FM廣播參數(shù)監(jiān)測(cè)提高收聽(tīng)音質(zhì)

FM廣播參數(shù)監(jiān)測(cè)提高收聽(tīng)音質(zhì)摘要調(diào)頻（FrequencyModulation，F(xiàn)M）廣播是一種以無(wú)線電發(fā)射來(lái)傳輸廣播信號(hào)的方式。FM廣播具有播放覆蓋范圍廣，信道擴(kuò)展容量大，設(shè)備安裝維護(hù)方便，收聽(tīng)音質(zhì)優(yōu)美清晰的特點(diǎn)，是目前廣播領(lǐng)域內(nèi)使用最為廣泛的一種廣播方式。目前我國(guó)的FM廣播發(fā)展迅速，已經(jīng)取代了原來(lái)的有線廣播。雖然電視技術(shù)發(fā)展很快，但是終究取代不了廣播，因?yàn)閺V播的靈活性、便攜性、經(jīng)濟(jì)性是電視不可取代的。隨著FM廣播技術(shù)的發(fā)展，設(shè)備老齡化及技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)等問(wèn)題的日益凸顯，對(duì)FM廣播的發(fā)射質(zhì)量造成了相當(dāng)?shù)挠绊?，同時(shí)從聽(tīng)眾角度來(lái)說(shuō)，接收到的廣播信號(hào)的音質(zhì)和音量也會(huì)受到影響。因此，使用合適的廣播監(jiān)測(cè)接收設(shè)備對(duì)FM廣播進(jìn)行測(cè)量和分析的必要性也日漸提高。本文則以基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的廣播監(jiān)測(cè)接收機(jī)為工具，采集FM廣播信號(hào)，通過(guò)分析FM廣播信號(hào)的特征參數(shù)，調(diào)整發(fā)射鏈路中的設(shè)備。為提高FM廣播發(fā)射質(zhì)量，同時(shí)也是提高接收端音頻的音質(zhì)和音量，提供了一種有效可行的手段。一、概述調(diào)頻（FM）的概念，F(xiàn)M是現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)高保真度聲音廣播和立體聲廣播的主要方式，是以調(diào)頻方式進(jìn)行音頻信號(hào)傳輸?shù)?，調(diào)頻波的載波隨著音頻調(diào)制信號(hào)的變化而在載波中心頻率（未調(diào)制以前的中心頻率）兩邊變化，每秒鐘的頻偏變化次數(shù)和音頻信號(hào)的調(diào)制頻率一致，如音頻信號(hào)的頻率為1kHz，則載波的頻偏變化次數(shù)也為每秒1k次。頻偏的大小隨音頻信號(hào)的振幅大小而定。立體聲調(diào)頻的概念，立體聲調(diào)頻首先將兩個(gè)聲頻（左、右聲道）的信號(hào)進(jìn)行編碼，得到一組低頻復(fù)合立體聲信號(hào)，然后再對(duì)高頻載波進(jìn)行調(diào)頻。立體聲調(diào)頻根據(jù)對(duì)立體聲的處理方法不同，分為頻率分割制（和差制）、時(shí)間分割制、方向信號(hào)制三種?，F(xiàn)普遍采用的是和差制。和差制是在立體聲調(diào)制器中，先將左（L）、右（R）聲道信號(hào)進(jìn)行編碼，形成和信號(hào)（L+R）與差信號(hào)（L-R），其中和信號(hào)直接送去調(diào)制主載波，構(gòu)成主信道信號(hào)，以便普通調(diào)頻收音機(jī)兼容收聽(tīng)；差信號(hào)則送到平衡調(diào)制器對(duì)副載波進(jìn)行抑制載波式幅度調(diào)制，所得到的雙邊帶抑載調(diào)幅波作為副信道信號(hào)，再與和信號(hào)混合去調(diào)制主載波。副信道信號(hào)的頻率范圍為23至53kHz（38±15kHz），屬于超音頻范圍，不會(huì)干擾單聲道放音。由于副信道調(diào)幅波的副載波被抑制掉了，將使立體聲收音機(jī)無(wú)法直接解調(diào)出差信號(hào)，因此應(yīng)在收音機(jī)內(nèi)再產(chǎn)生一個(gè)頻率、相位均與發(fā)射系統(tǒng)副載波相同的38kHz信號(hào)才能解調(diào)。為此，在發(fā)射端，利用主、副信道頻譜的間隔處，再發(fā)射一個(gè)19kHz（1/2副載波頻率）導(dǎo)頻信號(hào)（PilotTone），以便在收音機(jī)中“引導(dǎo)”出38kHz再生副載波，這種調(diào)制方法稱之為導(dǎo)頻制，也是目前和差制立體聲廣播里面應(yīng)用最為廣泛的一種分割頻率的方法。相應(yīng)的，為了測(cè)量調(diào)頻信號(hào)和立體聲調(diào)頻信號(hào)，國(guó)際上通常需要測(cè)量以下幾個(gè)參數(shù)。1.1、占用帶寬依據(jù)ITU的建議，信號(hào)帶寬的測(cè)量通?；陬l譜用“β%占用帶寬”和“x-dB帶寬”兩種方法。β%占用帶寬如圖1所示，測(cè)量方法是先統(tǒng)計(jì)出監(jiān)測(cè)帶寬內(nèi)的總功率，然后在頻譜上從兩邊往中間依次累加譜線的功率，直到功率和占到總功率的(β/2)%，分別定義為f1和f2，則定義帶寬等于f2-f1；而x-dB帶寬如圖2所示，測(cè)量方法是先在頻譜上找到峰值即最高點(diǎn)，然后從最高點(diǎn)依次往兩邊找到兩根譜線使得這兩根譜線往外的所有譜線都比最高點(diǎn)至少小xdB，則這兩根譜線對(duì)應(yīng)的頻率差即為帶寬。在ITU和廣電的建議中，β通常取99，x通常取26，也就是常說(shuō)的99%功率帶寬和26dB帶寬。圖1、β%占用帶寬圖2、x-dB帶寬1.2、頻偏調(diào)頻信號(hào)中的頻偏（FrequencyDeviation）指的是調(diào)頻波頻率擺動(dòng)的幅度，是隨著信息（或語(yǔ)音）波形的起伏而變化的。通常用儀器或接收機(jī)所測(cè)量的頻偏實(shí)際上是指一段時(shí)間內(nèi)的最大頻偏，最大頻偏的分布和大小，決定了收聽(tīng)到的音頻的音質(zhì)和音量，也就是決定了FM廣播的發(fā)射質(zhì)量。本文主要目的是研究FM廣播的發(fā)射質(zhì)量，所以根據(jù)上述描述，應(yīng)關(guān)注的即是頻偏指標(biāo)。ITU-R針對(duì)FM信號(hào)頻偏的測(cè)量有詳細(xì)描述：頻偏測(cè)量方法是取一段時(shí)間（建議的時(shí)間長(zhǎng)度為50ms）的信號(hào)測(cè)量其在每個(gè)采樣點(diǎn)上相對(duì)于載波的頻率偏差，取最大值即為最大頻偏。但為了更深入的了解頻偏，可以用隨時(shí)間更新的統(tǒng)計(jì)直方圖來(lái)表示其信號(hào)特征。頻偏的直方圖計(jì)算方法如下：1）.以50ms為周期，測(cè)量出N個(gè)最大頻偏。測(cè)量周期的長(zhǎng)短會(huì)顯著影響直方圖，因此需要固定的測(cè)量周期以確保測(cè)量結(jié)果的可重復(fù)性。同時(shí)，選取50ms為測(cè)量周期可以確保當(dāng)調(diào)制頻率低至20Hz時(shí)仍能有效測(cè)量最大頻偏。2）.將需要統(tǒng)計(jì)的頻偏范圍（本文中為0～150kHz），以1kHz（分辨率）為單位，分為等份（本文中為150等份）。3）.在每一等份，對(duì)對(duì)應(yīng)頻率值上的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，所得到的波形應(yīng)大致如圖3所示（即頻偏分布直方圖），其中X軸表示頻率，Y軸表示最大頻偏落在對(duì)應(yīng)頻率值上的點(diǎn)數(shù)。圖3、頻偏分布直方圖4）.對(duì)每一等份的點(diǎn)數(shù)進(jìn)行累加，并以百分比為單位，對(duì)N做歸一化，即得到圖4所示圖形（即頻偏累積分布直方圖），其中X軸表示頻率，Y軸表示最大頻偏落在對(duì)應(yīng)頻率值上的頻率范圍內(nèi)的概率，概率從最左端的100%開(kāi)始，到最右端的0%結(jié)束。圖4、頻偏累積分布直方圖同時(shí)ITU-R針對(duì)最大頻偏的累積分布給出了參考規(guī)范（SM1268）如圖5所示：圖5、最大頻偏累積分布參考規(guī)范該規(guī)范指出：大于75kHz的頻偏分布統(tǒng)計(jì)百分比不超過(guò)22%，大于80kHz的頻偏分布統(tǒng)計(jì)百分比不超過(guò)12%，大于85kHz的頻偏分布統(tǒng)計(jì)百分比不超過(guò)8%?；谝陨侠碚摽傻弥?，F(xiàn)M信號(hào)的發(fā)射質(zhì)量，與原始音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制后的FM載波頻偏大小有關(guān)，而通過(guò)測(cè)量并改善最大頻偏的累積分布將有助于改善FM信號(hào)的發(fā)射質(zhì)量。二、硬件基礎(chǔ)本文中使用了一款利用當(dāng)前先進(jìn)無(wú)線電監(jiān)測(cè)技術(shù)，符合ITU規(guī)范的模塊化廣播監(jiān)測(cè)接收機(jī)。該接收機(jī)由高端數(shù)字無(wú)線電接收模塊和最新的嵌入式處理器組成。軟件無(wú)線電的架構(gòu)和高速數(shù)據(jù)總線，確保了接收機(jī)的可擴(kuò)展性和測(cè)試速度。該接收機(jī)依據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟無(wú)線電通信部門(mén)（ITU-R）標(biāo)準(zhǔn)和頻譜監(jiān)測(cè)手冊(cè)對(duì)FM信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和測(cè)量，并專門(mén)針對(duì)廣播監(jiān)測(cè)應(yīng)用提供了音頻和基帶分析功能。具體的特征參數(shù)如下：占用帶寬（OccupiedBandwidth

載波頻偏（CarrierOffset）

帶內(nèi)功率（PowerinBand）

FM最大頻偏（FMMaximumDeviation）

主信道信號(hào)最大頻偏（Maximumfrequencydeviationofmainchannel(L+R)）

導(dǎo)頻信號(hào)最大頻偏（Maximumfrequencydeviationofthepilottone）

副信道信號(hào)最大頻偏（Maximumfrequencydeviationofsubchannel(L-R)）該廣播監(jiān)測(cè)接收設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理框圖如圖6所示。數(shù)字無(wú)線電接收模塊安裝在機(jī)箱內(nèi)，該機(jī)箱具有高速數(shù)據(jù)總線和工業(yè)加固框架。本接收機(jī)的嵌入式控制器采用了高速處理器，負(fù)責(zé)控制接收模塊并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。圖6、廣播監(jiān)測(cè)接受機(jī)結(jié)構(gòu)原理框圖數(shù)字無(wú)線電接收模塊包括兩個(gè)子模塊：射頻下變頻模塊和高速中頻采集模塊。射頻下變頻模塊將關(guān)心的射頻頻帶下變頻至中頻信號(hào)，然后將中頻信號(hào)輸送至高速中頻采集模塊。高速中頻采集模塊的核心是一個(gè)高速ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和一個(gè)提供硬件處理功能的數(shù)字下變頻專用芯片。數(shù)字下變頻處理對(duì)寬帶的信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)抽取并下變頻到基帶，適合于捕捉廣播信號(hào)、無(wú)線信號(hào)和其他通信信號(hào)。數(shù)字下變頻處理還能將采集到的中頻信號(hào)波形轉(zhuǎn)換為I/Q復(fù)信號(hào)數(shù)據(jù)輸出。該高速中頻采集模塊利用具有專利技術(shù)的高速專用芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)DMA將數(shù)據(jù)傳送至控制器，降低控制器CPU負(fù)荷，使其專注于完成先進(jìn)的分析處理、圖形化顯示和數(shù)據(jù)交換等工作。如圖7所示：圖7、數(shù)字無(wú)線電接收模塊架構(gòu)射頻下變頻模塊首先對(duì)信號(hào)進(jìn)行用戶指定的衰減，經(jīng)過(guò)上變頻后通過(guò)表面聲波濾波器濾除鏡頻，然后進(jìn)行多級(jí)下變頻，最后輸出中頻信號(hào)。射頻下變頻模塊利用具有高精度和高穩(wěn)定度的恒溫晶振作為系統(tǒng)參考時(shí)鐘，提供極高的頻率精度。為了便于緊湊的封裝，模塊選用高性能的微型YIG振蕩器產(chǎn)生上變頻階段所需的高頻本振信號(hào)。YIG振蕩器是一種可以產(chǎn)生非常純凈的高頻信號(hào)的振蕩器，往往體積很大。設(shè)備中射頻下變頻模塊利用該領(lǐng)域突破性的技術(shù)，在設(shè)計(jì)中使用了極小的YIG振蕩器。YIG振蕩器可調(diào)諧到指定的頻段，允許用戶設(shè)定到射頻下變頻模塊所需的頻率。射頻下變頻模塊周全的頻率規(guī)劃和多級(jí)變頻架構(gòu)確保了儀器低雜散響應(yīng)和大動(dòng)態(tài)范圍的優(yōu)秀特性。如圖8所示：圖8、射頻下變頻模塊架構(gòu)本文為分析FM廣播發(fā)射質(zhì)量與頻偏累積分布的關(guān)系，從調(diào)節(jié)發(fā)射機(jī)的音頻處理器著手，以電臺(tái)A（包括音頻處理器A和發(fā)射機(jī)A）和電臺(tái)B（包括音頻處理器B和發(fā)射機(jī)B）為對(duì)比樣本，設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)主要通過(guò)調(diào)節(jié)音頻處理器來(lái)改善FM信號(hào)的頻偏累積分布，以驗(yàn)證其與FM廣播發(fā)射質(zhì)量的關(guān)系。3.2、測(cè)試實(shí)驗(yàn)使用某個(gè)廣播節(jié)目的音頻文件，將其分別經(jīng)由音頻處理器A和B處理后，同時(shí)傳輸?shù)桨l(fā)射機(jī)A和B進(jìn)行發(fā)射，兩臺(tái)發(fā)射機(jī)使用相同的設(shè)置。用廣播監(jiān)測(cè)接收機(jī)分別錄制發(fā)射機(jī)A和B發(fā)出的射頻信號(hào)，將錄制的信號(hào)按照ITU-RSM.1268.1標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行調(diào)頻信號(hào)最大頻偏的統(tǒng)計(jì)分析。分析實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述如圖9所示。得到的結(jié)果如圖10所示。圖9、測(cè)試過(guò)程圖10、累計(jì)頻偏分布圖從實(shí)驗(yàn)得出的頻偏統(tǒng)計(jì)分布來(lái)看，對(duì)于相同的音頻文件，電臺(tái)A的信號(hào)頻偏主要分布從10kHz-95%到35kHz-5%呈半鐘形曲線走向，電臺(tái)B的信號(hào)頻偏主要分布從10kHz-95%到75KHz-95%呈半鐘形曲線走向。兩個(gè)電臺(tái)的時(shí)域信號(hào)表現(xiàn)出不同概率分布特征。相比之下，電臺(tái)B的信號(hào)頻偏值更大。從收聽(tīng)角度上，電臺(tái)B的音頻比電臺(tái)A的音頻音質(zhì)更好，音量更大，也就是發(fā)射質(zhì)量更好。3.3、調(diào)試由于傳輸?shù)絻蓚€(gè)音頻處理器的音頻文件相同，兩臺(tái)發(fā)射機(jī)的設(shè)置也相同，但電臺(tái)A和電臺(tái)B的信號(hào)頻偏分布不同，說(shuō)明兩個(gè)電臺(tái)的音頻處理器存在差異。相同的音頻文件經(jīng)音頻處理器A處理后的信號(hào)頻偏幅度相對(duì)較小，說(shuō)明音頻處理器A的設(shè)置未達(dá)到ITU-RSM1268.1標(biāo)準(zhǔn)。故按照建議標(biāo)準(zhǔn)調(diào)節(jié)音頻處理器A之后，理論上即可實(shí)現(xiàn)更高的發(fā)射質(zhì)量。為此，設(shè)計(jì)了下述驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。3.4、驗(yàn)證將某個(gè)廣播節(jié)目經(jīng)音頻處理器A處理之后傳輸?shù)桨l(fā)射機(jī)A進(jìn)行發(fā)射，在發(fā)射不間斷的情況下由工程師對(duì)音頻處理器A進(jìn)行調(diào)節(jié)，用廣播監(jiān)測(cè)接收機(jī)接收電臺(tái)A的射頻信號(hào)并按照ITU-RSM.1268.1標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行調(diào)頻信號(hào)最大頻偏的統(tǒng)計(jì)分析，比較調(diào)節(jié)音頻處理器A前后的數(shù)據(jù)。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程描述如圖11所示。圖11、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)過(guò)程圖12、累計(jì)頻偏分布圖從頻偏統(tǒng)計(jì)分布來(lái)看，對(duì)于相同的節(jié)目源，調(diào)節(jié)前信號(hào)頻偏主要分布從25kHz-95%到45kHz-5%呈半鐘形曲線走向，調(diào)節(jié)后信號(hào)頻偏主要分布從45kHz-95%到55KHz-95%呈半鐘形曲線走向。相比之下，調(diào)節(jié)后信號(hào)頻偏值更大，分布也更為飽滿。從收聽(tīng)角度，調(diào)節(jié)后的音質(zhì)和音量相對(duì)調(diào)節(jié)前有明顯提升。四、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)論在相同節(jié)目源的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)音頻處理器的基準(zhǔn)輸出電平，可以改進(jìn)頻偏分布使之更飽滿，頻偏值更大。針對(duì)相同的音頻源，其經(jīng)過(guò)FM調(diào)制之后的最大頻偏分布，可以影響解調(diào)后的聲音音量大小和音質(zhì)飽和度。通過(guò)調(diào)整音頻處理器的參數(shù)設(shè)置，使調(diào)頻信號(hào)更加符合ITU-R規(guī)范，可以使收聽(tīng)的聲音音量更大，音質(zhì)更飽滿。因此，使用廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)檢測(cè)FM廣播參數(shù)，并針對(duì)這些參數(shù)根據(jù)ITU-R標(biāo)準(zhǔn)對(duì)廣播鏈路中的設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，可以得到更高的發(fā)射質(zhì)量。這也說(shuō)明了，使用廣播監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)FM廣播進(jìn)行監(jiān)測(cè)是保證FM廣播發(fā)射質(zhì)量的一種行之有效的手段。五、展望本文中所使用的基于軟件無(wú)線電架構(gòu)的廣播監(jiān)測(cè)接