Trasmissione FM che trasmette segnali di trasmissione tramite trasmissione radio

Trasmissione FM tramite trasmissione radio per trasmettere segnali di trasmissione

I. Panoramica
Il concetto di modulazione di frequenza (FM). FM è il modo principale per realizzare trasmissioni audio ad alta fedeltà e trasmissioni stereo nei tempi moderni. Trasmette segnali audio in modalità di modulazione di frequenza. La portante dell'onda FM cambia alla frequenza centrale della portante quando il segnale di modulazione audio cambia (la frequenza centrale prima della dismodulazione) cambia su entrambi i lati e i tempi di variazione della frequenza al secondo sono coerenti con la frequenza di modulazione del segnale audio . Se la frequenza del segnale audio è 1kHz, anche i tempi di variazione della deviazione di frequenza della portante sono 1k volte al secondo. La dimensione della deviazione di frequenza dipende dall'ampiezza del segnale audio.
Il concetto di stereo FM, stereo FM codifica prima i segnali di due frequenze audio (canali sinistro e destro) per ottenere una serie di segnali stereo compositi a bassa frequenza, quindi FM viene eseguito sulla portante ad alta frequenza. Stereo FM è diviso in tre tipi: sistema di divisione di frequenza (e sistema di differenza), sistema di divisione di tempo e sistema di segnale direzionale in base a diversi metodi di elaborazione per stereo. Il sistema della differenza di somma è comunemente usato ora. Il sistema di somma e differenza si trova nel modulatore stereo, i segnali dei canali sinistro (L) e destro (R) vengono codificati prima per formare il segnale somma (L + R) e il segnale differenza (LR), e il segnale somma è direttamente inviato al modulatore La portante costituisce il segnale del canale principale per l'ascolto compatibile con la normale radio FM; il segnale di differenza viene inviato al modulatore bilanciato per sopprimere la modulazione di ampiezza della portante sulla sottoportante e l'onda di modulazione di ampiezza soppressa a doppia banda laterale ottenuta viene utilizzata come segnale del sottocanale, quindi combinata con il segnale di somma Mix per modulare la portante principale. La gamma di frequenza del segnale del canale secondario va da 23 a 53 kHz (38 ± 15 kHz), che appartiene alla gamma super audio e non interferirà con la riproduzione mono. Poiché la sottoportante dell'onda AM sottocanale viene soppressa, la radio stereo non può demodulare direttamente il segnale in uscita. Pertanto, nella radio da demodulare deve essere generato un segnale a 38kHz con la stessa frequenza e fase della sottoportante del sistema di trasmissione. Per questo motivo, al termine della trasmissione, nell'intervallo tra lo spettro di frequenza principale e quello del sottocanale, viene trasmesso un altro segnale pilota (PilotTone) a 19kHz (1/2 sottoportante) per "guidare" la sottoportante rigenerata a 38kHz nella radio. Questo metodo di modulazione è chiamato frequenza pilota ed è anche il metodo di divisione di frequenza più utilizzato nelle trasmissioni stereo.
Di conseguenza, per misurare segnali FM e segnali FM stereo, i seguenti parametri vengono solitamente misurati nel mondo.
1.1, larghezza di banda occupata
Secondo le raccomandazioni ITU, la misurazione della larghezza di banda del segnale si basa generalmente sullo spettro utilizzando due metodi: "β% larghezza di banda occupata" e "larghezza di banda x-dB". La β% della larghezza di banda occupata è mostrata nella Figura 1. Il metodo di misurazione consiste nel contare prima la potenza totale nella larghezza di banda di monitoraggio, quindi accumulare la potenza delle linee spettrali da entrambi i lati al centro dello spettro fino a quando la potenza e il totale power (β / 2)%, definita rispettivamente come f1 e f2, la larghezza di banda definita è uguale a f2-f1; e la larghezza di banda x-dB è mostrata nella Figura 2. Il metodo di misurazione consiste nel trovare prima il picco o il punto più alto sullo spettro, e poi dal punto più alto a entrambi i lati Le due linee spettrali formano tutte le linee spettrali al di fuori di queste due righe spettrali almeno xdB inferiori al punto più alto e la differenza di frequenza corrispondente alle due righe spettrali è la larghezza di banda.
Nelle raccomandazioni ITU e radiofoniche e televisive, β di solito prende 99 e x di solito prende 26, che è la larghezza di banda di potenza del 99% e la larghezza di banda di 26 dB che vengono spesso dette.

Figura 2. Larghezza di banda x-dB
1.2 Deviazione di frequenza
La deviazione di frequenza nel segnale FM si riferisce all'ampiezza dell'oscillazione della frequenza dell'onda FM, che cambia con la fluttuazione della forma d'onda delle informazioni (o della voce). La deviazione di frequenza solitamente misurata da uno strumento o da un ricevitore si riferisce in realtà alla deviazione di frequenza massima entro un periodo di tempo. La distribuzione e la dimensione della deviazione di frequenza massima determinano la qualità del suono e il volume dell'audio ascoltato, che determina anche l'emissione della radio FM. qualità.
Lo scopo principale di questo articolo è studiare la qualità di trasmissione delle trasmissioni FM, quindi, secondo la descrizione sopra, è necessario prestare attenzione all'indice di offset della frequenza.
ITU-R ha una descrizione dettagliata della misurazione della deviazione della frequenza del segnale FM:
Il metodo di misurazione della deviazione di frequenza richiede un periodo di tempo (la durata di tempo consigliata è 50 ms) per misurare la deviazione di frequenza relativa alla portante in ciascun punto di campionamento e il valore massimo è la deviazione di frequenza massima. Ma per avere una comprensione più profonda dell'offset di frequenza, è possibile utilizzare un istogramma statistico aggiornato nel tempo per esprimere le caratteristiche del segnale. Il metodo di calcolo dell'istogramma della deviazione di frequenza è il seguente:
1). Misurare le N deviazioni di frequenza massima con un periodo di 50 ms. La lunghezza del periodo di misurazione influenzerà in modo significativo l'istogramma, quindi è necessario un periodo di misurazione fisso per garantire la ripetibilità dei risultati della misurazione. Allo stesso tempo, selezionando 50 ms come periodo di misurazione è possibile garantire che la deviazione di frequenza massima possa ancora essere misurata efficacemente quando la frequenza di modulazione è di soli 20 Hz.
2). Dividi l'intervallo di deviazione di frequenza che deve essere contato (0 ~ 150kHz in questo articolo), usando 1kHz (risoluzione) come unità, e dividilo in parti uguali (in questo articolo, 150 parti uguali).
3). In ciascuna aliquota, contare il numero di punti sul valore di frequenza corrispondente e la forma d'onda ottenuta dovrebbe essere più o meno come mostrato nella Figura 3 (cioè, istogramma di distribuzione dell'offset di frequenza), dove l'asse X rappresenta la frequenza e l'asse Y rappresenta la frequenza massima. Il numero di punti che cadono sul valore di frequenza corrispondente.

Figura 3. Istogramma della distribuzione dell'offset di frequenza
4). Accumula il numero di punti in ciascuna aliquota e normalizza N con una percentuale come unità per ottenere il grafico mostrato nella Figura 4 (cioè l'istogramma della distribuzione cumulativa della deviazione di frequenza), dove l'asse X rappresenta la frequenza e l'asse Y rappresenta la probabilità che la deviazione di frequenza massima rientri nell'intervallo di frequenza del valore di frequenza corrispondente. La probabilità inizia al 100% all'estrema sinistra e termina allo 0% all'estrema destra

Figura 4. Istogramma della distribuzione cumulativa dell'offset di frequenza
Allo stesso tempo, ITU-R fornisce una specifica di riferimento (SM1268) per la distribuzione cumulativa della deviazione di frequenza massima, come mostrato nella Figura 5.

Figura 5. Specifica di riferimento per la distribuzione cumulativa della deviazione di frequenza massima
La specifica afferma che: la percentuale statistica di distribuzione offset di frequenza maggiore di 75kHz non supera il 22%, la percentuale statistica di distribuzione offset di frequenza maggiore di 80kHz non supera il 12% e la percentuale statistica di distribuzione offset di frequenza maggiore di 85kHz no superare l'8%.
Sulla base della teoria di cui sopra, si può sapere che la qualità di trasmissione dei segnali FM è correlata all'ampiezza della deviazione della frequenza portante FM dopo che il segnale audio originale è stato modulato. Misurare e migliorare la distribuzione cumulativa della deviazione di frequenza massima contribuirà a migliorare la qualità di trasmissione dei segnali FM.

2. Base hardware
Questo articolo utilizza un ricevitore di monitoraggio delle trasmissioni modulare che utilizza l'attuale tecnologia avanzata di monitoraggio radio ed è conforme alle specifiche ITU. Il ricevitore è costituito da un modulo di ricezione radio digitale di fascia alta e dall'ultimo processore integrato. L'architettura radio definita dal software e il bus dati ad alta velocità assicurano la scalabilità e la velocità di prova del ricevitore. Il ricevitore demodula e misura i segnali FM in conformità agli standard ITU-R (International Telecommunication Union Radiocommunication Sector) e ai manuali di monitoraggio dello spettro e fornisce funzioni di analisi audio e banda base specifiche per applicazioni di monitoraggio delle trasmissioni. I parametri caratteristici specifici sono i seguenti:
Larghezza di banda occupata (OccupiedBandwidth
Carrier Offset (CarrierOffset)
Potenza in banda (PowerinBand)
Deviazione massima FM (deviazione massima FM)
Massima deviazione di frequenza del segnale del canale principale (Massima deviazione di frequenza del canale principale (L + R))
La massima deviazione di frequenza del segnale pilota (Maximumfrequencydeviation of thepilottone)
La deviazione di frequenza massima del segnale di sottocanale (Deviazione di frequenza massima del sottocanale (LR)) La struttura e lo schema a blocchi di principio dell'apparecchiatura di ricezione per il monitoraggio delle trasmissioni sono mostrati nella Figura 6. Il modulo di ricezione radio digitale è installato in uno chassis con un bus dati ad alta velocità e un telaio rinforzato industriale. Il controller integrato di questo ricevitore utilizza un processore ad alta velocità, che è responsabile del controllo del modulo di ricezione e dell'elaborazione dei dati raccolti.

Figura 6. Schema a blocchi della struttura del ricevitore di monitoraggio della trasmissione
Il modulo di ricezione radio digitale comprende due sottomoduli: modulo di down-conversion RF e modulo di acquisizione a frequenza intermedia ad alta velocità.
Il modulo di conversione verso il basso RF converte la banda di frequenza RF di interesse in un segnale di frequenza intermedia, quindi trasmette il segnale di frequenza intermedia al modulo di acquisizione della frequenza intermedia ad alta velocità.
Il cuore del modulo di acquisizione IF ad alta velocità è un ADC (convertitore analogico-digitale) ad alta velocità e un chip di conversione digitale dedicato che fornisce funzioni di elaborazione hardware. L'elaborazione digitale di conversione verso il basso estrae i segnali a banda larga in tempo reale e li converte in banda base, che è adatta per acquisire segnali di trasmissione, segnali wireless e altri segnali di comunicazione. L'elaborazione digitale di conversione verso il basso può anche convertire la forma d'onda del segnale a frequenza intermedia raccolta in un'uscita dati di segnali complessi I / Q. Il modulo di acquisizione a frequenza intermedia ad alta velocità utilizza un chip dedicato brevettato ad alta velocità per la trasmissione dei dati e trasmette i dati al controller tramite DMA, riducendo il carico della CPU del controller, consentendogli di concentrarsi sul completamento di analisi ed elaborazione avanzate, visualizzazione grafica e scambio di dati. . Come mostrato nella Figura 7:

Figura 7. Architettura del modulo ricevitore radio digitale
Il modulo di conversione verso il basso RF attenua prima il segnale come specificato dall'utente, passa il filtro delle onde acustiche di superficie per filtrare la frequenza dell'immagine dopo la conversione verso l'alto, quindi esegue la conversione verso il basso a più stadi e infine emette un segnale di frequenza intermedia . Il modulo di conversione RF verso il basso utilizza un oscillatore a cristallo a temperatura costante ad alta precisione e stabilità come orologio di riferimento del sistema per fornire una precisione di frequenza estremamente elevata.
Per facilitare l'imballaggio compatto, il modulo utilizza un micro oscillatore YIG ad alte prestazioni per generare il segnale dell'oscillatore locale ad alta frequenza richiesto per lo stadio di conversione. L'oscillatore YIG è un tipo di oscillatore in grado di generare segnali ad alta frequenza molto puri ed è spesso molto grande. Il modulo di conversione verso il basso RF nell'apparecchiatura utilizza una tecnologia rivoluzionaria in questo campo e utilizza un oscillatore YIG molto piccolo nel design. L'oscillatore YIG può essere sintonizzato su una banda di frequenza specificata, consentendo agli utenti di impostare la frequenza richiesta dal modulo di downconversion RF. La pianificazione della frequenza completa e l'architettura di conversione della frequenza multistadio del modulo di conversione RF verso il basso assicurano le eccellenti caratteristiche della bassa risposta spuria dello strumento e dell'ampio intervallo dinamico. Come mostrato nella Figura 8:

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Figura 8. Architettura del modulo di conversione verso il basso RF
Questo articolo analizza la relazione tra la qualità della trasmissione FM e la distribuzione cumulativa della deviazione di frequenza, a partire dalla regolazione del processore audio del trasmettitore, utilizzando la stazione A (incluso il processore audio A e il trasmettitore A) e la stazione B (incluso il processore audio B e trasmettitore Macchina B) Per confrontare i campioni, vengono progettati i seguenti esperimenti.
Questo esperimento migliora principalmente la distribuzione cumulativa della deviazione di frequenza del segnale FM regolando il processore audio per verificare la sua relazione con la qualità della trasmissione FM.
3.2, prova
L'esperimento utilizza il file audio di un determinato programma trasmesso, lo elabora attraverso i processori audio A e B e li trasmette ai trasmettitori A e B per la trasmissione allo stesso tempo. I due trasmettitori utilizzano le stesse impostazioni. Il ricevitore di monitoraggio radio è stato utilizzato per registrare i segnali in radiofrequenza dai trasmettitori A e B rispettivamente, ei segnali registrati sono stati utilizzati per l'analisi statistica della deviazione di frequenza massima del segnale FM secondo lo standard ITU-RSM.1268.1. La descrizione del processo dell'esperimento di analisi è mostrata nella Figura 9. Il risultato è mostrato nella Figura 10

Figura 9. Processo di test

Figura 10. Diagramma di distribuzione della deviazione di frequenza cumulativa
Dalla distribuzione statistica della deviazione di frequenza ottenuta dall'esperimento, per lo stesso file audio, la deviazione di frequenza del segnale della stazione A è distribuita principalmente da 10kHz-95% a 35kHz-5% in una curva a mezza campana, e la frequenza del segnale la deviazione della stazione B è principalmente La distribuzione mostra una curva a mezza campana da 10kHz-95% a 75KHz-95%. I segnali nel dominio del tempo delle due stazioni mostrano caratteristiche di distribuzione di probabilità differenti. Al contrario, l'offset della frequenza del segnale della stazione B è maggiore.
Dal punto di vista dell'ascolto, la qualità audio della stazione B è migliore di quella della stazione A e il volume è più alto, cioè la qualità della trasmissione è migliore.
3.3, debug
Poiché i file audio trasmessi ai due processori audio sono gli stessi, anche le impostazioni dei due trasmettitori sono le stesse, ma la distribuzione dell'offset di frequenza del segnale della stazione A e della stazione B è diversa, indicando che i processori audio delle due stazioni sono diverso. L'ampiezza della deviazione della frequenza del segnale dello stesso file audio elaborato dal processore audio A è relativamente piccola, indicando che l'impostazione del processore audio A non ha raggiunto lo standard ITU-RSM1268.1. Pertanto, dopo aver regolato il processore audio A in base allo standard consigliato, è possibile ottenere una qualità di trasmissione teoricamente superiore. Per questo motivo, è stato progettato il seguente esperimento di verifica.
3.4, verifica
Un programma trasmesso viene elaborato dal processore audio A e quindi trasmesso al trasmettitore A per la trasmissione. L'ingegnere regola il processore audio A in condizioni di trasmissione ininterrotta. Il ricevitore di monitoraggio radio riceve il segnale di radiofrequenza della stazione A e segue lo standard ITU-RSM.1268.1 per eseguire l'analisi statistica della deviazione di frequenza massima del segnale FM e confrontare i dati prima e dopo la regolazione del processore audio A. La descrizione di l'esperimento di verifica è mostrato nella Figura 11.

Figura 11. Processo di test

Figura 12. Distribuzione della deviazione di frequenza cumulativa
Dalla distribuzione statistica della deviazione di frequenza, per la stessa sorgente di programma, la deviazione della frequenza del segnale prima della regolazione è distribuita principalmente da 25kHz-95% a 45kHz-5% in una curva a mezza campana e la deviazione della frequenza del segnale dopo la regolazione è distribuita principalmente da 45 kHz al 95%. Mostra una curva a mezza campana a 55KHz-95%. Al contrario, il valore di offset della frequenza del segnale regolato è maggiore e la distribuzione è più completa. Dal punto di vista dell'ascolto, la qualità del suono e il volume regolati sono notevolmente migliorati rispetto a prima.
Quattro, conclusione dell'esperimento di verifica
Nel caso della stessa sorgente di programma, regolando il livello di uscita di riferimento del processore audio, la distribuzione dell'offset di frequenza può essere migliorata per renderla più piena e il valore dell'offset di frequenza è maggiore.
Per la stessa sorgente audio, la distribuzione massima della deviazione di frequenza dopo la modulazione FM può influenzare il volume e la saturazione del suono demodulato. Regolando le impostazioni dei parametri del processore audio, il segnale FM è più in linea con la specifica ITU-R, che può rendere il suono di ascolto più forte e pieno. Pertanto, l'uso di apparecchiature di monitoraggio della trasmissione per rilevare i parametri di trasmissione FM e regolare l'apparecchiatura nel collegamento di trasmissione secondo lo standard ITU-R per questi parametri può ottenere una qualità di trasmissione superiore.
Ciò mostra anche che l'uso di apparecchiature di monitoraggio delle trasmissioni per monitorare le trasmissioni FM è un mezzo efficace per garantire la qualità della trasmissione delle trasmissioni FM.
V. Outlook
Il ricevitore di monitoraggio delle trasmissioni basato sull'architettura radio software utilizzata in questo articolo è un dispositivo di acquisizione a canale singolo con relativamente pochi parametri di test e l'analisi manuale è richiesta dopo l'acquisizione, che è relativamente inefficiente. Con lo sviluppo e il progresso della scienza e della tecnologia, combinati con i problemi incontrati nell'esperimento, vengono proposte alcune prospettive per le future apparecchiature di monitoraggio e ricezione delle trasmissioni FM:
1. Registrazione in tempo reale di segnali di trasmissione FM a banda intera da 87 MHz a 108 MHz.
2. Dotato di un disk array di grande capacità, che può registrare XNUMX ore su XNUMX e realizzare funzioni avanzate come la registrazione del tempo.
3. Può essere controllato in remoto per realizzare funzioni come il monitoraggio non presidiato, l'analisi automatica e la generazione di report.
4. Supporta il database, che può riprodurre lo spettro di frequenze e la frequenza audio in qualsiasi momento e con qualsiasi frequenza.
5. La configurazione del sistema diversificata può soddisfare le esigenze di diversi clienti.
6. Il design modulare di software e hardware è conveniente per l'espansione del sistema e lo sviluppo secondario.

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