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        一種調(diào)頻廣播頻譜記錄儀的研制和應(yīng)用

        2022-05-30 10:48:04李琚門
        電子產(chǎn)品世界 2022年5期
        關(guān)鍵詞:軟件無線電無線電記錄儀

        李琚門

        關(guān)鍵詞:無線電;軟件無線電;頻譜;記錄儀;瀑布圖;日常監(jiān)測(cè)

        1 背景和概述

        在廣播電臺(tái)日常工作中,缺少無線電頻譜監(jiān)測(cè)手段。一般是采取接收機(jī)+ 音頻電平表的形式,把廣播的音頻信號(hào)展現(xiàn)出來。而接收機(jī)具有自動(dòng)增益、噪聲抑制等電路,通常會(huì)對(duì)無線電信號(hào)的指標(biāo)劣化不敏感。例如:當(dāng)發(fā)射機(jī)故障功率變小,如果信號(hào)不是太弱,則音頻監(jiān)測(cè)設(shè)備不會(huì)做出反應(yīng)。另一個(gè)典型例子是,非標(biāo)準(zhǔn)頻率的黑臺(tái),在定頻接收機(jī)上收不到。

        亟需一種設(shè)備,能夠把整個(gè)頻帶內(nèi)的無線電頻譜,變成屏幕上的圖像,以一種“一望而知”的直觀形式,發(fā)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度變化、指標(biāo)劣化、無調(diào)制、不明頻率出現(xiàn)等異常情況,并且能夠以圖像形式進(jìn)行記錄。如此,將使日常監(jiān)測(cè)工作達(dá)到更高水平。

        2 方案設(shè)計(jì)

        隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展,自行研制一種針對(duì)廣電行業(yè)特點(diǎn)、符合特殊需求、工作模式靈活、可訂制頻段和功能的無線電可視化監(jiān)測(cè)設(shè)備,成為可能。

        本文所述設(shè)備能夠?qū)㈩l帶內(nèi)的無線電廣播信號(hào)的三種要素展現(xiàn)在同一屏幕,即場(chǎng)強(qiáng)、頻率、時(shí)間。緊密結(jié)合廣播電臺(tái)實(shí)際工作需求,始終以實(shí)際需求為根本出發(fā)點(diǎn),沒有追求過高的技術(shù)指標(biāo),是一個(gè)具有實(shí)用性的產(chǎn)品。

        調(diào)頻廣播頻段頻譜記錄儀采用了嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和軟件無線電技術(shù)相結(jié)合的方案。如圖1 所示:

        從天線輸入的射頻信號(hào),進(jìn)入射頻前端進(jìn)行處理,然后下變頻到某種程度的低頻(取決于帶寬需求),最后直接進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換。得到I 和Q 信息。

        對(duì)A/D 后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT),得到頻譜數(shù)據(jù),再轉(zhuǎn)換成顏色信息,得到一系列彩色點(diǎn)狀數(shù)據(jù),按照頻率從低到高橫向排列,得到的是單個(gè)像素點(diǎn)的橫向線條。這個(gè)線條代表了整個(gè)頻段內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度。

        間隔幾秒鐘[1] 再進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換,得到另一條彩色線條。軟件不斷循環(huán)重復(fù)工作,上一次轉(zhuǎn)換的彩色線條每次向下滾動(dòng)一行,新數(shù)據(jù)則填充頂端位置。這樣進(jìn)行圖像逐行累積合成,得到了一段時(shí)間內(nèi)無線電信號(hào)的變化情況,如圖2 所示,這幅圖像看起來的效果是緩慢向下滾動(dòng),稱之為瀑布圖。

        圖中,縱向坐標(biāo)代表了時(shí)間流逝(整個(gè)圖像向下滾動(dòng)),已經(jīng)打上了時(shí)間標(biāo)記,橫向坐標(biāo)代表了頻率刻度,用顏色代表信號(hào)強(qiáng)度。一幅圖像展現(xiàn)三個(gè)要素,持續(xù)在屏幕上滾動(dòng),最適合播控中心機(jī)房日常值班使用。這幅圖展示了6 個(gè)發(fā)射機(jī)斷電、恢復(fù)又?jǐn)嚯姷那樾?。明顯地,99.1 MHZ 機(jī)器的啟動(dòng)速度很快。

