通過無線電傳輸進行FM廣播以傳輸廣播信號
一，概述
調頻（FM）的概念。 FM是現代實現高保真聲音廣播和立體聲廣播的主要方式。 它以調頻模式傳輸音頻信號。 FM波的載波隨著音頻調製信號的變化（未調製前的中心頻率）在兩側變化而在載波的中心頻率處發生變化，並且每秒的頻率偏差變化時間與音頻信號的調製頻率一致。 如果音頻信號的頻率為1kHz，則載波的頻率偏差變化時間也為每秒1k次。 頻率偏差的大小取決於音頻信號的幅度。
立體聲FM的概念是，立體聲FM首先對兩個音頻頻率（左右聲道）的信號進行編碼以獲得一組低頻複合立體聲信號，然後在高頻載波上執行FM。 立體聲FM根據立體聲的不同處理方法分為三種類型：頻分系統（和差分系統），時分系統和定向信號系統。 現在通常使用和差系統。 求和和差系統位於立體聲調製器中，首先對左（L）和右（R）聲道信號進行編碼，以形成和信號（L + R）和差信號（LR），並且求和信號直接發送到調製器載波構成主頻道信號，用於與普通FM廣播兼容的收聽； 差信號被發送到平衡調製器，以抑制副載波上的載波幅度調製，並將獲得的雙邊帶抑制幅度調製波用作子信道信號，然後與和信號Mix組合以調製主載波。 子通道信號的頻率範圍是23至53kHz（38±15kHz），屬於超級音頻範圍，不會干擾單聲道播放。 由於子信道AM波的子載波受到抑制，因此立體聲無線電無法直接解調輸出信號。 因此，應在要解調的無線電中產生與發送系統的副載波相同頻率和相位的38kHz信號。 因此，在發送端，在主頻譜和子信道頻譜之間的間隔處，將發送另一個19kHz（1/2子載波頻率）導頻信號（PilotTone），以“引導”無線電中的38kHz再生子載波。 這種調製方法稱為導頻，也是立體聲廣播中使用最廣泛的分頻方法。
相應地，為了測量FM信號和立體聲FM信號，通常在世界上測量以下參數。
1.1，佔用帶寬
根據ITU的建議，信號帶寬的測量通常基於頻譜，使用兩種方法：“β％佔用帶寬”和“ x-dB帶寬”。 β％的佔用帶寬如圖1所示。測量方法是首先計算監視帶寬中的總功率，然後從頻譜的兩側到中間累積頻譜線的功率，直到功率和總和為止。功率（β/ 2）％，分別定義為f1和f2，定義的帶寬等於f2-f1； x-dB帶寬如圖2所示。測量方法是先找到頻譜上的峰值或最高點，然後再從最高點到兩側。兩條光譜線使這兩個光譜線之外的所有光譜線頻譜線至少比最高點小xdB，並且對應於兩條頻譜線的頻率差就是帶寬。
在ITU和廣播電視的建議中，β通常佔99，x通常佔26，這就是通常所說的99％功率帶寬和26dB帶寬。
圖2. x-dB帶寬
1.2頻率偏差
FM信號中的頻率偏差是指FM波的頻率擺幅，其幅度隨信息（或語音）波形的波動而變化。 通常由儀器或接收機測量的頻率偏差實際上是指一段時間內的最大頻率偏差。 最大頻率偏差的分佈和大小決定了所聽到音頻的聲音質量和音量，這也決定了FM廣播的發射。 質量。
本文的主要目的是研究FM廣播的傳輸質量，因此根據以上描述，應注意頻偏指數。
ITU-R對FM信號頻率偏差的測量進行了詳細描述：
頻率偏差測量方法是在每個採樣點上花費一段時間（建議時間長度為50ms）測量相對於載波的頻率偏差，最大值為最大頻率偏差。 但是，為了更深入地了解頻率偏移，可以使用隨時間更新的統計直方圖來表示其信號特性。 頻率偏差的直方圖計算方法如下：
1）。 以50ms的周期測量N個最大頻率偏差。 測量週期的長度會嚴重影響直方圖，因此需要固定的測量週期以確保測量結果的可重複性。 同時，選擇50ms作為測量週期可以確保當調製頻率低至20Hz時仍可以有效地測量最大頻率偏差。
2）。 以0kHz（分辨率）為單位，劃分需要計數的頻率偏差範圍（本文中為150〜1kHz），並將其分為相等的部分（本文中為150相等的部分）。
3）。 在每個等分試樣中，計數相應頻率值上的點數，獲得的波形應大致如圖3所示（即頻率偏移分佈直方圖），其中X軸代表頻率，Y軸代表頻率。最大頻率。 落在相應頻率值上的點數。
