一種調頻廣播頻譜記錄儀的研制和應用

1   背景和概述

在廣播電臺日常工作中，缺少無線電頻譜監測手段。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：當發射機故障功率變小，如果信號不是太弱，則音頻監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，發現信號強度變化、指標劣化、無調制、不明頻率出現等異常情況，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展，自行研制一種針對廣電行業特點、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測設備，成為可能。本文所述設備能夠將頻帶內的無線電廣播信號的三種要素展現在同一屏幕，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點，沒有追求過高的技術指標，是一個具有實用性的產品。

調頻廣播頻段頻譜記錄儀采用了嵌入式計算機系統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 后的數據進行快速傅里葉變換（FFT），得到頻譜數據，再轉換成顏色信息，得到一系列彩色點狀數據，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。軟件不斷循環重復工作，上一次轉換的彩色線條每次向下滾動一行，新數據則填充頂端位置。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2 頻譜監測設備輸出的瀑布圖圖像

圖中，縱向坐標代表了時間流逝（整個圖像向下滾動），已經打上了時間標記，橫向坐標代表了頻率刻度，用顏色代表信號強度。一幅圖像展現三個要素，持續在屏幕上滾動，最適合播控中心機房日常值班使用。這幅

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

這個數量級別，是廉價的固態存儲器能輕易做到的。FFT 以后的原始數據從網口輸出共享，能夠組網應用。

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

3   方案的實現

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，再經過低通濾波器后進入ADC（模數轉換器A/D），把模擬域信號進行數據域的轉換。本項目對于ADC 并未追求極高位數精度和測量指標，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境下，能夠突出顯示有用的廣播信號即可^[3]。經實驗，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動程序密不可分，也自主編寫了底層驅動程序和上層應用程序。

3.2 軟件設計

軟件無線電的主要工作流程都集中在軟件處理。分為數個模塊。其中硬件驅動程序完成了射頻硬件和計算機之間的數據流接口。頻譜分析模塊負責采集到數據的頻域變換，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。

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

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動，在風扇停止、存儲器溢出等情況下發出告警信息。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。專業工程維護人員可以修改ini 文件設定更多初始參數。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 網絡時間服務器的方式。對于長期監測工作，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。網絡接口對外傳輸實時數據，可以擴展多點分布式監測。

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

圖3 設計階段的原理圖、電路板和軟件開發

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界面。當然這是歷經數次實驗的最終完成版本。軟件全部使用了開源編譯工具。已經獲得了著作權證書。

經過射頻各種參數的合理設計，軟件主界面呈現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都是合理有效的。整機完成后結構如圖4 所示。

圖4 完成品實物圖

軟硬件包含在一個標準1U 機箱內^[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。主信號兩側為青島臺發播的CDR 自辦節目。

圖5 擴展測量和精度校驗

4   頻譜記錄儀的實際應用

圖6 為長期運行過程中實際監測到的異常狀況，分別是發射機供電故障中斷播出、音頻電纜損壞、調制帶寬指標超標^[1]和黑廣播出現。經查證，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。

圖6 實際觀測到的異常情況樣例展示

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。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，能夠監測無線話筒的工作頻帶內干擾源情況，給出最優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測，降低了采購成本，促進了無線電監測設備的普及應用。

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

參考文獻：

[1] 調頻廣播接收機測量方法:GB/T 6163-2011 [S].

[2] 聲音和電視廣播接收機以及有關設備抗擾度限值和測量方法:GB/T 9383-2008 [S].

[3] 米波分米波地面電視廣播監測技術規程:GY/T 142-1999 [S].

[4] 電子設備機柜通用技術條件:GB/T15395-1994 [S].

[5] 廣播數據系統(RDS)技術規范:GB/T 15770 -1995 [S].

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年5月期）