Siaran FM melalui transmisi radio untuk mengirimkan sinyal siaran
I. Ikhtisar
Konsep modulasi frekuensi (FM). FM adalah cara utama untuk mewujudkan penyiaran suara dengan ketelitian tinggi dan penyiaran stereo di zaman modern. Ini mengirimkan sinyal audio dalam mode modulasi frekuensi. Pembawa gelombang FM berubah pada frekuensi tengah pembawa saat sinyal modulasi audio berubah (Frekuensi pusat sebelum unmodulasi) berubah di kedua sisi, dan waktu perubahan deviasi frekuensi per detik konsisten dengan frekuensi modulasi sinyal audio . Jika frekuensi sinyal audio 1kHz, waktu perubahan deviasi frekuensi pembawa juga 1k kali per detik. Ukuran deviasi frekuensi tergantung pada amplitudo sinyal audio.
Konsep FM stereo, FM stereo pertama-tama menyandikan sinyal dari dua frekuensi audio (saluran kiri dan kanan) untuk mendapatkan satu set sinyal stereo komposit frekuensi rendah, dan kemudian FM dilakukan pada pembawa frekuensi tinggi. Stereo FM dibagi menjadi tiga jenis: sistem pembagian frekuensi (dan sistem perbedaan), sistem pembagian waktu, dan sistem sinyal arah sesuai dengan metode pemrosesan yang berbeda untuk stereo. Sistem perbedaan jumlah biasanya digunakan sekarang. Sistem penjumlahan dan perbedaan ada di modulator stereo, sinyal saluran kiri (L) dan kanan (R) dikodekan terlebih dahulu untuk membentuk sinyal penjumlahan (L + R) dan sinyal selisih (LR), dan sinyal penjumlahan langsung dikirim ke modulator. Operator merupakan sinyal saluran utama untuk mendengarkan yang kompatibel dengan radio FM biasa; sinyal perbedaan dikirim ke modulator yang seimbang untuk menekan modulasi amplitudo pembawa pada subcarrier, dan gelombang modulasi amplitudo tertekan sideband ganda yang diperoleh digunakan sebagai sinyal subchannel, dan kemudian digabungkan dengan campuran sinyal penjumlahan untuk memodulasi pembawa utama. Rentang frekuensi sinyal sub-saluran adalah 23 hingga 53kHz (38 ± 15kHz), yang termasuk dalam rentang audio super dan tidak akan mengganggu pemutaran mono. Karena sub-pembawa gelombang AM sub-saluran ditekan, radio stereo tidak dapat secara langsung mendemodulasi sinyal keluar. Oleh karena itu, sinyal 38kHz dengan frekuensi dan fase yang sama dengan sub-pembawa sistem transmisi harus dibangkitkan di radio untuk didemodulasi. Untuk alasan ini, di ujung pemancar, pada interval antara spektrum frekuensi utama dan sub-saluran, sinyal pilot 19kHz (1/2 frekuensi subcarrier) lainnya (PilotTone) ditransmisikan untuk "memandu" subcarrier regenerasi 38kHz di radio. Metode modulasi ini disebut frekuensi pilot, dan ini juga merupakan metode pembagian frekuensi yang paling banyak digunakan dalam penyiaran stereo.
Sejalan dengan itu, untuk mengukur sinyal FM dan sinyal FM stereo, parameter berikut biasanya diukur di dunia.
1.1, bandwidth yang ditempati
Berdasarkan rekomendasi ITU, pengukuran bandwidth sinyal biasanya didasarkan pada spektrum dengan menggunakan dua metode: "bandwidth β% terisi" dan "bandwidth x-dB". Bandwidth β% terisi ditunjukkan pada Gambar 1. Metode pengukurannya adalah menghitung daya total dalam bandwidth pemantauan terlebih dahulu, dan kemudian mengakumulasi kekuatan garis spektrum dari kedua sisi ke tengah pada spektrum hingga daya dan total power (β / 2)%, masing-masing didefinisikan sebagai f1 dan f2, bandwidth yang ditentukan sama dengan f2-f1; dan lebar pita x-dB ditunjukkan pada Gambar 2. Metode pengukurannya adalah menemukan puncak atau titik tertinggi pada spektrum terlebih dahulu, kemudian dari titik tertinggi ke kedua sisi Kedua garis spektral membuat semua garis spektral di luar keduanya garis spektrum setidaknya xdB lebih kecil dari titik tertinggi, dan perbedaan frekuensi yang sesuai dengan dua garis spektrum adalah bandwidth.
Dalam ITU dan rekomendasi radio dan televisi, β biasanya membutuhkan 99, dan x biasanya membutuhkan 26, yang merupakan bandwidth daya 99% dan bandwidth 26dB yang sering dikatakan.
Gambar 2. Bandwidth x-dB
1.2 Penyimpangan frekuensi
Deviasi Frekuensi dalam sinyal FM mengacu pada amplitudo ayunan frekuensi gelombang FM, yang berubah dengan fluktuasi bentuk gelombang informasi (atau suara). Penyimpangan frekuensi yang biasanya diukur oleh suatu instrumen atau penerima sebenarnya mengacu pada penyimpangan frekuensi maksimum dalam suatu periode waktu tertentu. Distribusi dan ukuran deviasi frekuensi maksimum menentukan kualitas suara dan volume audio yang didengar, yang juga menentukan emisi radio FM. kualitas.
Tujuan utama dari artikel ini adalah untuk mempelajari kualitas transmisi penyiaran FM, sehingga menurut uraian di atas perlu diperhatikan indeks offset frekuensi.
ITU-R memiliki penjelasan rinci tentang pengukuran deviasi frekuensi sinyal FM:
Metode pengukuran deviasi frekuensi adalah dengan mengambil periode waktu (panjang waktu yang disarankan adalah 50ms) untuk mengukur deviasi frekuensi relatif terhadap pembawa pada setiap titik pengambilan sampel, dan nilai maksimumnya adalah deviasi frekuensi maksimum. Tetapi untuk memiliki pemahaman yang lebih dalam tentang offset frekuensi, histogram statistik yang diperbarui dari waktu ke waktu dapat digunakan untuk mengekspresikan karakteristik sinyalnya. Metode penghitungan histogram deviasi frekuensi adalah sebagai berikut:
1). Ukur deviasi frekuensi maksimum N dengan periode 50ms. Lamanya periode pengukuran akan sangat mempengaruhi histogram, sehingga diperlukan periode pengukuran yang tetap untuk memastikan keterulangan hasil pengukuran. Pada saat yang sama, memilih 50ms sebagai periode pengukuran dapat memastikan bahwa deviasi frekuensi maksimum masih dapat diukur secara efektif ketika frekuensi modulasi serendah 20Hz.
2). Bagilah rentang deviasi frekuensi yang perlu dihitung (0 ～ 150kHz dalam artikel ini), gunakan 1kHz (resolusi) sebagai unit, dan bagi menjadi beberapa bagian yang sama (dalam artikel ini, 150 bagian yang sama).
3). Di setiap alikuot, hitung jumlah titik pada nilai frekuensi yang sesuai, dan bentuk gelombang yang diperoleh harus kira-kira seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3 (yaitu, histogram distribusi offset frekuensi), di mana sumbu X mewakili frekuensi, dan sumbu Y mewakili frekuensi. frekuensi maksimum. Jumlah titik yang jatuh pada nilai frekuensi yang sesuai.
Gambar 3. Histogram distribusi offset frekuensi
4). Kumpulkan jumlah titik di setiap alikuot, dan normalkan N dengan persentase sebagai satuan untuk mendapatkan grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4 (yaitu histogram distribusi kumulatif deviasi frekuensi), di mana sumbu X mewakili frekuensi, dan Y sumbu mewakili probabilitas bahwa deviasi frekuensi maksimum berada dalam rentang frekuensi dari nilai frekuensi yang sesuai. Probabilitas dimulai dari 100% di paling kiri dan berakhir di 0% di paling kanan
Gambar 4. Histogram distribusi kumulatif offset frekuensi
Pada saat yang sama, ITU-R memberikan spesifikasi referensi (SM1268) untuk distribusi kumulatif deviasi frekuensi maksimum, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 5. Spesifikasi referensi untuk distribusi kumulatif deviasi frekuensi maksimum
Spesifikasi menyatakan bahwa: persentase statistik distribusi offset frekuensi lebih besar dari 75kHz tidak melebihi 22%, persentase statistik distribusi offset frekuensi lebih besar dari 80kHz tidak melebihi 12%, dan persentase statistik distribusi offset frekuensi lebih besar dari 85kHz tidak melebihi 8%.
Berdasarkan teori diatas dapat diketahui bahwa kualitas transmisi sinyal FM berhubungan dengan besarnya deviasi frekuensi pembawa FM setelah sinyal audio asli dimodulasi. Mengukur dan meningkatkan distribusi kumulatif dari deviasi frekuensi maksimum akan membantu meningkatkan kualitas transmisi sinyal FM.
2. Fondasi perangkat keras
Artikel ini menggunakan penerima pemantauan siaran modular yang menggunakan teknologi pemantauan radio canggih saat ini dan sesuai dengan spesifikasi ITU. Penerima terdiri dari modul penerima radio digital kelas atas dan prosesor tertanam terbaru. Arsitektur radio yang ditentukan perangkat lunak dan bus data berkecepatan tinggi memastikan skalabilitas dan kecepatan uji penerima. Penerima mendemodulasi dan mengukur sinyal FM sesuai dengan standar International Telecommunication Union Radiocommunication Sector (ITU-R) dan manual pemantauan spektrum, dan menyediakan fungsi analisis audio dan pita dasar khusus untuk aplikasi pemantauan siaran. Parameter karakteristik spesifiknya adalah sebagai berikut:
Bandwidth yang Digunakan (OccupiedBandwidth
Operator Offset (Offset Operator)
Kekuatan di Band (PowerinBand)
Deviasi Maksimum FM (Deviasi Maksimum FM)
Penyimpangan frekuensi maksimum dari sinyal saluran utama (Penyimpangan frekuensi maksimum dari saluran utama (L + R))
Deviasi frekuensi maksimum dari sinyal pilot (deviasi frekuensi maksimum dari sinyal pilot)
Deviasi frekuensi maksimum dari sinyal subchannel (Maximumfrequency deviationofsubchannel (LR)) Struktur dan diagram blok prinsip dari peralatan penerima pemantauan siaran ditunjukkan pada Gambar 6. Modul penerima radio digital dipasang dalam sasis dengan bus data berkecepatan tinggi dan bingkai yang diperkuat industri. Pengontrol tertanam penerima ini menggunakan prosesor berkecepatan tinggi, yang bertanggung jawab untuk mengontrol modul penerima dan memproses data yang dikumpulkan.
Gambar 6. Diagram blok struktur penerima pemantauan siaran
Modul penerima radio digital mencakup dua sub-modul: modul konversi-turun RF dan modul perolehan frekuensi menengah berkecepatan tinggi.
Modul konversi-turun RF mengubah pita frekuensi RF yang diinginkan menjadi sinyal frekuensi menengah, dan kemudian mentransmisikan sinyal frekuensi menengah ke modul perolehan frekuensi menengah berkecepatan tinggi.
Inti dari modul akuisisi IF kecepatan tinggi adalah ADC berkecepatan tinggi (konverter analog-ke-digital) dan chip konversi turun digital khusus yang menyediakan fungsi pemrosesan perangkat keras. Pemrosesan konversi turun digital mengekstrak sinyal broadband secara real time dan mengonversinya ke baseband, yang sesuai untuk menangkap sinyal siaran, sinyal nirkabel, dan sinyal komunikasi lainnya. Pemrosesan konversi turun digital juga dapat mengubah bentuk gelombang sinyal frekuensi menengah yang dikumpulkan menjadi output data sinyal kompleks I / Q. Modul akuisisi frekuensi menengah berkecepatan tinggi menggunakan chip khusus berkecepatan tinggi yang dipatenkan untuk transmisi data, dan mentransmisikan data ke pengontrol melalui DMA, mengurangi beban CPU pengontrol, memungkinkannya untuk fokus menyelesaikan analisis dan pemrosesan lanjutan, tampilan grafis, dan pertukaran data. . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7:
Gambar 7. Arsitektur modul penerima radio digital
Modul konversi turun RF pertama-tama melemahkan sinyal seperti yang ditentukan oleh pengguna, melewati filter gelombang akustik permukaan untuk menyaring frekuensi gambar setelah konversi naik, dan kemudian melakukan konversi turun multi-tahap, dan akhirnya mengeluarkan sinyal frekuensi menengah . Modul konversi turun RF menggunakan osilator kristal suhu konstan presisi tinggi dan stabilitas tinggi sebagai jam referensi sistem untuk memberikan akurasi frekuensi yang sangat tinggi.
Untuk memfasilitasi pengemasan yang ringkas, modul menggunakan osilator mikro YIG berkinerja tinggi untuk menghasilkan sinyal osilator lokal frekuensi tinggi yang diperlukan untuk tahap konversi naik. Osilator YIG adalah sejenis osilator yang dapat menghasilkan sinyal frekuensi tinggi yang sangat murni dan seringkali sangat besar. Modul konversi turun RF pada peralatan menggunakan teknologi terobosan di bidang ini dan menggunakan osilator YIG yang sangat kecil dalam desainnya. Osilator YIG dapat disetel ke pita frekuensi tertentu, memungkinkan pengguna untuk menyetel frekuensi yang diperlukan oleh modul konversi turun RF. Perencanaan frekuensi yang komprehensif dan arsitektur konversi frekuensi multi-tahap dari modul konversi turun RF memastikan karakteristik yang sangat baik dari respons palsu yang rendah dari instrumen dan rentang dinamis yang besar. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8:
\
Gambar 8. Arsitektur modul konversi-turun RF
Artikel ini menganalisis hubungan antara kualitas transmisi siaran FM dan distribusi kumulatif deviasi frekuensi, mulai dari mengatur prosesor audio pemancar, menggunakan stasiun A (termasuk prosesor audio A dan pemancar A) dan stasiun B (termasuk prosesor audio B dan Mesin pemancar B) Untuk membandingkan sampel, eksperimen berikut dirancang.
Eksperimen ini terutama meningkatkan distribusi kumulatif dari deviasi frekuensi sinyal FM dengan menyesuaikan prosesor audio untuk memverifikasi hubungannya dengan kualitas transmisi siaran FM.
3.2, tes
Percobaan menggunakan file audio dari program siaran tertentu, memprosesnya melalui prosesor audio A dan B, dan mengirimkannya ke pemancar A dan B untuk transmisi pada waktu yang sama. Kedua pemancar menggunakan pengaturan yang sama. Penerima pemantauan radio digunakan untuk merekam sinyal frekuensi radio dari pemancar A dan B, dan sinyal yang direkam digunakan untuk analisis statistik deviasi frekuensi maksimum dari sinyal FM sesuai dengan standar ITU-RSM.1268.1. Uraian proses percobaan analisis ditunjukkan pada Gambar 9. Hasilnya ditunjukkan pada Gambar 10
Gambar 9. Proses pengujian
Gambar 10. Diagram distribusi deviasi frekuensi kumulatif
Dari distribusi statistik penyimpangan frekuensi yang diperoleh dari percobaan, untuk file audio yang sama, penyimpangan frekuensi sinyal stasiun A terutama didistribusikan dari 10kHz-95% hingga 35kHz-5% dalam kurva setengah lonceng, dan frekuensi sinyal deviasi stasiun B terutama Distribusi menunjukkan kurva setengah lonceng dari 10kHz-95% hingga 75KHz-95%. Sinyal domain waktu dari dua stasiun menunjukkan karakteristik distribusi probabilitas yang berbeda. Sebaliknya, offset frekuensi sinyal stasiun B lebih besar.
Dari segi mendengarkan, kualitas audio stasiun B lebih baik daripada stasiun A, dan volumenya lebih keras, artinya kualitas transmisi lebih baik.
3.3, debugging
Karena file audio yang ditransmisikan ke dua prosesor audio adalah sama, pengaturan kedua pemancar juga sama, tetapi distribusi offset frekuensi sinyal stasiun A dan stasiun B berbeda, yang menunjukkan bahwa prosesor audio kedua stasiun adalah berbeda. Amplitudo deviasi frekuensi sinyal dari file audio yang sama yang diproses oleh prosesor audio A relatif kecil, menunjukkan bahwa pengaturan prosesor audio A belum mencapai standar ITU-RSM1268.1. Oleh karena itu, setelah menyesuaikan prosesor audio A sesuai dengan standar yang disarankan, kualitas transmisi yang secara teoritis lebih tinggi dapat dicapai. Untuk alasan ini, percobaan verifikasi berikut dirancang.
3.4, verifikasi
Program siaran diproses oleh prosesor audio A dan kemudian dikirim ke pemancar A untuk transmisi. Teknisi menyesuaikan prosesor audio A dalam kondisi transmisi tidak terputus. Penerima pemantauan radio menerima sinyal frekuensi radio dari stasiun A dan mengikuti standar ITU-RSM.1268.1 untuk melakukan analisis statistik penyimpangan frekuensi maksimum dari sinyal FM, dan membandingkan data sebelum dan sesudah menyesuaikan prosesor audio A.Deskripsi tentang percobaan verifikasi ditunjukkan pada Gambar 11.
Gambar 11. Proses pengujian
Gambar 12. Distribusi deviasi frekuensi kumulatif
Dari distribusi statistik penyimpangan frekuensi, untuk sumber program yang sama, penyimpangan frekuensi sinyal sebelum penyesuaian terutama didistribusikan dari 25kHz-95% hingga 45kHz-5% dalam kurva setengah lonceng, dan penyimpangan frekuensi sinyal setelah penyesuaian terutama didistribusikan dari 45kHz-95%. Ini menunjukkan kurva setengah lonceng ke 55KHz-95%. Sebaliknya, nilai offset frekuensi sinyal yang disesuaikan lebih besar, dan distribusinya lebih penuh. Dari sudut pandang mendengarkan, kualitas dan volume suara yang telah disesuaikan meningkat secara signifikan dibandingkan sebelumnya.
Keempat, kesimpulan percobaan verifikasi
Dalam kasus sumber program yang sama, dengan menyesuaikan tingkat output referensi prosesor audio, distribusi offset frekuensi dapat ditingkatkan untuk membuatnya lebih penuh dan nilai offset frekuensi menjadi lebih besar.
Untuk sumber audio yang sama, distribusi deviasi frekuensi maksimum setelah modulasi FM dapat memengaruhi volume dan saturasi suara yang didemodulasi. Dengan menyesuaikan pengaturan parameter audio prosesor, sinyal FM lebih sesuai dengan spesifikasi ITU-R, yang dapat membuat suara yang didengarkan lebih nyaring dan penuh. Oleh karena itu, penggunaan peralatan pemantauan siaran untuk mendeteksi parameter siaran FM dan menyesuaikan peralatan di link siaran sesuai dengan standar ITU-R agar parameter tersebut dapat memperoleh kualitas transmisi yang lebih tinggi.
Hal ini juga menunjukkan bahwa penggunaan perangkat pemantau siaran untuk memantau siaran FM merupakan sarana yang efektif untuk menjamin kualitas transmisi siaran FM.
V. Pandangan
Penerima pemantauan siaran berdasarkan arsitektur perangkat lunak radio yang digunakan dalam artikel ini adalah perangkat akuisisi saluran tunggal dengan parameter uji yang relatif sedikit, dan analisis manual diperlukan setelah akuisisi, yang relatif tidak efisien. Dengan perkembangan dan kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi, dikombinasikan dengan masalah yang dihadapi dalam percobaan, beberapa prospek untuk peralatan pemantauan dan penerima siaran FM di masa depan diusulkan:
1. Perekaman real-time sinyal siaran FM full-band dari 87MHz hingga 108MHz.
2. Dilengkapi dengan array disk berkapasitas besar, yang dapat merekam sepanjang waktu dan mewujudkan fungsi lanjutan seperti perekaman waktu.
3. Dapat dikontrol dari jarak jauh untuk mewujudkan fungsi seperti pemantauan tanpa pengawasan, analisis otomatis, dan pembuatan laporan.
4. Mendukung database, yang dapat mereproduksi spektrum frekuensi dan frekuensi audio kapan saja dan di frekuensi apa saja.
5. Konfigurasi sistem yang beragam dapat memenuhi kebutuhan pelanggan yang berbeda.
6. Desain modular perangkat lunak dan perangkat keras cocok untuk perluasan sistem dan pengembangan sekunder.
produk kami yang lain:
