שידור FM באמצעות שידור רדיו להעברת אותות שידור
I. סקירה כללית
הרעיון של אפנון תדרים (FM). FM היא הדרך העיקרית לממש שידורי סאונד באיכות גבוהה ושידורי סטריאו בעת החדשה. הוא מעביר אותות שמע במצב אפנון תדרים. המוביל של גל ה- FM משתנה בתדר המרכזי של המוביל כאשר אות אפנון האודיו משתנה (תדר המרכז לפני אי-מודולציה) משתנה משני הצדדים, וזמני שינוי סטיית התדרים בשנייה תואמים את תדר האפנון של אות השמע. . אם תדר אות האודיו הוא 1kHz, זמני שינוי סטיית התדרים של המוביל הם גם 1k לשנייה. גודל סטיית התדרים תלוי במשרעת אות השמע.
הרעיון של FM סטריאו, FM סטריאו מקודד תחילה את האותות של שני תדרי שמע (ערוצים שמאלה וימינה) כדי להשיג סט של אותות סטריאו מרוכבים בתדרים נמוכים, ואז FM מבוצע במוביל בתדרים הגבוהים. סטריאו FM מחולק לשלושה סוגים: מערכת חלוקת תדרים (ומערכת הפרש), מערכת חלוקת זמן ומערכת אותות כיוונית על פי שיטות עיבוד שונות עבור סטריאו. בדרך כלל משתמשים כיום במערכת הפרשי הסכומים. מערכת הסכום וההפרש נמצאת במודולטור הסטריאו, אותות הערוץ השמאלי (L) והימני (R) מקודדים קודם כדי ליצור את אות הסכום (L + R) ואת אות ההפרש (LR), ואת אות הסכום ישירות נשלח לאפנן המוביל מהווה את אות הערוץ הראשי להאזנה תואמת לרדיו FM רגיל; אות ההפרש נשלח למאפנן המאוזן כדי לדכא את אפנון משרעת המוביל על מנשא המשנה, וגל האפנון המשרעת הכפול המתקבל של פס הצדדי המתקבל משמש כאות ערוץ המשנה, ואז משולב עם אות הסיכום Mix לווסת את המוביל הראשי. טווח התדרים של אות הערוץ המשני הוא 23 עד 53 קילוהרץ (38 ± 15 קילוהרץ), השייך לטווח השמע העל ולא יפריע להפעלת מונו. מכיוון שמוביל התנועה של גל ה- AM של ערוץ המשנה מדוכא, הרדיו הסטריאו אינו יכול לפתח ישירות את האות היוצא. לכן, יש ליצור ברדיו אות אות 38 קילו-הרץ בעל תדר ושלב זהה לזה של תת-המוביל של המערכת המשדרת. מסיבה זו, בקצה המשדר, במרווח שבין ספקטרום התדרים הראשי ותת-הערוץ, מועבר אות פיילוט נוסף של 19 קילו-הרץ (תדר תת-נושא 1/2) (PilotTone) כדי "להנחות" את נושא המשנה המחודש של 38 קילו-הרץ ברדיו. שיטת אפנון זו נקראת תדר טייס, והיא גם השיטה הנפוצה ביותר לחלוקת תדרים בשידורי סטריאו.
בהתאמה, על מנת למדוד אותות FM ואותות FM סטריאו, הפרמטרים הבאים נמדדים בדרך כלל בעולם.
1.1, רוחב פס תפוס
על פי המלצות ITU, מדידת רוחב הפס של האות מבוססת בדרך כלל על הספקטרום בשתי שיטות: "רוחב הפס תפוס של% β" ו- "רוחב הפס x-dB". רוחב הפס תפוס β% מוצג באיור 1. שיטת המדידה היא לספור תחילה את ההספק הכולל ברוחב הפס הניטור, ואז לצבור את העוצמה של קווי הספקטרום משני הצדדים לאמצע בספקטרום עד שהספק והסך הכל הספק (β / 2)%, בהתאמה מוגדר כ- f1 ו- f2, רוחב הפס המוגדר שווה ל- f2-f1; ורוחב הפס x-dB מוצג באיור 2. שיטת המדידה היא למצוא תחילה את הפסגה או את הנקודה הגבוהה ביותר בספקטרום, ואז מהנקודה הגבוהה ביותר לשני הצדדים שני קווי הספקטרום הופכים את כל קווי הספקטרום מחוץ לשני אלה קווי הספקטרום לפחות xdB קטנים מהנקודה הגבוהה ביותר, והפרש התדרים המתאים לשני קווי הספקטרום הוא רוחב הפס.
בהמלצות ITU ורדיו וטלוויזיה, β בדרך כלל לוקח 99, ו- x בדרך כלל 26, כלומר רוחב הפס של 99% ורוחב הפס של 26dB שנאמר לעתים קרובות.
איור 2. רוחב הפס x-dB
1.2 סטיית תדרים
סטיית תדרים באות FM מתייחסת למשרעת גל התדר של גל ה- FM, המשתנה עם תנודות צורת הגל של המידע (או הקול). סטיית התדרים הנמדדת בדרך כלל על ידי מכשיר או מקלט מתייחסת למעשה לסטיית התדרים המקסימלית בתוך פרק זמן. התפלגות וגודל סטיית התדרים המקסימלית קובעים את איכות הצליל ואת עוצמת הקול של האודיו הנשמע, הקובע גם את פליטת רדיו FM. איכות.
המטרה העיקרית של מאמר זה היא לחקור את איכות השידור של שידורי FM, ולכן על פי התיאור לעיל, יש לשים לב למדד קיזוז התדרים.
ל- ITU-R תיאור מפורט של מדידת סטיית תדר האות FM:
שיטת מדידת סטיית התדרים היא לקחת פרק זמן (אורך הזמן המומלץ הוא 50ms) כדי למדוד את סטיית התדרים ביחס לנשא בכל נקודת דגימה, והערך המקסימלי הוא סטיית התדרים המרבית. אך על מנת לקבל הבנה מעמיקה יותר של קיזוז התדרים, ניתן להשתמש בהיסטוגרמה סטטיסטית המעודכנת לאורך זמן לביטוי מאפייני האות שלה. שיטת חישוב ההיסטוגרמה של סטיית התדרים היא כדלקמן:
1). מדוד את סטיית התדרים המרבית N עם תקופה של 50ms. אורך תקופת המדידה ישפיע באופן משמעותי על ההיסטוגרמה, ולכן נדרשת תקופת מדידה קבועה בכדי להבטיח את יכולת ההדדתיות של תוצאות המדידה. יחד עם זאת, בחירה של 50ms כתקופת המדידה יכולה להבטיח שעדיין ניתן למדוד את סטיית התדרים המקסימלית כאשר תדר האפנון נמוך עד 20Hz.
2). חלק את טווח סטיית התדרים שצריך לספור (0 ～ 150kHz במאמר זה), תוך שימוש ב- 1kHz (רזולוציה) כיחידה, וחלק אותו לחלקים שווים (במאמר זה, 150 חלקים שווים).
3). בכל נתח, ספרו את מספר הנקודות בערך התדרים המקביל וצורת הגל המתקבלת צריכה להיות בערך כפי שמוצג באיור 3 (כלומר, היסטוגרמת התפלגות קיזוז תדרים), כאשר ציר X מייצג את התדר, וציר Y מייצג את תדירות מרבית. מספר הנקודות הנופלות בערך התדר המקביל.
איור 3. היסטוגרמה של התפלגות קיזוז התדרים
4). צברו את מספר הנקודות בכל נתח, ונרמל את N באחוזים כיחידה כדי לקבל את הגרף המוצג באיור 4 (כלומר ההיסטוגרמה של ההתפלגות המצטברת של סטיית התדרים), כאשר ציר ה- X מייצג תדר, ו- Y הציר מייצג את ההסתברות שסטיית התדרים המרבית נופלת בתחום התדרים של ערך התדר המקביל. ההסתברות מתחילה ב 100% בקצה השמאלי ומסתיימת ב 0% בימין הקיצוני
איור 4. היסטוגרמה של התפלגות מצטברת של קיזוז תדרים
יחד עם זאת, ITU-R נותן מפרט הפניה (SM1268) להפצה המצטברת של סטיית התדרים המרבית, כפי שמוצג באיור 5.
