質量保證系統調幅度測量方法研究

摘要：當今的廣播電視技術已經步入數字化、網絡化、信息化的時代。在新形勢下，發射臺站必須結合先進的計算機技術、自動監控技術和網絡通信技術，開發及實現中短波發射臺的監測系統。調幅度是調幅廣播信號的重要參數，是衡量發射機輸出功率、能量利用率和覆蓋效果的一項重要技術指標，是調幅廣播信號質量監測最主要的項目之一，對于調幅廣播的安全播出有重要意義。本文對中短波發射臺質量保證系統的調幅度測量方法進行研究與探討。

關鍵詞：信號監測 數據采集 調幅度 載波功率

中圖分類號：R778.3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）10-0067-03

Abstract：Today's radio and TV technology has been entered to the era of digitization， networking， informatization. Under the new situation， the transmitting stations must be combined with advanced computer technology， automatic monitoring technology and network communication technology， the development and realization of monitoring system adapted to the launch pad.？Adjustable amplitude is one of the important parameters for broadcast signal， it also an important technology index for measuring transmitter output power， energy utilization and the cover effect， its important project for monitoring radio signal quality， and it has important significance to safety broadcast. According to the methods of adjustable amplitude measurement of quality assurance system， this paper has carried on the thorough discussion and the research to Medium-wave transmitter quality assurance system.

Key Words：Signal monitoring； Amplitude modulation； Modulation factor； Signal carrier power

1 引言

保證安全播出是廣播電視部門的中心工作，也是各級各類傳輸發射臺永恒的話題。如何保證各播出頻率不間斷、高質量的播出，一直是安全播出管理的重點和難點。隨著各個臺站自動控制系統改造的進行，建立一套新的播出質量自臺監控機制，對廣播信號調幅度的自我監測管理，也是發射臺進行自動控制改造的重要內容。發射臺質量保證系通過對各個傳輸環節的信號質量進行實時監測，掌握信號在傳輸過程中的質量變化情況，為及時發現信號質量劣化和臺內信號播出質量監測提供技術手段，及時反映發射臺設備的工作狀態，為無線局的安全播出工作起到了重要作用。調幅度是調幅廣播信號的一個重要參數，是衡量發射機輸出功率、能量利用率和覆蓋效果的一項重要技術指標。調幅度的測量是發射臺質量保證系統實現實時監測和正確反映發射機運行狀態等系統功能的關鍵點。

2 質量保證系統總體設計方案

通過對中短波調幅廣播監測需求的分析和調幅度異常原因的研究，系統對調幅廣播施行“三點”監測。這“三點”監測的信號指的分別是從送入發射機的信號接入點處（衛星接收機的輸出或者光纖信號或音頻處理設備的輸出）獲取的輸入信號、從發射機送至天線的信號進行耦合獲取的輸出信號，以及通過天線開路接收到的實際廣播信號。輸出信號的監測也是對信號電壓采集，通過信號電平反映信號的質量。當信號電平長期低于設定值時，給出報警，提示值班人員及時調整發射機運行狀況。

發射臺質量保證系統設計主要完成發射機數據的采集、監測、轉換和呈現等功能。 系統軟件采用C/S三層結構，VC++語言實現。監測工控機（聲卡、網卡、音箱）和指標監測終端軟件組成。系統主要分為四部分：調幅度測量模塊、輸入信號采集模塊、輸出信號采集模塊和系統軟件。整個系統結構如圖1所示。

調幅度測量模塊負責完成信號調幅度的測量，主要由專用測量接收機和用于控制接收機計算調幅度的服務端軟件組成，該模塊工作在工控機上。輸入信號采集模塊和輸出信號采集模塊類似，都是采用專門的電壓采集設備，完成對應信號的電壓采集工作。系統主程序主要由客戶端軟件和后臺數據庫組成，負責根據設定從三個測量模塊獲取數據，完成監測以及報警功能。

系統的整個工作流程是：

（1）啟動調幅度測量服務端軟件，開啟接收機并設定接收機工作參數，接收廣播信號，等待系統主程序指令。

（2）將音頻輸入信號和耦合輸出信號連接至采集模塊，開始采集電壓。

（3）主程序從數據庫讀取頻點設定，檢查播放列表，獲取正在播放出頻點。

（4）控制調幅度服務端設定接收機板卡工作頻率，設定信號電壓采集模塊增益。

（5）開啟監測線程，從三個測量模塊獲取數據，并對數據進行統計。如果超出報警門限，聲音和界面報警，否則繼續監測下一頻點。

系統所有的業務數據主要包括頻率信息數據、測量模塊信息和報警數據。業務數據邏輯關系設計圖如圖2所示。

3 調幅度測量方法

用調制信號（音頻信號或視頻信號）去控制改變高頻載波信號的振幅，從而使高頻載波的振幅隨調制信號的變化而變化，這種調制方法稱為調幅。

如圖3所示，其中圖（a）為調制信號波形，是一頻率為fΩ，振幅為的正弦波；圖（b）為高頻載波波形，振幅為Uc，載波頻率為fc；圖（c）為調幅波波形。由圖中可以看出，調幅波的振幅是隨調制信號而變化的，而調幅波的頻率不變，仍為載波頻率[1]。調幅波的表達式為：

調幅度反映了高頻載波振幅被調制的程度，常以百分數表示。調幅度最小為零（Umax=Umin），標志著沒有調制信號，發射出去的只是載波；調幅度最大為100%（Umin=0），說明載波幅度已完全被用于傳送音頻調制信號；如果調幅度大于100%（Umin<0）稱為過調幅，經常過調幅是不被允許的，因為過調幅將會使得調幅波的包絡波形和調制信號的波形不完全一致，從而造成失真[2]。

式中：（）、（）分別為調幅波頻譜的上邊頻和下邊頻。可見，在調幅波頻譜中有一個載頻和兩個邊頻。圖2所示為50Hz～8kHz音頻信號調制1000kHz載波所得調幅波的頻譜圖。

式中Pt指載波功率，P（ω±Ω）指上下邊帶功率。

在未調制時m=0，P=Pt；在100%調幅時，m=1，P=1.5Pt。可見，調幅波的輸出功率隨m的增大而增加。它所增加的部分是兩個邊頻所產生的功率㎡·Pt /2。由于信號包含在邊頻內，因此在調幅制中應盡可能地提高m的值，以增強邊帶功率，提高傳輸信號的能力。當m=1時，邊頻功率最大，這時上、下邊頻功率之和只占總功率的三分之一。當m<1時，邊帶功率將以m2指數規律迅速下降。如一部20kW的調幅發射機，當調幅度分別為100%、70%、50%、30%和10%時，其邊帶功率變化如表1所示，由表中數據可見，隨著調幅度的下降，邊帶功率將急劇下降。如當調幅度下降到10%時，邊帶功率就下降到滿調幅的1/100。

邊帶功率的大小直接決定信號覆蓋的范圍大小和信號的傳輸質量，邊帶功率的范圍越大，信號覆蓋范圍越大，信號質量越好。調幅發射機要滿調幅運行，至少要大于80%，由于發射機的載波功率是不能更改的，所以要想達到覆蓋要求，必須的條件是要保證足夠的調幅度[3]。

4 調幅度測量服務端軟件實現

通過對常用調幅度測量方法的研究，接收機法既能保證測量的準確度，同時又能保證測量的效率，因此選用接收機法進行調幅度測量。測量接收機通過環形天線對實際的廣播信號進行測量。

整個系統是從天線饋筒上取樣，天線和接收機一一對應，監測系統正常監測時需要將播出運行圖輸入質量保證系統中。錄入運行圖信息包括機器號，起始時間，播音頻率，天線及偏向角度。廣播信號質量監測儀安裝在發射機上，從發射機饋筒取樣，實現對整個系統的多點采樣，實時監測發射機調幅度、載波頻率及載波功率重要數據，并可通過通訊接口發布監測點數據[4]。

根據廣播調幅發射機的工作特點，要實現調幅度實時變化，載波頻率相對穩定，監測信號要選擇每監測一百次調幅度，監測一次載波頻率。系統設計采樣點數為N=4096，算法采用Hilbert變換解調和欠采樣求載波頻率，所以每計算100次調幅度、100次載波功率和1 次載波頻率所需要的運算次數大概為：

100*（N log2 N*4+4*N）+（4*Nlog2N+4*2002+261*263*4）

要達到實時性的效果需要2秒鐘之內完成這些運算。

系統通過TCP協議與調幅度服務端通信，獲取調幅度。線程在啟動時先從數據庫查詢與該頻點關聯的調幅度服務端IP，以及測量周期，測量間隔，同時從報警門限表中取得調幅度報警門限。接著連接調幅度檢測服務端，取測量數據。

服務端的主要任務是控制接收機板卡，并對數據進行實時處理，計算調幅度，根據主程序的消息設定板卡的工作狀態以及反饋信號的實時調幅度、頻偏和功率數據。

4.1 工作流程

軟件通過板卡自帶驅動和SDK動態鏈接庫，所以程序啟動首先查找板卡驅動動態鏈接庫，若成功，啟動板卡，若此時出錯，一般情況下說明板卡未正常安裝，此時需重新安裝板卡。

板卡啟動好后，軟件從配置文件讀入板卡工作參數，這里需要設定的參數主要有：

（1）自動增益控制（AGC）：使放大電路的增益自動地隨信號強度而調整的自動控制板卡共有快、中、慢以及關閉四種狀態，此處將其設置為快速狀態。

（2）中頻增益和設置范圍為0～100，此處我們將其設置為60。

（3）中頻帶寬根據檢測標準設置為9kHz，音頻帶寬去中頻帶寬的一般4.5kHz。

（4）中頻偏移0Hz、音頻增益為0。同時設定板卡的工作模式為AM，初始工作頻點設定為配置文件中記錄的上次工作頻率。

軟件從配置文件中讀取上次工作頻率，設置板卡工作頻率，此時從板卡的音頻輸出接口，可以收聽到正常的廣播。板卡參數設置完成后，通過SDK提供的API開始接收板卡中頻流數據，并對其進行處理，以供客戶端取值。最后，開啟監視服務端socket，監視指定的端口，當接收到客戶端連接請求，生成連接socket，負責和客戶端通信，按照客戶端的指令對板卡進行設定、返回監測數據。

4.2 調幅度計算

按照接收機法測量調幅度的原理，通過板卡獲得廣播信號的中頻數據流，然后對對中頻數據流進行處理，計算調幅度。板卡通過API方式獲取中頻流，每次返回約800個采樣值，采用16位PCM編碼，經過二次變頻后的中頻信號為16kHz，而采樣頻率為64kHz，所以每個中頻周期內共有4個采樣點，按照前面介紹的方法對中頻數據實現數字軟解調，將得到的近似包絡存儲在數組m_nIFMax中。統計、記錄包絡數據的最大值、最小值。當需要計算調幅度時，采用如下函數計算調幅度。

4.3 監測結果處理

系統主線程在每次收到三個測量線程的測量結果時，首先檢測三個監測線程對應的異常標志位中是否有標志位為真。如果有，則說明已經有異常發生，而且報警ID已經生成，利用報警ID將本次測量數據存入數據庫。如果所有異常標志位都為假，說明在本次測量之前沒有異常發生。接下來監測本次監測結果，如果不合格，首先將頻點切換標志置為假，提示控制線程繼續停留在本頻點。接著將本次監測對應異常標志為置為真，同時構造報警ID。記錄報警數據，播放報警聲音，同時給出界面提示。如果都沒有異常發生，則只將本次監測數據在界面進行展示，不進行儲存。報警信息在監測過程中寫入數據庫。

5 結語

發射臺質量保證系統對信號調幅度的實時監測報警，監測數據準確、可靠，同時也實現了對音頻信號和發射機耦合輸出信號的監測，對安全播出工作起到了輔助作用。當發現調幅度異常時，自動檢測發射機的工作狀況，判斷異常原因，自動對各部分進行調整控制，從而實現調幅度的全自動監測控制，保證發射臺實現“滿調幅”工作。

參考文獻

[1]曹志剛，錢亞生.現代通信原理[M].北京：清華大學出版社，1992（3）.

[2]陳治彥.中、短波廣播調幅度監測應注意的問題[J].廣播與電視技術，2006（12）.

[3]劉春學，秦勇，李曉鳴.中短波調幅廣播調幅度監測儀的設計[J].廣播與電視技術，2011（3）.

[4]楊凱.廣播發射臺質量保證系統改造方案設計與實施[J].科技世界，2013（6）.

[5]賈仕忠.中波數字調幅廣播發射機調幅度檢測的改造[J].科技傳播，2011（4）.

[6]何蘭平.無線廣播電視發射臺自動化信號檢測系統[J].廣播與電視技術，2012（3）.

收稿日期：2016-09-05

作者簡介：賈依娜 （1983—），女，哈薩克族，北京人，碩士，工程師，研究方向：廣播與電視技術。