Transmisión de FM por transmisión de radio para transmitir señales de transmisión
I. Descripción general
El concepto de modulación de frecuencia (FM). FM es la principal forma de realizar la transmisión de sonido de alta fidelidad y la transmisión estéreo en los tiempos modernos. Transmite señales de audio en modo de modulación de frecuencia. La portadora de la onda FM cambia en la frecuencia central de la portadora a medida que cambia la señal de modulación de audio (la frecuencia central antes de la desmodulación) cambia en ambos lados, y los tiempos de cambio de desviación de frecuencia por segundo son consistentes con la frecuencia de modulación de la señal de audio . Si la frecuencia de la señal de audio es de 1 kHz, los tiempos de cambio de desviación de frecuencia de la portadora también son de 1k veces por segundo. El tamaño de la desviación de frecuencia depende de la amplitud de la señal de audio.
El concepto de FM estéreo, FM estéreo primero codifica las señales de dos frecuencias de audio (canales izquierdo y derecho) para obtener un conjunto de señales estéreo compuestas de baja frecuencia, y luego FM se realiza en la portadora de alta frecuencia. Stereo FM se divide en tres tipos: sistema de división de frecuencia (y sistema de diferencia), sistema de división de tiempo y sistema de señal direccional de acuerdo con diferentes métodos de procesamiento para estéreo. El sistema de suma diferencia se usa comúnmente ahora. El sistema de suma y diferencia está en el modulador estéreo, las señales del canal izquierdo (L) y derecho (R) se codifican primero para formar la señal de suma (L + R) y la señal de diferencia (LR), y la señal de suma es directamente enviada al modulador La portadora constituye la señal del canal principal para una escucha compatible con radio FM ordinaria; la señal de diferencia se envía al modulador balanceado para suprimir la modulación de amplitud de la portadora en la subportadora, y la onda de modulación de amplitud suprimida de banda lateral doble obtenida se utiliza como señal de subcanal, y luego se combina con la señal de suma Mix para modular la portadora principal. El rango de frecuencia de la señal del subcanal es de 23 a 53 kHz (38 ± 15 kHz), que pertenece al rango de súper audio y no interferirá con la reproducción mono. Dado que la subportadora de la onda AM del subcanal está suprimida, la radio estéreo no puede demodular directamente la señal de salida. Por lo tanto, una señal de 38 kHz con la misma frecuencia y fase que la subportadora del sistema de transmisión debe generarse en la radio que se va a demodular. Por esta razón, en el extremo de transmisión, en el intervalo entre el espectro de frecuencia del canal principal y el subcanal, se transmite otra señal piloto (PilotTone) de 19 kHz (frecuencia de subportadora 1/2) para "guiar" la subportadora regenerada de 38 kHz en la radio. Este método de modulación se denomina frecuencia piloto y también es el método de división de frecuencia más utilizado en la radiodifusión estéreo.
En consecuencia, para medir señales de FM y señales de FM estéreo, los siguientes parámetros se miden generalmente en el mundo.
1.1, ancho de banda ocupado
Según las recomendaciones de la UIT, la medición del ancho de banda de la señal se basa generalmente en el espectro utilizando dos métodos: "β% de ancho de banda ocupado" y "ancho de banda x-dB". El β% de ancho de banda ocupado se muestra en la Figura 1. El método de medición es contar primero la potencia total en el ancho de banda de monitoreo, y luego acumular la potencia de las líneas espectrales de ambos lados al centro en el espectro hasta que la potencia y el total potencia (β / 2)%, respectivamente definida como f1 y f2, el ancho de banda definido es igual a f2-f1; y el ancho de banda x-dB se muestra en la Figura 2. El método de medición es encontrar el pico o el punto más alto en el espectro primero, y luego desde el punto más alto a ambos lados Las dos líneas espectrales forman todas las líneas espectrales fuera de estas dos líneas espectrales al menos xdB más pequeñas que el punto más alto, y la diferencia de frecuencia correspondiente a las dos líneas espectrales es el ancho de banda.
En las recomendaciones de la UIT y de radio y televisión, β usualmente toma 99, y x usualmente toma 26, que es el 99% de ancho de banda de potencia y 26dB de ancho de banda que se dice a menudo.
Figura 2. Ancho de banda x-dB
1.2 Desviación de frecuencia
La desviación de frecuencia en la señal de FM se refiere a la amplitud de la oscilación de frecuencia de la onda de FM, que cambia con la fluctuación de la forma de onda de la información (o voz). La desviación de frecuencia generalmente medida por un instrumento o receptor en realidad se refiere a la desviación de frecuencia máxima dentro de un período de tiempo. La distribución y el tamaño de la desviación máxima de frecuencia determinan la calidad del sonido y el volumen del audio escuchado, lo que también determina la emisión de la radio FM. calidad.
El objetivo principal de este artículo es estudiar la calidad de transmisión de la radiodifusión FM, por lo que, de acuerdo con la descripción anterior, se debe prestar atención al índice de desplazamiento de frecuencia.
El UIT-R tiene una descripción detallada de la medición de la desviación de frecuencia de la señal de FM:
El método de medición de la desviación de frecuencia consiste en tomar un período de tiempo (la duración recomendada es de 50 ms) para medir la desviación de frecuencia en relación con la portadora en cada punto de muestreo, y el valor máximo es la desviación de frecuencia máxima. Pero para tener una comprensión más profunda del desplazamiento de frecuencia, se puede utilizar un histograma estadístico actualizado con el tiempo para expresar las características de la señal. El método de cálculo del histograma de la desviación de frecuencia es el siguiente:
1). Mida las N desviaciones de frecuencia máxima con un período de 50 ms. La duración del período de medición afectará significativamente al histograma, por lo que se requiere un período de medición fijo para garantizar la repetibilidad de los resultados de la medición. Al mismo tiempo, la selección de 50 ms como período de medición puede garantizar que la desviación máxima de frecuencia se pueda medir de forma eficaz cuando la frecuencia de modulación sea tan baja como 20 Hz.
2). Divida el rango de desviación de frecuencia que debe contarse (0 ～ 150 kHz en este artículo), usando 1 kHz (resolución) como unidad, y divídalo en partes iguales (en este artículo, 150 partes iguales).
3). En cada alícuota, cuente el número de puntos en el valor de frecuencia correspondiente, y la forma de onda obtenida debe ser aproximadamente como se muestra en la Figura 3 (es decir, histograma de distribución de desplazamiento de frecuencia), donde el eje X representa la frecuencia y el eje Y representa la frecuencia máxima. El número de puntos que caen en el valor de frecuencia correspondiente.
Figura 3. Histograma de distribución de desplazamiento de frecuencia
4). Acumule el número de puntos en cada alícuota y normalice N con un porcentaje como unidad para obtener el gráfico que se muestra en la Figura 4 (es decir, el histograma de la distribución acumulada de la desviación de frecuencia), donde el eje X representa la frecuencia y el eje Y representa la probabilidad de que la desviación de frecuencia máxima se encuentre dentro del rango de frecuencia del valor de frecuencia correspondiente. La probabilidad comienza en el 100% en el extremo izquierdo y termina en el 0% en el extremo derecho
Figura 4. Histograma de distribución acumulada de desplazamiento de frecuencia
Al mismo tiempo, el UIT-R proporciona una especificación de referencia (SM1268) para la distribución acumulativa de la desviación máxima de frecuencia, como se muestra en la Figura 5.
Figura 5. Especificación de referencia para la distribución acumulativa de la desviación máxima de frecuencia
La especificación establece que: el porcentaje estadístico de distribución de compensación de frecuencia superior a 75 kHz no supera el 22%, el porcentaje estadístico de distribución de compensación de frecuencia superior a 80 kHz no supera el 12% y el porcentaje estadístico de distribución de compensación de frecuencia superior a 85 kHz no supera el 8% superar el XNUMX%.
Basándose en la teoría anterior, se puede saber que la calidad de transmisión de las señales de FM está relacionada con la magnitud de la desviación de la frecuencia de la portadora de FM después de que se modula la señal de audio original. Medir y mejorar la distribución acumulativa de la máxima desviación de frecuencia ayudará a mejorar la calidad de transmisión de las señales de FM.
2. Base de hardware
Este artículo utiliza un receptor de monitoreo de transmisión modular que utiliza la tecnología avanzada de monitoreo de radio actual y cumple con las especificaciones de la UIT. El receptor consta de un módulo receptor de radio digital de alta gama y el último procesador integrado. La arquitectura de radio definida por software y el bus de datos de alta velocidad garantizan la escalabilidad y la velocidad de prueba del receptor. El receptor demodula y mide las señales de FM de acuerdo con los estándares del Sector de Radiocomunicaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT-R) y los manuales de monitoreo del espectro, y proporciona funciones de análisis de banda base y audio específicamente para aplicaciones de monitoreo de transmisión. Los parámetros característicos específicos son los siguientes:
Ancho de banda ocupado (Ancho de banda ocupado
Compensación de portadora (CarrierOffset)
Poder en banda (PowerinBand)
Desviación máxima de FM (desviación máxima de FM)
Desviación de frecuencia máxima de la señal del canal principal (Desviación de frecuencia máxima del canal principal (L + R))
La desviación de frecuencia máxima de la señal piloto (desviación de frecuencia máxima del pilotono)
La desviación de frecuencia máxima de la señal del subcanal (Desviación de frecuencia máxima del subcanal (LR)) La estructura y el diagrama de bloques del principio del equipo receptor de monitoreo de transmisión se muestran en la Figura 6. El módulo receptor de radio digital se instala en un chasis con un bus de datos de alta velocidad y un estructura industrial reforzada. El controlador integrado de este receptor utiliza un procesador de alta velocidad, que es responsable de controlar el módulo receptor y procesar los datos recopilados.
Figura 6. Diagrama de bloques de la estructura del receptor de monitoreo de transmisión
El módulo de recepción de radio digital incluye dos submódulos: módulo de conversión de RF y módulo de adquisición de frecuencia intermedia de alta velocidad.
El módulo de conversión descendente de RF convierte la banda de frecuencia de RF de interés en una señal de frecuencia intermedia y luego transmite la señal de frecuencia intermedia al módulo de adquisición de frecuencia intermedia de alta velocidad.
El núcleo del módulo de adquisición de FI de alta velocidad es un ADC (convertidor de analógico a digital) de alta velocidad y un chip de conversión descendente digital dedicado que proporciona funciones de procesamiento de hardware. El procesamiento de conversión descendente digital extrae señales de banda ancha en tiempo real y las convierte a banda base, que es adecuada para capturar señales de transmisión, señales inalámbricas y otras señales de comunicación. El procesamiento de conversión descendente digital también puede convertir la forma de onda de la señal de frecuencia intermedia recopilada en una salida de datos de señal compleja I / Q. El módulo de adquisición de frecuencia intermedia de alta velocidad utiliza un chip dedicado de alta velocidad patentado para la transmisión de datos y transmite datos al controlador a través de DMA, lo que reduce la carga de la CPU del controlador, lo que le permite concentrarse en completar análisis y procesamiento avanzados, visualización gráfica y el intercambio de datos. . Como se muestra en la Figura 7:
Figura 7. Arquitectura del módulo receptor de radio digital
El módulo de conversión descendente de RF primero atenúa la señal según lo especificado por el usuario, pasa el filtro de onda acústica de superficie para filtrar la frecuencia de la imagen después de la conversión ascendente, y luego realiza una conversión descendente de varias etapas y finalmente emite una señal de frecuencia intermedia . El módulo de conversión descendente de RF utiliza un oscilador de cristal de temperatura constante de alta precisión y alta estabilidad como reloj de referencia del sistema para proporcionar una precisión de frecuencia extremadamente alta.
Para facilitar el empaquetado compacto, el módulo utiliza un micro oscilador YIG de alto rendimiento para generar la señal del oscilador local de alta frecuencia requerida para la etapa de conversión ascendente. El oscilador YIG es un tipo de oscilador que puede generar señales de alta frecuencia muy puras y, a menudo, es muy grande. El módulo de conversión descendente de RF en el equipo utiliza una tecnología innovadora en este campo y utiliza un oscilador YIG muy pequeño en el diseño. El oscilador YIG se puede sintonizar en una banda de frecuencia específica, lo que permite a los usuarios establecer la frecuencia requerida por el módulo de conversión descendente de RF. La planificación de frecuencia integral y la arquitectura de conversión de frecuencia de múltiples etapas del módulo de conversión descendente de RF garantizan las excelentes características de baja respuesta espúrea y gran rango dinámico del instrumento. Como se muestra en la Figura 8:
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Figura 8. Arquitectura del módulo de conversión descendente de RF
Este artículo analiza la relación entre la calidad de la transmisión de radiodifusión de FM y la distribución acumulada de la desviación de frecuencia, comenzando por ajustar el procesador de audio del transmisor, utilizando la estación A (incluido el procesador de audio A y el transmisor A) y la estación B (incluido el procesador de audio B y transmisor Máquina B) Para comparar muestras, se diseñan los siguientes experimentos.
Este experimento mejora principalmente la distribución acumulativa de la desviación de frecuencia de la señal de FM ajustando el procesador de audio para verificar su relación con la calidad de la transmisión de radiodifusión de FM.
3.2, prueba
El experimento utiliza el archivo de audio de un determinado programa de transmisión, lo procesa a través de los procesadores de audio A y B y los transmite a los transmisores A y B para su transmisión al mismo tiempo. Los dos transmisores utilizan la misma configuración. El receptor de monitoreo de radio se usó para registrar las señales de radiofrecuencia de los transmisores A y B respectivamente, y las señales registradas se usaron para el análisis estadístico de la desviación de frecuencia máxima de la señal de FM de acuerdo con el estándar ITU-RSM.1268.1. La descripción del proceso del experimento de análisis se muestra en la Figura 9. El resultado se muestra en la Figura 10
Figura 9. Proceso de prueba
Figura 10. Diagrama de distribución de la desviación de frecuencia acumulada
A partir de la distribución estadística de la desviación de frecuencia obtenida del experimento, para el mismo archivo de audio, la desviación de frecuencia de la señal de la estación A se distribuye principalmente de 10kHz-95% a 35kHz-5% en una curva de media campana, y la frecuencia de la señal La desviación de la estación B es principalmente La distribución muestra una curva de media campana de 10 kHz-95% a 75 kHz-95%. Las señales en el dominio del tiempo de las dos estaciones muestran diferentes características de distribución de probabilidad. Por el contrario, el desplazamiento de frecuencia de la señal de la estación B es mayor.
Desde el punto de vista de la escucha, la calidad de audio de la estación B es mejor que la de la estación A, y el volumen es más alto, es decir, la calidad de transmisión es mejor.
3.3, depuración
Dado que los archivos de audio transmitidos a los dos procesadores de audio son los mismos, la configuración de los dos transmisores también es la misma, pero la distribución de desplazamiento de frecuencia de la señal de la estación A y la estación B es diferente, lo que indica que los procesadores de audio de las dos estaciones son diferentes. diferente. La amplitud de la desviación de frecuencia de la señal del mismo archivo de audio procesado por el procesador de audio A es relativamente pequeña, lo que indica que la configuración del procesador de audio A no ha alcanzado el estándar ITU-RSM1268.1. Por lo tanto, después de ajustar el procesador de audio A según el estándar recomendado, teóricamente se puede lograr una calidad de transmisión más alta. Por este motivo, se diseñó el siguiente experimento de verificación.