איור 5. מפרט הפניה להפצה מצטברת של סטיית התדרים המרבית
המפרט קובע כי: האחוז הסטטיסטי של התפלגות קיזוז התדרים הגדול מ- 75 קילוהרץ אינו עולה על 22%, האחוז הסטטיסטי של התפלגות קיזוז התדרים הגדול מ- 80 קילוהרץ אינו עולה על 12%, והאחוז הסטטיסטי של התפלגות קיזוז התדרים גדול מ- 85 קילוהרץ אינו יעלה על 8%.
בהתבסס על התיאוריה הנ"ל, ניתן לדעת כי איכות השידור של אותות FM קשורה לגודל סטיית תדרי המוביל של FM לאחר שמווסת אות השמע המקורי. מדידה ושיפור ההתפלגות המצטברת של סטיית התדרים המרבית תסייע בשיפור איכות השידור של אותות FM.
2. יסוד חומרה
מאמר זה משתמש במקלט לניטור שידורים מודולרי המשתמש בטכנולוגיית ניטור הרדיו המתקדמת הנוכחית ועומד במפרט ה- ITU. המקלט מורכב ממודול קבלת רדיו דיגיטלי יוקרתי ומהמעבד המשובץ האחרון. ארכיטקטורת הרדיו המוגדרת על ידי תוכנה ואוטובוס הנתונים המהיר מבטיחים את יכולת הרחבה ומהירות הבדיקה של המקלט. המקלט משדרג ומודד אותות FM בהתאם לתקני מגזר הרדיו התקשורת הבינלאומי של האיחוד לטלקומוניקציה (ITU-R) ולמדריכים לניטור הספקטרום, ומספק פונקציות של ניתוח שמע ופס בסיס במיוחד ליישומי ניטור שידור. הפרמטרים המאפיינים הספציפיים הם כדלקמן:
רוחב פס תפוס (רוחב פס תפוס
קיזוז מוביל (CarrierOffset)
כוח בלהקה (PowerinBand)
סטיית מקסימום FM (FMMaximumDeviation)
סטיית תדרים מקסימלית של אות הערוץ הראשי (מקסימום תדר סטנדרטי של ערוץ הראשי (L + R))
סטיית התדרים המרבית של אות הפיילוט (Maximumfrequencydaviationofthepilottone)
סטיית התדרים המקסימלית של אות ערוץ המשנה (Maximumfrequencydeviationofsubchannel (LR)) מבנה ודיאגרמת הגוש העיקרית של ציוד הקבלה לניטור שידור מוצג באיור 6. מודול קבלת הרדיו הדיגיטלי מותקן בשלדה עם אוטובוס נתונים במהירות גבוהה ו מסגרת מחוזקת תעשייתית. הבקר המוטבע של מקלט זה משתמש במעבד מהיר, האחראי על השליטה במודול המקבל ועיבוד הנתונים שנאספו.
איור 6. תרשים חסימה של מבנה מקלט ניטור השידור
מודול קבלת הרדיו הדיגיטלי כולל שני מודולי משנה: מודול המרת RF למטה ומודול רכישת תדרים ביניים במהירות גבוהה.
מודול המרת RF למטה למטה ממיר את רצועת התדרים ה- RF המעניינת לאות תדר ביניים, ואז מעביר את אות התדרים הביניים למודול רכישת התדרים הביניים במהירות גבוהה.
ליבתו של מודול הרכישה המהיר של IF הוא ממיר ADC מהיר (ממיר אנלוגי לדיגיטלי) ושבב ייעודי להמרה דיגיטלית המספק פונקציות לעיבוד חומרה. עיבוד דיגיטלי של המרת מטה דיגיטלית מחלץ אותות פס רחב בזמן אמת וממיר אותם למטה למטה, אשר מתאים ללכידת אותות שידור, אותות אלחוטיים ואותות תקשורת אחרים. עיבוד דיגיטלי למטה למטה יכול גם להמיר את צורת גל האות של תדר הביניים שנאסף לפלט נתוני אות מורכב I / Q. מודול רכישת תדרים ביניים במהירות גבוהה משתמש בשבב ייעודי במהירות גבוהה לשידור נתונים, ומעביר נתונים לבקר באמצעות DMA, ומפחית את עומס מעבד הבקר, ומאפשר לו להתמקד בהשלמת ניתוח ועיבוד מתקדמים, תצוגה גרפית, ו חילוף מידע. . כפי שמוצג באיור 7:
איור 7. ארכיטקטורת מודול מקלט רדיו דיגיטלי
מודול המרת ה- RF למטה מחליש תחילה את האות כפי שצוין על ידי המשתמש, מעביר את מסנן הגלים האקוסטיים על פני השטח כדי לסנן את תדר התמונה לאחר המרה מעלה, ואז מבצע המרה רב-שלבית למטה, ולבסוף מוציא אות תדרים ביניים. . מודול המרת ה- RF למטה משתמש במתנד קריסטל בטמפרטורה קבועה עם דיוק גבוה ויציבות גבוהה כשעון הייחוס של המערכת כדי לספק דיוק בתדירות גבוהה במיוחד.
על מנת להקל על האריזה הקומפקטית, המודול משתמש במתנד מיקרו YIG בעל ביצועים גבוהים כדי ליצור את אות המתנד המקומי בתדירות גבוהה הנדרש לשלב ההמרה. מתנד ה- YIG הוא מעין מתנד שיכול ליצור אותות בתדירות גבוהה מאוד טהורים והוא לרוב גדול מאוד. מודול המרת ה- RF למטה בציוד משתמש בטכנולוגיה פורצת דרך בתחום זה ומשתמש במתנד YIG קטן מאוד בתכנון. ניתן לכוון את המתנד YIG לרצועת תדרים מוגדרת, המאפשרת למשתמשים לקבוע את התדר הנדרש על ידי מודול המרת ה- RF. תכנון תדרים מקיף וארכיטקטורת המרת תדרים רב-שלבית של מודול המרת RF למטה מבטיחים את המאפיינים המעולים של התגובה המזויפת הנמוכה של המכשיר והטווח הדינמי הגדול שלו. כפי שמוצג באיור 8:
\
איור 8. אדריכלות מודול המרת RF למטה
מאמר זה מנתח את הקשר בין איכות שידור שידורי FM לבין ההתפלגות המצטברת של סטיית התדרים, החל מהתאמת מעבד השמע של המשדר, באמצעות תחנה A (כולל מעבד שמע A ומשדר A) ותחנה B (כולל מעבד שמע B ומשדר מכונה ב) לשם השוואת דוגמאות, הניסויים הבאים מתוכננים.
ניסוי זה משפר בעיקר את ההתפלגות המצטברת של סטיית התדרים של אות ה- FM על ידי התאמת מעבד השמע כדי לאמת את הקשר שלו לאיכות שידור שידורי ה- FM.
3.2, מבחן
הניסוי משתמש בקובץ השמע של תוכנית שידור מסוימת, מעבד אותו באמצעות מעבדי שמע A ו- B, ומשדר אותם למשדרים A ו- B להעברה בו זמנית. שני המשדרים משתמשים באותן הגדרות. מקלט ניטור הרדיו שימש להקלטת אותות תדר הרדיו ממשדרים A ו- B בהתאמה, והאותות המוקלטים שימשו לניתוח סטטיסטי של סטיית התדרים המרבית של אות FM על פי תקן ITU-RSM.1268.1. התיאור של תהליך הניסוי בניתוח מוצג באיור 9. התוצאה מוצגת באיור 10
איור 9. תהליך בדיקה
איור 10. תרשים תפוצה של סטיית תדרים מצטברת
מההתפלגות הסטטיסטית של סטיית התדרים שהתקבלה מהניסוי, עבור אותו קובץ שמע, סטיית תדר האות של תחנה A מופצת בעיקר מ 10kHz-95% ל- 35kHz-5% בעקומת חצי פעמון, ותדר האות הסטייה של תחנה B היא בעיקר ההתפלגות מראה עקומת חצי פעמון מ 10kHz-95% ל- 75KHz-95%. אותות תחום הזמן של שתי התחנות מציגים מאפייני חלוקת הסתברות שונים. לעומת זאת, קיזוז תדר האות של תחנה B גדול יותר.
מנקודת מבט האזנה, איכות השמע של תחנה B טובה מזו של תחנה A, והנפח חזק יותר, כלומר איכות השידור טובה יותר.
