一種調(diào)頻廣播頻譜記錄儀的研制和應(yīng)用

1   背景和概述

在廣播電臺日常工作中，缺少無線電頻譜監(jiān)測手段。一般是采取接收機(jī)+ 音頻電平表的形式，把廣播的音頻信號展現(xiàn)出來。而接收機(jī)具有自動增益、噪聲抑制等電路，通常會對無線電信號的指標(biāo)劣化不敏感。例如：當(dāng)發(fā)射機(jī)故障功率變小，如果信號不是太弱，則音頻監(jiān)測設(shè)備不會做出反應(yīng)。另一個典型例子是，非標(biāo)準(zhǔn)頻率的黑臺，在定頻接收機(jī)上收不到。

亟需一種設(shè)備，能夠把整個頻帶內(nèi)的無線電頻譜，變成屏幕上的圖像，以一種“一望而知”的直觀形式，發(fā)現(xiàn)信號強(qiáng)度變化、指標(biāo)劣化、無調(diào)制、不明頻率出現(xiàn)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(jiān)測工作達(dá)到更高水平。

2   方案設(shè)計

隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，自行研制一種針對廣電行業(yè)特點、符合特殊需求、工作模式靈活、可訂制頻段和功能的無線電可視化監(jiān)測設(shè)備，成為可能。本文所述設(shè)備能夠?qū)㈩l帶內(nèi)的無線電廣播信號的三種要素展現(xiàn)在同一屏幕，即場強(qiáng)、頻率、時間。緊密結(jié)合廣播電臺實際工作需求，始終以實際需求為根本出發(fā)點，沒有追求過高的技術(shù)指標(biāo)，是一個具有實用性的產(chǎn)品。

調(diào)頻廣播頻段頻譜記錄儀采用了嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)和軟件無線電技術(shù)相結(jié)合的方案。如圖1 所示：

從天線輸入的射頻信號，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(zhuǎn)換。得到I 和Q 信息。

對A/D 后的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT），得到頻譜數(shù)據(jù)，再轉(zhuǎn)換成顏色信息，得到一系列彩色點狀數(shù)據(jù)，按照頻率從低到高橫向排列，得到的是單個像素點的橫向線條。這個線條代表了整個頻段內(nèi)的信號強(qiáng)度。

間隔幾秒鐘^[1]再進(jìn)行下一次轉(zhuǎn)換，得到另一條彩色線條。軟件不斷循環(huán)重復(fù)工作，上一次轉(zhuǎn)換的彩色線條每次向下滾動一行，新數(shù)據(jù)則填充頂端位置。這樣進(jìn)行圖像逐行累積合成，得到了一段時間內(nèi)無線電信號的變化情況，如圖2 所示，這幅圖像看起來的效果是緩慢向下滾動，稱之為瀑布圖。

圖2 頻譜監(jiān)測設(shè)備輸出的瀑布圖圖像

圖中，縱向坐標(biāo)代表了時間流逝（整個圖像向下滾動），已經(jīng)打上了時間標(biāo)記，橫向坐標(biāo)代表了頻率刻度，用顏色代表信號強(qiáng)度。一幅圖像展現(xiàn)三個要素，持續(xù)在屏幕上滾動，最適合播控中心機(jī)房日常值班使用。這幅

圖像信息每隔一定時間（可預(yù)置）自動存儲，使用計算機(jī)技術(shù)中成熟的圖像壓縮算法減小文件尺寸，每半小時存儲一張高清的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

這個數(shù)量級別，是廉價的固態(tài)存儲器能輕易做到的。FFT 以后的原始數(shù)據(jù)從網(wǎng)口輸出共享，能夠組網(wǎng)應(yīng)用。

調(diào)頻廣播頻段頻譜記錄儀作為日常播出監(jiān)測設(shè)備，主要是定性觀測和視覺展示為主。即在常見發(fā)射機(jī)天饋線故障狀態(tài)下，能夠以鮮明的圖像特征展示給值班人員。

3   方案的實現(xiàn)

3.1 硬件及射頻前端設(shè)計

本項目的射頻前端需要具備一定的相對精度，又無需太高。借鑒了某些開源硬件的設(shè)計，避開版權(quán)付費(fèi)內(nèi)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)過低通濾波器后進(jìn)入ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D），把模擬域信號進(jìn)行數(shù)據(jù)域的轉(zhuǎn)換。本項目對于ADC 并未追求極高位數(shù)精度和測量指標(biāo)，采取了折衷的辦法，在普通天線能提供的信號強(qiáng)度和一般機(jī)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)實驗，采樣精度8bits，轉(zhuǎn)換速率為2 Mbps。實際上是正交的兩個ADC 同時工作，這是因為需要I 和Q 兩個分量才能計算模值。

軟件無線電的射頻前端和驅(qū)動程序密不可分，也自主編寫了底層驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。

3.2 軟件設(shè)計

軟件無線電的主要工作流程都集中在軟件處理。分為數(shù)個模塊。其中硬件驅(qū)動程序完成了射頻硬件和計算機(jī)之間的數(shù)據(jù)流接口。頻譜分析模塊負(fù)責(zé)采集到數(shù)據(jù)的頻域變換，并把場強(qiáng)進(jìn)行顏色轉(zhuǎn)換，成為色彩表達(dá)形式。屏幕繪圖模塊負(fù)責(zé)把顏色信息描繪在屏幕上。

