調頻頻段數字聲音廣播系統的實驗室性能測試

發表時間:2014-12-11

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盛國芳,王濤,萬戈,吳智勇
(國家廣電總局廣播科學研究院,北京,100866)

摘要  2013年8月國家廣電總局頒布了調頻頻段數字音頻廣播標准,給出了我國調頻頻段廣播數字化的方案,爲了了解系統的傳輸性能及其在我國實際播出環境及廣播頻道規劃條件下,與鄰頻道廣播電台之間相互幹擾的情況,需要對其傳輸性能進行實驗室測試和場地測試。本文主要探討了實驗室性能測試的相關技術和方法。
關鍵詞 調頻頻段數字聲音廣播,FM-CDR,實驗室測試

    1 引言
    2013年8月国家广电总局颁布了调频频段数字音频广播标准[1],给出了我国调频频段广播数字化的方案,为了了解调频频段数字音频广播系统的传输覆盖性能及其与宿主模拟广播、邻频道模拟广播电台之间的干扰情况,国家广电总局广播科学研究院对此系统的传输性能进行了实验室测试和场地测试,本文主要介绍实验室性能测试的有关技术和方法,在文章中,对我国调频频段数字音频广播系统简称为FM-CDR系统。
    2 調頻頻段數字音頻廣播系統簡介
    与目前世界上已有的调频频段数字声音广播系统HD Radio[2]和DRM[3]类似,FM-CDR也采用正交频分复用计数(OFDM),频道间隔设计为100kHz。FM-CDR的信号带宽为100kHz或者200kHz,其信号的频谱示意图如图1和图2所示。可以看出,FM-CDR的频谱分为两大类:(1)数字信号的带宽连续,信号带宽可以为100kHz或者200kHz。(2)数字信号的带宽不连续,但数字音频广播信号的总带宽为100kHz或者200kHz,数字信号之间的频谱间隔为300kHz或者200kHz,在两个数字信号之间的频谱上可用于放置模拟立体声调频广播或者模拟单声道调频广播。
 
圖1 數字信號帶寬連續的頻譜示意圖
 
圖2 數字信號帶寬不連續的頻譜示意圖
    可以看出,FM-CDR系统提供了灵活的频谱模式,现有的FM广播电台可以根据自己台站及周边台站的实际情况选择第二种频谱模式和数字信号的带宽,即可以在原有模拟广播的两侧放置数字信号,进行数模同播,这样既可以不改变用户的收听习惯,又可以使得使用模拟FM接收机仍可以听到模拟节目,而具有数字音频广播解调功能的接收机在检测到数字信号时可自动播出该频道的数字节目,运营商和用户均可以实现模拟到数字的平滑过渡。模拟调频广播的内容可以与数字音频广播的内容一致,也可以不一致。第一种频谱模式则可以在模拟广播全部数字化以后或者频谱资源不紧张的地区采用。
    3 实验室性能测试
    实验室性能测试是在实验室内搭建FM-CDR传输系统,通过在传输系统中加入各种噪声或干扰,模拟各种现场接收环境,用专用的测试仪器对被测系统的各项性能进行测试。此次测试着力于回答以下问题:
    1.FM-CDR系统的传输性能如何? 
    2.数字边带的注入是否对原有的调频模拟广播产生影响?
    3.数字音频广播与邻频道调频模拟广播之间的干扰情况如何?
    4.数字音频广播与邻频道数字音频广播之间的干扰情况如何?
    针对这四个问题,实验室性能测试项目主要包括:
    (1)FM-CDR系统在高斯白噪声信道下的载噪比门限
    (2)FM-CDR接收机的最小信号电平
    (3)FM-CDR系统在多径信道环境下的性能
    (4)FM-CDR系统抗相位噪声、脉冲干扰和单频干扰的性能
    (5)数模同播方式时数字边带对宿主模拟调频广播的干扰
    (6)FM-CDR对同频道、邻频道模拟调频广播的保护率
    (7)模拟调频广播对同频道、邻频道FM-CDR的保护率
    (8)FM-CDR对同频道、邻频道FM-CDR的保护率
    在测试中,用误比特率BER作为数字音频广播系统传输性能测试的差错判据,借鉴目前国际相关技术标准如DRM+、HD Radio等采用的客观差错判据,以及前期有关DRA误码敏感性的初步分析结果,进一步考虑到测试时间的限制,不失代表性,在测试中选用作为客观差错失败门限。由于接收机在正常测试时具有保持功能,测试中在寻找接收门限点时采取在接收失效情况下逐步改善接收条件(如降低噪声和干扰)直至接收正常的方法。由于接收机软件可以输出全1码流的误比特率,因此测试用的数字信号源选用全1的比特流。
    在测试中涉及到模拟调频广播音频质量的测试时,则以音频加权准峰值信噪比WQPSNR作为模拟音频质量指标,以WQPSNR=56db作爲良好接收質量標准,以WQPSNR=50db作爲音頻質量劣化的下限標准,並以主觀評價爲輔助的測試手段。
    在测试中,除了与模拟调频广播有关的测试项激励器选用数模同播的方式外,其余的测试项激励器均选用纯数字方式。
    3.1 FM-CDR系统在高斯白噪声信道下的载噪比门限
    高斯白噪声信道下的载噪比门限是FM-CDR系统最基本的性能指标,它是指接收机达到失效判据时信号功率与噪声功率的比值(单位:dB),测试框图如图3所示。
 
