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          >重大項目>CDR

          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準,給出了我國調頻頻段廣播數字化的方案,為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,與鄰頻道廣播電臺之間相互干擾的情況,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月國家廣電總局頒布了調頻頻段數字音頻廣播標準[1],給出了我國調頻頻段廣播數字化的方案,為了了解調頻頻段數字音頻廣播系統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之間的干擾情況,國家廣電總局廣播科學研究院對此系統的傳輸性能進行了實驗室測試和場地測試,本文主要介紹實驗室性能測試的有關技術和方法,在文章中,對我國調頻頻段數字音頻廣播系統簡稱為FM-CDR系統。
              2 調頻頻段數字音頻廣播系統簡介
              與目前世界上已有的調頻頻段數字聲音廣播系統HD Radio[2]和DRM[3]類似,FM-CDR也采用正交頻分復用計數(OFDM),頻道間隔設計為100kHz。FM-CDR的信號帶寬為100kHz或者200kHz,其信號的頻譜示意圖如圖1和圖2所示。可以看出,FM-CDR的頻譜分為兩大類:(1)數字信號的帶寬連續,信號帶寬可以為100kHz或者200kHz。(2)數字信號的帶寬不連續,但數字音頻廣播信號的總帶寬為100kHz或者200kHz,數字信號之間的頻譜間隔為300kHz或者200kHz,在兩個數字信號之間的頻譜上可用于放置模擬立體聲調頻廣播或者模擬單聲道調頻廣播。
           
          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系統提供了靈活的頻譜模式,現有的FM廣播電臺可以根據自己臺站及周邊臺站的實際情況選擇第二種頻譜模式和數字信號的帶寬,即可以在原有模擬廣播的兩側放置數字信號,進行數模同播,這樣既可以不改變用戶的收聽習慣,又可以使得使用模擬FM接收機仍可以聽到模擬節目,而具有數字音頻廣播解調功能的接收機在檢測到數字信號時可自動播出該頻道的數字節目,運營商和用戶均可以實現模擬到數字的平滑過渡。模擬調頻廣播的內容可以與數字音頻廣播的內容一致,也可以不一致。第一種頻譜模式則可以在模擬廣播全部數字化以后或者頻譜資源不緊張的地區采用。
              3 實驗室性能測試
              實驗室性能測試是在實驗室內搭建FM-CDR傳輸系統,通過在傳輸系統中加入各種噪聲或干擾,模擬各種現場接收環境,用專用的測試儀器對被測系統的各項性能進行測試。此次測試著力于回答以下問題:
              1.FM-CDR系統的傳輸性能如何? 
              2.數字邊帶的注入是否對原有的調頻模擬廣播產生影響?
              3.數字音頻廣播與鄰頻道調頻模擬廣播之間的干擾情況如何?
              4.數字音頻廣播與鄰頻道數字音頻廣播之間的干擾情況如何?
              針對這四個問題,實驗室性能測試項目主要包括:
              (1)FM-CDR系統在高斯白噪聲信道下的載噪比門限
              (2)FM-CDR接收機的最小信號電平
              (3)FM-CDR系統在多徑信道環境下的性能
              (4)FM-CDR系統抗相位噪聲、脈沖干擾和單頻干擾的性能
              (5)數模同播方式時數字邊帶對宿主模擬調頻廣播的干擾
              (6)FM-CDR對同頻道、鄰頻道模擬調頻廣播的保護率
              (7)模擬調頻廣播對同頻道、鄰頻道FM-CDR的保護率
              (8)FM-CDR對同頻道、鄰頻道FM-CDR的保護率
              在測試中,用誤比特率BER作為數字音頻廣播系統傳輸性能測試的差錯判據,借鑒目前國際相關技術標準如DRM+、HD Radio等采用的客觀差錯判據,以及前期有關DRA誤碼敏感性的初步分析結果,進一步考慮到測試時間的限制,不失代表性,在測試中選用作為客觀差錯失敗門限。由于接收機在正常測試時具有保持功能,測試中在尋找接收門限點時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。由于接收機軟件可以輸出全1碼流的誤比特率,因此測試用的數字信號源選用全1的比特流。
              在測試中涉及到模擬調頻廣播音頻質量的測試時,則以音頻加權準峰值信噪比WQPSNR作為模擬音頻質量指標,以WQPSNR=56db作為良好接收質量標準,以WQPSNR=50db作為音頻質量劣化的下限標準,并以主觀評價為輔助的測試手段。
              在測試中,除了與模擬調頻廣播有關的測試項激勵器選用數模同播的方式外,其余的測試項激勵器均選用純數字方式。
              3.1 FM-CDR系統在高斯白噪聲信道下的載噪比門限
              高斯白噪聲信道下的載噪比門限是FM-CDR系統最基本的性能指標,它是指接收機達到失效判據時信號功率與噪聲功率的比值(單位:dB),測試框圖如圖3所示。
           
