调频立体声广播及广播数据系统测量解决方案

 

　　调频广播(FM)随着现代科技的发展正逐步成为一种标配功能，广泛配置在手机、导航、汽车娱乐系统等移动手持设备和车载终端设备中。今天的移动手机、导航，不仅可以用于收听FM广播，很多还具备FM发射功能，将存储的数字音乐、导航提醒声音发送到附近的普通收音机，汽车的收音机进行收听。

　　FM技术也在不断发展。为了传送立体声音乐，FM通过立体声复用支持左右声道传输不同的语音内容，即调频立体声(FM Stereo)。为了通过FM频段传送快捷的数据信息，国际相关部门制定了一系列的标准规范，目前主要有欧洲的广播数据系统(RDS)规范和美国的无线电广播数字系统(RBDS)规范。通过RDS/RBDS技术，FM可以传送文本信息，例如交通、天气、广播电台的信息等等，这些信息可以显示在FM终端设备的用户界面上。

　　为了确保FM Stereo和RDS/RBDS系统的可靠运行，如何准确、快捷的进行相关测试，成为FM产业链中非常关键的一环, 也是众多移动设备制造商面临的问题。

　　FM Stereo/RDS系统概述

　　FM Stereo在兼容调频单声道收音机的同时，支持立体声多路信号的传输。为实现这个目标，调频立体声多路复用信号(MPX)在0~15kHz的基带部分同时传送左声道(L)和右声道(R)的信息(L+R)，使单声道收音机也可收听立体声信号。为了识L、R两路信号，利用23~53kHz的基带频谱，在38kHz处使用载波抑制调幅的调制方式发送(L-R)的信息，以提供立体声音效。调频立体声信号中还包含一个19kHz的导频信号，用于协助接收机检测和解码左右声道信号。在接收端，将(L+R)和(L-R)信号相加恢复出L信号，将(L+R)和(L-R)信号相减恢复出R信号。MPX信号的基带频谱如图1所示。

　　

 

　　图1：调频立体声/无线数据广播系统的基带频谱。

　　RBS/RBDS信号在57 kHz副载波处进行传输。RDS/RBDS传送信息的速率为1.1875 kbps，采用BPSK的调制方式。RDS可以发送电台名称、节目类型、节目内容、交通信息等多种信息。图2所示为RDS/RBDS的数据结构，其最大数据单元为组。每组有4块构成，每块26比特，包含16个信息比特和10个校验比特。校验比特的作用为错误识别、错误修正和数据同步。

　　

 

　　图2：RDS基带编码结构。

　　FM Stereo/RDS系统测试方案

　　FM Stereo/RDS的测试主要有两个方面，即针对发射机的测试和针对接收机的测试。安捷伦针对这两种测试分别提供了相应的信号分析仪和信号源进行支持。

　　1、FM Stereo/RDS系统常用测试参数

　　FM Stereo/RDS系统测试涉及多种参数的测量，包括功率测量、信号噪声及失真比(SINAD)测量、谐波失真(THD)测量、RDS BLER(块误码率)测量等。

　　SINAD/Distortion：SINAD/Distortion是衡量音频质量的重要参数。SINAD和Distortion的定义分别如下：

　　

 

　　(E1)

　　其中，Ptotal是总的信号功率，Punwanted是噪声信号功率和失真信号功率之和。

　　SINAD/Distortion的测试框图如图3所示。首先将输入信号经过音频滤波器滤除带外干扰计算Ptotal，随后使信号通过陷波滤波器滤除掉有用信号(包含Mono/Stereo音频信号和载波信号)，从而计算出Punwanted。

　　

 

　　图3：SINAD测量框图。

　　SINAD不仅是衡量发射机性能的重要参数，对接收机的测量而言也非常重要。在进行接收机灵敏度、邻频道抑制、交互调制等测量时，都需要跟踪SINAD的测量结果直到它低于某个临界值。

　　THD：THD用于测量信号中的谐波，即测量输出信号中比所需要信号多出来的谐波成分。THD是由系统的不完全线性造成的，定义为所有谐波分量的均方根电压值与基频电压值的比值，通常用百分数表示，计算公式如下，

　　

 

　　(E2)

　　其中，Vn是n次谐波分量的均方根电压。

　　RDS BLERTHD：RDS BLER是具有不可校正比特位的接收数据块(26比特)与总接收数据块数的比值。在计算RDS BLER时，使用RDS编码中的校验字来计算错误数据位并进行校正。RDS测试的阈值典型值通常为5%。

　　2、FM Stereo/RDS 发射机测试方案

　　FM Stereo/RDS发射机的测量包括发射功率、频率准确度、发射频谱、SINAD、THD、RDS BLER(块误码率)等测量，通过将发射机的输出信号连接至相应的射频音频分析仪进行测试。

　　安捷伦提供的FM Stereo/RDS发射机测试方案如图4所示。将FM Stereo/RDS发射机的射频输出连接至内置N9063A选件X-系列信号分析仪的射频输入，进行测量。测量系统中使用的安捷伦仪表包括以下两种。

　　

 

　　图4：FM Stereo/RDS发射机测试框图。

　　* N9063A 模拟解调测量应用选件是X-系列信号分析仪的一款内嵌软件，提供对FM Stereo/RDS信号的解调分析。

　　* X-系列信号分析仪是安捷伦四款信号分析仪PXA、MXA、EXA和CXA四款分析仪的统称，从PXA至CXA，涵盖了对高测量指标和高性价比的不同需求。X-系列信号分析仪是通用的信号分析仪器，拥有一系列的内嵌软件，不仅可以支持FM Stereo/RDS信号的测量，还支持多种通信标准 (例如WCDMA、WLAN、LTE等) 和数字电视标准 (例如DTMB、CMMB、DVB-T/H等) 的测量。

　　X-系列信号分析仪可以对输入的FM Stereo/RDS射频信号进行射频信号分析和音频信号分析，测量结果如图5所示。在信号分析仪中，可以对解调后的音频信号应用多种滤波器，所支持的滤波器包括低通滤波器(300Hz, 3kHz, 15kHz等)、高通滤波器(20Hz，50Hz，300Hz)和带通滤波器(CCITT，A-Weighted)，以得到理想的测量结果。对于带预加重的音频信号，可以通过相关设置对信号进行去加重处理。

　　

 

　　图5：FM Stereo/RDS信号测试结果。

　　发射机测试提供的射频信号分析结果包括载波功率，载波频率误差，射频频谱等。音频信号分析分别对FM Stereo信号的MPX、Mono、Stereo以及左声道和右声道的调制信号进行测量，提供调制频偏(Deviation)、调制率(Modulation rate)、SINAD/Distortion、THD、左右声道隔离度等测量结果。

　　此外，还可以对RDS信息进行解码，提供RDS BLER测量结果并显示RDS传递的一些关键信息，包括基本选台换台信息(Basic Tuning and Switching Info)、收音机文字(Radio Text)、节目项目数和标识码(Programme Item Number and slow labeling codes)以及时间与日期信息(Clock-Time and date)。

　　3、FM Stereo/RDS接收机测试方案

　　FM Stereo/RDS接收机的测量包括接收信号灵敏度、杂散响应、邻频道抑制、谐波失真(THD)、SINAD、导频抑制、RDS BLER等测量，需要相应的信号源产生测量所需的FM Stereo/RDS信号连接至接收机进行测量。

　　安捷伦提供的FM Stereo/RDS接收机测量方案如图6所示。N7611B软件产生测试需要的FM Stereo/RDS波形文件，并下载到ESG/MXG信号发生器中，生成FM Stereo/RDS射频信号。将该信号连接至待测的FM Stereo/RDS接收机，对所输入的FM Stereo/RDS信号进行解调解码，然后将接收机输出L、R两声道音频信号输入至U8903A音频分析仪进行测量。

　　接收机测量举例：接收机左右声道频响的测量。对每个待测频率点，使用N7611B分别产生相应的左、右声道任意波形信号文件，通过ESG/MXG生成所需射频信号，随后使用U8903A测量并记录音频信号的幅度。频响测量需要依次对所有待测频点、对左右声道分别进行测量，记录所有频点的响应，得到所需要的频响曲线。

　　测量系统中使用的安捷伦测量仪表包括以下三种。

　　* N7611B signal studio信号生成软件，是一款基于Windows系统的软件。用户可以通过软件界面配置所需要FM Stereo波形的各种参数以及RDS的具体信息，从而生成符合需要的FM Stereo/RDS的波形文件。

　　* ESG/MXG矢量信号发生器可以回放N7611B产生的FM Stereo/RDS的任意波形文件，产生FM Stereo/RDS射频信号。

　　* U8903A音频分析仪用于对接收机解调后的L声道和R声道的音频信号进行分析，提供信噪比、SINAD、THD、串扰等多种分析结果。

　　为了灵活快捷的生成接收机测量需要的FM Stereo/RDS信号，N7611B signal studio软件可以快速完成对所需要FM Stereo/RDS信号的配置。通过N7611B的用户界面，可以设置FM Stereo/RDS信号的多种参数，例如FM参考调制频偏、导频和RDS的调制频偏、导频和Stereo信号的频率、RDS中承载的具体信息以及是否使用预加重 (50us或75us) 等。此外，N7611B还可以对发送的音频源进行配置，选择使用软件预置的测试用单音信号或用户自定义的音频信号进行测试。

　　本文小结

　　FM Stereo/RDS的广泛应用及其与手机等移动终端的融合为之后的发展提供了广阔前景。安捷伦针对FM Stereo/RDS接收机的MXG/ESG信号源解决方案和针对发射机测试的X-系列信号分析仪解决方案, 不仅能充分支持FM Stereo/RDS系统所需要的测试，还可以通过软件升级支持手机移动通信各个标准的测试、WLAN的测试以及相位噪声、噪声指数等通用测试，从而高效率的满足多种测量需求。

　　

 

　　图6：FM Stereo/RDS接收机测试框图。