黃亦群 姜永福

（作者單位：紫金電視調(diào)頻轉(zhuǎn)播臺）

我國廣播系統(tǒng)的主要調(diào)制方式為調(diào)頻和調(diào)幅，而從中央到地方大多數(shù)采用調(diào)頻廣播，在調(diào)頻廣播系統(tǒng)中發(fā)射機播出指標是衡量廣播節(jié)目質(zhì)量的重要標志。

1 調(diào)頻廣播概述

1.1 調(diào)頻廣播的優(yōu)點與不足

調(diào)頻廣播是現(xiàn)代實現(xiàn)高保真聲音廣播和立體聲廣播的主要方式。其主要優(yōu)點有：保真度高、抗干擾性強、信號穩(wěn)定等。不足之處為傳播距離近，限于有效范圍內(nèi)；存在多徑失真現(xiàn)象，到達接收天線的電波有直射波，也有建筑物等反射過來的反射波。因反射波和直射波之間有行程差，亦即有相位差，從而形成同一信號的自相干擾現(xiàn)象，當反射波與直射波強度相比達到可比的程度時，由于反射波的作用會使解調(diào)后的音頻信號產(chǎn)生失真或消失，這種失真稱為多徑失真[1]。在行駛的汽車內(nèi)收聽，多徑失真表現(xiàn)為聲音瞬間“沙啞”等。

1.2 調(diào)頻廣播的頻率范圍

我國調(diào)頻廣播頻段范圍為87～108 MHz，頻道間隔為100 kHz，帶寬為200 kHz。調(diào)頻廣播接收機的中頻頻率為10.7 MHz[2]。

1.3 調(diào)頻波

調(diào)頻波是一種等幅疏密波，與調(diào)幅信號不同，調(diào)頻波的幅度保持不變，調(diào)頻波的波形如圖1所示[3]。

圖1 調(diào)頻波波形圖

調(diào)頻信號的瞬時頻率和送入調(diào)制的調(diào)制波（即送入發(fā)射機的音頻信號）的大小是成比例變化的。音頻信號越大反映在調(diào)制信號上就是在那一個點上頻率越大，而這個頻率的疏密就是所需要的信息[4]。

設(shè)音頻調(diào)制信號為：

公式（1）中，Uam為調(diào)制信號的振幅；Ωa為調(diào)制信號的角頻率，Ωa=2πFa，F(xiàn)a為調(diào)制信號頻率。

又設(shè)載波信號為：

公式（2）中，Ucm為 載波信號的振幅；C為載波信號角頻率，a=2πFC，F(xiàn)C為載波頻率。

調(diào)制信號對載波進行頻率調(diào)制后的調(diào)頻波表達式為：

公式（3）中，Δm為調(diào)頻波角頻率的最大偏移。Δm=2πΔfm，Δfm為最大頻偏。fm為調(diào)制指數(shù)，

2 調(diào)頻廣播測試指標

2.1 導(dǎo)頻

調(diào)頻信號采用的是立體聲信號調(diào)制（見圖2）。L、R兩路音頻信號在激勵器中的音頻處理板上經(jīng)過預(yù)加重電路提高發(fā)射后傳輸過程中容易衰減到大于3 000 Hz音頻信號的電平大小，然后送到矩陣電路，經(jīng)過加、減變換，變?yōu)楹托盘朚（M=L+R）及差信號S（S=L-R）。矩陣電路的M信號構(gòu)成主信道信號，可直接送去調(diào)制主載波，以便于普通調(diào)頻收音機兼容收聽；S信號和副載波經(jīng)過平衡調(diào)制和低通濾波器（Low Pass Filter, LPF）產(chǎn)生抑制載波后的調(diào)幅信號（副信道），這個信號再與和信號混合后去調(diào)制主載波。副信道的頻率在23～53 kHz，而人耳的最大可聽范圍不會超過20 kHz，所以不會對音頻信號產(chǎn)生任何干擾。但是，副載波抑制的存在使得接收端無法還原出差信號S，從而導(dǎo)致無法解調(diào)出左右聲道信號。為解決這個問題，在主信道和副信道之間空格的頻率上再添加一個38 kHz頻率一半的19 kHz信號作為導(dǎo)頻信號。接收端在接收到這個導(dǎo)頻信號后經(jīng)過倍頻處理就可以還原出與發(fā)射端頻率、相位一致的38 kHz[5]。

