Wireless Coverage
【本文献信息】张忠翔.中波发射机信噪比测试技术研究［J］,r播与电视技术，2019,Vol.46（10）.膜盒
中波发射机信噪比测试技术研究
张忠翔
(福建省广播电视传输发射中心，福建350100)
【摘要】本文讨论了中波发射机信噪比指标数字化测试的实现技术，及AD采样精度对测试结果的影响和误差矫正方法。提出并实现了中波发射机信噪比在线监测的方法和实现技术，为方便中波发射机的运维管理工作创造了有利条件。
【关键词】信噪比，中波发射机
【中图分类号】TP216.1【文献标识码】B[DOI编码】10.ki.rtbe.201900010016
Study on SNR Testing Technology of AM Transmitter
Zhang Zhongxiang
(Fujian Radio and Television Transmitting Center,Fujian350100,China)
Abstract This paper discusses the SNR digital test of AM transmitter,and the influence of AD sampling accuracy on test results and error correction method.The method and implementation technology of SNR on-line monitoring of AM transmitter are proposed and implemented, which creates favorable conditions for the operation and maintenance management of AM transmitters.
Keywords SNR,AM transmitter
0引言
中波广播是当今广播电视传输覆盖技术中历史最悠久的技术形式，长期以来肩负着文化传播、舆论宣传的重要任务，它是现行无线覆盖体系中除短波外覆盖面积最广，接收终端普及度最广的覆盖形式，影响中波广播播出质量的因素主要有两方面，发射机的性能指标以及信源信号的质量。其中发射机的性能指标对用户收听质量影响更大些，根据广电总局对中波发射相关的技术管理要求，中波发射机需要定时对其性能指标进行测试，对指标劣化严重的发射机要及时维护处理，中波发射机主要的性能指标包括信噪比、频响、谐波失真等，其中信噪比是中波广播播出质量最重要的评价指标。本文作者长期工作在中播广播技术管理的第一线，结合几十年的中波广播管理、维护经验，对中波发射机信噪比的测试技术进行了深入的研究工作，本文首先对中波发射机信噪比的测试方法和技术进行了归纳总结， 同时如何对突破传统的测试模式在正常业务信号播出的情况下如何对发射机信噪比进行监测进行了有益的探讨。
1信噪比的概念
音频设备（音箱、音频播放机、发射机等）信噪比表示的是信号中有效成分与噪音成分的比例关系。信噪比（SNR）
数值的计算公式定义为：SNR=10lg#其中，Ps表示有效信号的功率，P”表示噪音信号的功率。"功率的计算有时并不
很方便，于是可以把SNR的计算转换为有效电压的计算：SNR=20lg計其中V，表示信号的有效电压，V”表示噪声的有效电压。
2中疲发射机信噪比的测量方法
1.行业标准GY/T225-2007中规定，对中波发射机的信
噪比测量方法如图lo
2.开启发射机满功率输出。
3.不加调制信号时，音频分析仪测量得到噪声的有效电压V”。
4.用1kHz正弦波对发射机进行调制，调幅度到达100%时，音频分析仪测量得到的信号有效电压
5.按公式计算出信噪比：SNR=201g菩o
以行业标准对发射机信噪比进行测量在发射台的实际工
作中不是很方便，测量所需的音频分析仪的精度要求至少达到O.ldBu，解调器和音频分析仪自身设备的信噪比也必须达到70dB以上。于是多数发射台自行采购了较便宜的一体化国
Wireless Coverage I无线覆盖产测试仪器（费用大约在¥彳万左右），而级别规格较高的单
位也会采购国外的测试仪器（费用大约在¥70万以上），价格
差非常巨大。价格差中除了技术成本、商务成本和关税等因素
汽车覆盖件模具外，最重要的一块是国外对我国的高速高精度AD芯片封锁造
成的。
3中疲发射机信噪比数字化测量方法
随着计算机技术的进步和发展，绝大多数的信号分析和处
理都采用了数字化方法，其优点是结构简单、抗干扰性强、处
理灵活、小型化。
以中波发射机指标测量为例，可以把“信号发生器”、“解
调器”和“音频分析仪”完全以数字化方式实现。结构功能如
图2所示。
4数字化测量方法的精度与误差
在数字化测量设备仪器中，除了运算控制的核心模块外,
对测量影响最大的部件是“高速高精度AD采样芯片”。以测
试设备中所采用的14位AD芯片和16位AD芯片进行比较和分析。
4.1AD采样精度
假设AD芯片的采样电压范围都是±12V，那么1彳位采样精度即相当于把±12V电压切分为16384份，每一份表示24V-16384=1.46mV；而16位采样精度即相当于把±12V电压切分为65536份，每一份表示24V-?65536=0.37mV，即16位AD的精度分辨率是14位AD精度分辨率的4倍。
4.2归一化分析
为便于对同一个测试对象分析和描述，我们对不同采样精度的AD测量结果进行归一化。朴素地说：如果14位AD是—把尺子，那么它丈量出的数据是：0、1、2、3、4……而16位AD的这把尺子却能够丈量出：0、0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5……
4.3误差的产生
由于单音正弦波测试信号的有效电压远高于噪声电压，因此信噪比的计算误差主要是由噪声电压的采样精度引起的。假设信号的有效电压数字化后的值是1000，噪声的有效电压数字化后的值从1变化到10（即大于AD的采样分辨率时，此时称为高噪声情况），绘制出信噪比误差随着噪声采样值的增加而成梯度下降的曲线图4。图中红为信噪比计算值曲线，黑为实际信噪比曲线。
爆破玻璃
当噪声的实际有效电压采样值大于1（即大于AD的采样分辨率）的时候，高精度AD和低精度AD的误差随着噪声的增大而逐渐变小。换句话说：当被测发射机的信噪比越小则越和AD的采样精度无关。
其实，最大的测量误差发生在噪声电压采样值小于1（即小于AD的精度分辨率）的情况下。假设信号的有效电压数字化后值是500，噪声的有效电压数字化后的值是分别是0.25、0.5、0.75时，计算不同AD精度下的误差。
由于14位AD采样精度不足，对噪声电压的025、0.5和0.75采样值都是0,0不能做除数，因此统一用1替代噪声电
压值进行计算，结果见表1。显然如此运算必然会导致很大的、口-V-
4.4误差矫正
1.定标法。使用多个已被标定的高信噪比设备作为参考
Wireless Coverage
—14位AD的尺子一►
0123
0.25.5.751.25.5.752.25.5.753.25—16位AD的尺子一►510669
噪声值0.250.50.75 16位AD信噪比66dB60dB56.5dB 14位AD信噪比53.9dB53.9dB53.9dB 误差+12dB+6dB+3dB
对象，选用高信噪比设备的目的，就是测试时使得噪声电压小于AD精度分辨率，此时按噪声采样值为1计算多次测试数据的均方差，作为误差矫正值，公式为：
矫正误差=严（:TV
其中R为实际信噪比，T，为第1次测试数据，N为测试次数。
例如：假设一台信号发生器用专业高精度测试仪定标实际信噪比为70dB，使用待定标误差矫正测试设备对其进行多次信噪比测试，结果为：64、63、65、65、62。求误差矫正值，见表2。
可以看到经过矫正后，和实际信噪比的误差可以达到±2dB以内。
2.估算法。估算法是一种比较简单的误差补偿方法。定义多个1kHz信号采样时的阈值作为误差估算参考，基本原理是信号采样值的大小和噪音采样值成近似正比例关系。例如：当1kHz采样值小于800而噪音采样值为0时，可估计噪音为0.25;
当1kHz采样值介于800到1600时而噪音采样值为0时,
测试结果64dB63dB65dB65dB6dB
误差6dB7dB5dB5dB8dB
方差3649252564
均方差
（矫正误差）
6.3dB
误差矫正后70.3dB69.3dB71.3dB71.3dB68.3dB 矫正后误差+0.3dB-0.7dB+1.3dB+1.3dB-1.7dB
室内导航技术可估计噪音为0.5;
当1kHz采样值大于1600而噪音采样值为0时，可估计噪音采样值为0.75;
如此约算信噪比数值，其计算结果和实际信噪比误差大约也在土2dB左右。
3.提高调幅度。信噪比是音频设备的固有属性，本质上它和发射机调幅度是无关的，但提高调幅度确实能够提高信噪比测量准确度。
音频设备的噪声有两种主要类型，一种是设备固有噪声，其功率不会随着音量增大而增加（比如音频播放器的背景交流声噪声，当播放器输出音量加大时就可以掩盖交流声）；另外—种噪声会随着信号功率的增加而正比例加强（比如收音机的背景噪声，当输出音量加大时背景噪声也一并放大了；再比如谐波也会随着基波能量的起伏而起伏）。对中波发射机而言，其第一种固有的噪声功率相比第二种随着音频信号起伏而变化的噪声功率要小得非常多，可以忽略不计。当然随着发射机使用时间的增长，器件的老化，固有噪声也会逐步加大。
假设当前发射机的调幅度是50%,1kHz信号的有效电压真实采样值是500，噪声的真实采样值是0.6，那么发射机的实际信噪比是：201g（500/0.6）=58.4dB o通过前面的论述，实际值小于AD采样精度分辨率的时候，计算出的信噪比会有较大的误差。如果此时按照误差估算法进行计算，得到的信噪比是: 201g（500/0.25）=66dB，误差达到了7.4dB o
于是我们提高调幅度从50%到100%，此时信号电压和噪
Wireless Coverage I无线覆盖声电压也会同步地按正比例提高，信号电压采样值从500提高
到1000，噪音电压采样值从0.6提高到12，此时AD对噪声
的采样值从0提高到1，计算信噪比：201g(1000/l)=60dB，其
和真实的信噪比误差只有1.6dB，确实提高的测试准确度。
当然如果使用了足够高精度的AD芯片进行采样，信噪比
数值是不会随着调幅度的变化而变化的。
提高调幅度在某些发射台实现起来会有点困难。其一在发
射机安装后发射机厂家人员需要调整发射机调幅度入机限幅,
其需要和音频处理器的输出电平配合调整。有些发射机厂家为
避免发射机过流故障而图省事，对入机信号衰减非常大，需要
增加调幅度的时候只是简单加大音频处理器的输出电平。如此
会导致标准OdB输出的音频设备需要重新与发射机及音频处理器等设备调整配合，非常麻烦。
5在线式发射机信噪比的监测
5.1定义
发射机的信噪比测量，需要使用专业的测试仪在停机时段内完成。多数发射台通常是一个月、一个季度甚至半年才测量—次，无法及时地发现发射机工作状态的劣化趋势。特别是当发射机的功放或激励器出现问题时，并没有有效的监测方法及时发现问题(2016年某中波发射台就曾经发生过激励器故障导致广播出去的是白噪声而未及时发现，致停播二十多分钟)。于是发射台就面临了一个非常急迫、非常现实的需求：如何在不中断正常节目广播的条件下，在线式地实时监测发射机的信噪比指标呢？如何监测发射机指标下降劣化实现趋势预判预警呢？在线式发射机指标监测很好地满足了发射台的需求。
不同的音频设备都各自定义了不同的信噪比的测量标准，中波发射机的静态信噪比测量标准也在行业标准GY/T225-2007中进行了规定。我们不妨也定义一种在线式中波发射机的信噪比测量标准，使得在线式信噪比测量数据能够准确及时地反映出当前发射机工作的指标状态，其实用性更大于静态的指标测试。
中波发射机在线式信噪比指标定义如下：
SNR=201g
这其中f表示频率，由于人耳的频率感知范围是20Hz 至20kHz，因此定义频率的下限是20Hz；由于中波的带宽是9kHz(±4.5kHz)，因此定义频率的上限是4500Hz o表示入机信号在f频率分量的能量，口表示解调信号在f频率分量的能量，此时Sr-口可被看做是f频率分量的噪声了。N表示频内噪声的有效能量，当然这里其实并不全是噪声，还包含了频响导致的衰减或增益的影响。因为我们主要考量的是噪声的大小，因此MAX可以是任意定义的和噪声进行比例计算的值，这里MAX取AD采样的量程的最大值(如果是14位AD的话，MAX取值8192)。
5.2测量框图
欲完成在线指标信噪比的测量，测量系统需要同时接入入机信源信号和射频信号，测量框图见图5。
5.3实现过程
1.指标在线测试系统对射频信号首先完成解调，获得解调后的音频基带信号；
2.解调音频与入机信源音频在时间延迟上实现同步对齐；
3.同时对入机信号和解调信号完成傅里叶变换，获得频谱信息后依照在线信噪比公式完成计算，输出结果；
废气抽排系统上述步骤中着重说明一下第二步实现两路音频信号的时延对齐的意义和方法。首先入机信号经过激励、功放、采样及解调获得的音频信号和入机信源信号一定存在几毫秒到十几毫秒的时延，如果不考虑时延的影响直接进行频谱计算，那么一定会增加噪声计算时的误差，结果当然也就不准确了。实现两路音频信号的同步计算消除时延有两个方法：一是录音观察法；二是音频动态比对法。
录音观察法：在不更换激励器、发射机的情况下，入机信号和解调信号的时延是不会变化的恒值，因此比较简单的获得时延的方法就是同步录制一段入机和解调音频，把入机信号录制到左声道上，解调信号录制到右声道上形成一小段录音文件，然后使用音频工具软件打开录音文件进行观察，见图6。
通过音频工具软件可以非常清楚地观察到两路音频的时间差，挑选两个比较明显的音频特征点后，放大时间轴观察就可计算出时延了。
Wireless Coverage
音频动态比对法：用程序算法实现动态音频比对从而获得时延是更为高级且适应性更强的方法。通过采用多维向量夹角余弦度量的时域算法可以实现时延的计算，这里就不做过多的介绍了。
5.4实测效果
中波发射机信噪比在线指标测试系统研发完成后，在实验室和多个中波发射台对不同的发射机进行了实地测试，效果非常理想，见图7。
图7是一台静态信噪比为70dB的哈里斯发射机上的测试截图，在线动态的信噪比测试曲线随着当前广播节目的音频波动以58dB为中心上下轻微浮动，当人为地轻微调整解调器的接收频率（即混入噪声）时，动态信噪比曲线明显下降，完全到达了预期效果。
通过多次对不同品牌和不同功率的发射机进行实验和测试，发现了一个规律，就是静态测试和在线动态测试其信噪比的差值基本是一个常数，这也正是我们希望的结果，如此才能客观反映出：在线动态的信噪比测试能够体现出静态信噪比的变化。为了使台站工作人员更为习惯地感知动态信噪比就是对静态信噪比指标的实际反映，我们修正了动态信噪比的计算公式，增加一个常量来吻合静态信噪比的测试数据，修正后的公式为：
MAX\
SNR=2。*両卒列馬
其中6的取值就是静态信噪比测试的值与动态信噪比中心线值的差。通常情况下，6的取值都是＞0的常量，然而我们在其中的一个发射台发现6的取值竟然是负数，也就是说动态测试的信噪比静态信噪比还要高。经过分析此结果也为正常现象，因为该发射台是搬迁台，购置了全新的发射机，而且各节目的发射频率间隔较远（邻频干扰较小），解调信号的音质又非常好，致使公式中计算噪声有效能量的值非常小，从而得到了较高的信噪比。
6小结
随着数字化技术的发展，中波发射机信噪比的测量技术也进入到了数字时代，AD（模数转换器）的精度直接影响着测量的精度，通过适当的误差补偿得到更加贴近真实值的测量结果，同时由于目前的中波发射机信噪比的测试是采取特定输入信号的定量测试方法，因此对测试环境有着严格的要求，本文也从实际工作的角度出发，在不中断正常业务信号的情况下探讨中波发射机信噪比的测试方法，取得了可喜的试验结果，为中波广播传输发射的实时监控系统提供了新的监测手段，为中波发射机的运维管理工作创造了有利的条件。EJE3
参考文献：
[1]中、短波调幅广播发射机技术要求和测量方法GY/T2252007[S].
作者简介：
张忠翔，男，1964年出生，1984年毕业于北京广播学院无线电工程系，获工学学士学位，福建省广播电视传输发射中心主任，高级工程师，长期从事广播电视无线传输覆盖工作，曾参与或主持过福建省“西新工程”、“地面数字广播电视工程”、多座中波发射台的搬迁或技术改造等重大项目。
