FM同步广播网分术(下)-0621

1、五 调频同步广播网的考虑扩大调频覆盖的传统方法是高塔、大功率。但是，这不仅会由于场强的不均衡造成能源的极大浪费，而且过强的电磁辐射，对人体的伤害，对航空通信的干扰已到了不得不治理的时候。电磁污染已成为当今世界三大公害之一。所以，用提高电台的有效辐射功率的方法来扩大覆盖是不可取的。另一方面，频率资源的日趋紧缺，促进调频同步广播的发展。5.1 调频同步广播要解决的问题两台以上调频发射机，使用同一载频，广播同一节目，在交叠覆盖区可实现近于无干扰接收的系统便是调频同步广播系统。简单地用多个分布在不同位置的电台，使用同一载波频率，广播同一个节目的方法来改善覆盖曾经是人们的梦想。但是常识告诉我们在交叠覆盖

2、区会在接收机里引起严重的同频干扰，因而是行不通的。首先，两个标称频率相同的电台所存在的实际载频频差会在接收机里产生差拍干扰。（假设频差分别为500Hz，则差拍干扰频率便为1KHz。）其次，两个电台的已调波信号到达接收机的时间不同，它们迭加、解调后会产生失真，或者混响以及互调衍生物，这种失真的严重程度跟时延差和调制频率有关（图2 ）。由图可见，当时延相同时（t=0），对失真影响最小。第三，如果两台发射机的调制度不同，则迭加、解调后也会产生附加失真和衍生成分，这种失真跟调制度偏差和调制频率相关（图 1）；当调制度相同时，附加失真最小。以上三点，是实现调频同步广播所要解决的基本问题。可简单的归纳为三

3、同：即同频、同相、同调制度。另外，也是最容易产生误解的一点，就是干涉现象的不可避免。必须明确，同步技术并不消除干涉驻波。普通调频广播的多径干涉现象已为人们司空见惯。两个同步广播的调频电台在交叠覆盖区（即等场强区或相干区）所产生的干涉现象跟多径干涉没有本质的区别。但是会因为场强更加接近而使驻波的峰谷电平差更加显著。甚至会出现很窄的谷点电平接近零的区域。当谷点场强低于接收机门限电平时，便会出现严重的噪声和因两载波的相位抖动而产生的“呼噜”声。在相干区，这样的谷点呈现半波长间隔的空间分布。应该特别强调的是，这种相干波的驻波效应是基本的物理现象，象多径干涉效应一样是不可能消除的。如果不采用同步技术，在

4、整个相干区内，即使场强很高也会因时延差和频偏差导致严重失真而无法保证接收质量。采用同步技术的目的是保证相干区内场强高于接收门限的地方的接收质量都能达到标准认可的水平。而改善驻波影响的唯一方法是保证最低可用场强，使大部分驻波谷点的场强高于接收门限。5.2 调频信号俘获效应和保护率通常说的调频接收机的俘获效应是指两个载频相近而场强不同的射频信号同时进入接收机时，听到的只是场强较大的电台信号的现象。一般的这个场强差要在15dB以上。如果低于这个值，则会听到严重的干扰声。如果把接收质量标准和载频差予以定义，这便产生了与之对应的保护率的概念。假设同节目的两个电台的载频差降低为0，则这个场强差（也就是俘获

5、比）便可降低到约6dB。我们把这种主要依赖于接收机限幅电路的俘获效应叫做“场强俘获效应”；当两个电台载频差为0而场强差低于6dB时，会因干涉现象而在相应空间呈现驻波分布。波峰和波谷呈/4变换，可明确地找到两波谷点的距离为半个波长。（如当载频为100MHz时半波长为1.5M。）这时如果波谷点的场强低于接收机的门限，则会在此处听到严重的噪声和因两个载频相位抖动而产生的“呼噜”声。如果让A、B两电台播送不同的节目，则会在波谷点的一侧听到A台节目而另一侧听到B台的节目，这样呈半波长变换。 我们把这种俘获效应叫做“相位俘获效应”。这主要由于窄带相位跟踪系统的惰性作用所致。当然，在收到A台节目时，B台会呈

