利用调频立体声基带传送数据信息的原理及实现

    摘要：阐述了利用调频立体声基带传送数据的技术原理，介绍了信息发送/接收系统的配置及实现方法，重点介绍了最新研制成功的、在系统中起关键作用的FM-RE602编码器和RDS信息接收卡。

    关键词：调频立体声 广播数据系统（RDS） 副载波 同步

在调频立体声广播中传送广播数据，是对FM声音广播多工应用的重大发展。近年来，数据广播在国际上发展非常迅速，并制定了相应的技术规范。如欧广联颁布的广播数据系统（RDS）规范和美国的无线电广播数据系统（RBDS）规范。在我国，数据广播还在探索试验阶段。本系统采用RDS技术，结合自己研制的编码器和接收装置，利用各地现有调频广播富余频带传送数据信息，具有覆盖面积大、投资少、见效快的显著特点。该项技术的成功应用，是对广播频率资源的再利用，为正到来的信息社会提供一种先进的信息传播媒体。

1 数据广播原理

1.1 技术原理

所谓RDS技术是利用调频多工技术，在调频广播的富余频带内增个副载波信道，用以传送数据信息。

根据国际无咨委（CCIR）组织的用各种副载波和调制方式所作的试验表明：在多径传输条件下，中心频率为导频信号频率（19kHz）的三倍并与之锁相时，所造成的干扰最小。因此，可以将所需发送的数据信息对57kHz的副载波进行抑制副载波的双边带调幅，然后与立体声复合信号一起构成基带调制信号，再对VHF主载波调频。带有RDS信道的调频立体声广播基带调制信号频谱如图1所示。

在图1中，RDS数据信号占用了57±2.4kHz的基带频率，它不会干扰立体声广播，也不会降低其质量，同时，它也不会受到广播节目的干扰。

1.2 信息发送格式

按照RDS标准，广播数据信号的发送采用数据块连续重复的数据结构。最大的数据单元为一组，每个码组由4块组成，分别设为A、B、C、D；每块有26比特，其中16个信息比特，10个校验比特。校验比特用作错误识别、修正和数据同步。数据流的传输速率为1187.5bit/s。RDS数据格式如图2所示。

1.3 信源编码及解码

本系统所用编码是一种最佳的纠正突发误码的缩短循环码，其生成多项式：

g(x)=x10+x8+x7+x5+x4+x3+1

相应地生成矩阵G。发射端通过一个16信息比特m(x)与16×26的G矩阵相乘，所得结果再与每个块特有的偏置字（10个比特）模二加，便产生一个26比特的数据系数。

接收端RDS解码器获得RDS时钟信号和RDS数据信号。接收到的无差错的比特系列与校验矩阵H相乘，便得到偏置字所对应的伴随式（校验字），从而建立起数据流的块同步和组同步。实际上，把偏置字加到每一声里，就等同于把误码加到每一块里，即偏置字相当于误码系列。如果信道上没有别的误码，在收到的信息里就能通过计算伴随式找到偏置字，从而确定接收到的数据块是A、B、C、D中的哪一块，即实现了同步。

2 信息发射系统及编码器

2.1 发射系统框图

计算机用来编辑将要发送的各种数据信息，如广告、路况信息等，由控制管理程序通过RS232串行口发送到FM-RE602编码器。FM-RE602是RDS信号编码器，它接收主机发来的数据信息，并产生符合RDS规范的数据链，该数据流经过波形变换后，同57kHz的副载波信号进行抑制副载波的双边带调幅，最后送到VHF/FM发射机上去。

从图3可以看出，利用调频立体声广播发送数据信息只需在原有基础上增加一台计算机和FM-602编码器即可达到目的。

2.2 FM-RE602编码器

RDS编码器是发射系统的重要部件，目前国内尚无此类产品，而国外RDS编码器电路复杂，价格昂贵。为此，研制开发了符合RDS规范的FM-RE602编码器。

编码器从主机接收的数据信息是二进制的数据系列。由于矩形脉冲的频谱很宽，在数据传输过程中为了节省频带，需要将二进制数据系列中的1和0分别变换成图4所示的固定波形。

该波形作为调制信号，送往一个乘法器电路，与57kHz副载波相乘，其输出便是二相差分相移键控信号（DPSK），其频谱分布如图5所示。

与国外编码器采取硬件滤波方法获得图4所示的输出波形不同的是，FM-RE602编码器使用了波形合成法，即是将理想波形取样后，存放在1K字节存储器中，并通过D/A变换器输出对应波形。FMRE602编码器硬件框图如图6所示。单片机MCU选用80C31，其串行通讯口经MAX232芯片驱动后，通过9针插头三线（Tx,Rx,GND）方式接到主机。

图6中，中断的频率为1187.5Hz，接到80C31的外部中断0，CPU计数到26，就发送到一块数据。其控制程序根据数据块中的0和1的状态从EPROM中取出相应的波形数据，经DAC0832后，形成了所要的波形。

乘法器选用MC1496，一路为57kHz载波信号，另一路为D/A输出信号，相乘得到抑制载波的信号。因为是方波调制，所以此信号包含许多谐波频率成分。为得到了纯净信号，需经过带通滤波，滤波器选用MAX275四阶带通滤波器，其f0=57kHz，Bf=4.8kHz,Q=f0/Bf=11.875。该信号测试，完全符合RDS规范要求。

3 数据信息接收装置

数据接收装置即为分布在无线广播电台信号覆盖范围内的各种信息终端，如LED大屏幕汉字显示广告牌。每一接收装置必须配上特定的接收卡才能显示由发射端发送的各种信息。由于每个接收装置有自己的地址和群地址，从而使名分布在不同地域的接收装置显示不同的信息或者公共信息。

接收卡硬件框图如图7所示。接收卡工作在调频频段内的某一特定频率，因此前端部分与普通调频收音机相似，包括高频放大、混频、中放等。混频信号放大后，经过57kHz带通滤波器，送到RDS解码芯片。RDS解码芯片选用SAA65579T，它直接采样输入信号并输出时钟和数据。输出的时钟信号作为同步信号接到MCU的外部中断输入口，由中断服务程序通过P1.0口读取数据。

通过硬件电路虽然能恢复出发射端送来的二进制系列的数据信号，但还需通过软件方法找到同步字、纠错、除去冗余位，将有效的数据信息通过串行口发送到信息显示装置，其软件流程如图8所示。

利用调频立体声基带信号传送数据信息，只需在各地现有调频台的基础上，在发射端增加一台FMRE602编码器即可对无缍电波覆盖范围内的信息接收装置进行信息传输，具有覆盖面广、投资少、见效快的特点。经在武汉、哈尔滨等进行的试验表明：系统运行稳定，数据传输可靠，对主信道信号没有产生干扰，完全达到了设计要求。毫无疑问，该项技术的成功应用，提供了一种新的信息传输手段，势必对国民经济、社会生活产生深刻影响。