FM-sändning via radiosändning för att överföra sändningssignaler
I. Översikt
Begreppet frekvensmodulering (FM). FM är det främsta sättet att realisera högtroget ljudsändningar och stereosändningar i modern tid. Den sänder ljudsignaler i ett frekvensmodulationsläge. Bärvågen för FM-vågen ändras vid bärvågens mittfrekvens när ljudmodulationssignalen ändras (mittfrekvensen före avmodulering) ändras på båda sidor, och frekvensavvikelsens ändringstider per sekund överensstämmer med ljudsignalens modulationsfrekvens . Om frekvensen för ljudsignalen är 1kHz, är frekvensavvikelsens ändringstider för bärvågen också 1k gånger per sekund. Storleken på frekvensavvikelsen beror på ljudsignalens amplitud.
Konceptet med stereo FM, stereo FM kodar först signalerna från två ljudfrekvenser (vänster och höger kanal) för att erhålla en uppsättning lågfrekventa sammansatta stereosignaler, och sedan utförs FM på högfrekvensbärvågen. Stereo FM är indelat i tre typer: frekvensdelningssystem (och skillnadssystem), tidsdelningssystem och riktningssignalsystem enligt olika bearbetningsmetoder för stereo. Summeskillnadssystemet används ofta nu. Summa- och skillnadssystemet finns i stereomodulatorn, vänster (L) och höger (R) kanalsignaler kodas först för att bilda summasignalen (L+R) och skillnadssignalen (LR), och summasignalen är direkt skickas till modulatorn. Bärvågen utgör huvudkanalsignalen för kompatibel lyssning med vanlig FM-radio; skillnadssignalen skickas till den balanserade modulatorn för att undertrycka bärvågsamplitudmodulering på underbärvågen, och den erhållna dubbelsidbandsundertryckta amplitudmoduleringsvågen används som underkanalsignal och kombineras sedan med summasignalen Mix för att modulera huvudbärvågen. Frekvensområdet för underkanalssignalen är 23 till 53kHz (38±15kHz), vilket hör till superljudområdet och inte kommer att störa monouppspelning. Eftersom sub-bärvågen för sub-kanalen AM-vågen är undertryckt, kan stereoradion inte direkt demodulera den utgående signalen. Därför bör en 38kHz-signal med samma frekvens och fas som underbärvågen till det sändande systemet genereras i radion som ska demoduleras. Av denna anledning, vid sändningsänden, vid intervallet mellan huvud- och underkanalens frekvensspektrum, sänds ytterligare en 19 kHz (1/2 underbärvågsfrekvens) pilotsignal (PilotTone) för att "leda" den 38 kHz regenererade underbärvågen i radion. Denna moduleringsmetod kallas pilotfrekvens, och det är också den mest använda metoden för frekvensdelning i stereosändningar.
På motsvarande sätt, för att mäta FM-signaler och stereo FM-signaler, mäts vanligtvis följande parametrar i världen.
1.1, upptagen bandbredd
Enligt ITUs rekommendationer baseras mätningen av signalbandbredd vanligtvis på spektrumet med två metoder: "β% occupied bandwidth" och "x-dB bandwidth". Den β% upptagna bandbredden visas i figur 1. Mätmetoden är att först räkna den totala effekten i övervakningsbandbredden, och sedan ackumulera effekten av spektrallinjerna från båda sidor till mitten av spektrumet tills effekten och den totala effekt (β/2)%, definierad som fl respektive f1, den definierade bandbredden är lika med f2-fl; och x-dB-bandbredden visas i figur 2. Mätmetoden är att hitta toppen eller den högsta punkten på spektrumet först, och sedan från den högsta punkten till båda sidorna. De två spektrallinjerna gör alla spektrallinjerna utanför dessa två spektrallinjer minst xdB mindre än den högsta punkten, och frekvensskillnaden som motsvarar de två spektrallinjerna är bandbredden.
I ITU:s och radio- och tv-rekommendationer tar β vanligtvis 99, och x tar vanligtvis 26, vilket är den 99 % effektbandbredden och 26dB bandbredden som ofta sägs.
Figur 2. x-dB bandbredd
1.2 Frekvensavvikelse
Frekvensavvikelse i FM-signalen hänvisar till amplituden för FM-vågens frekvenssvängning, som ändras med fluktuationen av informations- (eller röst-) vågformen. Frekvensavvikelsen som vanligtvis mäts av ett instrument eller mottagare avser faktiskt den maximala frekvensavvikelsen inom en tidsperiod. Fördelningen och storleken på den maximala frekvensavvikelsen bestämmer ljudkvaliteten och volymen på det ljud som hörs, vilket också bestämmer utsändningen av FM-radio. kvalitet.
Huvudsyftet med denna artikel är att studera överföringskvaliteten för FM-sändningar, så enligt ovanstående beskrivning bör frekvensoffsetindexet uppmärksammas.
ITU-R har en detaljerad beskrivning av mätningen av FM-signalens frekvensavvikelse:
Metoden för mätning av frekvensavvikelse är att ta en tid (rekommenderad tidslängd är 50ms) för att mäta frekvensavvikelsen i förhållande till bärvågen vid varje samplingspunkt, och det maximala värdet är den maximala frekvensavvikelsen. Men för att få en djupare förståelse av frekvensförskjutningen kan ett statistiskt histogram uppdaterat över tiden användas för att uttrycka dess signalegenskaper. Histogramberäkningsmetoden för frekvensavvikelse är som följer:
1). Mät de N maximala frekvensavvikelserna med en period på 50ms. Längden på mätperioden kommer att påverka histogrammet avsevärt, så en fast mätperiod krävs för att säkerställa mätresultatens repeterbarhet. Samtidigt kan val av 50ms som mätperiod säkerställa att den maximala frekvensavvikelsen fortfarande kan mätas effektivt när moduleringsfrekvensen är så låg som 20Hz.
2). Dela frekvensavvikelseintervallet som måste räknas (0–150 kHz i den här artikeln), använd 1 kHz (upplösning) som enhet, och dela upp det i lika delar (i den här artikeln 150 lika delar).
3). I varje alikvot, räkna antalet punkter på motsvarande frekvensvärde, och den erhållna vågformen bör vara ungefär som visas i figur 3 (dvs. frekvensförskjutningsfördelningshistogram), där X-axeln representerar frekvensen och Y-axeln representerar maximal frekvens. Antalet punkter som faller på motsvarande frekvensvärde.
Figur 3. Histogram över frekvensoffsetfördelning
4). Ackumulera antalet poäng i varje alikvot och normalisera N med en procentandel som enhet för att få grafen som visas i figur 4 (dvs. histogrammet för den kumulativa fördelningen av frekvensavvikelse), där X-axeln representerar frekvensen och Y-axeln representerar sannolikheten att den maximala frekvensavvikelsen faller inom frekvensområdet för motsvarande frekvensvärde. Sannolikheten börjar vid 100 % längst till vänster och slutar vid 0 % längst till höger
Figur 4. Histogram över kumulativ fördelning av frekvensoffset
Samtidigt ger ITU-R en referensspecifikation (SM1268) för den kumulativa fördelningen av den maximala frekvensavvikelsen, som visas i figur 5.
Figur 5. Referensspecifikation för kumulativ fördelning av maximal frekvensavvikelse
Specifikationen anger att: den statistiska procentandelen av frekvensförskjutningsfördelning större än 75 kHz inte överstiger 22 %, den statistiska procentandelen av frekvensförskjutningsfördelning större än 80 kHz inte överstiger 12 %, och den statistiska procentandelen av frekvensförskjutningsfördelning större än 85 kHz överstiger inte överstiga 8 %.
Baserat på ovanstående teori kan det vara känt att överföringskvaliteten för FM-signaler är relaterad till storleken på FM-bärvågsfrekvensavvikelsen efter att den ursprungliga ljudsignalen har modulerats. Att mäta och förbättra den kumulativa fördelningen av den maximala frekvensavvikelsen kommer att bidra till att förbättra sändningskvaliteten för FM-signaler.
2. Hårdvarufundament
Den här artikeln använder en modulär sändningsövervakningsmottagare som använder den nuvarande avancerade radioövervakningstekniken och uppfyller ITU-specifikationerna. Mottagaren består av en avancerad digital radiomottagningsmodul och den senaste inbyggda processorn. Den mjukvarudefinierade radioarkitekturen och höghastighetsdatabussen säkerställer skalbarheten och testhastigheten för mottagaren. Mottagaren demodulerar och mäter FM-signaler i enlighet med International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) standarder och spektrumövervakningsmanualer, och tillhandahåller ljud- och basbandsanalysfunktioner specifikt för sändningsövervakningstillämpningar. De specifika karakteristiska parametrarna är följande:
Occupied Bandwidth (OccupiedBandwidth
Carrier Offset (CarrierOffset)
Power in Band (PowerinBand)
FM Maximum Deviation (FMMaximumDeviation)
Maximal frekvensavvikelse för huvudkanalsignal (Maximumfrekvensavvikelse för huvudkanal (L+R))
Pilotsignalens maximala frekvensavvikelse (Pilottonens maximala frekvensavvikelse)
Den maximala frekvensavvikelsen för underkanalsignalen (Maximumfrekvensavvikelseavunderkanal (LR)) Strukturen och principblockschemat för sändningsövervakningsmottagningsutrustningen visas i figur 6. Den digitala radiomottagningsmodulen är installerad i ett chassi med en höghastighetsdatabuss och en industriell förstärkt ram. Den inbyggda styrenheten för denna mottagare använder en höghastighetsprocessor, som är ansvarig för att styra mottagningsmodulen och bearbeta insamlad data.
Figur 6. Blockschema över strukturen för sändningsövervakningsmottagaren
Den digitala radiomottagningsmodulen inkluderar två undermoduler: RF-nedkonverteringsmodul och höghastighetsmodul för mellanfrekvensinsamling.
RF-nedkonverteringsmodulen nedkonverterar RF-frekvensbandet av intresse till en mellanfrekvenssignal och sänder sedan mellanfrekvenssignalen till höghastighetsmellanfrekvensinsamlingsmodulen.
Kärnan i höghastighets IF-insamlingsmodulen är en höghastighets ADC (analog-till-digital-omvandlare) och ett dedikerat digitalt nedkonverteringschip som tillhandahåller hårdvarubehandlingsfunktioner. Digital nedkonverteringsbehandling extraherar bredbandssignaler i realtid och nedkonverterar dem till basband, vilket är lämpligt för att fånga sändningssignaler, trådlösa signaler och andra kommunikationssignaler. Digital nedkonverteringsbehandling kan också omvandla den insamlade mellanfrekvenssignalvågformen till I/Q-komplex signaldatautgång. Den snabba mellanfrekvensinsamlingsmodulen använder ett patenterat dedikerat höghastighetschip för dataöverföring och överför data till styrenheten genom DMA, vilket minskar styrenhetens CPU-belastning, vilket gör att den kan fokusera på att slutföra avancerad analys och bearbetning, grafisk visning och datautbyte. . Som visas i figur 7:
Figur 7. Digital radiomottagares modularkitektur
RF-nedkonverteringsmodulen dämpar först signalen som specificerats av användaren, passerar det akustiska ytvågsfiltret för att filtrera bort bildfrekvensen efter uppkonvertering och utför sedan flerstegs nedkonvertering och matar slutligen ut en mellanfrekvenssignal . RF-nedkonverteringsmodulen använder en kristalloscillator med hög precision och hög stabilitet med konstant temperatur som referensklocka för systemet för att ge extremt hög frekvensnoggrannhet.
För att underlätta kompakt packning använder modulen en högpresterande mikro YIG-oscillator för att generera den högfrekventa lokaloscillatorsignalen som krävs för uppkonverteringssteget. YIG-oscillatorn är en sorts oscillator som kan generera väldigt rena högfrekventa signaler och är ofta väldigt stor. RF-nedkonverteringsmodulen i utrustningen använder en banbrytande teknologi inom detta område och använder en mycket liten YIG-oscillator i designen. YIG-oscillatorn kan ställas in på ett specificerat frekvensband, vilket gör att användare kan ställa in den frekvens som krävs av RF-nedkonverteringsmodulen. Den omfattande frekvensplaneringen och flerstegs frekvensomvandlingsarkitekturen hos RF-nedkonverteringsmodulen säkerställer de utmärkta egenskaperna hos instrumentets låga falska respons och stora dynamiska omfång. Som visas i figur 8:
\
Figur 8. RF-nedkonverteringsmodularkitektur
Den här artikeln analyserar förhållandet mellan kvaliteten på FM-sändningar och den kumulativa fördelningen av frekvensavvikelse, med början från justering av sändarens ljudprocessor, med hjälp av station A (inklusive ljudprocessor A och sändare A) och station B (inklusive ljudprocessor B) och sändarmaskin B) För att jämföra prover utformas följande experiment.
Detta experiment förbättrar huvudsakligen den kumulativa fördelningen av frekvensavvikelsen för FM-signalen genom att justera ljudprocessorn för att verifiera dess samband med FM-sändningskvaliteten.
3.2, test
Experimentet använder ljudfilen från ett visst sändningsprogram, bearbetar den genom ljudprocessorerna A och B och överför dem till sändarna A och B för överföring samtidigt. De två sändarna använder samma inställningar. Radioövervakningsmottagaren användes för att spela in radiofrekvenssignalerna från sändare A respektive B, och de inspelade signalerna användes för statistisk analys av den maximala frekvensavvikelsen för FM-signalen enligt ITU-RSM.1268.1-standarden. Beskrivningen av analysexperimentprocessen visas i figur 9. Resultatet visas i figur 10
Figur 9. Testprocess
Figur 10. Fördelningsdiagram för kumulativ frekvensavvikelse
Från den statistiska fördelningen av frekvensavvikelsen som erhållits från experimentet, för samma ljudfil, fördelas signalfrekvensavvikelsen för station A huvudsakligen från 10kHz-95% till 35kHz-5% i en halvklockakurva, och signalfrekvensen avvikelse för station B är huvudsakligen Fördelningen visar en halvklocka kurva från 10kHz-95% till 75KHz-95%. Tidsdomänsignalerna för de två stationerna visar olika sannolikhetsfördelningskarakteristika. Däremot är signalfrekvensförskjutningen för station B större.
Ur lyssningssynpunkt är ljudkvaliteten för station B bättre än den för station A, och volymen är högre, det vill säga överföringskvaliteten är bättre.
3.3, felsökning
Eftersom ljudfilerna som sänds till de två ljudprocessorerna är desamma, är inställningarna för de två sändarna också desamma, men fördelningen av signalfrekvensoffset för station A och station B är olika, vilket indikerar att ljudprocessorerna för de två stationerna är annorlunda. Signalfrekvensavvikelsens amplitud för samma ljudfil som behandlas av ljudprocessor A är relativt liten, vilket indikerar att inställningen av ljudprocessor A inte har nått ITU-RSM1268.1-standarden. Därför, efter att ha justerat ljudprocessorn A enligt den rekommenderade standarden, kan teoretiskt högre överföringskvalitet uppnås. Av denna anledning utformades följande verifieringsexperiment.
3.4, verifiering
Ett sändningsprogram bearbetas av ljudprocessor A och sänds sedan till sändare A för överföring. Ingenjören justerar ljudprocessor A under tillstånd av oavbruten överföring. Radioövervakningsmottagaren tar emot radiofrekvenssignalen från station A och följer ITU-RSM.1268.1-standarden för att utföra statistisk analys av FM-signalens maximala frekvensavvikelse och jämföra data före och efter justering av ljudprocessor A. Beskrivningen av verifieringsexperimentet visas i figur 11.
Figur 11. Testprocess
Figur 12. Fördelning av kumulativ frekvensavvikelse
Från den statistiska fördelningen av frekvensavvikelse, för samma programkälla, är signalfrekvensavvikelsen före justering huvudsakligen fördelad från 25kHz-95% till 45kHz-5% i en halvklockakurva, och signalfrekvensavvikelsen efter justering är huvudsakligen fördelad från 45kHz-95%. Den visar en halvklocka kurva till 55KHz-95%. Däremot är det justerade signalfrekvensoffsetvärdet större, och fördelningen är mer full. Ur ett lyssningsperspektiv är den justerade ljudkvaliteten och volymen avsevärt förbättrad jämfört med tidigare.
Fyra, slutsats av verifieringsexperiment
I fallet med samma programkälla, genom att justera ljudprocessorns referensutgångsnivå, kan frekvensförskjutningsfördelningen förbättras för att göra den fylligare och frekvensförskjutningsvärdet är större.
För samma ljudkälla kan den maximala frekvensavvikelsefördelningen efter FM-modulering påverka volymen och mättnaden för det demodulerade ljudet. Genom att justera ljudprocessorns parameterinställningar är FM-signalen mer i linje med ITU-R-specifikationen, vilket kan göra lyssningsljudet högre och fylligare. Därför kan användningen av sändningsövervakningsutrustning för att detektera FM-sändningsparametrar och justera utrustningen i sändningslänken enligt ITU-R-standarden för dessa parametrar erhålla högre överföringskvalitet.
Detta visar också att användningen av sändningsövervakningsutrustning för att övervaka FM-sändningar är ett effektivt sätt att säkerställa kvaliteten på FM-sändningar.
V. Utsikter
Sändningsövervakningsmottagaren baserad på programvarans radioarkitektur som används i den här artikeln är en enkanalig insamlingsenhet med relativt få testparametrar, och manuell analys krävs efter förvärvet, vilket är relativt ineffektivt. Med utvecklingen och framstegen inom vetenskap och teknik, i kombination med de problem som uppstår i experimentet, föreslås vissa utsikter för framtidens övervaknings- och mottagningsutrustning för FM-sändningar:
1. Realtidsinspelning av fullbands FM-sändningssignaler från 87MHz till 108MHz.
2. Utrustad med en diskarray med stor kapacitet, som kan spela in dygnet runt och realisera avancerade funktioner som timinginspelning.
3. Den kan fjärrstyras för att realisera funktioner som obevakad övervakning, automatisk analys och generering av rapporter.
4. Stöd databasen, som kan återge frekvensspektrum och ljudfrekvens när som helst och vid vilken frekvens som helst.
5. Diversifierad systemkonfiguration kan möta olika kunders behov.
6. Den modulära designen av mjukvara och hårdvara är bekväm för systemexpansion och sekundär utveckling.
Vår andra produkt:
