調頻（FrequencyModulation，F(xiàn)M）廣播是一種以無線電發(fā)射來傳輸廣播信號的方式。FM廣播具有播放覆蓋范圍廣，信道擴展容量大，設備安裝維護方便，收聽音質優(yōu)美清晰的特點，是目前廣播領域內使用最為廣泛的一種廣播方式。目前我國的FM廣播發(fā)展迅速，已經(jīng)取代了原來的有線廣播。雖然電視技術發(fā)展很快，但是終究取代不了廣播，因為廣播的靈活性、便攜性、經(jīng)濟性是電視不可取代的。

隨著FM廣播技術的發(fā)展，設備老齡化及技術人員經(jīng)驗等問題的日益凸顯，對FM廣播的發(fā)射質量造成了相當?shù)挠绊懀瑫r從聽眾角度來說，接收到的廣播信號的音質和音量也會受到影響。因此，使用合適的廣播監(jiān)測接收設備對FM廣播進行測量和分析的必要性也日漸提高。本文則以基于軟件無線電架構的廣播監(jiān)測接收機為工具，采集FM廣播信號，通過分析FM廣播信號的特征參數(shù)，調整發(fā)射鏈路中的設備。為提高FM廣播發(fā)射質量，同時也是提高接收端音頻的音質和音量，提供了一種有效可行的手段。

一、概述

調頻（FM）的概念，F(xiàn)M是現(xiàn)代實現(xiàn)高保真度聲音廣播和立體聲廣播的主要方式，是以調頻方式進行音頻信號傳輸?shù)模{頻波的載波隨著音頻調制信號的變化而在載波中心頻率（未調制以前的中心頻率）兩邊變化，每秒鐘的頻偏變化次數(shù)和音頻信號的調制頻率一致，如音頻信號的頻率為1kHz，則載波的頻偏變化次數(shù)也為每秒1k次。頻偏的大小隨音頻信號的振幅大小而定。

立體聲調頻的概念，立體聲調頻首先將兩個聲頻（左、右聲道）的信號進行編碼，得到一組低頻復合立體聲信號，然后再對高頻載波進行調頻。立體聲調頻根據(jù)對立體聲的處理方法不同，分為頻率分割制（和差制）、時間分割制、方向信號制三種。現(xiàn)普遍采用的是和差制。和差制是在立體聲調制器中，先將左（L）、右（R）聲道信號進行編碼，形成和信號（L+R）與差信號（L-R），其中和信號直接送去調制主載波，構成主信道信號，以便普通調頻收音機兼容收聽；差信號則送到平衡調制器對副載波進行抑制載波式幅度調制，所得到的雙邊帶抑載調幅波作為副信道信號，再與和信號混合去調制主載波。副信道信號的頻率范圍為23至53kHz（38±15kHz），屬于超音頻范圍，不會干擾單聲道放音。由于副信道調幅波的副載波被抑制掉了，將使立體聲收音機無法直接解調出差信號，因此應在收音機內再產(chǎn)生一個頻率、相位均與發(fā)射系統(tǒng)副載波相同的38kHz信號才能解調。為此，在發(fā)射端，利用主、副信道頻譜的間隔處，再發(fā)射一個19kHz（1/2副載波頻率）導頻信號（PilotTone），以便在收音機中“引導”出38kHz再生副載波，這種調制方法稱之為導頻制，也是目前和差制立體聲廣播里面應用最為廣泛的一種分割頻率的方法。

相應的，為了測量調頻信號和立體聲調頻信號，國際上通常需要測量以下幾個參數(shù)。

1.1、占用帶寬

依據(jù)ITU的建議，信號帶寬的測量通常基于頻譜用“β%占用帶寬”和“x-dB帶寬”兩種方法。β%占用帶寬如圖1所示，測量方法是先統(tǒng)計出監(jiān)測帶寬內的總功率，然后在頻譜上從兩邊往中間依次累加譜線的功率，直到功率和占到總功率的(β/2)%，分別定義為f1和f2，則定義帶寬等于f2-f1；而x-dB帶寬如圖2所示，測量方法是先在頻譜上找到峰值即最高點，然后從最高點依次往兩邊找到兩根譜線使得這兩根譜線往外的所有譜線都比最高點至少小xdB，則這兩根譜線對應的頻率差即為帶寬。

在ITU和廣電的建議中，β通常取99，x通常取26，也就是常說的99%功率帶寬和26dB帶寬。

圖1、β%占用帶寬

圖2、x-dB帶寬

1.2、頻偏

調頻信號中的頻偏（FrequencyDeviation）指的是調頻波頻率擺動的幅度，是隨著信息（或語音）波形的起伏而變化的。通常用儀器或接收機所測量的頻偏實際上是指一段時間內的最大頻偏，最大頻偏的分布和大小，決定了收聽到的音頻的音質和音量，也就是決定了FM廣播的發(fā)射質量。

本文主要目的是研究FM廣播的發(fā)射質量，所以根據(jù)上述描述，應關注的即是頻偏指標。

ITU-R針對FM信號頻偏的測量有詳細描述：

頻偏測量方法是取一段時間（建議的時間長度為50ms）的信號測量其在每個采樣點上相對于載波的頻率偏差，取最大值即為最大頻偏。但為了更深入的了解頻偏，可以用隨時間更新的統(tǒng)計直方圖來表示其信號特征。頻偏的直方圖計算方法如下：

1）.以50ms為周期，測量出N個最大頻偏。測量周期的長短會顯著影響直方圖，因此需要固定的測量周期以確保測量結果的可重復性。同時，選取50ms為測量周期可以確保當調制頻率低至20Hz時仍能有效測量最大頻偏。

2）.將需要統(tǒng)計的頻偏范圍（本文中為0～150kHz），以1kHz（分辨率）為單位，分為等份（本文中為150等份）。

3）.在每一等份，對對應頻率值上的點數(shù)進行計數(shù)，所得到的波形應大致如圖3所示（即頻偏分布直方圖），其中X軸表示頻率，Y軸表示最大頻偏落在對應頻率值上的點數(shù)。

圖3、頻偏分布直方圖

4）.對每一等份的點數(shù)進行累加，并以百分比為單位，對N做歸一化，即得到圖4所示圖形（即頻偏累積分布直方圖），其中X軸表示頻率，Y軸表示最大頻偏落在對應頻率值上的頻率范圍內的概率，概率從最左端的100%開始，到最右端的0%結束。

圖4、頻偏累積分布直方圖

同時ITU-R針對最大頻偏的累積分布給出了參考規(guī)范（SM1268）如圖5所示：

圖5、最大頻偏累積分布參考規(guī)范

該規(guī)范指出：大于75kHz的頻偏分布統(tǒng)計百分比不超過22%，大于80kHz的頻偏分布統(tǒng)計百分比不超過12%，大于85kHz的頻偏分布統(tǒng)計百分比不超過8%。

基于以上理論可得知，F(xiàn)M信號的發(fā)射質量，與原始音頻信號經(jīng)過調制后的FM載波頻偏大小有關，而通過測量并改善最大頻偏的累積分布將有助于改善FM信號的發(fā)射質量。

二、硬件基礎

本文中使用了一款利用當前先進無線電監(jiān)測技術，符合ITU規(guī)范的模塊化廣播監(jiān)測接收機。該接收機由高端數(shù)字無線電接收模塊和最新的嵌入式處理器組成。軟件無線電的架構和高速數(shù)據(jù)總線，確保了接收機的可擴展性和測試速度。該接收機依據(jù)國際電信聯(lián)盟無線電通信部門（ITU-R）標準和頻譜監(jiān)測手冊對FM信號進行解調和測量，并專門針對廣播監(jiān)測應用提供了音頻和基帶分析功能。具體的特征參數(shù)如下：

占用帶寬（OccupiedBandwidth
載波頻偏（CarrierOffset）
帶內功率（PowerinBand）
FM最大頻偏（FMMaximumDeviation）
主信道信號最大頻偏（Maximumfrequencydeviationofmainchannel(L+R)）
導頻信號最大頻偏（Maximumfrequencydeviationofthepilottone）
副信道信號最大頻偏（Maximumfrequencydeviationofsubchannel(L-R)）

該廣播監(jiān)測接收設備的結構原理框圖如圖6所示。數(shù)字無線電接收模塊安裝在機箱內，該機箱具有高速數(shù)據(jù)總線和工業(yè)加固框架。本接收機的嵌入式控制器采用了高速處理器，負責控制接收模塊并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理。

圖6、廣播監(jiān)測接受機結構原理框圖

數(shù)字無線電接收模塊包括兩個子模塊：射頻下變頻模塊和高速中頻采集模塊。

射頻下變頻模塊將關心的射頻頻帶下變頻至中頻信號，然后將中頻信號輸送至高速中頻采集模塊。

高速中頻采集模塊的核心是一個高速ADC（模數(shù)轉換器）和一個提供硬件處理功能的數(shù)字下變頻專用芯片。數(shù)字下變頻處理對寬帶的信號進行實時抽取并下變頻到基帶，適合于捕捉廣播信號、無線信號和其他通信信號。數(shù)字下變頻處理還能將采集到的中頻信號波形轉換為I/Q復信號數(shù)據(jù)輸出。該高速中頻采集模塊利用具有專利技術的高速專用芯片進行數(shù)據(jù)傳輸，通過DMA將數(shù)據(jù)傳送至控制器，降低控制器CPU負荷，使其專注于完成先進的分析處理、圖形化顯示和數(shù)據(jù)交換等工作。如圖7所示：

圖7、數(shù)字無線電接收模塊架構

射頻下變頻模塊首先對信號進行用戶指定的衰減，經(jīng)過上變頻后通過表面聲波濾波器濾除鏡頻，然后進行多級下變頻，最后輸出中頻信號。射頻下變頻模塊利用具有高精度和高穩(wěn)定度的恒溫晶振作為系統(tǒng)參考時鐘，提供極高的頻率精度。

為了便于緊湊的封裝，模塊選用高性能的微型YIG振蕩器產(chǎn)生上變頻階段所需的高頻本振信號。YIG振蕩器是一種可以產(chǎn)生非常純凈的高頻信號的振蕩器，往往體積很大。設備中射頻下變頻模塊利用該領域突破性的技術，在設計中使用了極小的YIG振蕩器。YIG振蕩器可調諧到指定的頻段，允許用戶設定到射頻下變頻模塊所需的頻率。射頻下變頻模塊周全的頻率規(guī)劃和多級變頻架構確保了儀器低雜散響應和大動態(tài)范圍的優(yōu)秀特性。如圖8所示：

圖8、射頻下變頻模塊架構

本文為分析FM廣播發(fā)射質量與頻偏累積分布的關系，從調節(jié)發(fā)射機的音頻處理器著手，以電臺A（包括音頻處理器A和發(fā)射機A）和電臺B（包括音頻處理器B和發(fā)射機B）為對比樣本，設計了如下實驗。

該實驗主要通過調節(jié)音頻處理器來改善FM信號的頻偏累積分布，以驗證其與FM廣播發(fā)射質量的關系。

3.2、測試

實驗使用某個廣播節(jié)目的音頻文件，將其分別經(jīng)由音頻處理器A和B處理后，同時傳輸?shù)桨l(fā)射機A和B進行發(fā)射，兩臺發(fā)射機使用相同的設置。用廣播監(jiān)測接收機分別錄制發(fā)射機A和B發(fā)出的射頻信號，將錄制的信號按照ITU-RSM.1268.1標準來進行調頻信號最大頻偏的統(tǒng)計分析。分析實驗過程描述如圖9所示。得到的結果如圖10所示。

圖9、測試過程

圖10、累計頻偏分布圖

從實驗得出的頻偏統(tǒng)計分布來看，對于相同的音頻文件，電臺A的信號頻偏主要分布從10kHz-95%到35kHz-5%呈半鐘形曲線走向，電臺B的信號頻偏主要分布從10kHz-95%到75KHz-95%呈半鐘形曲線走向。兩個電臺的時域信號表現(xiàn)出不同概率分布特征。相比之下，電臺B的信號頻偏值更大。

從收聽角度上，電臺B的音頻比電臺A的音頻音質更好，音量更大，也就是發(fā)射質量更好。

3.3、調試

由于傳輸?shù)絻蓚€音頻處理器的音頻文件相同，兩臺發(fā)射機的設置也相同，但電臺A和電臺B的信號頻偏分布不同，說明兩個電臺的音頻處理器存在差異。相同的音頻文件經(jīng)音頻處理器A處理后的信號頻偏幅度相對較小，說明音頻處理器A的設置未達到ITU-RSM1268.1標準。故按照建議標準調節(jié)音頻處理器A之后，理論上即可實現(xiàn)更高的發(fā)射質量。為此，設計了下述驗證實驗。

3.4、驗證

將某個廣播節(jié)目經(jīng)音頻處理器A處理之后傳輸?shù)桨l(fā)射機A進行發(fā)射，在發(fā)射不間斷的情況下由工程師對音頻處理器A進行調節(jié)，用廣播監(jiān)測接收機接收電臺A的射頻信號并按照ITU-RSM.1268.1標準來進行調頻信號最大頻偏的統(tǒng)計分析，比較調節(jié)音頻處理器A前后的數(shù)據(jù)。驗證實驗過程描述如圖11所示。

圖11、驗證實驗過程

圖12、累計頻偏分布圖

從頻偏統(tǒng)計分布來看，對于相同的節(jié)目源，調節(jié)前信號頻偏主要分布從25kHz-95%到45kHz-5%呈半鐘形曲線走向，調節(jié)后信號頻偏主要分布從45kHz-95%到55KHz-95%呈半鐘形曲線走向。相比之下，調節(jié)后信號頻偏值更大，分布也更為飽滿。從收聽角度，調節(jié)后的音質和音量相對調節(jié)前有明顯提升。

四、驗證實驗結論

在相同節(jié)目源的情況下，通過調節(jié)音頻處理器的基準輸出電平，可以改進頻偏分布使之更飽滿，頻偏值更大。

針對相同的音頻源，其經(jīng)過FM調制之后的最大頻偏分布，可以影響解調后的聲音音量大小和音質飽和度。通過調整音頻處理器的參數(shù)設置，使調頻信號更加符合ITU-R規(guī)范，可以使收聽的聲音音量更大，音質更飽滿。因此，使用廣播監(jiān)測設備來檢測FM廣播參數(shù)，并針對這些參數(shù)根據(jù)ITU-R標準對廣播鏈路中的設備進行調整，可以得到更高的發(fā)射質量。

這也說明了，使用廣播監(jiān)測設備對FM廣播進行監(jiān)測是保證FM廣播發(fā)射質量的一種行之有效的手段。

五、展望

本文中所使用的基于軟件無線電架構的廣播監(jiān)測接收機為單通道采集設備，測試的參數(shù)相對較少，并且采集之后需由人工分析，效率相對較低。隨著科技的發(fā)展進步，結合實驗中遇到的問題，提出對未來FM廣播監(jiān)測接收設備的一些展望：

1.可實時記錄87MHz至108MHz頻段的全波段FM廣播信號。
2.配有大容量磁盤陣列，可全天候記錄，并實現(xiàn)定時記錄等高級功能。
3.可遠程控制，實現(xiàn)無人值守化監(jiān)測、自動分析生成報表等功能。
4.支持數(shù)據(jù)庫，可重現(xiàn)任意時刻、任意頻點的頻譜、音頻。
5.多樣化系統(tǒng)配置，可以滿足不同客戶需求。
6.軟硬件模塊化設計，便于系統(tǒng)擴展和二次開發(fā)。