圖3.頻率偏移分佈的直方圖
4）。 累積每個等份中的點數，並以百分比為單位對N進行歸一化，以得到如圖4所示的圖形（即頻率偏差累積分佈的直方圖），其中X軸表示頻率，Y軸表示最大頻率偏差落在相應頻率值的頻率範圍內的概率。 概率從最左邊的100％開始，到最右邊的0％結束
圖4.頻率偏移累積分佈的直方圖
同時，ITU-R給出了最大頻率偏差的累積分佈的參考規範（SM1268），如圖5所示。
圖5.最大頻率偏差的累積分佈參考規範
規範規定：大於75kHz的頻偏分佈統計百分率不超過22％，大於80kHz的頻偏分佈統計百分率不超過12％，大於85kHz的頻偏分佈統計百分率不超過超過8％。
基於以上理論，可以知道FM信號的傳輸質量與原始音頻信號調製後的FM載波頻率偏差的大小有關。 測量和改善最大頻率偏差的累積分佈將有助於改善FM信號的傳輸質量。
2.硬件基礎
本文使用模塊化廣播監視接收機，該接收機使用當前的高級無線電監視技術並符合ITU規範。 接收器包括高端數字無線電接收模塊和最新的嵌入式處理器。 軟件定義的無線電體系結構和高速數據總線可確保接收機的可擴展性和測試速度。 接收機根據國際電信聯盟無線電通信部門（ITU-R）標準和頻譜監測手冊對FM信號進行解調和測量，並提供專門用於廣播監測應用的音頻和基帶分析功能。 具體的特徵參數如下：
佔用帶寬（佔用帶寬）
載波偏移（CarrierOffset）
帶內功率（PowerinBand）
FM最大偏差（FMMaximumDeviation）
主通道信號的最大頻率偏差（主通道的最大頻率偏差（L + R））
導頻信號的最大頻率偏差（導頻的最大頻率偏差）
子頻道信號的最大頻率偏差（Maximumfrequencydeviationofsubchannel（LR））廣播監視接收設備的結構和原理框圖如圖6所示。數字無線電接收模塊安裝在具有高速數據總線和一個光纖通道的機箱中。工業加固框架。 該接收器的嵌入式控制器使用高速處理器，該高速處理器負責控制接收模塊並處理收集的數據。
圖6.廣播監視接收機的結構框圖
數字無線電接收模塊包括兩個子模塊：RF下變頻模塊和高速中頻採集模塊。
RF下變頻模塊將感興趣的RF頻帶下變頻為中頻信號，然後將中頻信號發送到高速中頻採集模塊。
高速IF採集模塊的核心是高速ADC（模數轉換器）和提供硬件處理功能的專用數字下變頻芯片。 數字下變頻處理實時提取寬帶信號並將其下變頻為基帶，適用於捕獲廣播信號，無線信號和其他通信信號。 數字下變頻處理還可以將收集的中頻信號波形轉換為I / Q复信號數據輸出。 高速中頻採集模塊使用獲得專利的高速專用芯片進行數據傳輸，並通過DMA將數據傳輸到控制器，從而減輕了控制器的CPU負載，使其專注於完成高級分析和處理，圖形顯示以及數據交換。 。 如圖7所示：
圖7.數字無線電接收器模塊架構
RF下變頻模塊首先衰減用戶指定的信號，通過表面聲波濾波器以濾除上變頻後的鏡像頻率，然後進行多級下變頻，最後輸出中頻信號。 RF下變頻模塊使用高精度和高穩定性的恆溫晶體振盪器作為系統參考時鐘，以提供極高的頻率精度。
為了便於緊湊封裝，該模塊使用高性能的微型YIG振盪器來生成上變頻級所需的高頻本地振盪器信號。 YIG振盪器是一種振盪器，可以產生非常純淨的高頻信號，並且通常很大。 設備中的RF下變頻模塊在該領域採用了突破性技術，並且在設計中使用了非常小的YIG振盪器。 可以將YIG振盪器調諧到指定的頻帶，從而允許用戶設置RF下變頻模塊所需的頻率。 RF下變頻模塊的全面頻率規劃和多級頻率轉換架構可確保儀器具有低雜散響應和大動態範圍的出色特性。 如圖8所示：
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圖8.射頻下變頻模塊架構
