Diffusion FM par transmission radio pour transmettre des signaux de diffusion
I. Aperçu
Le concept de modulation de fréquence (FM). La FM est le principal moyen de réaliser une diffusion sonore haute fidélité et une diffusion stéréo dans les temps modernes. Il transmet des signaux audio dans un mode de modulation de fréquence. La porteuse de l'onde FM change à la fréquence centrale de la porteuse lorsque le signal de modulation audio change (la fréquence centrale avant la non-modulation) change des deux côtés, et les temps de changement de déviation de fréquence par seconde sont cohérents avec la fréquence de modulation du signal audio . Si la fréquence du signal audio est de 1 kHz, les temps de changement de déviation de fréquence de la porteuse sont également de 1 k fois par seconde. La taille de l'écart de fréquence dépend de l'amplitude du signal audio.
Le concept de FM stéréo, FM stéréo encode d'abord les signaux de deux fréquences audio (canaux gauche et droit) pour obtenir un ensemble de signaux stéréo composites basse fréquence, puis FM est effectuée sur la porteuse haute fréquence. Stereo FM est divisé en trois types: système de division de fréquence (et système de différence), système de division temporelle et système de signal directionnel selon différentes méthodes de traitement pour la stéréo. Le système de différence de somme est couramment utilisé maintenant. Le système de somme et de différence est dans le modulateur stéréo, les signaux des canaux gauche (L) et droit (R) sont codés en premier pour former le signal de somme (L + R) et le signal de différence (LR), et le signal de somme est directement envoyé au modulateur La porteuse constitue le signal du canal principal pour une écoute compatible avec la radio FM ordinaire; le signal de différence est envoyé au modulateur équilibré pour supprimer la modulation d'amplitude de la porteuse sur la sous-porteuse, et l'onde de modulation d'amplitude supprimée à double bande latérale obtenue est utilisée comme signal de sous-canal, puis combinée avec le signal de somme Mix pour moduler la porteuse principale. La plage de fréquences du signal de sous-canal est de 23 à 53 kHz (38 ± 15 kHz), ce qui appartient à la plage super audio et n'interférera pas avec la lecture mono. Puisque la sous-porteuse de l'onde AM du sous-canal est supprimée, la radio stéréo ne peut pas démoduler directement le signal sortant. Par conséquent, un signal de 38 kHz avec la même fréquence et la même phase que la sous-porteuse du système d'émission doit être généré dans la radio à démoduler. Pour cette raison, à l'extrémité émettrice, à l'intervalle entre le spectre de fréquence principal et sous-canal, un autre signal pilote de 19 kHz (1/2 fréquence de sous-porteuse) (PilotTone) est transmis pour «guider» la sous-porteuse régénérée à 38 kHz dans la radio. Cette méthode de modulation est appelée fréquence pilote, et c'est aussi la méthode de division de fréquence la plus largement utilisée en radiodiffusion stéréo.
En conséquence, afin de mesurer les signaux FM et les signaux FM stéréo, les paramètres suivants sont généralement mesurés dans le monde.
1.1, bande passante occupée
Selon les recommandations de l'UIT, la mesure de la largeur de bande du signal est généralement basée sur le spectre en utilisant deux méthodes: «β% de largeur de bande occupée» et «largeur de bande x dB». La bande passante occupée β% est représentée sur la figure 1. La méthode de mesure consiste à compter d'abord la puissance totale dans la bande passante de surveillance, puis à accumuler la puissance des raies spectrales des deux côtés vers le milieu du spectre jusqu'à ce que la puissance et le total puissance (β / 2)%, respectivement définis comme f1 et f2, la bande passante définie est égale à f2-f1; et la largeur de bande x-dB est représentée sur la figure 2. La méthode de mesure consiste à trouver d'abord le pic ou le point le plus élevé du spectre, puis du point le plus élevé vers les deux côtés Les deux raies spectrales forment toutes les raies spectrales en dehors de ces deux raies spectrales au moins xdB plus petites que le point le plus élevé, et la différence de fréquence correspondant aux deux raies spectrales est la largeur de bande.
Dans les recommandations de l'UIT et de la radio et de la télévision, β prend généralement 99, et x prend généralement 26, ce qui est la bande passante de puissance de 99% et la bande passante de 26 dB qui sont souvent dites.
Figure 2. Bande passante x-dB
1.2 Écart de fréquence
La déviation de fréquence dans le signal FM fait référence à l'amplitude de l'oscillation de fréquence de l'onde FM, qui change avec la fluctuation de la forme d'onde d'information (ou de voix). La déviation de fréquence habituellement mesurée par un instrument ou un récepteur se réfère en fait à la déviation de fréquence maximale sur une période de temps. La distribution et la taille de l'écart de fréquence maximal déterminent la qualité sonore et le volume de l'audio entendu, ce qui détermine également l'émission de la radio FM. qualité.
L'objectif principal de cet article est d'étudier la qualité de transmission de la diffusion FM, donc selon la description ci-dessus, l'indice de décalage de fréquence doit être pris en compte.
L'UIT-R propose une description détaillée de la mesure de l'écart de fréquence du signal FM:
La méthode de mesure de l'écart de fréquence consiste à prendre une période de temps (la durée recommandée est de 50 ms) pour mesurer l'écart de fréquence par rapport à la porteuse à chaque point d'échantillonnage, et la valeur maximale est l'écart de fréquence maximal. Mais afin d'avoir une compréhension plus approfondie du décalage de fréquence, un histogramme statistique mis à jour au fil du temps peut être utilisé pour exprimer ses caractéristiques de signal. La méthode de calcul de l'histogramme de l'écart de fréquence est la suivante:
1). Mesurez les N écarts de fréquence maximum avec une période de 50 ms. La longueur de la période de mesure affectera considérablement l'histogramme, une période de mesure fixe est donc nécessaire pour garantir la répétabilité des résultats de mesure. Dans le même temps, la sélection de 50 ms comme période de mesure peut garantir que l'écart de fréquence maximal peut encore être mesuré efficacement lorsque la fréquence de modulation est aussi basse que 20 Hz.
2). Divisez la plage d'écart de fréquence qui doit être comptée (0 ～ 150 kHz dans cet article), en utilisant 1 kHz (résolution) comme unité, et divisez-la en parties égales (dans cet article, 150 parties égales).
3). Dans chaque aliquote, comptez le nombre de points sur la valeur de fréquence correspondante, et la forme d'onde obtenue doit être à peu près comme le montre la figure 3 (c'est-à-dire, l'histogramme de distribution de décalage de fréquence), où l'axe X représente la fréquence et l'axe Y représente le fréquence maximale. Le nombre de points qui tombent sur la valeur de fréquence correspondante.
Figure 3. Histogramme de la distribution du décalage de fréquence
4). Accumuler le nombre de points dans chaque aliquote et normaliser N avec un pourcentage comme unité pour obtenir le graphique illustré à la figure 4 (c'est-à-dire l'histogramme de la distribution cumulative de l'écart de fréquence), où l'axe X représente la fréquence, et Y l'axe représente la probabilité que l'écart de fréquence maximal tombe dans la plage de fréquences de la valeur de fréquence correspondante. La probabilité commence à 100% à l'extrême gauche et se termine à 0% à l'extrême droite
Figure 4. Histogramme de la distribution cumulative du décalage de fréquence
Dans le même temps, l'UIT-R donne une spécification de référence (SM1268) pour la distribution cumulative de l'écart de fréquence maximal, comme le montre la Figure 5.
Figure 5. Spécification de référence pour la distribution cumulative de l'écart de fréquence maximal
La spécification stipule que: le pourcentage statistique de distribution de décalage de fréquence supérieur à 75 kHz ne dépasse pas 22%, le pourcentage statistique de distribution de décalage de fréquence supérieur à 80 kHz ne dépasse pas 12% et le pourcentage statistique de distribution de décalage de fréquence supérieur à 85 kHz ne dépasse pas dépasser 8%.
Sur la base de la théorie ci-dessus, on peut savoir que la qualité de transmission des signaux FM est liée à l'amplitude de l'écart de fréquence porteuse FM après la modulation du signal audio d'origine. La mesure et l'amélioration de la distribution cumulative de l'écart de fréquence maximal contribuera à améliorer la qualité de transmission des signaux FM.
2. Fondation matérielle
Cet article utilise un récepteur de surveillance de diffusion modulaire qui utilise la technologie de surveillance radio avancée actuelle et est conforme aux spécifications de l'UIT. Le récepteur se compose d'un module de réception radio numérique haut de gamme et du dernier processeur intégré. L'architecture radio définie par logiciel et le bus de données à haut débit garantissent l'évolutivité et la vitesse de test du récepteur. Le récepteur démodule et mesure les signaux FM conformément aux normes du secteur des radiocommunications de l'Union internationale des télécommunications (UIT-R) et aux manuels de surveillance du spectre, et fournit des fonctions d'analyse audio et de bande de base spécifiquement pour les applications de surveillance de diffusion. Les paramètres caractéristiques spécifiques sont les suivants:
Bande passante occupée (bande passante occupée
Décalage du transporteur (CarrierOffset)
Puissance en bande (PowerinBand)
Déviation maximale FM (FMMaximumDeviation)
Écart de fréquence maximal du signal du canal principal (Écart de fréquence maximal du canal principal (L + R))
La déviation de fréquence maximale du signal pilote (déviation maximale de la fréquence du volant)
La déviation de fréquence maximale du signal de sous-canal (Maximumfrequencydeviationofsubchannel (LR)) La structure et le schéma de principe de l'équipement de réception de surveillance de diffusion sont illustrés à la Figure 6. Le module de réception radio numérique est installé dans un châssis avec un bus de données à haut débit et un cadre renforcé industriel. Le contrôleur intégré de ce récepteur utilise un processeur haute vitesse, qui est chargé de contrôler le module de réception et de traiter les données collectées.
Figure 6. Schéma fonctionnel de la structure du récepteur de surveillance de diffusion
Le module de réception radio numérique comprend deux sous-modules: un module de conversion descendante RF et un module d'acquisition de fréquence intermédiaire haute vitesse.
Le module de conversion descendante RF convertit à la baisse la bande de fréquences RF d'intérêt en un signal de fréquence intermédiaire, puis transmet le signal de fréquence intermédiaire au module d'acquisition de fréquence intermédiaire à grande vitesse.
Le noyau du module d'acquisition IF haute vitesse est un convertisseur analogique-numérique (ADC) haute vitesse et une puce numérique de conversion descendante dédiée qui fournit des fonctions de traitement matériel. Le traitement de conversion descendante numérique extrait les signaux large bande en temps réel et les convertit en bande de base, ce qui convient à la capture de signaux de diffusion, de signaux sans fil et d'autres signaux de communication. Le traitement de conversion descendante numérique peut également convertir la forme d'onde du signal de fréquence intermédiaire collectée en sortie de données de signal complexe I / Q. Le module d'acquisition de fréquence intermédiaire haute vitesse utilise une puce dédiée haute vitesse brevetée pour la transmission de données et transmet les données au contrôleur via DMA, réduisant la charge du processeur du contrôleur, lui permettant de se concentrer sur l'analyse et le traitement avancés, l'affichage graphique et l'échange de données. . Comme le montre la figure 7:
Figure 7. Architecture du module récepteur radio numérique
Le module de conversion descendante RF atténue d'abord le signal comme spécifié par l'utilisateur, passe le filtre à ondes acoustiques de surface pour filtrer la fréquence d'image après la conversion ascendante, puis effectue une conversion descendante à plusieurs étages, et délivre enfin un signal de fréquence intermédiaire. . Le module de conversion descendante RF utilise un oscillateur à cristal à température constante de haute précision et de haute stabilité comme horloge de référence du système pour fournir une précision de fréquence extrêmement élevée.
Afin de faciliter un emballage compact, le module utilise un micro oscillateur YIG haute performance pour générer le signal d'oscillateur local haute fréquence requis pour l'étage de conversion ascendante. L'oscillateur YIG est une sorte d'oscillateur qui peut générer des signaux haute fréquence très purs et est souvent très grand. Le module de conversion descendante RF de l'équipement utilise une technologie révolutionnaire dans ce domaine et utilise un très petit oscillateur YIG dans la conception. L'oscillateur YIG peut être réglé sur une bande de fréquences spécifiée, ce qui permet aux utilisateurs de régler la fréquence requise par le module de conversion descendante RF. La planification de fréquence complète et l'architecture de conversion de fréquence à plusieurs étages du module de conversion descendante RF garantissent les excellentes caractéristiques de la faible réponse parasite de l'instrument et de sa grande plage dynamique. Comme le montre la figure 8:
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Figure 8. Architecture du module de conversion descendante RF
Cet article analyse la relation entre la qualité de la transmission de diffusion FM et la distribution cumulative de l'écart de fréquence, en commençant par le réglage du processeur audio de l'émetteur, en utilisant la station A (y compris le processeur audio A et l'émetteur A) et la station B (y compris le processeur audio B et émetteur Machine B) Pour comparer les échantillons, les expériences suivantes sont conçues.
Cette expérience améliore principalement la distribution cumulative de l'écart de fréquence du signal FM en ajustant le processeur audio pour vérifier sa relation avec la qualité de la transmission de diffusion FM.
3.2, essai
L'expérience utilise le fichier audio d'un certain programme de diffusion, le traite à travers les processeurs audio A et B et les transmet aux émetteurs A et B pour une transmission en même temps. Les deux émetteurs utilisent les mêmes paramètres. Le récepteur de surveillance radio a été utilisé pour enregistrer les signaux de radiofréquence des émetteurs A et B respectivement, et les signaux enregistrés ont été utilisés pour l'analyse statistique de l'écart de fréquence maximal du signal FM conformément à la norme ITU-RSM.1268.1. La description du processus d'expérimentation d'analyse est présentée à la figure 9. Le résultat est présenté à la figure 10
Figure 9. Processus de test
Figure 10. Diagramme de distribution des écarts de fréquence cumulés
À partir de la distribution statistique de l'écart de fréquence obtenu à partir de l'expérience, pour le même fichier audio, l'écart de fréquence du signal de la station A est principalement distribué de 10 kHz-95% à 35 kHz-5% dans une courbe en demi-cloche, et la fréquence du signal l'écart de la station B est principalement La distribution montre une courbe en demi-cloche de 10 kHz-95% à 75KHz-95%. Les signaux du domaine temporel des deux stations présentent des caractéristiques de distribution de probabilité différentes. En revanche, le décalage de fréquence du signal de la station B est plus important.
