調頻(pín)頻(pín)段數字聲音(yīn)廣播系統的(de)實驗室性能測試

摘要  2013年8月(yuè)國家廣電總局頒布了(le)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播标準，給出了(le)我國調頻(pín)頻(pín)段廣播數字化(huà)的(de)方案，爲了(le)了(le)解系統的(de)傳輸性能及其在我國實際播出環境及廣播頻(pín)道規劃條件下(xià)，與鄰頻(pín)道廣播電台之間相互幹擾的(de)情況，需要對(duì)其傳輸性能進行實驗室測試和(hé)場(chǎng)地測試。本文主要探討(tǎo)了(le)實驗室性能測試的(de)相關技術和(hé)方法。
關鍵詞 調頻(pín)頻(pín)段數字聲音(yīn)廣播，FM-CDR，實驗室測試

    1 引言
    2013年8月(yuè)國家廣電總局頒布了(le)調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播标準[1]，給出了(le)我國調頻(pín)頻(pín)段廣播數字化(huà)的(de)方案，爲了(le)了(le)解調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統的(de)傳輸覆蓋性能及其與宿主模拟廣播、鄰頻(pín)道模拟廣播電台之間的(de)幹擾情況，國家廣電總局廣播科學研究院對(duì)此系統的(de)傳輸性能進行了(le)實驗室測試和(hé)場(chǎng)地測試，本文主要介紹實驗室性能測試的(de)有關技術和(hé)方法，在文章(zhāng)中，對(duì)我國調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統簡稱爲FM-CDR系統。
    2 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統簡介
    與目前世界上已有的(de)調頻(pín)頻(pín)段數字聲音(yīn)廣播系統HD Radio[2]和(hé)DRM[3]類似，FM-CDR也(yě)采用(yòng)正交頻(pín)分(fēn)複用(yòng)計數（OFDM），頻(pín)道間隔設計爲100kHz。FM-CDR的(de)信号帶寬爲100kHz或者200kHz，其信号的(de)頻(pín)譜示意圖如圖1和(hé)圖2所示。可(kě)以看出，FM-CDR的(de)頻(pín)譜分(fēn)爲兩大(dà)類：（1）數字信号的(de)帶寬連續，信号帶寬可(kě)以爲100kHz或者200kHz。（2）數字信号的(de)帶寬不連續，但數字音(yīn)頻(pín)廣播信号的(de)總帶寬爲100kHz或者200kHz，數字信号之間的(de)頻(pín)譜間隔爲300kHz或者200kHz，在兩個(gè)數字信号之間的(de)頻(pín)譜上可(kě)用(yòng)于放置模拟立體聲調頻(pín)廣播或者模拟單聲道調頻(pín)廣播。
    可(kě)以看出，FM-CDR系統提供了(le)靈活的(de)頻(pín)譜模式，現有的(de)FM廣播電台可(kě)以根據自己台站及周邊台站的(de)實際情況選擇第二種頻(pín)譜模式和(hé)數字信号的(de)帶寬，即可(kě)以在原有模拟廣播的(de)兩側放置數字信号，進行數模同播，這(zhè)樣既可(kě)以不改變用(yòng)戶的(de)收聽(tīng)習(xí)慣，又可(kě)以使得(de)使用(yòng)模拟FM接收機仍可(kě)以聽(tīng)到模拟節目，而具有數字音(yīn)頻(pín)廣播解調功能的(de)接收機在檢測到數字信号時(shí)可(kě)自動播出該頻(pín)道的(de)數字節目，運營商和(hé)用(yòng)戶均可(kě)以實現模拟到數字的(de)平滑過渡。模拟調頻(pín)廣播的(de)内容可(kě)以與數字音(yīn)頻(pín)廣播的(de)内容一緻，也(yě)可(kě)以不一緻。第一種頻(pín)譜模式則可(kě)以在模拟廣播全部數字化(huà)以後或者頻(pín)譜資源不緊張的(de)地區(qū)采用(yòng)。
    3 實驗室性能測試
    實驗室性能測試是在實驗室内搭建FM-CDR傳輸系統，通(tōng)過在傳輸系統中加入各種噪聲或幹擾，模拟各種現場(chǎng)接收環境，用(yòng)專用(yòng)的(de)測試儀器對(duì)被測系統的(de)各項性能進行測試。此次測試著(zhe)力于回答(dá)以下(xià)問題：
    1.FM-CDR系統的(de)傳輸性能如何？ 
    2.數字邊帶的(de)注入是否對(duì)原有的(de)調頻(pín)模拟廣播産生影(yǐng)響？
    3.數字音(yīn)頻(pín)廣播與鄰頻(pín)道調頻(pín)模拟廣播之間的(de)幹擾情況如何？
    4.數字音(yīn)頻(pín)廣播與鄰頻(pín)道數字音(yīn)頻(pín)廣播之間的(de)幹擾情況如何？
    針對(duì)這(zhè)四個(gè)問題，實驗室性能測試項目主要包括：
    （1）FM-CDR系統在高(gāo)斯白噪聲信道下(xià)的(de)載噪比門限
    （2）FM-CDR接收機的(de)最小信号電平
    （3）FM-CDR系統在多(duō)徑信道環境下(xià)的(de)性能
    （4）FM-CDR系統抗相位噪聲、脈沖幹擾和(hé)單頻(pín)幹擾的(de)性能
    （5）數模同播方式時(shí)數字邊帶對(duì)宿主模拟調頻(pín)廣播的(de)幹擾
    （6）FM-CDR對(duì)同頻(pín)道、鄰頻(pín)道模拟調頻(pín)廣播的(de)保護率
    （7）模拟調頻(pín)廣播對(duì)同頻(pín)道、鄰頻(pín)道FM-CDR的(de)保護率
    （8）FM-CDR對(duì)同頻(pín)道、鄰頻(pín)道FM-CDR的(de)保護率
    在測試中，用(yòng)誤比特率BER作爲數字音(yīn)頻(pín)廣播系統傳輸性能測試的(de)差錯判據，借鑒目前國際相關技術标準如DRM+、HD Radio等采用(yòng)的(de)客觀差錯判據，以及前期有關DRA誤碼敏感性的(de)初步分(fēn)析結果，進一步考慮到測試時(shí)間的(de)限制，不失代表性，在測試中選用(yòng)作爲客觀差錯失敗門限。由于接收機在正常測試時(shí)具有保持功能，測試中在尋找接收門限點時(shí)采取在接收失效情況下(xià)逐步改善接收條件（如降低噪聲和(hé)幹擾）直至接收正常的(de)方法。由于接收機軟件可(kě)以輸出全1碼流的(de)誤比特率，因此測試用(yòng)的(de)數字信号源選用(yòng)全1的(de)比特流。
    在測試中涉及到模拟調頻(pín)廣播音(yīn)頻(pín)質量的(de)測試時(shí)，則以音(yīn)頻(pín)加權準峰值信噪比WQPSNR作爲模拟音(yīn)頻(pín)質量指标，以WQPSNR=56db作爲良好接收質量标準，以WQPSNR=50db作爲音(yīn)頻(pín)質量劣化(huà)的(de)下(xià)限标準，并以主觀評價爲輔助的(de)測試手段。
    在測試中，除了(le)與模拟調頻(pín)廣播有關的(de)測試項激勵器選用(yòng)數模同播的(de)方式外，其餘的(de)測試項激勵器均選用(yòng)純數字方式。
    3.1 FM-CDR系統在高(gāo)斯白噪聲信道下(xià)的(de)載噪比門限
    高(gāo)斯白噪聲信道下(xià)的(de)載噪比門限是FM-CDR系統最基本的(de)性能指标，它是指接收機達到失效判據時(shí)信号功率與噪聲功率的(de)比值（單位：dB），測試框圖如圖3所示。
    在圖3中，複用(yòng)器等前端設備包括音(yīn)頻(pín)源、DRA編碼器和(hé)複用(yòng)器，在測試中調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播激勵器選用(yòng)測試模式，此時(shí)激勵器可(kě)以産生全1的(de)碼流，但是激勵器的(de)傳輸模式、頻(pín)譜模式及編碼調制方式需要由複用(yòng)器來(lái)設置。
    白噪聲信道下(xià)的(de)載噪比門限測試方法是：（1）關閉高(gāo)斯噪聲發生器噪聲發生功能，調節可(kě)調衰減器衰減量，使接收機的(de)輸入功率爲較大(dà)值（如-70dBm），使用(yòng)頻(pín)譜分(fēn)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(gāo)斯噪聲發生器噪聲發生功能，逐漸增加高(gāo)斯白噪聲的(de)功率（精度不低于0.1dB），直到在規定的(de)觀測時(shí)間間隔内誤碼分(fēn)析儀統計的(de)BER達到失敗門限，關閉調制器輸出，使用(yòng)頻(pín)譜分(fēn)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(suàn)并記錄系統載噪比門限C/N，單位dB。
    3.2 FM-CDR接收機最小信号電平
    最小信号電平是指在在無噪聲條件下(xià)，接收機達到失敗判據時(shí)的(de)輸入信号電平。最小信号電平主要用(yòng)于評估FM-CDR接收機的(de)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爲當接收機的(de)最小信号電平較低時(shí)，超過了(le)頻(pín)譜分(fēn)析儀的(de)測量精度，所以在接收機前端加一個(gè)衰減值已知的(de)固定衰減器，保證測量值的(de)可(kě)靠性。
    最小信号電平的(de)測試方法是：逐步增加可(kě)調衰減器的(de)衰減量（精度不低于0.1dB），直至在規定的(de)觀測時(shí)間間隔内誤碼分(fēn)析儀統計的(de)BER達到失敗門限，使用(yòng)頻(pín)譜分(fēn)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(de)最小信号電平爲c減去固定衰減器的(de)衰減值。
    3.3 調頻(pín)頻(pín)段數字音(yīn)頻(pín)廣播系統在多(duō)徑信道環境下(xià)的(de)性能
    此項測試爲了(le)評估FM-CDR系統在典型多(duō)徑信道條件下(xià)的(de)性能。系統在多(duō)徑信道條件下(xià)的(de)性能一方面取決于系統在設計時(shí)爲輔助接收機接收提供的(de)手段，如導頻(pín)圖樣等；另一方面取決于接收機如何利用(yòng)系統提供的(de)輔助信息來(lái)進行信道估計、均衡的(de)具體算(suàn)法，如主徑判定、導頻(pín)濾波與插值等，即本項測試的(de)結果與接收機實現存在密切關系。
    在多(duō)徑信道環境下(xià)的(de)性能測試包括靜态多(duō)徑下(xià)的(de)載噪比門限和(hé)動态多(duō)徑下(xià)的(de)載噪比門限測試。測試中選用(yòng)的(de)多(duō)徑信道模型包括9種信道模型，其信道參數來(lái)源于USADR和(hé)DRM系統中傳輸模式E使用(yòng)的(de)城(chéng)市、鄉村(cūn)、地表遮掩模型以及COST207的(de)部分(fēn)模型。多(duō)徑信道環境下(xià)的(de)系統性能測試框圖見圖5。