通过无线电传输进行FM广播以传输广播信号
一，概述
调频（FM）的概念。 FM是现代实现高保真声音广播和立体声广播的主要方式。 它以调频模式传输音频信号。 FM波的载波随着音频调制信号的变化（未调制之前的中心频率）在两侧变化而在载波的中心频率处发生变化，并且每秒的频率偏差变化时间与音频信号的调制频率一致。 如果音频信号的频率为1kHz，则载波的频率偏差变化时间也为每秒1k次。 频率偏差的大小取决于音频信号的幅度。
立体声FM的概念是，立体声FM首先对两个音频频率（左右声道）的信号进行编码以获得一组低频复合立体声信号，然后在高频载波上执行FM。 立体声FM根据立体声的不同处理方法分为三种类型：频分系统（和差分系统），时分系统和定向信号系统。 现在通常使用和差系统。 求和和差系统位于立体声调制器中，首先对左（L）和右（R）声道信号进行编码，以形成和信号（L + R）和差信号（LR），并且和信号直接发送到调制器载波构成主频道信号，用于与普通FM广播兼容的收听； 差信号被发送到平衡调制器，以抑制副载波上的载波幅度调制，并将获得的双边带抑制幅度调制波用作子信道信号，然后与和信号Mix组合以调制主载波。 子声道信号的频率范围是23至53kHz（38±15kHz），属于超级音频范围，不会干扰单声道播放。 由于子信道AM波的子载波受到抑制，因此立体声无线电无法直接解调输出信号。 因此，应在要解调的无线电中产生与发送系统的副载波相同频率和相位的38kHz信号。 因此，在发送端，在主频谱和子信道频谱之间的间隔处，将发送另一个19kHz（1/2子载波频率）导频信号（PilotTone），以“引导”无线电中的38kHz再生子载波。 这种调制方法称为导频，也是立体声广播中使用最广泛的分频方法。
相应地，为了测量FM信号和立体声FM信号，通常在世界上测量以下参数。
1.1，占用带宽
根据ITU的建议，信号带宽的测量通常基于频谱，使用两种方法：“β％占用带宽”和“ x-dB带宽”。 β％的占用带宽如图1所示。测量方法是首先计算监视带宽中的总功率，然后从频谱的两侧到中间累积频谱线的功率，直到功率和总和为止。功率（β/ 2）％，分别定义为f1和f2，定义的带宽等于f2-f1； x-dB带宽如图2所示。测量方法是先找到频谱上的峰值或最高点，然后再从最高点到两侧。两条光谱线使这两个光谱线之外的所有光谱线频谱线至少比最高点小xdB，并且对应于两条频谱线的频率差就是带宽。
在ITU和广播电视推荐中，β通常占99，x通常占26，这就是通常所说的99％功率带宽和26dB带宽。
图2. x-dB带宽
1.2频率偏差
FM信号中的频率偏差是指FM波的频率摆幅，其幅度随信息（或语音）波形的波动而变化。 通常由仪器或接收机测量的频率偏差实际上是指一段时间内的最大频率偏差。 最大频率偏差的分布和大小决定了所听到音频的声音质量和音量，这也决定了FM广播的发射。 质量。
本文的主要目的是研究FM广播的传输质量，因此根据以上描述，应注意频偏指数。
ITU-R对FM信号频率偏差的测量进行了详细描述：
频偏测量方法是在每个采样点上花费一段时间（建议时间长度为50ms）测量相对于载波的频偏，最大值为最大频偏。 但是，为了更深入地了解频率偏移，可以使用随时间更新的统计直方图来表示其信号特性。 频率偏差的直方图计算方法如下：
1）。 以50ms的周期测量N个最大频率偏差。 测量周期的长度会严重影响直方图，因此需要固定的测量周期以确保测量结果的可重复性。 同时，选择50ms作为测量周期可以确保当调制频率低至20Hz时仍可以有效地测量最大频率偏差。
2）。 以0kHz（分辨率）为单位，划分需要计数的频率偏差范围（本文中为150〜1kHz），并将其分为相等部分（本文中为150相等部分）。
3）。 在每个等分试样中，计数相应频率值上的点数，获得的波形应大致如图3所示（即频率偏移分布直方图），其中X轴代表频率，Y轴代表频率。最大频率。 落在相应频率值上的点数。
图3.频率偏移分布的直方图
4）。 累积每个等份中的点数，并以百分比为单位对N进行归一化，以得到如图4所示的图形（即频率偏差累积分布的直方图），其中X轴表示频率，Y轴代表最大频率偏差落在相应频率值的频率范围内的概率。 概率从最左边的100％开始，到最右边的0％结束
图4.频率偏移累积分布的直方图
同时，ITU-R给出了最大频率偏差的累积分布的参考规范（SM1268），如图5所示。
图5.最大频率偏差的累积分布参考规范
规范规定：大于75kHz的频偏分布统计百分率不超过22％，大于80kHz的频偏分布统计百分率不超过12％，大于85kHz的频偏分布统计百分率不超过超过8％。
基于上述理论，可以知道FM信号的传输质量与原始音频信号调制后的FM载波频率偏差的大小有关。 测量和改善最大频率偏差的累积分布将有助于改善FM信号的传输质量。
2.硬件基础
本文使用模块化广播监视接收机，该接收机使用当前的高级无线电监视技术并符合ITU规范。 接收器包括高端数字无线电接收模块和最新的嵌入式处理器。 软件定义的无线电体系结构和高速数据总线可确保接收机的可扩展性和测试速度。 接收机根据国际电信联盟无线电通信部门（ITU-R）标准和频谱监测手册对FM信号进行解调和测量，并提供专门用于广播监测应用的音频和基带分析功能。 具体的特征参数如下：
占用带宽（占用带宽）
载波偏移（CarrierOffset）
带内功率（PowerinBand）
FM最大偏差（FMMaximumDeviation）
主通道信号的最大频率偏差（主通道的最大频率偏差（L + R））
导频信号的最大频率偏差（导频的最大频率偏差）
子频道信号的最大频率偏差（Maximumfrequencydeviationofsubchannel（LR））广播监视接收设备的结构和原理框图如图6所示。数字无线电接收模块安装在具有高速数据总线和一个光纤通道的机箱中。工业加固框架。 该接收器的嵌入式控制器使用高速处理器，该高速处理器负责控制接收模块并处理收集的数据。
图6.广播监视接收机的结构框图
数字无线电接收模块包括两个子模块：RF下变频模块和高速中频采集模块。
RF下变频模块将感兴趣的RF频带下变频为中频信号，然后将中频信号发送到高速中频采集模块。
高速IF采集模块的核心是高速ADC（模数转换器）和提供硬件处理功能的专用数字下变频芯片。 数字下变频处理实时提取宽带信号并将其下变频为基带，适用于捕获广播信号，无线信号和其他通信信号。 数字下变频处理还可以将收集的中频信号波形转换为I / Q复信号数据输出。 高速中频采集模块使用获得专利的高速专用芯片进行数据传输，并通过DMA将数据传输到控制器，从而减轻了控制器的CPU负载，使其专注于完成高级分析和处理，图形显示以及数据交换。 。 如图7所示：
图7.数字无线电接收器模块架构
RF下变频模块首先衰减用户指定的信号，通过表面声波滤波器以滤除上变频后的镜像频率，然后进行多级下变频，最后输出中频信号。 RF下变频模块使用高精度和高稳定性的恒温晶体振荡器作为系统参考时钟，以提供极高的频率精度。
为了便于紧凑封装，该模块使用高性能的微型YIG振荡器来生成上变频级所需的高频本地振荡器信号。 YIG振荡器是一种振荡器，可以产生非常纯净的高频信号，并且通常很大。 设备中的RF下变频模块在该领域采用了突破性技术，并且在设计中使用了非常小的YIG振荡器。 可以将YIG振荡器调谐到指定的频带，从而允许用户设置RF下变频模块所需的频率。 RF下变频模块的全面频率规划和多级频率转换架构，确保了仪器低杂散响应和大动态范围的出色特性。 如图8所示：
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图8.射频下变频模块架构
本文分析了FM广播传输质量与频率偏差的累积分布之间的关系，从调整发射机的音频处理器开始，使用电台A（包括音频处理器A和发射机A）和电台B（包括音频处理器B）和发射机机器B）为了比较样品，设计了以下实验。
该实验主要通过调整音频处理器以验证其与FM广播传输质量的关系来改善FM信号频率偏差的累积分布。
3.2，测试
实验使用某个广播节目的音频文件，通过音频处理器A和B处理该文件，然后将它们传输到发射机A和B进行传输。 两个变送器使用相同的设置。 无线电监视接收机用于分别记录来自发射机A和B的射频信号，并且所记录的信号用于根据ITU-RSM.1268.1标准对FM信号的最大频率偏差进行统计分析。 分析实验过程的描述如图9所示。结果如图10所示。
图9.测试过程
图10.累积频率偏差分布图
从实验得到的频率偏差的统计分布来看，对于相同的音频文件，A站的信号频率偏差在半铃曲线上主要分布在10kHz-95％到35kHz-5％之间，信号频率B站的偏差主要是分布。该分布显示了一个半铃曲线，从10kHz-95％到75KHz-95％。 两个站的时域信号显示不同的概率分布特征。 相反，站B的信号频率偏移较大。
从收听的角度来看，B站的音频质量优于A站，并且声音更大，即传输质量更好。
3.3，调试
由于发送到两个音频处理器的音频文件相同，因此两个发送器的设置也相同，但A站和B站的信号频偏分布不同，表明两个站的音频处理器是不同。 音频处理器A处理的同一音频文件的信号频率偏差幅度较小，表明音频处理器A的设置尚未达到ITU-RSM1268.1标准。 因此，在根据推荐标准调整音频处理器A之后，理论上可以实现更高的传输质量。 因此，设计了以下验证实验。
3.4，验证
音频处理器A处理广播节目，然后将其传输到发射机A进行传输。 工程师在不间断传输的情况下调整音频处理器A。 无线电监视接收器接收站A的射频信号，并遵循ITU-RSM.1268.1标准对FM信号的最大频率偏差进行统计分析，并比较调整音频处理器A之前和之后的数据。验证实验如图11所示。
图11.测试过程
图12.累积频率偏差的分布
从频率偏差的统计分布来看，对于同一节目源，调节前的信号频率偏差在半铃曲线中主要分布在25kHz-95％至45kHz-5％之间，调节后的信号频率偏差主要分布在从45kHz-95％。 它显示了到55KHz-95％的半铃曲线。 相反，调整后的信号频率偏移值更大，并且分布更充分。 从收听的角度来看，与以前相比，调整后的声音质量和音量得到了显着改善。
四，验证实验结论
在相同节目源的情况下，通过调整音频处理器的参考输出电平，可以改善频偏分布以使其更饱满，并且频偏值更大。
对于相同的音频源，FM调制后的最大频率偏差分布会影响已解调声音的音量和饱和度。 通过调整音频处理器的参数设置，FM信号更符合ITU-R规范，这可以使收听声音更响亮饱满。 因此，使用广播监视设备检测FM广播参数并根据ITU-R标准针对这些参数调整广播链路中的设备可以获得更高的传输质量。
这也表明，使用广播监视设备监视FM广播是确保FM广播传输质量的有效手段。
五，展望
本文所使用的基于软件无线电架构的广播监视接收机是一种单通道采集设备，其测试参数相对较少，采集后需要进行人工分析，效率相对较低。 随着科学技术的发展和进步，结合实验中遇到的问题，提出了未来调频广播监控接收设备的一些前景：
1.实时记录从87MHz到108MHz的全波段FM广播信号。
2.配备大容量磁盘阵列，可全天候记录并实现定时记录等高级功能。
3.可以远程控制以实现无人值守的监视，自动分析和报告生成等功能。
4.支持数据库，该数据库可以随时随地重现频谱和音频频率。
5.多样化的系统配置可以满足不同客户的需求。
6.软硬件模块化设计，方便系统扩展和二次开发。
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