一種調頻廣播頻譜記錄儀的研制和應用

1   背景和概述

在廣播電臺日常工作中，缺少無(wú)線(xiàn)電頻譜監測手段。一般是采取接收機+ 音頻電平表的形式，把廣播的音頻信號展現出來(lái)。而接收機具有自動(dòng)增益、噪聲抑制等電路，通常會(huì )對無(wú)線(xiàn)電信號的指標劣化不敏感。例如：當發(fā)射機故障功率變小，如果信號不是太弱，則音頻監測設備不會(huì )做出反應。另一個(gè)典型例子是，非標準頻率的黑臺，在定頻接收機上收不到。

亟需一種設備，能夠把整個(gè)頻帶內的無(wú)線(xiàn)電頻譜，變成屏幕上的圖像，以一種“一望而知”的直觀(guān)形式，發(fā)現信號強度變化、指標劣化、無(wú)調制、不明頻率出現等異常情況，并且能夠以圖像形式進(jìn)行記錄。如此，將使日常監測工作達到更高水平。

2   方案設計

隨著(zhù)軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展，自行研制一種針對廣電行業(yè)特點(diǎn)、符合特殊需求、工作模式靈活、可訂制頻段和功能的無(wú)線(xiàn)電可視化監測設備，成為可能。本文所述設備能夠將頻帶內的無(wú)線(xiàn)電廣播信號的三種要素展現在同一屏幕，即場(chǎng)強、頻率、時(shí)間。緊密結合廣播電臺實(shí)際工作需求，始終以實(shí)際需求為根本出發(fā)點(diǎn)，沒(méi)有追求過(guò)高的技術(shù)指標，是一個(gè)具有實(shí)用性的產(chǎn)品。

調頻廣播頻段頻譜記錄儀采用了嵌入式計算機系統和軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)相結合的方案。如圖1 所示：

從天線(xiàn)輸入的射頻信號，進(jìn)入射頻前端進(jìn)行處理，然后下變頻到某種程度的低頻（取決于帶寬需求），最后直接進(jìn)行A/D 轉換。得到I 和Q 信息。

對A/D 后的數據進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到頻譜數據，再轉換成顏色信息，得到一系列彩色點(diǎn)狀數據，按照頻率從低到高橫向排列，得到的是單個(gè)像素點(diǎn)的橫向線(xiàn)條。這個(gè)線(xiàn)條代表了整個(gè)頻段內的信號強度。

間隔幾秒鐘^[1]再進(jìn)行下一次轉換，得到另一條彩色線(xiàn)條。軟件不斷循環(huán)重復工作，上一次轉換的彩色線(xiàn)條每次向下滾動(dòng)一行，新數據則填充頂端位置。這樣進(jìn)行圖像逐行累積合成，得到了一段時(shí)間內無(wú)線(xiàn)電信號的變化情況，如圖2 所示，這幅圖像看起來(lái)的效果是緩慢向下滾動(dòng)，稱(chēng)之為瀑布圖。

圖2 頻譜監測設備輸出的瀑布圖圖像

圖中，縱向坐標代表了時(shí)間流逝（整個(gè)圖像向下滾動(dòng)），已經(jīng)打上了時(shí)間標記，橫向坐標代表了頻率刻度，用顏色代表信號強度。一幅圖像展現三個(gè)要素，持續在屏幕上滾動(dòng)，最適合播控中心機房日常值班使用。這幅

圖像信息每隔一定時(shí)間（可預置）自動(dòng)存儲，使用計算機技術(shù)中成熟的圖像壓縮算法減小文件尺寸，每半小時(shí)存儲一張高清的PNG 格式的壓縮圖片，僅需約1 MB，每年需要

1*2*24*365 = 17520 MB = 17.520 GB

這個(gè)數量級別，是廉價(jià)的固態(tài)存儲器能輕易做到的。FFT 以后的原始數據從網(wǎng)口輸出共享，能夠組網(wǎng)應用。

調頻廣播頻段頻譜記錄儀作為日常播出監測設備，主要是定性觀(guān)測和視覺(jué)展示為主。即在常見(jiàn)發(fā)射機天饋線(xiàn)故障狀態(tài)下，能夠以鮮明的圖像特征展示給值班人員。

3   方案的實(shí)現

3.1 硬件及射頻前端設計

本項目的射頻前端需要具備一定的相對精度，又無(wú)需太高。借鑒了某些開(kāi)源硬件的設計，避開(kāi)版權付費內容。其工作原理和普通SDR 電路相同。

首先使用了LNA（低噪聲放大器），之后進(jìn)行下變頻到中頻，再經(jīng)過(guò)低通濾波器后進(jìn)入ADC（模數轉換器A/D），把模擬域信號進(jìn)行數據域的轉換。本項目對于A(yíng)DC 并未追求極高位數精度和測量指標，采取了折衷的辦法，在普通天線(xiàn)能提供的信號強度和一般機房電磁環(huán)境下，能夠突出顯示有用的廣播信號即可^[3]。經(jīng)實(shí)驗，采樣精度8bits，轉換速率為2 Mbps。實(shí)際上是正交的兩個(gè)ADC 同時(shí)工作，這是因為需要I 和Q 兩個(gè)分量才能計算模值。

軟件無(wú)線(xiàn)電的射頻前端和驅動(dòng)程序密不可分，也自主編寫(xiě)了底層驅動(dòng)程序和上層應用程序。

3.2 軟件設計

軟件無(wú)線(xiàn)電的主要工作流程都集中在軟件處理。分為數個(gè)模塊。其中硬件驅動(dòng)程序完成了射頻硬件和計算機之間的數據流接口。頻譜分析模塊負責采集到數據的頻域變換，并把場(chǎng)強進(jìn)行顏色轉換，成為色彩表達形式。屏幕繪圖模塊負責把顏色信息描繪在屏幕上。

射頻參數控制模塊能夠設定增益和采樣率等參數，使設備符合傳統無(wú)線(xiàn)電儀器的操作習慣。包括了定時(shí)參數、頻段范圍、分辨率、實(shí)時(shí)音頻基帶解調開(kāi)關(guān)^[5]、圖像分辨率等參數設置功能。

定時(shí)存儲模塊是一個(gè)后臺進(jìn)程，在定時(shí)間隔后進(jìn)行屏幕截圖。

故障告警模塊和硬件聯(lián)動(dòng)，在風(fēng)扇停止、存儲器溢出等情況下發(fā)出告警信息。人機界面模塊使用鼠標進(jìn)行菜單操作，并無(wú)過(guò)多選項，避免人為設置錯誤。專(zhuān)業(yè)工程維護人員可以修改ini 文件設定更多初始參數。時(shí)間校正模塊采用青島廣播電視科研所標準的時(shí)間碼或者NTP 網(wǎng)絡(luò )時(shí)間服務(wù)器的方式。對于長(cháng)期監測工作，維持精確的時(shí)間非常重要[3]，是安全責任劃分和故障判斷的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò )接口對外傳輸實(shí)時(shí)數據，可以擴展多點(diǎn)分布式監測。

由于全固態(tài)計算機系統啟動(dòng)非?？?，整體看來(lái)是一個(gè)一體化的軟硬件系統，符合現代流行的嵌入式系統設計原則，即操作系統+ 應用軟件+ 硬件。

圖3 設計階段的原理圖、電路板和軟件開(kāi)發(fā)

3.3 樣機制作和整機測試

圖3 展示了原理圖、印刷電路板的設計過(guò)程和軟件開(kāi)發(fā)界面。當然這是歷經(jīng)數次實(shí)驗的最終完成版本。軟件全部使用了開(kāi)源編譯工具。已經(jīng)獲得了著(zhù)作權證書(shū)。

經(jīng)過(guò)射頻各種參數的合理設計，軟件主界面呈現出色彩對比鮮明的特征，清晰反映出了空間電磁波譜的特征，證明方案設計和實(shí)現都是合理有效的。整機完成后結構如圖4 所示。

圖4 完成品實(shí)物圖

軟硬件包含在一個(gè)標準1U 機箱內^[4]，外接電源、天線(xiàn)和顯示器即可工作。

軟件操作基本不需要鍵盤(pán)，初始配置過(guò)程需要鍵盤(pán)時(shí)，能夠從后面板接入。后面板接口包括網(wǎng)絡(luò )口和音頻口，可以輸出聲音。串口保留，用作時(shí)間標準接口。

配套全向的寬帶天線(xiàn)，如有定向的需求則可以選擇對數周期天線(xiàn)。很高增益的天線(xiàn)其帶寬較窄，對于全頻帶接收不利，需要加以驗證方可安裝使用。天線(xiàn)都會(huì )受到周?chē)饘傥矬w的影響，其方向圖和頻率特性都會(huì )與理論值相去甚遠，一切以實(shí)際效果為準并遠離干擾源。有干擾時(shí)，在頻譜圖上找出并干擾源頻率，以后的分析中忽略它^[2]。

本設計具有一定的相對精度。圖5 右側是無(wú)線(xiàn)電管理部門(mén)給出的本地交通廣播89.7MHZ測試結果，左側是本設備同時(shí)間的測試效果作為對照。注意設備可以設定頻率范圍較小，例如1MHZ^[1]，能夠詳細觀(guān)察頻譜細節。主信號兩側為青島臺發(fā)播的CDR 自辦節目。

圖5 擴展測量和精度校驗

4   頻譜記錄儀的實(shí)際應用

圖6 為長(cháng)期運行過(guò)程中實(shí)際監測到的異常狀況，分別是發(fā)射機供電故障中斷播出、音頻電纜損壞、調制帶寬指標超標^[1]和黑廣播出現。經(jīng)查證，如實(shí)反映了真實(shí)情況。

這些圖片，可以加入水印，作為相關(guān)技術(shù)保障工作報表的主要素材和依據。

圖6 實(shí)際觀(guān)測到的異常情況樣例展示

5   可擴展特性

這個(gè)設備基于軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)和嵌入式計算機技術(shù)，具有比較強的擴展功能，有待于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。例如，設定工作頻率到無(wú)線(xiàn)話(huà)筒頻段，在演播室以長(cháng)期慢掃描的方式工作，能夠監測無(wú)線(xiàn)話(huà)筒的工作頻帶內干擾源情況，給出最優(yōu)的無(wú)線(xiàn)話(huà)筒使用頻點(diǎn)。如果綠色部分非常多，表明本底噪聲很大，而且是寬帶均勻分布的，是LED 大屏幕舞臺設備的典型干擾特征。這種干擾會(huì )導致舞臺上某些無(wú)線(xiàn)話(huà)筒失靈。

6   結論

本文所述的調頻頻段頻譜記錄儀，將最新的軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)應用于廣播監測，降低了采購成本，促進(jìn)了無(wú)線(xiàn)電監測設備的普及應用。

系統采用嵌入式計算機技術(shù)，把調頻廣播全頻段的無(wú)線(xiàn)電信號進(jìn)行可視化呈現，極大方便了廣播電臺的日常監測工作。該設備經(jīng)過(guò)了總局相關(guān)部門(mén)檢測并獲得廣電總局科技創(chuàng )新獎。

參考文獻：

[1] 調頻廣播接收機測量方法:GB/T 6163-2011 [S].

[2] 聲音和電視廣播接收機以及有關(guān)設備抗擾度限值和測量方法:GB/T 9383-2008 [S].

[3] 米波分米波地面電視廣播監測技術(shù)規程:GY/T 142-1999 [S].

[4] 電子設備機柜通用技術(shù)條件:GB/T15395-1994 [S].

[5] 廣播數據系統(RDS)技術(shù)規范:GB/T 15770 -1995 [S].

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）