圖2 立體聲復(fù)合信號頻譜圖

2.2 預(yù)加重和去加重

在調(diào)頻系統(tǒng)中，鑒頻器輸出的噪聲信號功率譜和頻率的增加是不成正比的，而是隨著頻率的增加呈現(xiàn)拋物線形狀的增加。但實際的語音信號大多集中在低頻和中頻范圍內(nèi)，而其功率譜和頻率是呈反比的，這就會導(dǎo)致低頻噪聲小，高頻噪聲大，而高頻部分太低的信噪比顯然會導(dǎo)致傳輸、接收困難。

為解決高頻噪聲問題，在調(diào)頻廣播（電視發(fā)射機的伴音部分也一樣）的發(fā)射端加入預(yù)加重電路。也就是在噪聲加入傳輸鏈路之前，通過預(yù)加重電路將信號的高頻部分抬升一定量，來增加高頻段信號的功率譜密度以提高輸出的信噪比。

相應(yīng)地，為了真實地還原信號，在接收端就要加上與發(fā)射端預(yù)加重電路對應(yīng)的去加重電路，對高頻部分壓低。

預(yù)加重值按以下公式計算（50μs）：

公式（4）中，A為預(yù)加重值（dB），τ為預(yù)加重常數(shù)（50μs），f為頻率值。表1為廣播電視系統(tǒng)中常用測試頻點對應(yīng)的50μs預(yù)加重值。

表1 常用頻率標準50μs預(yù)加重曲線值

2.3 調(diào)頻波的頻偏

調(diào)頻波瞬時頻率變化的程度一般用頻偏表示，頻偏是已調(diào)制的調(diào)頻信號的瞬時頻率與中心頻率（即發(fā)射機播出的載波頻率）之差。頻偏與送入調(diào)制的音頻信號的幅度大小成正比，而與調(diào)制信號的頻率無關(guān)。頻偏表示調(diào)頻波的調(diào)制深度，它與調(diào)幅波的調(diào)幅度相對應(yīng)。在我國調(diào)頻系統(tǒng)中，規(guī)定發(fā)射機滿調(diào)制最大的頻偏為75 kHz（見圖3），以此值作為調(diào)制度的100%。

圖3 頻偏頻譜圖

2.4 調(diào)頻波的有效帶寬

由于調(diào)頻波頻譜的邊頻分布太寬，在一般的調(diào)頻廣播中舍去幅度小于未調(diào)制載波幅度的10%的分量，這對調(diào)頻波信號的失真影響不大。在調(diào)頻廣播中，規(guī)定最大調(diào)制度為75 kHz，最大音頻頻率為15 kHz，此時可計算得出有效通帶為180 kHz，也即調(diào)頻接收機為了達到高保真?zhèn)鬏敚鋷拺?yīng)不窄于180 kHz。此外，載波的振幅在調(diào)制后比調(diào)制前要小，甚至小得很多。這時調(diào)頻波的特點，載波的部分能量已轉(zhuǎn)移到各邊帶波中，即傳輸邊帶波不需要另外消耗功率，因此，調(diào)頻廣播的發(fā)射功率有效利用率比調(diào)幅高。

2.5 立體聲分離度

在調(diào)頻解調(diào)器中，主信號（L+R）從鑒頻器直接輸出，而副信號（L-R）還需經(jīng)過解調(diào)器。而且主信號頻率在音頻范圍內(nèi)，而副信號被移頻到超音頻范圍，電路放大器對該信號的相位延時會不均勻。基于以上因素，故送到解碼器的主、副信號之間總存在增益差和相位差，所以解碼器開關(guān)信號對主、副信道進行解碼后輸出的左右音頻信號中總存在相應(yīng)的串音成分，而這種左、右信號相互串擾的程度常用分離度來表示。

分離度定義為一個聲道的輸出信號電壓與另一聲道信號串到該聲道的串音分量電壓之比。即設(shè)（UL）L為左聲道輸出電壓；（UL）R為右聲道信號串到左聲道的串音電壓，則立體聲左聲道的分離度為：

如果解調(diào)器與低放通道的平衡度非常好，他們的測量結(jié)果將比較一致。我國調(diào)頻接收機參數(shù)性能標準中以分離度來考核整機立體聲性能。

2.6 諧波失真

由于發(fā)射機通道的非線性，在解調(diào)出的音頻信號中，除了有需要的基波調(diào)制分量外，還有由于非線性產(chǎn)生的大量不需要的諧波分量。這些產(chǎn)生的無用諧波分量將使發(fā)射機激勵器輸出的音頻信號產(chǎn)生失真，這種由于產(chǎn)生諧波信號導(dǎo)致的失真稱為諧波失真。通常用接收機解調(diào)出的1次、2次…n次諧波分量的有效值和接收機解調(diào)輸出需要的有效信號有效值之比的百分數(shù)表示：

