라디오 전송으로 방송 신호를 전송하는 FM 방송

라디오 전송에 의한 FM 방송으로 방송 신호 전송

I. 개요
주파수 변조 (FM)의 개념. FM은 현대에 고음질 방송과 스테레오 방송을 실현하는 주된 방법입니다. 주파수 변조 모드에서 오디오 신호를 전송합니다. FM 파의 반송파는 오디오 변조 신호가 변경됨에 따라 반송파의 중심 주파수에서 변경됩니다 (변조되지 않은 중심 주파수)는 양쪽에서 변경되고 초당 주파수 편차 변경 시간은 오디오 신호의 변조 주파수와 일치합니다. . 오디오 신호의 주파수가 1kHz이면 반송파의 주파수 편차 변경 시간도 초당 1k 회입니다. 주파수 편차의 크기는 오디오 신호의 진폭에 따라 다릅니다.
스테레오 FM의 개념 인 스테레오 FM은 먼저 두 오디오 주파수 (왼쪽 및 오른쪽 채널)의 신호를 인코딩하여 저주파 복합 스테레오 신호 세트를 얻은 다음 FM이 고주파 반송파에서 수행됩니다. 스테레오 FM은 스테레오에 대한 다양한 처리 방법에 따라 주파수 분할 시스템 (및 차분 시스템), 시분할 시스템, 지향성 신호 시스템의 세 가지 유형으로 나뉩니다. 합계 차이 시스템은 현재 일반적으로 사용됩니다. 합과 차이 시스템은 스테레오 변조기에 있으며, 왼쪽 (L) 및 오른쪽 (R) 채널 신호는 먼저 인코딩되어 합 신호 (L + R)와 차이 신호 (LR)를 형성하며 합 신호는 직접 변조기로 전송 됨 반송파는 일반 FM 라디오와 호환되는 청취를위한 주 채널 신호를 구성합니다. 차분 신호는 평형 변조기로 전송되어 부반송파에서 반송파 진폭 변조를 억제하고 획득 한 이중 측 파대 억제 진폭 변조 파를 부 채널 신호로 사용하고 합 신호 Mix와 결합하여 주 반송파를 변조합니다. 서브 채널 신호의 주파수 범위는 23 ~ 53kHz (38 ± 15kHz)로 슈퍼 오디오 범위에 속하며 모노 재생을 방해하지 않습니다. 서브 채널 AM 파의 서브 캐리어가 억제되기 때문에 스테레오 라디오는 나가는 신호를 직접 복조 할 수 없습니다. 따라서 복조 할 무선에서 송신 시스템의 부반송파와 동일한 주파수 및 위상을 가진 38kHz 신호를 생성해야합니다. 이러한 이유로 송신단에서 메인과 서브 채널 주파수 스펙트럼 사이의 간격에서 또 다른 19kHz (1/2 서브 캐리어 주파수) 파일럿 신호 (PilotTone)가 라디오에서 38kHz 재생 된 서브 캐리어를 "안내"하기 위해 전송됩니다. 이러한 변조 방식을 파일럿 주파수라고하며, 스테레오 방송에서 가장 널리 사용되는 주파수 분할 방식입니다.
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 사용하여 스펙트럼을 기반으로합니다. β % 점유 대역폭은 그림 1에 나와 있습니다. 측정 방법은 먼저 모니터링 대역폭에서 총 전력을 계산 한 다음 스펙트럼의 양쪽에서 중간까지 스펙트럼 라인의 전력을 전력과 총계까지 누적하는 것입니다. 전력 (β / 2) %, 각각 f1 및 f2로 정의되며, 정의 된 대역폭은 f2-f1과 같습니다. x-dB 대역폭은 그림 2에 나와 있습니다. 측정 방법은 먼저 스펙트럼에서 피크 또는 가장 높은 지점을 찾은 다음 가장 높은 지점에서 양쪽으로 이동하는 것입니다. 두 개의 스펙트럼 라인은이 두 라인 외부의 모든 스펙트럼 라인을 만듭니다. 스펙트럼 라인은 가장 높은 지점보다 적어도 xdB 작으며 두 스펙트럼 라인에 해당하는 주파수 차이는 대역폭입니다.
ITU 및 라디오 및 TV 권장 사항에서 β는 일반적으로 99를, x는 일반적으로 26을 사용합니다. 이는 흔히 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 변화하는 FM 파의 주파수 스윙 진폭을 나타냅니다. 일반적으로 기기 또는 수신기에서 측정되는 주파수 편차는 실제로 일정 기간 내의 최대 주파수 편차를 나타냅니다. 최대 주파수 편차의 분포와 크기에 따라 들리는 오디오의 음질과 볼륨이 결정되며 FM 라디오의 방출도 결정됩니다. 품질.
이 기사의 주요 목적은 FM 방송의 전송 품질을 연구하는 것이므로 위의 설명에 따라 주파수 오프셋 지수에 주목해야합니다.
ITU-R에는 FM 신호 주파수 편차 측정에 대한 자세한 설명이 있습니다.
주파수 편차 측정 방법은 각 샘플링 지점에서 반송파에 대한 주파수 편차를 측정하기 위해 일정 시간 (권장 시간 길이 50ms)을 취하는 것으로 최대 값은 최대 주파수 편차입니다. 그러나 주파수 오프셋을 더 깊이 이해하기 위해 시간이 지남에 따라 업데이트 된 통계 히스토그램을 사용하여 신호 특성을 표현할 수 있습니다. 주파수 편차의 히스토그램 계산 방법은 다음과 같습니다.
1). 50ms의 주기로 N 개의 최대 주파수 편차를 측정합니다. 측정 기간의 길이는 히스토그램에 큰 영향을 미치므로 측정 결과의 반복성을 보장하려면 고정 된 측정 기간이 필요합니다. 동시에 측정 주기로 50ms를 선택하면 변조 주파수가 20Hz만큼 낮은 경우에도 최대 주파수 편차를 효과적으로 측정 할 수 있습니다.
2). 계수해야 할 주파수 편차 범위 (본 기사에서는 0 ~ 150kHz)를 1kHz (분해능) 단위로 나누어 등분 (본 기사에서는 150 등분)으로 나눈다.
삼). 각 부분 표본에서 해당 주파수 값의 포인트 수를 세고 획득 한 파형은 대략 그림 3 (즉, 주파수 오프셋 분포 히스토그램)과 같아야합니다. 여기서 X 축은 주파수를 나타내고 Y 축은 최대 주파수. 해당 주파수 값에 해당하는 포인트 수입니다.

그림 3. 주파수 오프셋 분포의 히스토그램
4). 각 부분 표본의 포인트 수를 누적하고 백분율을 단위로 N을 정규화하여 그림 4 (즉, 주파수 편차의 누적 분포 히스토그램)에 표시된 그래프를 얻습니다. 여기서 X 축은 주파수를 나타내고 Y는 축입니다. 최대 주파수 편차가 해당 주파수 값의 주파수 범위 내에 속할 확률을 나타냅니다. 확률은 맨 왼쪽에서 100 %에서 시작하여 맨 오른쪽에서 0 %에서 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
사양에 따르면 75kHz보다 큰 주파수 오프셋 분포의 통계 백분율은 22 %를 초과하지 않고 80kHz보다 큰 주파수 오프셋 분포의 통계 백분율은 12 %를 초과하지 않으며 85kHz보다 큰 주파수 오프셋 분포의 통계 백분율은 그렇지 않습니다. 8 %를 초과합니다.
위의 이론을 바탕으로 FM 신호의 전송 품질은 원래 오디오 신호가 변조 된 후 FM 반송파 주파수 편차의 크기와 관련이 있음을 알 수 있습니다. 최대 주파수 편차의 누적 분포를 측정하고 개선하면 FM 신호의 전송 품질을 개선하는 데 도움이됩니다.

2. 하드웨어 기초
이 기사에서는 최신 무선 모니터링 기술을 사용하고 ITU 사양을 준수하는 모듈 식 방송 모니터링 수신기를 사용합니다. 수신기는 고급 디지털 라디오 수신 모듈과 최신 임베디드 프로세서로 구성됩니다. 소프트웨어 정의 무선 아키텍처와 고속 데이터 버스는 수신기의 확장 성과 테스트 속도를 보장합니다. 수신기는 ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) 표준 및 스펙트럼 모니터링 매뉴얼에 따라 FM 신호를 복조 및 측정하며 방송 모니터링 애플리케이션을위한 오디오 및베이스 밴드 분석 기능을 제공합니다. 특정 특성 매개 변수는 다음과 같습니다.
점유 대역폭 (OccupiedBandwidth
캐리어 오프셋 (CarrierOffset)
대역 내 전력 (PowerinBand)
FM 최대 편차 (FMMaximumDeviation)
메인 채널 신호의 최대 주파수 편차 (메인 채널의 최대 주파수 편차 (L + R))
파일럿 신호의 최대 주파수 편차 (파일럿 톤의 최대 주파수 편차)
서브 채널 신호의 최대 주파수 편차 (최대 주파수 편차 (LR)) 방송 모니터링 수신 장비의 구조 및 원리 블록 다이어그램은 그림 6에 나와 있습니다. 디지털 라디오 수신 모듈은 고속 데이터 버스와 함께 섀시에 설치됩니다. 산업 강화 프레임. 이 수신기의 임베디드 컨트롤러는 수신 모듈을 제어하고 수집 된 데이터를 처리하는 고속 프로세서를 사용합니다.

그림 6. 방송 모니터링 수신기 구조의 블록 다이어그램
디지털 라디오 수신 모듈에는 RF 다운 컨버전 모듈과 고속 중간 주파수 획득 모듈의 두 가지 하위 모듈이 포함됩니다.
RF 하향 변환 모듈은 관심있는 RF 주파수 대역을 중간 주파수 신호로 하향 변환 한 다음 중간 주파수 신호를 고속 중간 주파수 획득 모듈로 전송합니다.
고속 IF 수집 모듈의 핵심은 고속 ADC (아날로그-디지털 변환기)와 하드웨어 처리 기능을 제공하는 전용 디지털 다운 컨버전 칩입니다. 디지털 하향 변환 처리는 광대역 신호를 실시간으로 추출하고이를베이스 밴드로 하향 변환하여 방송 신호, 무선 신호 및 기타 통신 신호를 캡처하는 데 적합합니다. 디지털 다운 컨버전 프로세싱은 또한 수집 된 중간 주파수 신호 파형을 I / Q 복합 신호 데이터 출력으로 변환 할 수 있습니다. 고속 중간 주파수 수집 모듈은 데이터 전송을 위해 특허받은 고속 전용 칩을 사용하고 DMA를 통해 컨트롤러로 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 감쇠하고 표면 탄성파 필터를 통과하여 상향 변환 후 이미지 주파수를 필터링 한 다음 다단계 하향 변환을 수행하고 마지막으로 중간 주파수 신호를 출력합니다. . RF 다운 컨버전 모듈은 매우 높은 주파수 정확도를 제공하기 위해 시스템 기준 클록으로 고정밀 및 고정밀 항온 수정 발진기를 사용합니다.
소형 패키징을 용이하게하기 위해 모듈은 고성능 마이크로 YIG 발진기를 사용하여 업 컨버전 단계에 필요한 고주파 국부 발진기 신호를 생성합니다. YIG 발진기는 매우 순수한 고주파 신호를 생성 할 수있는 일종의 발진기이며 종종 매우 큽니다. 장비의 RF 다운 컨버전 모듈은이 분야의 획기적인 기술을 활용하고 설계에 매우 작은 YIG 발진기를 사용합니다. YIG 발진기는 지정된 주파수 대역으로 튜닝 할 수 있으므로 사용자가 RF 다운 컨버전 모듈에 필요한 주파수를 설정할 수 있습니다. RF 다운 컨버전 모듈의 포괄적 인 주파수 계획 및 다단계 주파수 변환 아키텍처는 계측기의 낮은 스퓨리어스 응답과 넓은 동적 범위의 우수한 특성을 보장합니다. 그림 8과 같이

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그림 8. RF 다운 컨버전 모듈 아키텍처
이 기사에서는 스테이션 A (오디오 프로세서 A 및 송신기 A 포함)와 스테이션 B (오디오 프로세서 B 포함)를 사용하여 송신기의 오디오 프로세서 조정부터 시작하여 FM 방송 전송 품질과 주파수 편차의 누적 분포 간의 관계를 분석합니다. 및 송신기 기계 B) 샘플을 비교하기 위해 다음과 같은 실험이 설계되었습니다.
이 실험은 FM 방송 전송 품질과의 관계를 확인하기 위해 오디오 프로세서를 조정하여 FM 신호의 주파수 편차 누적 분포를 주로 개선합니다.
3.2, 시험
실험은 특정 방송 프로그램의 오디오 파일을 사용하여 오디오 프로세서 A와 B를 통해 처리 한 다음 송신기 A와 B로 전송하여 동시에 전송합니다. 두 송신기는 동일한 설정을 사용합니다. 무선 모니터링 수신기는 송신기 A와 B의 무선 주파수 신호를 각각 기록하는 데 사용되었으며 기록 된 신호는 ITU-RSM.1268.1 표준에 따라 FM 신호의 최대 주파수 편차의 통계 분석에 사용되었습니다. 분석 실험 과정에 대한 설명은 그림 9에 나와 있습니다. 결과는 그림 10에 나와 있습니다.

그림 9. 테스트 프로세스

그림 10. 누적 주파수 편차 분포 다이어그램
실험에서 얻은 주파수 편차의 통계적 분포에서 동일한 오디오 파일에 대해 A 국의 신호 주파수 편차는 주로 하프 벨 곡선으로 10kHz-95 %에서 35kHz-5 %까지 분포하고 신호 주파수는 B 국의 편차는 주로 분포가 10kHz-95 %에서 75KHz-95 %까지의 반종 곡선을 보여줍니다. 두 관측소의 시간 영역 신호는 서로 다른 확률 분포 특성을 보여줍니다. 대조적으로, 스테이션 B의 신호 주파수 오프셋은 더 큽니다.
청취의 관점에서 볼 때 스테이션 B의 오디오 품질은 스테이션 A의 오디오 품질보다 좋고 볼륨이 더 커져 전송 품질이 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 다른. 오디오 프로세서 A에서 처리 한 동일한 오디오 파일의 신호 주파수 편차 진폭은 상대적으로 작기 때문에 오디오 프로세서 A의 설정이 ITU-RSM1268.1 표준에 도달하지 않았 음을 나타냅니다. 따라서 권장 표준에 따라 오디오 프로세서 A를 조정하면 이론적으로 더 높은 전송 품질을 얻을 수 있습니다. 이러한 이유로 다음과 같은 검증 실험이 설계되었습니다.
3.4, 검증
방송 프로그램은 오디오 프로세서 A에 의해 처리 된 다음 전송을 위해 송신기 A로 전송됩니다. 엔지니어는 중단없는 전송 조건에서 오디오 프로세서 A를 조정합니다. 무선 모니터링 수신기는 A 국의 무선 주파수 신호를 수신하고 ITU-RSM.1268.1 표준에 따라 FM 신호의 최대 주파수 편차에 대한 통계 분석을 수행하고 오디오 프로세서 A를 조정하기 전후의 데이터를 비교합니다. 검증 실험은 그림 11에 나와 있습니다.

그림 11. 테스트 프로세스

그림 12. 누적 주파수 편차 분포
주파수 편차의 통계적 분포에서 동일한 프로그램 소스에 대해 조정 전 신호 주파수 편차는 주로 하프 벨 곡선에서 25kHz-95 %에서 45kHz-5 %까지 분포하며 조정 후 신호 주파수 편차는 주로 분포됩니다. 45kHz-95 %에서. 55KHz-95 %까지 반종 곡선을 보여줍니다. 반대로 조정 된 신호 주파수 오프셋 값이 더 크고 분포가 더 꽉 찼습니다. 청취 관점에서 조정 된 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 꽉 채우고 주파수 오프셋 값을 더 크게 만들 수 있습니다.
동일한 오디오 소스의 경우 FM 변조 후 최대 주파수 편차 분포가 복조 된 사운드의 볼륨과 채도에 영향을 미칠 수 있습니다. 오디오 프로세서의 매개 변수 설정을 조정하면 FM 신호가 ITU-R 사양과 더 일치하여 청취 사운드를 더 크고 풍성하게 만들 수 있습니다. 따라서 방송 모니터링 장비를 사용하여 FM 방송 매개 변수를 감지하고 이러한 매개 변수에 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 기사에 사용 된 소프트웨어 라디오 아키텍처를 기반으로하는 방송 모니터링 수신기는 상대적으로 테스트 매개 변수가 적은 단일 채널 수집 장치이며 수집 후 수동 분석이 필요하므로 상대적으로 비효율적입니다. 과학 및 기술의 발전과 발전과 함께 실험에서 발생한 문제와 함께 향후 FM 방송 모니터링 및 수신 장비에 대한 몇 가지 전망이 제안됩니다.
1. 87MHz에서 108MHz까지의 전대역 FM 방송 신호를 실시간으로 녹음합니다.
2. XNUMX 시간 녹화가 가능하고 타이밍 녹화 등의 고급 기능을 실현할 수있는 대용량 디스크 어레이를 갖추고 있습니다.
3. 무인 모니터링, 자동 분석 및 보고서 생성과 같은 기능을 구현하기 위해 원격으로 제어 할 수 있습니다.
4. 언제 어디서나 주파수 스펙트럼과 오디오 주파수를 재현 할 수있는 데이터베이스를 지원합니다.
5. 다양한 시스템 구성은 다양한 고객의 요구를 충족시킬 수 있습니다.
6. 소프트웨어 및 하드웨어의 모듈 식 설계는 시스템 확장 및 XNUMX 차 개발에 편리합니다.

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