眼圖在數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)維護中的應(yīng)用探討

國家新聞出版廣電總局2022臺 呂紅梅

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眼圖在數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)維護中的應(yīng)用探討

國家新聞出版廣電總局2022臺 呂紅梅

【摘要】本文介紹了數(shù)字音頻信號的基帶傳輸特性，示波器觀測數(shù)字信號時眼圖的形成原理，闡述了它在數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)性能評測中的應(yīng)用和在廣播發(fā)送電臺設(shè)備維護中的意義。

【關(guān)鍵詞】眼圖；數(shù)字音頻；傳輸系統(tǒng)

1 引言

大功率中短波調(diào)幅廣播發(fā)射機，常用于遠距離音頻節(jié)目發(fā)送。工作中，節(jié)目傳輸系統(tǒng)接收衛(wèi)星廣播信號，經(jīng)過解碼、解復(fù)用后由數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)傳送至各發(fā)送機房，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后送至發(fā)射機高頻功放，對載波信號進行幅度調(diào)制后上天線以電磁波的形式發(fā)送至各服務(wù)區(qū)。

數(shù)字音頻信號的傳輸質(zhì)量，直接影響到服務(wù)區(qū)的收聽效果。因此，充分了解數(shù)字音頻信號的傳輸特性、做好對音頻信號傳輸通路的維護，以優(yōu)化數(shù)字節(jié)目的傳輸質(zhì)量，是基層臺站維護工作的重要工作之一。眼圖將數(shù)字傳輸信道上的各項參數(shù)直觀的展示于我們面前，通過對眼圖的觀測，可以評估信道受干擾情況以及抗噪能力，可以調(diào)整接收濾波器以減小碼間串擾，改善系統(tǒng)傳輸性能，是測量、維護數(shù)字音頻通信鏈路最簡單直觀和行之有效的方法之一。

2 數(shù)字音頻信號基帶傳輸特性

廣播發(fā)送中使用的數(shù)字音頻信號，具有數(shù)字信號基帶傳輸?shù)墓残?。理想狀況下的數(shù)字基帶信號波形為矩形波，在研究其頻譜時，往往只畫出能量最集中的頻譜范圍，而實際應(yīng)用中基帶信號在頻域內(nèi)是無限延伸的。在應(yīng)用中，由于信道的帶寬是有限的，若傳輸碼型直接采用矩形脈沖的基帶信號，則系統(tǒng)接收端接收到的信號頻譜與發(fā)送端的有所不同，必定產(chǎn)生波形失真。因此數(shù)字基帶信號在信道傳輸中常采用濾波器產(chǎn)生出平滑的波形進行傳輸。

數(shù)字基帶信號的產(chǎn)生由碼型編碼和波形形成兩步完成。輸入信號經(jīng)碼型編碼后產(chǎn)生δ脈沖序列，δ脈沖序列經(jīng)過波形形成單元后，轉(zhuǎn)換為適合信道傳輸?shù)牟ㄐ涡盘?，其方框圖如圖1所示。

圖1 基帶傳輸系統(tǒng)方框圖

由奈奎斯特第一準則可知，數(shù)字信號通過某一信道傳輸時，如信號傳輸速率為Bb=2Bc （Bc為信道物理帶寬），各碼元的間隔T=1/2Bc，該數(shù)字序列就可以做到無碼間干擾傳輸了，這時Bc=1/2T稱為奈奎斯特帶寬，T稱為奈奎斯特間隔。也就是說接收端接收到的波形滿足抽樣值無失真?zhèn)鬏數(shù)某湟獥l件是：本碼元僅在其抽樣時刻上具有最大值而對其他碼元的抽樣時刻信號無影響，那么信號經(jīng)過信道傳輸后雖然整個波形發(fā)生變化，只要其取樣值保持不變，仍然可以通過再生判決，準確無誤的恢復(fù)出原始信號。因此大部分數(shù)字信號的有線傳輸，信號頻帶并不是突然截止的，基帶頻譜是在逐漸衰減的，具體與設(shè)計時的滾降系數(shù)有關(guān)系，如圖2所示。

圖2 碼元波形形成

3 眼圖形成原理及其測量方法

噪聲和碼間串擾對數(shù)字音頻信號的傳輸質(zhì)量具有很大的影響，為改善其傳輸質(zhì)量，在系統(tǒng)維護中常利用示波器觀測碼元傳輸效果，從而評估傳輸系統(tǒng)性能，根據(jù)實際情況當調(diào)整濾波器。觀測中示波器所獲得的圖形，稱為眼圖。

需要觀測眼圖時，用一臺具有時域分析功能的示波器，在示波器輸入端加待測信號，同時以位定時信號作為掃描同步信號，調(diào)整示波器的水平掃描周期使其與接收碼元的周期相同步。對于二進制數(shù)表示的數(shù)字信號，示波器上顯示出的圖形與人眼很像，因此稱之為“眼圖”。其生成原理如圖3所示。首先示波器采集到一串連續(xù)的數(shù)據(jù)波形；然后使用軟件恢復(fù)時鐘，用恢復(fù)的時鐘切割每個比特的波形；最后，所有比特疊加得到眼圖。

圖3 二進制眼圖的形成

眼圖顯示出可能取得的數(shù)據(jù)波形圖的所有瞬時值，在輸入完全隨機的情況下，各不同波形疊加后會形成若干個眼孔，眼孔開啟的大小表征了信號的傳輸質(zhì)量。在有噪聲和符號間干擾的情況下，眼圖是由很多具有一定偏移的線條組成，線條疊加后看起來如同構(gòu)成眼圖的線條變寬了，造成水平和垂直方向上眼睛的睜開程度均減小了，等效于眼圖的聚焦點發(fā)生擴散。在理想情況下，即無噪聲和碼間串擾時，無波形失真，眼睛張開最大；當有噪聲和碼間串擾時，波形產(chǎn)生失真，引起眼睛部分閉合，因此可由眼圖中眼睛張開的大小程度表示波形失真的程度。由此可見，通過觀察眼圖，可以直觀的觀測到噪聲和碼間串擾對傳輸系統(tǒng)的影響，評估某個數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的性能優(yōu)劣。

如圖4所示，把眼圖抽象成一個模型，可以通過眼圖獲得以下信息：

圖4 二電平數(shù)據(jù)信號眼圖模型

（1）最佳抽樣時刻，應(yīng)該選擇眼圖張開最大的時刻，此時信噪比也最大。

（2）系統(tǒng)對定時誤差的靈敏度由眼圖斜邊的斜率表示，斜率越大，系統(tǒng)對定時誤差越靈敏，對定時穩(wěn)定性的要求也越高。

（3）在抽樣時刻，上下兩個陰影區(qū)的高度稱為信號失真量，它由碼間串擾和噪聲疊加形成，當碼間串擾嚴重到一定程度時，眼睛將會完全閉合，此時無法通過再生決準確恢復(fù)出信息碼元，必須對碼間串擾進行糾正。

4 眼圖在數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)維護中的應(yīng)用

在基層發(fā)射臺站中，節(jié)目傳輸機房接從衛(wèi)星接收數(shù)字音頻信號，利用光纖遠距離傳輸至發(fā)射機房，再由數(shù)字音頻電纜送至每部發(fā)射機。系統(tǒng)中包含有光傳輸和電傳輸，中間節(jié)點較多，隨著使用時間的推移，設(shè)備、線路均出現(xiàn)老化，再加上大功率發(fā)射機房的強電磁環(huán)境，勢必會影響到傳輸系統(tǒng)的性能。因此，必須針對音頻傳輸系統(tǒng)制定一套行之有效的測試、維護標準和方法，形成維護規(guī)程。而利用眼圖測量法檢驗系統(tǒng)傳輸性能是最行之有效、可操作性最高的方法之一。

影響數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)性能的主要測試指標有：數(shù)字信號的幅度值；信號延遲、抖動及傳輸阻抗等。在實際應(yīng)用當中，傳輸系統(tǒng)出現(xiàn)異常的表現(xiàn)形式很多，但其本質(zhì)大多由信號傳輸中的傳輸誤碼造成。通過觀測眼圖張合程度，可以判斷出系統(tǒng)出現(xiàn)誤碼率的程度，從而采取有效措施以便提高信號傳輸質(zhì)量。

外加噪聲對數(shù)字信道的干擾主要有加性和乘性兩種方式。加性噪聲干擾由噪聲和傳輸信號相加產(chǎn)生，地阻耦合、漏電流等產(chǎn)生的干擾，往往會疊加于信號上產(chǎn)生加性干擾，表現(xiàn)在眼圖上，主要改變圖形的縱向張合度。最可能的原因是由線路老化引起，可通過加強屏蔽、隔離、接地、濾波或更換傳輸線等方法予以抑制。乘性噪聲干擾由噪聲和傳輸信號相乘產(chǎn)生，主要產(chǎn)生原因是由傳輸線的衰減、時延和阻抗失配等因素引起的反射干擾和碼間干擾，表現(xiàn)在眼圖上，圖像會發(fā)生抖動。實際故障排查中，對于周期性抖動，考慮開關(guān)電源和串擾，而隨機抖動，多考慮基準時鐘和鎖相環(huán)PAL電路。

5 結(jié)語

通過對數(shù)字音頻信號傳輸特性以及眼圖形成原理的論述，可知眼圖在音頻傳輸系統(tǒng)維護中具有舉足輕重的作用，對設(shè)備進行周期性測量、評估系統(tǒng)性能，提前處理可能發(fā)生的故障，做好預(yù)防性維護，對于確保安全傳輸發(fā)射工作具有重要的意義。

參考文獻

［1］張衛(wèi)綱.通信原理與通信技術(shù)［M］.西安電子科技大學出版社，2003.

［2］陳麗華.基帶傳輸系統(tǒng)及其誤碼分析［M］.機械工業(yè)出版社，2005.