調(diào)頻發(fā)射機(jī)指標(biāo)測試系統(tǒng)

黃亦群 姜永福

（作者單位：紫金電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺(tái)）

我國廣播系統(tǒng)的主要調(diào)制方式為調(diào)頻和調(diào)幅，而從中央到地方大多數(shù)采用調(diào)頻廣播，在調(diào)頻廣播系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)播出指標(biāo)是衡量廣播節(jié)目質(zhì)量的重要標(biāo)志。

1 調(diào)頻廣播概述

1.1 調(diào)頻廣播的優(yōu)點(diǎn)與不足

調(diào)頻廣播是現(xiàn)代實(shí)現(xiàn)高保真聲音廣播和立體聲廣播的主要方式。其主要優(yōu)點(diǎn)有：保真度高、抗干擾性強(qiáng)、信號(hào)穩(wěn)定等。不足之處為傳播距離近，限于有效范圍內(nèi)；存在多徑失真現(xiàn)象，到達(dá)接收天線的電波有直射波，也有建筑物等反射過來的反射波。因反射波和直射波之間有行程差，亦即有相位差，從而形成同一信號(hào)的自相干擾現(xiàn)象，當(dāng)反射波與直射波強(qiáng)度相比達(dá)到可比的程度時(shí)，由于反射波的作用會(huì)使解調(diào)后的音頻信號(hào)產(chǎn)生失真或消失，這種失真稱為多徑失真[1]。在行駛的汽車內(nèi)收聽，多徑失真表現(xiàn)為聲音瞬間“沙啞”等。

1.2 調(diào)頻廣播的頻率范圍

我國調(diào)頻廣播頻段范圍為87～108 MHz，頻道間隔為100 kHz，帶寬為200 kHz。調(diào)頻廣播接收機(jī)的中頻頻率為10.7 MHz[2]。

1.3 調(diào)頻波

調(diào)頻波是一種等幅疏密波，與調(diào)幅信號(hào)不同，調(diào)頻波的幅度保持不變，調(diào)頻波的波形如圖1所示[3]。

圖1 調(diào)頻波波形圖

調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率和送入調(diào)制的調(diào)制波（即送入發(fā)射機(jī)的音頻信號(hào)）的大小是成比例變化的。音頻信號(hào)越大反映在調(diào)制信號(hào)上就是在那一個(gè)點(diǎn)上頻率越大，而這個(gè)頻率的疏密就是所需要的信息[4]。

設(shè)音頻調(diào)制信號(hào)為：

公式（1）中，Uam為調(diào)制信號(hào)的振幅；Ωa為調(diào)制信號(hào)的角頻率，Ωa=2πFa，F(xiàn)a為調(diào)制信號(hào)頻率。

又設(shè)載波信號(hào)為：

公式（2）中，Ucm為 載波信號(hào)的振幅；C為載波信號(hào)角頻率，a=2πFC，F(xiàn)C為載波頻率。

調(diào)制信號(hào)對載波進(jìn)行頻率調(diào)制后的調(diào)頻波表達(dá)式為：

公式（3）中，Δm為調(diào)頻波角頻率的最大偏移。Δm=2πΔfm，Δfm為最大頻偏。fm為調(diào)制指數(shù)，

2 調(diào)頻廣播測試指標(biāo)

2.1 導(dǎo)頻

調(diào)頻信號(hào)采用的是立體聲信號(hào)調(diào)制（見圖2）。L、R兩路音頻信號(hào)在激勵(lì)器中的音頻處理板上經(jīng)過預(yù)加重電路提高發(fā)射后傳輸過程中容易衰減到大于3 000 Hz音頻信號(hào)的電平大小，然后送到矩陣電路，經(jīng)過加、減變換，變?yōu)楹托盘?hào)M（M=L+R）及差信號(hào)S（S=L-R）。矩陣電路的M信號(hào)構(gòu)成主信道信號(hào)，可直接送去調(diào)制主載波，以便于普通調(diào)頻收音機(jī)兼容收聽；S信號(hào)和副載波經(jīng)過平衡調(diào)制和低通濾波器（Low Pass Filter, LPF）產(chǎn)生抑制載波后的調(diào)幅信號(hào)（副信道），這個(gè)信號(hào)再與和信號(hào)混合后去調(diào)制主載波。副信道的頻率在23～53 kHz，而人耳的最大可聽范圍不會(huì)超過20 kHz，所以不會(huì)對音頻信號(hào)產(chǎn)生任何干擾。但是，副載波抑制的存在使得接收端無法還原出差信號(hào)S，從而導(dǎo)致無法解調(diào)出左右聲道信號(hào)。為解決這個(gè)問題，在主信道和副信道之間空格的頻率上再添加一個(gè)38 kHz頻率一半的19 kHz信號(hào)作為導(dǎo)頻信號(hào)。接收端在接收到這個(gè)導(dǎo)頻信號(hào)后經(jīng)過倍頻處理就可以還原出與發(fā)射端頻率、相位一致的38 kHz[5]。

