调频广播数字化改造

周川宁

（作者单位：四川广播电视集团服务部）

1 改造原因

调频广播经历模拟调频广播时代。模拟调频广播信号带宽宽、占用频率、节目信号易受干扰。同时，模拟调频广播机采用分离器件生产，各个电子分离器件经历长时间运行使用，会出现不同类型的播出故障。对广播节目播出带来隐患，使正常的广播工作受到影响。由于受分离电子元器件、模拟电路设计技术等限制，广播设备技术参数、技术指标已很难进一步提高。

模拟调频广播在当今社会条件下已不能满足节目播出和用户收听需求。无线频率资源有限，为提高调频广播的正常播出率，充分利用好广播频率资源，对调频广播升级换代势在必行。

数字调频广播是代替模拟调频广播的最佳选项。数字广播以数字技术为基础，采用先进的音频编码、压缩、信道编码以及数字调制、传输技术，对广播节目的采集、制作、传输过程进行全面数字化的处理[1]。

数字调频广播具有声音清晰、稳定性强、受干扰小、安装建设方便等优点，在多语种专业会议广播、教育教学广播中得到有效运用。科技的进步与数字技术的发展为原有模拟广播的升级换代提供了技术保障。数字技术在广电行业的应用，能够提高广播播出工作效率、减少播出故障率、降低使用成本，为广播电视行业安全高效运行提供坚实的技术支持。

本次数字化改造，更换发射机的同时，保留了原有播出天馈系统，并采用专业设备对天馈系统进行测试，检测馈缆有无损伤及链接是否正常。天线和馈缆的利旧使用，为礼堂调频广播的更新改造节约了改造费用。

为加强播出质量和效果，本次数字化改造对音频信号的调制混合及线路传输一并整改，提升音频质量，整合音频信源，为数字调频广播播出提供优质的音频信号。

2 改造内容

第一，将模拟调频发射机更换为数字调频发射机。

第二，天馈系统材料（天线及馈缆）不换，对各个不同频点的天馈系统重新布置，并利用天馈测试仪器对天馈系统进行全面检测。

第三，更换音频合成系统，重新布置音频线路，新增调音台等专业音频设备。

2.1 数字调频广播机

本次改造采用的数字调频广播设备是成都成广电视设备有限公司开发生产的立体声数字调频广播发射机。该设备采用数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）和数字频率合成（Direct Digital Synthesizer,DDS）核心技术，该技术采用大规模集成电路，利用集成芯片替代分离器件，实现数字信号的处理功能。将数字音频复合信号调制到射频工作频率上，其频响失真、信噪比、立体声分离度等指标，大大优于模拟发射机。用数字处理技术的调频发射机，是目前最先进的调频发射机。

数字调频广播机与模拟调频广播机相比较，有以下优势：

（1）采用数字集成芯片制造，集成化高，分离器件减少。可靠性高，质量有保障。

（2）设备电路设计方案优，数字芯片功能强。技术指标高，满足国家行业标准。

（3）使用功能强，发射机菜单操作人性化，工作频率与功率可调。

（4）采用数字锁屏技术，信噪比高，抗干扰性强。

（5）谐波、杂波抑制好，发射机同房播出，不同频率天线可以同塔播出互不干扰，节约塔站建设。

（6）采用时钟芯片，可以定时开关机。

数字调频广播技术参数如下：

频率范围： 87 ～108 MHz

载频允许偏差： ≤1 000 Hz

频偏： ±75 kHz

预加重： 50 us

最大调制容量： ±100 kHz

音频输入阻抗： 600 Ω(平衡)／10 kΩ(不平衡)可选

音频输入电平： -13 dBm ～+13 dBm

残波辐射： 低于载波60 dB

频率响应： ±0.2 dB 内(30 ～15 000 Hz，发射机加重、调制度仪去加重)

导频频率： 19 kHz±1 Hz

谐波失真： ≤0.5%(±75 kHz 频偏时)

调频信噪比： ≥60 dB(1 000 Hz 调制,±75 kHz 频偏时)

寄生调幅： ＜-60 dB(无调制)

副载波抑制度： ＜40 dB

左右声道电平差：＜0.2 dB

左右信号分离度：≥50 dB

以下是本次改造使用的立体声数字调频广播发射机（FM-10-II）设计图。

2.1.1 数字调频发射机原理

数字信号处理（DSP）和数字频率合成（DDS）这两个部分就是数字编码和数字调频，已调频信号送到前级功放，放大到额定功率，再推动末级功放放大，经低通滤波器和取样电路输出。如图1 所示：

图1 调频广播发射机方框图

2.1.2 信号数字编码和数字调频

信号数字编码和数字调频过程如图2 所示，左右声道模拟音频信号送入激励器，通过平衡/不平衡转换后，再通过预加重电路加重，送到高速模/数转换器（A/D）采样，高速模/数转换器（A/D）以24 位192 K 的速率采样，使模拟信号量化成数字信号后送到现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array,FPGA）进行编码产生复合数字信号。通过中央处理器（Central Processing Unit, CPU）控制频率值和数字频率合成混合电路实现频率调制，最后FPGA 输出的数字信号通过16 位1 G 速率的高速数/模转换器（D/A）后，将数字信号还原成87.0 ～108 MHz 频率的已调射频模拟信号，再通过108 MHz 的低通滤波器输出0 dBm 的射频信号到功放部分。

图2 编码调制单元方框图

2.1.3 现场可编程门阵列（FPGA）工作原理

现场可编程门阵列（FPGA）集成芯片在数字调频广播中被广泛使用，该器件具有灵活高效、高吞吐量、低批量延时、快速并行运算、可重构、可重复编程、可实现定制性能和定制功耗等特点[2]。将音频等信号处理用编程信息嵌入FPAG 中，利用编程软件及FPAG逻辑电路能够很好地处理音频信号复用及数字合成。FPGA 工作原理如图3 所示：

图3 现场可编程门阵列（FPGA）工作原理图

CPU 控制器是数字调频广播的控制系统。通过CPU 嵌入数字调频广播用软件，实现在设备面板上操作功能软件，可对数字调频广播参数及播出功能进行在线调整，使广播发挥最佳状态。CPU 控制器在数字化设备中得到广泛使用。

数字调频广播面板具有输出立体声信号、单声道信号选择，功率大小调整，频率变动调整，频率、电压、功率、反射及驻波比等显示功能。该设备电路理念设计先进，数字化集成度高，播出信号稳定，抗干扰性强，体积小，适合机架式安装。

本次采用数字调频机功率在10 ～30 W 可调，频率在87 ～108 MHz 可调，根据现场收听用户情况，及时调整播出功率，方便用户收听。在会议开始前确定播出频率，同时调整好接收器的接收频率，并校准接收器接收信号质量，以上工作必须严谨细致，方能为用户提供优质服务。

和模拟广播播出方式一样，除了播出主机，同时备份一台副机，以备紧急情况下临时更换使用。主、备机安装在同一个机柜上，将输出天馈线缆与输入音频信号线缆预留足够长度，在更换主、备机时可以不必搬动设备，只需重新接入输出、输入线缆即可。如果采用自动切换主、备设备技术，需重新采购控制设备，增加预算成本。在本次改造中暂时不予考虑采用此项技术。

数字调频广播发射机集成大量数字信号处理功能，优化音频信号播出质量，极大改善广播收听接收效果，是数字信号在广播电器设备中转型升级的代表。

2.2 天馈系统调试

2.2.1 天馈系统材料

天馈系统是广播播出的关键环节，天馈系统主要包含调频广播天线和广播专用馈缆。礼堂会场原有调频广播天馈系统已建成10 余年，由于会场工作需要，对天馈系统使用场地进行多次改动。天线和馈缆的收捡与重新布置会对天馈系统的正常使用产生影响，本次数字调频广播的改造，增加对天馈系统进行全面检测事项，并最终确定天馈系统固定使用场地。通过测试天馈系统各项技术指标，判断原有系统所用材料（天线与馈管）能否满足广播播出要求。

考虑到礼堂的多语言广播需求，本次改造采用多频点播出调频广播。根据礼堂内部建筑结构，确认不可能采用供塔方式集中安放广播天线。因此，各个频点天馈系统的天线需要间隔一定距离，安装在同层的不同位置。由于是全方位天线，对天线指向性不作特别考虑。重要是对不同频点的天馈系统进行分别测试，检验天馈材料质量能否符合广播要求。每套天馈系统使用的材料（天线或馈缆）都为同一厂家，测试材料参数可以保持一致。

调频广播天线采用全方位、水平极化的单层十字型天线（见图4）。该天线有带宽宽、增益高优点，由镀锌铝管制成，天线单边长度为1.5 m，半波长，匹配阻抗为50 Ω，可直接和馈缆连接。

图4 全方位单层十字天线

广播用同轴馈线采用汉胜RF50 馈缆，该馈缆中心为实心单股纯铜导线，相邻外层有发泡泡沫作绝缘层，再外层采用固态屏蔽铜管，最外层是耐用绝缘材料，能够对线缆起保护作用。要求馈线以低损耗、频带宽传输广播信号，不向外辐射能量，损耗小效率高，能使发射机能量尽可能多地馈送到天线，且经久耐用。铜馈线缆阻抗为50 Ω，与发射机输出和天线阻抗相匹配。

2.2.2 天馈系统检测

数改模升级工作中，保留原有天馈系统并继续使用，但需要对该系统进行检测。由于天馈系统使用多年，一个微小的天馈故障也会引起广播质量问题。为判断天线及馈线等器材是否还能继续使用，预防该系统对广播播出产生影响，需要采用专业设备对该系统进行检测。天馈系统主要存在的问题体现在：馈线扭曲、连接器锈蚀、雷天袭击、馈线进雨水、缆线穿孔、其他天线干扰等问题。该类问题影响天馈系统性能，并让广播信号覆盖下降，最终可能导致广播信号中断。

对天馈系统外观检测比较简单，根据维护要求及维护经验，可以很快判断天线与馈线存在的问题，如馈线的布放曲直、连接器松紧及防锈等问题可以及时处理。但对于线缆质量好坏，天线和线缆连接正常与否就不能依靠经验来判断。此次对天馈系统检测主要是判断线缆是否有故障点，以及故障点位置，此类问题只能依靠专用设备对系统进行检测。

由于天馈系统在使用中多次搬动，每次搬动的过程就是一次天线和馈缆的拆除与重新组合过程。虽然每次搬动都是按照广播工程要求由专人实施，但是相关线缆材料和接口经多次拆除与组合，难免不会给天线和线缆造成影响。特别是馈线线缆，由于多次铺放和收理，缆线内部金属材料和屏蔽泡沫层之间来回弯曲扭动，会对线缆屏蔽效果产生影响。为了判断天馈系统能否正常使用，及时排除天馈系统故障隐患，对天馈系统进行技术检测势在必行。

2.2.3 天馈仪器操作

天馈检测仪是天馈系统检测的专用设备。该仪器是天馈系统安装、调试、维护测试设备，使用该设备能够大大减轻天馈系统的维护成本，提高广播播出质量和广播接收效果。检测仪测试模式有以下两种：匹配测量模式和故障定位模式。测试功能有：驻波比测试、电缆损耗测试和射频功率测试等。以上模式与功能可以对全面检测天馈系统能否正常运行提供可靠依据。除以上主要功能外，检测仪还具有高清晰彩显、多点检测、结果打印、长时间待机、快速扫描和数字读数及模拟刻度盘显示等辅助功能。

本文主要介绍故障定位测试模式。使用天馈检测仪器的故障定位模式，检测天馈系统故障点测试。通过测试工作，判断故障点位置以及馈线线缆是否能正常使用。在使用仪器前需要对检测仪进行自检校准，仪器的正确校准是开展测试工作的前提。

仪器校准步骤如下：

先设置好需要测试频率，然后进行校准。利用随机校准器件：50 Ω 负载、标准开路器、标准短路器等器件，各个器件依次接入天馈仪测试端口。每接入一个器件按下仪器上对应的校准确认键：OPEN（负载测试）、SHORT（开路测试）、LOAD（短路测试）等，每次按键后听到“滴”声，表明此次校准通过，可以进行下一项校准测试。

仪器校准后可对天馈系统进行重点项目测试——天馈系统故障定位。

测试故障定位需要熟练掌握天馈仪，对天馈仪输入和调试需要测试的参数。其中，重要的操作内容有设置频率跨度及中心频率、设置最大距离、设置馈缆类型、设置故障点位测量量程单位、设置采样点、设置故障门限、测试数据保持、曲线平滑设置及打印等。

通过正确设置才能更好地取得测试效果，在设置过程中有的数据需要手动输入，有的数据仪器自带。同时，不同数据的输入，需要对仪器再次进行校准。

天馈仪器测出数据的显示方式多种多样。主要采用曲线图示方式，曲线图示比较直观，有匹配模式的X-Y 轴曲线显示、故障定位模式的门限曲线显示。

匹配模式是测试方式之一，测试结果通过X-Y 轴显示，X 轴显示到天馈线分析仪的距离，Y 轴显示不连续点相关强度。

故障定位模式的门限显示中，故障门限是一条水平线，位置在设定值处，超差测试将曲线与故障门限进行比较。如果所有的曲线都位于故障门限以下，在屏幕底部显示“PASS”。如果曲线的任何部分超过故障门限（超出部分变为红色），同时在屏幕底部显示“FALL”。超差测试可以伴随音频状态，当曲线的任何部分超过故障门限时，仪器会发出“嘟嘟”声，通过声音提示测试人员测出故障点位位置，引起工作人员注意。

利用天馈仪的以上两种测试功能，能很好地检测天馈系统中存在的隐患，同时极大提高检测人员工作的效率。

经过匹配测试和故障定位门限测试判断天馈系统天线、馈缆都没有发现问题，匹配模式X-Y 轴图像显示电缆阻抗曲线平滑，无突出点位显示。说明馈缆虽然使用多年但是质量还是符合工程要求，可以继续使用。天线及馈线能正常连接，测试显示无超出故障定位门限的点位。天馈系统各项技术参数符合调频广播播出要求。通过仪器对天馈系统进行测试，不但能够确认系统的可用性，而且能够确定天馈系统的安装布局。利用本次改造测试，将天馈系统天线和馈缆永久固定在会议现场最佳位置，使系统布局位置不再因房间装修改造而改动变更。

仪器对系统的检测测试，是天馈系统正常使用的前提条件。在接下来的天线方向调试中，则需要调频广播开机实时收听监测，通过现场收听，正确判断广播的播出效果。城市发展需要、无线频率设备的使用，以及各种电子电器设备的电磁发射，会对会场中的调频广播设备及其广播信号产生干扰。虽然数字调频广播的抗干扰能力比模拟调频广播好，但播出功率大小、天线安放位置，以及广播天线方位的偏差等因素，同样会对调频广播接收效果产生影响。如果不能正确调试天线方位和布放位置，即使广播硬件设备与天馈系统连接再好，也会影响收听效果。

在会场现场经过对天线夹角和仰角的反复调试，利用调频接收机，对会场不同区域、不同方位，以及不同时间段的广播测试信号进行测试收听。通过测试收听，得出广播接收效果好、噪声极小、声音动态范围大、音色丰满清晰；立体声接收立体感强，有很强的穿透性[3]。改造后的接收效果满足调频广播收听要求，符合国家发布的广播接听标准。

2.3 音频传输

2.3.1 存在问题

音频传输过程对广播播出有极大影响。在改造前，礼堂音频信号采集器和信号传输采用简单的音效器材，如普通动圈麦克风、经过改造的音频信号接收放大器、无缘音频信号混合器等。由于以上传输器材已使用多年，各个器件插头、插座等连接器焊接点发生氧化，音量旋钮已出现松动等问题，在正常播出过程中音频信号随时会出现噪声和无声等现象。虽然有备用预案，可以在短时间内成功处理故障，但临时处理工作会对现场广播播出效果带来影响。

利用此次广播改造机会，将原有广播用拾音器、音频信号接收放大器及音频信号混合器进行升级更换，采用高指向性的电容式麦克风和多路混音调音台替代原有设备。对音频线缆重新更换，在室内预埋屏蔽效果好的音频线缆，规范并标注各个音频信号线路走向。

2.3.2 更新需要

电容式麦克风的振膜特别轻薄，接收灵敏度高，具有音频范围宽、高指向性等有优点，让音频信号转为电信号更完整，能够比动圈式麦克风更精确地跟踪声波的变化，具有更高的动态输出和更低的噪声等功能，实现声音采集最详细，再现声音还原最准确[4]。电容式麦克风需要电源供电，不论采用幻象电源还是干电池供电，特别是干电池供电，电池电量不足会影响话筒传声效果，所以会前必须检查电容式话筒的供电能力。

不同语言播出工作组，各组配备一台多路调音台。采用多路调音台替代音频信号混合器。调音台在扩声系统和影音录音中是一种经常使用的设备，它具有多路输入，每路的声信号可以单独进行处理，例如：可放大，作高音、中音、低音方面的音质补偿，给输入的声音增加韵味，对该路声源作空间定位等;还可以进行各种声音的混合，混合比例可调;拥有多种输出(包括左右立体声输出、编辑输出、混合单声输出、监听输出、录音输出以及各种辅助输出等)[5]。调音台输入接口同时汇聚多名播音员的播音信号，根据不同的播音员的播音状况，利用调音台对播音效果进行优化，可以做到对声音音频信号进行高、中、低音等调整。同时，能够很好地控制各个播音人员播出声音的现场切换。

使用调音技术现场处理各种信源干扰，把噪声信号降到最低。同时，对其他音频线路等音频信号进行混合加工，在播出广播同时或播音间隙时间，播出音乐等音频信号，调节会场调频广播接收收听氛围。调音台操作简单、使用方便，音频信号处理效果好，能够提高调频广播的音频接收效果。

电容麦克风传送的播音音频信号，以及各个音频线路的音源信号汇聚到调音台，通过调音台对各种音频信号润色处理与调制后，将优质的播音音频信号提供给数字调频广播发射机播出。

3 结语

调频广播系统的升级改造，不仅更换了先进的广播设备，同时还利用广播检测专用设备，对原有广播器材及现场安装建设环境进行测试。在使用天馈测试仪时，需要深入了解仪器的使用方法，掌握参数正确设置过程，进而快速、高效、准确显示测试的各项技术指标。找准最佳安装点位，做好天馈系统有效连接，为调频广播安装建设提供依据，为广播的后期使用和维护提供保障。此次升级换代为收听用户提供了优质的立体声调频广播，并改善了调频广播的收听效果。