FM vysílání pomocí rádiového přenosu k přenosu vysílaných signálů
I. Přehled
Koncept frekvenční modulace (FM). FM je hlavní způsob, jak v moderní době realizovat vysoce věrné zvukové a stereofonní vysílání. Přenáší zvukové signály v režimu frekvenční modulace. Nosič vlny FM se mění na střední frekvenci nosné, jak se mění zvukový modulační signál (Střední frekvence před nemodulací) se mění na obou stranách, a časy změny odchylky frekvence za sekundu jsou v souladu s modulační frekvencí zvukového signálu . Pokud je frekvence zvukového signálu 1kHz, jsou časy změny frekvenční odchylky nosné také 1k krát za sekundu. Velikost frekvenční odchylky závisí na amplitudě zvukového signálu.
Koncept stereofonního FM, stereofonního FM nejprve kóduje signály dvou zvukových frekvencí (levý a pravý kanál), aby se získala sada nízkofrekvenčních kompozitních stereofonních signálů, a poté se FM provádí na vysokofrekvenční nosné. Stereo FM je rozděleno do tří typů: systém frekvenčního dělení (a rozdílový systém), systém časového dělení a systém směrového signálu podle různých metod zpracování pro stereo. Systém rozdílu součtů se nyní běžně používá. Systém součtu a rozdílu je ve stereofonním modulátoru, signály levého (L) a pravého (R) kanálu jsou zakódovány jako první, aby vytvořily součtový signál (L + R) a rozdílový signál (LR), a součtový signál je přímo posílán do modulátoru Nosič představuje signál hlavního kanálu pro kompatibilní poslech s běžným FM rádiem; rozdílový signál je odeslán do vyváženého modulátoru k potlačení modulace amplitudy nosné na subnosné a získaná vlna s potlačenou amplitudou s dvojitým postranním pásmem je použita jako signál subkanálu a poté je kombinována se součtem signálu Mix k modulaci hlavní nosné. Frekvenční rozsah subkanálového signálu je 23 až 53kHz (38 ± 15kHz), který patří do super audio rozsahu a nebude rušit mono přehrávání. Jelikož je subnosná subkanálová AM vlna potlačena, nemůže stereofonní rádio přímo demodulovat odchozí signál. V demodulovaném rádiu by proto měl být generován 38kHz signál se stejnou frekvencí a fází jako subnosná vysílacího systému. Z tohoto důvodu je na vysílacím konci v intervalu mezi hlavním a subkanálovým frekvenčním spektrem vysílán další pilotní signál (PilotTone) o frekvenci 19 kHz (1/2 subnosné frekvence), aby „vedl“ 38kHz regenerovanou subnosnou v rádiu. Tato modulační metoda se nazývá pilotní frekvence a je také nejrozšířenější metodou frekvenčního dělení ve stereofonním vysílání.
Odpovídajícím způsobem se za účelem měření FM signálů a stereofonních FM signálů ve světě obvykle měří následující parametry.
1.1, obsazená šířka pásma
Podle doporučení ITU je měření šířky pásma signálu obvykle založeno na spektru pomocí dvou metod: „β% obsazená šířka pásma“ a „x-dB šířka pásma“. Šířka pásma obsazeného β% je znázorněna na obrázku 1. Metoda měření spočívá v tom, že se nejprve spočítá celkový výkon v šířce pásma monitorování a poté se akumuluje výkon spektrálních čar z obou stran do středu spektra, dokud se výkon a celkový výkon (β / 2)%, definované jako f1 a f2, je definovaná šířka pásma rovna f2-f1; a šířka pásma x-dB je znázorněna na obrázku 2. Metodou měření je nejprve najít vrchol nebo nejvyšší bod ve spektru a poté od nejvyššího bodu na obě strany. Tyto dvě spektrální čáry tvoří všechny spektrální čáry mimo tyto dvě. spektrální čáry nejméně o xdB menší než nejvyšší bod a frekvenční rozdíl odpovídající dvěma spektrálním čarám je šířka pásma.
V doporučeních ITU a rádiových a televizních stanic β obvykle trvá 99 a x obvykle 26, což je často řečeno 99% šířka pásma výkonu a šířka pásma 26 dB.
Obrázek 2. Šířka pásma x-dB
1.2 Frekvenční odchylka
Kmitočtová odchylka v signálu FM se vztahuje k amplitudě kmitočtu kmitání vlny FM, která se mění s fluktuací informační (nebo hlasové) křivky. Frekvenční odchylka obvykle měřená přístrojem nebo přijímačem ve skutečnosti odkazuje na maximální frekvenční odchylku za určité časové období. Distribuce a velikost maximální odchylky frekvence určují kvalitu zvuku a hlasitost slyšeného zvuku, což také určuje emise FM rádia. kvalitní.
Hlavním účelem tohoto článku je studovat kvalitu přenosu FM vysílání, takže podle výše uvedeného popisu je třeba věnovat pozornost indexu frekvenčního posunu.
ITU-R obsahuje podrobný popis měření odchylky frekvence signálu FM:
Metoda měření odchylky frekvence má určitou dobu (doporučená doba je 50 ms) k měření odchylky frekvence vzhledem k nosné v každém místě vzorkování a maximální hodnota je maximální odchylka frekvence. Abychom však lépe porozuměli frekvenčnímu posunu, lze k vyjádření charakteristik jeho signálu použít statistický histogram aktualizovaný v průběhu času. Metoda výpočtu histogramu odchylky frekvence je následující:
1). Změřte N maximální odchylky frekvence s periodou 50ms. Délka období měření významně ovlivní histogram, proto je k zajištění opakovatelnosti výsledků měření nutná pevná doba měření. Současně výběr 50 ms jako periody měření může zajistit, že maximální odchylku frekvence lze stále účinně měřit, i když je modulační frekvence tak nízká jako 20 Hz.
2). Rozdělte rozsah frekvenční odchylky, který je třeba počítat (0 ～ 150 kHz v tomto článku), s použitím 1 kHz (rozlišení) jako jednotky, a rozdělte jej na stejné části (v tomto článku 150 stejných částí).
3). V každém alikvotu spočítejte počet bodů na odpovídající hodnotě frekvence a získaný tvar vlny by měl být zhruba tak, jak je znázorněno na obrázku 3 (tj. Histogram distribuce posunutí frekvence), kde osa X představuje frekvenci a osa Y představuje maximální frekvence. Počet bodů, které spadají na odpovídající hodnotu frekvence.
Obrázek 3. Histogram rozdělení kmitočtového posunu
4). Shromážděte počet bodů v každém alikvotu a normalizujte N s procentem jako jednotkou, abyste získali graf znázorněný na obrázku 4 (tj. Histogram kumulativního rozdělení odchylky frekvence), kde osa X představuje frekvenci a osa Y představuje pravděpodobnost, že maximální odchylka frekvence spadá do frekvenčního rozsahu odpovídající hodnoty frekvence. Pravděpodobnost začíná na 100% zcela vlevo a končí na 0% zcela vpravo
Obrázek 4. Histogram kumulativního rozdělení frekvenčního posunutí
Současně ITU-R poskytuje referenční specifikaci (SM1268) pro kumulativní distribuci maximální odchylky frekvence, jak je znázorněno na obrázku 5.
Obrázek 5. Referenční specifikace pro kumulativní rozdělení maximální odchylky frekvence
Specifikace uvádí, že: statistické procento distribuce offsetu frekvence větší než 75kHz nepřesahuje 22%, statistické procento distribuce offsetu frekvence větší než 80kHz nepřesahuje 12% a statistické procento distribuce offsetu frekvence větší než 85kHz nepřesahuje překročit 8%.
Na základě výše uvedené teorie je známo, že kvalita přenosu FM signálů souvisí s velikostí odchylky nosné frekvence FM po modulaci původního zvukového signálu. Měření a zlepšování kumulativního rozložení maximální odchylky frekvence pomůže zlepšit kvalitu přenosu signálů FM.
2. Hardwarový základ
Tento článek používá modulární přijímač monitorování vysílání, který využívá současnou pokročilou technologii rádiového monitorování a vyhovuje specifikacím ITU. Přijímač se skládá z prvotřídního digitálního rádiového přijímacího modulu a nejnovějšího zabudovaného procesoru. Softwarově definovaná rádiová architektura a vysokorychlostní datová sběrnice zajišťují škálovatelnost a testovací rychlost přijímače. Přijímač demoduluje a měří signály FM v souladu se standardy ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) a příručkami pro monitorování spektra a poskytuje funkce pro analýzu zvuku a základního pásma speciálně pro aplikace monitorování vysílání. Specifické charakteristické parametry jsou následující:
Obsazená šířka pásma (Obsazená šířka pásma
Posun dopravce (CarrierOffset)
Napájení v pásmu (PowerinBand)
FM maximální odchylka (FMMaximumDeviation)
Maximální odchylka frekvence signálu hlavního kanálu (maximální odchylka frekvence hlavního kanálu (L + R))
Maximální odchylka frekvence pilotního signálu (maximálnífrekvenční odchylkapilottonu)
Maximální odchylka frekvence signálu podkanálu (Maximumfrequencydeviationofsubchannel (LR)) Struktura a hlavní blokové schéma přijímacího zařízení pro monitorování vysílání je znázorněno na obrázku 6. Modul digitálního rádiového příjmu je instalován ve skříni s vysokorychlostní datovou sběrnicí průmyslově vyztužený rám. Integrovaný řadič tohoto přijímače používá vysokorychlostní procesor, který je zodpovědný za řízení přijímacího modulu a zpracování shromážděných dat.
