調頻頻段數字聲音廣播系統的實驗室性能測試

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。
    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。
    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。
    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。