能够减小音频失真的可切换接收机 【技术领域】
本发明涉及用于同时接收数字信号和模拟信号的一种接收机，通过这两个信号传送同样的音频节目。此外，本发明还涉及在接收机中从数字信号逐渐切换到模拟信号，以及从模拟信号逐渐切换到数字信号的一种方法。
技术背景
近些年来，人们为广播信号的数字传输建立了许多不同的标准，比如DRM(世界数字无线电)，DAB，ISDB-Tn，IBOC，XM天狼星等。多数无线电接收机还不能对这些数字广播信号进行译码。因此，发射这些数字信号的同时，还要发射传统的模拟信号(AM或者FM信号)，通过这种方式，利用这两种信号同时传送同样的音频节目。更好的办法是发射所谓的联播信号，它能够通过同一个信道同时发射模拟信号和数字信号。如果接收机能够对数字信号译码，它就对数字信号译码。与此同时，传统的接收机可以对传统的AM或者FM信号进行解调。
在M.J.Dapper等的第5809065号美国专利中，公开了一种接收机，用于对复合模拟/数字信号中地模拟信号和数字信号进行解调。根据收到的复合信号的信噪比，接收机在模拟信号和数字信号之间进行自由切换。
在第01103896.5号欧洲专利申请“交替系统切换”中描述了一种接收机，它有两个调谐器，第一个调谐器给出第一个输出信号，第二个调谐器给出第二个输出信号。该接收机有一个开关，用来在两个输出信号之间进行切换。该接收机还有一个幅度调整单元，用来控制这两个输出信号的幅度，从而使它们具有相同的幅度。此外，该接收机还有一个延迟单元，用于补偿这两个输出信号之间的时间延迟。从第一个输出信号切换到第二个输出信号，或者切换回第一个输出信号的时候，能够减少听得到的失真，因为音频信号的音量不变，时间延迟也被消除掉了。
尽管如此，这种切换仍然会带来恼人的失真。能够在数字信号和模拟信号之间进行切换的接收机同时收到数字信号和模拟信号的时候，解调得到的模拟信号听起来与译码得到的数字信号完全不同。译码以后得到的数字信号听起来既圆润又丰满，而解调以后得到的模拟听起来则相对单调。除此以外，解调以后得到的模拟信号的噪声电平远远高于数字信号的噪声电平。由于这些原因，从一个广播系统切换到一个不同的广播系统仍然会产生听得到的失真，使收听的人非常厌烦。常常会发生这样的情况，数字信号的接收受到干扰，数字信号以非常有规律的时间间隔发生衰落。在这种情况下，接收机会在两个不同的声音和两个不同的噪声电平之间切换。人的听觉系统会很快习惯于一个噪声背景，而对调制噪声背景则感到厌烦。
本申请的申请人提交的第00126287.2号欧洲专利申请“带宽可调滤波器”公开了一种滤波器，它具有可调带宽，用于抑制相邻信道，在这里将它的内容全部引入作为参考。发明的这种滤波器有一个固定带宽滤波器单元；这个滤波器单元之前，用于平移要滤波的信号，从而使不需要的信号部分在所述滤波器的通带以外的第一个移频器；在所述滤波器单元后面，用于补偿第一个移频器带来的频率偏移的第二个移频器。发明的这种滤波器的特征在于有一个单边带抑制单元，用于在输入第一个移频器之前，将要滤波的信号变换成一个单边带或者残留单边带信号。
【发明内容】
本发明的一个目的是提供一种接收机和一种方法，用于在模拟信号和数字信号之间进行切换，从而进一步减少音频失真。
本发明的目的是用权利要求1所述的接收机和权利要求17所述，用来在模拟信号和数字信号之间进行逐渐切换的方法来达到的。在后面的从属权利要求中给出了相应的优选实施方案。权利要求27确定了本发明中的计算机程序产品。
本发明中的接收机同时接收数字信号和模拟信号，通过这两个信号同时传送音频节目。该接收机包括用来对所述模拟信号进行解调的解调装置，对所述数字信号进行译码的译码装置。此外，该接收机还包括开关装置，用来根据接收状况在数字信号和模拟信号之间进行切换，以便将所述数字信号或者模拟信号选作接收机音频输出信号的主要来源。该接收机有一个声音控制单元，用于根据接收状况改变所述数字信号的音频带宽。
本发明的方法涉及在接收机中如何在数字信号和模拟信号之间进行切换，其中的两个信号是同时收到的，通过这两个信号同时发射同样的音频节目。所述切换是根据接收状况进行的，以便将所述数字信号或者所述模拟信号选作接收机音频输出信号的主要来源。该方法包括根据接收状况改变数字信号音频带宽的步骤。
在同时接收数字信号和模拟信号的接收机中，对收到的数字信号的质量进行监视。只要数字信号的信号质量足够高，收听人就能够欣赏数字音频信号圆润丰满的声音。数字音频信号的特征在于具有大约12kHz的大音频带宽和很低的信噪比。
因为例如衰落而导致数字信号的接收比较困难的时候，接收机将切换到接收模拟音频信号。由于模拟音频信号的信号功率远远大于数字信号的信号功率，因此接收机应该能够收到很强的模拟信号。每次接收机在具有大约12kHz音频带宽的数字信号和只有4.5kHz音频带宽的模拟信号之间进行切换的时候，收到的音频输出信号就在丰满的声音和单调的声音之间变来变去。
根据本发明，该接收机有一个声音控制单元，用来按照接收状况改变所述数字信号的音频带宽。在切换到模拟音频信号之前，将数字信号的带宽缓慢地从12kHz降低到4.5kHz。当接收机切换到模拟音频的时候，就再也不会出现声音质量发生突变这样的事情。可以进行切换而不会出现任何听得见的失真，收听人甚至根本不会注意到他已经不再是在收听数字音频信号而是在收听模拟音频信号。
最好是将数字信号和模拟信号在同一个发射信道中发射，作为联播信号。利用所谓的联播信号，可以在同一个信道中将特定的音频节目同时作为模拟信号和数字信号发射。在接收机的一部分中，可以用一个调谐器获得这两个信号。
将数字信号选作所述音频输出信号的主要来源，并且所述数字信号的信号质量下降到低于第一个预先确定的质量程度的时候，接收机将模拟信号选作所述音频输出信号的主要来源。除此以外，将模拟信号作为音频输出信号的主要来源，并且所述数字信号的信号质量超过第二个预先确定的质量程度的时候，接收机最好是重新将数字信号选作音频输出信号的主要来源。
根据本发明的一个优选实施方案，所述切换装置通过连续地改变输出音频信号中这两个信号混合比，逐渐地从数字信号切换到模拟信号，以及从模拟信号切换到数字信号。这样一来就能够避免突然切换产生听得到的失真。而是渐渐地改变噪声电平，这样就不会那么让人厌烦。
最好是数字信号的差错率超过一个预先确定的门限的时候，所述声音控制单元减小所述数字信号的音频带宽。收到的数字信号的差错率很大意味着不可能将收到的所有数据包译码，可能需要切换成模拟信号。因此，事先减小数字信号的音频带宽，使它等于模拟信号的音频带宽就比较好。这就意味着故意降低数字信号的质量。当情况得到改善，接收机应该从数字信号切换到模拟信号的时候，这一切换不会导致突然改变音频带宽。因为在此以前已经渐渐地降低了音频带宽，收听人不会注意到声音有突然变化。
为了防止切换过于频繁，所述声音控制单元最好是减小所述数字信号的音频带宽。常常因为衰落周期性地丢失数字信号。每次丢失数字信号的时候，接收机都要切换到模拟信号。这种情况可以通过在长度预先确定的一段时间内对切换的频度进行计数来加以检测。如果出现了频繁切换这种情况，就降低数字信号的带宽。当数字音频信号的带宽等于模拟音频信号的带宽的时候，从数字音频切换到模拟音频以及再切换回来就不那么让人厌烦了。
根据本发明的一个优选实施方案，为了防止发生频繁切换，当接收机切换成将所述数字信号作为音频输出信号的主要来源的时候，输出数字信号和模拟信号混合得到的混合信号，代替原来的数字信号。虽然数字信号的噪声电平很低，但是模拟信号具有较大的噪声。在两个信号之间频繁切换的时候，噪声电平调制更加让收听人厌烦。事实上，恒定高电平噪声比变化的噪声电平更加让人厌烦。因此，接收机甚至在短时间内输出没有失真的数字和模拟音频信号的混合，以避免噪声电平起伏。
所述声音控制单元最好包括可变带宽滤波器装置，它根据接收状况改变滤波器装置的上截止频率。可变带宽滤波器的上截止频率决定了数字信号的音频带宽。
最好是按照一个斜坡函数逐渐地改变所述数字信号的音频带宽。数字信号带宽的突然改变听起来会是一个可以听得到的失真。因此，必须逐渐地改变数字信号的带宽。
按照本发明的第一个实施方案，所述滤波器装置是IIR滤波器装置，所述滤波器系数按照接收状况变化。该IIR滤波器的上截止频率由这些滤波器系数决定。因此能够通过改变滤波器系数来改变截止频率。
根据本发明的第二个优选实施方案，该滤波器装置有第一个复混频器，第一个复低通滤波器，第二个复混频器，第二个复低通滤波器和第三个复混频器。复低通滤波器可以用具有相同系数的两个实低通滤波器来实现。
根据本发明的第三个优选实施方案，该滤波器装置有一个单边带抑制单元，第一个移频器，一个低通滤波器和第二个移频器。第三个优选实施方案利用单边带抑制单元能够进一步降低计算功率。
接收机最好具有时间对准装置，用于补偿模拟信号和数字信号可能存在的时间延迟，以便让两个信号在时间上对准。对数字信号进行译码的时候，译码器必须对数据进行去交织处理。因此，最终得到的数字信号有一个时间延迟，而解调模拟信号则相对较快。时间对准装置能够补偿这个时间延迟，否则这个时间延迟会导致听得到的失真。
此外，接收机最好还有一个幅度调整装置，用于调整模拟信号和数字信号的幅度，使它们相等。这样，切换的时候，音频信号的音量维持恒定。
此外，接收机最好还有一个时间延迟单元，用来延迟模拟信号，补偿声音控制单元的处理时间带来的延迟。当处理时间与实际滤波器带宽无关的时候，可以选择一个不变延迟量。
另外，本发明所述的计算机程序产品包括在计算机、数字信号处理器之类中执行的时候，用来实现上面给出的方法的计算机程序装置。
本发明中接收机和方法的其它特征、目的和优点可以通过参考附图，阅读下面对三个示例性实施方案的详细介绍来更好地理解，其中
【附图说明】
图1是本发明中接收机的一个框图，它有一个模拟和数字解调路径；
图2是本发明第三个实施方案中可变带宽滤波器的一个框图；和
图3是图2所示可变带宽滤波器的信号流中的不同信号。
【具体实施方式】
在图1中画出了一个联播信号接收机框图。利用联播信号，能够通过同样的发射信道发射数字编码信号和模拟调制信号，通过所述模拟信号和所述数字信号同时传送同样的节目。
通过天线2收到发射信号1，将它送给调谐器3，抑制相邻频道的信号。将调谐器3的输出送给模拟解调器4和数字译码器5.模拟解调器4对联播信号的模拟信号分量解调，产生解调后的模拟信号6.解调后模拟信号6的音频带宽取决于信道(MS、SW、LW)，大约是4.5～5kHz。
数字译码器5对联播信号的数字信号分量进行译码。为了减少无线通信信道的衰落失真，在发射机中已经将数字信号的数字数据进行了交织。在接收机的一部分中，必须对所述数据进行去交织处理，因此，获得的译码数字信号7相对于解调得到的模拟信号6有一个时间延迟。
与解调后得到的模拟信号6相比，译码后得到的数字信号7的音频带宽是大约12kHz，远远大于解调后模拟信号6的音频带宽。此外，译码后数字信号7的噪声电平远远小于解调后模拟信号6的噪声电平。
将解调后的模拟信号6和译码后的数字信号7输入时间对准单元8。在时间对准单元8中，将解调后的模拟信号6和译码后的数字信号7送给单元9，它按照这两个信号之间的相对时间延迟计算这两个信号的相关。相关的峰值表明解调后模拟信号6和译码后数字信号7之间的时间延迟。将这一相关传送给控制单元10，控制AM解调路径中的可变延迟单元11和数字译码路径中的可变延迟单元12，从而对准解调后的模拟信号6和译码后的数字信号7。
将对准后的模拟信号13和对准后的数字信号14传送给幅度调整单元15，调整对准后的模拟信号13和对准后数字信号14的幅度，使这两个信号的幅度相同。为了这一目的，幅度调整单元15有两个乘法器，第一个乘法器16用来将对准后的模拟信号13与第一个比例系数17相乘，第二个乘法器18用来将对准后的数字信号14与第二个比例系数19相乘。在乘法器16和18的输出端得到比例调整后的模拟信号20和比例调整后的数字信号21。
用滤波器单元22对比例调整后的模拟信号20进行低通滤波，用滤波器单元23对比例调整后的数字信号21进行低通滤波，用减法器26将这样获得的滤波信号24、25相减。将差信号27送给控制单元28.在控制单元28内，调整第一个比例系数17和第二个比例系数19，使比例调整后的模拟信号20和比例调整后的数字信号21的幅度接近所需要的幅度。
通过声音控制单元29将比例调整后的数字信号21传送给切换单元30。将比例调整后的模拟信号20传送给时间延迟单元31，它将比例调整后的模拟信号20延迟一定的时间量，补偿掉声音控制单元29的处理时间，从而使两个信号到达切换单元30的时候再一次对齐。