Obrázek 6. Blokové schéma struktury přijímače monitorování vysílání
Modul digitálního rádiového příjmu zahrnuje dva dílčí moduly: modul RF pro převod dolů a modul pro vysokorychlostní sběr mezifrekvencí.
Vysokofrekvenční down-převodový modul down-převádí požadované vysokofrekvenční pásmo na mezifrekvenční signál a poté přenáší mezifrekvenční signál do vysokorychlostního mezifrekvenčního akvizičního modulu.
Jádrem vysokorychlostního modulu akvizice IF je vysokorychlostní ADC (analogově-digitální převodník) a vyhrazený digitální down-převodní čip, který poskytuje funkce zpracování hardwaru. Digitální zpracování down-převodu extrahuje širokopásmové signály v reálném čase a dolů je převádí na základní pásmo, které je vhodné pro zachycení vysílacích signálů, bezdrátových signálů a dalších komunikačních signálů. Digitální zpracování down-převodu může také převést shromážděný průběh mezifrekvenčního signálu na výstup dat komplexního signálu I / Q. Vysokorychlostní modul pro získávání mezifrekvenčních kmitočtů využívá pro přenos dat patentovaný vysokorychlostní vyhrazený čip a přenáší data do řadiče prostřednictvím DMA, čímž snižuje zatížení procesoru řadiče a umožňuje mu soustředit se na dokončení pokročilé analýzy a zpracování, grafické zobrazení a výměna dat. . Jak je znázorněno na obrázku 7:
Obrázek 7. Architektura modulu digitálního rádiového přijímače
Modul RF down-conversion nejprve zeslabuje signál podle specifikace uživatele, předává filtr povrchové akustické vlny, aby odfiltroval frekvenci obrazu po up-převodu, a poté provede vícestupňový down-konverzi a nakonec vydá mezifrekvenční signál . Modul RF down-převodu používá vysoce přesný a stabilní krystalový oscilátor s konstantní teplotou jako referenční hodiny systému pro zajištění extrémně vysoké frekvenční přesnosti.
Aby se usnadnilo kompaktní balení, modul používá vysoce výkonný mikro YIG oscilátor ke generování vysokofrekvenčního signálu místního oscilátoru požadovaného pro fázi převodu nahoru. Oscilátor YIG je druh oscilátoru, který dokáže generovat velmi čisté vysokofrekvenční signály a je často velmi velký. Modul RF down-conversion v zařízení využívá průlomovou technologii v této oblasti a v konstrukci používá velmi malý oscilátor YIG. Oscilátor YIG lze naladit na zadané frekvenční pásmo, což umožňuje uživatelům nastavit frekvenci požadovanou modulem RF downconversion. Komplexní plánování kmitočtů a vícestupňová architektura převodu kmitočtů modulu RF pro převod dolů zajišťují vynikající vlastnosti nízké rušivé odezvy nástroje a velkého dynamického rozsahu. Jak je znázorněno na obrázku 8:
\
Obrázek 8. Architektura modulu RF down-conversion
Tento článek analyzuje vztah mezi kvalitou přenosu FM vysílání a kumulativním rozdělením odchylky frekvence, počínaje nastavením zvukového procesoru vysílače, pomocí stanice A (včetně zvukového procesoru A a vysílače A) a stanice B (včetně zvukového procesoru B a vysílač B) Pro srovnání vzorků jsou navrženy následující experimenty.
Tento experiment hlavně zlepšuje kumulativní distribuci frekvenční odchylky signálu FM úpravou zvukového procesoru, aby se ověřil jeho vztah s kvalitou přenosu FM vysílání.
3.2, zkouška
Experiment využívá zvukový soubor určitého vysílaného programu, zpracovává jej prostřednictvím zvukových procesorů A a B a přenáší je současně do vysílačů A a B. Oba vysílače používají stejné nastavení. Rádiový monitorovací přijímač byl použit pro záznam vysokofrekvenčních signálů z vysílačů A a B a zaznamenané signály byly použity pro statistickou analýzu maximální frekvenční odchylky FM signálu podle standardu ITU-RSM.1268.1. Popis procesu analytického experimentu je uveden na obrázku 9. Výsledek je uveden na obrázku 10
Obrázek 9. Testovací proces
Obrázek 10. Schéma distribuce kumulativní odchylky frekvence
Ze statistického rozdělení odchylky frekvence získané z experimentu je u stejného zvukového souboru odchylka frekvence signálu stanice A distribuována hlavně od 10kHz-95% do 35kHz-5% v půlzvonové křivce a frekvence signálu odchylka stanice B je hlavně Distribuce ukazuje polozvonovou křivku od 10kHz-95% do 75KHz-95%. Signály v časové doméně dvou stanic vykazují různé charakteristiky distribuce pravděpodobnosti. Naproti tomu posun frekvence signálu stanice B je větší.
Z hlediska poslechu je kvalita zvuku stanice B lepší než kvalita stanice A a hlasitost je hlasitější, to znamená, že kvalita přenosu je lepší.
3.3, ladění
Vzhledem k tomu, že zvukové soubory přenášené do dvou zvukových procesorů jsou stejné, nastavení obou vysílačů je také stejné, ale distribuce posunu frekvence signálu stanice A a stanice B se liší, což naznačuje, že zvukové procesory obou stanic jsou odlišný. Amplituda odchylky frekvence signálu stejného zvukového souboru zpracovaného zvukovým procesorem A je relativně malá, což naznačuje, že nastavení zvukového procesoru A nedosáhlo standardu ITU-RSM1268.1. Proto po úpravě zvukového procesoru A podle doporučeného standardu lze dosáhnout teoreticky vyšší kvality přenosu. Z tohoto důvodu byl navržen následující ověřovací experiment.
3.4, ověření
Vysílaný program je zpracován zvukovým procesorem A a poté přenesen do vysílače A pro přenos. Inženýr upraví zvukový procesor A za podmínky nepřerušeného přenosu. Přijímač rádiového monitorování přijímá vysokofrekvenční signál stanice A a podle standardu ITU-RSM.1268.1 provádí statistickou analýzu maximální frekvenční odchylky signálu FM a porovnává data před a po úpravě zvukového procesoru A. Popis ověřovací experiment je znázorněn na obrázku 11.
Obrázek 11. Testovací proces
Obrázek 12. Rozdělení kumulativní odchylky frekvence
Ze statistického rozložení odchylky frekvence je u stejného zdroje programu odchylka kmitočtu signálu před úpravou distribuována hlavně od 25kHz-95% do 45kHz-5% v polozvonové křivce a odchylka frekvence signálu po úpravě je distribuována hlavně od 45kHz-95%. Ukazuje půlzvonovou křivku na 55KHz-95%. Naproti tomu je upravená hodnota posunu frekvence signálu větší a distribuce je úplnější. Z pohledu poslechu se upravená kvalita zvuku a hlasitost oproti předchozímu výrazně zlepšila.
Čtyři, závěr ověřovacího experimentu
V případě stejného zdroje programu lze úpravou referenční výstupní úrovně zvukového procesoru vylepšit distribuci kmitočtového posunu tak, aby byl plnější, a hodnota kmitočtového posunu je větší.
U stejného zdroje zvuku může maximální distribuce frekvenční odchylky po modulaci FM ovlivnit hlasitost a sytost demodulovaného zvuku. Úpravou nastavení parametrů zvukového procesoru je signál FM více v souladu se specifikací ITU-R, díky níž může být poslechový zvuk hlasitější a plnější. Proto může použití vysílacího monitorovacího zařízení k detekci parametrů vysílání FM a nastavení zařízení ve vysílacím spojení podle standardu ITU-R pro tyto parametry dosáhnout vyšší přenosové kvality.
To také ukazuje, že použití monitorovacího zařízení k monitorování vysílání FM je účinným prostředkem k zajištění kvality přenosu FM.
V. Výhled
Přijímač monitorování vysílání založený na softwarové rádiové architektuře použité v tomto článku je jednokanálové akviziční zařízení s relativně malým počtem testovacích parametrů a po akvizici je nutná manuální analýza, což je relativně neúčinné. S rozvojem a pokrokem vědy a techniky v kombinaci s problémy, s nimiž se setkal experiment, jsou navrženy některé vyhlídky na budoucí zařízení pro monitorování a příjem FM vysílání:
1. Nahrávání širokopásmových vysílacích signálů FM v reálném čase od 87 MHz do 108 MHz.
2. Vybaveno velkokapacitním diskovým polem, které dokáže nahrávat nepřetržitě a realizovat pokročilé funkce, jako je načasování záznamu.
3. Lze jej ovládat na dálku a provádět funkce, jako je bezobslužné monitorování, automatická analýza a generování zpráv.
4. Podporujte databázi, která dokáže kdykoli a na jakékoli frekvenci reprodukovat frekvenční spektrum a zvukovou frekvenci.
5. Diverzifikovaná konfigurace systému může uspokojit potřeby různých zákazníků.
6. Modulární design softwaru a hardwaru je vhodný pro rozšíření systému a sekundární vývoj.
Náš další produkt:
