质量保证系统调幅度测量方法研究

摘要：当今的广播电视技术已经步入数字化、网络化、信息化的时代。在新形势下，发射台站必须结合先进的计算机技术、自动监控技术和网络通信技术，开发及实现中短波发射台的监测系统。调幅度是调幅广播信号的重要参数，是衡量发射机输出功率、能量利用率和覆盖效果的一项重要技术指标，是调幅广播信号质量监测最主要的项目之一，对于调幅广播的安全播出有重要意义。本文对中短波发射台质量保证系统的调幅度测量方法进行研究与探讨。

关键词：信号监测 数据采集 调幅度 载波功率

中图分类号：R778.3 文献标识码：A 文章编号：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

保证安全播出是广播电视部门的中心工作，也是各级各类传输发射台永恒的话题。如何保证各播出频率不间断、高质量的播出，一直是安全播出管理的重点和难点。随着各个台站自动控制系统改造的进行，建立一套新的播出质量自台监控机制，对广播信号调幅度的自我监测管理，也是发射台进行自动控制改造的重要内容。发射台质量保证系通过对各个传输环节的信号质量进行实时监测，掌握信号在传输过程中的质量变化情况，为及时发现信号质量劣化和台内信号播出质量监测提供技术手段，及时反映发射台设备的工作状态，为无线局的安全播出工作起到了重要作用。调幅度是调幅广播信号的一个重要参数，是衡量发射机输出功率、能量利用率和覆盖效果的一项重要技术指标。调幅度的测量是发射台质量保证系统实现实时监测和正确反映发射机运行状态等系统功能的关键点。

2 质量保证系统总体设计方案

通过对中短波调幅广播监测需求的分析和调幅度异常原因的研究，系统对调幅广播施行“三點”监测。这“三点”监测的信号指的分别是从送入发射机的信号接入点处（卫星接收机的输出或者光纤信号或音频处理设备的输出）获取的输入信号、从发射机送至天线的信号进行耦合获取的输出信号，以及通过天线开路接收到的实际广播信号。输出信号的监测也是对信号电压采集，通过信号电平反映信号的质量。当信号电平长期低于设定值时，给出报警，提示值班人员及时调整发射机运行状况。

发射台质量保证系统设计主要完成发射机数据的采集、监测、转换和呈现等功能。 系统软件采用C/S三层结构，VC++语言实现。监测工控机（声卡、网卡、音箱）和指标监测终端软件组成。系统主要分为四部分：调幅度测量模块、输入信号采集模块、输出信号采集模块和系统软件。整个系统结构如图1所示。

调幅度测量模块负责完成信号调幅度的测量，主要由专用测量接收机和用于控制接收机计算调幅度的服务端软件组成，该模块工作在工控机上。输入信号采集模块和输出信号采集模块类似，都是采用专门的电压采集设备，完成对应信号的电压采集工作。系统主程序主要由客户端软件和后台数据库组成，负责根据设定从三个测量模块获取数据，完成监测以及报警功能。

系统的整个工作流程是：

（1）启动调幅度测量服务端软件，开启接收机并设定接收机工作参数，接收广播信号，等待系统主程序指令。

（2）将音频输入信号和耦合输出信号连接至采集模块，开始采集电压。

（3）主程序从数据库读取频点设定，检查播放列表，获取正在播放出频点。

（4）控制调幅度服务端设定接收机板卡工作频率，设定信号电压采集模块增益。

（5）开启监测线程，从三个测量模块获取数据，并对数据进行统计。如果超出报警门限，声音和界面报警，否则继续监测下一频点。

系统所有的业务数据主要包括频率信息数据、测量模块信息和报警数据。业务数据逻辑关系设计图如图2所示。

3 调幅度测量方法

用调制信号（音频信号或视频信号）去控制改变高频载波信号的振幅，从而使高频载波的振幅随调制信号的变化而变化，这种调制方法称为调幅。

如图3所示，其中图（a）为调制信号波形，是一频率为fΩ，振幅为的正弦波；图（b）为高频载波波形，振幅为Uc，载波频率为fc；图（c）为调幅波波形。由图中可以看出，调幅波的振幅是随调制信号而变化的，而调幅波的频率不变，仍为载波频率[1]。调幅波的表达式为：

调幅度反映了高频载波振幅被调制的程度，常以百分数表示。调幅度最小为零（Umax=Umin），标志着没有调制信号，发射出去的只是载波；调幅度最大为100%（Umin=0），说明载波幅度已完全被用于传送音频调制信号；如果调幅度大于100%（Umin<0）称为过调幅，经常过调幅是不被允许的，因为过调幅将会使得调幅波的包络波形和调制信号的波形不完全一致，从而造成失真[2]。

式中：（）、（）分别为调幅波频谱的上边频和下边频。可见，在调幅波频谱中有一个载频和两个边频。图2所示为50Hz～8kHz音频信号调制1000kHz载波所得调幅波的频谱图。

式中Pt指载波功率，P（ω±Ω）指上下边带功率。

在未调制时m=0，P=Pt；在100%调幅时，m=1，P=1.5Pt。可见，调幅波的输出功率随m的增大而增加。它所增加的部分是两个边频所产生的功率㎡·Pt /2。由于信号包含在边频内，因此在调幅制中应尽可能地提高m的值，以增强边带功率，提高传输信号的能力。当m=1时，边频功率最大，这时上、下边频功率之和只占总功率的三分之一。当m<1时，边带功率将以m2指数规律迅速下降。如一部20kW的调幅发射机，当调幅度分别为100%、70%、50%、30%和10%时，其边带功率变化如表1所示，由表中数据可见，随着调幅度的下降，边带功率将急剧下降。如当调幅度下降到10%时，边带功率就下降到满调幅的1/100。

边带功率的大小直接决定信号覆盖的范围大小和信号的传输质量，边带功率的范围越大，信号覆盖范围越大，信号质量越好。调幅发射机要满调幅运行，至少要大于80%，由于发射机的载波功率是不能更改的，所以要想达到覆盖要求，必须的条件是要保证足够的调幅度[3]。

4 调幅度测量服务端软件实现

通过对常用调幅度测量方法的研究，接收机法既能保证测量的准确度，同时又能保证测量的效率，因此选用接收机法进行调幅度测量。测量接收机通过环形天线对实际的广播信号进行测量。

整个系统是从天线馈筒上取样，天线和接收机一一对应，监测系统正常监测时需要将播出运行图输入质量保证系统中。录入运行图信息包括机器号，起始时间，播音频率，天线及偏向角度。广播信号质量监测仪安装在发射机上，从发射机馈筒取样，实现对整个系统的多点采样，实时监测发射机调幅度、载波频率及载波功率重要数据，并可通过通讯接口发布监测点数据[4]。

根据广播调幅发射机的工作特点，要实现调幅度实时变化，载波频率相对稳定，监测信号要选择每监测一百次调幅度，监测一次载波频率。系统设计采样点数为N=4096，算法采用Hilbert变换解调和欠采样求载波频率，所以每计算100次调幅度、100次载波功率和1 次载波频率所需要的运算次数大概为：

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

要达到实时性的效果需要2秒钟之内完成这些运算。

系统通过TCP协议与调幅度服务端通信，获取调幅度。线程在启动时先从数据库查询与该频点关联的调幅度服务端IP，以及测量周期，测量间隔，同时从报警门限表中取得调幅度报警门限。接着连接调幅度检测服务端，取测量数据。

服务端的主要任务是控制接收机板卡，并对数据进行实时处理，计算调幅度，根据主程序的消息设定板卡的工作状态以及反馈信号的实时调幅度、频偏和功率数据。

4.1 工作流程

软件通过板卡自带驱动和SDK动态链接库，所以程序启动首先查找板卡驱动动态链接库，若成功，启动板卡，若此时出错，一般情况下说明板卡未正常安装，此时需重新安装板卡。

板卡启动好后，软件从配置文件读入板卡工作参数，这里需要设定的参数主要有：

（1）自动增益控制（AGC）：使放大电路的增益自动地随信号强度而调整的自动控制板卡共有快、中、慢以及关闭四种状态，此处将其设置为快速状态。

（2）中频增益和设置范围为0～100，此处我们将其设置为60。

（3）中频带宽根据检测标准设置为9kHz，音频带宽去中频带宽的一般4.5kHz。

（4）中频偏移0Hz、音频增益为0。同时设定板卡的工作模式为AM，初始工作频点设定为配置文件中记录的上次工作频率。

软件从配置文件中读取上次工作频率，设置板卡工作频率，此时从板卡的音频输出接口，可以收听到正常的广播。板卡参数设置完成后，通过SDK提供的API开始接收板卡中频流数据，并对其进行处理，以供客户端取值。最后，开启监视服务端socket，监视指定的端口，当接收到客户端连接请求，生成连接socket，负责和客户端通信，按照客户端的指令对板卡进行设定、返回监测数据。

4.2 调幅度计算

按照接收机法测量调幅度的原理，通过板卡获得广播信号的中频數据流，然后对对中频数据流进行处理，计算调幅度。板卡通过API方式获取中频流，每次返回约800个采样值，采用16位PCM编码，经过二次变频后的中频信号为16kHz，而采样频率为64kHz，所以每个中频周期内共有4个采样点，按照前面介绍的方法对中频数据实现数字软解调，将得到的近似包络存储在数组m_nIFMax中。统计、记录包络数据的最大值、最小值。当需要计算调幅度时，采用如下函数计算调幅度。

4.3 监测结果处理

系统主线程在每次收到三个测量线程的测量结果时，首先检测三个监测线程对应的异常标志位中是否有标志位为真。如果有，则说明已经有异常发生，而且报警ID已经生成，利用报警ID将本次测量数据存入数据库。如果所有异常标志位都为假，说明在本次测量之前没有异常发生。接下来监测本次监测结果，如果不合格，首先将频点切换标志置为假，提示控制线程继续停留在本频点。接着将本次监测对应异常标志为置为真，同时构造报警ID。记录报警数据，播放报警声音，同时给出界面提示。如果都没有异常发生，则只将本次监测数据在界面进行展示，不进行储存。报警信息在监测过程中写入数据库。

5 结语

发射台质量保证系统对信号调幅度的实时监测报警，监测数据准确、可靠，同时也实现了对音频信号和发射机耦合输出信号的监测，对安全播出工作起到了辅助作用。当发现调幅度异常时，自动检测发射机的工作状况，判断异常原因，自动对各部分进行调整控制，从而实现调幅度的全自动监测控制，保证发射台实现“满调幅”工作。

参考文献

[1]曹志刚，钱亚生.现代通信原理[M].北京：清华大学出版社，1992（3）.

[2]陈治彦.中、短波广播调幅度监测应注意的问题[J].广播与电视技术，2006（12）.

[3]刘春学，秦勇，李晓鸣.中短波调幅广播调幅度监测仪的设计[J].广播与电视技术，2011（3）.

[4]杨凯.广播发射台质量保证系统改造方案设计与实施[J].科技世界，2013（6）.

[5]贾仕忠.中波数字调幅广播发射机调幅度检测的改造[J].科技传播，2011（4）.

[6]何兰平.无线广播电视发射台自动化信号检测系统[J].广播与电视技术，2012（3）.

收稿日期：2016-09-05

作者简介：贾依娜 （1983—），女，哈萨克族，北京人，硕士，工程师，研究方向：广播与电视技术。