专利名称：向下兼容的调幅广播数字化传输方法
技术领域：
本发明是一种无需改变现有的中/短波段调幅广播发射机和相应的收音机，即可实现数字化声音及其它信息的传输与接收方法，属于数字信息传输的技术领域。
背景技术：
传统的调幅(AM)广播(或30MHz以下的广播方式)可高效、经济地实现大范围覆盖，其接收机即普通的中波(MW)波(SW)收音机简单价廉，高度普及，我国现有约3亿台收音机和7亿人坚持收听广播。但由于AM是窄带调制，抗干扰能力差，并且传输信道(尤其是中波高端和短波)存在多径、衰落及多普勒频移等现象，接收质量不佳，音质也差。改进的方法是像电视和录音/录像那样进行全数字化改造。
欧洲的世界无线电组织(DRM)和美国已先后向国际电信联盟(ITU)提出了自己的数字AM广播(DAMB)系统方案，均被ITU接受为国际标准。但是，美国提出的DAMB标准采用带内同频方式，需要制造全新的数字广播发射机和建立全新的数字广播网络；而欧洲的DRM标准采用编码正交频分复用(COFDM)方式，信号为复数形式，需要对载波的幅度和相位同时进行调制，但现有的大功率AM广播发射机只能利用音频信号调制载波的幅度，这就需要对其全部进行改造。另外，两种标准的DAMB接收机也与现有的MW/SW收音机不兼容。由于美国经济实力强大，对DAMB可以另起炉灶；欧洲小国为多，每个国家无需改造几部发射机。而我国幅员辽阔，现有大量的广播电台和MW/SW发射机，若按欧、美方案改造或更新将是一笔不小的负担，也不利于将来数字收音机成本的降低。另外，从广播的政治色彩和宣传任务考虑，国内各广播电台也不愿轻易改动现有的广播网络和MW/SW广播发射机。
发明内容
技术问题本发明的目的是提供一种在完全不改变现有的MW/SW调幅广播发射机和收音机的情况下，而实现信号与传输的数字化的向下兼容的调幅广播数字化传输方法。
技术方案为了充分利用国内现有的大功率AM广播发送设备，不对广播网络和广播发射机做任何改动，本发明提出将数字调制后的信号直接从现有模拟AM广播发射机的音频口接入，像普通声音信号一样，对发射载波的幅度进行调制后经天线发送；而数字接收机可直接从普通MW/SW收音机的检波端或音频输出口取得数字调制信号，解调后即为传送的数字信息。若接收的仍为现有的模拟声音AM调制的信号，则可省去数字解调这一步骤，这就是所谓“向下”(或向后)兼容的含义，即新一代的数字AM收音机，仍然可以收听传统的模拟AM广播节目。但反之不然若用普通的模拟MW/SW收音机接收数字AM广播节目，听到的将是一片噪声或干扰！即“向上”不能兼容。
要达到本发明的目的，这就需要让数字调制信号直接通过模拟的AM广播信道传输。由于现有的AM广播当初为了简化收音机，而采用了保留载波的双边带(DSB)调幅方式，这就浪费了一半频带资源，因为单边带(SSB)中已包含了调制信号全部的信息。因此本发明的实际可用带宽只有欧、美方案的一半，这就需要节省或更合理地利用宝贵的频率资源必须压缩信号带宽，提高频带利用率，并证实发明的可行性。
具体的传输方法是把经过数字基带调制的音频信号直接送入模拟调幅广播发射机的音频输入端口，对射频载波进行保留载波的双边带调幅后发射；接收机则采用相应的非相干调幅解调方法或相干调幅解调方法得到发送的数字基带调制的音频信号。
所述的向下兼容现有模拟调幅广播收音机的数字调幅广播信息的非相干解调方法为，射频或中频信号的解调，直接取自普通中/短波收音机的检波输出端或音频输出口，沿用现有模拟调幅广播收音机的包络检波方法。
所述的向下兼容现有模拟调幅广播收音机的数字调幅广播信息的相干解调方法为，射频或中频信号的解调，直接取自普通中/短波收音机的中频输出端，采用类似于单边带调幅信号的正交解调方法，利用两个边带滤波器分别取出上下边带信号相加后再输出。
1)发送端发送端主要包括信源编码、信道编码、基带调制和射频(RF)调制四个步骤。其中前三个步骤是数字通信领域公知的，可以直接沿用或改进现有的标准和技术，而最后一个步骤则直接利用现有广播发射机的模拟射频调制器。
①信源编码可以分为两路一路是对目前为模拟信号的现场播音或事先录音数字化后压缩编码(声音编码)，另一路是对可能与数字化声音一起传输的夹带数据(如字幕、图形、图像等)进行相应的编码，然后将两路输出时分复用(TDM)为一路编码数据流。
②信道编码对信源编码器输出的TDM数据流进行扰码(使其中的“0”和“1”基本均匀)、纠错编码(额外添加一些冗余位，以增加传输的可靠性)和交织(把突发误码转化为随机误码)。
③基带调制即将经过信道编码的数字码流再次转换成模拟信号，其频带范围与原模拟声音信号的频带范围相同(中波为4.5kHz或5kHz以内，短波为5kHz以内)，故在此也可以称之为音频调制。
④射频调制目的是将音频范围内的包含信息的基带信号，向上“搬移”到一个频率更高(即发射频率或射频)的载波上，以便更适合远距离的传输与接收。现有的模拟MW/SW广播发射机是利用音频信号控制发射载波的幅度，而本发明也将模拟的基带信号经同一个音频口接入广播发射机的调制器，对发射载波进行完全相同的DSB调制，因而无须对现有的AM广播发射机进行任何改动。
2)接收端接收端也主要包括与发送端顺序相反、过程相逆的四个步骤，即射频解调、基带解调、信道译码和信源解码。
①射频解调其实是中频(IF)解调，因为标准的AM广播接收机即普通的MW/SW收音机多采用超外差方式把接收信号从RF下变频到IF，因而解调是在IF(我国标准为465kHz)进行，即利用检波器取出放大后的IF信号的包络，同时滤除IF载波。而该包络信号就是广播的声音信号(可以直接取自检波器的输出端或收音机的音频输出口)，而在此则为发射端传送过来的基带信号。只是这样的包络检波是一种非相干的解调方法，因其未利用载波的相位信息，因而虽然实现简单，但性能却不如相干解调方法。
本发明同时提出一种性能增强的DSB调制相干解调方法。一般的SSB解调是用一个与发送载波同频但正交的本地载波与之相乘，再用相应的滤波器滤出所需的上边带或下边带信号。这样的方法也完全可以用来相干解调DSB调制信号，因为任何一个边带中均已包含了所有的发送信息，取哪一个都行。但是，两个边带中的噪声或干扰却未必完全相同(如幅度、相位和频率)，因此，若将两个边带信号同时滤出后相加，即可提高接收性能。这就是本发明所谓的性能增强型DSB相干解调，但此时输入信号只能取自收音机的IF输出端。
②基带解调、信道译码和信源解码分别为发射端所采用的相应的基带调制、信道编码和信源编码的逆处理过程，均为数字通信领域公知的，不再赘述。
有益效果1)无须改动现有的模拟AM广播发射机数字调制的基带信号可直接从音频口接入，可仍然维持现有的保留载波的双边带调幅体制；2)无须改动现有的中/短波收音机数字基带信号可直接取自收音机的音频输出，便于实现，且数字收音机仍可接收现有的模拟AM广播，确保带宽兼容和向下兼容；3)很容易适应未来新的SSB广播发射机在采用现有DSB传输时，本方案的带宽窄了一半，因而码率要低一半；但若采用两个SSB传输，则理论上带宽可与DRM一致，可提高音质或同时传两路节目。因而修改方便，更加灵活；4)由于本方案的带宽窄了一半，若基带采用OFDM调制，则在同等条件下子载波数目只有DRM标准的一半，因而也显著减小了OFDM调制信号的峰值功率与平均功率之比，有利于发射机效率的提高和失真的减少；5)价格低廉发射端的编码/调制可借助于PC机和声卡软件实现；而接收端则可借助于普通收音机+PC+声卡，软件实现。本方案的数字收音机结构简单，易于单片集成电路(IC)实现，价格比欧美方案低廉；6)收音机容易适应不同的体制或标准，既可以作为过渡期产品，也容易升级到最终的国际标准或能适应多种标准的多制式产品。且其思路也完全可移用于调频(FM)广播的数字化；7)与现有模拟AM广播覆盖范围相同时，发射机可降功率使用；反之，覆盖范围加大；
8)较高档的数字收音机还可以选择相干解调，进一步改进接收质量(或将用于信道的码率分配给信源，以进一步改善音质)。
图1是向下兼容的DAMB发射系统的原理框图，其中左边的虚线框内为数字基带编码调制器，而右边则为现行的模拟AM广播发射机。
图2是向下兼容的DAMB接收系统(非相干IF解调)原理框图，其中左边的虚线框内为数字基带解调解码器，而右边则为普通的模拟AM广播收音机。
图3是向下兼容的DAMB接收系统(相干IF解调)原理框图。
具体实施例方式
向下兼容的调幅广播数字化传输方法是把经过数字基带调制的音频信号直接送入模拟调幅广播发射机的音频输入端口，对射频载波进行保留载波的双边带调幅后发射；接收机则采用相应的非相干调幅解调方法或相干调幅解调方法得到发送的数字基带调制的音频信号。图1是向下兼容的DAMB发射系统实施例左边虚线框内为数字基带编码调制器，其中声音编码采用音质改善的(主要将输入频带加宽，采样频率提高)ITU-T G723或G729语音压缩标准，而信道编码调制则采用与DRM方案类似的COFDM体制，只是子载波数减少了一半。数字编码调制后的信号直接入右边的模拟AM广播发射机的音频口，完成DSB调幅并功率放大后经广播电台的天线发射出去。
向下兼容现有模拟调幅广播收音机的数字调幅广播信息的非相干解调方法为，射频或中频信号的解调，直接取自普通中/短波收音机的检波输出端或音频输出口，沿用现有模拟调幅广播收音机的包络检波方法。图2是向下兼容的DAMB接收系统在IF上的非相干解调实施例其中虚线框右边为普通的超外差收音机，它将接收到的高频信号混频成465kHZ(或更低)的标准中频信号，放大后直接采用收音机中现有的检波器取出信号的包络，此即经COFDM编码调制的基带信号。然后送入图2左边虚线框内的数字基带解调解码器，先后完成OFDM解调、信道译码及信源解码，得到信息码流经数-模转换器(D/A)变换成模拟的音频信号。注意数字基带解调解码器的输入信号可以直接取自收音机的音频输出端口。
向下兼容现有模拟调幅广播收音机的数字调幅广播信息的相干解调方法为，射频或中频信号的解调，直接取自普通中/短波收音机的中频输出端或音频输出口，采用类似于单边带调幅信号的正交解调方法，利用两个边带滤波器分别取出上下边带信号相加后再输出。图3是向下兼容的DAMB接收系统在中频上的相干解调实施例与图2不同的是要产生一个与混频后的IF信号频率相同但相位相差90°的信号与IF信号相乘，再用相应的边带滤波器分别取出上下边带后相加，即得到送给数字基带解调解码器的一个输入样本。其余处理过程与图2的实施例相同。图3比图2更复杂，但性能也会更好。而且若将其用于经典的模拟AM广播收音机，亦有助于其性能的提高。
权利要求
1.一种向下兼容的调幅广播数字化传输方法，其特征在于把经过数字基带调制的音频信号直接送入模拟调幅广播发射机的音频输入端口，对射频载波进行保留载波的双边带调幅后发射；接收机则采用相应的非相干调幅解调方法或相干调幅解调方法得到发送的数字基带调制的音频信号。
2.根据权利要求1所述的向下兼容的调幅广播数字化传输方法，其特征在于所述的向下兼容现有模拟调幅广播收音机的数字调幅广播信息的非相干解调方法为，射频或中频信号的解调，直接取自普通中/短波收音机的检波输出端或音频输出口，沿用现有模拟调幅广播收音机的包络检波方法。
3.根据权利要求1所述的向下兼容的调幅广播数字化传输方法，其特征在于所述的向下兼容现有模拟调幅广播收音机的数字调幅广播信息的相干解调方法为，射频或中频信号的解调，直接取自普通中/短波收音机的中频输出端，采用类似于单边带调幅信号的正交解调方法，利用两个边带滤波器分别取出上下边带信号相加后再输出。
全文摘要
向下兼容的调幅广播数字化传输方法是一种无需改变现有的中/短波段调幅广播发射机和相应的收音机，即可实现数字化声音及其它信息的传输与接收方法，该方法把经过数字基带调制的音频信号直接送入模拟调幅广播发射机的音频输入端口，对射频载波进行保留载波的双边带调幅后发射；接收机则采用相应的非相干调幅解调方法或相干调幅解调方法得到发送的数字基带调制的音频信号。本发明同时提供了传统的包络检波和性能更好的相干解调两种中频解调方案，采用本发明的数字收音机，可以向下兼容传统的模拟AM广播收音机。
文档编号H04B1/06GK1558560SQ20041001404
公开日2004年12月29日 申请日期2004年2月12日 优先权日2004年2月12日
发明者吴乐南, 张仕元, 李旭明 申请人:东南大学