根据接收状况，将模拟信号或者数字信号选作音频输出信号32的主要来源。用数字译码器5产生的控制信号33来控制切换单元。在数字译码器5中，通过例如跟踪差错率来监视数字信号的质量。当数字信号的信号质量不够的时候，控制信号33触发切换单元30切换成模拟信号，模拟信号成为音频输出信号32的主要来源。一旦数字信号的质量又上升到能够接受的程度，切换单元30就切换回数字信号。
根据本发明，声音控制单元29按照接收状况改变比例调整后数字信号21的音频带宽。当数字信号的差错率上升的时候，接收机就有可能很快切换成模拟信号，因此，声音控制单元29开始缓慢地降低数字信号的音频带宽。为了防止频繁切换，也要降低数字信号的音频带宽。数字译码器5跟踪差错率和切换事件。数字译码器5产生声音控制信号34，控制数字信号的音频带宽。
声音控制单元最好是利用可变带宽滤波器来实现，滤波器的上截止频率决定数字信号的音频带宽。按照声音控制信号34来改变截止频率。
实现可变带宽滤波器有不同的方法。根据本发明的第一个实施方案，可变带宽滤波器是用IIR滤波器来实现的。截止频率取决于滤波器系数，因此，可以通过改变滤波器系数来改变滤波器的截止频率。
根据本发明的第二个实施方案，可变带宽滤波器是利用第一个复混频器、第一个锐截止低通滤波器、第二个复混频器、第二个锐截止低通滤波器和第三个复混频器实现的。初始信号用所述第一个复混频器进行频率偏移处理。下一步，按照第一个锐截止低通滤波器的截止频率降低偏移后信号的第一个边带的带宽。用第二个复混频器偏移以后，按照第二个锐截止滤波器的截止频率减小第二个边带的带宽。最后，第三个复混频器将这样得到的信号的频带移到初始位置。这个实施方案中的可变带宽滤波器能够通过选择第一个、第二个和第三个复混频器的混频频率来改变带宽。
在图2和图3中说明本发明的第三个实施方案，要用带宽为fb的滤波器进行低通滤波的图3a)所示的实值输入信号被输入单边带抑制单元38，使它变成只有一个边带。得到的图3b)所示的单边带信号被输入第一个移频器36，将它送给单边带抑制单元38的输出端，在频域中偏移fc-fb，从而使fb与低通滤波器35截止频率fc相匹配。低通滤波器35与频移器36的输出端连接。频率偏移以后的单边带信号和低通滤波器35的传输函数在图3c)中画出。在低通滤波以后，用第二个移频器37对信号进行移频，补偿第一次频率偏移和低通滤波器35的群延迟N2。通过确定得到信号(39)的实部，就得到了所需要的带宽为fb的实值信号，如图3d)所示。这样，只通过改变一个参数，也就是带宽fb就能够很容易地改变带宽。
图2所示的单边带抑制单元38有一个希尔伯特滤波器38a，也就是一个实滤波器，它接收实值输入信号，这个希尔伯特滤波器38a的输入信号表示单边带信号的虚部。此外，经过延迟单元38b延迟了N1的实值输入信号给出单边带信号的实部，其中N1等于希尔伯特滤波器38a的群延迟。在以上说明中，用上边带进行滤波。当然，也可以使用下边带。在这种情况下必须将希尔伯特滤波器的输出信号乘以-1，并且在相反的方向进行频率偏移。
对希尔伯特滤波器传输函数的要求非常宽松。不必是纯粹的单边带信号，只需要较短的滤波器进行希尔伯特变换的残留边带信号就足够了。如果为可变滤波器规定一个最小带宽|±fb，min|，过渡频带就能够充分利用-fb，min直到fb，min的整个范围。此外，规定最大带宽|±fb，max|以外的纹波，也就是-fb，max以下和/或fb，max以上的纹波，带宽|±fb，min|＜|±fb，max|，是可以接受的。
此外，在频移以前，还可以对单边带信号进行二次抽样，因为它的带宽变小了。因此，能够采用锐截止低通滤波器，和/或减小混频器和低通滤波器的计算功率。可以对实值输出信号，也就是在频移、实际滤波和频率偏移和滤波器群延迟补偿以后，进行相应的上采样。这个滤波系统是线性系统，具有线性相位，因为不必使用任何IIR滤波器。这样的滤波器很容易用数字信号处理器实现，因为没有使用在定点方案中会导致问题的任何IIR滤波器。希尔伯特变换和低通滤波器可以用FIR滤波器实现，用DSP来实现非常方便、非常有效。