FM-uitzending via radiotransmissie om uitzendsignalen te verzenden
I. Overzicht
Het concept van frequentiemodulatie (FM). FM is de belangrijkste manier om in moderne tijden hifi-geluidsuitzendingen en stereo-uitzendingen te realiseren. Het verzendt audiosignalen in een frequentiemodulatiemodus. De draaggolf van de FM-golf verandert op de middenfrequentie van de draaggolf terwijl het audiomodulatiesignaal verandert (de middenfrequentie vóór onmodulatie) aan beide kanten verandert, en de veranderingstijden van de frequentieafwijking per seconde zijn consistent met de modulatiefrequentie van het audiosignaal . Als de frequentie van het audiosignaal 1 kHz is, is de veranderingstijd van de frequentie-afwijking van de draaggolf ook 1k keer per seconde. De grootte van de frequentieafwijking is afhankelijk van de amplitude van het audiosignaal.
Het concept van stereo FM, stereo FM codeert eerst de signalen van twee audiofrequenties (linker- en rechterkanalen) om een set laagfrequente samengestelde stereosignalen te verkrijgen, en vervolgens wordt FM uitgevoerd op de hoogfrequente draaggolf. Stereo FM is onderverdeeld in drie typen: frequentieverdelingssysteem (en verschilsysteem), tijdverdelingssysteem en directioneel signaalsysteem volgens verschillende verwerkingsmethoden voor stereo. Het somverschilsysteem wordt nu algemeen gebruikt. Het som- en verschilsysteem zit in de stereomodulator, de signalen van het linker (L) en rechter (R) kanaal worden eerst gecodeerd om het somsignaal (L + R) en het verschilsignaal (LR) te vormen, en het somsignaal is direct verzonden naar de modulator De draaggolf vormt het hoofdkanaalsignaal voor compatibel luisteren met gewone FM-radio; het verschilsignaal wordt naar de gebalanceerde modulator gestuurd om de draaggolfamplitudemodulatie op de hulpdraaggolf te onderdrukken, en de verkregen dubbelzijband onderdrukte amplitudemodulatiegolf wordt gebruikt als het subkanaalsignaal en vervolgens gecombineerd met het somsignaal Mix om de hoofddraaggolf te moduleren. Het frequentiebereik van het subkanaalsignaal is 23 tot 53 kHz (38 ± 15 kHz), wat tot het superaudio-bereik behoort en de monoweergave niet zal storen. Omdat de subdraaggolf van de subkanaal AM-golf wordt onderdrukt, kan de stereoradio het uitgaande signaal niet rechtstreeks demoduleren. Daarom moet een 38 kHz-signaal met dezelfde frequentie en fase als de subdraaggolf van het zendsysteem worden gegenereerd in de te demoduleren radio. Om deze reden wordt aan de zendzijde, op het interval tussen het hoofd- en subkanaalfrequentiespectrum, nog een 19 kHz (1/2 hulpdraaggolffrequentie) pilootsignaal (PilotTone) verzonden om de 38 kHz geregenereerde hulpdraaggolf in de radio te "geleiden". Deze modulatiemethode wordt pilootfrequentie genoemd en is ook de meest gebruikte methode voor frequentieverdeling bij stereo-uitzendingen.
Dienovereenkomstig worden, om FM-signalen en stereo FM-signalen te meten, gewoonlijk de volgende parameters gemeten in de wereld.
1.1, bezette bandbreedte
Volgens ITU-aanbevelingen is de meting van signaalbandbreedte gewoonlijk gebaseerd op het spectrum met behulp van twee methoden: "β% bezette bandbreedte" en "x-dB bandbreedte". De β% bezette bandbreedte wordt getoond in figuur 1. De meetmethode is om eerst het totale vermogen in de bewakingsbandbreedte te tellen en vervolgens het vermogen van de spectraallijnen van beide kanten naar het midden van het spectrum te verzamelen tot het vermogen en het totaal vermogen (β / 2)%, respectievelijk gedefinieerd als f1 en f2, de gedefinieerde bandbreedte is gelijk aan f2-f1; en de x-dB bandbreedte wordt getoond in Figuur 2. De meetmethode is om eerst de piek of het hoogste punt van het spectrum te vinden, en dan van het hoogste punt naar beide kanten. De twee spectraallijnen vormen alle spectraallijnen buiten deze twee spectraallijnen die minstens xdB kleiner zijn dan het hoogste punt, en het frequentieverschil dat overeenkomt met de twee spectraallijnen is de bandbreedte.
