방송 신호를 전송하는 라디오 전송에 의한 FM 방송
I. 개요
주파수 변조(FM)의 개념. FM은 현대에 고음질 방송과 스테레오 방송을 구현하는 주요 방식입니다. 주파수 변조 모드에서 오디오 신호를 전송합니다. FM파의 반송파는 오디오 변조 신호가 변화함에 따라 반송파의 중심 주파수(무변조 전 중심 주파수)가 양쪽에서 변화하며 초당 주파수 편차 변화 횟수는 오디오 신호의 변조 주파수와 일치한다. . 오디오 신호의 주파수가 1kHz라면 반송파의 주파수 편차 변화 횟수도 초당 1k번이다. 주파수 편차의 크기는 오디오 신호의 진폭에 따라 다릅니다.
스테레오 FM의 개념인 스테레오 FM은 먼저 두 개의 오디오 주파수(왼쪽 및 오른쪽 채널)의 신호를 인코딩하여 저주파 복합 스테레오 신호 세트를 얻은 다음 고주파 캐리어에서 FM을 수행합니다. 스테레오 FM은 스테레오 처리 방식에 따라 주파수 분할 방식(및 차등 방식), 시분할 방식, 지향성 신호 방식의 23가지로 분류된다. 합계 차이 시스템은 현재 일반적으로 사용됩니다. 합계 및 차 시스템은 스테레오 변조기에 있으며 왼쪽(L) 및 오른쪽(R) 채널 신호는 먼저 합 신호(L+R) 및 차 신호(LR)를 형성하기 위해 인코딩되며 합 신호는 직접 변조기로 전송 캐리어는 일반 FM 라디오와 호환되는 청취를 위한 기본 채널 신호를 구성합니다. 차 신호는 부반송파의 반송파 진폭 변조를 억제하기 위해 평형 변조기에 보내지고, 획득된 양측파대 억제 진폭 변조 파는 부채널 신호로 사용된 다음 합 신호 Mix와 결합되어 주 반송파를 변조합니다. 하위 채널 신호의 주파수 범위는 53~38kHz(15±38kHz)로 슈퍼 오디오 범위에 속하며 모노 재생을 방해하지 않습니다. 하위 채널 AM 파의 하위 반송파가 억제되기 때문에 스테레오 라디오는 나가는 신호를 직접 복조할 수 없습니다. 따라서 복조할 무선에는 송신 시스템의 부반송파와 동일한 주파수와 위상을 갖는 19kHz 신호가 생성되어야 한다. 이러한 이유로 송신단에서 메인 채널과 서브 채널 주파수 스펙트럼 사이의 간격에서 또 다른 1kHz(2/38 부반송파 주파수) 파일럿 신호(PilotTone)가 전송되어 라디오에서 XNUMXkHz 재생성 부반송파를 "안내"합니다. 이 변조 방식을 파일럿 주파수라고 하며 스테레오 방송에서 가장 널리 사용되는 주파수 분할 방식이기도 하다.
이에 따라 FM 신호 및 스테레오 FM 신호를 측정하기 위해 일반적으로 다음 매개 변수가 세계에서 측정됩니다.
1.1, 점유 대역폭
ITU 권장 사항에 따르면 신호 대역폭 측정은 일반적으로 "β% 점유 대역폭" 및 "x-dB 대역폭"의 두 가지 방법을 사용하는 스펙트럼을 기반으로 합니다. β% 점유 대역폭은 그림 1에 나와 있습니다. 측정 방법은 먼저 모니터링 대역폭의 총 전력을 계산한 다음 전력과 총 전력이 될 때까지 스펙트럼의 양쪽에서 중간까지 스펙트럼 라인의 전력을 누적하는 것입니다. f2 및 f1로 각각 정의된 전력(β/2)%, 정의된 대역폭은 f2-f1과 동일합니다. x-dB 대역폭은 그림 2에 나와 있습니다. 측정 방법은 먼저 스펙트럼에서 피크 또는 가장 높은 지점을 찾은 다음 가장 높은 지점에서 양쪽으로 두 개의 스펙트럼 선이 이 두 외부의 모든 스펙트럼 선을 만듭니다. 가장 높은 지점보다 최소 xdB 작은 스펙트럼 라인과 두 스펙트럼 라인에 해당하는 주파수 차이가 대역폭입니다.
ITU 및 라디오 및 TV 권장 사항에서 β는 일반적으로 99, x는 일반적으로 26이 걸리는데 이는 종종 말하는 99% 전력 대역폭과 26dB 대역폭입니다.
그림 2. x-dB 대역폭
1.2 주파수 편차
FM 신호의 주파수 편차는 정보(또는 음성) 파형의 변동에 따라 변하는 FM 파동의 주파수 스윙 진폭을 말합니다. 일반적으로 계측기 또는 수신기에서 측정되는 주파수 편차는 실제로 일정 기간 내의 최대 주파수 편차를 나타냅니다. 최대 주파수 편차의 분포와 크기는 들리는 오디오의 음질과 볼륨을 결정하며 FM 라디오의 방출도 결정합니다. 품질.
이 글의 주된 목적은 FM 방송의 전송 품질을 연구하는 것이므로 위의 설명에 따라 주파수 오프셋 지수에 주의해야 합니다.
ITU-R에는 FM 신호 주파수 편차 측정에 대한 자세한 설명이 있습니다.
주파수 편차 측정 방법은 일정 시간(권장 시간 길이는 50ms)을 두고 각 샘플링 지점에서 반송파에 대한 상대적인 주파수 편차를 측정하는 것이며 최대값은 최대 주파수 편차입니다. 그러나 주파수 오프셋을 더 깊이 이해하기 위해 시간이 지남에 따라 업데이트되는 통계 히스토그램을 사용하여 신호 특성을 표현할 수 있습니다. 주파수 편차의 히스토그램 계산 방법은 다음과 같습니다.
1). 50ms 주기로 N개의 최대 주파수 편차를 측정합니다. 측정 기간의 길이는 히스토그램에 상당한 영향을 미치므로 측정 결과의 반복성을 보장하기 위해 고정된 측정 기간이 필요합니다. 동시에 측정 주기로 50ms를 선택하면 변조 주파수가 20Hz 정도로 낮을 때 최대 주파수 편차를 효과적으로 측정할 수 있습니다.
2). 0kHz(해상도)를 단위로 하여 카운트해야 하는 주파수 편차 범위(본고에서는 150～1kHz)를 등분(본고에서는 150등분)한다.
삼). 각 분취물에서 해당 주파수 값의 포인트 수를 세고 얻은 파형은 대략 그림 3(즉, 주파수 오프셋 분포 히스토그램)과 같아야 합니다. 여기서 X축은 주파수를 나타내고 Y축은 주파수를 나타냅니다. 최대 주파수. 해당 빈도 값에 해당하는 포인트 수입니다.
그림 3. 주파수 오프셋 분포의 히스토그램
4). 각 분취량의 포인트 수를 누적하고 백분율을 단위로 N을 정규화하여 그림 4와 같은 그래프(즉, 빈도 편차의 누적 분포 히스토그램)를 얻습니다. 여기서 X축은 빈도를 나타내고 Y축은 최대 주파수 편차가 해당 주파수 값의 주파수 범위에 속할 확률을 나타냅니다. 확률은 맨 왼쪽에서 100%에서 시작하여 맨 오른쪽에서 0%로 끝납니다.
그림 4. 주파수 오프셋 누적 분포의 히스토그램
동시에 ITU-R은 그림 1268와 같이 최대 주파수 편차의 누적 분포에 대한 참조 사양(SM5)을 제공합니다.
그림 5. 최대 주파수 편차의 누적 분포에 대한 참조 사양
사양은 75kHz보다 큰 주파수 오프셋 분포의 통계적 백분율이 22%를 초과하지 않고, 80kHz보다 큰 주파수 오프셋 분포의 통계적 백분율이 12%를 초과하지 않으며, 85kHz보다 큰 주파수 오프셋 분포의 통계적 백분율이 8%를 초과합니다.
위의 이론을 바탕으로 FM 신호의 전송 품질은 원래 오디오 신호가 변조된 후 FM 반송파 주파수 편차의 크기와 관련이 있음을 알 수 있습니다. 최대 주파수 편차의 누적 분포를 측정하고 개선하면 FM 신호의 전송 품질을 개선하는 데 도움이 됩니다.
2. 하드웨어 기반
이 기사에서는 현재 고급 무선 모니터링 기술을 사용하고 ITU 사양을 준수하는 모듈식 방송 모니터링 수신기를 사용합니다. 수신기는 고급 디지털 라디오 수신 모듈과 최신 임베디드 프로세서로 구성됩니다. 소프트웨어 정의 무선 아키텍처와 고속 데이터 버스는 수신기의 확장성과 테스트 속도를 보장합니다. 이 수신기는 ITU-R(International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) 표준 및 스펙트럼 모니터링 매뉴얼에 따라 FM 신호를 복조 및 측정하고 특히 방송 모니터링 애플리케이션을 위한 오디오 및 베이스밴드 분석 기능을 제공합니다. 특정 특성 매개변수는 다음과 같습니다.
점유 대역폭(OccupiedBandwidth
반송파 오프셋(CarrierOffset)
파워 인 밴드(PowerinBand)
FM 최대 편차(FMMaximumDeviation)
메인 채널 신호의 최대 주파수 편차(Maximum frequencydeviationofmainchannel(L+R))
파일럿 신호의 최대 주파수 편차(Maximum frequencydeviation of thepilottone)
부채널 신호의 최대 주파수 편차(Maximumfrequencydeviationofsubchannel(LR)) 방송감시 수신장치의 구조 및 원리 블록도는 그림 6과 같다. 디지털 라디오 수신 모듈은 고속 데이터 버스와 산업용 강화 프레임. 이 수신기의 내장 컨트롤러는 수신 모듈을 제어하고 수집된 데이터를 처리하는 고속 프로세서를 사용합니다.
그림 6. 방송 모니터링 수신기 구조의 블록 다이어그램
디지털 무선 수신 모듈에는 RF 하향 변환 모듈과 고속 중간 주파수 획득 모듈의 두 가지 하위 모듈이 포함됩니다.
RF 하향 변환 모듈은 관심 RF 주파수 대역을 중간 주파수 신호로 하향 변환한 후 중간 주파수 신호를 고속 중간 주파수 획득 모듈로 전송합니다.
고속 IF 획득 모듈의 핵심은 고속 ADC(아날로그-디지털 변환기)와 하드웨어 처리 기능을 제공하는 전용 디지털 다운 변환 칩입니다. 디지털 하향 변환 처리는 광대역 신호를 실시간으로 추출하여 방송 신호, 무선 신호 및 기타 통신 신호 캡처에 적합한 베이스밴드로 하향 변환합니다. 디지털 하향 변환 처리는 수집된 중간 주파수 신호 파형을 I/Q 복합 신호 데이터 출력으로 변환할 수도 있습니다. 고속 중간 주파수 수집 모듈은 데이터 전송을 위해 특허받은 고속 전용 칩을 사용하고 DMA를 통해 컨트롤러에 데이터를 전송하여 컨트롤러 CPU 부하를 줄여 고급 분석 및 처리, 그래픽 디스플레이 및 데이터 교환. . 그림 7과 같이:
그림 7. 디지털 라디오 수신기 모듈 아키텍처
RF 하향 변환 모듈은 먼저 사용자가 지정한 신호를 감쇠시키고 표면 탄성파 필터를 통과시켜 상향 변환 후 이미지 주파수를 필터링한 다음 다단계 하향 변환을 수행하고 마지막으로 중간 주파수 신호를 출력합니다. . RF 하향 변환 모듈은 매우 높은 주파수 정확도를 제공하기 위해 시스템 기준 클록으로 고정밀 및 고안정성 항온 수정 발진기를 사용합니다.
소형 패키징을 용이하게 하기 위해 이 모듈은 고성능 마이크로 YIG 발진기를 사용하여 상향 변환 단계에 필요한 고주파 국부 발진기 신호를 생성합니다. YIG 발진기는 매우 순수한 고주파 신호를 생성할 수 있는 일종의 발진기이며 종종 매우 큽니다. 장비의 RF 하향 변환 모듈은 이 분야의 획기적인 기술을 활용하고 설계에 매우 작은 YIG 발진기를 사용합니다. YIG 발진기는 지정된 주파수 대역으로 조정될 수 있으므로 사용자는 RF 다운컨버전 모듈에 필요한 주파수를 설정할 수 있습니다. RF 하향 변환 모듈의 포괄적인 주파수 계획 및 다단계 주파수 변환 아키텍처는 계측기의 낮은 스퓨리어스 응답 및 넓은 동적 범위의 탁월한 특성을 보장합니다. 그림 8과 같이:
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그림 8. RF 하향 변환 모듈 아키텍처
본 논문은 국 A(오디오 프로세서 A와 송신기 A 포함)와 국 B(오디오 프로세서 B 포함)를 사용하여 송신기의 오디오 프로세서 조정을 시작으로 FM 방송 전송 품질과 주파수 편차의 누적 분포 사이의 관계를 분석한다. 송신기 기계 B) 샘플을 비교하기 위해 다음 실험이 설계되었습니다.
이 실험은 주로 오디오 프로세서를 조정하여 FM 방송 전송 품질과의 관계를 검증함으로써 FM 신호의 주파수 편차 누적 분포를 개선합니다.
3.2, 테스트
실험은 특정 방송 프로그램의 오디오 파일을 사용하여 오디오 프로세서 A와 B를 통해 처리하고 송신기 A와 B로 동시에 전송하여 전송합니다. 두 송신기는 동일한 설정을 사용합니다. 무선 모니터링 수신기는 송신기 A와 송신기 B 각각의 무선 주파수 신호를 기록하는 데 사용되었으며 기록된 신호는 ITU-RSM.1268.1 표준에 따라 FM 신호의 최대 주파수 편차의 통계 분석에 사용되었습니다. 분석 실험 과정에 대한 설명은 그림 9와 같다. 결과는 그림 10과 같다.
그림 9. 테스트 프로세스
그림 10. 누적 주파수 편차 분포도
실험에서 얻은 주파수 편차의 통계적 분포로부터, 동일한 오디오 파일에 대해 스테이션 A의 신호 주파수 편차는 주로 10kHz-95%에서 35kHz-5%까지 하프 벨 곡선으로 분포하고, 신호 주파수는 스테이션 B의 편차는 주로 분포가 10kHz-95%에서 75KHz-95%까지 하프 벨 곡선을 나타냅니다. 두 스테이션의 시간 도메인 신호는 서로 다른 확률 분포 특성을 나타냅니다. 반대로 스테이션 B의 신호 주파수 오프셋은 더 큽니다.
청취 관점에서 볼 때 스테이션 B의 오디오 품질은 스테이션 A보다 좋고 볼륨이 더 큽니다. 즉, 전송 품질이 더 좋습니다.
3.3, 디버깅
두 오디오 프로세서로 전송되는 오디오 파일이 동일하기 때문에 두 송신기의 설정도 동일하지만 스테이션 A와 스테이션 B의 신호 주파수 오프셋 분포가 다르므로 두 스테이션의 오디오 프로세서가 서로 일치하지 않음을 나타냅니다. 다른. 오디오 프로세서 A에서 처리한 동일한 오디오 파일의 신호 주파수 편차 진폭은 상대적으로 작으며 이는 오디오 프로세서 A의 설정이 ITU-RSM1268.1 표준에 도달하지 않았음을 나타냅니다. 따라서 권장 표준에 따라 오디오 프로세서 A를 조정하면 이론적으로 더 높은 전송 품질을 얻을 수 있습니다. 이를 위해 다음과 같은 검증 실험을 설계하였다.
3.4, 검증
방송 프로그램은 오디오 프로세서 A에 의해 처리된 다음 전송을 위해 송신기 A로 전송됩니다. 엔지니어는 중단 없는 전송 조건에서 오디오 프로세서 A를 조정합니다. 무선 모니터링 수신기는 스테이션 A의 무선 주파수 신호를 수신하고 ITU-RSM.1268.1 표준을 따라 FM 신호의 최대 주파수 편차에 대한 통계 분석을 수행하고 오디오 프로세서 A를 조정하기 전과 후의 데이터를 비교합니다. 설명 검증 실험은 그림 11에 나와 있습니다.
그림 11. 테스트 프로세스
그림 12. 누적 주파수 편차 분포
주파수편차의 통계적 분포로부터, 동일한 프로그램 소스에 대해 조정 전의 신호주파수편차는 주로 25kHz-95%에서 45kHz-5%까지 하프벨곡선으로 분포하고, 조정 후의 신호주파수편차는 주로 분포한다. 45kHz-95%에서. 55KHz-95%까지 하프 벨 곡선을 보여줍니다. 반대로 조정된 신호 주파수 오프셋 값은 더 크고 분포가 더 완전합니다. 청취 관점에서 조정된 음질과 볼륨이 이전에 비해 크게 향상되었습니다.
넷, 검증 실험 결론
동일한 프로그램 소스의 경우 오디오 프로세서의 기준 출력 레벨을 조정하여 주파수 오프셋 분포를 개선하여 더 풍부하게 만들고 주파수 오프셋 값을 더 크게 할 수 있습니다.
동일한 오디오 소스에 대해 FM 변조 후 최대 주파수 편차 분포는 복조된 사운드의 볼륨 및 채도에 영향을 줄 수 있습니다. 오디오 프로세서의 매개변수 설정을 조정하면 FM 신호가 ITU-R 사양과 더 일치하여 청취 사운드를 더 크고 풍부하게 만들 수 있습니다. 따라서 방송 모니터링 장비를 사용하여 FM 방송 매개변수를 감지하고 이러한 매개변수에 대한 ITU-R 표준에 따라 방송 링크의 장비를 조정하면 더 높은 전송 품질을 얻을 수 있습니다.
이것은 또한 FM 방송을 모니터링하기 위해 방송 모니터링 장비를 사용하는 것이 FM 방송 전송의 품질을 보장하는 효과적인 수단임을 보여줍니다.
V. 전망
이 기사에서 사용된 소프트웨어 무선 아키텍처를 기반으로 하는 방송 모니터링 수신기는 테스트 매개변수가 상대적으로 적은 단일 채널 수집 장치이며 수집 후 수동 분석이 필요하므로 상대적으로 비효율적입니다. 과학 기술의 발전과 진보에 따라 실험에서 직면한 문제와 결합하여 미래의 FM 방송 모니터링 및 수신 장비에 대한 몇 가지 전망이 제안되었습니다.
1. 87MHz ~ 108MHz의 풀 밴드 FM 방송 신호를 실시간으로 녹음합니다.
2. XNUMX시간 녹화할 수 있고 타이밍 녹화와 같은 고급 기능을 실현할 수 있는 대용량 디스크 어레이를 갖추고 있습니다.
3. 무인 모니터링, 자동 분석 및 보고서 생성과 같은 기능을 실현하기 위해 원격으로 제어할 수 있습니다.
4. 언제 어디서나 주파수 스펙트럼과 오디오 주파수를 재생할 수 있는 데이터베이스를 지원합니다.
5. 다양한 시스템 구성은 다양한 고객의 요구를 충족시킬 수 있습니다.
6. 소프트웨어와 하드웨어의 모듈식 설계는 시스템 확장 및 XNUMX차 개발에 편리합니다.
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