3.4, verificación
Un programa de transmisión es procesado por el procesador de audio A y luego transmitido al transmisor A para su transmisión. El ingeniero ajusta el procesador de audio A bajo la condición de transmisión ininterrumpida. El receptor de monitoreo de radio recibe la señal de radiofrecuencia de la estación A y sigue el estándar ITU-RSM.1268.1 para realizar un análisis estadístico de la desviación de frecuencia máxima de la señal de FM y comparar los datos antes y después de ajustar el procesador de audio A. La descripción de el experimento de verificación se muestra en la Figura 11.
Figura 11. Proceso de prueba
Figura 12. Distribución de la desviación de frecuencia acumulada
A partir de la distribución estadística de la desviación de frecuencia, para la misma fuente de programa, la desviación de la frecuencia de la señal antes del ajuste se distribuye principalmente de 25kHz-95% a 45kHz-5% en una curva de media campana, y la desviación de frecuencia de la señal después del ajuste se distribuye principalmente desde 45kHz-95%. Muestra una curva de media campana a 55 KHz-95%. Por el contrario, el valor de compensación de frecuencia de la señal ajustada es mayor y la distribución es más completa. Desde una perspectiva auditiva, la calidad del sonido y el volumen ajustados mejoran significativamente en comparación con antes.
Cuatro, conclusión del experimento de verificación
En el caso de la misma fuente de programa, ajustando el nivel de salida de referencia del procesador de audio, se puede mejorar la distribución de compensación de frecuencia para hacerla más completa y el valor de compensación de frecuencia es mayor.
Para la misma fuente de audio, la distribución de desviación de frecuencia máxima después de la modulación de FM puede afectar el volumen y la saturación del sonido demodulado. Al ajustar la configuración de los parámetros del procesador de audio, la señal de FM está más en línea con la especificación ITU-R, lo que puede hacer que el sonido de escucha sea más fuerte y completo. Por lo tanto, el uso de equipos de monitoreo de transmisión para detectar parámetros de transmisión de FM y ajustar el equipo en el enlace de transmisión de acuerdo con el estándar ITU-R para estos parámetros puede obtener una mayor calidad de transmisión.
Esto también muestra que el uso de equipos de monitoreo de transmisión para monitorear la transmisión de FM es un medio eficaz para garantizar la calidad de la transmisión de transmisión de FM.
V. Perspectiva
El receptor de monitoreo de transmisión basado en la arquitectura de radio de software utilizado en este artículo es un dispositivo de adquisición de un solo canal con relativamente pocos parámetros de prueba, y se requiere un análisis manual después de la adquisición, que es relativamente ineficiente. Con el desarrollo y progreso de la ciencia y la tecnología, combinado con los problemas encontrados en el experimento, se proponen algunas perspectivas para el futuro equipo de monitoreo y recepción de transmisiones FM:
1. Grabación en tiempo real de señales de transmisión de FM de banda completa de 87MHz a 108MHz.
2. Equipado con una matriz de discos de gran capacidad, que puede grabar las XNUMX horas del día y realizar funciones avanzadas como la grabación de tiempo.
3. Se puede controlar de forma remota para realizar funciones tales como supervisión desatendida, análisis automático y generación de informes.
4. Apoye la base de datos, que puede reproducir el espectro de frecuencias y la frecuencia de audio en cualquier momento y en cualquier frecuencia.
5. La configuración diversificada del sistema puede satisfacer las necesidades de diferentes clientes.
6. El diseño modular de software y hardware es conveniente para la expansión del sistema y el desarrollo secundario.
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