6、现出一定的干扰，而在收到B台节目时，A台呈现一定的干扰。如果使A、B台节目相同，则这种干扰表现为失真和附加衍生成分。如果调整一个台的节目信号延时，使到达接收机的已调波相位一致，并保证两台的调制频偏相同，则这种干扰失真便会减至最小，这便是同步技术的作用。正是“俘获效应”为调频接收机提供了一定的抗同频干扰的能力。它也是调频同步广播赖以实现的基础。实验表明，在单声道广播时，其保护率可做到接近0dB。5.3 调频同步技术的作用在两个同节目同功率电台使用同一载波频率工作的情况下：A：仅仅标称同频时，在两台中间场强差15dB的范围内将因干扰而不能正常收听，这个范围约占两台跨距的37%；B：锁相同频后，这个

7、场强差便可改善为6dB，即干扰范围下降到约占17%（即相干区或等场强区）。C：采用时间延迟技术，经时延调整使相干区内已调波同相，并保证调制度相同以后，即等时延区跟等场强区重合，则可使相干区内的失真减至最小；D：为改善相干区驻波谷点接收效果，则必须保证谷点场强在接收机门限以上，可采用垂直极化天线，并调整ERP使场强满足规定标准，便可使整个覆盖区获得满意效果。 5.4 调频同步广播“三同”的实现方法5.4.1 同频的实现方法众所周知，由于高精度原子频标（如：铯原子钟或铷原子钟）价格昂贵，维修费用高。一般不宜直接用于同步广播系统作为发射机的频率源。最经济可行的方法是利用锁相技术使用同一个频率源来保证

8、各发射机的载频相同。对参考频率源的频率准确度要求虽然并不高（优于110-7），但它必须具有足够的频率稳定度（510-9/日），才能保证不同距离传输状态下的使用要求。常用的参考频率源有以下三种：A .GPS频标 B .TV频标 C .19KHz导频下面简单介绍一下它们的应用特点。A .GPS频标。近年来全球定位系统GPS的应用越来越广泛，它所传送的标准频率信号精度可在110-11以上。时间信号精度可优于100ns（C/A码，今年5月1日取消SA以后，据有关部门实测，相位抖动峰值仍为50ns）。以GPS信号为参考来锁定FM发射机的载频满足调频同步广播系统的技术要求是没有问题的。这就需要在所有台站都

9、配备GPS 接收系统并具备跟发射机相适应的频标输出。需要顾及的问题是设备投资以及安全性，因为美国从未承诺确保服务。B .TV频标。中央电视台的同步机采用铯原子频标作为频率源并且在第一和第二套节目的扫描逆程中插入了时间码、1MHz标频和1PPS信号。有关单位曾经测试，由中央台TV信号取得的频率源短稳水平跟GPS信号相当。C.19KHz导频。立体声节目的复合信号（MPX）中含有19KHz导频，它自然可作为锁相参考源。但它的频率准确度特别是稳定度必须符合要求。尤其是在19KHz分量的传输过程中其稳定度不应受到损失。利用19KHz导频作为参考的优点是当传输MPX信号时，可省掉外部频率参考源设备，但需要

10、宽带网络。现代FM发射机的激励器都采用锁相式频率综合器。尽管环路输出跟频标倍增值理论上平均频差为0，即中心频率不变，但载频的起伏和抖动必须限制在10hz以内。5.4.2 相干区的时延均衡5.4.2.1 数字延迟 广播信号到达相干区的总时延包括三部分：A、音频信道时延；B、发射设备时延 C、传播时延为保证已调波信号同时到达交叠覆盖区中心，必须对相应发射台的总时延进行调整。最常用的方法是采用数字延迟线，插入到传输信道中。最大延迟量一般应大于10ms，分辨率（步进量）1us。插入不同位置的延迟线，除了技术要求差异较大，造价不同以外，还会影响整个同步系统的性能。例如，20Hz-15KHz的延迟线较容易

11、制作。频响，失真度和信噪比指标容易保证。L、R双信道一致性和隔离度较高，便于跟常规设备配套使用。MPX（复合信号）延迟线。由于带宽增加三倍以上，除了上述三项指标外，相位要求更严格，造价明显提高。但应用MPX传输可省却解码再编码的麻烦，因而LR分离度损失较小。需要指出的是，当应用MPX传输时，如果同时采用19KHz导频作为载频锁相参考，则必须取自MPX延迟线之前。因为数字延迟线后的频标短稳会明显降低，从而导致载频抖动增大。5.4.2.2 时延测量利用数字延迟线来均衡时延差，要依赖于各台站时延值的精确测量。测量精度不应低于1us。时延测量方法可分为A、直接测量法。B、间接测量法C、分段测量法D、闭

12、环测量法等等，按测试信号类型可分为E、比相法F、脉冲法等。其基本条件都是需要一个共同的时间标准，和表征时间标准并易于稳定传送的定时信号。定时信号的格式应能够满足测量精度的要求，并清除模糊度。在远距离，大跨度系统的时延测量中，最方便常用的非闭环测量方法仍然是以GPS为基准的测量方法。5.4.2.3 自动测量和时延补偿在信道总时延恒定的情况下，只要根据测量结果适当调整各同步发射机的数字延迟线，便可达到时延均衡的目的，使在各相应交叠覆盖区中心实现t=0。如果不能保证信道时延的恒定，比如在租用公用电信网传输信号时，两次交换之间时延差可能达数百微秒甚至毫秒级以上。为适应这种情况，可采用时延自动测量和调整

13、。这时必须在传递广播信号的同时再传递一个定时信号，为保证定时信号跟广播信号的传递时延及变化量相同。通常是在同一信道采用多工器传递。这样随时测量出的时延变量可变换成指令来驱动数字延迟线改变延迟量以抵消已发生的时延变化。 自动时延调整的方法虽然可适应传递时延的变化，但所付出的代价不仅只是硬件设备的复杂化和投资增加。在信道交换频繁时，动态的时延调整会明显的损害广播信号质量。5.4.3 同调制度由图（1）可以看出在保证5KHz分量失真1%的前提下，同步系统对调制度偏差的容限可达10%。行业标准规定发射机调制度稳定度指标为2.5 %(24h),调制度设置误差为3%。也就是说，允许发生的最大调制度偏差为5

14、.5%。这个指标要求是较容易满足的。（一般地说，1KW级发射机的调制度稳定性可优于2.5%/6个月）。很明显，不满足这个指标的发射机不能应用于FM同步广播系统。5.5 ERP调整对于同步广播系统，调整ERP的目的主要是两个：（A）保证服务区的场强。特别是交叠区驻波谷点的最低场强。除调整发射机功率外，可配合垂直极化天线及方向图，使其尽量提高到接收机门限以上。（B）移动交叠区的位置到较不重要的区域应该强调的是，我国调频广播覆盖网规划的技术标准中（采用CCIR412-4建议的数值），立体声广播的最低可用场强农村为54dB，城市为66dB（不含大城市和特大城市）是泛指行波场强，当因干涉而产生驻波时，在

15、临界场强区的谷点位置肯定远低于这个最低可用场强。对于适合小功率多布点的调频同步广播系统来说，为尽量避免多数采用水平极化方式电台的干扰，采用垂直极化天线，并适当拉近各台的跨距对于提高干涉区驻波谷点电平，改善接收效果（特别是对于移动接收）有明显的好处。5.6 调频同步广播组网需要考虑的问题5.6.1 信号传输主要考虑信道时延的确定性，音频频率响应的一致性，尽量采用数字化音频传输路径，减少传输过程对音频本身质量的影响。5.6.2 站点选择站点的选择除根据覆盖需要，信号传输，建设条件的可能性外，必须符合广电行业的覆盖规划，使用指配的频率。5.6.3 相干区的调整A在补点覆盖时，当系统开通以后要检验相干

