商用汽車(chē)AM/FM收音機必須能在各種環(huán)境下可靠地工作。因為這些收音機的設計師采用數字信號處理(DSP)算法來(lái)克服反射、信號多徑和衰落等效應，所以他們經(jīng)常要去現場(chǎng)花數周的時(shí)間分析不同信號條件下的效果。而更實(shí)用和耗時(shí)更少的解決方案，是使用真實(shí)記錄的收音機信號仿真汽車(chē)AM/FM收音機設計在現場(chǎng)遇到的各種狀況。
一種頗具挑戰性的AM/FM收音機性能測試是對相鄰和/或交替頻道性能的評估，因為收音機在出現很強的相鄰射頻信號時(shí)必定接收到較弱的信號。為評估不同收音機之間的主觀(guān)接收質(zhì)量，OEM汽車(chē)收音機制造商經(jīng)常根據不同地區的特定場(chǎng)地路線(xiàn)實(shí)施測試計劃。例如在城市中行駛時(shí)，通常會(huì )遇到一種被稱(chēng)為“市內峽谷”的射頻環(huán)境，在這種環(huán)境中大型建筑物會(huì )產(chǎn)生對FM站臺來(lái)說(shuō)復雜的多徑和陰影模式。人們經(jīng)常會(huì )使用頻道仿真器再現針對某個(gè)特定頻道的典型多徑模型。然而，當需要用多個(gè)仿真器仿真相鄰頻道干擾時(shí)，這種方法就不實(shí)用了，其中一個(gè)原因是汽車(chē)工業(yè)仍利用現場(chǎng)測試行駛方法來(lái)進(jìn)行收音機的優(yōu)化。
然而，測試行駛方法只能展現主要的可重復性問(wèn)題。由于天氣的變化和大型車(chē)輛的靠近，信號傳播狀態(tài)會(huì )不斷發(fā)生改變，因此任兩次測試行駛都不會(huì )得到相同的結果。另外，由于測試行駛是在很大的區域范圍內完成的，要準確評估不同地區的AM/FM收音機設計性能，測試可重復性十分關(guān)鍵。幸運的是，由于射頻信號記錄和存儲技術(shù)的不斷發(fā)展，記錄真實(shí)的FM廣播信號完全可以替代傳統測試行駛方法實(shí)現商用AM/FM收音機設計的評估。
舉例來(lái)說(shuō)，Averna公司的射頻記錄與回放系統能以14位的分辨率捕獲完整的FM頻帶(20MHz帶寬)。這款數字記錄器采用美國國家儀器(NI)公司的PXI硬件架構，能同時(shí)記錄GPS位置、收音機的音頻，并能利用板載相機記錄行駛測試的視頻。該系統具有80dB的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，看起來(lái)相當大，不過(guò)FM接收機可以處理從-2dBuV至+110dBuV(-109到+3dBm)的更寬信號電平范圍。
曾經(jīng)在美國的底特律做過(guò)一個(gè)“難以再現”的極端動(dòng)態(tài)范圍測試案例，可以用來(lái)評估收音機減輕很強相鄰干擾效應的能力。在這次測試行駛中，本地的3kW發(fā)射機工作在107.1MHz，用于干擾來(lái)自底特律的106.7MHz信號。在測試行駛期間，干擾源功率在5dBV至95dBV之間變化，而目標頻道功率在25dBV至50dBV之間變化。除了多徑衰落外，還有一個(gè)來(lái)自高大建筑物的陰影效應，它不時(shí)地妨礙直接視線(xiàn)接收。這種衰落很難用射頻信號發(fā)生器中的模型呈現，更適合記錄與回放信號仿真。
圖1顯示了這次在地圖上的測試行駛，其中3kW的發(fā)射機架在高大建筑物的樓頂。雖然天線(xiàn)在直接視線(xiàn)范圍內，但干擾源處于峰值水平，接收到的106.7MHz目標頻率信號質(zhì)量下降嚴重。圖2顯示了信號強度的典型頻譜，圖3顯示了測試行駛期間兩個(gè)信號的強度。
圖1：本次測試行駛的線(xiàn)路地圖。
雖然射頻記錄與回放系統的動(dòng)態(tài)范圍指標是80dB，但實(shí)際記錄顯示可用動(dòng)態(tài)范圍大約為60dB至65dB。這種動(dòng)態(tài)范圍的減少可以用數字轉換器的飽和以及多載波信號的峰均比(PAR)來(lái)解釋。為避免數字轉換器(信號削波)出現可能的飽和，被記錄的數據必須至少低于飽和電平5dB。對于像城市環(huán)境中的FM波段或COFDM信號等多載波信號來(lái)說(shuō)，被記錄信號通常有10dB至15dB的PAR，因為射頻信號鏈的20MHz通頻帶中存在多個(gè)射頻信號的矢量疊加。這兩種因素的組合使得60dB至65dB的可用動(dòng)態(tài)范圍能夠實(shí)現高質(zhì)量的多載波記錄。
圖2：信號強度的典型頻譜。
盡管有這些限制，但是如果強干擾源(大于40dB)不出現在感興趣頻帶內，射頻記錄與回放系統被證實(shí)能有效地捕獲多徑和微弱信號。這種系統采用噪聲指數好于2dB的低噪聲放大器捕獲農村地區的微弱信號，信號質(zhì)量沒(méi)有明顯下降，并且考慮了阻抗失配。這種射頻記錄與回放系統是針對50Ω阻抗設計的，而傳統的汽車(chē)FM天線(xiàn)和/或收音機輸入在FM時(shí)匹配到75Ω，在A(yíng)M時(shí)匹配到高阻(1.5kΩ以上)。
圖3：測試行駛期間兩個(gè)信號的強度。
圖4是推薦的解決方案的框圖。該方案使用通用接收測試儀(URT)來(lái)復制像上述收音環(huán)境的測試條件。微弱信號是在有強大干擾源以及多徑效應等障礙情況下接收到的。第一個(gè)發(fā)生器(發(fā)生器1)提供強大的干擾源。由于這個(gè)干擾源的本底噪聲在微弱信號頻率點(diǎn)很高，在將它與第二個(gè)發(fā)生器(發(fā)生器2)產(chǎn)生的微弱信號合并以仿真目標信號之前，需要用一個(gè)陷波濾波器抑制這個(gè)噪聲。陷波濾波器采用的是一個(gè)可以在10MHz范圍內調諧的三極點(diǎn)腔體濾波器，至少具有50dB的抑制能力(圖5)。
圖4：用于駕駛測試車(chē)載FM收音機的RF記錄&回放系統的推薦解決方案。
發(fā)生器2與動(dòng)態(tài)范圍擴展器(DRX)一起使用，后者是一種可編程的衰減器。通過(guò)提供對目標信號的衰減，本底噪聲同時(shí)得到衰減。另外，多徑衰落效應可以強加于微弱信號之上，因為DRX響應時(shí)間足以對衰落曲線(xiàn)作出反應(標稱(chēng)值是每秒40次)。出于測試目的，收音機被安裝在屏蔽外殼內，以抑制來(lái)自外部信號的潛在干擾。
圖5：微波矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀測量到的陷波濾波器的頻率響應。
在上述硬件配置和性能條件下，必須從發(fā)生器輸出端準確地呈現射頻信號狀態(tài)。強大干擾源是通過(guò)發(fā)生器1從FM頻段的現場(chǎng)射頻記錄提供的。通用接收測試儀(URT)射頻記錄器用于在典型氣候條件下的測試行駛中捕獲信號。微弱信號通過(guò)發(fā)生器2產(chǎn)生，需要用到FM衰落仿真器、.wav文件格式音軌以及在現場(chǎng)記錄微弱信號時(shí)得到的功率曲線(xiàn)回放。
多徑衰落是移動(dòng)信號接收時(shí)產(chǎn)生的一種常見(jiàn)信號損傷。對于FM信號來(lái)說(shuō)，多徑衰落可能造成每秒多達好幾次的信號丟失，具體取決于車(chē)輛的行駛速度。與各種效應更加全面的標準頻道仿真器相比，FM衰落仿真器可以向測試信號提供平落衰減響應，而這種多徑的近似通常足以測試FM調諧器性能。
FM衰落仿真器允許采用像標準調幅/調頻發(fā)生器一樣產(chǎn)生的測試音，或者待調制的指定的.wav文件格式音軌。另外，所發(fā)生信號的包絡(luò )可以通過(guò)用制表符分隔的文本文件的回放進(jìn)行調制。功率模式包絡(luò )可以通過(guò)對任何預記錄FM信號的簡(jiǎn)單信號處理進(jìn)行提取，方法是使用回放工具套件中的簡(jiǎn)單工具。
圖6 描述了測試裝置的基本功能�；胤湃魏沃付ㄒ纛l信號或音軌、并且對目標信號應用多徑平落衰減損傷的能力提供了現場(chǎng)測試中不可能實(shí)現的額外自由度。由于所設計的DSP算法會(huì )根據音頻節目類(lèi)型的不同作出不同的反應，這點(diǎn)非常重要。
圖6：FM衰落仿真器可以用測試音或.wav文件以及功率模式文件來(lái)實(shí)現。
為方便案例分析，假設目標微弱信號的功率是30dBμV，強干擾源的功率是110dBμV，頻率與目標信號相距400kHz。這將是一個(gè)應用于FM收音機的最嚴格測試，也是在測試行駛的最差部分中遇到的典型情景(圖7)。在這些實(shí)驗條件設定好后，就可以計算系統的有效動(dòng)態(tài)范圍。在現場(chǎng)ADC記錄動(dòng)態(tài)范圍約65dB、FM腔體陷波濾波器約50db抑制能力下，這個(gè)測試系統在感興趣頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍約為115dB。
圖7：系統動(dòng)態(tài)范圍的計算。
必須對115dB是否足夠用于測試標準FM收音機進(jìn)行準確判斷。測試需要多大動(dòng)態(tài)范圍取決于幾個(gè)條件：FM接收機具有4dB的噪聲指數、寬帶AGC閾值大約80dBV、由于干擾信號強度超出寬帶AGC閾值而使噪聲指數增加1dB、射頻干擾信號只有110dBV。根據最后三個(gè)假設，接收機靈敏度將降低80dB至110dB或30dB范圍。因此，這種情況下FM收音機接收機的本底噪聲是-15dBV+4dB(因為噪聲指數)+30dB(因為去靈敏度)或19dBV。因測試所需的射頻動(dòng)態(tài)范圍是91dB(110dB-19dB)，允許裝置提供超過(guò)20dB的余量用于案例測量。
在使用系統之前要對測量裝置進(jìn)行測試，以便確認測量裝置不會(huì )引起任何可能降低測量精度的顯著(zhù)噪聲或失真。還要通過(guò)調整相對的插入值對功率電平進(jìn)行校準。指定電平在合成器輸出端——收音機天線(xiàn)連接點(diǎn)進(jìn)行測量。線(xiàn)性度在要求的信號電平之上測量，要做到這一點(diǎn)，必須將兩個(gè)發(fā)生器在各自頻率處設為CW模式，并且總功率電平要超過(guò)測試案例中使用的值。參考圖8，發(fā)生器1被設為0dBm，發(fā)生器2被設為-20dBm。這里沒(méi)有可測量的三階互調(IM3)。圖7描述了被設為接近最大測試條件的信號。
圖8 和圖9 所示的頻譜分析儀波形證明了功率電平是精確的，并且不存在由于整合兩個(gè)信號發(fā)生器而引入的IM3。額外的測試表明陷波濾波器確實(shí)能有效地抑制來(lái)自發(fā)生器的噪聲，而隨后在感興趣頻率點(diǎn)的測量受限于熱噪聲，而不是來(lái)自測試系統的噪聲。音頻測量是利用URT音頻分析儀在干擾信號中心頻率的不同偏移處于測試接收機的輸出端進(jìn)行的。這樣，接收機去敏感效應將證明裝置的本底噪聲并不影響測試案例的測量。
兩個(gè)發(fā)生器均設為FM模式：發(fā)生器1的頻率為107.1、107.3、107.5和107.7MHz，輸出功率為+3dBm，提供1kHz調制音、立體聲模式和75kHz偏移；發(fā)生器2頻率為106.7MHz，輸出功率為-62dBm，提供1kHz調制音、單聲道模式和22.5kHz偏移。
在不同的發(fā)生器1頻率設置點(diǎn)觀(guān)察到以下現象：如果測試裝置有限制因素，那么音頻的信噪比(SNR)不會(huì )隨著(zhù)干擾射頻信號的遠離而變化。如表所示，接收機的去靈敏作用是由強大的干擾源引起的，從而證明來(lái)自測試裝置的噪聲不是106.7MHz測試頻率點(diǎn)的限制因素。
用于激勵測試接收機的信號是從廣播的射頻信號中獲取的，而這個(gè)射頻信號又是在測試行駛期間捕獲到的。音頻收聽(tīng)測試是由專(zhuān)業(yè)收聽(tīng)人士完成的。
音軌來(lái)自現場(chǎng)記錄期間使用的相同測試接收機的輸出和Averna實(shí)驗室。在記錄的信號中還有通過(guò)裝置的發(fā)生器1回放的射頻信號。最后，發(fā)生器2與URTFM衰落仿真器一起用于產(chǎn)生106.7MHz的微弱信號。FM衰落仿真器使用的.wav文件與測試行駛期間做的空中音頻記錄有著(zhù)相同的內容和軌跡。
對這次測試工作總結如下：開(kāi)啟URT射頻播放器，FM衰落仿真器提供用于測試的目標射頻信號，并傳送給測試接收機，測試接收機則調諧到106.7MHz的微弱信號。接下來(lái)在RF回放期間記錄來(lái)自測試接收機的音頻，然后由訓練有素的專(zhuān)業(yè)收聽(tīng)人員收聽(tīng)從現場(chǎng)采集的記錄音頻。然后是在實(shí)驗室中收聽(tīng)從測試裝置中采集到的記錄音頻。接著(zhù)在保真度和質(zhì)量方面對這兩個(gè)音頻記錄進(jìn)行比較，從而判斷是否由于環(huán)境或信號衰落效應而發(fā)生了信號劣化。經(jīng)過(guò)比較音頻記錄發(fā)現記錄是相似的。兩個(gè)音頻記錄都包含源自接收機內置DSP的相同降噪效果，例如從立體聲到單聲道的切換以及音頻高頻的截止。另外，在對微弱信號應用和不應用多徑衰落的情況下做了進(jìn)一步的收聽(tīng)測試，這樣接收機去靈敏效應得到了隔離。
這種方法是一種很有價(jià)值的工程測試工具，可以用來(lái)隔離現場(chǎng)的損傷性變化，從而獲得對音頻質(zhì)量的更深理解和優(yōu)化。此外，這種方法還能應用于范圍廣泛的其它收音機。 |