3.3, ניפוי באגים
מכיוון שקבצי האודיו המועברים לשני מעבדי השמע זהים, גם ההגדרות של שני המשדרים זהות, אך התפלגות קיזוז תדר האות של תחנה A ותחנה B שונות, דבר המצביע על כך שמעבדי השמע של שתי התחנות הם שונה. משרעת סטיית תדר האות של אותו קובץ שמע שעובד על ידי מעבד שמע A היא יחסית קטנה, דבר המצביע על כך שההגדרה של מעבד השמע A לא הגיעה לתקן ITU-RSM1268.1. לכן, לאחר התאמת מעבד השמע A על פי התקן המומלץ, ניתן להשיג תיאורטית איכות שידור גבוהה יותר. מסיבה זו תוכנן ניסוי האימות הבא.
3.4, אימות
תוכנית שידור מעובדת על ידי מעבד שמע A ואז מועברת למשדר A להעברה. המהנדס מכוון את מעבד השמע A בתנאי שידור ללא הפרעה. מקלט ניטור הרדיו מקבל את אות תדר הרדיו של תחנה A ועוקב אחר תקן ITU-RSM.1268.1 לביצוע ניתוח סטטיסטי של סטיית התדרים המרבית של אות FM, והשוואת הנתונים לפני ואחרי התאמת מעבד השמע A. התיאור של ניסוי האימות מוצג באיור 11.
איור 11. תהליך בדיקה
איור 12. התפלגות סטיית התדרים המצטברת
מהתפלגות הסטטיסטית של סטיית התדרים, עבור אותו מקור תוכנית, סטיית תדר האות לפני ההתאמה מופצת בעיקר מ 25kHz-95% ל- 45kHz-5% בעקומת חצי פעמון, וסטיית תדר האות לאחר התאמה מופצת בעיקר מ 45kHz -95%. זה מראה עקומת חצי פעמון ל 55KHz-95%. לעומת זאת, ערך ההיסט של תדר האות המותאם גדול יותר, וההתפלגות מלאה יותר. מנקודת מבט האזנה, איכות הצליל והנפח המותאמים משופרים משמעותית בהשוואה לקודם.
ארבע, מסקנת ניסוי אימות
במקרה של אותו מקור תוכנית, על ידי התאמת רמת פלט הייחוס של מעבד השמע, ניתן לשפר את התפלגות קיזוז התדרים כדי להפוך אותו למלא יותר וערך קיזוז התדרים גדול יותר.
עבור אותו מקור שמע, התפלגות סטיית התדרים המרבית לאחר אפנון FM יכולה להשפיע על עוצמת הקול והרוויה של הצליל המפונק. על ידי התאמת הגדרות הפרמטר של מעבד השמע, אות ה- FM תואם יותר את המפרט ITU-R, מה שיכול להפוך את צליל ההאזנה לחזק ומלא יותר. לכן, השימוש בציוד ניטור שידור לאיתור פרמטרים של שידור FM והתאמת הציוד בקישור השידור על פי תקן ITU-R לפרמטרים אלה יכול להשיג איכות שידור גבוהה יותר.
זה מראה גם כי השימוש בציוד ניטור שידור לניטור שידורי FM הוא אמצעי יעיל להבטחת איכות שידור שידורי ה- FM.
V. Outlook
מקלט ניטור השידור המבוסס על ארכיטקטורת רדיו התוכנה המשמש במאמר זה הוא מכשיר רכישה של ערוץ יחיד עם מעט פרמטרים של בדיקה, וניתוח ידני נדרש לאחר הרכישה, שהוא יחסית לא יעיל. עם התפתחות ההתקדמות של מדע וטכנולוגיה, בשילוב עם הבעיות שנתקלו בניסוי, מוצעים כמה סיכויים לציוד ניטור וקליטה של שידורי FM בעתיד:
1. הקלטה בזמן אמת של אותות שידור FM מלאים מ- 87MHz ל- 108MHz.
2. מצויד במערך דיסק בעל קיבולת גדולה, שיכול להקליט מסביב לשעון ולממש פונקציות מתקדמות כמו הקלטת תזמון.
3. ניתן לשלוט מרחוק על מנת לממש פונקציות כגון ניטור ללא השגחה, ניתוח אוטומטי ויצירת דוחות.
4. תומך במסד הנתונים, שיכול לשחזר את ספקטרום התדרים ותדר השמע בכל עת ובכל תדר.
5. תצורת מערכת מגוונת יכולה לענות על צרכיהם של לקוחות שונים.
6. התכנון המודולרי של תוכנה וחומרה נוח להרחבת המערכת ולפיתוח משני.
המוצר השני שלנו:
