眼图在数字音频传输系统维护中的应用探讨

国家新闻出版广电总局2022台 吕红梅



眼图在数字音频传输系统维护中的应用探讨

国家新闻出版广电总局2022台 吕红梅

【摘要】本文介绍了数字音频信号的基带传输特性，示波器观测数字信号时眼图的形成原理，阐述了它在数字音频传输系统性能评测中的应用和在广播发送电台设备维护中的意义。

【关键词】眼图；数字音频；传输系统

1 引言

大功率中短波调幅广播发射机，常用于远距离音频节目发送。工作中，节目传输系统接收卫星广播信号，经过解码、解复用后由数字音频传输系统传送至各发送机房，经D/A转换后送至发射机高频功放，对载波信号进行幅度调制后上天线以电磁波的形式发送至各服务区。

数字音频信号的传输质量，直接影响到服务区的收听效果。因此，充分了解数字音频信号的传输特性、做好对音频信号传输通路的维护，以优化数字节目的传输质量，是基层台站维护工作的重要工作之一。眼图将数字传输信道上的各项参数直观的展示于我们面前，通过对眼图的观测，可以评估信道受干扰情况以及抗噪能力，可以调整接收滤波器以减小码间串扰，改善系统传输性能，是测量、维护数字音频通信链路最简单直观和行之有效的方法之一。

2 数字音频信号基带传输特性

广播发送中使用的数字音频信号，具有数字信号基带传输的共性。理想状况下的数字基带信号波形为矩形波，在研究其频谱时，往往只画出能量最集中的频谱范围，而实际应用中基带信号在频域内是无限延伸的。在应用中，由于信道的带宽是有限的，若传输码型直接采用矩形脉冲的基带信号，则系统接收端接收到的信号频谱与发送端的有所不同，必定产生波形失真。因此数字基带信号在信道传输中常采用滤波器产生出平滑的波形进行传输。

数字基带信号的产生由码型编码和波形形成两步完成。输入信号经码型编码后产生δ脉冲序列，δ脉冲序列经过波形形成单元后，转换为适合信道传输的波形信号，其方框图如图1所示。

图1 基带传输系统方框图

由奈奎斯特第一准则可知，数字信号通过某一信道传输时，如信号传输速率为Bb=2Bc （Bc为信道物理带宽），各码元的间隔T=1/2Bc，该数字序列就可以做到无码间干扰传输了，这时Bc=1/2T称为奈奎斯特带宽，T称为奈奎斯特间隔。也就是说接收端接收到的波形满足抽样值无失真传输的充要条件是：本码元仅在其抽样时刻上具有最大值而对其他码元的抽样时刻信号无影响，那么信号经过信道传输后虽然整个波形发生变化，只要其取样值保持不变，仍然可以通过再生判决，准确无误的恢复出原始信号。因此大部分数字信号的有线传输，信号频带并不是突然截止的，基带频谱是在逐渐衰减的，具体与设计时的滚降系数有关系，如图2所示。

图2 码元波形形成

3 眼图形成原理及其测量方法

噪声和码间串扰对数字音频信号的传输质量具有很大的影响，为改善其传输质量，在系统维护中常利用示波器观测码元传输效果，从而评估传输系统性能，根据实际情况当调整滤波器。观测中示波器所获得的图形，称为眼图。

需要观测眼图时，用一台具有时域分析功能的示波器，在示波器输入端加待测信号，同时以位定时信号作为扫描同步信号，调整示波器的水平扫描周期使其与接收码元的周期相同步。对于二进制数表示的数字信号，示波器上显示出的图形与人眼很像，因此称之为“眼图”。其生成原理如图3所示。首先示波器采集到一串连续的数据波形；然后使用软件恢复时钟，用恢复的时钟切割每个比特的波形；最后，所有比特叠加得到眼图。

图3 二进制眼图的形成

眼图显示出可能取得的数据波形图的所有瞬时值，在输入完全随机的情况下，各不同波形叠加后会形成若干个眼孔，眼孔开启的大小表征了信号的传输质量。在有噪声和符号间干扰的情况下，眼图是由很多具有一定偏移的线条组成，线条叠加后看起来如同构成眼图的线条变宽了，造成水平和垂直方向上眼睛的睁开程度均减小了，等效于眼图的聚焦点发生扩散。在理想情况下，即无噪声和码间串扰时，无波形失真，眼睛张开最大；当有噪声和码间串扰时，波形产生失真，引起眼睛部分闭合，因此可由眼图中眼睛张开的大小程度表示波形失真的程度。由此可见，通过观察眼图，可以直观的观测到噪声和码间串扰对传输系统的影响，评估某个数字音频传输系统的性能优劣。

如图4所示，把眼图抽象成一个模型，可以通过眼图获得以下信息：

图4 二电平数据信号眼图模型

（1）最佳抽样时刻，应该选择眼图张开最大的时刻，此时信噪比也最大。

（2）系统对定时误差的灵敏度由眼图斜边的斜率表示，斜率越大，系统对定时误差越灵敏，对定时稳定性的要求也越高。

（3）在抽样时刻，上下两个阴影区的高度称为信号失真量，它由码间串扰和噪声叠加形成，当码间串扰严重到一定程度时，眼睛将会完全闭合，此时无法通过再生决准确恢复出信息码元，必须对码间串扰进行纠正。

4 眼图在数字音频传输系统维护中的应用

在基层发射台站中，节目传输机房接从卫星接收数字音频信号，利用光纤远距离传输至发射机房，再由数字音频电缆送至每部发射机。系统中包含有光传输和电传输，中间节点较多，随着使用时间的推移，设备、线路均出现老化，再加上大功率发射机房的强电磁环境，势必会影响到传输系统的性能。因此，必须针对音频传输系统制定一套行之有效的测试、维护标准和方法，形成维护规程。而利用眼图测量法检验系统传输性能是最行之有效、可操作性最高的方法之一。

影响数字音频传输系统性能的主要测试指标有：数字信号的幅度值；信号延迟、抖动及传输阻抗等。在实际应用当中，传输系统出现异常的表现形式很多，但其本质大多由信号传输中的传输误码造成。通过观测眼图张合程度，可以判断出系统出现误码率的程度，从而采取有效措施以便提高信号传输质量。

外加噪声对数字信道的干扰主要有加性和乘性两种方式。加性噪声干扰由噪声和传输信号相加产生，地阻耦合、漏电流等产生的干扰，往往会叠加于信号上产生加性干扰，表现在眼图上，主要改变图形的纵向张合度。最可能的原因是由线路老化引起，可通过加强屏蔽、隔离、接地、滤波或更换传输线等方法予以抑制。乘性噪声干扰由噪声和传输信号相乘产生，主要产生原因是由传输线的衰减、时延和阻抗失配等因素引起的反射干扰和码间干扰，表现在眼图上，图像会发生抖动。实际故障排查中，对于周期性抖动，考虑开关电源和串扰，而随机抖动，多考虑基准时钟和锁相环PAL电路。

5 结语

通过对数字音频信号传输特性以及眼图形成原理的论述，可知眼图在音频传输系统维护中具有举足轻重的作用，对设备进行周期性测量、评估系统性能，提前处理可能发生的故障，做好预防性维护，对于确保安全传输发射工作具有重要的意义。

参考文献

［1］张卫纲.通信原理与通信技术［M］.西安电子科技大学出版社，2003.

［2］陈丽华.基带传输系统及其误码分析［M］.机械工业出版社，2005.