圖2 立體聲復(fù)合信號(hào)頻譜圖

2.2 預(yù)加重和去加重

在調(diào)頻系統(tǒng)中，鑒頻器輸出的噪聲信號(hào)功率譜和頻率的增加是不成正比的，而是隨著頻率的增加呈現(xiàn)拋物線形狀的增加。但實(shí)際的語音信號(hào)大多集中在低頻和中頻范圍內(nèi)，而其功率譜和頻率是呈反比的，這就會(huì)導(dǎo)致低頻噪聲小，高頻噪聲大，而高頻部分太低的信噪比顯然會(huì)導(dǎo)致傳輸、接收困難。

為解決高頻噪聲問題，在調(diào)頻廣播（電視發(fā)射機(jī)的伴音部分也一樣）的發(fā)射端加入預(yù)加重電路。也就是在噪聲加入傳輸鏈路之前，通過預(yù)加重電路將信號(hào)的高頻部分抬升一定量，來增加高頻段信號(hào)的功率譜密度以提高輸出的信噪比。

相應(yīng)地，為了真實(shí)地還原信號(hào)，在接收端就要加上與發(fā)射端預(yù)加重電路對應(yīng)的去加重電路，對高頻部分壓低。

預(yù)加重值按以下公式計(jì)算（50μs）：

公式（4）中，A為預(yù)加重值（dB），τ為預(yù)加重常數(shù)（50μs），f為頻率值。表1為廣播電視系統(tǒng)中常用測試頻點(diǎn)對應(yīng)的50μs預(yù)加重值。

表1 常用頻率標(biāo)準(zhǔn)50μs預(yù)加重曲線值

2.3 調(diào)頻波的頻偏

調(diào)頻波瞬時(shí)頻率變化的程度一般用頻偏表示，頻偏是已調(diào)制的調(diào)頻信號(hào)的瞬時(shí)頻率與中心頻率（即發(fā)射機(jī)播出的載波頻率）之差。頻偏與送入調(diào)制的音頻信號(hào)的幅度大小成正比，而與調(diào)制信號(hào)的頻率無關(guān)。頻偏表示調(diào)頻波的調(diào)制深度，它與調(diào)幅波的調(diào)幅度相對應(yīng)。在我國調(diào)頻系統(tǒng)中，規(guī)定發(fā)射機(jī)滿調(diào)制最大的頻偏為75 kHz（見圖3），以此值作為調(diào)制度的100%。

圖3 頻偏頻譜圖

2.4 調(diào)頻波的有效帶寬

由于調(diào)頻波頻譜的邊頻分布太寬，在一般的調(diào)頻廣播中舍去幅度小于未調(diào)制載波幅度的10%的分量，這對調(diào)頻波信號(hào)的失真影響不大。在調(diào)頻廣播中，規(guī)定最大調(diào)制度為75 kHz，最大音頻頻率為15 kHz，此時(shí)可計(jì)算得出有效通帶為180 kHz，也即調(diào)頻接收機(jī)為了達(dá)到高保真?zhèn)鬏?，其帶寬?yīng)不窄于180 kHz。此外，載波的振幅在調(diào)制后比調(diào)制前要小，甚至小得很多。這時(shí)調(diào)頻波的特點(diǎn)，載波的部分能量已轉(zhuǎn)移到各邊帶波中，即傳輸邊帶波不需要另外消耗功率，因此，調(diào)頻廣播的發(fā)射功率有效利用率比調(diào)幅高。

