CE端同时为低电平时，同步使能计数器U6数据在同步时钟上升沿变为零；当同步使能计数器U6的CLR端和CE端同时为高电平时，同步使能计数器U6数据在同步时钟上升沿变为一；当同步清零计数器U7的CLR端为低电平时，同步清零计数器U7在同步时钟的上升沿累加计数；当同步清零计数器U7的CLR端为高电平时，同步清零计数器U7的数据在同步时钟的上升沿变成零；当同步使能计数器U6发生累加或变一时同步使能锁存器U8也同步完成一次锁存。
因此，在采样时钟信号的上升沿，同步使能计数器U6根据节目信号脉冲的情况确定数据为零或为一的同时，锁存器U10锁存同步使能计数器U6的数据，锁存器U12锁存同步使能锁存器U8的数据。
本实施方式中，由所述锁存器U10，锁存器U12，乘法器U11以及除法器U15组成了频率计算器，每次经过采样时钟信号的上升沿，若锁存器U10中数据为N，锁存器U12中数据为M，那么可以计算出输入节目低中频信号的频率G；
G＝N*171MHz/M
乘法器U11把从IN输入端输入的数据N乘以171兆之后从OUT输出端送到除法器U15的A输入端，除以从锁存器U12送来的数据M，得到了节目信号脉冲的频率，单位是Hz；电路采用32位宽度元件设计，可以在76KHz的采样频率下快速测量节目信号的频率，测量精度可优于万分之五，实现立体声解码达到传统11位模数转换电路效果。
本实施方式中，由所述减法器U16，常数输出器U14除法器U13组成了声音数据还原器；根据调频广播的国家标准，不同频率对应不同的声音信号电压，以1.25MHz为中心频率的调频节目信号，如果频率为G，转换为8位声音数据S的计算公式为；
S＝(G-1175000)*256/150000
采用减法器U16把节目信号的频率G减去1175000，送到NF总线的高24位上，而NF总线的低8位固定为零，把32位的NF总线接在除法器U13的A输入端，就得到了乘以256的效果，常数输出器U14固定输出150000常数送到除法器U13的B输入端，在数据输出端AUDIO得到8位声音数据；这个声音数据是以76KHz的采样时钟为同步信号，在每个76KHz的采样时钟的上升沿输出上次解调到的声音数据；因此，整个解调***的实际信息延迟时间等于26.3us，为二倍采样时钟周期。

Claims (4)

1.一种调频广播测频解调电子***，包括输入端INPUT，时钟输入端OSC，采样输出端CLK，数据输出端AUDIO，电容C1，电容C2，电阻R1，电阻R2，电阻R3，电阻R4，运放器U1，D触发器U3，与门U4，D触发器U5，同步使能计数器U6，同步清零计数器U7，同步使能锁存器U8，同步分频器U9，锁存器U10，锁存器U12，乘法器U11，除法器U15，减法器U16，常数输出器U14和除法器U13；其特征是：
所述输入端INPUT与电容C1连接，所述电容C1分别与电阻R2的一端，电阻R3的一端，电阻R4的一端以及运放器U1的正输入端连接；
所述电阻R2的另一端与电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与电阻R1的一端以及运放器U1的负输入端连接；
所述运放器U1的输出端分别与电阻R1的另一端，电阻R3的另一端，D触发器U5的D输入端以及与门U4的正输入端连接；
电源VCC端分别与运放器U1的正电源端以及电阻R4的另一端连接；
GND端分别与运放器U1接地端，电容C2的一端以及电阻R2的另一端连接；
所述D触发器U5的Q输出端和与门U4的反输入端连接，与门U4的输出端与D触发器U3的D输入端连接；
所述D触发器U5的C时钟端分别与同步使能计数器U6的CP时钟端，D触发器U3的C时钟端，同步清零计数器U7的CP时钟端，同步使能锁存器U8的C时钟端，同步分频器U9的C时钟端以及时钟输入端OSC连接；
所述D触发器U3的Q输出端分别与同步使能计数器U6的CE计数使能端以及同步使能锁存器U8的LE同步锁存使能端连接；
同步使能计数器U6的QN数据输出端与锁存器U10的DN输入端采用并行数据总线连接；
同步清零计数器U7的QN数据输出端与同步使能锁存器U8的DN输入端用并行数据总线连接；
同步使能锁存器U8的QN数据输出端与锁存器U12的DN输入端采用并行数据总线连接；
所述同步分频器U9的OV输出端分别与同步清零计数器U7的CLR同步清零端，同步使能计数器U6的CLR同步清零端，锁存器U10的C时钟端，锁存器U12的C时钟端以及采样输出端CLK连接；
所述锁存器U10的QN数据输出端与乘法器U11的IN输入端用并行数据总线连接；
所述乘法器U11的OUT输出端与除法器U15的A输入端用并行数据总线连接；
所述锁存器U12的QN输出端与除法器U15的B输入端用并行数据总线连接；
所述除法器U15的Y输出端与减法器U16的IN输入端用并行数据总线连接；
所述减法器U16的输出端OUT为24位并行接口，除法器U13的A输入端为32位并行总线接口，其中低8位用并行数据总线NF[7..0]接GND，高24位用并行数据总线NF[31..8]与减法器U16并行总线输出端OUT的24位并行接口连接；
所述除法器U13的B输入端与常数输出器U14的输出端用并行数据总线连接，除法器U13的输出端与数据输出端AUDIO用并行数据总线连接；
所述运放器U1，输入端INPUT，电容C1，电容C2，电阻R1，电阻R2，电阻R3以及电阻R4组成信号滤波电路；
当R2＝R4时，振荡频率f计算公式为：
Figure FDA0003305601380000021
在输入端INPUT输入中心频率为1.25MHz的低中频调频信号，并且振幅受限，采用VM表示调频信号电压的最大峰峰值，信号滤波电路将受输入信号影响使输出频率接近输入的信号频率；
接收信噪比较好的广播信号时，低中频调频信号中噪声很小，忽略不计；此时低中频调频信号经过电容C1注入到运放器的正输入端，节目信号脉冲序列的频率等于输入的低中频调频信号；
当接收较弱的广播信号时，信噪比较差，低中频调频信号中混杂有较多的噪声，并且噪声会分布在很宽的频率范围内；此时信号滤波电路压制通频带BW 之外的信号，使处于振荡频率f附近的节目信号得到提升，输出的节目信号脉冲序列频率近似等于低中频调频信号的频率，从噪声中过滤出有效的节目信号；如果运放器电源电压为VCC，则通频带BW可以计算；
Figure FDA0003305601380000031
设计VM为2mV，R2＝R4＝1K，R3＝100K，R1＝200K，C2＝200P，VCC＝3.3V时，滤波电路的中心频率为1.25MHz，带宽为150KHz；
当接收信号较强时，低中频调频信号振幅较大，此时向输入端INPUT输入信号的前级电路要限制输入信号振幅的最大峰峰值不能超过VM，使通频带BW固定为150KHz；当接收信号较弱时，输入信号振幅最大峰峰值会小于VM，通频带将减小；
所述锁存器U10，锁存器U12，乘法器U11以及除法器U15组成了频率计算器，每次经过采样时钟信号的上升沿，若锁存器U10中数据为N，锁存器U12中数据为M，则计算出输入节目低中频信号的频率G；
G＝N*171MHz/M
乘法器U11将从IN输入端输入的数据N乘以171MHz之后从OUT输出端送到除法器U15的A输入端，除以从锁存器U12送来的数据M，获得节目信号脉冲的频率；
所述减法器U16，常数输出器U14，除法器U13组成声音数据还原器，采用所述声音数据还原器转换为8位声音数据S的计算公式为：
S＝(G-1175000)*256/150000
采用减法器U16将低中频信号的频率G减去1175000，常数输出器U14固定输出150000常数送到除法器U13中，在数据输出端AUDIO得到8位声音数据。
2.根据权利要求1所述的调频广播测频解调电子***，其特征在于：从时钟输入端OSC输入的171MHz的时钟信号作为整个***的同步时钟，同步时钟被同步分频器U9经过2250分频得到76KHz的采样时钟信号，高电平持续一个同步时钟周期，在采样输出端CLK输出的同时，送到锁存器U10和锁存器U12 的时钟输入端，实现锁存器U10和锁存器U12同时用采样时钟锁存数据。
3.根据权利要求1所述的调频广播测频解调电子***，其特征在于：所述D触发器U3，与门U4，D触发器U5组成同步边沿采样电路，D触发器U3产生一个同步时钟周期的高脉冲，使同步使能计数器U6和同步使能锁存器U8同步工作；计算同步使能计数器U6以及同步使能锁存器U8中的数值，所述同步使能计数器U6在CE端为高电平时每个同步时钟的上升沿累加一次，同步使能锁存器U8在LE端为高电平时同步时钟的上升沿锁存一次，累加与锁存同步操作。
4.根据权利要求1所述的调频广播测频解调电子***，其特征在于：所述同步使能计数器U6，同步清零计数器U7，同步使能锁存器U8，锁存器U10以及锁存器U12组成数据采集器，采集得到的数据用于计算节目信号脉冲的频率；所述同步使能计数器U6的数据只在同步时钟的上升沿发生变化；
当同步使能计数器U6的CLR端和CE端同时为低电平时，同步使能计数器U6数据一直保持不变；
当同步使能计数器U6的CLR端为低电平而CE端为高电平时，同步使能计数器U6中数据在每个同步时钟上升沿累加；
当同步使能计数器U6的CLR端为高电平而CE端为低电平时，同步使能计数器U6数据在同步时钟上升沿变为零；
当同步使能计数器U6的CLR端和CE端同时为高电平时，同步使能计数器U6数据在同步时钟上升沿变为一；
当同步清零计数器U7的CLR端为低电平时，同步清零计数器U7在同步时钟的上升沿累加计数；
当同步清零计数器U7的CLR端为高电平时，同步清零计数器U7的数据在同步时钟的上升沿变成零；当同步使能计数器U6发生累加或变一时同步使能锁存器U8也同步完成一次锁存；
在采样时钟信号的上升沿，同步使能计数器U6根据节目信号脉冲的情况确定数据为零或为一的同时，锁存器U10锁存同步使能计数器U6的数据，锁存器U12锁存同步使能锁存器U8的数据。
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