16、区的位置跟设计是否相符，或根据需要，调整ERP将相干区移到合适位置。B.在等功率线状覆盖时，一般ERP跟设计值偏离不大，要考虑本地的实际地形区域情况设计覆盖站点网络。C.在面状覆盖时，往往要根据实际地形或设台条件来综合考虑，实践证明，多台组成的面状覆盖可以弥补相干区的谷点电平而明显改善效果。D.考虑已调制调频信号到达相干区内的时延情况，根据相干区的设置考虑等时延区与等场强区的设置。5.6.4 覆盖场强调频同步广播除了要保证“三同”外，还要保证最低可用场强。实际上，保证最低可用场强是不言而喻的。因为在交叠覆盖区里，相干驻波谷点的场强通常要比单发射机工作时要低。这是不可避免的物理现象，要想感觉不出

17、峰谷现象，必须把谷点场强提高到门限以上。好在驻波谷点的空间分布并不广。提高谷点场强的办法是采用垂直极化天线和适当缩短设台的距离。总结一下，“三同”的作用可以这样描述：“同频”可以把接收俘获率从15dB降低到6dB,即把两台中间干扰距离由37%减小到17%；而保证“同相”，“同调制度”以后，则把6dB的保护率降低到接近于0dB，把最后17%的干扰范围也消除，作到全区段可听。 六 其他广播型式对调频同步广播的冲击6.1 来自卫星广播的挑战20世纪末，经国际电信联盟认可的世广卫星集团（World Space）推出的卫星数字声音广播系统是由亚洲之星、非洲之星和美洲之星三颗地球同步卫星，广播上行站，数字

18、接收机及地面控制运营网组成。它向全球直接播放数字音频广播，覆盖面已经超过120个国家。卫星数字声音广播系统与传统广播相比，拥有诸多优势：音质纯净，可与CD媲美；覆盖面积大，任何地面广播系统无法与之相比，尤其对全国、全球覆盖为目标的大台来说更具重要性；扩展以往广播频率范围，增加广播频道；投资和运营费用低；接收机价格较低，随着本土化生产和批量生产，价格还会进一步降低；可根据播出广播节目音质的需要，选择播出带宽（如一般的语音播出可选择16 kb/s或8kb/s，立体声音质选择64kb/s，CD音质则选择128kb/s）；支持移动接收。6.2 来自网上广播的挑战目前很多电台开通了网上广播业务，从调频同

19、步广播面对的用户群来讲，会分流了以前部分调频广播的固定接收用户，总体来讲对调频同步广播的影响较小。6.3 来自地面数字广播方式的挑战DAB（Digital Audio Broadcasting）是由欧洲共同体研究的宽带数字声音广播系统，属于尤里卡计划的一个项目（Eureka-147）。该系统所占带宽为1.5MHz，利用同一载波传送多套节目，音频编码采用MPEG-1 Layer，每路音频信号的码率可以有多种选择，广播的声音质量可达到CD音质；信道编码采用可删除卷积编码以实现对重要性不同的数据使用不同的保护级别；采用OFDM调制和频率、时间交织、可保证在移动、便携和固定条件下的接收质量；其数据结构

20、的设计使系统既可传送音频也可传送高速率数据；可利用同一载波频率组成单频网，从而大大节省频率资源。DAB系统已经在多个国家进行了长时间的现场试验，除欧洲共同体外，加拿大、澳大利亚等国家和亚洲的一些国家也进行了试验，而且，德国、法国、英国和加拿大等国家已经进入试播阶段，我国也已在广东和北京建立实验网。韩国的DMB（Digital Multimedia Broadcasting，数字多媒体广播），是在数字音频广播DAB基础上发展起来的技术。除了采用DAB标准原有的相关技术外，为了进行视频广播，还使用了一系列新技术。DAB中所固有的声音业务、数据业务都保持不变，而新增的视频业务则主要通过前端的DMB视频编码器来实现。这种数字多媒体广播方式的发展势头强劲，已经在国际和国内引起了广泛的关注。日本数字电视地面传输标准ISDB-T中涵