调频频段数字声音广播系统的实验室性能测试

摘要  2013年8月国家广电总局颁布了调频频段数字音频广播标准，给出了我国调频频段广播数字化的方案，为了了解系统的传输性能及其在我国实际播出环境及广播频道规划条件下，与邻频道广播电台之间相互干扰的情况，需要对其传输性能进行实验室测试和场地测试。本文主要探讨了实验室性能测试的相关技术和方法。
关键词 调频频段数字声音广播，FM-CDR，实验室测试

    1 引言
    2013年8月国家广电总局颁布了调频频段数字音频广播标准[1]，给出了我国调频频段广播数字化的方案，为了了解调频频段数字音频广播系统的传输覆盖性能及其与宿主模拟广播、邻频道模拟广播电台之间的干扰情况，国家广电总局广播科学研究院对此系统的传输性能进行了实验室测试和场地测试，本文主要介绍实验室性能测试的有关技术和方法，在文章中，对我国调频频段数字音频广播系统简称为FM-CDR系统。
    2 调频频段数字音频广播系统简介
    与目前世界上已有的调频频段数字声音广播系统HD Radio[2]和DRM[3]类似，FM-CDR也采用正交频分复用计数（OFDM），频道间隔设计为100kHz。FM-CDR的信号带宽为100kHz或者200kHz，其信号的频谱示意图如图1和图2所示。可以看出，FM-CDR的频谱分为两大类：（1）数字信号的带宽连续，信号带宽可以为100kHz或者200kHz。（2）数字信号的带宽不连续，但数字音频广播信号的总带宽为100kHz或者200kHz，数字信号之间的频谱间隔为300kHz或者200kHz，在两个数字信号之间的频谱上可用于放置模拟立体声调频广播或者模拟单声道调频广播。
    可以看出，FM-CDR系统提供了灵活的频谱模式，现有的FM广播电台可以根据自己台站及周边台站的实际情况选择第二种频谱模式和数字信号的带宽，即可以在原有模拟广播的两侧放置数字信号，进行数模同播，这样既可以不改变用户的收听习惯，又可以使得使用模拟FM接收机仍可以听到模拟节目，而具有数字音频广播解调功能的接收机在检测到数字信号时可自动播出该频道的数字节目，运营商和用户均可以实现模拟到数字的平滑过渡。模拟调频广播的内容可以与数字音频广播的内容一致，也可以不一致。第一种频谱模式则可以在模拟广播全部数字化以后或者频谱资源不紧张的地区采用。
    3 实验室性能测试
    实验室性能测试是在实验室内搭建FM-CDR传输系统，通过在传输系统中加入各种噪声或干扰，模拟各种现场接收环境，用专用的测试仪器对被测系统的各项性能进行测试。此次测试着力于回答以下问题：
    1.FM-CDR系统的传输性能如何？ 
    2.数字边带的注入是否对原有的调频模拟广播产生影响？
    3.数字音频广播与邻频道调频模拟广播之间的干扰情况如何？
    4.数字音频广播与邻频道数字音频广播之间的干扰情况如何？
    针对这四个问题，实验室性能测试项目主要包括：
    （1）FM-CDR系统在高斯白噪声信道下的载噪比门限
    （2）FM-CDR接收机的最小信号电平
    （3）FM-CDR系统在多径信道环境下的性能
    （4）FM-CDR系统抗相位噪声、脉冲干扰和单频干扰的性能
    （5）数模同播方式时数字边带对宿主模拟调频广播的干扰
    （6）FM-CDR对同频道、邻频道模拟调频广播的保护率
    （7）模拟调频广播对同频道、邻频道FM-CDR的保护率
    （8）FM-CDR对同频道、邻频道FM-CDR的保护率
    在测试中，用误比特率BER作为数字音频广播系统传输性能测试的差错判据，借鉴目前国际相关技术标准如DRM+、HD Radio等采用的客观差错判据，以及前期有关DRA误码敏感性的初步分析结果，进一步考虑到测试时间的限制，不失代表性，在测试中选用作为客观差错失败门限。由于接收机在正常测试时具有保持功能，测试中在寻找接收门限点时采取在接收失效情况下逐步改善接收条件（如降低噪声和干扰）直至接收正常的方法。由于接收机软件可以输出全1码流的误比特率，因此测试用的数字信号源选用全1的比特流。
    在测试中涉及到模拟调频广播音频质量的测试时，则以音频加权准峰值信噪比WQPSNR作为模拟音频质量指标，以WQPSNR=56db作为良好接收质量标准，以WQPSNR=50db作为音频质量劣化的下限标准，并以主观评价为辅助的测试手段。
    在测试中，除了与模拟调频广播有关的测试项激励器选用数模同播的方式外，其余的测试项激励器均选用纯数字方式。
    3.1 FM-CDR系统在高斯白噪声信道下的载噪比门限
    高斯白噪声信道下的载噪比门限是FM-CDR系统最基本的性能指标，它是指接收机达到失效判据时信号功率与噪声功率的比值（单位：dB），测试框图如图3所示。
    在图3中，复用器等前端设备包括音频源、DRA编码器和复用器，在测试中调频频段数字音频广播激励器选用测试模式，此时激励器可以产生全1的码流，但是激励器的传输模式、频谱模式及编码调制方式需要由复用器来设置。
    白噪声信道下的载噪比门限测试方法是：（1）关闭高斯噪声发生器噪声发生功能，调节可调衰减器衰减量，使接收机的输入功率为较大值（如-70dBm），使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录此功率值C，单位dBm；（2）打开高斯噪声发生器噪声发生功能，逐渐增加高斯白噪声的功率（精度不低于0.1dB），直到在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限，关闭调制器输出，使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录噪声功率值N，单位dBm；（3）计算并记录系统载噪比门限C/N，单位dB。
    3.2 FM-CDR接收机最小信号电平
    最小信号电平是指在在无噪声条件下，接收机达到失败判据时的输入信号电平。最小信号电平主要用于评估FM-CDR接收机的灵敏度，其测试框图如图4所示，图中在接收机前端加入固定衰减器是因为当接收机的最小信号电平较低时，超过了频谱分析仪的测量精度，所以在接收机前端加一个衰减值已知的固定衰减器，保证测量值的可靠性。
    最小信号电平的测试方法是：逐步增加可调衰减器的衰减量（精度不低于0.1dB），直至在规定的观测时间间隔内误码分析仪统计的BER达到失败门限，使用频谱分析仪功率测量功能测量并记录接收机输入端输入功率（电平）c，单位dBm，则接收机的最小信号电平为c减去固定衰减器的衰减值。
    3.3 调频频段数字音频广播系统在多径信道环境下的性能
    此项测试为了评估FM-CDR系统在典型多径信道条件下的性能。系统在多径信道条件下的性能一方面取决于系统在设计时为辅助接收机接收提供的手段，如导频图样等；另一方面取决于接收机如何利用系统提供的辅助信息来进行信道估计、均衡的具体算法，如主径判定、导频滤波与插值等，即本项测试的结果与接收机实现存在密切关系。
    在多径信道环境下的性能测试包括静态多径下的载噪比门限和动态多径下的载噪比门限测试。测试中选用的多径信道模型包括9种信道模型，其信道参数来源于USADR和DRM系统中传输模式E使用的城市、乡村、地表遮掩模型以及COST207的部分模型。多径信道环境下的系统性能测试框图见图5。