 圖3 高斯白噪聲信道下的載噪比門限測試框圖
    在图3中,复用器等前端设备包括音频源、DRA编码器和复用器,在测试中调频频段数字音频广播激励器选用测试模式,此时激励器可以产生全1的码流,但是激励器的传输模式、频谱模式及编码调制方式需要由复用器来设置。
    白噪声信道下的载噪比门限测试方法是:(1)關閉高斯噪声发生器噪声发生功能,调节可调衰减器衰减量,使接收机的输入功率为较大值(如-70dBm),使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录此功率值C,单位dBm;(2)打开高斯噪声发生器噪声发生功能,逐渐增加高斯白噪声的功率(精度不低于0.1dB),直到在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限,關閉调制器输出,使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录噪声功率值N,单位dBm;(3)计算并记录系统载噪比门限C/N,单位dB。
    3.2 FM-CDR接收机最小信号电平
    最小信号电平是指在在无噪声条件下,接收机达到失败判据时的输入信号电平。最小信号电平主要用于评估FM-CDR接收机的灵敏度,其测试框图如图4所示,图中在接收机前端加入固定衰减器是因为当接收机的最小信号电平较低时,超过了频谱分析仪的测量精度,所以在接收机前端加一个衰减值已知的固定衰减器,保证测量值的可靠性。
 
圖4 最小信號電平測試框圖
    最小信号电平的测试方法是:逐步增加可调衰减器的衰减量(精度不低于0.1dB),直至在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限,使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录接收机输入端输入功率(电平)c,单位dBm,则接收机的最小信号电平为c减去固定衰减器的衰减值。
    3.3 调频频段数字音频广播系统在多径信道环境下的性能
    此项测试为了评估FM-CDR系统在典型多径信道条件下的性能。系统在多径信道条件下的性能一方面取决于系统在设计时为辅助接收机接收提供的手段,如导频图样等;另一方面取决于接收机如何利用系统提供的辅助信息来进行信道估计、均衡的具体算法,如主径判定、导频滤波与插值等,即本项测试的结果与接收机实现存在密切关系。
    在多径信道环境下的性能测试包括静态多径下的载噪比门限和动态多径下的载噪比门限测试。测试中选用的多径信道模型包括9种信道模型,其信道参数来源于USADR和DRM系统中传输模式E使用的城市、乡村、地表遮掩模型以及COST207的部分模型。多径信道环境下的系统性能测试框图见图5。
 
圖5 多徑信道環境下的載噪比門限測試框圖
    多径信道环境下的载噪比门限测试方法为:(1)按照多径路径模型设置信道模拟器,并使得多径信道仿真器的信号输出电平为-60dBm,關閉高斯噪声发生器噪声发生功能,使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录信号功率值C,单位dBm;(2)打开高斯噪声发生器噪声发生功能,逐渐增加高斯白噪声的功率(精度不低于0.1dB),直到在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限,關閉调制器输出,使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录噪声功率值N,单位dBm;(3)计算并记录系统载噪比门限C/N,单位dB;(4)按照其他的路径模型设置信道模拟器,重复(1)-(3)。
    3.4 FM-CDR系统抗相位噪声和脉冲干扰的性能
    3.4.1 抗相位噪声的性能
    此项测试为了评估FM-CDR系统在受到劣质器件引入的相位噪声干扰条件下的性能。本项测试采用在一定相位噪声条件下测量系统载噪比门限的方法,相位噪声模型定义如表1所示。
表1 相位噪聲模型(單位:dBc/Hz)
 
    相位噪声测量的测试框图见图6,图中的相位噪声发生器选用SFU,按照表1的参数设置SFU的相位噪声测试功能的相关参数后,进行载噪比门限的测试的测量,其测试方法见3.1。
 
圖6 抗相位噪聲的性能測試框圖
    3.4.2抗脉冲干扰的性能
     此项测试为了评估FM-CDR系统在受到外部脉冲噪声干扰条件下的性能。本项测试将采用固定脉宽,测量载干比C/I的方式进行。本项测试要求高斯噪声发生器具备门控选通功能。根据FM-CDR系统参数的特点,本项测试选用了表2给出的四种脉冲干扰门控序列。门控序列的说明为:基本脉冲单元宽度为2.5us,基本序列以重复频度出现,基本序列中“1”表示噪声输出选通,“0”表示噪声输出关断,下标为重复次数。如序列2定义为以160ms为周期出现的连续100个占空比为50%、周期为10us的脉冲干扰,实际有效干扰时长为1ms。测试框图见图7。
表2 脈沖幹擾門控序列
 
 
圖7 抗脈沖幹擾的性能測試框圖
    抗脉冲干扰测试的测试方法为:(1)關閉高斯噪声发生器噪声发生功能,使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录欲收信号功率值C,单位dBm;(2)设置函数发生器产生表2所要求的门控序列;(3)打开高斯噪声发生器噪声发生功能,逐步调整其输出电平(精度不低于0.1dB),直到在规定观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限;(4)设置高斯噪声发生器工作在连续输出状态,使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录噪声功率值I,单位dBm;(5)计算并记录系统载干比C/I=C-I,單位dB;(6)對于表2的其它序列重複步驟(1)—(5)。
    3.5 数字边带对宿主模拟调频广播的干扰
    此项测试的为了评估数字边带的注入与否,在单声道和立体声两种情况下,模拟接收机输出的音频信噪比(单位:dB)是否发生明显的变化。测试框图如图8所示,此时激励器设置为数模同播方式,接收机可选用不同品牌、质量的模拟调频接收机。模拟音频源选用1kHz音频信号,调节音频输出电平使得激励器的最大频偏为±75kHz,将接收机的音量在失真度允许范围内调为最大,测试框图见图8。测试中音频分析仪选用RS UPL。依据ITU-R BS.559-2[4]的建议,在测量音频信噪比时,音频分析仪选择17kHz低通滤波器、加权、准峰值信噪比测量。在本项测试中,数字信号与模拟信号的注入电平比范围限定在-20dB到-10dB之间,即数字信号功率为模拟信号功率的1%到10%。
 
圖8 數字邊帶對宿主模擬調頻廣播幹擾的測試框圖
    数字边带对宿主模拟调频广播干扰的测试方法为:(1)按照数字信号与模拟信号的注入电平比设置调制器的数字信号功率和模拟信号功率;(2)關閉调制器的数字载波,使用音频分析仪测量并记录音频信噪比,單位dB,打開調制器的數字載波,使用音頻分析儀測量並記錄音頻信噪比,單位dB;(3)計算並記錄音頻信噪比變化,單位dB;(4)改變數字信號與模擬信號的注入電平,重複(1)-(3)。
    3.6 保护率D/U
    由于无线频率的重复使用,在频率规划和实施中不可避免地存在同频、邻频调频频段数字音频广播与模拟调频广播之间的相互干扰,保护率就是衡量系统抗同频、邻频干扰能力的指标,即欲收信号电平与干扰信号电平的比值,单位为dB。由于我国调频广播的频道间隔为100kHz[5],所以邻频道干扰的频偏设置为100kHz的整数倍,测试框图如图9所示。由于FM-CDR提供了灵活的频谱模式,在保护率测试中带来的问题是测试的组合模式较多,因此在测试中选取了实际播出中最可能使用的模式对保护率进行了测试。当干扰信号选取数模同播方式时,其模拟广播的模式固定为单声道模式。
 
圖9 保護率測試框圖
    3.6.1 FM-CDR对同频道、邻频道模拟调频广播的保护率
    在此项测试中,欲收通道为模拟调频广播激励器,此时调频频段数字音频广播激励器的播出模式为纯模拟,接收机选用模拟调频广播,干扰通道为FM-CDR广播,按照设定频偏设置欲收激励器输出频率和干扰激励器输出频率。参照ITU-R BS.641[6]的建议,欲收激励器的调制信号为500Hz音频信号,调节音频输出电平使得激励器的最大频偏为±75kHz,用音频分析仪测量此时接收机输出端的音频信噪比S1,注意此时關閉音频分析仪中的加权网络。用500Hz音频信号调制干扰激励器使其最大频偏为±32kHz,用音频分析仪测量此时接收机输出端的音频信噪比S2(此时關閉音频分析仪中的加权网络),断开干扰激励器的500Hz音频信号,用符合ITU-R BS.559-2的建议的标准彩色噪声调制干扰激励器,调节彩色噪声输出电平使得接收机输出音频信噪比等于S2,这相当于彩色噪声信号调制的最大频偏也为±32kHz。關閉欲收激励器的500Hz调制信号,打开音频分析仪中的加权网络,调节衰减器2的值至测量接收机输出音频信噪比为N1,保证(S1-N1)至少为56dB,打开干扰激励器输出并调节衰减器1的值至测量接收机输出音频信噪比为N2,此时(S1-N2)为50dB,记录欲收信号电平D和干扰信号电平U。
    3.6.2 模拟调频广播对同频道、邻频道FM-CDR的保护率
    在此项测试中,干扰通道的激励器为模拟调频广播激励器,其模式固定为单声道模式,欲收通道的激励器为FM-CDR激励器,按照设定频偏设置欲收激励器输出频率和干扰激励器输出频率。干扰通道的调制信号为符合3.6.1描述的标准彩色噪声,调节干扰信号的功率电平(精度不低于0.1dB),直到在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限,记录欲收信号电平D和干扰信号电平U。
    3.6.3  FM-CDR对同频道、邻频道FM-CDR的保护率
    在此项测试中,干扰通道和欲收通道的激励器均为FM-CDR激励器,按照设定频偏设置欲收激励器输出频率和干扰激励器的输出频率。干扰通道的调制信号为符合7.1描述的标准彩色噪声,欲收数字声音为500Hz音频信号,调节干扰信号的功率电平(精度不低于0.1dB),直到在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限,记录欲收信号电平D和干扰信号电平U。
4 結束語
    本文详细介绍了FM-CDR系统实验室测试的主要测试内容和测试方法,通过开展相关测试工作,可以对FM-CDR系统的性能进行深入全面的了解与评估,为我国调频频段广播数字化的组网、覆盖和产业化等提供技术参考依据。

    参考文献
    [1]GY/T 268.1-2013 调频频段数字音频广播 第1部分:数字广播信道帧结构、信道编码和调制,2013.
    [2] NRSC-5-B  In-band/on-channel Digital Radio Broadcasting Standard,2008.4
    [3]ETSI ES 201 980 V3.1.1 Digital Radio Mondiale System Specification, 2009.6
    [4] Rec. ITU-R BS. 559:Objective measurement of radio-frequency protection ration in LF,MF and HF broadcasting Rec. 
    [5] GY/T 196-2003:调频广播覆盖网技术规定
    [6] ITU-R BS. 641:Determination of radio-frequency protection ratio for frequency modulated
sound broadcasting
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