一种调频广播频谱记录仪的研制和应用

李琚门

关键词：无线电;软件无线电;频谱;记录仪;瀑布图;日常监测

1 背景和概述

在广播电台日常工作中，缺少无线电频谱监测手段。一般是采取接收机+ 音频电平表的形式，把广播的音频信号展现出来。而接收机具有自动增益、噪声抑制等电路，通常会对无线电信号的指标劣化不敏感。例如：当发射机故障功率变小，如果信号不是太弱，则音频监测设备不会做出反应。另一个典型例子是，非标准频率的黑台，在定频接收机上收不到。

亟需一种设备，能够把整个频带内的无线电频谱，变成屏幕上的图像，以一种“一望而知”的直观形式，发现信号强度变化、指标劣化、无调制、不明频率出现等异常情况，并且能够以图像形式进行记录。如此，将使日常监测工作达到更高水平。

2 方案设计

随着软件无线电技术的发展，自行研制一种针对广电行业特点、符合特殊需求、工作模式灵活、可订制频段和功能的无线电可视化监测设备，成为可能。

本文所述设备能够将频带内的无线电广播信号的三种要素展现在同一屏幕，即场强、频率、时间。紧密结合广播电台实际工作需求，始终以实际需求为根本出发点，没有追求过高的技术指标，是一个具有实用性的产品。

调频广播频段频谱记录仪采用了嵌入式计算机系统和软件无线电技术相结合的方案。如图1 所示：

从天线输入的射频信号，进入射频前端进行处理，然后下变频到某种程度的低频（取决于带宽需求），最后直接进行A/D 转换。得到I 和Q 信息。

对A/D 后的数据进行快速傅里叶变换（FFT），得到频谱数据，再转换成颜色信息，得到一系列彩色点状数据，按照频率从低到高横向排列，得到的是单个像素点的横向线条。这个线条代表了整个频段内的信号强度。

间隔几秒钟[1] 再进行下一次转换，得到另一条彩色线条。软件不断循环重复工作，上一次转换的彩色线条每次向下滚动一行，新数据则填充顶端位置。这样进行图像逐行累积合成，得到了一段时间内无线电信号的变化情况，如图2 所示，这幅图像看起来的效果是缓慢向下滚动，称之为瀑布图。

图中，纵向坐标代表了时间流逝（整个图像向下滚动），已经打上了时间标记，横向坐标代表了频率刻度，用颜色代表信号强度。一幅图像展现三个要素，持续在屏幕上滚动，最适合播控中心机房日常值班使用。这幅图展示了6 个发射机断电、恢复又断电的情形。明显地，99.1 MHZ 机器的启动速度很快。

圖像信息每隔一定时间（可预置）自动存储，使用计算机技术中成熟的图像压缩算法减小文件尺寸，每半小时存储一张高清的PNG 格式的压缩图片，仅需约1 MB，每年需要1*2*24*365 = 17520 MB = 17.520 GB这个数量级别，是廉价的固态存储器能轻易做到的。

FFT 以后的原始数据从网口输出共享，能够组网应用。

调频广播频段频谱记录仪作为日常播出监测设备，主要是定性观测和视觉展示为主。即在常见发射机天馈线故障状态下，能够以鲜明的图像特征展示给值班人员。

3 方案的实现

3.1 硬件及射频前端设计

本项目的射频前端需要具备一定的相对精度，又无需太高。借鉴了某些开源硬件的设计，避开版权付费内容。其工作原理和普通SDR 电路相同。

首先使用了LNA（低噪声放大器），之后进行下变频到中频，再经过低通滤波器后进入ADC（模数转换器A/D），把模拟域信号进行数据域的转换。本项目对于ADC 并未追求极高位数精度和测量指标，采取了折衷的办法，在普通天线能提供的信号强度和一般机房电磁环境下，能够突出显示有用的广播信号即可[3]。经实验，采样精度8bits，转换速率为2 Mbps。实际上是正交的两个ADC 同时工作，这是因为需要I 和Q 两个分量才能计算模值。

软件无线电的射频前端和驱动程序密不可分，也自主编写了底层驱动程序和上层应用程序。

3.2 软件设计

件无线电的主要工作流程都集中在软件处理。分为数个模块。其中硬件驱动程序完成了射频硬件和计算机之间的数据流接口。频谱分析模块负责采集到数据的频域变换，并把场强进行颜色转换，成为色彩表达形式。屏幕绘图模块负责把颜色信息描绘在屏幕上。

射频参数控制模块能够设定增益和采样率等参数，使设备符合传统无线电仪器的操作习惯。包括了定时参数、频段范围、分辨率、实时音频基带解调开关[5]、图像分辨率等参数设置功能。

定时存储模块是一个后台进程，在定时间隔后进行屏幕截图。

故障告警模块和硬件联动，在风扇停止、存储器溢出等情况下发出告警信息。人机界面模块使用鼠标进行菜单操作，并无过多选项，避免人为设置错误。专业工程维护人员可以修改ini 文件设定更多初始参数。时间校正模块采用青岛广播电视科研所标准的时间码或者NTP 网络时间服务器的方式。对于长期监测工作，维持精确的时间非常重要[3]，是安全责任划分和故障判断的关键因素。网络接口对外传输实时数据，可以扩展多点分布式监测。

由于全固态计算机系统启动非常快，整体看来是一个一体化的软硬件系统，符合现代流行的嵌入式系统设计原则，即操作系统+ 应用软件+ 硬件。

3.3 样机制作和整机测试

图3 展示了原理图、印刷电路板的设计过程和软件开发界面。当然这是历经数次实验的最终完成版本。

软件全部使用了开源编译工具。已经获得了著作权证书。

经过射频各种参数的合理设计，软件主界面呈现出色彩对比鲜明的特征，清晰反映出了空间电磁波谱的特征，证明方案设计和实现都是合理有效的。整机完成后结构如图4 所示。

软硬件包含在一个标准1U 机箱内[4]，外接电源、天线和显示器即可工作。

软件操作基本不需要键盘，初始配置过程需要键盘时，能够从后面板接入。后面板接口包括网络口和音频口，可以输出声音。串口保留，用作时间标准接口。

配套全向的宽带天线，如有定向的需求则可以选择对数周期天线。很高增益的天线其带宽较窄，对于全频带接收不利，需要加以验证方可安装使用。天线都会受到周围金属物体的影响，其方向图和频率特性都会与理论值相去甚远，一切以实际效果为准并远离干扰源。有干扰时，在频谱图上找出并干扰源频率，以后的分析中忽略它[2]。

本设计具有一定的相对精度。图5 右侧是无线电管理部门给出的本地交通广播89.7MHZ测试结果，左侧是本设备同时间的测试效果作为对照。注意设备可以设定频率范围较小，例如1MHZ[1]，能够详细观察频谱细节。主信号两侧为青岛台发播的CDR 自办节目。

4 频谱记录仪的实际应用

图6 为长期运行过程中实际监测到的异常状况，分别是发射机供电故障中断播出、音频电缆损坏、调制带宽指标超标[1] 和黑广播出现。经查证，如实反映了真实情况。

这些图片，可以加入水印，作为相关技术保障工作报表的主要素材和依据。

5 可扩展特性

这个设备基于软件无线电技术和嵌入式计算机技术，具有比较强的扩展功能，有待于进一步开发。例如，设定工作频率到无线话筒频段，在演播室以长期慢扫描的方式工作，能够监测无线话筒的工作频带内干扰源情况，给出最优的无线话筒使用频点。如果绿色部分非常多，表明本底噪声很大，而且是宽带均匀分布的，是LED 大屏幕舞台设备的典型干扰特征。这种干扰会导致舞台上某些无线话筒失灵。

6 结论

本文所述的调频频段频谱记录仪，将最新的软件无线电技术应用于广播监测，降低了采购成本，促进了无线电监测设备的普及应用。

系统采用嵌入式计算机技术，把调频广播全频段的无线电信号进行可视化呈现，极大方便了广播电台的日常监测工作。该设备经过了总局相关部门检测并获得广电总局科技创新奖。