FM-sending via radiooverføring for å overføre kringkastingssignaler
I. Oversikt
Konseptet med frekvensmodulering (FM). FM er den viktigste måten å realisere høykvalitets lydkringkasting og stereosending i moderne tid. Den overfører lydsignaler i frekvensmoduleringsmodus. Bæreren til FM-bølgen endres ved senterfrekvensen til bæreren når lydmoduleringssignalet endres (Senterfrekvensen før unmodulering) endres på begge sider, og endringstidene for frekvensavvik per sekund er i samsvar med moduleringsfrekvensen til lydsignalet . Hvis frekvensen til lydsignalet er 1 kHz, er frekvensavvikets endringstid for bæreren også 1 k ganger per sekund. Størrelsen på frekvensavviket avhenger av lydsignalets amplitude.
Konseptet med stereo FM, stereo FM koder først signalene til to lydfrekvenser (venstre og høyre kanal) for å oppnå et sett med lavfrekvente kompositt stereosignaler, og deretter utføres FM på høyfrekvente bæreren. Stereo FM er delt inn i tre typer: frekvensdelingssystem (og differensssystem), tidsdelingssystem og retningssignalsystem i henhold til forskjellige behandlingsmetoder for stereo. Sumforskjellssystemet brukes ofte nå. Summen og differenssystemet er i stereomodulatoren, venstre (L) og høyre (R) kanalsignaler blir kodet først for å danne sumssignalet (L + R) og differansesignalet (LR), og sumssignalet er direkte sendt til modulatoren Bæreren utgjør hovedkanalsignalet for kompatibel lytting med vanlig FM-radio; differansesignalet sendes til den balanserte modulatoren for å undertrykke bæreramplitudemodulasjon på underbæreren, og den oppnådde doble sidebåndsundertrykte amplitudemodulasjonsbølgen blir brukt som underkanalsignal, og deretter kombinert med sumsignalet Bland for å modulere hovedbæreren. Frekvensområdet til subkanalsignalet er 23 til 53 kHz (38 ± 15 kHz), som hører til superlydområdet og vil ikke forstyrre mono-avspilling. Siden sub-carrier av sub-channel AM-bølgen er undertrykt, kan stereoradioen ikke direkte demodulere det utgående signalet. Derfor bør et 38 kHz signal med samme frekvens og fase som underbæreren til det sendende systemet genereres i radioen som skal demoduleres. Av den grunn sendes ytterligere 19 kHz (1/2 subbærerfrekvens) pilotsignal (PilotTone) ved sendingsenden, i intervallet mellom hoved- og underkanalfrekvensspekteret, for å "styre" den 38 kHz regenererte underbæreren i radioen. Denne moduleringsmetoden kalles pilotfrekvens, og det er også den mest brukte metoden for frekvensdeling i stereosending.
Tilsvarende blir følgende parametere målt i verden for å måle FM-signaler og stereo FM-signaler.
1.1, okkupert båndbredde
Ifølge ITU-anbefalingene er målingen av signalbåndbredde vanligvis basert på spekteret ved å bruke to metoder: "β% okkupert båndbredde" og "x-dB båndbredde". Den β% okkuperte båndbredden er vist i figur 1. Målemetoden er å først telle den totale effekten i overvåkingsbåndbredden, og deretter akkumulere effekten til spektrallinjene fra begge sider til midten på spekteret til kraften og den totale effekt (β / 2)%, henholdsvis definert som f1 og f2, er den definerte båndbredden lik f2-f1; og x-dB båndbredden er vist i figur 2. Målemetoden er å finne toppen eller det høyeste punktet på spekteret først, og deretter fra det høyeste punktet til begge sider. De to spektrale linjene lager alle spektrallinjene utenfor disse to spektrallinjer minst xdB mindre enn det høyeste punktet, og frekvensforskjellen som tilsvarer de to spektrallinjene er båndbredden.
I ITU og radio- og fjernsynsanbefalinger tar β vanligvis 99, og x tar vanligvis 26, som ofte er 99% båndbredde og 26 dB båndbredde som ofte sies.
Figur 2. x-dB båndbredde
1.2 Frekvensavvik
Frekvensavvik i FM-signalet refererer til amplituden til frekvenssvinget til FM-bølgen, som endres med svingningen av informasjonsbølgen (eller stemmebølgen). Frekvensavviket vanligvis målt av et instrument eller mottaker refererer faktisk til det maksimale frekvensavviket innen en tidsperiode. Fordelingen og størrelsen på det maksimale frekvensavviket bestemmer lydkvaliteten og volumet til lyden som høres, som også bestemmer utslippet av FM-radio. kvalitet.
Hovedformålet med denne artikkelen er å studere overføringskvaliteten til FM-kringkasting, så i henhold til beskrivelsen ovenfor bør frekvensforskyvningsindeksen tas hensyn til.
ITU-R har en detaljert beskrivelse av måling av FM-signalfrekvensavvik:
Metoden for måling av frekvensavvik er å ta en periode (anbefalt tidslengde er 50 ms) for å måle frekvensavviket i forhold til bæreren ved hvert prøvetakingspunkt, og den maksimale verdien er det maksimale frekvensavviket. Men for å få en dypere forståelse av frekvensforskyvningen, kan et statistisk histogram oppdatert over tid brukes til å uttrykke signalegenskapene. Histogramberegningsmetoden for frekvensavvik er som følger:
1). Mål N maksimale frekvensavvik med en periode på 50 ms. Lengden på måleperioden vil påvirke histogrammet betydelig, så det kreves en fast måleperiode for å sikre repeterbarheten til måleresultatene. Samtidig kan valg av 50ms som måleperiode sikre at den maksimale frekvensavviket fortsatt kan måles effektivt når modulasjonsfrekvensen er så lav som 20Hz.
2). Del frekvensavviksområdet som må telles (0 ～ 150 kHz i denne artikkelen), ved å bruke 1 kHz (oppløsning) som enhet, og del den i like deler (i denne artikkelen, 150 like deler).
3). I hver del, teller antall punkter på den tilsvarende frekvensverdien, og den oppnådde bølgeformen skal være omtrent som vist i figur 3 (dvs. distribusjonshistogram for frekvensforskyvning), der X-aksen representerer frekvensen, og Y-aksen representerer maksimal frekvens. Antall punkter som faller på den tilsvarende frekvensverdien.
Figur 3. Histogram over frekvensoffsetfordeling
4). Akkumuler antall poeng i hver del, og normaliser N med en prosentandel som enheten for å få grafen vist i figur 4 (dvs. histogrammet for den kumulative fordelingen av frekvensavvik), der X-aksen representerer frekvens, og Y Aksen representerer sannsynligheten for at det maksimale frekvensavviket faller innenfor frekvensområdet til den tilsvarende frekvensverdien. Sannsynligheten starter 100% helt til venstre og slutter med 0% lengst til høyre
Figur 4. Histogram over kumulativ fordeling av frekvensforskyvning
Samtidig gir ITU-R en referansespesifikasjon (SM1268) for den kumulative fordelingen av det maksimale frekvensavviket, som vist i figur 5.
Figur 5. Referansespesifikasjon for kumulativ fordeling av maksimalt frekvensavvik
Spesifikasjonen sier at: den statistiske prosentandelen av frekvensoffsetfordeling større enn 75 kHz ikke overstiger 22%, den statistiske prosentandelen av frekvensforskyvning som er større enn 80 kHz ikke overstiger 12%, og den statistiske prosentandelen av frekvensforskyvning større enn 85 kHz ikke overstiger 8%.
Basert på ovennevnte teori kan det være kjent at overføringskvaliteten til FM-signaler er relatert til størrelsen på FM-bærefrekvensavviket etter at det originale lydsignalet er modulert. Måling og forbedring av den kumulative fordelingen av maksimal frekvensavvik vil bidra til å forbedre overføringskvaliteten til FM-signaler.
2. Maskinvarefundament
Denne artikkelen bruker en modulær kringkastingsovervåkingsmottaker som bruker den nåværende avanserte radioovervåkingsteknologien og samsvarer med ITU-spesifikasjonene. Mottakeren består av en avansert digital radiomottaksmodul og den siste innebygde prosessoren. Den programvaredefinerte radioarkitekturen og høyhastighets databuss sørger for skalerbarhet og testhastighet på mottakeren. Mottakeren demodulerer og måler FM-signaler i samsvar med International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) standarder og spektrumovervåkingsmanualer, og gir lyd- og basebåndanalysefunksjoner spesielt for kringkastingsovervåkingsapplikasjoner. De spesifikke karakteristiske parametrene er som følger:
Okkupert båndbredde (OccupiedBandwidth
Carrier Offset (CarrierOffset)
Power in Band (PowerinBand)
FM Maksimal avvik (FMMaximumDeviation)
Maksimal frekvensavvik for hovedkanalsignal (Maksimal frekvensavvik for hovedkanal (L + R))
Maksimal frekvensavvik for pilotsignalet (Maximumfrequencydeviationofthepilottone)
Maksimum frekvensavvik for underkanalsignal (Maximumfrequencydeviationofsubchannel (LR)) Strukturen og prinsippblokkdiagrammet til mottaksutstyret for kringkastingsovervåking er vist i figur 6. Den digitale radiomodtaksmodulen er installert i et kabinett med en høyhastighets databuss og en industriell forsterket ramme. Den innebygde kontrolleren til denne mottakeren bruker en høyhastighets prosessor, som er ansvarlig for å kontrollere mottakermodulen og behandle de innsamlede dataene.
Figur 6. Blokkdiagram over strukturen til kringkastingsovervåkingsmottakeren
Den digitale radiomottaksmodulen inneholder to undermoduler: RF nedkonverteringsmodul og høyhastighets mellomfrekvensinnsamlingsmodul.
RF-nedkonverteringsmodulen nedkonverterer RF-frekvensbåndet av interesse til et mellomfrekvenssignal, og overfører deretter det mellomliggende frekvenssignalet til høyhastighets mellomfrekvensinnsamlingsmodulen.
Kjernen i høyhastighets IF-anskaffelsesmodulen er en høyhastighets ADC (analog-til-digital-omformer) og en dedikert digital nedkonverteringsbrikke som gir maskinvarebehandlingsfunksjoner. Digital nedkonvertering prosessering ekstraherer bredbåndssignaler i sanntid og nedkonverterer dem til basebånd, som er egnet for å fange kringkastingssignaler, trådløse signaler og andre kommunikasjonssignaler. Digital nedkonvertering kan også konvertere den innsamlede mellomfrekvenssignalbølgeformen til I / Q-kompleks signaldatautgang. Den høyhastighets mellomfrekvensinnsamlingsmodulen bruker en patentert høyhastighets dedikert brikke for dataoverføring, og overfører data til kontrolleren via DMA, og reduserer CPU-belastningen til kontrolleren, slik at den kan fokusere på å fullføre avansert analyse og prosessering, grafisk visning og datautveksling. . Som vist i figur 7:
Figur 7. Digital radiomottakermodularkitektur
RF nedkonverteringsmodulen demper først signalet som spesifisert av brukeren, passerer det akustiske overflatefilteret for å filtrere ut bildefrekvensen etter oppkonvertering, og utfører deretter flertrinns nedkonvertering, og til slutt sender ut et mellomfrekvenssignal . RF nedkonverteringsmodulen bruker en høy presisjon og høy stabilitet krystalloscillator med konstant temperatur som systemreferanse klokke for å gi ekstremt høy frekvensnøyaktighet.
For å lette kompakt emballasje bruker modulen en høyytelses mikro YIG-oscillator for å generere det høyfrekvente lokale oscillatorsignalet som kreves for opp-konverteringstrinnet. YIG-oscillatoren er en slags oscillator som kan generere veldig rene høyfrekvente signaler og ofte er veldig stor. RF nedkonverteringsmodulen i utstyret bruker en banebrytende teknologi innen dette feltet og bruker en veldig liten YIG-oscillator i designet. YIG-oscillatoren kan stilles inn på et spesifisert frekvensbånd, slik at brukerne kan stille frekvensen som kreves av RF-nedkonverteringsmodulen. Den omfattende frekvensplanleggingen og flertrinns frekvensomformingsarkitektur til RF nedkonverteringsmodulen sikrer de utmerkede egenskapene til instrumentets lave falske respons og store dynamiske rekkevidde. Som vist i figur 8:
\
Figur 8. RF-nedkonverteringsmodularkitektur
Denne artikkelen analyserer forholdet mellom kvaliteten på FM-kringkastingssending og den kumulative fordelingen av frekvensavvik, startende fra justering av lydprosessoren til senderen, ved bruk av stasjon A (inkludert lydprosessor A og sender A) og stasjon B (inkludert lydprosessor B og sender Maskin B) For å sammenligne prøver, er følgende eksperimenter designet.
Dette eksperimentet forbedrer hovedsakelig den kumulative fordelingen av frekvensavviket til FM-signalet ved å justere lydprosessoren for å verifisere dens forhold til kvaliteten på FM-kringkasting.
3.2, test
Eksperimentet bruker lydfilen til et bestemt kringkastingsprogram, behandler den gjennom lydprosessorer A og B, og overfører dem til sendere A og B for overføring samtidig. De to senderne bruker de samme innstillingene. Radioovervåkingsmottakeren ble brukt til å registrere radiofrekvenssignalene fra henholdsvis sendere A og B, og de registrerte signalene ble brukt til statistisk analyse av det maksimale frekvensavviket til FM-signalet i henhold til ITU-RSM.1268.1-standarden. Beskrivelsen av analyseeksperimentprosessen er vist i figur 9. Resultatet er vist i figur 10
Figur 9. Testprosess
Figur 10. Kumulativt fordelingsdiagram for frekvensavvik
Fra den statistiske fordelingen av frekvensavviket oppnådd fra eksperimentet, for den samme lydfilen, fordeles signalfrekvensavviket til stasjon A hovedsakelig fra 10kHz-95% til 35kHz-5% i en halvklokkekurve, og signalfrekvensen avvik fra stasjon B er hovedsakelig Fordelingen viser en halvklokkekurve fra 10kHz-95% til 75KHz-95%. Tidsdomenesignalene til de to stasjonene viser forskjellige sannsynlighetsfordelingsegenskaper. I motsetning til dette er signalfrekvensforskyvningen til stasjon B større.
Fra et lyttesynspunkt er lydkvaliteten til stasjon B bedre enn stasjon A, og volumet er høyere, det vil si overføringskvaliteten er bedre.
3.3, feilsøking
Siden lydfilene som sendes til de to lydprosessorene er de samme, er innstillingene til de to senderne også de samme, men signalfrekvensforskyvning av stasjon A og stasjon B er forskjellige, noe som indikerer at lydprosessorene til de to stasjonene er annerledes. Signalfrekvensavviksamplituden til den samme lydfilen behandlet av lydprosessor A er relativt liten, noe som indikerer at innstillingen til lydprosessor A ikke har nådd standarden ITU-RSM1268.1. Derfor, etter å ha justert lydprosessoren A i henhold til anbefalt standard, kan teoretisk høyere overføringskvalitet oppnås. Av denne grunn ble følgende bekreftelseseksperiment designet.
3.4, bekreftelse
Et kringkastingsprogram behandles av lydprosessor A og sendes deretter til sender A for overføring. Ingeniøren justerer lydprosessor A under forutsetning av uavbrutt overføring. Radioovervåkingsmottakeren mottar radiofrekvenssignalet fra stasjon A og følger ITU-RSM.1268.1-standarden for å utføre statistisk analyse av det maksimale frekvensavviket til FM-signalet, og sammenligne dataene før og etter justering av lydprosessoren A. Beskrivelsen av bekreftelseseksperimentet er vist i figur 11.
Figur 11. Testprosess
Figur 12. Fordeling av kumulativ frekvensavvik
Fra den statistiske fordelingen av frekvensavvik, for den samme programkilden, er signalfrekvensavviket før justering hovedsakelig fordelt fra 25kHz-95% til 45kHz-5% i en halvklokkekurve, og signalfrekvensavviket etter justering fordeles hovedsakelig fra 45 kHz-95%. Den viser en halvklokkekurve til 55KHz-95%. I kontrast er den justerte signalfrekvensforskyvningsverdien større, og fordelingen er mer full. Fra et lytteperspektiv forbedres den justerte lydkvaliteten og volumet betydelig sammenlignet med tidligere.
Fire, konklusjon om bekreftelseseksperiment
I tilfelle av den samme programkilden, ved å justere referanseutgangsnivået til lydprosessoren, kan frekvensforskyvningsfordelingen forbedres for å gjøre den fyldigere og verdien for frekvensforskyvning er større.
For samme lydkilde kan den maksimale frekvensavviksfordelingen etter FM-modulering påvirke volumet og metningen til den demodulerte lyden. Ved å justere parameterinnstillingene til lydprosessoren, er FM-signalet mer i tråd med ITU-R-spesifikasjonen, noe som kan gjøre lyttelyden høyere og fyldigere. Derfor kan bruk av kringkastingsovervåkingsutstyr for å oppdage FM-kringkastingsparametere og justere utstyret i kringkobling i henhold til ITU-R-standarden for disse parametrene oppnå høyere overføringskvalitet.
Dette viser også at bruk av kringkastingsovervåkingsutstyr for å overvåke FM-kringkasting er et effektivt middel for å sikre kvaliteten på FM-kringkastingssending.
V. Utsikter
Kringkastingsovervåkingsmottakeren basert på programvareradioarkitekturen som brukes i denne artikkelen, er en enkeltkanals anskaffelsesenhet med relativt få testparametere, og manuell analyse er nødvendig etter anskaffelsen, noe som er relativt ineffektivt. Med utviklingen og utviklingen av vitenskap og teknologi, kombinert med problemene i eksperimentet, foreslås noen muligheter for fremtidig FM-overvåking og mottaksutstyr:
1. Sanntidsopptak av FM-kringkastingssignaler i fullbånd fra 87MHz til 108MHz.
2. Utstyrt med et diskarray med stor kapasitet, som kan ta opp døgnet rundt og realisere avanserte funksjoner som timingopptak.
3. Det kan fjernstyres for å realisere funksjoner som uovervåket overvåking, automatisk analyse og generering av rapporter.
4. Støtt databasen, som kan gjengi frekvensspekteret og lydfrekvensen når som helst og når som helst.
5. Diversifisert systemkonfigurasjon kan tilfredsstille behovene til forskjellige kunder.
6. Den modulære utformingen av programvare og maskinvare er praktisk for systemutvidelse og sekundær utvikling.
Vår andre produkt:
