調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播數(shù)字化的測(cè)試

1系統(tǒng)傳輸性能的測(cè)試2013年8月，國(guó)家廣播電視臺(tái)發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)頻率段數(shù)字音源廣播模式，并提供了中國(guó)頻率段廣播的數(shù)字化模式。為了了解調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)的傳輸覆蓋性能及其與宿主模擬廣播、鄰頻道模擬廣播電臺(tái)之間的干擾情況,國(guó)家廣電總局廣播科學(xué)研究院對(duì)此系統(tǒng)的傳輸性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和場(chǎng)地測(cè)試。本文主要介紹實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試的有關(guān)技術(shù)和方法,在文章中,對(duì)我國(guó)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為FM-CDR系統(tǒng)。2數(shù)字視頻廣播的寬與目前世界上已有的調(diào)頻頻段數(shù)字聲音廣播系統(tǒng)HDRadio和DRM類似,FM-CDR也采用正交頻分復(fù)用計(jì)數(shù)(OFDM),頻道間隔設(shè)計(jì)為100kHz。FM-CDR的信號(hào)帶寬為100kHz或者200kHz,其信號(hào)的頻譜示意圖如圖1和圖2所示?？梢钥闯?FM-CDR的頻譜分為兩大類:(1)數(shù)字信號(hào)的帶寬連續(xù),信號(hào)帶寬可以為100kHz或者200kHz;(2)數(shù)字信號(hào)的帶寬不連續(xù),但數(shù)字音頻廣播信號(hào)的總帶寬為100kHz或者200kHz,數(shù)字信號(hào)之間的頻譜間隔為300kHz或者200kHz,在兩個(gè)數(shù)字信號(hào)之間的頻譜上可用于放置模擬立體聲調(diào)頻廣播或者模擬單聲道調(diào)頻廣播?？梢钥闯?FM-CDR系統(tǒng)提供了靈活的頻譜模式,現(xiàn)有的FM廣播電臺(tái)可以根據(jù)自己臺(tái)站及周邊臺(tái)站的實(shí)際情況選擇第二種頻譜模式和數(shù)字信號(hào)的帶寬,即可以在原有模擬廣播的兩側(cè)放置數(shù)字信號(hào),進(jìn)行數(shù)模同播,這樣既可以不改變用戶的收聽(tīng)習(xí)慣,又可以使得使用模擬FM接收機(jī)仍可以聽(tīng)到模擬節(jié)目,而具有數(shù)字音頻廣播解調(diào)功能的接收機(jī)在檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)時(shí),可自動(dòng)播出該頻道的數(shù)字節(jié)目,運(yùn)營(yíng)商和用戶均可以實(shí)現(xiàn)模擬到數(shù)字的平滑過(guò)渡。模擬調(diào)頻廣播的內(nèi)容可以與數(shù)字音頻廣播的內(nèi)容一致,也可以不一致。第一種頻譜模式則可以在模擬廣播全部數(shù)字化以后或者頻譜資源不緊張的地區(qū)采用。3實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建FM-CDR傳輸系統(tǒng),通過(guò)在傳輸系統(tǒng)中加入各種噪聲或干擾,模擬各種現(xiàn)場(chǎng)接收環(huán)境,用專用的測(cè)試儀器對(duì)被測(cè)系統(tǒng)的各項(xiàng)性能進(jìn)行測(cè)試。此次測(cè)試著力于回答以下問(wèn)題:(1)FM-CDR系統(tǒng)的傳輸性能如何?(2)數(shù)字邊帶的注入是否對(duì)原有的調(diào)頻模擬廣播產(chǎn)生影響?(3)數(shù)字音頻廣播與鄰頻道調(diào)頻模擬廣播之間的干擾情況如何?(4)數(shù)字音頻廣播與鄰頻道數(shù)字音頻廣播之間的干擾情況如何?