用于基带数字频谱转换的方法和装置的制作方法

专利名称：用于基带数字频谱转换的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明一般涉及用于无线数字传送和/或接收的方法和装置，更具体地， 涉及使无线模拟糊收发器适用于数字传送和/或接收的方法和装置。
背景技术：
至少 一种已知的数字收发器具有内置于收发器中的专用电路和软件(例
如，与设计为仅传送和接收模拟FM的收发器不同的电路)，用来发送和接收 数字数据。具有这种专用电路的收发器通常比简单的仅用于FM的模拟收发器 更昂贵。
一些试图节省数字通信设备的费用的已知的方法使用模拟FM传送器来 传送和/或接收数字信息，而无需对收发器的任何修改。然而，这种技术遇到 的困难是传统的才莫拟FM收发器不能传递低于300 Hz的语音音频频率。这 样低的语音音频频率不是维持可理解的语音所必需的，而且，很多收发器使 用从67到250. 3Hz的低频率的音频频带，用于连续音调编码控制系统 (continuous tone coded squelch system, CTCSS) ^j音-i周。jl匕后,这个/人 DC到大约300 Hz的频率范围将一皮称作"亚音频频带"，或简称为"亚音频频 率"。典型地，在模拟FM收发器中的基带滤波从所传送和接收的语音音频中 排除亚音频频率。这种排除通常使得很难或不可能与模拟FM收发器一起使用 外部处理来产生或解调数字调制的信号(例如，C4FM,其为用于公共安全无 线电系统的标准)，这是因为，滤波器移除了必须被保留以确保传送质量(如 保持眼图完整性)的DC附近的频率分量。并且，通过典型的模拟FM收发器 的语音音频频率不扩展到超越3000 Hz,这是因为，对于可理解的音频通信 来说，更高的频率不是必需的。这个最大的频率限制对用于数字数据的可用 带宽施加了上限。此后，从300 Hz到3000 Hz的频率被认为是"语音音频频 带"，或筒称为"语音音频"频率。当涉及收发器的传送器部分或分离的传送 器时，这些频率可被称为"传送语音音频频带"。当涉及收发器的接收器部分 或分离的接收器时，这些频率可被称为"接收语音音频频带"。另外，给定在典型的模拟FM收发器的传送和接收路径中的相当宽松的音 频响应容限，则很可能严重背离保持通过传送/接收路径的数字信号的完整性所需的平坦幅度的线性相位频率响应。并且，尽管在典型的模拟FM收发器中 采用的滤波可适用于处理模拟FM信号，但对于实现可接受的数字眼图来说， 这样的滤波4艮可能引入过多失真。

发明内容
由一种自含式(self-contained)装置提供本解决方案，该装置用于将 来自麦克风的音频信号转换为适于利用模拟FM传送器传送的基带传送信号。 该FM模拟传送器具有传送语音音频频带、亚音频频带、以及直接麦克风音频 输入。该装置包括模数转换器，其被配置为将从麦克风接收的才莫拟音频信 号数字化。该装置进一步包括预调制处理器，其被配置为产生基带传送信 号，其占用基本上在传送语音音频频带内的频率；以及数模转换器，其被配 置为将所产生的基带传送信号转换为模拟音频输出，将模拟音频输出应用于 FM传送器的直接麦克风音频，从而传送具有恒定包络的数字编码的RF TX信也可由一种自含式装置提供该解决方案，该装置用于解码来自模拟FM接 收器的直接扬声器音频输出的基带接收信号。该模拟FM接收器具有语音音频 接收频带、亚音频频带、以及直接扬声器音频输出，该装置包括模数转换器， 其被配置为将基带接收信号转换为数字信号。从直接扬声器音频输出接收该 基带接收信号，其源自对具有恒定包络的数字编码的RF RX信号的FM模拟解 调，且占用基本上在在该FM收发器的接收语音音频频带内的频率。该装置进 一步包括后解调处理器，其被配置为使用转换后的基带音频信号来产生扬 声器音频信号，其中，该扬声器音频信号基本上复制用来产生数字编码的RF RX信号的音频信号。
也由一种用于将来自麦克风的音频信号转换为基带信号的装置提供该解 决方案，该装置包括模数转换器，用于将从麦克风接收的模拟信号数字化。 该装置进一步包括预调制处理器，用于处理数字化的信号，其中，该数字 化信号的边带频谱从亚音频频率移开预定量，以产生基带信号。


将通过实施例并参考结合附图描述本发明
图1是才艮据本发明的实施例构建的在按4建通话(push-to-talk， PTT)扬 声器麦克风与传统的FM收发器之间可操作地耦接的基带数字频谱转换器 (BDST)的框图。
图2是图1的BDST的传送过程的示意框图。
图3是图2的预调制处理块的更具体的示意框图。
图4是图1的BDST的接收过程的示意框图。
图5是图4的后解调处理块的更具体的示意框图。
具体实施例方式
酉給附图共同阅读将能更好的理解前述的概要和接下来对本发明的实施例的详 细描述。为了扩大各实施例功能块例图的外廓，功能块并不一定表示硬件电鴻之间 的分界。因而，例如， 一个或多个功能块(如处理器或存储器)可以在单个硬件中 实现(如通用信号处理器或一个块或随机访问^^诸器，石纽等)。相似J也，程序可以 是孤立的程序，可以像操作系统中子程序那样结^^吏用，可以是安装软件包中的功 能等。应理解，各实施例不限于附图中的装置和手段。
i!S使用的单一叙述的和以"一个"开头的构件或步骤，不应被理解为排除多 个所述构件或步骤，除非这种排除已被明确叙述。此外，本发明中所称的"一个实 施例"并不意图解释为排除也结合了所述特征的另外的实施例的存在。另夕卜，除非 明确相反地叙述，否则，实施例中"包括"或"具有"构件或一系列构件具有特定 的属性可以包括额外的无需具有该特定属性的这种构件。
在本发明的一个实施例中，参考图l，用于模拟BMt发器24 (如手持收发器) 的自含錄带数字频谱转换器(BDST)夕卜部适配器10有两个基带过程，即，基带传 送过程(基带TX过程)12和基带接收过程(基带RX过程)14。处的"过程(process )" 可以指丰欠件或石更件功能。例如，作为一种软件功能，基带TX过程12可全部或部分 地在具有执行在存储器中提供的这些过程的指令的一个或多个数字信号处理器 (DSP)内实现，基带RX过程14也可如此。另一方面，作为石更件功能，基带TX过 程12可以是全部或部分地由才對W更件完成的功能，基带RX过程14也可如此。基带 TX过程12根据来自^K^入19的音频信号，产生基带传送信号(基带TX信号) 20 。代替直接絲风音频输入30而^^]基带传送信号20。基带RX过程14根据来 自直4斜为声器音频输出31的基带接收信号(基带RX信号)22,产生扬声器音频信 号21。 基带TX信号20源自任意恒定包络的数字调制系统，其具有大约2. 7 KHz或更 小的带宽，如C4FM调制(已在TIA P25规范中定义)。由4莫拟FM收发器24的传送 i转賴频带、或接收il^^^I频带确定所述2. 7 KHz带宽，在典型的FM ^汰器中， 上述两个频带都艮定为2. 7 KHz (从约300 Hz开始到约3000 Hz结束)。如果^^具 有更宽或更窄的频率范围的不同类型的模拟FM )]t发器24，则可允许的频率范围由此 而不同。才對以FM 4汰器24通iit匕处描述的方法和装置，生成数字编码的RFTX信 号26,并接收数字编码的RF RX信号28。 注意，当提及占用^&^Ji^^對以FM |汰器24的传送i^"l^贞频带内的频率的 基带TX信号20时，勘旨通常在亚音频频带之上到最大频率的频率。 用于公共^it信的数字调制系统C4FM具有一直到DC的频谱内容，但是,BDST 外部适配器10/模拟FM收发器24接口上的基带TX信号20和基带RX信号22不具有 从DC到300 Hz的频谱内容。相反，利用BDST外部适配器10中的希尔伯特(Hilbert) 变换以及〉't曰^过程，使"f^tt带C4FM信号的频谦从DC移位，使得基带TX信号20 和基带RX信号22均不与亚音频频带重叠，其中，所述亚音频频带未被使用，或者， 更典型地，用于连续音调编码控制系统(CTCSS)音调。基带RX过程14使用另一 个希尔伯特变换和';^^^乍来fe^原始的C4FM基带信号。被移位的基带频谱落入典 型的模拟FM ^R发器所使用的约为3000 Hz的上频率截止的范围内。传统的麦克风16 和传统的扬声器18 (例如，微型扬声器)可以被用于BDST外部适配器10。 16和扬声器18可以^l且合到手持或夹持的扬声器麦克风(speaker-mike )或耳机中， 也可以被提供有^l建通话开关(PTT) 27或V0X电路(未示出)，其中，当iii'J所选 择的麦克风电平时，产生PTT信号23。 M风16、 PTT开关27和扬声器18也可以 4it^与BDST外部适配器10相同的外壳中。 例如，并参考图1和图2，由BDST外部适配器10的传送过程12处理来自;^ 风16的才對以信号19。 A/D转换器102将才對以信号转:fMJt字信号。在此转4灸^^前， 可选地，可应用附加的才對以处理(例如，增益控制、卩艮制等)，但其对于实践本发明 的各实施例来iJ^不需要的，因此，其未被示出在图2中。因为本发明的结构特别 适用于i转通信，所以，某些配置可提供声音编码器(iH"编码器(vocoder ))104, 以通过〗转频"il^"有效地编码为1和0的序列(通称为"比特")，来减小所传送的 带宽。同样，在一些配置中，可提供加密功能106，以进一步将数字输入比特编码为 妙的数据流，使得未授权的接收器难以对^g^^i舌进行"窃听"。并且，数字比特
力^皮变换成与所选数字调制选择方案的可允许码iL4目对应的信号序列。例如，在C4FM 调制的情况下，将比特序列映射到包括4个码元的序列，其通常净錄示为+3、 +1、 -1和-3,每个码元^J^2比特的信息。预调制处理器108从该序列产生平滑的数字 输出，并将输出频镨移位，以便其不会占用亚^M频带。当通过D/A转换器110将 该凄t字專命出转4奐为沖對W言号时，结果M带TX信号20,其在一纽用于才對以BM汰 器24的MK^入时产生所期望的数字编码的RF TX信号26。
在某些配置中，并参照图2和图3，预调制处理器108包括滤波(例如，上升 余弦滤波器112和^aE弦滤波器114),其产生纟皮适当编码和平滑的基带4言号。例如， 通ii^"实lt信号滤波，而产生C4FM基带信号，其中，通iUi升余弦滤波器(oc=0.2) 112和反正弦滤波器114,从自加密功能106输入该实数信号。在这些滤波器的输出， 调制是根据P25规范的C4FM。图3中示出了在反正弦滤波器114的输出上的、用 于在麦克风16处输入的声音音频的典型的C4FM基带频谱124。
预调制处理器108也可以包括正弦导频音(pilot tone)产生器25,其产生位 于每次4斜建通话(PTT)事件开始的导频音。并且，基带TX过程12可以包4劲"练序 列产生器113,其产生短(例如，200毫秒)训练序列，其同样也位于某些、但不一 ^^全部的PTT事件的开始。正弦导频音产生器25禾^i川练序列产生器113可以被麦 克风16上的同一 PTT开关27触发，所述PTT开关27还用于提供才對以FM收发器24 的PTT开关。导频音可由移位器118作为数字信号而插入，并可源自移位器118所 ^f錢的复凄ti弦。基带RX过程14可锁定到另一个纟汰器所传送的导频音，以有助 于将基带频谱下移回到原始的C4FM形式。训练序列可用于校准在BDST外部适配器 10的基带RX过程14中的自适应均衡滤波器，以去除所引入的模拟FM信号路径的失 真。
在本发明的某些配置中，希尔伯特变换处理器116从去除了负频谱的实凝基带 C4FM信号生成I和Q复数信号。可以是复数正弦乘法功能的移位器118产生复数信 号，其具有从实数基带C4FM信号的上边带移位了预定频率、以将该频谱/经音频频 带移开的上边带，所述预定频率被表示为X如敲。在至少一个配置中， /^"We=600Hz,其足以避免在略大于300 Hz截止的语音音频带中经常发生的失真)。 由实部/下移位功能120 (在图3中以"实数(REAL)"表示)产生在某些配置中被去 加重滤波器122进一步滤波的基带TX信号20。实数基带TX信号20可被提供给才對以 FM 4t发器24的UXir入。也就是，如果x("r)是^^正弦滤波器114的基带输出， 则j^"是到献K^入的基带输出，<formula>formula see original document page 10</formula> (1)
纽，i("r)是;c("r)的希尔伯特变换。可JM BDST夕卜部适配器10中的DSP实 现希尔伯特变换对"r),该DSP被编程为实现有限冲激响应(FIR)滤波器。
由频谱126表示的所得到的实数基带信号20保留C4FM基带频谱124的所有的 原始频蒯言息，但包含从约-4』,￡到+ /一祿的"孔(hole)" 128。
FM收发器24通常提供对传送的信号的标准频率预加重、以及对所接收的信号 的Shf尝频率去加重。为了减小所传送的数字信号的带宽，可选的去加重滤波器122 可#^用于实数功能120 ^卜的实数TX基带信号20，其有岁ii也中和了^L4對以兩收 发器24中传送预加重滤波器的影响。
由频谱126和实数TX基带信号20表示移位的C4FM基带信号，其在下文中被称 为"S-C4FM"。 S-C4FM基带TX信号20可^t對以FM收发器24中被FM调制，甚至是 利用已被很多S^"模拟BM汰器使用的最简单的恒定包络直接FM技术而被FM调制。
图4所示的基带RX过程14对基带TX过程12扭行反转。参照图4，信号处理 由右流向左，数字编码的RF RX信号28被才勤以FM收发器24中的FM解调器解调， 以产生基带RX信号22。由基带RX过程14中的A/D转换器202将该才對以信号数字化。 后调制处理器204对数字化的信号操怍，在所示的配置中，后调制处理器204将该 频i普下移回到其原始的C4FM形式，提取四个码元+3、 +1、 _1、 -3,并将它们转换为 比特流，如^传送收发器中使用了安全编码，则将所述比特流发i^)j可选的移除 该安全编码的解密功能206。在^^)i^"编码器来产生凄史字RF RX信号28的配置中， 基带RX过程14包^iM解码器(de-vocoder) 208，其反^i吾音编码(vocoding)、 并将数字比特^^换为数字音频信号。随后，D/A转换器210产生适用于扬声器18 或耳机的才對以^1M信号21。尽管没有在图4中示出、JU^于实现本发明的M实施 例来说不是必要的，但是，通常，在D/A转换器210和扬声器18之间的信号路径中 置入附加的模拟处理或放大。例如，可提^频频率响应的进一步的放大和衰减和/ 或整形(例如，衰减低"l^口/或高音，以增加iH"可理觯l"生)。
在图5所示的信号流自右向左的一些配置中，后调制处理器204包括预加重 滤波器212,用来^M尝通常存在于模拟FM收发器24的接收部分中的去加重滤波器。 在图5中，预加重滤波器212的输出是由关联的频谱226表示的基带信号，在该示 例配置中，频谱226为频率移位后的S-C4FM基带信号的频谱，^^/人DC到300 Hz 的亚音频频带中M上没有能量。
为了取消所接收的S-C4FM基带信号的频率移位，希尔伯特变换过程214 /4带
信号226产生I和Q复数信号(移除负频带)，复数乘法功能216通过y;一敲将此频
谱下移(例如，600 Hz),然后，由实部/下移位功能218移除I分量，以转换回为
实凝羞带信号230 (在图中表示为恢复的基带C4FM频谱230 )，以供进一步处理。更
4^地，如果:K"r)是来自^汰器的采样的基带输入，则z("r)是这个过程的输出， z("r) = Re + yH"r)K何—"舰""0} (2)
对于SSB的最佳解调，方程2中的复数正弦应匹配方程1中的用于基带TX过程 12的复数正弦的频率和相位。锁相环(PLL)技术可净M于将振荡器锁定到正弦导频 音，其中，就像前面已描述的，由传送^^11#正弦导频音插入到基带信号中。
在本发明的某些配置中，可4是供均纟軒器220。均衡器220可以^]来改善各种 形式的失真(例如，预加重滤波、去加重滤波、后调制限制器滤波等)的接收自适 应均衡器，其中，所述失真通过才對以BM汰器24内的才對以FMTX和RX信号^^圣而 一皮引入到300-3000 Hz范围。例如，均衡器220可以M于最小均方误差(顧SE) 标准的线性自适应滤波器，其^fM所传送的训练序列来确定抽头权重。提供给均衡 器220的抽头的数目可以取决于要均衡的失真的严重程度和棒l"生而改变。
接下来，提供滑窗积分器222,根据P25规范，其作为实现C4FM信号的最优眼 图所的必要部分；本质上，其"张开了目艮睛(open the eye)"。图5中示出了作为 滑窗积分器的输出的C4FM信号的典型的眼图232。随后，提供码元比特解码器224, 以确定接收信号中码元值(+3、 +1、 -1或-3),并将码元值转换为比特，以产生可被 解密功能206解密的信号(如果在传送时^^] 了加密的话)。解密功能206将所选数 字调制选择方案的码元解密为可被i錄解码器208解码的比特序列，然后，其通过 D/A转换器210和扬声器18掩良复为看，贞信号。
应理解，本发明的各实施例提供的方法/装置可利用模拟FM 4tt器来传送和/ 或接收数字信息，而无需对4汰器做4封可修改。^^對以BM汰器中，朴实施例不 需要专用电路和软件来发送和接收数字数据。为此目的，在某些实施例中提供具有 到;^KIIr入端(用于传送的信号)和扬声器输出端(用于接收的信号)的接口的 外部适配器(例如，BDST外部适配器10)。使用扬声器/:^风和^^器之间的BDST 外部适配器10来创建数字数据，并使用同一BDST外部适配器10来将其解调。可使 BDST外部适配器10与才對以FM收发器的典型频率响应相兼容，并且，BDST外部适配 器10可提供与数字传送相关联的很多优势，例如，针对于窃听的安全性。并且，在 本发明的配置中，^^]才對以FM传送器和/或才對以FM接收器而不是才對以FM 4tt器， 本发明的至少一些优势可以通过分别仅具有基带TX过禾1^基带RX过程的BDST 10
配置来实现。此外，本发明的配置允许向或从数字化的基带信号传送和接收CTCSS 音调而无干护L
虽然已经描述了本发明的优选实施例，^^领域4支术人员可iU只到，在实践中 可以在本发明的賴神和权利要求保护范围内对本发明作出修改。
权利要求
1.一种自含式装置(10)，用于将来自麦克风的音频信号转换为适于利用模拟FM传送器传送的基带传送信号，该FM模拟传送器具有传送语音音频频带、亚音频频带、以及直接麦克风音频输入(30)，该装置包括模数转换器(102)，其被配置为将从麦克风(16)接收的模拟音频信号(19)数字化；预调制处理器(108)，其被配置为产生占用基本上在传送语音音频频带内的频率的基带传送信号；以及数模转换器(110)，其被配置为将所产生的基带传送信号转换为模拟音频输出(20)，该模拟音频输出被应用于FM传送器的直接麦克风音频(30)，从而传送具有恒定包络的数字编码的RF TX信号。
2. 如权利要求1的装置，还包括语音编码器(104)，其,皮配置为编 码数字化的音频信号。
3. 如权利要求1的装置，还被配置为将数字化的信号映射为与所选 择的恒定包络数字调制方案相对应的码元序列。
4. 如权利要求l的装置，其中，预调制处理器(108)还被配置为将 实数基带数字信号的边带上移超过亚音频频带的量，并提取上移的边带信号 的实分量，以将所提取的分量转换为基带TX信号，以便应用于模拟FM传送 器的直接麦克风音频输入(30 )。
5. —种自含式装置(IO)，用于解码来自模拟FM接收器的直接扬声器 音频输出的基带接收信号，该模拟FM收发器具有语音音频接收频带、亚音 频频带、以及直接扬声器音频输出(31)，所述装置包括模数转换器(202 )，其被配置为将基带接收信号转换为数字信号，从直 接扬声器音频输出(31 )接收的该基带接收信号源自对具有恒定包络的数字 编码的RF RX信号的FM模拟解调，且占用基本上在在该FM收发器的接收语 音音频频带内的频率；以及后解调处理器(204 )，其被配置为使用转换后的基带音频信号来产生扬 声器音频信号(21)，其中，该扬声器音频信号基本上复制用来产生数字编 码的RF RX信号的音频信号。
6. 如权利要求5的装置，进一步地，其中，该后解调处理器(204 )还被配置为将直接扬声器音频输出的边带下移取决于亚音频频带的量，并提取下移的边带信号的实分量，以将所提取的分量转换为实数基带信号。
7. 如权利要求5的装置，还被配置为自适应地均衡中间信号，以减 小源自TX-RX无线电路径中的缺陷、有缺陷的音频滤波、或所述两者的失真。
8. 如权利要求5的装置，其中，FM收发器(24)包括FM传送器，该 FM传送器具有传送语音音频频带、亚音频频带、以及直接麦克风音频输入(30)，并且，所述装置还被配置为数字化来自麦克风(16 )的模拟音频信号(19 );从数字化的音频信号产生基带传送信号，该基带传送信号具有恒定包 络、且基本上被包含在模拟FM收发器的传送语音音频频带内；以及将所产生的基带传送信号施加到直接麦克风音频输入(30),从而传送 具有恒定包络的数字编码的RF TX信号。
9. 如权利要求8的装置，还包括语音编码器(104),其被配置为编 码数字化的音频信号；以及语音解码器(208 ),并且，使用转换后的基带音 频信号产生扬声器音频信号，所述装置被配置为对中间数字信号进行语音解 码。
10. 如权利要求8的装置，还被配置为将实数基带数字信号的边带上 移足以避免亚音频频带的量，提取上移的边带信号的实分量，并将所提取的 分量转换为实数基带信号，以便应用于直接麦克风音频输入；并且，还被配 置为将直接扬声器音频输出的边带下移取决于亚音频频带的量，并4是f^下 移的边带信号的实分量，以将所提取的分量转换为实数基带模拟接收信号。
11. 如权利要求8的装置，其被配置为外部连接到FM收发器(24)， 并且，位于FM收发器(24)和扬声器-麦克风(18, 16)之间。
12. —种用于将来自表克风(16)的音频信号转换为基带信号的装置， 所述装置包括模数转换器(102)，用于将从麦克风(16)接收的模拟信号数字化； 预调制处理器(108)，用于处理数字化的信号，其中，该数字化信号的 边带频谱从亚音频频率移开预定量，以产生基带信号。
13. 如权利要求12的装置，其中，数字化的信号包括实数基带数字信 号，且该预调制处理器(108)被配置为上移实数基带数字信号的边带， 并且，其中，所述预定量至少为300 Hz。
14. 如权利要求12的装置，其中，数字化的信号包括实数基带数字信号，且该预调制处理器(108)被配置为上移实数基带数字信号的边带， 并且，其中，所述预定量至少为600 Hz。
15. 如权利要求12的装置，其中，所述预调制处理器(108 )被配置为 产生具有恒定包络的数字编码的传送信号。
16. 如权利要求U的装置，还包括扬声器(18);以及后解调处理器 U04)，其被配置为处理来自扬声器(18)的数字化的信号，其中，该直接扬声器音频输出的边带被下移取决于亚音频频率的量。1L如权利要求l2的装置，还包括训练序列产生器(113),用于产 生训练序列。
全文摘要
提供了用于基带数字频谱转换的方法和装置。具体地，一种自含式装置(10)，用于将来自麦克风的音频信号转换为适于利用模拟FM传送器传送的基带传送信号。该自含式装置也可解码来自模拟FM收发器的直接扬声器音频输出(31)的基带接收信号。该装置将来自麦克风(16)的音频信号转换为基带传送信号，其包括模数转换器(102)，用来数字化接收的来自麦克风(16)模拟信号；以及预调制处理器(108)，用于处理数字化的信号，其中，该数字化信号的边带频谱从亚音频频率移开预定量，以产生基带信号。
文档编号G10L21/00GK101340195SQ200810142818
公开日2009年1月7日 申请日期2008年2月20日 优先权日2007年2月20日
发明者理查德·D·泰勒 申请人:M/A-Com公司