D'un point de vue d'écoute, la qualité audio de la station B est meilleure que celle de la station A, et le volume est plus fort, c'est-à-dire que la qualité de transmission est meilleure.
3.3, débogage
Étant donné que les fichiers audio transmis aux deux processeurs audio sont les mêmes, les réglages des deux émetteurs sont également les mêmes, mais la distribution du décalage de fréquence du signal de la station A et de la station B est différente, indiquant que les processeurs audio des deux stations sont différent. L'amplitude de l'écart de fréquence du signal du même fichier audio traité par le processeur audio A est relativement faible, ce qui indique que le réglage du processeur audio A n'a pas atteint la norme ITU-RSM1268.1. Par conséquent, après avoir ajusté le processeur audio A selon la norme recommandée, une qualité de transmission théoriquement plus élevée peut être obtenue. Pour cette raison, l'expérience de vérification suivante a été conçue.
3.4, vérification
Un programme de diffusion est traité par le processeur audio A puis transmis à l'émetteur A pour transmission. L'ingénieur ajuste le processeur audio A dans des conditions de transmission ininterrompue. Le récepteur de surveillance radio reçoit le signal de fréquence radio de la station A et suit la norme ITU-RSM.1268.1 pour effectuer une analyse statistique de l'écart de fréquence maximal du signal FM et comparer les données avant et après le réglage du processeur audio A. La description de l'expérience de vérification est illustrée à la figure 11.
Figure 11. Processus de test
Figure 12. Distribution de l'écart de fréquence cumulé
À partir de la distribution statistique de l'écart de fréquence, pour la même source de programme, l'écart de fréquence du signal avant l'ajustement est principalement distribué de 25 kHz-95% à 45 kHz-5% dans une courbe en demi-cloche, et l'écart de fréquence du signal après ajustement est principalement distribué de 45 kHz à 95%. Il montre une courbe en demi-cloche à 55 KHz-95%. En revanche, la valeur de décalage de fréquence de signal ajustée est plus grande et la distribution est plus complète. Du point de vue de l'écoute, la qualité sonore et le volume ajustés sont considérablement améliorés par rapport à avant.
Quatre, conclusion de l'expérience de vérification
Dans le cas de la même source de programme, en ajustant le niveau de sortie de référence du processeur audio, la distribution de décalage de fréquence peut être améliorée pour la rendre plus complète et la valeur de décalage de fréquence est plus grande.
Pour la même source audio, la distribution maximale de l'écart de fréquence après la modulation FM peut affecter le volume et la saturation du son démodulé. En ajustant les paramètres du processeur audio, le signal FM est plus conforme à la spécification ITU-R, ce qui peut rendre le son d'écoute plus fort et plus riche. Par conséquent, l'utilisation d'un équipement de surveillance de diffusion pour détecter les paramètres de diffusion FM et ajuster l'équipement de la liaison de diffusion conformément à la norme ITU-R pour ces paramètres peut obtenir une qualité de transmission supérieure.
Cela montre également que l'utilisation d'équipements de surveillance de diffusion pour surveiller la diffusion FM est un moyen efficace d'assurer la qualité de la transmission de diffusion FM.
V. Perspectives
Le récepteur de surveillance de diffusion basé sur l'architecture radio logicielle utilisée dans cet article est un dispositif d'acquisition à un seul canal avec relativement peu de paramètres de test, et une analyse manuelle est nécessaire après l'acquisition, ce qui est relativement inefficace. Avec le développement et les progrès de la science et de la technologie, combinés aux problèmes rencontrés dans l'expérience, quelques perspectives pour les futurs équipements de surveillance et de réception des émissions FM sont proposées:
1. Enregistrement en temps réel des signaux de diffusion FM pleine bande de 87 MHz à 108 MHz.
2. Équipé d'une matrice de disques de grande capacité, qui peut enregistrer XNUMX heures sur XNUMX et réaliser des fonctions avancées telles que l'enregistrement de la synchronisation.
3. Il peut être contrôlé à distance pour réaliser des fonctions telles que la surveillance sans surveillance, l'analyse automatique et la génération de rapports.
4. Soutenez la base de données, qui peut reproduire le spectre de fréquences et la fréquence audio à tout moment et à n'importe quelle fréquence.
5. La configuration de système diversifiée peut répondre aux besoins de différents clients.
6. La conception modulaire du logiciel et du matériel est pratique pour l'expansion du système et le développement secondaire.
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