質(zhì)量保證系統(tǒng)調(diào)幅度測量方法研究

摘要：當今的廣播電視技術(shù)已經(jīng)步入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化的時代。在新形勢下，發(fā)射臺站必須結(jié)合先進的計算機技術(shù)、自動監(jiān)控技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，開發(fā)及實現(xiàn)中短波發(fā)射臺的監(jiān)測系統(tǒng)。調(diào)幅度是調(diào)幅廣播信號的重要參數(shù)，是衡量發(fā)射機輸出功率、能量利用率和覆蓋效果的一項重要技術(shù)指標，是調(diào)幅廣播信號質(zhì)量監(jiān)測最主要的項目之一，對于調(diào)幅廣播的安全播出有重要意義。本文對中短波發(fā)射臺質(zhì)量保證系統(tǒng)的調(diào)幅度測量方法進行研究與探討。

關(guān)鍵詞：信號監(jiān)測 數(shù)據(jù)采集 調(diào)幅度 載波功率

中圖分類號：R778.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0067-03

Abstract：Today's radio and TV technology has been entered to the era of digitization， networking， informatization. Under the new situation， the transmitting stations must be combined with advanced computer technology， automatic monitoring technology and network communication technology， the development and realization of monitoring system adapted to the launch pad.？Adjustable amplitude is one of the important parameters for broadcast signal， it also an important technology index for measuring transmitter output power， energy utilization and the cover effect， its important project for monitoring radio signal quality， and it has important significance to safety broadcast. According to the methods of adjustable amplitude measurement of quality assurance system， this paper has carried on the thorough discussion and the research to Medium-wave transmitter quality assurance system.

Key Words：Signal monitoring； Amplitude modulation； Modulation factor； Signal carrier power

1 引言

保證安全播出是廣播電視部門的中心工作，也是各級各類傳輸發(fā)射臺永恒的話題。如何保證各播出頻率不間斷、高質(zhì)量的播出，一直是安全播出管理的重點和難點。隨著各個臺站自動控制系統(tǒng)改造的進行，建立一套新的播出質(zhì)量自臺監(jiān)控機制，對廣播信號調(diào)幅度的自我監(jiān)測管理，也是發(fā)射臺進行自動控制改造的重要內(nèi)容。發(fā)射臺質(zhì)量保證系通過對各個傳輸環(huán)節(jié)的信號質(zhì)量進行實時監(jiān)測，掌握信號在傳輸過程中的質(zhì)量變化情況，為及時發(fā)現(xiàn)信號質(zhì)量劣化和臺內(nèi)信號播出質(zhì)量監(jiān)測提供技術(shù)手段，及時反映發(fā)射臺設(shè)備的工作狀態(tài)，為無線局的安全播出工作起到了重要作用。調(diào)幅度是調(diào)幅廣播信號的一個重要參數(shù)，是衡量發(fā)射機輸出功率、能量利用率和覆蓋效果的一項重要技術(shù)指標。調(diào)幅度的測量是發(fā)射臺質(zhì)量保證系統(tǒng)實現(xiàn)實時監(jiān)測和正確反映發(fā)射機運行狀態(tài)等系統(tǒng)功能的關(guān)鍵點。

2 質(zhì)量保證系統(tǒng)總體設(shè)計方案

通過對中短波調(diào)幅廣播監(jiān)測需求的分析和調(diào)幅度異常原因的研究，系統(tǒng)對調(diào)幅廣播施行“三點”監(jiān)測。這“三點”監(jiān)測的信號指的分別是從送入發(fā)射機的信號接入點處（衛(wèi)星接收機的輸出或者光纖信號或音頻處理設(shè)備的輸出）獲取的輸入信號、從發(fā)射機送至天線的信號進行耦合獲取的輸出信號，以及通過天線開路接收到的實際廣播信號。輸出信號的監(jiān)測也是對信號電壓采集，通過信號電平反映信號的質(zhì)量。當信號電平長期低于設(shè)定值時，給出報警，提示值班人員及時調(diào)整發(fā)射機運行狀況。

發(fā)射臺質(zhì)量保證系統(tǒng)設(shè)計主要完成發(fā)射機數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測、轉(zhuǎn)換和呈現(xiàn)等功能。 系統(tǒng)軟件采用C/S三層結(jié)構(gòu)，VC++語言實現(xiàn)。監(jiān)測工控機（聲卡、網(wǎng)卡、音箱）和指標監(jiān)測終端軟件組成。系統(tǒng)主要分為四部分：調(diào)幅度測量模塊、輸入信號采集模塊、輸出信號采集模塊和系統(tǒng)軟件。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

調(diào)幅度測量模塊負責(zé)完成信號調(diào)幅度的測量，主要由專用測量接收機和用于控制接收機計算調(diào)幅度的服務(wù)端軟件組成，該模塊工作在工控機上。輸入信號采集模塊和輸出信號采集模塊類似，都是采用專門的電壓采集設(shè)備，完成對應(yīng)信號的電壓采集工作。系統(tǒng)主程序主要由客戶端軟件和后臺數(shù)據(jù)庫組成，負責(zé)根據(jù)設(shè)定從三個測量模塊獲取數(shù)據(jù)，完成監(jiān)測以及報警功能。

系統(tǒng)的整個工作流程是：

（1）啟動調(diào)幅度測量服務(wù)端軟件，開啟接收機并設(shè)定接收機工作參數(shù)，接收廣播信號，等待系統(tǒng)主程序指令。

（2）將音頻輸入信號和耦合輸出信號連接至采集模塊，開始采集電壓。

（3）主程序從數(shù)據(jù)庫讀取頻點設(shè)定，檢查播放列表，獲取正在播放出頻點。

（4）控制調(diào)幅度服務(wù)端設(shè)定接收機板卡工作頻率，設(shè)定信號電壓采集模塊增益。

（5）開啟監(jiān)測線程，從三個測量模塊獲取數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。如果超出報警門限，聲音和界面報警，否則繼續(xù)監(jiān)測下一頻點。

系統(tǒng)所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括頻率信息數(shù)據(jù)、測量模塊信息和報警數(shù)據(jù)。業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)邏輯關(guān)系設(shè)計圖如圖2所示。

3 調(diào)幅度測量方法

用調(diào)制信號（音頻信號或視頻信號）去控制改變高頻載波信號的振幅，從而使高頻載波的振幅隨調(diào)制信號的變化而變化，這種調(diào)制方法稱為調(diào)幅。

如圖3所示，其中圖（a）為調(diào)制信號波形，是一頻率為fΩ，振幅為的正弦波；圖（b）為高頻載波波形，振幅為Uc，載波頻率為fc；圖（c）為調(diào)幅波波形。由圖中可以看出，調(diào)幅波的振幅是隨調(diào)制信號而變化的，而調(diào)幅波的頻率不變，仍為載波頻率[1]。調(diào)幅波的表達式為：

調(diào)幅度反映了高頻載波振幅被調(diào)制的程度，常以百分數(shù)表示。調(diào)幅度最小為零（Umax=Umin），標志著沒有調(diào)制信號，發(fā)射出去的只是載波；調(diào)幅度最大為100%（Umin=0），說明載波幅度已完全被用于傳送音頻調(diào)制信號；如果調(diào)幅度大于100%（Umin<0）稱為過調(diào)幅，經(jīng)常過調(diào)幅是不被允許的，因為過調(diào)幅將會使得調(diào)幅波的包絡(luò)波形和調(diào)制信號的波形不完全一致，從而造成失真[2]。

式中：（）、（）分別為調(diào)幅波頻譜的上邊頻和下邊頻?？梢?，在調(diào)幅波頻譜中有一個載頻和兩個邊頻。圖2所示為50Hz～8kHz音頻信號調(diào)制1000kHz載波所得調(diào)幅波的頻譜圖。

式中Pt指載波功率，P（ω±Ω）指上下邊帶功率。

在未調(diào)制時m=0，P=Pt；在100%調(diào)幅時，m=1，P=1.5Pt?？梢?，調(diào)幅波的輸出功率隨m的增大而增加。它所增加的部分是兩個邊頻所產(chǎn)生的功率㎡·Pt /2。由于信號包含在邊頻內(nèi)，因此在調(diào)幅制中應(yīng)盡可能地提高m的值，以增強邊帶功率，提高傳輸信號的能力。當m=1時，邊頻功率最大，這時上、下邊頻功率之和只占總功率的三分之一。當m<1時，邊帶功率將以m2指數(shù)規(guī)律迅速下降。如一部20kW的調(diào)幅發(fā)射機，當調(diào)幅度分別為100%、70%、50%、30%和10%時，其邊帶功率變化如表1所示，由表中數(shù)據(jù)可見，隨著調(diào)幅度的下降，邊帶功率將急劇下降。如當調(diào)幅度下降到10%時，邊帶功率就下降到滿調(diào)幅的1/100。

邊帶功率的大小直接決定信號覆蓋的范圍大小和信號的傳輸質(zhì)量，邊帶功率的范圍越大，信號覆蓋范圍越大，信號質(zhì)量越好。調(diào)幅發(fā)射機要滿調(diào)幅運行，至少要大于80%，由于發(fā)射機的載波功率是不能更改的，所以要想達到覆蓋要求，必須的條件是要保證足夠的調(diào)幅度[3]。

4 調(diào)幅度測量服務(wù)端軟件實現(xiàn)

通過對常用調(diào)幅度測量方法的研究，接收機法既能保證測量的準確度，同時又能保證測量的效率，因此選用接收機法進行調(diào)幅度測量。測量接收機通過環(huán)形天線對實際的廣播信號進行測量。

整個系統(tǒng)是從天線饋筒上取樣，天線和接收機一一對應(yīng)，監(jiān)測系統(tǒng)正常監(jiān)測時需要將播出運行圖輸入質(zhì)量保證系統(tǒng)中。錄入運行圖信息包括機器號，起始時間，播音頻率，天線及偏向角度。廣播信號質(zhì)量監(jiān)測儀安裝在發(fā)射機上，從發(fā)射機饋筒取樣，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的多點采樣，實時監(jiān)測發(fā)射機調(diào)幅度、載波頻率及載波功率重要數(shù)據(jù)，并可通過通訊接口發(fā)布監(jiān)測點數(shù)據(jù)[4]。

根據(jù)廣播調(diào)幅發(fā)射機的工作特點，要實現(xiàn)調(diào)幅度實時變化，載波頻率相對穩(wěn)定，監(jiān)測信號要選擇每監(jiān)測一百次調(diào)幅度，監(jiān)測一次載波頻率。系統(tǒng)設(shè)計采樣點數(shù)為N=4096，算法采用Hilbert變換解調(diào)和欠采樣求載波頻率，所以每計算100次調(diào)幅度、100次載波功率和1 次載波頻率所需要的運算次數(shù)大概為：

100*（N log2 N*4+4*N）+（4*Nlog2N+4*2002+261*263*4）

要達到實時性的效果需要2秒鐘之內(nèi)完成這些運算。

系統(tǒng)通過TCP協(xié)議與調(diào)幅度服務(wù)端通信，獲取調(diào)幅度。線程在啟動時先從數(shù)據(jù)庫查詢與該頻點關(guān)聯(lián)的調(diào)幅度服務(wù)端IP，以及測量周期，測量間隔，同時從報警門限表中取得調(diào)幅度報警門限。接著連接調(diào)幅度檢測服務(wù)端，取測量數(shù)據(jù)。

服務(wù)端的主要任務(wù)是控制接收機板卡，并對數(shù)據(jù)進行實時處理，計算調(diào)幅度，根據(jù)主程序的消息設(shè)定板卡的工作狀態(tài)以及反饋信號的實時調(diào)幅度、頻偏和功率數(shù)據(jù)。

4.1 工作流程

軟件通過板卡自帶驅(qū)動和SDK動態(tài)鏈接庫，所以程序啟動首先查找板卡驅(qū)動動態(tài)鏈接庫，若成功，啟動板卡，若此時出錯，一般情況下說明板卡未正常安裝，此時需重新安裝板卡。

板卡啟動好后，軟件從配置文件讀入板卡工作參數(shù)，這里需要設(shè)定的參數(shù)主要有：

（1）自動增益控制（AGC）：使放大電路的增益自動地隨信號強度而調(diào)整的自動控制板卡共有快、中、慢以及關(guān)閉四種狀態(tài)，此處將其設(shè)置為快速狀態(tài)。

（2）中頻增益和設(shè)置范圍為0～100，此處我們將其設(shè)置為60。

（3）中頻帶寬根據(jù)檢測標準設(shè)置為9kHz，音頻帶寬去中頻帶寬的一般4.5kHz。

（4）中頻偏移0Hz、音頻增益為0。同時設(shè)定板卡的工作模式為AM，初始工作頻點設(shè)定為配置文件中記錄的上次工作頻率。

軟件從配置文件中讀取上次工作頻率，設(shè)置板卡工作頻率，此時從板卡的音頻輸出接口，可以收聽到正常的廣播。板卡參數(shù)設(shè)置完成后，通過SDK提供的API開始接收板卡中頻流數(shù)據(jù)，并對其進行處理，以供客戶端取值。最后，開啟監(jiān)視服務(wù)端socket，監(jiān)視指定的端口，當接收到客戶端連接請求，生成連接socket，負責(zé)和客戶端通信，按照客戶端的指令對板卡進行設(shè)定、返回監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4.2 調(diào)幅度計算

按照接收機法測量調(diào)幅度的原理，通過板卡獲得廣播信號的中頻數(shù)據(jù)流，然后對對中頻數(shù)據(jù)流進行處理，計算調(diào)幅度。板卡通過API方式獲取中頻流，每次返回約800個采樣值，采用16位PCM編碼，經(jīng)過二次變頻后的中頻信號為16kHz，而采樣頻率為64kHz，所以每個中頻周期內(nèi)共有4個采樣點，按照前面介紹的方法對中頻數(shù)據(jù)實現(xiàn)數(shù)字軟解調(diào)，將得到的近似包絡(luò)存儲在數(shù)組m_nIFMax中。統(tǒng)計、記錄包絡(luò)數(shù)據(jù)的最大值、最小值。當需要計算調(diào)幅度時，采用如下函數(shù)計算調(diào)幅度。

4.3 監(jiān)測結(jié)果處理

系統(tǒng)主線程在每次收到三個測量線程的測量結(jié)果時，首先檢測三個監(jiān)測線程對應(yīng)的異常標志位中是否有標志位為真。如果有，則說明已經(jīng)有異常發(fā)生，而且報警ID已經(jīng)生成，利用報警ID將本次測量數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。如果所有異常標志位都為假，說明在本次測量之前沒有異常發(fā)生。接下來監(jiān)測本次監(jiān)測結(jié)果，如果不合格，首先將頻點切換標志置為假，提示控制線程繼續(xù)停留在本頻點。接著將本次監(jiān)測對應(yīng)異常標志為置為真，同時構(gòu)造報警ID。記錄報警數(shù)據(jù)，播放報警聲音，同時給出界面提示。如果都沒有異常發(fā)生，則只將本次監(jiān)測數(shù)據(jù)在界面進行展示，不進行儲存。報警信息在監(jiān)測過程中寫入數(shù)據(jù)庫。

5 結(jié)語

發(fā)射臺質(zhì)量保證系統(tǒng)對信號調(diào)幅度的實時監(jiān)測報警，監(jiān)測數(shù)據(jù)準確、可靠，同時也實現(xiàn)了對音頻信號和發(fā)射機耦合輸出信號的監(jiān)測，對安全播出工作起到了輔助作用。當發(fā)現(xiàn)調(diào)幅度異常時，自動檢測發(fā)射機的工作狀況，判斷異常原因，自動對各部分進行調(diào)整控制，從而實現(xiàn)調(diào)幅度的全自動監(jiān)測控制，保證發(fā)射臺實現(xiàn)“滿調(diào)幅”工作。

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收稿日期：2016-09-05

作者簡介：賈依娜 （1983—），女，哈薩克族，北京人，碩士，工程師，研究方向：廣播與電視技術(shù)。