本文分析了FM廣播傳輸質量與頻率偏差的累積分佈之間的關係，從調整髮射機的音頻處理器開始，使用電台A（包括音頻處理器A和發射機A）和電台B（包括音頻處理器B）和發射機機器B）為了比較樣品，設計了以下實驗。
該實驗主要通過調整音頻處理器以驗證其與FM廣播傳輸質量的關係來改善FM信號頻率偏差的累積分佈。
3.2，測試
實驗使用某個廣播節目的音頻文件，通過音頻處理器A和B處理該文件，然後將它們傳輸到發射機A和B進行傳輸。 兩個變送器使用相同的設置。 無線電監視接收機用於分別記錄來自發射機A和B的射頻信號，並且記錄的信號用於根據ITU-RSM.1268.1標準對FM信號的最大頻率偏差進行統計分析。 分析實驗過程的描述如圖9所示。結果如圖10所示。
圖9.測試過程
圖10.累積頻率偏差分佈圖
從實驗得到的頻率偏差的統計分佈來看，對於相同的音頻文件，A站的信號頻率偏差在半鈴曲線上主要分佈在10kHz-95％到35kHz-5％之間，信號頻率B站的偏差主要是分佈。該分佈顯示了一個半鈴曲線，從10kHz-95％到75KHz-95％。 兩個站的時域信號顯示不同的概率分佈特徵。 相反，站B的信號頻率偏移較大。
從收聽的角度來看，B站的音頻質量優於A站，並且聲音更大，即傳輸質量更好。
3.3，調試
由於發送到兩個音頻處理器的音頻文件相同，因此兩個發送器的設置也相同，但A站和B站的信號頻偏分佈不同，表明兩個站的音頻處理器是不同。 音頻處理器A處理的同一音頻文件的信號頻率偏差幅度相對較小，表明音頻處理器A的設置尚未達到ITU-RSM1268.1標準。 因此，在根據推薦標準調整音頻處理器A之後，理論上可以實現更高的傳輸質量。 因此，設計了以下驗證實驗。
3.4，驗證
音頻處理器A處理廣播節目，然後將其傳輸到發射機A進行傳輸。 工程師在不間斷傳輸的情況下調整音頻處理器A。 無線電監視接收器接收站A的射頻信號，並遵循ITU-RSM.1268.1標準對FM信號的最大頻率偏差進行統計分析，並比較調整音頻處理器A之前和之後的數據。驗證實驗如圖11所示。
圖11.測試過程
圖12.累積頻率偏差的分佈
從頻率偏差的統計分佈來看，對於同一節目源，調節前的信號頻率偏差主要在半鈴曲線上從25kHz-95％到45kHz-5％分佈，調節後的信號頻率偏差主要分佈在從45kHz-95％。 它顯示了到55KHz-95％的半鈴曲線。 相反，調整後的信號頻率偏移值更大，並且分佈更充分。 從收聽的角度來看，與以前相比，調整後的聲音質量和音量得到了顯著改善。
四，驗證實驗結論
在相同節目源的情況下，通過調整音頻處理器的參考輸出電平，可以改善頻偏分佈以使其更飽滿，並且頻偏值更大。
對於相同的音頻源，FM調製後的最大頻率偏差分佈會影響已解調聲音的音量和飽和度。 通過調整音頻處理器的參數設置，FM信號更符合ITU-R規範，這可以使收聽聲音更響亮飽滿。 因此，使用廣播監視設備檢測FM廣播參數並根據ITU-R標準針對這些參數調整廣播鏈路中的設備可以獲得更高的傳輸質量。
這也表明，使用廣播監視設備監視FM廣播是確保FM廣播傳輸質量的有效手段。
五，展望
本文所使用的基於軟件無線電架構的廣播監視接收機是一種單通道採集設備，其測試參數相對較少，採集後需要進行人工分析，效率相對較低。 隨著科學技術的發展和進步，結合實驗中遇到的問題，提出了未來調頻廣播監控接收設備的一些前景：
1.實時記錄從87MHz到108MHz的全波段FM廣播信號。
2.配備大容量磁盤陣列，可全天候記錄並實現定時記錄等高級功能。
3.可以遠程控制以實現無人值守的監視，自動分析和報告生成等功能。
4.支持數據庫，該數據庫可以隨時隨地重現頻譜和音頻頻率。
5.多樣化的系統配置可以滿足不同客戶的需求。
6.軟硬件模塊化設計，方便系統擴展和二次開發。
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