針對(duì)這四個(gè)問(wèn)題,實(shí)驗(yàn)室性能測(cè)試項(xiàng)目主要包括:(1)FM-CDR系統(tǒng)在高斯白噪聲信道下的載噪比門限(2)FM-CDR接收機(jī)的最小信號(hào)電平(3)FM-CDR系統(tǒng)在多徑信道環(huán)境下的性能(4)FM-CDR系統(tǒng)抗相位噪聲、脈沖干擾和單頻干擾的性能(5)數(shù)模同播方式時(shí)數(shù)字邊帶對(duì)宿主模擬調(diào)頻廣播的干擾(6)FM-CDR對(duì)同頻道、鄰頻道模擬調(diào)頻廣播的保護(hù)率(7)模擬調(diào)頻廣播對(duì)同頻道、鄰頻道FM-CDR的保護(hù)率(8)FM-CDR對(duì)同頻道、鄰頻道FM-CDR的保護(hù)率在測(cè)試中,用誤比特率BER作為數(shù)字音頻廣播系統(tǒng)傳輸性能測(cè)試的差錯(cuò)判據(jù),借鑒目前國(guó)際相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如DRM+、HDRadio等采用的客觀差錯(cuò)判據(jù),以及前期有關(guān)DRA誤碼敏感性的初步分析結(jié)果,進(jìn)一步考慮到測(cè)試時(shí)間的限制,不失代表性,在測(cè)試中選用BER=10-4作為客觀差錯(cuò)失敗門限。由于接收機(jī)在正常測(cè)試時(shí)具有保持功能,測(cè)試中在尋找接收門限點(diǎn)時(shí)采取在接收失效情況下逐步改善接收條件(如降低噪聲和干擾)直至接收正常的方法。由于接收機(jī)軟件可以輸出全1碼流的誤比特率,因此測(cè)試用的數(shù)字信號(hào)源選用全1的比特流。在測(cè)試中涉及到模擬調(diào)頻廣播音頻質(zhì)量的測(cè)試時(shí),則以音頻加權(quán)準(zhǔn)峰值信噪比WQPSNR作為模擬音頻質(zhì)量指標(biāo),以WQPSNR=56dB作為良好接收質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),以WQPSNR=50dB作為音頻質(zhì)量劣化的下限標(biāo)準(zhǔn),并以主觀評(píng)價(jià)為輔助的測(cè)試手段。在測(cè)試中,除了與模擬調(diào)頻廣播有關(guān)的測(cè)試項(xiàng)激勵(lì)器選用數(shù)模同播的方式外,其余的測(cè)試項(xiàng)激勵(lì)器均選用純數(shù)字方式。3.1白噪聲信號(hào)下的載噪比門限測(cè)試方法高斯白噪聲信道下的載噪比門限是FM-CDR系統(tǒng)最基本的性能指標(biāo)它是指接收機(jī)達(dá)到失效判據(jù)時(shí)信號(hào)功率與噪聲功率的比值(單位:dB),測(cè)試框圖如圖3所示。在圖3中,復(fù)用器等前端設(shè)備包括音頻源、DRA編碼器和復(fù)用器,在測(cè)試中調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播激勵(lì)器選用測(cè)試模式,此時(shí)激勵(lì)器可以產(chǎn)生全1的碼流,但是激勵(lì)器的傳輸模式頻譜模式及編碼調(diào)制方式需要由復(fù)用器來(lái)設(shè)置。白噪聲信道下的載噪比門限測(cè)試方法是:(1)關(guān)閉高斯噪聲發(fā)生器噪聲發(fā)生功能,調(diào)節(jié)可調(diào)衰減器衰減量,使接收機(jī)的輸入功率為較大值(如-70dBm),使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄此功率值C,單位dBm;(2)打開(kāi)高斯噪聲發(fā)生器噪聲發(fā)生功能,逐漸增加高斯白噪聲的功率(精度不低于0.1dB),直到在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)誤碼分析儀統(tǒng)計(jì)的BER達(dá)到失敗門限,關(guān)閉調(diào)制器輸出,使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄噪聲功率值N,單位dBm;(3)計(jì)算并記錄系統(tǒng)載噪比門限C/N,單位dB。3.2固定衰減器+接收前端最小信號(hào)電平是指在無(wú)噪聲條件下,接收機(jī)達(dá)到失敗判據(jù)時(shí)的輸入信號(hào)電平。最小信號(hào)電平主要用于評(píng)估FM-CDR接收機(jī)的靈敏度,其測(cè)試框圖如圖4所示,圖中在接收機(jī)前端加入固定衰減器是因?yàn)楫?dāng)接收機(jī)的最小信號(hào)電平較低時(shí),超過(guò)了頻譜分析儀的測(cè)量精度,所以在接收機(jī)前端加一個(gè)衰減值已知的固定衰減器,保證測(cè)量值的可靠性。最小信號(hào)電平的測(cè)試方法是:逐步增加可調(diào)衰減器的衰減量(精度不低于0.1dB),直至在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)誤碼分析儀統(tǒng)計(jì)的BER達(dá)到失敗門限,使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄接收機(jī)輸入端輸入功率(電平)c,單位dBm,則接收機(jī)的最小信號(hào)電平為C減去固定衰減器的衰減值。3.3多徑信道環(huán)境下的性能測(cè)試此項(xiàng)測(cè)試為了評(píng)估FM-CDR系統(tǒng)在典型多徑信道條件下的性能。系統(tǒng)在多徑信道條件下的性能一方面取決于系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)為輔助接收機(jī)接收提供的手段,如導(dǎo)頻圖樣等;另一方面取決于接收機(jī)如何利用系統(tǒng)提供的輔助信息來(lái)進(jìn)行信道估計(jì)、均衡的具體算法,如主徑判定、導(dǎo)頻濾波與插值等,即本項(xiàng)測(cè)試的結(jié)果與接收機(jī)實(shí)現(xiàn)存在密切關(guān)系。在多徑信道環(huán)境下的性能測(cè)試包括靜態(tài)多徑下的載噪比門限和動(dòng)態(tài)多徑下的載噪比門限測(cè)試。測(cè)試中選用的多徑信道模型包括9種信道模型,其信道參數(shù)來(lái)源于USADR和DRM系統(tǒng)中傳輸模式E使用的城市、鄉(xiāng)村、地表遮掩模型以及COST207的部分模型。多徑信道環(huán)境下的系統(tǒng)性能測(cè)試框圖見(jiàn)圖5。多徑信道環(huán)境下的載噪比門限測(cè)試方法為:(1)按照多徑路徑模型設(shè)置信道模擬器,并使得多徑信道仿真器的信號(hào)輸出電平為-60dBm,關(guān)閉高斯噪聲發(fā)生器噪聲發(fā)生功能,使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄信號(hào)功率值C,單位dBm;(2)打開(kāi)高斯噪聲發(fā)生器噪聲發(fā)生功能,逐漸增加高斯白噪聲的功率(精度不低于0.1dB),直到在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)誤碼分析儀統(tǒng)計(jì)的BER達(dá)到失敗門限,關(guān)閉調(diào)制器輸出,使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄噪聲功率值N,單位dBm;(3)計(jì)算并記錄系統(tǒng)載噪比門限C/N,單位dB;(4)按照其他的路徑模型設(shè)置信道模擬器,重復(fù)(1)～(3)。3.4抗相位噪聲和脈象干擾的性能3.4.1相位噪聲測(cè)試方法此項(xiàng)測(cè)試為了評(píng)估FM-CDR系統(tǒng)在受到劣質(zhì)器件引入的相位噪聲干擾條件下的性能。本項(xiàng)測(cè)試采用在一定相位噪聲條件下測(cè)量系統(tǒng)載噪比門限的方法,相位噪聲模型定義如表1所示。相位噪聲測(cè)量的測(cè)試框圖見(jiàn)圖6,圖中的相位噪聲發(fā)生器選用SFU,按照表1的參數(shù)設(shè)置SFU的相位噪聲測(cè)試功能的相關(guān)參數(shù)后,進(jìn)行載噪比門限的測(cè)試的測(cè)量,其測(cè)試方法見(jiàn)3.1章節(jié)。