调频发射机指标测试系统

黄亦群 姜永福

（作者单位：紫金电视调频转播台）

我国广播系统的主要调制方式为调频和调幅，而从中央到地方大多数采用调频广播，在调频广播系统中发射机播出指标是衡量广播节目质量的重要标志。

1 调频广播概述

1.1 调频广播的优点与不足

调频广播是现代实现高保真声音广播和立体声广播的主要方式。其主要优点有：保真度高、抗干扰性强、信号稳定等。不足之处为传播距离近，限于有效范围内；存在多径失真现象，到达接收天线的电波有直射波，也有建筑物等反射过来的反射波。因反射波和直射波之间有行程差，亦即有相位差，从而形成同一信号的自相干扰现象，当反射波与直射波强度相比达到可比的程度时，由于反射波的作用会使解调后的音频信号产生失真或消失，这种失真称为多径失真[1]。在行驶的汽车内收听，多径失真表现为声音瞬间“沙哑”等。

1.2 调频广播的频率范围

我国调频广播频段范围为87～108 MHz，频道间隔为100 kHz，带宽为200 kHz。调频广播接收机的中频频率为10.7 MHz[2]。

1.3 调频波

调频波是一种等幅疏密波，与调幅信号不同，调频波的幅度保持不变，调频波的波形如图1所示[3]。

图1 调频波波形图

调频信号的瞬时频率和送入调制的调制波（即送入发射机的音频信号）的大小是成比例变化的。音频信号越大反映在调制信号上就是在那一个点上频率越大，而这个频率的疏密就是所需要的信息[4]。

设音频调制信号为：

公式（1）中，Uam为调制信号的振幅；Ωa为调制信号的角频率，Ωa=2πFa，Fa为调制信号频率。

又设载波信号为：

公式（2）中，Ucm为 载波信号的振幅；C为载波信号角频率，a=2πFC，FC为载波频率。

调制信号对载波进行频率调制后的调频波表达式为：

公式（3）中，Δm为调频波角频率的最大偏移。Δm=2πΔfm，Δfm为最大频偏。fm为调制指数，

2 调频广播测试指标

2.1 导频

调频信号采用的是立体声信号调制（见图2）。L、R两路音频信号在激励器中的音频处理板上经过预加重电路提高发射后传输过程中容易衰减到大于3 000 Hz音频信号的电平大小，然后送到矩阵电路，经过加、减变换，变为和信号M（M=L+R）及差信号S（S=L-R）。矩阵电路的M信号构成主信道信号，可直接送去调制主载波，以便于普通调频收音机兼容收听；S信号和副载波经过平衡调制和低通滤波器（Low Pass Filter, LPF）产生抑制载波后的调幅信号（副信道），这个信号再与和信号混合后去调制主载波。副信道的频率在23～53 kHz，而人耳的最大可听范围不会超过20 kHz，所以不会对音频信号产生任何干扰。但是，副载波抑制的存在使得接收端无法还原出差信号S，从而导致无法解调出左右声道信号。为解决这个问题，在主信道和副信道之间空格的频率上再添加一个38 kHz频率一半的19 kHz信号作为导频信号。接收端在接收到这个导频信号后经过倍频处理就可以还原出与发射端频率、相位一致的38 kHz[5]。

图2 立体声复合信号频谱图

2.2 预加重和去加重

在调频系统中，鉴频器输出的噪声信号功率谱和频率的增加是不成正比的，而是随着频率的增加呈现抛物线形状的增加。但实际的语音信号大多集中在低频和中频范围内，而其功率谱和频率是呈反比的，这就会导致低频噪声小，高频噪声大，而高频部分太低的信噪比显然会导致传输、接收困难。

为解决高频噪声问题，在调频广播（电视发射机的伴音部分也一样）的发射端加入预加重电路。也就是在噪声加入传输链路之前，通过预加重电路将信号的高频部分抬升一定量，来增加高频段信号的功率谱密度以提高输出的信噪比。

相应地，为了真实地还原信号，在接收端就要加上与发射端预加重电路对应的去加重电路，对高频部分压低。

预加重值按以下公式计算（50μs）：

公式（4）中，A为预加重值（dB），τ为预加重常数（50μs），f为频率值。表1为广播电视系统中常用测试频点对应的50μs预加重值。

表1 常用频率标准50μs预加重曲线值

2.3 调频波的频偏

调频波瞬时频率变化的程度一般用频偏表示，频偏是已调制的调频信号的瞬时频率与中心频率（即发射机播出的载波频率）之差。频偏与送入调制的音频信号的幅度大小成正比，而与调制信号的频率无关。频偏表示调频波的调制深度，它与调幅波的调幅度相对应。在我国调频系统中，规定发射机满调制最大的频偏为75 kHz（见图3），以此值作为调制度的100%。

图3 频偏频谱图

2.4 调频波的有效带宽

由于调频波频谱的边频分布太宽，在一般的调频广播中舍去幅度小于未调制载波幅度的10%的分量，这对调频波信号的失真影响不大。在调频广播中，规定最大调制度为75 kHz，最大音频频率为15 kHz，此时可计算得出有效通带为180 kHz，也即调频接收机为了达到高保真传输，其带宽应不窄于180 kHz。此外，载波的振幅在调制后比调制前要小，甚至小得很多。这时调频波的特点，载波的部分能量已转移到各边带波中，即传输边带波不需要另外消耗功率，因此，调频广播的发射功率有效利用率比调幅高。

2.5 立体声分离度

在调频解调器中，主信号（L+R）从鉴频器直接输出，而副信号（L-R）还需经过解调器。而且主信号频率在音频范围内，而副信号被移频到超音频范围，电路放大器对该信号的相位延时会不均匀。基于以上因素，故送到解码器的主、副信号之间总存在增益差和相位差，所以解码器开关信号对主、副信道进行解码后输出的左右音频信号中总存在相应的串音成分，而这种左、右信号相互串扰的程度常用分离度来表示。

分离度定义为一个声道的输出信号电压与另一声道信号串到该声道的串音分量电压之比。即设（UL）L为左声道输出电压；（UL）R为右声道信号串到左声道的串音电压，则立体声左声道的分离度为：

如果解调器与低放通道的平衡度非常好，他们的测量结果将比较一致。我国调频接收机参数性能标准中以分离度来考核整机立体声性能。

2.6 谐波失真

由于发射机通道的非线性，在解调出的音频信号中，除了有需要的基波调制分量外，还有由于非线性产生的大量不需要的谐波分量。这些产生的无用谐波分量将使发射机激励器输出的音频信号产生失真，这种由于产生谐波信号导致的失真称为谐波失真。通常用接收机解调出的1次、2次…n次谐波分量的有效值和接收机解调输出需要的有效信号有效值之比的百分数表示：

公式（7）中，Kn为总谐波失真，U1…Un为各次谐波电平有效值。

2.7 频率响应

发射机的音频频率响应是指用振幅恒定的音频信号调制时，其调制度随不同频率而变化的特性。

2.8 信噪比

用1 000 Hz的音频信号对载波进行调制，使总调制度为100%，并以此时在解码器输出端测的电平值为基准；去掉音频输入信号，并以此时在解码器输出端测的电平值为噪声电平值，并以基准电平与噪声电平的差值为信噪比。

2.9 左右声道电平差

在立体声播音或放音时，如果左右声道信号存在相位差和电平差，会对播音或放音质量产生一定影响，出现声像漂移、音量减小、噪声增大和失真等故障现象。左右声道相位差、电平差越大，音质也越差，严重时还会造成无音故障。在测试时，需记录每一个频点的实际电平值，而不是与基准频率电平的差值，再计算左右两个声道同频率下的电平差值，这个差值就是左右声道电平差。

3 调频指标测量方法

适用标准《米波调频广播技术规范（GB/T 4311-2000）》《米波调频广播发射机技术要求和测量方法（GY/T 169-2001）》。

3.1 传统测试系统与调频发射机的测量

在传统的测试系统中，发射机测试由音频信号发生器、音频信号分析仪、音频解调器三个独立模块组成（见图4），每次测试时除了需要连接线路外，在测试完一个频点或一个指标后都需要重新调整这三个模块的设置。

图4 发射机测试框图

例如，测试频响：

（1）将发射机的预加重和音频解调器的去加重设置关闭。

（2）音频信号发生器输出频率设定为400 Hz，并调整输出电平，使发射机的调制度达到100%。

（3）将音频分析仪设置为电平测试，记录此时的电平值作为基准。

（4）保持音频信号输出电平不变，分别改变输出频率为：30 Hz、50 Hz、100 Hz、400 Hz、1 kHz、3 kHz、5 kHz、7 kHz、10 kHz、12 kHz、15 kHz，并分别记录上述11个标准测试频率下音频分析仪的测试电平值。

（5）根据上述测试结果，计算各个频率的电平值与作为记录的基准的400 Hz频率下的电平值的差，即得到频率响应的数值。

可以看到，在这个操作过程中，工作人员只有对整个系统有相当深刻的认识和技术储备，才能准确地测试发射机的技术指标。

3.2 一体化测试系统与调频发射机的测量

随着技术的进步，目前调频发射机的测量较多采用一体化测试系统，即将音频信号发生器、音频信号分析仪、音频解调器三个独立模块整合为一套测试系统，在测试时除了必要的参数设定，其余测试步骤均由系统自动完成，如图5所示。

图5 一体化测试系统

一体化测试系统简化了设备间的连线，同时由于一体化的设计也大大简化了测试的流程，以频响测试为例：

（1）关闭发射机的预加重和音频解调器的去加重设置。

（2）点击测试电平。

测试系统将自动建立基准电平、调整调制度、改变频率、计算测试结果，这就大大地减少了人工操作的步骤，降低了测试的难度。

3.3 智能化测试系统与调频发射机的测量

随着技术的进步，很多广播发射台都进行了智能化改造，可以实时地监控发射机状态、自动切换信源、自动倒换天线、自动上传报警信息。按照原来的测试方法，每测试一台发射机都需要重新接线、调整发射机设置，显然这个是达不到智能电台的要求的，这就催生了一种智能化的测试系统。如图6所示。

图6 智能化测试系统

图7 音频信源输出

在智能化测试系统中，可以由PC控制端（PC控制端）控制完成所有的测试操作，如发射机播出信源和测试信源的切换、发射机监测口的切换、发射机的开关机和天线倒换、发射机指标测试等。在整个测试系统中只需要一台指标测试仪就可以按照PC控制端依据播出、测试计划发出的测试指令测试所有发射机的指标，也不需要频繁地搬动、接线，测试的结果可以自动保存、上传。和“智慧台站”相结合还可以实现动态监测发射机的播出状态、上级台站远程测试、异常报警等功能。

按照GY/T 169-2001《米波调频广播发射机技术要求和测量方法》中规定的测试方法，调频测试的各个指标的测试条件是不一致的，如频率响应指标可在不加重和不去重、加重和去加重两种情况下测试，失真度和分离度在不加重和不去重下测试，信噪比在加重和去加重两种情况下测试。在这个情况下使用传统的两种测试方法就需要不断地手动调整发射机和测试仪的设置，实际上就无法做到自动测试，在智能化测试系统中就可以做到测试时按照相关要求自动来调整发射机和测试仪的设置，真正做到自动化的测试。

由于发射机的种类繁多，工作人员在系统中预设了常用的FM发射机的控制命令，在测试前选择相应的发射机就可以自动匹配相应的控制指令。控制接口可以是网口、RS232、RS485，串口的波特率也可以设置。

在自动测试过程中，按照测试标准必须保证发射机调制度始终保持在100%，传统的测试系统只能控制音频信源以1 dB的步进调整，但这就不能精确的控制发射机调制度到100%，这时就只能调整发射机。在智能化测试系统中可以通过测试仪和PC控制端的通信来控制音频信源以0.1 dB的步进调整。

音频信号发射器产生的并行音频数据送入FPGA进行数据处理，按照PC控制端的指令以0.1dB的步进调整音频幅度，并将数据转换为I2S信号输出，如图8所示。

图8 I2S时序图

在实际的测试中，测试仪的检波器不断检测调制度，低于75 kHz就调大音频信源的输出幅度来增加调制度，经过0.1 dB的精确调整就可以保证发射机达到75 kHz调制度。在加重和去加重测试中，也需要控制每个频点都达到100%调制，这个过程也需要调整发射机达到75 kHz调制度。

一个利用智能化测试系统的完整测试流程如下：PC控制端按照测试计划或者手动选择，开始FM发射机的测试，首先控制音频信源切换，由正常节目切换到指标测试仪输出的标准测试信号；然后控制RF切换器将射频监测信号切换到测试仪上后开始测试；测试时，首先调整测试仪频率与发射机一致，然后根据输入射频信号大小调整输入衰减器达到测试范围。以上基本条件达到后，开始调整发射机调制度到100%、调整输出阻抗、去加重状态等设置。测试完成后，可以将测试结果保存在测试仪中、也可存储到U盘内或者直接上传到PC控制端内。

4 结语

本文介绍了调频广播的基本概念和各个测试指标的含义和测试方法，分析了3种测试系统并着重分析了智能化测试系统的优点。