射頻參數(shù)控制模塊能夠設(shè)定增益和采樣率等參數(shù)，使設(shè)備符合傳統(tǒng)無線電儀器的操作習(xí)慣。包括了定時參數(shù)、頻段范圍、分辨率、實時音頻基帶解調(diào)開關(guān)^[5]、圖像分辨率等參數(shù)設(shè)置功能。

定時存儲模塊是一個后臺進(jìn)程，在定時間隔后進(jìn)行屏幕截圖。

故障告警模塊和硬件聯(lián)動，在風(fēng)扇停止、存儲器溢出等情況下發(fā)出告警信息。人機(jī)界面模塊使用鼠標(biāo)進(jìn)行菜單操作，并無過多選項，避免人為設(shè)置錯誤。專業(yè)工程維護(hù)人員可以修改ini 文件設(shè)定更多初始參數(shù)。時間校正模塊采用青島廣播電視科研所標(biāo)準(zhǔn)的時間碼或者NTP 網(wǎng)絡(luò)時間服務(wù)器的方式。對于長期監(jiān)測工作，維持精確的時間非常重要[3]，是安全責(zé)任劃分和故障判斷的關(guān)鍵因素。網(wǎng)絡(luò)接口對外傳輸實時數(shù)據(jù)，可以擴(kuò)展多點分布式監(jiān)測。

由于全固態(tài)計算機(jī)系統(tǒng)啟動非常快，整體看來是一個一體化的軟硬件系統(tǒng)，符合現(xiàn)代流行的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計原則，即操作系統(tǒng)+ 應(yīng)用軟件+ 硬件。

圖3 設(shè)計階段的原理圖、電路板和軟件開發(fā)

3.3 樣機(jī)制作和整機(jī)測試

圖3 展示了原理圖、印刷電路板的設(shè)計過程和軟件開發(fā)界面。當(dāng)然這是歷經(jīng)數(shù)次實驗的最終完成版本。軟件全部使用了開源編譯工具。已經(jīng)獲得了著作權(quán)證書。

經(jīng)過射頻各種參數(shù)的合理設(shè)計，軟件主界面呈現(xiàn)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(shè)計和實現(xiàn)都是合理有效的。整機(jī)完成后結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 完成品實物圖

軟硬件包含在一個標(biāo)準(zhǔn)1U 機(jī)箱內(nèi)^[4]，外接電源、天線和顯示器即可工作。

軟件操作基本不需要鍵盤，初始配置過程需要鍵盤時，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，用作時間標(biāo)準(zhǔn)接口。

配套全向的寬帶天線，如有定向的需求則可以選擇對數(shù)周期天線。很高增益的天線其帶寬較窄，對于全頻帶接收不利，需要加以驗證方可安裝使用。天線都會受到周圍金屬物體的影響，其方向圖和頻率特性都會與理論值相去甚遠(yuǎn)，一切以實際效果為準(zhǔn)并遠(yuǎn)離干擾源。有干擾時，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(shè)計具有一定的相對精度。圖5 右側(cè)是無線電管理部門給出的本地交通廣播89.7MHZ測試結(jié)果，左側(cè)是本設(shè)備同時間的測試效果作為對照。注意設(shè)備可以設(shè)定頻率范圍較小，例如1MHZ^[1]，能夠詳細(xì)觀察頻譜細(xì)節(jié)。主信號兩側(cè)為青島臺發(fā)播的CDR 自辦節(jié)目。

圖5 擴(kuò)展測量和精度校驗

4   頻譜記錄儀的實際應(yīng)用

圖6 為長期運(yùn)行過程中實際監(jiān)測到的異常狀況，分別是發(fā)射機(jī)供電故障中斷播出、音頻電纜損壞、調(diào)制帶寬指標(biāo)超標(biāo)^[1]和黑廣播出現(xiàn)。經(jīng)查證，如實反映了真實情況。

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(jù)。

圖6 實際觀測到的異常情況樣例展示

5   可擴(kuò)展特性

這個設(shè)備基于軟件無線電技術(shù)和嵌入式計算機(jī)技術(shù)，具有比較強(qiáng)的擴(kuò)展功能，有待于進(jìn)一步開發(fā)。例如，設(shè)定工作頻率到無線話筒頻段，在演播室以長期慢掃描的方式工作，能夠監(jiān)測無線話筒的工作頻帶內(nèi)干擾源情況，給出最優(yōu)的無線話筒使用頻點。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(shè)備的典型干擾特征。這種干擾會導(dǎo)致舞臺上某些無線話筒失靈。

6   結(jié)論

本文所述的調(diào)頻頻段頻譜記錄儀，將最新的軟件無線電技術(shù)應(yīng)用于廣播監(jiān)測，降低了采購成本，促進(jìn)了無線電監(jiān)測設(shè)備的普及應(yīng)用。

系統(tǒng)采用嵌入式計算機(jī)技術(shù)，把調(diào)頻廣播全頻段的無線電信號進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，極大方便了廣播電臺的日常監(jiān)測工作。該設(shè)備經(jīng)過了總局相關(guān)部門檢測并獲得廣電總局科技創(chuàng)新獎。

參考文獻(xiàn)：

[1] 調(diào)頻廣播接收機(jī)測量方法:GB/T 6163-2011 [S].

[2] 聲音和電視廣播接收機(jī)以及有關(guān)設(shè)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(jiān)測技術(shù)規(guī)程:GY/T 142-1999 [S].

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

[5] 廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)技術(shù)規(guī)范:GB/T 15770 -1995 [S].

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年5月期）