基于软件无线电架构的广播监测接收机音质优化设计
调频（frequencymodulation，fm）广播是一种以无线电发射来传输广播信号的方式。fm广播具有播放覆盖范围广，信道扩展容量大，设备安装维护方便，收听音质优美清晰的特点，是目前广播领域内使用最为广泛的一种广播方式。目前我国的fm广播发展迅速，已经取代了原来的有线广播。虽然电视技术发展很快，但是终究取代不了广播，因为广播的灵活性、便携性、经济性是电视不可取代的。
随着fm广播技术的发展，设备老龄化及技术人员经验等问题的日益凸显，对fm广播的发射质量造成了相当的影响，同时从听众角度来说，接收到的广播信号的音质和音量也会受到影响。因此，使用合适的广播监测接收设备对fm广播进行测量和分析的必要性也日渐提高。本文则以基于软件无线电架构的广播监测接收机为工具，采集fm广播信号，通过分析fm广播信号的特征参数，调整发射链路中的设备。为提高fm广播发射质量，同时也是提高接收端音频的音质和音量，提供了一种有效可行的手段。
一、概述 调频（fm）的概念，fm是现代实现高保真度声音广播和立体声广播的主要方式，是以调频方式进行音频信号传输的，调频波的载波随着音频调制信号的变化而在载波中心频率（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的频偏变化次数和音频信号的调制频率一致，如音频信号的频率为1khz，则载波的频偏变化次数也为每秒1k次。频偏的大小随音频信号的振幅大小而定。
立体声调频的概念，立体声调频首先将两个声频（左、右声道）的信号进行编码，得到一组低频复合立体声信号，然后再对高频载波进行调频。立体声调频根据对立体声的处理方法不同，分为频率分割制（和差制）、时间分割制、方向信号制三种。现普遍采用的是和差制。和差制是在立体声调制器中，先将左（l）、右（r）声道信号进行编码，形成和信号（l+r）与差信号（l-r），其中和信号直接送去调制主载波，构成主信道信号，以便普通调频收音机兼容收听；差信号则送到平衡调制器对副载波进行抑制载波式幅度调制，所得到的双边带抑载调幅波作为副信道信号，再与和信号混合去调制主载波。副信道信号的频率范围为23至53khz（38±15khz），属于超音频范围，不会干扰单声道放音。由于副信道调幅波的副载波被抑制掉了，将使立体声收音机无法直接解调出差信号，因此应在收音机内再产生一个频率、相位均与发射系统副载波相同的38khz信号才能解调。为此，在发射端，利用主、副信道频谱的间隔处，再发射一个19khz（1/2副载波频率）导频信号（pilottone），以便在收音机中“引导”出38khz再生副载波，这种调制方法称之为导频制，也是目前和差制立体声广播里面应用最为广泛的一种分割频率的方法。
相应的，为了测量调频信号和立体声调频信号，国际上通常需要测量以下几个参数。
1.1、占用带宽
依据itu的建议，信号带宽的测量通常基于频谱用“β%占用带宽”和“x-db带宽”两种方法。β%占用带宽如图1所示，测量方法是先统计出监测带宽内的总功率，然后在频谱上从两边往中间依次累加谱线的功率，直到功率和占到总功率的(β/2)%，分别定义为f1和f2，则定义带宽等于f2-f1；而x-db带宽如图2所示，测量方法是先在频谱上找到峰值即最高点，然后从最高点依次往两边找到两根谱线使得这两根谱线往外的所有谱线都比最高点至少小xdb，则这两根谱线对应的频率差即为带宽。
在itu和广电的建议中，β通常取99，x通常取26，也就是常说的99%功率带宽和26db带宽。
图1、β%占用带宽
图2、x-db带宽
1.2、频偏
调频信号中的频偏（frequencydeviation）指的是调频波频率摆动的幅度，是随着信息（或语音）波形的起伏而变化的。通常用仪器或接收机所测量的频偏实际上是指一段时间内的最大频偏，最大频偏的分布和大小，决定了收听到的音频的音质和音量，也就是决定了fm广播的发射质量。
本文主要目的是研究fm广播的发射质量，所以根据上述描述，应关注的即是频偏指标。
itu-r针对fm信号频偏的测量有详细描述：
频偏测量方法是取一段时间（建议的时间长度为50ms）的信号测量其在每个采样点上相对于载波的频率偏差，取最大值即为最大频偏。但为了更深入的了解频偏，可以用随时间更新的统计直方图来表示其信号特征。频偏的直方图计算方法如下：
1）.以50ms为周期，测量出n个最大频偏。测量周期的长短会显著影响直方图，因此需要固定的测量周期以确保测量结果的可重复性。同时，选取50ms为测量周期可以确保当调制频率低至20hz时仍能有效测量最大频偏。
2）.将需要统计的频偏范围（本文中为0～150khz），以1khz（分辨率）为单位，分为等份（本文中为150等份）。
3）.在每一等份，对对应频率值上的点数进行计数，所得到的波形应大致如图3所示（即频偏分布直方图），其中x轴表示频率，y轴表示最大频偏落在对应频率值上的点数。
图3、频偏分布直方图
4）.对每一等份的点数进行累加，并以百分比为单位，对n做归一化，即得到图4所示图形（即频偏累积分布直方图），其中x轴表示频率，y轴表示最大频偏落在对应频率值上的频率范围内的概率，概率从最左端的100%开始，到最右端的0%结束。
图4、频偏累积分布直方图
同时itu-r针对最大频偏的累积分布给出了参考规范（sm1268）如图5所示：
图5、最大频偏累积分布参考规范
该规范指出：大于75khz的频偏分布统计百分比不超过22%，大于80khz的频偏分布统计百分比不超过12%，大于85khz的频偏分布统计百分比不超过8%。
基于以上理论可得知，fm信号的发射质量，与原始音频信号经过调制后的fm载波频偏大小有关，而通过测量并改善最大频偏的累积分布将有助于改善fm信号的发射质量。
二、硬件基础 本文中使用了一款利用当前先进无线电监测技术，符合itu规范的模块化广播监测接收机。该接收机由高端数字无线电接收模块和最新的嵌入式处理器组成。软件无线电的架构和高速数据总线，确保了接收机的可扩展性和测试速度。该接收机依据国际电信联盟无线电通信部门（itu-r）标准和频谱监测手册对fm信号进行解调和测量，并专门针对广播监测应用提供了音频和基带分析功能。具体的特征参数如下：
占用带宽（occupiedbandwidth
载波频偏（carrieroffset）
带内功率（powerinband）
fm最大频偏（fmmaximumdeviation）
主信道信号最大频偏（maximumfrequencydeviationofmainchannel(l+r)）
导频信号最大频偏（maximumfrequencydeviationofthepilottone）
副信道信号最大频偏（maximumfrequencydeviationofsubchannel(l-r)）
该广播监测接收设备的结构原理框图如图6所示。数字无线电接收模块安装在机箱内，该机箱具有高速数据总线和工业加固框架。本接收机的嵌入式控制器采用了高速处理器，负责控制接收模块并对采集到的数据进行处理。
图6、广播监测接受机结构原理框图
数字无线电接收模块包括两个子模块：射频下变频模块和高速中频采集模块。
射频下变频模块将关心的射频频带下变频至中频信号，然后将中频信号输送至高速中频采集模块。
高速中频采集模块的核心是一个高速adc（模数转换器）和一个提供硬件处理功能的数字下变频专用芯片。数字下变频处理对宽带的信号进行实时抽取并下变频到基带，适合于捕捉广播信号、无线信号和其他通信信号。数字下变频处理还能将采集到的中频信号波形转换为i/q复信号数据输出。该高速中频采集模块利用具有专利技术的高速专用芯片进行数据传输，通过dma将数据传送至控制器，降低控制器cpu负荷，使其专注于完成先进的分析处理、图形化显示和数据交换等工作。如图7所示：
图7、数字无线电接收模块架构
射频下变频模块首先对信号进行用户指定的衰减，经过上变频后通过表面声波滤波器滤除镜频，然后进行多级下变频，最后输出中频信号。射频下变频模块利用具有高精度和高稳定度的恒温晶振作为系统参考时钟，提供极高的频率精度。
为了便于紧凑的封装，模块选用高性能的微型yig振荡器产生上变频阶段所需的高频本振信号。yig振荡器是一种可以产生非常纯净的高频信号的振荡器，往往体积很大。设备中射频下变频模块利用该领域突破性的技术，在设计中使用了极小的yig振荡器。yig振荡器可调谐到指定的频段，允许用户设定到射频下变频模块所需的频率。射频下变频模块周全的频率规划和多级变频架构确保了仪器低杂散响应和大动态范围的优秀特性。如图8所示：
图8、射频下变频模块架构
本文为分析fm广播发射质量与频偏累积分布的关系，从调节发射机的音频处理器着手，以电台a（包括音频处理器a和发射机a）和电台b（包括音频处理器b和发射机b）为对比样本，设计了如下实验。
该实验主要通过调节音频处理器来改善fm信号的频偏累积分布，以验证其与fm广播发射质量的关系。
3.2、测试 实验使用某个广播节目的音频文件，将其分别经由音频处理器a和b处理后，同时传输到发射机a和b进行发射，两台发射机使用相同的设置。用广播监测接收机分别录制发射机a和b发出的射频信号，将录制的信号按照itu-rsm.1268.1标准来进行调频信号最大频偏的统计分析。分析实验过程描述如图9所示。得到的结果如图10所示。
图9、测试过程
图10、累计频偏分布图
从实验得出的频偏统计分布来看，对于相同的音频文件，电台a的信号频偏主要分布从10khz-95%到35khz-5%呈半钟形曲线走向，电台b的信号频偏主要分布从10khz-95%到75khz-95%呈半钟形曲线走向。两个电台的时域信号表现出不同概率分布特征。相比之下，电台b的信号频偏值更大。
从收听角度上，电台b的音频比电台a的音频音质更好，音量更大，也就是发射质量更好。
3.3、调试
由于传输到两个音频处理器的音频文件相同，两台发射机的设置也相同，但电台a和电台b的信号频偏分布不同，说明两个电台的音频处理器存在差异。相同的音频文件经音频处理器a处理后的信号频偏幅度相对较小，说明音频处理器a的设置未达到itu-rsm1268.1标准。故按照建议标准调节音频处理器a之后，理论上即可实现更高的发射质量。为此，设计了下述验证实验。
3.4、验证
将某个广播节目经音频处理器a处理之后传输到发射机a进行发射，在发射不间断的情况下由工程师对音频处理器a进行调节，用广播监测接收机接收电台a的射频信号并按照itu-rsm.1268.1标准来进行调频信号最大频偏的统计分析，比较调节音频处理器a前后的数据。验证实验过程描述如图11所示。
图11、验证实验过程
图12、累计频偏分布图
从频偏统计分布来看，对于相同的节目源，调节前信号频偏主要分布从25khz-95%到45khz-5%呈半钟形曲线走向，调节后信号频偏主要分布从45khz-95%到55khz-95%呈半钟形曲线走向。相比之下，调节后信号频偏值更大，分布也更为饱满。从收听角度，调节后的音质和音量相对调节前有明显提升。
四、验证实验结论 在相同节目源的情况下，通过调节音频处理器的基准输出电平，可以改进频偏分布使之更饱满，频偏值更大。
针对相同的音频源，其经过fm调制之后的最大频偏分布，可以影响解调后的声音音量大小和音质饱和度。通过调整音频处理器的参数设置，使调频信号更加符合itu-r规范，可以使收听的声音音量更大，音质更饱满。因此，使用广播监测设备来检测fm广播参数，并针对这些参数根据itu-r标准对广播链路中的设备进行调整，可以得到更高的发射质量。
这也说明了，使用广播监测设备对fm广播进行监测是保证fm广播发射质量的一种行之有效的手段。
五、展望 本文中所使用的基于软件无线电架构的广播监测接收机为单通道采集设备，测试的参数相对较少，并且采集之后需由人工分析，效率相对较低。随着科技的发展进步，结合实验中遇到的问题，提出对未来fm广播监测接收设备的一些展望：
1.可实时记录87mhz至108mhz频段的全波段fm广播信号。
2.配有大容量磁盘阵列，可全天候记录，并实现定时记录等高级功能。
3.可远程控制，实现无人值守化监测、自动分析生成报表等功能。
4.支持数据库，可重现任意时刻、任意频点的频谱、音频。
5.多样化系统配置，可以满足不同客户需求。
6.软硬件模块化设计，便于系统扩展和二次开发。
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一、概述 调频（fm）的概念，fm是现代实现高保真度声音广播和立体声广播的主要方式，是以调频方式进行音频信号传输的，调频波的载波随着音频调制信号的变化而在载波中心频率（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的频偏变化次数和音频信号的调制频率一致，如音频信号的频率为1khz，则载波的频偏变化次数也为每秒1k次。频偏的大小随音频信号的振幅大小而定。
立体声调频的概念，立体声调频首先将两个声频（左、右声道）的信号进行编码，得到一组低频复合立体声信号，然后再对高频载波进行调频。立体声调频根据对立体声的处理方法不同，分为频率分割制（和差制）、时间分割制、方向信号制三种。现普遍采用的是和差制。和差制是在立体声调制器中，先将左（l）、右（r）声道信号进行编码，形成和信号（l+r）与差信号（l-r），其中和信号直接送去调制主载波，构成主信道信号，以便普通调频收音机兼容收听；差信号则送到平衡调制器对副载波进行抑制载波式幅度调制，所得到的双边带抑载调幅波作为副信道信号，再与和信号混合去调制主载波。副信道信号的频率范围为23至53khz（38±15khz），属于超音频范围，不会干扰单声道放音。由于副信道调幅波的副载波被抑制掉了，将使立体声收音机无法直接解调出差信号，因此应在收音机内再产生一个频率、相位均与发射系统副载波相同的38khz信号才能解调。为此，在发射端，利用主、副信道频谱的间隔处，再发射一个19khz（1/2副载波频率）导频信号（pilottone），以便在收音机中“引导”出38khz再生副载波，这种调制方法称之为导频制，也是目前和差制立体声广播里面应用最为广泛的一种分割频率的方法。
相应的，为了测量调频信号和立体声调频信号，国际上通常需要测量以下几个参数。
1.1、占用带宽
依据itu的建议，信号带宽的测量通常基于频谱用“β%占用带宽”和“x-db带宽”两种方法。β%占用带宽如图1所示，测量方法是先统计出监测带宽内的总功率，然后在频谱上从两边往中间依次累加谱线的功率，直到功率和占到总功率的(β/2)%，分别定义为f1和f2，则定义带宽等于f2-f1；而x-db带宽如图2所示，测量方法是先在频谱上找到峰值即最高点，然后从最高点依次往两边找到两根谱线使得这两根谱线往外的所有谱线都比最高点至少小xdb，则这两根谱线对应的频率差即为带宽。
在itu和广电的建议中，β通常取99，x通常取26，也就是常说的99%功率带宽和26db带宽。
图1、β%占用带宽
图2、x-db带宽
1.2、频偏
调频信号中的频偏（frequencydeviation）指的是调频波频率摆动的幅度，是随着信息（或语音）波形的起伏而变化的。通常用仪器或接收机所测量的频偏实际上是指一段时间内的最大频偏，最大频偏的分布和大小，决定了收听到的音频的音质和音量，也就是决定了fm广播的发射质量。
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itu-r针对fm信号频偏的测量有详细描述：
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1）.以50ms为周期，测量出n个最大频偏。测量周期的长短会显著影响直方图，因此需要固定的测量周期以确保测量结果的可重复性。同时，选取50ms为测量周期可以确保当调制频率低至20hz时仍能有效测量最大频偏。
2）.将需要统计的频偏范围（本文中为0～150khz），以1khz（分辨率）为单位，分为等份（本文中为150等份）。
3）.在每一等份，对对应频率值上的点数进行计数，所得到的波形应大致如图3所示（即频偏分布直方图），其中x轴表示频率，y轴表示最大频偏落在对应频率值上的点数。
图3、频偏分布直方图
4）.对每一等份的点数进行累加，并以百分比为单位，对n做归一化，即得到图4所示图形（即频偏累积分布直方图），其中x轴表示频率，y轴表示最大频偏落在对应频率值上的频率范围内的概率，概率从最左端的100%开始，到最右端的0%结束。
图4、频偏累积分布直方图
同时itu-r针对最大频偏的累积分布给出了参考规范（sm1268）如图5所示：
图5、最大频偏累积分布参考规范
该规范指出：大于75khz的频偏分布统计百分比不超过22%，大于80khz的频偏分布统计百分比不超过12%，大于85khz的频偏分布统计百分比不超过8%。
基于以上理论可得知，fm信号的发射质量，与原始音频信号经过调制后的fm载波频偏大小有关，而通过测量并改善最大频偏的累积分布将有助于改善fm信号的发射质量。
二、硬件基础 本文中使用了一款利用当前先进无线电监测技术，符合itu规范的模块化广播监测接收机。该接收机由高端数字无线电接收模块和最新的嵌入式处理器组成。软件无线电的架构和高速数据总线，确保了接收机的可扩展性和测试速度。该接收机依据国际电信联盟无线电通信部门（itu-r）标准和频谱监测手册对fm信号进行解调和测量，并专门针对广播监测应用提供了音频和基带分析功能。具体的特征参数如下：
占用带宽（occupiedbandwidth
载波频偏（carrieroffset）
带内功率（powerinband）
fm最大频偏（fmmaximumdeviation）
主信道信号最大频偏（maximumfrequencydeviationofmainchannel(l+r)）
导频信号最大频偏（maximumfrequencydeviationofthepilottone）
副信道信号最大频偏（maximumfrequencydeviationofsubchannel(l-r)）
该广播监测接收设备的结构原理框图如图6所示。数字无线电接收模块安装在机箱内，该机箱具有高速数据总线和工业加固框架。本接收机的嵌入式控制器采用了高速处理器，负责控制接收模块并对采集到的数据进行处理。
图6、广播监测接受机结构原理框图
数字无线电接收模块包括两个子模块：射频下变频模块和高速中频采集模块。
射频下变频模块将关心的射频频带下变频至中频信号，然后将中频信号输送至高速中频采集模块。
高速中频采集模块的核心是一个高速adc（模数转换器）和一个提供硬件处理功能的数字下变频专用芯片。数字下变频处理对宽带的信号进行实时抽取并下变频到基带，适合于捕捉广播信号、无线信号和其他通信信号。数字下变频处理还能将采集到的中频信号波形转换为i/q复信号数据输出。该高速中频采集模块利用具有专利技术的高速专用芯片进行数据传输，通过dma将数据传送至控制器，降低控制器cpu负荷，使其专注于完成先进的分析处理、图形化显示和数据交换等工作。如图7所示：
图7、数字无线电接收模块架构
射频下变频模块首先对信号进行用户指定的衰减，经过上变频后通过表面声波滤波器滤除镜频，然后进行多级下变频，最后输出中频信号。射频下变频模块利用具有高精度和高稳定度的恒温晶振作为系统参考时钟，提供极高的频率精度。
为了便于紧凑的封装，模块选用高性能的微型yig振荡器产生上变频阶段所需的高频本振信号。yig振荡器是一种可以产生非常纯净的高频信号的振荡器，往往体积很大。设备中射频下变频模块利用该领域突破性的技术，在设计中使用了极小的yig振荡器。yig振荡器可调谐到指定的频段，允许用户设定到射频下变频模块所需的频率。射频下变频模块周全的频率规划和多级变频架构确保了仪器低杂散响应和大动态范围的优秀特性。如图8所示：
图8、射频下变频模块架构
本文为分析fm广播发射质量与频偏累积分布的关系，从调节发射机的音频处理器着手，以电台a（包括音频处理器a和发射机a）和电台b（包括音频处理器b和发射机b）为对比样本，设计了如下实验。
该实验主要通过调节音频处理器来改善fm信号的频偏累积分布，以验证其与fm广播发射质量的关系。
3.2、测试 实验使用某个广播节目的音频文件，将其分别经由音频处理器a和b处理后，同时传输到发射机a和b进行发射，两台发射机使用相同的设置。用广播监测接收机分别录制发射机a和b发出的射频信号，将录制的信号按照itu-rsm.1268.1标准来进行调频信号最大频偏的统计分析。分析实验过程描述如图9所示。得到的结果如图10所示。
图9、测试过程
图10、累计频偏分布图
从实验得出的频偏统计分布来看，对于相同的音频文件，电台a的信号频偏主要分布从10khz-95%到35khz-5%呈半钟形曲线走向，电台b的信号频偏主要分布从10khz-95%到75khz-95%呈半钟形曲线走向。两个电台的时域信号表现出不同概率分布特征。相比之下，电台b的信号频偏值更大。
从收听角度上，电台b的音频比电台a的音频音质更好，音量更大，也就是发射质量更好。
3.3、调试
由于传输到两个音频处理器的音频文件相同，两台发射机的设置也相同，但电台a和电台b的信号频偏分布不同，说明两个电台的音频处理器存在差异。相同的音频文件经音频处理器a处理后的信号频偏幅度相对较小，说明音频处理器a的设置未达到itu-rsm1268.1标准。故按照建议标准调节音频处理器a之后，理论上即可实现更高的发射质量。为此，设计了下述验证实验。
3.4、验证
将某个广播节目经音频处理器a处理之后传输到发射机a进行发射，在发射不间断的情况下由工程师对音频处理器a进行调节，用广播监测接收机接收电台a的射频信号并按照itu-rsm.1268.1标准来进行调频信号最大频偏的统计分析，比较调节音频处理器a前后的数据。验证实验过程描述如图11所示。
图11、验证实验过程
图12、累计频偏分布图
从频偏统计分布来看，对于相同的节目源，调节前信号频偏主要分布从25khz-95%到45khz-5%呈半钟形曲线走向，调节后信号频偏主要分布从45khz-95%到55khz-95%呈半钟形曲线走向。相比之下，调节后信号频偏值更大，分布也更为饱满。从收听角度，调节后的音质和音量相对调节前有明显提升。
四、验证实验结论 在相同节目源的情况下，通过调节音频处理器的基准输出电平，可以改进频偏分布使之更饱满，频偏值更大。
针对相同的音频源，其经过fm调制之后的最大频偏分布，可以影响解调后的声音音量大小和音质饱和度。通过调整音频处理器的参数设置，使调频信号更加符合itu-r规范，可以使收听的声音音量更大，音质更饱满。因此，使用广播监测设备来检测fm广播参数，并针对这些参数根据itu-r标准对广播链路中的设备进行调整，可以得到更高的发射质量。
这也说明了，使用广播监测设备对fm广播进行监测是保证fm广播发射质量的一种行之有效的手段。
五、展望 本文中所使用的基于软件无线电架构的广播监测接收机为单通道采集设备，测试的参数相对较少，并且采集之后需由人工分析，效率相对较低。随着科技的发展进步，结合实验中遇到的问题，提出对未来fm广播监测接收设备的一些展望：
1.可实时记录87mhz至108mhz频段的全波段fm广播信号。
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