In de ITU en radio- en televisieaanbevelingen kost β meestal 99 en x duurt meestal 26, wat de 99% vermogensbandbreedte en 26dB bandbreedte is die vaak worden genoemd.
Figuur 2. x-dB bandbreedte
1.2 Frequentie-afwijking
Frequentieafwijking in het FM-signaal verwijst naar de amplitude van de frequentieschommeling van de FM-golf, die verandert met de fluctuatie van de informatie- (of spraak) golfvorm. De frequentieafwijking die doorgaans wordt gemeten door een instrument of ontvanger, verwijst eigenlijk naar de maximale frequentieafwijking binnen een bepaalde periode. De verdeling en grootte van de maximale frequentieafwijking bepalen de geluidskwaliteit en het volume van de te horen audio, wat ook de uitstraling van FM-radio bepaalt. kwaliteit.
Het belangrijkste doel van dit artikel is om de transmissiekwaliteit van FM-uitzendingen te bestuderen, dus volgens de bovenstaande beschrijving moet er op de frequentie-offset-index worden gelet.
ITU-R heeft een gedetailleerde beschrijving van de meting van FM-signaalfrequentieafwijking:
De meetmethode voor frequentieafwijking is om een bepaalde tijd te nemen (de aanbevolen tijdsduur is 50 ms) om de frequentieafwijking te meten ten opzichte van de draaggolf op elk bemonsteringspunt, en de maximale waarde is de maximale frequentieafwijking. Maar om een dieper begrip van de frequentieverschuiving te hebben, kan een statistisch histogram dat in de loop van de tijd is bijgewerkt, worden gebruikt om de signaalkenmerken uit te drukken. De histogramberekeningsmethode voor frequentieafwijking is als volgt:
1). Meet de N maximale frequentieafwijkingen met een periode van 50 ms. De lengte van de meetperiode heeft een aanzienlijke invloed op het histogram, dus een vaste meetperiode is vereist om de herhaalbaarheid van de meetresultaten te garanderen. Tegelijkertijd kan het selecteren van 50 ms als meetperiode ervoor zorgen dat de maximale frequentieafwijking nog steeds effectief kan worden gemeten wanneer de modulatiefrequentie zo laag is als 20 Hz.
2). Verdeel het frequentieafwijkingsbereik dat moet worden geteld (0 ～ 150 kHz in dit artikel), gebruikmakend van 1 kHz (resolutie) als eenheid, en verdeel het in gelijke delen (in dit artikel 150 gelijke delen).
3). Tel in elk aliquot het aantal punten op de corresponderende frequentiewaarde, en de verkregen golfvorm moet ongeveer zijn zoals weergegeven in figuur 3 (dat wil zeggen, frequentie-offset distributiehistogram), waarbij de X-as de frequentie vertegenwoordigt en de Y-as de frequentie maximale frequentie. Het aantal punten dat op de corresponderende frequentiewaarde valt.
Figuur 3. Histogram van frequentie-offset-distributie
4). Verzamel het aantal punten in elk aliquot en normaliseer N met een percentage als de eenheid om de grafiek te krijgen die wordt weergegeven in figuur 4 (dwz het histogram van de cumulatieve verdeling van frequentieafwijking), waarbij de X-as de frequentie vertegenwoordigt, en Y de as vertegenwoordigt de kans dat de maximale frequentieafwijking binnen het frequentiebereik van de overeenkomstige frequentiewaarde valt. De kans begint helemaal links bij 100% en eindigt bij 0% helemaal rechts
Figuur 4. Histogram van de cumulatieve distributie van frequentie-offset
Tegelijkertijd geeft ITU-R een referentiespecificatie (SM1268) voor de cumulatieve verdeling van de maximale frequentieafwijking, zoals weergegeven in figuur 5.
Figuur 5. Referentiespecificatie voor cumulatieve verdeling van maximale frequentieafwijking
De specificatie stelt dat: het statistische percentage van frequentieverspringingsverdeling groter dan 75 kHz niet hoger is dan 22%, het statistische percentage van frequentieverspringingsverdeling groter dan 80 kHz niet hoger is dan 12%, en het statistische percentage van frequentieverspringingsverdeling groter dan 85 kHz niet meer dan 8%.
Op basis van de bovenstaande theorie kan bekend zijn dat de transmissiekwaliteit van FM-signalen gerelateerd is aan de grootte van de FM-draaggolffrequentie-afwijking nadat het originele audiosignaal is gemoduleerd. Het meten en verbeteren van de cumulatieve verdeling van de maximale frequentieafwijking zal de transmissiekwaliteit van FM-signalen helpen verbeteren.
2. Hardware basis
Dit artikel maakt gebruik van een modulaire ontvanger voor uitzendbewaking die gebruikmaakt van de huidige geavanceerde radiobewakingstechnologie en die voldoet aan de ITU-specificaties. De ontvanger bestaat uit een hoogwaardige digitale radio-ontvangstmodule en de nieuwste ingebouwde processor. De softwaregedefinieerde radio-architectuur en de high-speed databus zorgen voor de schaalbaarheid en testsnelheid van de ontvanger. De ontvanger demoduleert en meet FM-signalen in overeenstemming met de normen van de International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) en handleidingen voor spectrumbewaking, en biedt audio- en basisbandanalysefuncties specifiek voor toepassingen voor uitzendbewaking. De specifieke karakteristieke parameters zijn als volgt:
Bezette bandbreedte (OccupiedBandwidth
Carrier-offset (CarrierOffset)
Vermogen in band (PowerinBand)
FM maximale afwijking (FMmaximumafwijking)
Maximale frequentieafwijking van het hoofdkanaalsignaal (maximale frequentieafwijking van het hoofdkanaal (L + R))
De maximale frequentieafwijking van het pilootsignaal (maximale frequentieafwijking van de piloot)
De maximale frequentieafwijking van het subkanaalsignaal (Maximale frequentieafwijking van het subkanaal (LR)) De structuur en het principeblokschema van de ontvangstapparatuur voor uitzendbewaking wordt getoond in figuur 6. De digitale radio-ontvangstmodule is geïnstalleerd in een chassis met een hogesnelheidsdatabus en een industrieel versterkt frame. De embedded controller van deze ontvanger maakt gebruik van een high-speed processor, die verantwoordelijk is voor het aansturen van de ontvangende module en het verwerken van de verzamelde data.
Figuur 6. Blokschema van de structuur van de uitzendbewakingsontvanger
De digitale radio-ontvangstmodule omvat twee submodules: RF-neerwaartse conversiemodule en snelle middenfrequentie-acquisitiemodule.
De RF-neerwaartse conversiemodule converteert de van belang zijnde RF-frequentieband naar een middenfrequentiesignaal en verzendt vervolgens het middenfrequentiesignaal naar de hogesnelheids-middenfrequentie-acquisitiemodule.
De kern van de high-speed IF-acquisitiemodule is een high-speed ADC (analoog-naar-digitaal-omzetter) en een speciale digitale down-conversiechip die hardwareverwerkingsfuncties biedt. Digitale neerwaartse conversieverwerking extraheert breedbandsignalen in realtime en converteert ze omlaag naar basisband, die geschikt is voor het vastleggen van uitzendsignalen, draadloze signalen en andere communicatiesignalen. Digitale neerwaartse conversieverwerking kan ook de verzamelde middenfrequente signaalgolfvorm omzetten in complexe I / Q-signaalgegevensuitvoer. De high-speed tussenfrequentie-acquisitiemodule gebruikt een gepatenteerde high-speed speciale chip voor gegevensoverdracht en verzendt gegevens naar de controller via DMA, waardoor de CPU-belasting van de controller wordt verminderd, waardoor deze zich kan concentreren op het voltooien van geavanceerde analyse en verwerking, grafische weergave en data uitwisseling. . Zoals weergegeven in afbeelding 7:
Figuur 7. Architectuur van digitale radio-ontvangermodule
De RF-neerwaartse conversiemodule verzwakt eerst het signaal zoals gespecificeerd door de gebruiker, passeert het akoestische oppervlaktegolffilter om de beeldfrequentie uit te filteren na opwaartse conversie, en voert vervolgens een meertraps neerwaartse conversie uit en geeft tenslotte een middenfrequentiesignaal af . De RF-down-conversiemodule gebruikt een zeer nauwkeurige en zeer stabiele kristaloscillator met constante temperatuur als de systeemreferentieklok om een extreem hoge frequentienauwkeurigheid te bieden.
Om compacte verpakking mogelijk te maken, gebruikt de module een hoogwaardige micro YIG-oscillator om het hoogfrequente lokale oscillatorsignaal te genereren dat nodig is voor de up-conversietrap. De YIG-oscillator is een soort oscillator die zeer zuivere hoogfrequente signalen kan genereren en is vaak erg groot. De RF-neerwaartse conversiemodule in de apparatuur maakt gebruik van een baanbrekende technologie op dit gebied en gebruikt een zeer kleine YIG-oscillator in het ontwerp. De YIG-oscillator kan worden afgestemd op een gespecificeerde frequentieband, zodat gebruikers de frequentie kunnen instellen die nodig is voor de RF-downconversiemodule. De uitgebreide frequentieplanning en de meerfasige frequentieomzettingsarchitectuur van de RF-down-conversiemodule zorgen voor de uitstekende eigenschappen van de lage storingsrespons en het grote dynamische bereik van het instrument. Zoals weergegeven in figuur 8:
\
Figuur 8. Architectuur van module voor neerwaartse conversie van RF
Dit artikel analyseert de relatie tussen de kwaliteit van de FM-uitzending en de cumulatieve verdeling van frequentieafwijkingen, beginnend bij het aanpassen van de audioprocessor van de zender, met behulp van station A (inclusief audioprocessor A en zender A) en station B (inclusief audioprocessor B en zender Machine B) Om monsters te vergelijken, zijn de volgende experimenten ontworpen.
Dit experiment verbetert voornamelijk de cumulatieve verdeling van de frequentieafwijking van het FM-signaal door de audioprocessor aan te passen om zijn relatie met de kwaliteit van de FM-uitzending te verifiëren.
3.2, testen
Het experiment gebruikt het audiobestand van een bepaald uitzendprogramma, verwerkt het via audioprocessors A en B en verzendt deze naar de zenders A en B voor verzending op hetzelfde moment. De twee zenders gebruiken dezelfde instellingen. De radiobewaking-ontvanger werd gebruikt om de radiofrequentiesignalen van respectievelijk zenders A en B op te nemen, en de geregistreerde signalen werden gebruikt voor statistische analyse van de maximale frequentieafwijking van het FM-signaal volgens de ITU-RSM.1268.1-standaard. De beschrijving van het analyse-experimentproces wordt getoond in Figuur 9. Het resultaat wordt getoond in Figuur 10
Figuur 9. Testproces
Figuur 10. Cumulatieve frequentieafwijking distributiediagram
Uit de statistische verdeling van de frequentieafwijking verkregen uit het experiment, voor hetzelfde audiobestand, wordt de signaalfrequentieafwijking van station A hoofdzakelijk verdeeld van 10 kHz-95% tot 35 kHz-5% in een halve klokcurve, en de signaalfrequentie afwijking van station B is voornamelijk. De verdeling toont een halve klokcurve van 10 kHz-95% tot 75 kHz-95%. De tijddomeinsignalen van de twee stations vertonen verschillende waarschijnlijkheidsverdelingskenmerken. Daarentegen is de signaalfrequentie-offset van station B groter.
Vanuit luisteroogpunt is de audiokwaliteit van station B beter dan die van station A, en is het volume luider, dat wil zeggen, de transmissiekwaliteit is beter.
3.3, debuggen
Aangezien de audiobestanden die naar de twee audioprocessors worden verzonden dezelfde zijn, zijn de instellingen van de twee zenders ook hetzelfde, maar de signaalfrequentie-offset-distributie van station A en station B is verschillend, wat aangeeft dat de audioprocessors van de twee stations zijn anders. De signaalfrequentieafwijkingsamplitude van hetzelfde audiobestand dat wordt verwerkt door audioprocessor A is relatief klein, wat aangeeft dat de instelling van audioprocessor A de ITU-RSM1268.1-standaard niet heeft bereikt. Daarom kan na het afstellen van de audioprocessor A volgens de aanbevolen standaard, theoretisch een hogere transmissiekwaliteit worden bereikt. Om deze reden is het volgende verificatie-experiment ontworpen.
3.4, verificatie
Een uitzendprogramma wordt verwerkt door audioprocessor A en vervolgens voor verzending naar zender A verzonden. De ingenieur past audioprocessor A aan onder de voorwaarde van ononderbroken transmissie. De radiobewakingsontvanger ontvangt het radiofrequentiesignaal van station A en volgt de ITU-RSM.1268.1-norm om statistische analyse uit te voeren van de maximale frequentieafwijking van het FM-signaal en de gegevens te vergelijken voor en na het aanpassen van de audioprocessor A. De beschrijving van het verificatie-experiment wordt getoond in Figuur 11.
Figuur 11. Testproces
Figuur 12. Verdeling van cumulatieve frequentieafwijking
Van de statistische verdeling van frequentieafwijking, voor dezelfde programmabron, wordt de signaalfrequentieafwijking vóór aanpassing hoofdzakelijk verdeeld van 25 kHz-95% tot 45 kHz-5% in een halve klokcurve, en de signaalfrequentieafwijking na aanpassing wordt hoofdzakelijk verdeeld van 45 kHz-95%. Het toont een halve belcurve tot 55 KHz-95%. Daarentegen is de aangepaste signaalfrequentie-offsetwaarde groter en is de distributie voller. Vanuit een luisterperspectief zijn de aangepaste geluidskwaliteit en het volume aanzienlijk verbeterd in vergelijking met voorheen.
Vier, conclusie van verificatie-experiment
In het geval van dezelfde programmabron, door het referentie-uitvoerniveau van de audioprocessor aan te passen, kan de frequentieverschuivingsverdeling worden verbeterd om deze voller te maken en is de frequentie-verschuivingswaarde groter.
Voor dezelfde audiobron kan de verdeling van de maximale frequentieafwijking na FM-modulatie het volume en de verzadiging van het gedemoduleerde geluid beïnvloeden. Door de parameterinstellingen van de audioprocessor aan te passen, komt het FM-signaal beter overeen met de ITU-R-specificatie, waardoor het luistergeluid luider en voller kan worden. Daarom kan het gebruik van uitzendbewakingsapparatuur om FM-uitzendparameters te detecteren en de apparatuur in de uitzendverbinding aan te passen volgens de ITU-R-standaard voor deze parameters een hogere transmissiekwaliteit verkrijgen.
Dit toont ook aan dat het gebruik van apparatuur voor het bewaken van uitzendingen om FM-uitzendingen te volgen, een effectief middel is om de kwaliteit van de FM-uitzending te waarborgen.
V. Vooruitzichten
De uitzendbewakingsontvanger op basis van de software-radio-architectuur die in dit artikel wordt gebruikt, is een enkelkanaals acquisitie-apparaat met relatief weinig testparameters, en handmatige analyse is vereist na acquisitie, wat relatief inefficiënt is. Met de ontwikkeling en vooruitgang van wetenschap en technologie, gecombineerd met de problemen die zich bij het experiment voordoen, worden enkele vooruitzichten voor de toekomstige monitoring- en ontvangstapparatuur voor FM-uitzendingen voorgesteld:
1. Real-time opname van full-band FM-uitzendsignalen van 87 MHz tot 108 MHz.
2. Uitgerust met een disk-array met grote capaciteit, die de klok rond kan opnemen en geavanceerde functies zoals timingopname kan realiseren.
3. Het kan op afstand worden bediend om functies te realiseren zoals bewaking zonder toezicht, automatische analyse en het genereren van rapporten.
4. Ondersteun de database, die het frequentiespectrum en de audiofrequentie op elk moment en op elke frequentie kan reproduceren.
5. Gediversifieerde systeemconfiguratie kan voldoen aan de behoeften van verschillende klanten.
6. Het modulaire ontwerp van software en hardware is handig voor systeemuitbreiding en secundaire ontwikkeling.
Onze andere producten:
