一種調(diào)頻廣播頻譜記錄儀的研制和應用

李琚門

關鍵詞：無線電;軟件無線電;頻譜;記錄儀;瀑布圖;日常監(jiān)測

1 背景和概述

在廣播電臺日常工作中，缺少無線電頻譜監(jiān)測手段。一般是采取接收機+ 音頻電平表的形式，把廣播的音頻信號展現(xiàn)出來。而接收機具有自動增益、噪聲抑制等電路，通常會對無線電信號的指標劣化不敏感。例如：當發(fā)射機故障功率變小，如果信號不是太弱，則音頻監(jiān)測設備不會做出反應。另一個典型例子是，非標準頻率的黑臺，在定頻接收機上收不到。

亟需一種設備，能夠把整個頻帶內(nèi)的無線電頻譜，變成屏幕上的圖像，以一種“一望而知”的直觀形式，發(fā)現(xiàn)信號強度變化、指標劣化、無調(diào)制、不明頻率出現(xiàn)等異常情況，并且能夠以圖像形式進行記錄。如此，將使日常監(jiān)測工作達到更高水平。

2 方案設計

隨著軟件無線電技術的發(fā)展，自行研制一種針對廣電行業(yè)特點、符合特殊需求、工作模式靈活、可訂制頻段和功能的無線電可視化監(jiān)測設備，成為可能。

本文所述設備能夠?qū)㈩l帶內(nèi)的無線電廣播信號的三種要素展現(xiàn)在同一屏幕，即場強、頻率、時間。緊密結合廣播電臺實際工作需求，始終以實際需求為根本出發(fā)點，沒有追求過高的技術指標，是一個具有實用性的產(chǎn)品。

調(diào)頻廣播頻段頻譜記錄儀采用了嵌入式計算機系統(tǒng)和軟件無線電技術相結合的方案。如圖1 所示：

從天線輸入的射頻信號，進入射頻前端進行處理，然后下變頻到某種程度的低頻（取決于帶寬需求），最后直接進行A/D 轉換。得到I 和Q 信息。

對A/D 后的數(shù)據(jù)進行快速傅里葉變換（FFT），得到頻譜數(shù)據(jù)，再轉換成顏色信息，得到一系列彩色點狀數(shù)據(jù)，按照頻率從低到高橫向排列，得到的是單個像素點的橫向線條。這個線條代表了整個頻段內(nèi)的信號強度。

間隔幾秒鐘[1] 再進行下一次轉換，得到另一條彩色線條。軟件不斷循環(huán)重復工作，上一次轉換的彩色線條每次向下滾動一行，新數(shù)據(jù)則填充頂端位置。這樣進行圖像逐行累積合成，得到了一段時間內(nèi)無線電信號的變化情況，如圖2 所示，這幅圖像看起來的效果是緩慢向下滾動，稱之為瀑布圖。

圖中，縱向坐標代表了時間流逝（整個圖像向下滾動），已經(jīng)打上了時間標記，橫向坐標代表了頻率刻度，用顏色代表信號強度。一幅圖像展現(xiàn)三個要素，持續(xù)在屏幕上滾動，最適合播控中心機房日常值班使用。這幅圖展示了6 個發(fā)射機斷電、恢復又斷電的情形。明顯地，99.1 MHZ 機器的啟動速度很快。

圖像信息每隔一定時間（可預置）自動存儲，使用計算機技術中成熟的圖像壓縮算法減小文件尺寸，每半小時存儲一張高清的PNG 格式的壓縮圖片，僅需約1 MB，每年需要1*2*24*365 = 17520 MB = 17.520 GB這個數(shù)量級別，是廉價的固態(tài)存儲器能輕易做到的。

FFT 以后的原始數(shù)據(jù)從網(wǎng)口輸出共享，能夠組網(wǎng)應用。

調(diào)頻廣播頻段頻譜記錄儀作為日常播出監(jiān)測設備，主要是定性觀測和視覺展示為主。即在常見發(fā)射機天饋線故障狀態(tài)下，能夠以鮮明的圖像特征展示給值班人員。

3 方案的實現(xiàn)

3.1 硬件及射頻前端設計

本項目的射頻前端需要具備一定的相對精度，又無需太高。借鑒了某些開源硬件的設計，避開版權付費內(nèi)容。其工作原理和普通SDR 電路相同。

首先使用了LNA（低噪聲放大器），之后進行下變頻到中頻，再經(jīng)過低通濾波器后進入ADC（模數(shù)轉換器A/D），把模擬域信號進行數(shù)據(jù)域的轉換。本項目對于ADC 并未追求極高位數(shù)精度和測量指標，采取了折衷的辦法，在普通天線能提供的信號強度和一般機房電磁環(huán)境下，能夠突出顯示有用的廣播信號即可[3]。經(jīng)實驗，采樣精度8bits，轉換速率為2 Mbps。實際上是正交的兩個ADC 同時工作，這是因為需要I 和Q 兩個分量才能計算模值。

軟件無線電的射頻前端和驅(qū)動程序密不可分，也自主編寫了底層驅(qū)動程序和上層應用程序。

3.2 軟件設計

件無線電的主要工作流程都集中在軟件處理。分為數(shù)個模塊。其中硬件驅(qū)動程序完成了射頻硬件和計算機之間的數(shù)據(jù)流接口。頻譜分析模塊負責采集到數(shù)據(jù)的頻域變換，并把場強進行顏色轉換，成為色彩表達形式。屏幕繪圖模塊負責把顏色信息描繪在屏幕上。

射頻參數(shù)控制模塊能夠設定增益和采樣率等參數(shù)，使設備符合傳統(tǒng)無線電儀器的操作習慣。包括了定時參數(shù)、頻段范圍、分辨率、實時音頻基帶解調(diào)開關[5]、圖像分辨率等參數(shù)設置功能。

定時存儲模塊是一個后臺進程，在定時間隔后進行屏幕截圖。

故障告警模塊和硬件聯(lián)動，在風扇停止、存儲器溢出等情況下發(fā)出告警信息。人機界面模塊使用鼠標進行菜單操作，并無過多選項，避免人為設置錯誤。專業(yè)工程維護人員可以修改ini 文件設定更多初始參數(shù)。時間校正模塊采用青島廣播電視科研所標準的時間碼或者NTP 網(wǎng)絡時間服務器的方式。對于長期監(jiān)測工作，維持精確的時間非常重要[3]，是安全責任劃分和故障判斷的關鍵因素。網(wǎng)絡接口對外傳輸實時數(shù)據(jù)，可以擴展多點分布式監(jiān)測。

由于全固態(tài)計算機系統(tǒng)啟動非常快，整體看來是一個一體化的軟硬件系統(tǒng)，符合現(xiàn)代流行的嵌入式系統(tǒng)設計原則，即操作系統(tǒng)+ 應用軟件+ 硬件。

3.3 樣機制作和整機測試

圖3 展示了原理圖、印刷電路板的設計過程和軟件開發(fā)界面。當然這是歷經(jīng)數(shù)次實驗的最終完成版本。

軟件全部使用了開源編譯工具。已經(jīng)獲得了著作權證書。

經(jīng)過射頻各種參數(shù)的合理設計，軟件主界面呈現(xiàn)出色彩對比鮮明的特征，清晰反映出了空間電磁波譜的特征，證明方案設計和實現(xiàn)都是合理有效的。整機完成后結構如圖4 所示。

軟硬件包含在一個標準1U 機箱內(nèi)[4]，外接電源、天線和顯示器即可工作。

軟件操作基本不需要鍵盤，初始配置過程需要鍵盤時，能夠從后面板接入。后面板接口包括網(wǎng)絡口和音頻口，可以輸出聲音。串口保留，用作時間標準接口。

配套全向的寬帶天線，如有定向的需求則可以選擇對數(shù)周期天線。很高增益的天線其帶寬較窄，對于全頻帶接收不利，需要加以驗證方可安裝使用。天線都會受到周圍金屬物體的影響，其方向圖和頻率特性都會與理論值相去甚遠，一切以實際效果為準并遠離干擾源。有干擾時，在頻譜圖上找出并干擾源頻率，以后的分析中忽略它[2]。

本設計具有一定的相對精度。圖5 右側是無線電管理部門給出的本地交通廣播89.7MHZ測試結果，左側是本設備同時間的測試效果作為對照。注意設備可以設定頻率范圍較小，例如1MHZ[1]，能夠詳細觀察頻譜細節(jié)。主信號兩側為青島臺發(fā)播的CDR 自辦節(jié)目。

4 頻譜記錄儀的實際應用

圖6 為長期運行過程中實際監(jiān)測到的異常狀況，分別是發(fā)射機供電故障中斷播出、音頻電纜損壞、調(diào)制帶寬指標超標[1] 和黑廣播出現(xiàn)。經(jīng)查證，如實反映了真實情況。

這些圖片，可以加入水印，作為相關技術保障工作報表的主要素材和依據(jù)。

5 可擴展特性

這個設備基于軟件無線電技術和嵌入式計算機技術，具有比較強的擴展功能，有待于進一步開發(fā)。例如，設定工作頻率到無線話筒頻段，在演播室以長期慢掃描的方式工作，能夠監(jiān)測無線話筒的工作頻帶內(nèi)干擾源情況，給出最優(yōu)的無線話筒使用頻點。如果綠色部分非常多，表明本底噪聲很大，而且是寬帶均勻分布的，是LED 大屏幕舞臺設備的典型干擾特征。這種干擾會導致舞臺上某些無線話筒失靈。

6 結論

本文所述的調(diào)頻頻段頻譜記錄儀，將最新的軟件無線電技術應用于廣播監(jiān)測，降低了采購成本，促進了無線電監(jiān)測設備的普及應用。

系統(tǒng)采用嵌入式計算機技術，把調(diào)頻廣播全頻段的無線電信號進行可視化呈現(xiàn)，極大方便了廣播電臺的日常監(jiān)測工作。該設備經(jīng)過了總局相關部門檢測并獲得廣電總局科技創(chuàng)新獎。