           圖3 高斯白噪聲信道下的載噪比門限測試框圖
              在圖3中,復用器等前端設備包括音頻源、DRA編碼器和復用器,在測試中調頻頻段數字音頻廣播激勵器選用測試模式,此時激勵器可以產生全1的碼流,但是激勵器的傳輸模式、頻譜模式及編碼調制方式需要由復用器來設置。
              白噪聲信道下的載噪比門限測試方法是:(1)關閉高斯噪聲發生器噪聲發生功能,調節可調衰減器衰減量,使接收機的輸入功率為較大值(如-70dBm),使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄此功率值C,單位dBm;(2)打開高斯噪聲發生器噪聲發生功能,逐漸增加高斯白噪聲的功率(精度不低于0.1dB),直到在規定的觀測時間間隔內誤碼分析儀統計的BER達到失敗門限,關閉調制器輸出,使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄噪聲功率值N,單位dBm;(3)計算并記錄系統載噪比門限C/N,單位dB。
              3.2 FM-CDR接收機最小信號電平
              最小信號電平是指在在無噪聲條件下,接收機達到失敗判據時的輸入信號電平。最小信號電平主要用于評估FM-CDR接收機的靈敏度,其測試框圖如圖4所示,圖中在接收機前端加入固定衰減器是因為當接收機的最小信號電平較低時,超過了頻譜分析儀的測量精度,所以在接收機前端加一個衰減值已知的固定衰減器,保證測量值的可靠性。
           
          圖4 最小信號電平測試框圖
              最小信號電平的測試方法是:逐步增加可調衰減器的衰減量(精度不低于0.1dB),直至在規定的觀測時間間隔內誤碼分析儀統計的BER達到失敗門限,使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄接收機輸入端輸入功率(電平)c,單位dBm,則接收機的最小信號電平為c減去固定衰減器的衰減值。
              3.3 調頻頻段數字音頻廣播系統在多徑信道環境下的性能
              此項測試為了評估FM-CDR系統在典型多徑信道條件下的性能。系統在多徑信道條件下的性能一方面取決于系統在設計時為輔助接收機接收提供的手段,如導頻圖樣等;另一方面取決于接收機如何利用系統提供的輔助信息來進行信道估計、均衡的具體算法,如主徑判定、導頻濾波與插值等,即本項測試的結果與接收機實現存在密切關系。
              在多徑信道環境下的性能測試包括靜態多徑下的載噪比門限和動態多徑下的載噪比門限測試。測試中選用的多徑信道模型包括9種信道模型,其信道參數來源于USADR和DRM系統中傳輸模式E使用的城市、鄉村、地表遮掩模型以及COST207的部分模型。多徑信道環境下的系統性能測試框圖見圖5。
           
          圖5 多徑信道環境下的載噪比門限測試框圖
              多徑信道環境下的載噪比門限測試方法為:(1)按照多徑路徑模型設置信道模擬器,并使得多徑信道仿真器的信號輸出電平為-60dBm,關閉高斯噪聲發生器噪聲發生功能,使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄信號功率值C,單位dBm;(2)打開高斯噪聲發生器噪聲發生功能,逐漸增加高斯白噪聲的功率(精度不低于0.1dB),直到在規定的觀測時間間隔內誤碼分析儀統計的BER達到失敗門限,關閉調制器輸出,使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄噪聲功率值N,單位dBm;(3)計算并記錄系統載噪比門限C/N,單位dB;(4)按照其他的路徑模型設置信道模擬器,重復(1)-(3)。
              3.4 FM-CDR系統抗相位噪聲和脈沖干擾的性能
              3.4.1 抗相位噪聲的性能
              此項測試為了評估FM-CDR系統在受到劣質器件引入的相位噪聲干擾條件下的性能。本項測試采用在一定相位噪聲條件下測量系統載噪比門限的方法,相位噪聲模型定義如表1所示。
          表1 相位噪聲模型(單位:dBc/Hz)
           
              相位噪聲測量的測試框圖見圖6,圖中的相位噪聲發生器選用SFU,按照表1的參數設置SFU的相位噪聲測試功能的相關參數后,進行載噪比門限的測試的測量,其測試方法見3.1。
           
          圖6 抗相位噪聲的性能測試框圖
              3.4.2抗脈沖干擾的性能
               此項測試為了評估FM-CDR系統在受到外部脈沖噪聲干擾條件下的性能。本項測試將采用固定脈寬,測量載干比C/I的方式進行。本項測試要求高斯噪聲發生器具備門控選通功能。根據FM-CDR系統參數的特點,本項測試選用了表2給出的四種脈沖干擾門控序列。門控序列的說明為:基本脈沖單元寬度為2.5us,基本序列以重復頻度出現,基本序列中“1”表示噪聲輸出選通,“0”表示噪聲輸出關斷,下標為重復次數。如序列2定義為以160ms為周期出現的連續100個占空比為50%、周期為10us的脈沖干擾,實際有效干擾時長為1ms。測試框圖見圖7。
          表2 脈沖干擾門控序列
           
           
          圖7 抗脈沖干擾的性能測試框圖
              抗脈沖干擾測試的測試方法為:(1)關閉高斯噪聲發生器噪聲發生功能,使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄欲收信號功率值C,單位dBm;(2)設置函數發生器產生表2所要求的門控序列;(3)打開高斯噪聲發生器噪聲發生功能,逐步調整其輸出電平(精度不低于0.1dB),直到在規定觀測時間間隔內誤碼分析儀統計的BER達到失敗門限;(4)設置高斯噪聲發生器工作在連續輸出狀態,使用頻譜分析儀功率測量功能測量并記錄噪聲功率值I,單位dBm;(5)計算并記錄系統載干比C/I=C-I,單位dB;(6)對于表2的其它序列重復步驟(1)—(5)。
              3.5 數字邊帶對宿主模擬調頻廣播的干擾
              此項測試的為了評估數字邊帶的注入與否,在單聲道和立體聲兩種情況下,模擬接收機輸出的音頻信噪比(單位:dB)是否發生明顯的變化。測試框圖如圖8所示,此時激勵器設置為數模同播方式,接收機可選用不同品牌、質量的模擬調頻接收機。模擬音頻源選用1kHz音頻信號,調節音頻輸出電平使得激勵器的最大頻偏為±75kHz,將接收機的音量在失真度允許范圍內調為最大,測試框圖見圖8。測試中音頻分析儀選用RS UPL。依據ITU-R BS.559-2[4]的建議,在測量音頻信噪比時,音頻分析儀選擇17kHz低通濾波器、加權、準峰值信噪比測量。在本項測試中,數字信號與模擬信號的注入電平比范圍限定在-20dB到-10dB之間,即數字信號功率為模擬信號功率的1%到10%。
           
          圖8 數字邊帶對宿主模擬調頻廣播干擾的測試框圖
              數字邊帶對宿主模擬調頻廣播干擾的測試方法為:(1)按照數字信號與模擬信號的注入電平比設置調制器的數字信號功率和模擬信號功率;(2)關閉調制器的數字載波,使用音頻分析儀測量并記錄音頻信噪比,單位dB,打開調制器的數字載波,使用音頻分析儀測量并記錄音頻信噪比,單位dB;(3)計算并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,重復(1)-(3)。
              3.6 保護率D/U
              由于無線頻率的重復使用,在頻率規劃和實施中不可避免地存在同頻、鄰頻調頻頻段數字音頻廣播與模擬調頻廣播之間的相互干擾,保護率就是衡量系統抗同頻、鄰頻干擾能力的指標,即欲收信號電平與干擾信號電平的比值,單位為dB。由于我國調頻廣播的頻道間隔為100kHz[5],所以鄰頻道干擾的頻偏設置為100kHz的整數倍,測試框圖如圖9所示。由于FM-CDR提供了靈活的頻譜模式,在保護率測試中帶來的問題是測試的組合模式較多,因此在測試中選取了實際播出中最可能使用的模式對保護率進行了測試。當干擾信號選取數模同播方式時,其模擬廣播的模式固定為單聲道模式。
           
          圖9 保護率測試框圖
              3.6.1 FM-CDR對同頻道、鄰頻道模擬調頻廣播的保護率
              在此項測試中,欲收通道為模擬調頻廣播激勵器,此時調頻頻段數字音頻廣播激勵器的播出模式為純模擬,接收機選用模擬調頻廣播,干擾通道為FM-CDR廣播,按照設定頻偏設置欲收激勵器輸出頻率和干擾激勵器輸出頻率。參照ITU-R BS.641[6]的建議,欲收激勵器的調制信號為500Hz音頻信號,調節音頻輸出電平使得激勵器的最大頻偏為±75kHz,用音頻分析儀測量此時接收機輸出端的音頻信噪比S1,注意此時關閉音頻分析儀中的加權網絡。用500Hz音頻信號調制干擾激勵器使其最大頻偏為±32kHz,用音頻分析儀測量此時接收機輸出端的音頻信噪比S2(此時關閉音頻分析儀中的加權網絡),斷開干擾激勵器的500Hz音頻信號,用符合ITU-R BS.559-2的建議的標準彩色噪聲調制干擾激勵器,調節彩色噪聲輸出電平使得接收機輸出音頻信噪比等于S2,這相當于彩色噪聲信號調制的最大頻偏也為±32kHz。關閉欲收激勵器的500Hz調制信號,打開音頻分析儀中的加權網絡,調節衰減器2的值至測量接收機輸出音頻信噪比為N1,保證(S1-N1)至少為56dB,打開干擾激勵器輸出并調節衰減器1的值至測量接收機輸出音頻信噪比為N2,此時(S1-N2)為50dB,記錄欲收信號電平D和干擾信號電平U。
              3.6.2 模擬調頻廣播對同頻道、鄰頻道FM-CDR的保護率
              在此項測試中,干擾通道的激勵器為模擬調頻廣播激勵器,其模式固定為單聲道模式,欲收通道的激勵器為FM-CDR激勵器,按照設定頻偏設置欲收激勵器輸出頻率和干擾激勵器輸出頻率。干擾通道的調制信號為符合3.6.1描述的標準彩色噪聲,調節干擾信號的功率電平(精度不低于0.1dB),直到在規定的觀測時間間隔內誤碼分析儀統計的BER達到失敗門限,記錄欲收信號電平D和干擾信號電平U。
              3.6.3  FM-CDR對同頻道、鄰頻道FM-CDR的保護率
              在此項測試中,干擾通道和欲收通道的激勵器均為FM-CDR激勵器,按照設定頻偏設置欲收激勵器輸出頻率和干擾激勵器的輸出頻率。干擾通道的調制信號為符合7.1描述的標準彩色噪聲,欲收數字聲音為500Hz音頻信號,調節干擾信號的功率電平(精度不低于0.1dB),直到在規定的觀測時間間隔內誤碼分析儀統計的BER達到失敗門限,記錄欲收信號電平D和干擾信號電平U。
          4 結束語
              本文詳細介紹了FM-CDR系統實驗室測試的主要測試內容和測試方法,通過開展相關測試工作,可以對FM-CDR系統的性能進行深入全面的了解與評估,為我國調頻頻段廣播數字化的組網、覆蓋和產業化等提供技術參考依據。

              參考文獻
              [1]GY/T 268.1-2013 調頻頻段數字音頻廣播 第1部分:數字廣播信道幀結構、信道編碼和調制,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:調頻廣播覆蓋網技術規定
              [6] ITU-R BS. 641:Determination of radio-frequency protection ratio for frequency modulated
          sound broadcasting

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