3.4.2抗脈沖干擾測(cè)試此項(xiàng)測(cè)試為了評(píng)估FM-CDR系統(tǒng)在受到外部脈沖噪聲干擾條件下的性能。本項(xiàng)測(cè)試將采用固定脈寬,測(cè)量載干比C/I的方式進(jìn)行。本項(xiàng)測(cè)試要求高斯噪聲發(fā)生器具備門控選通功能。根據(jù)FM-CDR系統(tǒng)參數(shù)的特點(diǎn),本項(xiàng)測(cè)試選用了表2給出的四種脈沖干擾門控序列。門控序列的說(shuō)明為:基本脈沖單元寬度為2.5μs,基本序列以重復(fù)頻度出現(xiàn),基本序列中“1”表示噪聲輸出選通,“0”表示噪聲輸出關(guān)斷,下標(biāo)為重復(fù)次數(shù)。如序列2定義為以160ms為周期出現(xiàn)的連續(xù)100個(gè)占空比為50%、周期為10μs的脈沖干擾,實(shí)際有效干擾時(shí)長(zhǎng)為1ms。測(cè)試框圖見(jiàn)圖7。抗脈沖干擾測(cè)試的測(cè)試方法為:(1)關(guān)閉高斯噪聲發(fā)生器噪聲發(fā)生功能,使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄欲收信號(hào)功率值C,單位dBm;(2)設(shè)置函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生表2所要求的門控序列;(3)打開(kāi)高斯噪聲發(fā)生器噪聲發(fā)生功能,逐步調(diào)整其輸出電平(精度不低于0.1dB),直到在規(guī)定觀測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)誤碼分析儀統(tǒng)計(jì)的BER達(dá)到失敗門限;(4)設(shè)置高斯噪聲發(fā)生器工作在連續(xù)輸出狀態(tài),使用頻譜分析儀功率測(cè)量功能測(cè)量并記錄噪聲功率值I,單位dBm;(5)計(jì)算并記錄系統(tǒng)載干比C/I=C-I,單位dB;(6)對(duì)于表2的其它序列重復(fù)步驟(1)-(5)。3.5音頻誤差測(cè)試此項(xiàng)測(cè)試為了評(píng)估數(shù)字邊帶的注入與否,在單聲道和立體聲兩種情況下,模擬接收機(jī)輸出的音頻信噪比(單位:dB)是否發(fā)生明顯的變化。測(cè)試框圖如圖8所示,此時(shí)激勵(lì)器設(shè)置為數(shù)模同播方式,接收機(jī)可選用不同品牌、質(zhì)量的模擬調(diào)頻接收機(jī)。模擬音頻源選用1kHz音頻信號(hào),調(diào)節(jié)音頻輸出電平使得激勵(lì)器的最大頻偏為±75kHz,將接收機(jī)的音量在失真度允許范圍內(nèi)調(diào)為最大,測(cè)試框圖見(jiàn)圖8。測(cè)試中音頻分析儀選用RSUPL。依據(jù)ITU-RBS.559-2的建議,在測(cè)量音頻信噪比時(shí),音頻分析儀選擇17kHz低通濾波器、加權(quán)、準(zhǔn)峰值信噪比測(cè)量。在本項(xiàng)測(cè)試中,數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的注入電平比范圍限定在-20dB到-10dB之間,即數(shù)字信號(hào)功率為模擬信號(hào)功率的1%到10%。數(shù)字邊帶對(duì)宿主模擬調(diào)頻廣播干擾的測(cè)試方法為:(1)按照數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的注入電平比設(shè)置調(diào)制器的數(shù)字信號(hào)功率和模擬信號(hào)功率;(2)關(guān)閉調(diào)制器的數(shù)字載波,使用音頻分析儀測(cè)量并記錄音頻信噪比SNRfree,單位dB,打開(kāi)調(diào)制器的數(shù)字載波,使用音頻分析儀測(cè)量并記錄音頻信噪比SNRCDR,單位dB;(3)計(jì)算并記錄音頻信噪比變化SNRS=SNRCDR-SNRfree,單位dB;(4)改變數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)的注入電平,重復(fù)(1)～(3)。3.6高效的頻譜及保護(hù)率測(cè)試由于無(wú)線頻率的重復(fù)使用,在頻率規(guī)劃和實(shí)施中不可避免地存在同頻、鄰頻調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播與模擬調(diào)頻廣播之間的相互干擾,保護(hù)率就是衡量系統(tǒng)抗同頻、鄰頻干擾能力的指標(biāo),即欲收信號(hào)電平與干擾信號(hào)電平的比值,單位為dB。由于我國(guó)調(diào)頻廣播的頻道間隔為100kHz,所以鄰頻道干擾的頻偏設(shè)置為100kHz的整數(shù)倍,測(cè)試框圖如圖9所示。由于FM-CDR提供了靈活的頻譜模式,在保護(hù)率測(cè)試中帶來(lái)的問(wèn)題是測(cè)試的組合模式較多,因此在測(cè)試中選取了實(shí)際播出中最可能使用的模式對(duì)保護(hù)率進(jìn)行了測(cè)試。當(dāng)干擾信號(hào)選取數(shù)模同播方式時(shí),其模擬廣播的模式固定為單聲道模式。3.6.1干擾激勵(lì)器信號(hào)采集在此項(xiàng)測(cè)試中,欲收通道為模擬調(diào)頻廣播激勵(lì)器,此時(shí)調(diào)頻頻段數(shù)字音頻廣播激勵(lì)器的播出模式為純模擬,接收機(jī)選用模擬調(diào)頻廣播,干擾通道為FM-CDR廣播,按照設(shè)定頻偏設(shè)置欲收激勵(lì)器輸出頻率和干擾激勵(lì)器輸出頻率。參照ITU-RBS.641的建議,欲收激勵(lì)器的調(diào)制信號(hào)為500Hz音頻信號(hào),調(diào)節(jié)音頻輸出電平使得激勵(lì)器的最大頻偏為±75kHz,用音頻分析儀測(cè)量此時(shí)接收機(jī)輸出端的音頻信噪比S1,注意此時(shí)關(guān)閉音頻分析儀中的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)。用500Hz音頻信號(hào)調(diào)制干擾激勵(lì)器使其最大頻偏為±32kHz,用音頻分析儀測(cè)量此時(shí)接收機(jī)輸出端的音頻信噪比S2(此時(shí)關(guān)閉音頻分析儀中的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)),斷開(kāi)干擾激勵(lì)器的500Hz音頻信號(hào),用符合ITU-RBS.559-2的建議的標(biāo)準(zhǔn)彩色噪聲調(diào)制干擾激勵(lì)器,調(diào)節(jié)彩色噪聲輸出電平使得接收機(jī)輸出音頻信噪比等于S2,這相當(dāng)于彩色噪聲信號(hào)調(diào)制的最大頻偏也為±32kHz。關(guān)閉欲收激勵(lì)器的500Hz調(diào)制信號(hào),打開(kāi)音頻分析儀中的加權(quán)網(wǎng)絡(luò),調(diào)節(jié)衰減器2的值至測(cè)量接收機(jī)輸出音頻信噪比為N1,保證(S1-N1)至少為56dB打開(kāi)干擾激勵(lì)器輸出并調(diào)節(jié)衰減器1的值至測(cè)量接收機(jī)輸出音頻信噪比為N2,此時(shí)(S1-N2)為50dB,記錄欲收信號(hào)電平D和干擾信號(hào)電平U。3.6.2激勵(lì)器輸出頻率在此項(xiàng)測(cè)試中,干擾通道的激勵(lì)器為模擬調(diào)頻廣播激勵(lì)器,其模式固定為單聲道模式,欲收通道的激勵(lì)器為FM-CDR激勵(lì)器,按照設(shè)定頻偏設(shè)置欲收激勵(lì)器輸出頻率和干擾激勵(lì)器輸出頻率。干擾通道的調(diào)制信號(hào)為符合3.6.1描述的標(biāo)準(zhǔn)彩色噪聲,調(diào)節(jié)干擾信號(hào)的功率電平(精度不低于0.1dB),直到在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間間隔內(nèi)誤碼分析儀統(tǒng)計(jì)的BER達(dá)到失敗門限,記錄欲收信號(hào)電平D和干擾信號(hào)電平U。3.6.3干擾激勵(lì)器輸出頻率在此項(xiàng)測(cè)試中,干擾通道和欲收通