公式（7）中，Kn為總諧波失真，U1…Un為各次諧波電平有效值。

2.7 頻率響應(yīng)

發(fā)射機的音頻頻率響應(yīng)是指用振幅恒定的音頻信號調(diào)制時，其調(diào)制度隨不同頻率而變化的特性。

2.8 信噪比

用1 000 Hz的音頻信號對載波進行調(diào)制，使總調(diào)制度為100%，并以此時在解碼器輸出端測的電平值為基準；去掉音頻輸入信號，并以此時在解碼器輸出端測的電平值為噪聲電平值，并以基準電平與噪聲電平的差值為信噪比。

2.9 左右聲道電平差

在立體聲播音或放音時，如果左右聲道信號存在相位差和電平差，會對播音或放音質(zhì)量產(chǎn)生一定影響，出現(xiàn)聲像漂移、音量減小、噪聲增大和失真等故障現(xiàn)象。左右聲道相位差、電平差越大，音質(zhì)也越差，嚴重時還會造成無音故障。在測試時，需記錄每一個頻點的實際電平值，而不是與基準頻率電平的差值，再計算左右兩個聲道同頻率下的電平差值，這個差值就是左右聲道電平差。

3 調(diào)頻指標測量方法

適用標準《米波調(diào)頻廣播技術(shù)規(guī)范（GB/T 4311-2000）》《米波調(diào)頻廣播發(fā)射機技術(shù)要求和測量方法（GY/T 169-2001）》。

3.1 傳統(tǒng)測試系統(tǒng)與調(diào)頻發(fā)射機的測量

在傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)中，發(fā)射機測試由音頻信號發(fā)生器、音頻信號分析儀、音頻解調(diào)器三個獨立模塊組成（見圖4），每次測試時除了需要連接線路外，在測試完一個頻點或一個指標后都需要重新調(diào)整這三個模塊的設(shè)置。

圖4 發(fā)射機測試框圖

例如，測試頻響：

（1）將發(fā)射機的預(yù)加重和音頻解調(diào)器的去加重設(shè)置關(guān)閉。

（2）音頻信號發(fā)生器輸出頻率設(shè)定為400 Hz，并調(diào)整輸出電平，使發(fā)射機的調(diào)制度達到100%。

（3）將音頻分析儀設(shè)置為電平測試，記錄此時的電平值作為基準。

（4）保持音頻信號輸出電平不變，分別改變輸出頻率為：30 Hz、50 Hz、100 Hz、400 Hz、1 kHz、3 kHz、5 kHz、7 kHz、10 kHz、12 kHz、15 kHz，并分別記錄上述11個標準測試頻率下音頻分析儀的測試電平值。

（5）根據(jù)上述測試結(jié)果，計算各個頻率的電平值與作為記錄的基準的400 Hz頻率下的電平值的差，即得到頻率響應(yīng)的數(shù)值。

可以看到，在這個操作過程中，工作人員只有對整個系統(tǒng)有相當深刻的認識和技術(shù)儲備，才能準確地測試發(fā)射機的技術(shù)指標。

3.2 一體化測試系統(tǒng)與調(diào)頻發(fā)射機的測量

隨著技術(shù)的進步，目前調(diào)頻發(fā)射機的測量較多采用一體化測試系統(tǒng)，即將音頻信號發(fā)生器、音頻信號分析儀、音頻解調(diào)器三個獨立模塊整合為一套測試系統(tǒng)，在測試時除了必要的參數(shù)設(shè)定，其余測試步驟均由系統(tǒng)自動完成，如圖5所示。

圖5 一體化測試系統(tǒng)

一體化測試系統(tǒng)簡化了設(shè)備間的連線，同時由于一體化的設(shè)計也大大簡化了測試的流程，以頻響測試為例：

（1）關(guān)閉發(fā)射機的預(yù)加重和音頻解調(diào)器的去加重設(shè)置。

（2）點擊測試電平。

測試系統(tǒng)將自動建立基準電平、調(diào)整調(diào)制度、改變頻率、計算測試結(jié)果，這就大大地減少了人工操作的步驟，降低了測試的難度。

3.3 智能化測試系統(tǒng)與調(diào)頻發(fā)射機的測量

隨著技術(shù)的進步，很多廣播發(fā)射臺都進行了智能化改造，可以實時地監(jiān)控發(fā)射機狀態(tài)、自動切換信源、自動倒換天線、自動上傳報警信息。按照原來的測試方法，每測試一臺發(fā)射機都需要重新接線、調(diào)整發(fā)射機設(shè)置，顯然這個是達不到智能電臺的要求的，這就催生了一種智能化的測試系統(tǒng)。如圖6所示。

圖6 智能化測試系統(tǒng)

圖7 音頻信源輸出

在智能化測試系統(tǒng)中，可以由PC控制端（PC控制端）控制完成所有的測試操作，如發(fā)射機播出信源和測試信源的切換、發(fā)射機監(jiān)測口的切換、發(fā)射機的開關(guān)機和天線倒換、發(fā)射機指標測試等。在整個測試系統(tǒng)中只需要一臺指標測試儀就可以按照PC控制端依據(jù)播出、測試計劃發(fā)出的測試指令測試所有發(fā)射機的指標，也不需要頻繁地搬動、接線，測試的結(jié)果可以自動保存、上傳。和“智慧臺站”相結(jié)合還可以實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測發(fā)射機的播出狀態(tài)、上級臺站遠程測試、異常報警等功能。

按照GY/T 169-2001《米波調(diào)頻廣播發(fā)射機技術(shù)要求和測量方法》中規(guī)定的測試方法，調(diào)頻測試的各個指標的測試條件是不一致的，如頻率響應(yīng)指標可在不加重和不去重、加重和去加重兩種情況下測試，失真度和分離度在不加重和不去重下測試，信噪比在加重和去加重兩種情況下測試。在這個情況下使用傳統(tǒng)的兩種測試方法就需要不斷地手動調(diào)整發(fā)射機和測試儀的設(shè)置，實際上就無法做到自動測試，在智能化測試系統(tǒng)中就可以做到測試時按照相關(guān)要求自動來調(diào)整發(fā)射機和測試儀的設(shè)置，真正做到自動化的測試。

由于發(fā)射機的種類繁多，工作人員在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)了常用的FM發(fā)射機的控制命令，在測試前選擇相應(yīng)的發(fā)射機就可以自動匹配相應(yīng)的控制指令?？刂平涌诳梢允蔷W(wǎng)口、RS232、RS485，串口的波特率也可以設(shè)置。

在自動測試過程中，按照測試標準必須保證發(fā)射機調(diào)制度始終保持在100%，傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)只能控制音頻信源以1 dB的步進調(diào)整，但這就不能精確的控制發(fā)射機調(diào)制度到100%，這時就只能調(diào)整發(fā)射機。在智能化測試系統(tǒng)中可以通過測試儀和PC控制端的通信來控制音頻信源以0.1 dB的步進調(diào)整。

音頻信號發(fā)射器產(chǎn)生的并行音頻數(shù)據(jù)送入FPGA進行數(shù)據(jù)處理，按照PC控制端的指令以0.1dB的步進調(diào)整音頻幅度，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為I2S信號輸出，如圖8所示。

圖8 I2S時序圖

在實際的測試中，測試儀的檢波器不斷檢測調(diào)制度，低于75 kHz就調(diào)大音頻信源的輸出幅度來增加調(diào)制度，經(jīng)過0.1 dB的精確調(diào)整就可以保證發(fā)射機達到75 kHz調(diào)制度。在加重和去加重測試中，也需要控制每個頻點都達到100%調(diào)制，這個過程也需要調(diào)整發(fā)射機達到75 kHz調(diào)制度。

一個利用智能化測試系統(tǒng)的完整測試流程如下：PC控制端按照測試計劃或者手動選擇，開始FM發(fā)射機的測試，首先控制音頻信源切換，由正常節(jié)目切換到指標測試儀輸出的標準測試信號；然后控制RF切換器將射頻監(jiān)測信號切換到測試儀上后開始測試；測試時，首先調(diào)整測試儀頻率與發(fā)射機一致，然后根據(jù)輸入射頻信號大小調(diào)整輸入衰減器達到測試范圍。以上基本條件達到后，開始調(diào)整發(fā)射機調(diào)制度到100%、調(diào)整輸出阻抗、去加重狀態(tài)等設(shè)置。測試完成后，可以將測試結(jié)果保存在測試儀中、也可存儲到U盤內(nèi)或者直接上傳到PC控制端內(nèi)。

4 結(jié)語

本文介紹了調(diào)頻廣播的基本概念和各個測試指標的含義和測試方法，分析了3種測試系統(tǒng)并著重分析了智能化測試系統(tǒng)的優(yōu)點。