        圖像信息每隔一定時(shí)間(可預(yù)置)自動(dòng)存儲(chǔ),使用計(jì)算機(jī)技術(shù)中成熟的圖像壓縮算法減小文件尺寸,每半小時(shí)存儲(chǔ)一張高清的PNG 格式的壓縮圖片,僅需約1 MB,每年需要1*2*24*365 = 17520 MB = 17.520 GB這個(gè)數(shù)量級(jí)別,是廉價(jià)的固態(tài)存儲(chǔ)器能輕易做到的。

        FFT 以后的原始數(shù)據(jù)從網(wǎng)口輸出共享,能夠組網(wǎng)應(yīng)用。

        調(diào)頻廣播頻段頻譜記錄儀作為日常播出監(jiān)測(cè)設(shè)備,主要是定性觀測(cè)和視覺展示為主。即在常見發(fā)射機(jī)天饋線故障狀態(tài)下,能夠以鮮明的圖像特征展示給值班人員。

        3 方案的實(shí)現(xiàn)

        3.1 硬件及射頻前端設(shè)計(jì)

        本項(xiàng)目的射頻前端需要具備一定的相對(duì)精度,又無需太高。借鑒了某些開源硬件的設(shè)計(jì),避開版權(quán)付費(fèi)內(nèi)容。其工作原理和普通SDR 電路相同。

        首先使用了LNA(低噪聲放大器),之后進(jìn)行下變頻到中頻,再經(jīng)過低通濾波器后進(jìn)入ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D),把模擬域信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)域的轉(zhuǎn)換。本項(xiàng)目對(duì)于ADC 并未追求極高位數(shù)精度和測(cè)量指標(biāo),采取了折衷的辦法,在普通天線能提供的信號(hào)強(qiáng)度和一般機(jī)房電磁環(huán)境下,能夠突出顯示有用的廣播信號(hào)即可[3]。經(jīng)實(shí)驗(yàn),采樣精度8bits,轉(zhuǎn)換速率為2 Mbps。實(shí)際上是正交的兩個(gè)ADC 同時(shí)工作,這是因?yàn)樾枰狪 和Q 兩個(gè)分量才能計(jì)算模值。

        軟件無線電的射頻前端和驅(qū)動(dòng)程序密不可分,也自主編寫了底層驅(qū)動(dòng)程序和上層應(yīng)用程序。

        3.2 軟件設(shè)計(jì)

        件無線電的主要工作流程都集中在軟件處理。分為數(shù)個(gè)模塊。其中硬件驅(qū)動(dòng)程序完成了射頻硬件和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)流接口。頻譜分析模塊負(fù)責(zé)采集到數(shù)據(jù)的頻域變換,并把場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換,成為色彩表達(dá)形式。屏幕繪圖模塊負(fù)責(zé)把顏色信息描繪在屏幕上。

        射頻參數(shù)控制模塊能夠設(shè)定增益和采樣率等參數(shù),使設(shè)備符合傳統(tǒng)無線電儀器的操作習(xí)慣。包括了定時(shí)參數(shù)、頻段范圍、分辨率、實(shí)時(shí)音頻基帶解調(diào)開關(guān)[5]、圖像分辨率等參數(shù)設(shè)置功能。

        定時(shí)存儲(chǔ)模塊是一個(gè)后臺(tái)進(jìn)程,在定時(shí)間隔后進(jìn)行屏幕截圖。

        故障告警模塊和硬件聯(lián)動(dòng),在風(fēng)扇停止、存儲(chǔ)器溢出等情況下發(fā)出告警信息。人機(jī)界面模塊使用鼠標(biāo)進(jìn)行菜單操作,并無過多選項(xiàng),避免人為設(shè)置錯(cuò)誤。專業(yè)工程維護(hù)人員可以修改ini 文件設(shè)定更多初始參數(shù)。時(shí)間校正模塊采用青島廣播電視科研所標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間碼或者NTP 網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器的方式。對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)工作,維持精確的時(shí)間非常重要[3],是安全責(zé)任劃分和故障判斷的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)接口對(duì)外傳輸實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),可以擴(kuò)展多點(diǎn)分布式監(jiān)測(cè)。

        由于全固態(tài)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)非???,整體看來是一個(gè)一體化的軟硬件系統(tǒng),符合現(xiàn)代流行的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則,即操作系統(tǒng)+ 應(yīng)用軟件+ 硬件。

