（机械电子工程专业论文）数字立体声调频激励器设计.pdf

四川大学硕七学位论文数字立体声调频激励器设计机械电子工程号业研究生李金瑞指导老师韩震宇近年来由于大规模集成电路和计算机技术的进步，信号的数字处理技术得到了飞速发展，在音频广播领域，数字激励器凭借着模拟激励器所不可比拟的优越性越来越得到人们的重视，但由于价格的巨大差异，其应用范围还没有模拟激励器广泛。我国国内还没有生产数字激励器的厂家，各广播发射机厂家所采用的激励器全部依赖进口，因此，研制数字激励器对于降低广播设备成本，提高广播质量有着重要的意义。本文首先介绍了激励器的国内外现状以及数字激励器与传统模拟激励器相比有何优越性，接着分析了国家标准对于调频广播的相关规定并进行了系统设计，然后主要介绍了激励器前向通道设计以及如何使用d s p 实现导频制复合立体声信号的合成。前向通道模块包括模拟通道和数字通道的设计以及数字信号的采样率变换。模拟通道的设计包括了模拟信号的预加重处理以及a d c 器件的选择；数字通道的设计包括了对a e s e b u 标准数字信号格式的分析，以及如何使用数字音频接口芯片c s 8 4 2 0 将输入的数字信号进行解码，以提取出其中的数字音频信号，并进行采样率转换；而采样率变换部分采用整数倍内插算法，将输入的数字信号或者模拟采样信号的采样率提高，在设计内插滤波器时，采用多级滤波算法以解决直接设计滤波器窗函数带来问题。调频立体声基带信号的合成是本系统的核心，前向通道输入的左、右路音四川大学硕士学位论文频以及副载波采样、插值之后的数字信号需要在这一部分合成符合国家标准规定的复合立体声基带信号。合成该信号时需要多路余弦信号，但由于它们的频率都不高，可以借鉴数控振荡器的原理，采用查表法来将其产生。因此本文对数控振荡器的工作原理以及如何合理安排时序关系以产生所需的多路余弦波的问题进行了详细的说明和论述。本文最后简要介绍了系统核心部分所需的商速数字信号处理芯片，t i 公司t m s 3 2 0 c 5 5 x 系列d s p 芯片的特点及编程和配置方法。关键词：数字激励器数控振荡器数字信号处理四川大学硕士学位论文d e s i g no fd i g i t a ls t e r e of me x c i t e rs p e c i a l t y ：m e c h a t r o n i c sc a n d i a t e ：l ij i n m id i r e e t o r ：h a nz h e n y uw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs c i e n c ea n di n t e g r a t e dc i r c u k ，t h et e c h n o l o g yo fd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh a sa l s ob e e ng r e a t l yd e v e l o p e d i nt h ef i e l do f a u d i ob r o a d c a s t i n g ，b e c a u s eo f t h eg r e a ta d v a n t a g e sc o m p a r et ot h ea n a l o ge x e t e r , t h ed i g i t a le x c i t e ri sb e i n gt a k e nm o r ea n dm o r es e r i o u s l y h o w e v e r , t h ed i g i t a le x c i t e ri sn o ta sw i d e l yu s e d 船a n a l o gc o u n t e r p a r tb e c a u s eo f i t sh i 班j 埘c e i no u rc o u n t r y , t h e r ei sn of a c t o r yw h i c hp r o d u c e sd i g i t a le x c i t e r , a n dm o s to ft h ee x c i t e r su s e di nr a d i ot r a n s m i t t e r sa r ei m p o r t e df r o mf o r e i g nc o u n t r i e s t h u s ，i th a sav e r yf a r - r e a c h i n gm e a n i n gt od e v e l o pad i g i t a le x c i t e r 磊?a tt h eb e g i n n i n go ft h i st h e s i s ，i ti n t r o d u c e st h ei n - c o u n t r ya n do u t - c o u n t r ya c t u a l i t yo ft h ed i g i t a le x c i t e r , t h e ni ta n a l y s e st h en a t i o n a ls t a n d a r da b o u tt h ef mb r o a d c a s t i n ga n db r i n g so u tt h ed e s i g no ft h es y s t e mm o d u l e s t h ef o l l o w i n gp a r a g r a p h sm a i n l yd e s c r i b et h ed e s i g no f t h ef o r w a r d - d i r e c t i o nc h a n n e la n dh o wt os y n t h e s i z et h ep i l o t - t o n ef ms t e r e os i g n a lb a s ew i t hah i g h - s p e a dd s et h ef o r w a r d - d i r e c t i o nc h a n n e lm o d u l ei n c l u d e sa n a l o gc h a n n e l ，d i g i t a lc h a n n e la n dt h ec o n v e r s i o no ft h ed i g i t a ls i 印a l ss a m p l e - r o t e t h ed e s i g no ft h ea n a l o gc h a n n e li n c l u d e st h ep r e - e m p h a s i so ft h ea n a l o gs i g n a la n dt h es e l e c t i o no ft h ea n a l o g - d i g k a lc o n v e r t e r ；t h ed e s i g no ft h ed i g i t a lc h a n n e li n c l u d e st h ea n a l y s i so fa e s e b uf o r m a td i g i t a ls i g n a l ，a n di ta l s oi n c l u d e st h a th o wt ou s et h ed i g i t a la u d i oi n t e r f a c ec h i p s e t , c s 8 4 2 0 ，t od e c o d et h ei n p u td i 班a la u d i os i g n a la n dt oc o n v e r ti t ss a r n p l e - m t e ；t h ec o n v e r s i o no ft h es a m p l e r a t ei sb a s e do nt h ei n t e r p o l a t i o na l g o r i t h m ，i t sp u r p o s ei st ou pc o n v e r tt h es a m p l e r a t eo ft h ei n p u t四川大学硕士学位论文d i g i t a ls i g n a l m u l t i - l e v e lf i l t e ra l g o r i t h ms h o u l db eu s e di nt h ed e s i g n i n go ft h ei n t e r p o l a t i o nf i l t e rt os o l v et h ep r o b l e m so f t h ew i n d o w - f u n c t i o nf i l t e r t h es y n t h e s i z i n go ft h ep i l o t - t o n ef ms t e r e os i g n a li st h ek e ym o d u l ei no u rs y s t e md e s i g n i n g i nt h i sm o d u l e ，t h ei n p u ta u d i os i g n a l so ft h el e f ta n dr i g h tc h a n n e la n dt h eu p - c o n v e r t e dd i g i t a ls i g n a la r en e e d e dt ob es y n t h e s i z e di n t op i l o t - t o n ef ms t e r e os i g n a la c c o r d i n gt ot h en a t i o n a ls t a n d a r d t h e r ea r es e v e r a lc o s i n ew a v es i g n a l sn e e d e di nt h es y n t h e s i z i n go ft h eb a s e b a n ds i g n a l b e c a u s et h a ta l lo ft h e s ec o s i n ew a v es i g n a l sa r eo fl o wf r e q u e n c y , i ti sf e a s i b l et ou s et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h en c o 限u m e r i c a lc o n t r o l l e do s c i l l a t o r ) f o rr e f e r e n c et og e n e r a t et h e mb yl o o k i n gu pac o s i n et a b l e t h u s ，t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h en c oa n dd i s c u s s e dh o wt oa r r a n g et h es c h e d u l i n gt og e n e r a t et h ec o s i n ew a v es i g n a l sc o r r e c t l y i nt h ee n do ft h i st h e s i s ，i ti n t r o d u c e st h eh i g h - s p e e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o ra n dt h ew a y so fp r o g r a m m i n ga n dc o n f i g u r i n gt h et m s 3 2 0 c 5 5 xs e r i e sd s pp r o d u c e db yt ic o r p o r a t i o n k e yw o r d s ：d i s t a le x c i t e rn c od s pk 四川大学硕士学位论文第一章绪论1 1课题的背景无线电音频广播是传播信息的重要途径之一，在人们的日常生活中占有重要的地位，对广播播音质量的追求是一个技术人员必须不断思考的问题；广播业目前面临着巨大的机遇与挑战：一方面，网络多媒体的发展对传统的音频广播以及电视等传统的信息传播媒体产生了巨大的冲击，而另一方面，交通业的发展又带来了对同步广播的技术需求；数字广播标准的出台使人们可以享受到前所未有的播音质量，这就是d a b 技术的出现与兴起，但实施该技术不但面临一个巨大资金的投入问题，还面临着一系列的技术难题：数字音源的普及对传统模拟激励器的冲击、无线电频率资源的合理利用，例如利用附加节目通道传送信息等等。这些与广播技术相关的社会需求、政治需求对音频广播设备提出了更高的要求，也是我们之所以选择该项课题的理由和依据。1 2数字激励器的优越性根据内部信号处理方式的不同，调频激励器可分为数字式和模拟式两种。模拟调频激励器是采用模拟信号处理及频率调制技术的激励器。模拟f m 技术经过6 0 多年的发展和完善，所能达到的各项指杯不断提高，然而，由于模拟器件的固有缺陷，模拟调频激励器的指标已经接近极限，进一步提高的余地已经很小了。数字调频激励器是主要采用数字信号处理( d s p ) 和直接数字频率合成( d d s )等技术对数字音频进行处理的激励器，其失真小、信噪比高，适合于构成单频同步广播系统，在数字音频广播( d a b ) 系统中的应用正在逐步加大。从原理上说，激励器主要完成两个任务，一是复合信号的合成，二是将合成信号进行调制。对于模拟激励器来说，这两部分都是通过模拟器件来实现的。四川大学硕士学位论文模拟激励器进行立体声编码比较常用的方法是开关法，无论是“硬”开关法还是多级“软”开关法，都无法彻底地滤除在合成信号过程中所引用的高次谐波分量，但最主要的是分离度指标的限制，例如，目前的模拟激励器在较好的情况下分离度指标只能达到5 0 d b 。对于将复合信号进行调制，传统的模拟调频激励器采用调制振荡器以实现调频波的产生。通常情况下，调频信号是通过迫使振荡器成比例的移至一个调制频率所获得：这种方法通过使用一个变容二极管来实现，变容二极管做为振荡器储能电路的一部分，储能电路中心频率随调制电平的改变而改变，当中心频率改变时，振荡器的频率也随着改变。由于变容二极管和其他模拟器件对环境的敏感性，如易受温度、湿度和电磁干扰的影响，以及v c o 非线性度的影响，使得模拟调制方法在f m 噪声、线性度等指标上无法进一步提高，而且使得设备的维护和参数的调整也不易实现。对于数字激励器来说，复合信号的合成采用d s p 芯片，左右路通过不同通道采集并在d s p中存放于独立的存储器单元中，前向通道不存在左右路串音的问题，在分离度指标上会有质的提高。对于复合信号调制采用d d s 技术，使各项指标不会受到环境影响，且参数调整方便。从发展趋势来说，数字音频处理理论已经趋于完善，随着计算机和数字电路的高速发展，超大规模集成电路技术的成熟，数字电路工作频率越来越高，数字音频处理理论已经可以通过集成数字电路运用于实际，而且数字音频存储、传输和处理方法上与模拟音频相比都有着本质的区别，在音频质量上更是有模拟音频不可比拟的优越性，实现广播系统的数字化是必然趋势，而模拟激励器不提供数字音频接口，不能直接处理数字音频信号，如果要处理数字音源输入的数字信号则必须先转换为模拟信号，而这样势必就会降低音频质量，而且处理繁琐。数字激励器则提供了数字接口，可以直接接收数字音源的输入并直接进行处理，保证了音质，简化了处理步骤，就算输入的是模拟信号，也可以先进行a d 转换并通过数字滤波等手段提高音频质量，然后进行下一步的处理。通过以上论述可以看出，与模拟激励器相比，数字激励器有着明显的优势。21 1i四h i 大学硕十学位论文1 3国内数字外激励器现状虽然数字调频激励器的性能普遍优于模拟激励器，但因价格的巨大差异，就目前世界经济水平而言，模拟激励器在全球的应用范围仍远比数字激励器广。就我国而言，广播数字化还远未普及，国内的大部分厂家生产的广播发射机所用激励器为模拟激励器，而且全部依赖外国进口。1 9 9 3 年以来，下述公司开始生产调频立体声数字激励器：1 美国h a r r i s 公司h a r r i s 公司生产调频数字激励器最早。具有a e s e b u 接口，可以增加模拟接口模块以适应模拟信号输入，将模拟信号转换为数字信号后再进行调制。2 美国大陆电子公司美国大陆电子公司( c e c ) 的数字激励器8 0 2 d 以4 8 6 6 6 计算机为核心，具有4 m br a m 、4 m be e p r o m ，采用软件进行立体声编码。3 加拿大n a u t e l 公司n e 5 0 数字激励器加拿大n a u t d 公司的n e 5 0 数字激励器由d d s 提供3 2 b “数字信号形成载波信号，使用2 4 b i t 的d s p ，当a e s e b u 信号受到干扰时，可以用模拟口输入立体声复合信号、左右路音频信号、s c a 信号，经过加重、数字化处理后送到d d s 上。采用高速数字信号处理的n a u t e l 数字转换技术保证了极低的失真，并避免了互调分量的产生，输出功率1 5 5 w 。这些数字式调频激励器的出现，极大地提高了调频系统的技术指标。通常其技术指标为：调频信噪比大于8 0 d b ；谐波及互调失真优于o 0 l ；立体声分离度达6 0 d b 以上；音频频率响应优于士o 1 d b ；基本达到“准c d ”的质量。国内还没有生产数字激励器的厂家，虽然进口的数字激励器各项指标优越，但成本太高，因此在设计数字激励器的时候，成本也是必须要考虑的一个问题。四川大学硕士学位论文1 4该课题研究的主要工作本课题研究的主要工作包括以下几个方面1 4 1 系统原理设计分析激励器输入信号的格式和我国国家标准规定的导频制调频立体声复合信号的频谱组成，以及如何将输入信号合成为符合我国国家标准规定的复合立体声信号。激励器的输入信号包含立体声信号左( l ) 路、右( r ) 路以及辅助通信业务( s c a ) 信号，导频制的复合立体声信号包含两路信号的和( l + r ) ，两路信号之差的抑止载波信号的双边带调制，导频信号，以及进行频率调制的s c a 信号。该方案的核心是基于数控振荡器( n c o ) 原理，采用高速d s p 芯片，实现导频制调频立体声的基带信号的合成。数控振荡器的输出时钟频率由d s p 产生，该频率的稳定性决定了输出余弦波信号的质量，进而决定了最终合成的复合立体声信号的质量。d s p 除了用来产生1 9 k h z 的导频信号以外还要对输入的左右路音频信号进行运算以合成复合立体声信号并输出。1 4 2 系统各个模块设计1 系统前向通道设计输入信号的预处理和采样激励器应该提供数字和模拟音频接口，如果演播室送来的信号为数字信号，则将其进行解码和速率变换处理之后输入d s p 进行下一步的处理；如果是模拟信号，则首先进行预加重处理，增大高频部分的信噪比，然后经过低通滤波器，滤掉高于1 5 k h z 的噪声，经过a d c 转换为数字信号，经过采样率变换处理再输入d s p 进行下一步的处理。2 擞字立体声信号的合成4四川大学硕士学位论文数字复合立体声信号中包含一路或多路辅助广播信号，要对这些信号进行频率调制则需要多路余弦波的值，由于这些余弦波的频率都不高，所以这些余弦值的产生可以借鉴n c o 的工作原理，通过按照严格的时序查找一个余弦表的方法来获得，因此，必须合理安排信号输入和查找余弦表的时序。这部分是该课题的核心，这部分的工作情况直接影响到了整个系统的各项指标，尤其是多路余弦波的产生，如果时序安排不当，会给系统带来很大的相位噪声，严重时甚至影响到系统的正常工作。3 系统后向通道设计信号的输出、上变频和功率放大d s p 输出的数字信号可以直接通过数字上变频器完成频率的调制，然后通过d a 转换输出模拟信号，也可以先经过d a 转换成模拟信号，用传统的锁相环技术完成频率的调制。当信号被调制到8 7 1 0 8 m h z 的发射频段后，还需要初步的功率放大才能输出给广播机，完成进一步的功率放大以及发射等工作。4 显示、控制以及系统的自我保护激励器的各项参数，如输出功率、频率、时间和日期、灵敏度等等应该可以通过按键或旋钮的输入加以调整，并通过显示屏把系统的各项参数以及工作情况向用户直观地显示出来，而对于系统输入过荷以及工作温度的异常等情况应作出相应的处理，以保护系统不会被破坏。本文只对前两个模块，即前向通道设计以及数字立体声信号的合成两个模块做详细的介绍。1 4 3d s p 的原理及其在本课题中的应用该课题涉及到了实时数字信号处理的范畴，对信号处理的时序要求严格，因此选用高速器件是必须的，合理的应用这些器件对于本课题将起到事半功倍的效果，因此，对于高速数字信号处理( d s p ) 芯片的应用研究也是该课题的任务之一。以下各个章节将对这些工作做详细的介绍。四川大学硕士学位论文第二章系统总体方案设计数字激励器系统设计的最终目标，是把输入的音频信号合成为国家标准规定的导频制复合立体声基带信号，因此，在进行系统的总体方案设计之前，必须首先讨论一下我国双声道调频立体声广播的制式，以及国家对于调频广播复合基带信号的一些相关规定。2 1双声道调频立体声广播的制式【1 l双声道立体声发射系统先将声源的全部信息分成左( l ) 、右( r ) 两路声频信号，然后再将两路声频信号经过处理，合成复合信号并调制到发射频率上，再经过发射机进行功率放大后发送出去。双声道立体声接收重放系统则把接收到的立体声广播信号经过解调恢复成左、右两路声频信号，再将它们分别送到位于收听者左前方和右前方的两套独立的扬声器。左、右两路信号的强度差、时间差、音色差就会使收听者感受到立体声的空间效果。双声道立体声广播系统首先要解决的问题是如何拾取左、右双声道信号。通常采用的方法有a b 制、x y 制、m s 制、假人头制等等。各种拾取方法各有其优缺点。采用哪种方法，要根据录制的要求和节目的内容而定。立体声广播系统要解决的另外一个问题是左( l ) 、右( r ) 声道信号的传输问题，也就是立体声广播的制式问题。制式选择的原则：第一是要有兼容性。即立体声广播接收机可以接收单声道广播信号，而无立体声效果。单声道广播接收机可接收立体声广播信号，实现单声道收音。第二是要保证左右两路声频信号高质量的传输，在接收机中能高质量的重现。第三是制式的实现技术不太困难，设备不太复杂，成本低，价格是接收者所能接受的。6四川大学硕士学位论文根据这些要求，目前采用的方法是将左、右声道信号相加得到一个和声道信号m = l + r ；再将左、右声道信号相减得到s = l r 。和声道信号包含了声源的全部信息。单声道的收音机只要接收和信号m 就可实现单声道放音。立体声收音机将接收到的和信号m 和差信号s ，经过m + s = 2 l 、m s = 2 r 运算，重现出左、右两声道音频信号，从而实现立体声放音。和、差两路信号传输方式通常有频率分割制、时间分割制和方向分割制。目前已经使用的频率分割制又有两种，一种是导频制，另一种是极化调制制。美国、英国、德国、日本和我国采用的都是导频制。俄罗斯等少数国家采用的是极化调制制。导频制的立体卢广播的调制方式又有两种。一种是f m f m 制，它是用差信号对副载波进行调频，之后把它与和信号相加，形成基带信号；再用基带信号对射频进行调频。另一种是a m f m 制，它是用差信号对副载波进行抑止载波的双边带调制( d s b s c ) ，之后再与和信号相加，形成基带信号；再用基带信号对射频调频。d s b - s c 调制信号的解调是采用同步检波方法，为此必须有一个与副载波同步、同相的本地振荡信号，为此，必须在基带信号中插入一个导频信号，取其频率等于副载波频率的一半。我国采用的是导频制，接下来简要介绍一下我国国家标准对于导频制立体声广播的一些相关规定。2 2我国国标对于调频立体声广播的有关规定2 2 1 立体声广播我国国家标准( g b t 4 3 1 1 2 0 0 0 ) 明确规定：调频广播的频率范围为( 8 7 1 0 8 ) m h z 。从8 7 0 m h z 开始至1 0 7 9 m h z ，按0 1 m h z 的频率间隔设置电台，射频主载波的调制方式为频率调制，对应于1 0 0 调制时的频偏为4 - 7 5 k h z 。立体声广播采用导频制。射频主载波的调制信号是立体声复合信号。立体声7四川大学硕士学位论文复合信号由下述信号构成：信号m ：由对应于立体声左路信号l 和右路信号r 之和的一半构成，信号m 以与单声道信号相同的方式进行预加重，为基带信号中3 0 h z 至1 5 k h z 部分；信号s ：由对应于立体声左路信号l 和右路信号r 之差的一半构成，信号s以与信号m 相同的方式进行预加重。经预加重的s 信号对导频信号的二倍频进行抑止载波的双边带调制，为基带信号中2 3 k h z 至5 3 k h z 部分；导频信号：导频信号频率为1 9 k h z 。立体声复合信号的基带如图2 1 所示。1 0 0 ，9 0 * 3 01 5 k1 9 k2 3 k3 8 k5 3 k衲审h z图2 - 1 立体声复合信号基带图立体声复合信号的调制度：信号m ：最大为+ 7 5 k h z 调制度的9 0 ( 左路信号l 和右路信号r 幅值相等且同相) ；信号s ：最大为+ 7 5 k h z 调制度的9 0 ( 左路信号l 和右路信号r 幅值相等但反相) ；1 9 k h z 导频；为7 5 l 【h z 的8 1 0 。2 2 2 多路声广播多路声广播指在单声道或立体声广播( 主节目) 之外，再增加一路在6 7 k h z8四川大学硕士学位论文副载波上进行频率调制的广播节目( 附加节目) ，本文只考虑立体声带附加节目。立体声带附加节目是指在进行立体声广播时，增加一路调制在6 7 k h z 或7 6 k h z 副载波上的附加节目。立体声复合信号对射频主载波的调制频偏为最大频偏的9 0 ，附加节目副载波对射频主载波的调制频偏为最大频偏的1 0 。附加节目音频信号的频率上限为6 k h z ，预加重时间常数为5 0 p s 。可采用压扩技术，压缩比为2 ：l 。附加节目信号对调制副载波采用频率调制，其最大调制频偏为+ _ 4 k h z 。附加节目载波对射频主载波的频偏为最大频偏的1 0 ( 7 5 k h z ) 。对于6 7 k h z 副载波，附加节目信号对其调制后占据基带信号的6 1 k h z 至7 3 k h z段，如图2 - 2 所示。对于7 6 k h z 副载波，附加节目信号对其调制后占据基带信号的7 0 k h z 至8 2 k h z 段，如图2 3 所示。1 0 0 9 0 孙1 5 1 ：1 9 t ：2 3 k3 被5 强6 l k6 1 北颤辜l k图2 - 2 立体声附加节目基带图( 6 7 k )图2 - 3 立体声附加节目基带图( 7 6 k )9四川大学硕t 学位论文2 3国标规定在本课题中的应用国家标准的规定为我们提供了设计激励器所需的各种参数，因此，我们在设计激励器时必须以能否满足国家标准的要求作为评价设计是否合格的首要依据。国家标准中规定的调制信号频率上限不超过1 5 k h z ，其总频率特性不超过l d b ，而导频信号为1 9 k h z ，立体声左右声道对附加节目信道的串音，附加节目信道对立体声左右声道的串音，不论附加节目是否有压扩，均应优于- - 6 5 d b 。而国家标准规定的音频信号频率为l k h z 最大调制度时，信噪比( 以l k h z 为基准，预加重) 大于6 0 d b 。这就为我们设计低通滤波器、选择a d c 芯片时要确定的参数提供了依据，其具体应用将会在后面的章节模拟信号的滤波和采样中详细介绍。由上一节中的介绍以及立体声附加节目基带图可知，复合立体声信号的数学表达式为：u ( r ) = m ( t ) + s ( t ) e o s o d o t + p c o s ( t 2 ) + ! ：l 蚴( f )式中，m - 【( f ) + r ( t ) 2 ，s = 陋( f ) 一r ( t ) 2 ，l ( t ) ，r ( t ) 为所输入的立体声左路和右路音频信号。而= 2 疗儡，f o = 3 8 k h z ，为对s 信号进行调幅所需3 8 k h z 余弦信号。p e o s ( t 6 a o 2 ) 为1 9 k h z 的导频信号，其频率为五的一半，设其幅值为p 。g 匕( ，) 为附加节目经调频之后的信号，对于6 7 k h z 副载波，占据基带信号的6 l 7 3 k h z 段，对于7 6 k h z 副载波，占据基带信号的7 0 8 2 k l - l z 段。要合成该信号，需要知道式中各个参数的值，其中m 、s 为与立体声左( l )右( r ) 路相关的值，是由演播室所输入的，只需要采样便可获得，算是已知量，而导频信号的幅值p 和附加信号的幅值q 则需要计算求得。1 0四川大学硕士学位论文从国家标准的规定中可以看出，把复合立体声基带信号调制到8 7 1 0 8 m h z的调制方式为频率调制，按调频的定义，调频波的瞬时频率为缈= c o o + 出o i t ) = + t ，u n ( f )式中a a ，( t ) 是瞬时频率相对于鳓的偏移，叫做瞬时频率偏移，它与调制电压成正比。a c o ( t ) 的最大值叫做最大频移，以a t a 表示，即a c o = | j ，j ( f ) i 。= ，此式中，k ，是比例常数，表示单位调制信号所引起的频移，单位是弧度秒伏( r a d s v ) 。习惯上把最大频移称为频偏。国家标准规定l o o 调锘a j 时的频偏为_ 7 5 k h z ，即七，i ( f ) l 一= 7 5 k h z ，而( f ) = m ( t ) + s ( t ) e o s t a o t + p e o s ( t 2 ) + 她( f ) ，所以；一l u n ( t ) k - k m ( t ) + s ( t ) c o s r o d + p e o s ( t t o o 2 ) + ( f ) 】- 7 5k h z ，也就是：七， m ( t ) + s ( t ) c o s t o o t l u a x + k i p c o s ( t a 9 0 2 ) + k l 瓯( r ) = 7 5 k h z 。国家标准中还提到，信号m 和s 的最大为_ _ _ 7 5 k h z 调制度的9 0 ，也就是说，七， m ( t ) + s ( t ) c o s c o o t u , j x = 7 5 x 9 0 - - 6 7 5 k h z ，由于左路信号u t ) 和右路信号r ( t ) 幅值相等且为已知，设为u ，则u = m ( t ) + s ( t ) c o s a ，0 t u a x ，因此，t ，u = 6 7 5 ，可以求得比例常数k ，。国家标准中规定导频信号的调制度为7 5 k h z 的1 0 ，所以k f p e o s ( t d o o 2 ) 七，尸= 7 5 x 1 0 = 7 5 ，之前已经求得比例常数七，代入便可以求得导频信号的幅值p ，采用同样的方法可以求得附加信号的幅值q 。式中还有几路余弦信号，如对左右路差信号进行调制所需的3 8 k h z 余弦信号、1 9 k h z 的导频信号等等，但因为这些都是标准的余弦信号，可以采用查表的方法得到，具体方法将在以后的章节中做详细介绍。得出这些值之后便可以使用高速数字信号处理芯片进行运算，以求得复合立体声信g - 【，n ( f ) 。四川大学硕士学位论史2 4数字激励器的系统设计圈 ，上罄帅罄馨黜溯辫离稿茼圈；l簋fflllllilj四川大学硕士学位论文经过思考以及广泛的查阅资料，参考h a r r i s 公司的d i g i t c d 数字立体声调频激励器工作原理，提出系统的原理框图如图2 - 4 所示图中前向通道模块包括模拟通道、数字通道设计以及采样率变换部分。模拟通道的设计包括了输入的模拟信号的预加重电路设计、低通滤波器芯片和模数转换器件的选择。数字通道的设计包括了对所输入数字信号的格式分析以及对解码及采样率变换芯片的选择及其使用方法的探讨。国家标准规定的主节目音频信号的频率上限不超过1 5 k h z ，根据奈奎斯特采样定律，要对其进行采样，采样率至少在3 0 k h z 以上，通常的音频处理系统使用的采样率有3 2 k h z ，4 4 1 k h z ，4 8 k h z 等，因此，需要为数模转换器选定一个采样频率，先设其为z 。，而对于数字通道而言，因为其传输的是已经经过采样和编码的数字信号，其采样率设为_ 7 ：，此采样率是由数字音源所决定的，所以，不可避免的会有工，z ：情况的发生，这样的话，就会给后续的处理工作带来很大的麻烦，比如说，当输入信号从模拟通道切换到数字通道时，就需要从数字音源中获得采样率的信息，并根据这些信息调整采样率变换模块中数字滤波器的各个参数，这样就增加了处理的难度和负担。如果能将模拟通道和数字通道对音频信号采样率变换到同一个值，则会使得后续的信号处理工作变得更加方便，由于模拟通道中的数模转换器一旦选定，其采样率就已经确定，不便调整，因此，只能选择合适的可编程器件对数字通道中解码后的信号进行采样率转换，设将输入信号进行采样率变换之后的采样率为z ，则z - - - f , 。= z ：。需要特别说明的是，这部分采样率变换的工作并不是在采样率变换器中完成的。由之前的介绍可知，如果只是对于音频信号采样，其采样率只需在3 0 k h z以上就可以满足要求，但是，最终合成的复合立体声信号不仅仅是音频信号，还包含了导频信号、附加节目信号等，而国家标准规定，基带信号的频率范围限制在从直流到9 9 k h z 范围内，根据奈奎斯特定律，要处理此信号，则数字信号的采样率至少在2 0 0 k h z 以上，在工程应用中，信号采样率是被采样信号的1 3四川大学硕士学位论文2 5 倍以上，即信号的采样率需要在2 5 0 甚至3 0 0 k h z 以上，直接采用数模转换芯片以这么高的速度对信号进行采样是不合理甚至是不可实现的，因此就需要使用一个器件将低采样的信号进行处理，将其采样率提高，这个器件就是图中的采样率转换器，它既可以选择现成的采样率转换芯片，也可以采用数字信号处理芯片( d s p ) 通过软件编程来实现。将采样率变换之后的数字信号输入立体声合成器，该部分也需要使用d s p芯片通过编程的方式实现，它完成的任务主要是：按照前一节介绍的复合立体声信号的数学表达式( f ) = m ( t ) + s ( t ) c o s t o o t + p c o s ( t ，2 ) + ( f ) 进行运算，以获得导频制复合立体声信号。数字频率合成器( d d s ) 将合成的复合立体声数字信号调制到5 6 m h z 的中频，然后经过数模转换器将其转换为模拟信号，再通过模拟调制方式将中频信号调制到8 7 1 0 8 m h z 的射频，进行功率放大之后输出。之所以不直接以数字的方式将复合立体声信号调制到射频，主要是出于两方面方面考虑，首先是工程实现方面，高频的数字频率合成器并不常见，即使可以将复合数字信号调制到射频，又对数模转换器提出了过高的要求，因而是工程难以实现的；其次是成本方面，模拟的频率合成技术已经非常成熟，对中频信号进行调制和功放所需的模拟电路成本很低，且不会使调制信号的参数指标有显著下降。图2 4 中的a d c 、解码及采样电路、采样率变换器、d s p 和控制单元等数字电路芯片的工作全都需要时钟脉冲，而且要处理的数字信号间有着严格的时序关系，因此，必须采用统一的时钟源以减少甚至避免数字信号处理时的时序冲突，而且，如果将统一的时钟源改为从卫星接收的时钟信号，就能够实现激励器的同步广播功能，这为系统的升级维护工作提供了便利条件。图2 - 4 中的前向通道和立体声合成单元所处理的信号带宽不超过4 0 0 k h z ，属于低频信号，后向通道中的d d s 输出为5 6 m h z 的中频模拟信号，经混频器将其调制之后为8 7 1 0 8 m h z 的高频发射信号。采样率转换器和立体声合成器需要使用数字信号处理芯片( d s p ) 通过软件编程的方式实现。1 4厂二二一二第三章数字激励器前向通道设计模拟通道，这是由信号源所决定的。两部分不可能同时接入，通过多路开关选择其中一个输入通道。模拟通道的设计比较复杂，包括了预加重网络的电路设计、低通滤波器芯片的选择以及数模转换器芯片的选择等。模拟通道需要完成的任务主要是将模拟信号源的输入信号进行处理和采样，将其转化为数字信号，提供给后续的数字信号处理芯片进行下一步的处理。数字通道的设计相对简单，一般来说，只要选择合适的芯片就可以完成要求的任务。专业级的数字信号源所提供的信号通常为a e s e b u 格式的数字信号，将其解码之后便可以直接使用。在前一章的介绍中提到，如果能将解码后数字信号的采样率进行变换，使其和模拟通道的采样率相同，将会对后续的工作带来很大的便利，因此，就需要对解码后的数字信号进行采样率变换，这一工作也可以考虑在下一步的采样率转换器中来完成，但实现起来可能会有很大的难度。采样率转换器的功能已经在上一章中做了详细的介绍，本章将着重从原理上讨论如何实现。3 1模拟信号的输入3 1 1 模拟信号的预加重【1 】对于调频波来说，随着调制信号频率的升高，输出信噪比较差。也就是说，噪声频谱是集中在高频段，而且恰恰人声或葺乐的频谱中却是频率越高的成份幅度越小，示意图如图3 - l 所示，这就造成输出端音频越近高频端信噪比降低越严重。如果在接收的节耳信号端加一高频衰减网络，将噪声加以衰减，就可压与输入电压之比为：图3 - 2 无源预加重电路图：箍。丁r(r-嘉)；素(1+jcorc)=4-rorc、扣州= = 垡二一= 二二r 】+ ，吐，f 、邶一，去) 一_ ，去一，去矗矿”一叫式中f = r c ，称为预加重网络的时间常数。于是上式可变为：阱蚤厢刊m 毒则阱j ；眄= i r 1 6毒在立体声编码中，左右路声道均加入图3 0 所示预加重电路。2 刀f o ：! ，即f= 3 1 8 3 h z 。我图3 - 3 有源预加重电路图预加重任务也可以放在后续的数字信号处理模块中通过软件编程来完成，可以带来一定的灵活性并降低系统成本，然而，因为之后的信号处理工作任务已经相当繁重，再增加额外的任务显然是不合理的，而且，预加重电路已经非常成熟，其模拟器件的参数已经很明确，成本也不高，因此，还是在模拟电路中对信号进行预加重处理比较合理。3 1 2 模拟信号的滤波和采样删【4 1 1模拟信号必须经过采样之后才能输入数字信号处理系统进行处理，而任何采样系统都要受到采样定理的约束。采样定理阐述了被取样的信号和取样频率之间的关系。采样定理说明了一个连续的带限信号能被一个离散采样序列所代替而不会引起任何信息的丢失；还阐述了如何从采样中重建原始的连续信号：并进一步指出，采样频率必须至少是信号最高频率的两倍。t 7四川大学硕士学位论文当我们把采样定理应用于音频信号时，必须将输入音频信号先经过低通滤波( l p f ) ，以便使它的频率响应限制在奈奎斯特频率之内。在理想情况下，低通滤波器只去掉人耳所能听到的最高频率以上的那些频率，丽之前在第2 3 节中已经提到，国家标准已经对调频的音频信号做出了明确规定，也就为所要设计的滤波器参数提出了要求，国标中规定的调制信号频率上限不超过1 5 k h z ，则滤波器的通带截至频率就为1 5 k h z ，其总频率特性不超过l d b ，滤波器的通带纹波就必须小于l d b ，而导频信号为1 9 k h z ，滤波器的过渡带带宽就必须控制在4 k h z 以下，而且越窄越好，立体声左右声道对附加节目信道的串音，附加节目信道对立体声左右声道的串音，不论附加节目是否有压扩，均应优于- - 6 5 d b ，这就意味着低通滤波器的阻带衰减必须小于- - 6 5 d b 。所要设计的滤波器必须满足这些参数的要求。经过广泛查阅资料，查找到一些低通滤波器芯片，其中有开关电容低通滤波器，例如凌特公司的l t c l l 6 4 5 、l t c l l 6 4 6 、l t c l l 6 4 7 ，美信公司的m a x 7 4 0 9 、m a x - 7 4 1 0 、m a x - 7 4 1 3 、m a x 7 4 1 4 ，还有4 阶巴特沃思滤波器，例如凌特公司的l t c l 5 6 3 - 2 ，4 阶贝赛尔滤波器l t c l 5 6 3 3 。由于开关电容式滤波器需要提供一个时钟信号，这样可能会对系统时钟的选择带来额外的负担，因此优先考虑u c 1 5 6 3 2 和l t c l 5 6 3 3 ，这种滤波器配置及其简单，只需要给定外围电路几个电阻的值，便可以获得一个联合增益的巴特沃恩或者贝赛尔响应曲线。详细资料可以查阅参考文献【4 1 】。然而，这些模拟滤波器还不能满足前面所提出的技术指标，因此，还需要在以后的处理中加入数字滤波器进行进一步的滤波处理。将滤波后的模拟信号输入模数转换器( a d c ) ，由a d c 将模拟信号转换为数字信号，进行插值滤波之后输入d s p 进行下一步的处理。a d c 的选择：转化音频数据的字长，采用1 6 比特、1 8 比特或更长的比特位是音频信号数字化中使用的经典参数，字长决定了音频信号的信噪比，而国家标准规定的音频信号频率为l k h z 最大调制度时，信噪比( 以l k h z 为基准，预加重) 大于6 0 d b ，当a d c 为1 6 位时的信噪比为2 0 1 9 2 埔9 6 6 0 d b 。因此，1 8四川大学硕士学位论文a d c 字长在1 6 位以上是完全可以满足要求的。逐次比较法采样系统将模拟波形表示成数字信号，存储的信息是幅度的取样值。由于量化引入非线性误差是这种方法的缺点，而且由于使用比较多的比特数，每个比特