2.5 立體聲分離度

在調(diào)頻解調(diào)器中，主信號(hào)（L+R）從鑒頻器直接輸出，而副信號(hào)（L-R）還需經(jīng)過解調(diào)器。而且主信號(hào)頻率在音頻范圍內(nèi)，而副信號(hào)被移頻到超音頻范圍，電路放大器對該信號(hào)的相位延時(shí)會(huì)不均勻。基于以上因素，故送到解碼器的主、副信號(hào)之間總存在增益差和相位差，所以解碼器開關(guān)信號(hào)對主、副信道進(jìn)行解碼后輸出的左右音頻信號(hào)中總存在相應(yīng)的串音成分，而這種左、右信號(hào)相互串?dāng)_的程度常用分離度來表示。

分離度定義為一個(gè)聲道的輸出信號(hào)電壓與另一聲道信號(hào)串到該聲道的串音分量電壓之比。即設(shè)（UL）L為左聲道輸出電壓；（UL）R為右聲道信號(hào)串到左聲道的串音電壓，則立體聲左聲道的分離度為：

如果解調(diào)器與低放通道的平衡度非常好，他們的測量結(jié)果將比較一致。我國調(diào)頻接收機(jī)參數(shù)性能標(biāo)準(zhǔn)中以分離度來考核整機(jī)立體聲性能。

2.6 諧波失真

由于發(fā)射機(jī)通道的非線性，在解調(diào)出的音頻信號(hào)中，除了有需要的基波調(diào)制分量外，還有由于非線性產(chǎn)生的大量不需要的諧波分量。這些產(chǎn)生的無用諧波分量將使發(fā)射機(jī)激勵(lì)器輸出的音頻信號(hào)產(chǎn)生失真，這種由于產(chǎn)生諧波信號(hào)導(dǎo)致的失真稱為諧波失真。通常用接收機(jī)解調(diào)出的1次、2次…n次諧波分量的有效值和接收機(jī)解調(diào)輸出需要的有效信號(hào)有效值之比的百分?jǐn)?shù)表示：

公式（7）中，Kn為總諧波失真，U1…Un為各次諧波電平有效值。

2.7 頻率響應(yīng)

發(fā)射機(jī)的音頻頻率響應(yīng)是指用振幅恒定的音頻信號(hào)調(diào)制時(shí)，其調(diào)制度隨不同頻率而變化的特性。

2.8 信噪比

用1 000 Hz的音頻信號(hào)對載波進(jìn)行調(diào)制，使總調(diào)制度為100%，并以此時(shí)在解碼器輸出端測的電平值為基準(zhǔn)；去掉音頻輸入信號(hào)，并以此時(shí)在解碼器輸出端測的電平值為噪聲電平值，并以基準(zhǔn)電平與噪聲電平的差值為信噪比。

2.9 左右聲道電平差

在立體聲播音或放音時(shí)，如果左右聲道信號(hào)存在相位差和電平差，會(huì)對播音或放音質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，出現(xiàn)聲像漂移、音量減小、噪聲增大和失真等故障現(xiàn)象。左右聲道相位差、電平差越大，音質(zhì)也越差，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成無音故障。在測試時(shí)，需記錄每一個(gè)頻點(diǎn)的實(shí)際電平值，而不是與基準(zhǔn)頻率電平的差值，再計(jì)算左右兩個(gè)聲道同頻率下的電平差值，這個(gè)差值就是左右聲道電平差。

3 調(diào)頻指標(biāo)測量方法

適用標(biāo)準(zhǔn)《米波調(diào)頻廣播技術(shù)規(guī)范（GB/T 4311-2000）》《米波調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)要求和測量方法（GY/T 169-2001）》。

3.1 傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與調(diào)頻發(fā)射機(jī)的測量

在傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中，發(fā)射機(jī)測試由音頻信號(hào)發(fā)生器、音頻信號(hào)分析儀、音頻解調(diào)器三個(gè)獨(dú)立模塊組成（見圖4），每次測試時(shí)除了需要連接線路外，在測試完一個(gè)頻點(diǎn)或一個(gè)指標(biāo)后都需要重新調(diào)整這三個(gè)模塊的設(shè)置。

圖4 發(fā)射機(jī)測試框圖

例如，測試頻響：

（1）將發(fā)射機(jī)的預(yù)加重和音頻解調(diào)器的去加重設(shè)置關(guān)閉。

（2）音頻信號(hào)發(fā)生器輸出頻率設(shè)定為400 Hz，并調(diào)整輸出電平，使發(fā)射機(jī)的調(diào)制度達(dá)到100%。

（3）將音頻分析儀設(shè)置為電平測試，記錄此時(shí)的電平值作為基準(zhǔn)。

（4）保持音頻信號(hào)輸出電平不變，分別改變輸出頻率為：30 Hz、50 Hz、100 Hz、400 Hz、1 kHz、3 kHz、5 kHz、7 kHz、10 kHz、12 kHz、15 kHz，并分別記錄上述11個(gè)標(biāo)準(zhǔn)測試頻率下音頻分析儀的測試電平值。

（5）根據(jù)上述測試結(jié)果，計(jì)算各個(gè)頻率的電平值與作為記錄的基準(zhǔn)的400 Hz頻率下的電平值的差，即得到頻率響應(yīng)的數(shù)值。

可以看到，在這個(gè)操作過程中，工作人員只有對整個(gè)系統(tǒng)有相當(dāng)深刻的認(rèn)識(shí)和技術(shù)儲(chǔ)備，才能準(zhǔn)確地測試發(fā)射機(jī)的技術(shù)指標(biāo)。

3.2 一體化測試系統(tǒng)與調(diào)頻發(fā)射機(jī)的測量

隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前調(diào)頻發(fā)射機(jī)的測量較多采用一體化測試系統(tǒng)，即將音頻信號(hào)發(fā)生器、音頻信號(hào)分析儀、音頻解調(diào)器三個(gè)獨(dú)立模塊整合為一套測試系統(tǒng)，在測試時(shí)除了必要的參數(shù)設(shè)定，其余測試步驟均由系統(tǒng)自動(dòng)完成，如圖5所示。

圖5 一體化測試系統(tǒng)

一體化測試系統(tǒng)簡化了設(shè)備間的連線，同時(shí)由于一體化的設(shè)計(jì)也大大簡化了測試的流程，以頻響測試為例：

（1）關(guān)閉發(fā)射機(jī)的預(yù)加重和音頻解調(diào)器的去加重設(shè)置。

（2）點(diǎn)擊測試電平。

測試系統(tǒng)將自動(dòng)建立基準(zhǔn)電平、調(diào)整調(diào)制度、改變頻率、計(jì)算測試結(jié)果，這就大大地減少了人工操作的步驟，降低了測試的難度。

3.3 智能化測試系統(tǒng)與調(diào)頻發(fā)射機(jī)的測量

隨著技術(shù)的進(jìn)步，很多廣播發(fā)射臺(tái)都進(jìn)行了智能化改造，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控發(fā)射機(jī)狀態(tài)、自動(dòng)切換信源、自動(dòng)倒換天線、自動(dòng)上傳報(bào)警信息。按照原來的測試方法，每測試一臺(tái)發(fā)射機(jī)都需要重新接線、調(diào)整發(fā)射機(jī)設(shè)置，顯然這個(gè)是達(dá)不到智能電臺(tái)的要求的，這就催生了一種智能化的測試系統(tǒng)。如圖6所示。

圖6 智能化測試系統(tǒng)

圖7 音頻信源輸出

在智能化測試系統(tǒng)中，可以由PC控制端（PC控制端）控制完成所有的測試操作，如發(fā)射機(jī)播出信源和測試信源的切換、發(fā)射機(jī)監(jiān)測口的切換、發(fā)射機(jī)的開關(guān)機(jī)和天線倒換、發(fā)射機(jī)指標(biāo)測試等。在整個(gè)測試系統(tǒng)中只需要一臺(tái)指標(biāo)測試儀就可以按照PC控制端依據(jù)播出、測試計(jì)劃發(fā)出的測試指令測試所有發(fā)射機(jī)的指標(biāo)，也不需要頻繁地搬動(dòng)、接線，測試的結(jié)果可以自動(dòng)保存、上傳。和“智慧臺(tái)站”相結(jié)合還可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)測發(fā)射機(jī)的播出狀態(tài)、上級(jí)臺(tái)站遠(yuǎn)程測試、異常報(bào)警等功能。

按照GY/T 169-2001《米波調(diào)頻廣播發(fā)射機(jī)技術(shù)要求和測量方法》中規(guī)定的測試方法，調(diào)頻測試的各個(gè)指標(biāo)的測試條件是不一致的，如頻率響應(yīng)指標(biāo)可在不加重和不去重、加重和去加重兩種情況下測試，失真度和分離度在不加重和不去重下測試，信噪比在加重和去加重兩種情況下測試。在這個(gè)情況下使用傳統(tǒng)的兩種測試方法就需要不斷地手動(dòng)調(diào)整發(fā)射機(jī)和測試儀的設(shè)置，實(shí)際上就無法做到自動(dòng)測試，在智能化測試系統(tǒng)中就可以做到測試時(shí)按照相關(guān)要求自動(dòng)來調(diào)整發(fā)射機(jī)和測試儀的設(shè)置，真正做到自動(dòng)化的測試。

由于發(fā)射機(jī)的種類繁多，工作人員在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)了常用的FM發(fā)射機(jī)的控制命令，在測試前選擇相應(yīng)的發(fā)射機(jī)就可以自動(dòng)匹配相應(yīng)的控制指令?？刂平涌诳梢允蔷W(wǎng)口、RS232、RS485，串口的波特率也可以設(shè)置。

在自動(dòng)測試過程中，按照測試標(biāo)準(zhǔn)必須保證發(fā)射機(jī)調(diào)制度始終保持在100%，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)只能控制音頻信源以1 dB的步進(jìn)調(diào)整，但這就不能精確的控制發(fā)射機(jī)調(diào)制度到100%，這時(shí)就只能調(diào)整發(fā)射機(jī)。在智能化測試系統(tǒng)中可以通過測試儀和PC控制端的通信來控制音頻信源以0.1 dB的步進(jìn)調(diào)整。

音頻信號(hào)發(fā)射器產(chǎn)生的并行音頻數(shù)據(jù)送入FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，按照PC控制端的指令以0.1dB的步進(jìn)調(diào)整音頻幅度，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為I2S信號(hào)輸出，如圖8所示。

圖8 I2S時(shí)序圖

在實(shí)際的測試中，測試儀的檢波器不斷檢測調(diào)制度，低于75 kHz就調(diào)大音頻信源的輸出幅度來增加調(diào)制度，經(jīng)過0.1 dB的精確調(diào)整就可以保證發(fā)射機(jī)達(dá)到75 kHz調(diào)制度。在加重和去加重測試中，也需要控制每個(gè)頻點(diǎn)都達(dá)到100%調(diào)制，這個(gè)過程也需要調(diào)整發(fā)射機(jī)達(dá)到75 kHz調(diào)制度。

一個(gè)利用智能化測試系統(tǒng)的完整測試流程如下：PC控制端按照測試計(jì)劃或者手動(dòng)選擇，開始FM發(fā)射機(jī)的測試，首先控制音頻信源切換，由正常節(jié)目切換到指標(biāo)測試儀輸出的標(biāo)準(zhǔn)測試信號(hào)；然后控制RF切換器將射頻監(jiān)測信號(hào)切換到測試儀上后開始測試；測試時(shí)，首先調(diào)整測試儀頻率與發(fā)射機(jī)一致，然后根據(jù)輸入射頻信號(hào)大小調(diào)整輸入衰減器達(dá)到測試范圍。以上基本條件達(dá)到后，開始調(diào)整發(fā)射機(jī)調(diào)制度到100%、調(diào)整輸出阻抗、去加重狀態(tài)等設(shè)置。測試完成后，可以將測試結(jié)果保存在測試儀中、也可存儲(chǔ)到U盤內(nèi)或者直接上傳到PC控制端內(nèi)。

4 結(jié)語

本文介紹了調(diào)頻廣播的基本概念和各個(gè)測試指標(biāo)的含義和測試方法，分析了3種測試系統(tǒng)并著重分析了智能化測試系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。