        3.3 樣機(jī)制作和整機(jī)測(cè)試

        圖3 展示了原理圖、印刷電路板的設(shè)計(jì)過程和軟件開發(fā)界面。當(dāng)然這是歷經(jīng)數(shù)次實(shí)驗(yàn)的最終完成版本。

        軟件全部使用了開源編譯工具。已經(jīng)獲得了著作權(quán)證書。

        經(jīng)過射頻各種參數(shù)的合理設(shè)計(jì),軟件主界面呈現(xiàn)出色彩對(duì)比鮮明的特征,清晰反映出了空間電磁波譜的特征,證明方案設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)都是合理有效的。整機(jī)完成后結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

        軟硬件包含在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)1U 機(jī)箱內(nèi)[4],外接電源、天線和顯示器即可工作。

        軟件操作基本不需要鍵盤,初始配置過程需要鍵盤時(shí),能夠從后面板接入。后面板接口包括網(wǎng)絡(luò)口和音頻口,可以輸出聲音。串口保留,用作時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)接口。

        配套全向的寬帶天線,如有定向的需求則可以選擇對(duì)數(shù)周期天線。很高增益的天線其帶寬較窄,對(duì)于全頻帶接收不利,需要加以驗(yàn)證方可安裝使用。天線都會(huì)受到周圍金屬物體的影響,其方向圖和頻率特性都會(huì)與理論值相去甚遠(yuǎn),一切以實(shí)際效果為準(zhǔn)并遠(yuǎn)離干擾源。有干擾時(shí),在頻譜圖上找出并干擾源頻率,以后的分析中忽略它[2]。

        本設(shè)計(jì)具有一定的相對(duì)精度。圖5 右側(cè)是無線電管理部門給出的本地交通廣播89.7MHZ測(cè)試結(jié)果,左側(cè)是本設(shè)備同時(shí)間的測(cè)試效果作為對(duì)照。注意設(shè)備可以設(shè)定頻率范圍較小,例如1MHZ[1],能夠詳細(xì)觀察頻譜細(xì)節(jié)。主信號(hào)兩側(cè)為青島臺(tái)發(fā)播的CDR 自辦節(jié)目。

        4 頻譜記錄儀的實(shí)際應(yīng)用

        圖6 為長(zhǎng)期運(yùn)行過程中實(shí)際監(jiān)測(cè)到的異常狀況,分別是發(fā)射機(jī)供電故障中斷播出、音頻電纜損壞、調(diào)制帶寬指標(biāo)超標(biāo)[1] 和黑廣播出現(xiàn)。經(jīng)查證,如實(shí)反映了真實(shí)情況。

        這些圖片,可以加入水印,作為相關(guān)技術(shù)保障工作報(bào)表的主要素材和依據(jù)。

        5 可擴(kuò)展特性

        這個(gè)設(shè)備基于軟件無線電技術(shù)和嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù),具有比較強(qiáng)的擴(kuò)展功能,有待于進(jìn)一步開發(fā)。例如,設(shè)定工作頻率到無線話筒頻段,在演播室以長(zhǎng)期慢掃描的方式工作,能夠監(jiān)測(cè)無線話筒的工作頻帶內(nèi)干擾源情況,給出最優(yōu)的無線話筒使用頻點(diǎn)。如果綠色部分非常多,表明本底噪聲很大,而且是寬帶均勻分布的,是LED 大屏幕舞臺(tái)設(shè)備的典型干擾特征。這種干擾會(huì)導(dǎo)致舞臺(tái)上某些無線話筒失靈。

        6 結(jié)論

        本文所述的調(diào)頻頻段頻譜記錄儀,將最新的軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于廣播監(jiān)測(cè),降低了采購成本,促進(jìn)了無線電監(jiān)測(cè)設(shè)備的普及應(yīng)用。

        系統(tǒng)采用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù),把調(diào)頻廣播全頻段的無線電信號(hào)進(jìn)行可視化呈現(xiàn),極大方便了廣播電臺(tái)的日常監(jiān)測(cè)工作。該設(shè)備經(jīng)過了總局相關(guān)部門檢測(cè)并獲得廣電總局科技創(chuàng)新獎(jiǎng)。

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