无线调频广播简介（无线调频广播）

                         标题：无线智能调频广播技术的深度解析
一、无线智能广播概述 

广播是通过无线电波或导线传送声音、图像的具有多种功能的现代化的传播工具。从传播手段看 广播分两大类 ①通过无线电波传送节目的 称为无线电广播 ②通过导线传送节目的 称为有线广播。从传播媒介看 广播也可分为两大类 ①仅仅传送声音的 称为声音广播 简称广播 ②传送声音、图像的 称为电视广播 简称电视。在新闻传播领域 广播电视传播信息的时效性和广泛性超过其他任何大众传媒。广播也有其短处 稍纵即逝 顺序收听收看 接收装置价格较高。 

无线电广播所传递的信息是语言和音乐。语言和音乐的频率很低 通常在20 20000Hz的范围内。实际上 天线能够有效地将信号辐射出去 要求其长度与信号的波长成一定的关系为L λ/4 λ 2 λ。低频无线电波如果直接向外发射 需要足够长的天线 而且能量损耗也很大。例如 对于1000Hz的语音信号 如果用74天线直接辐射 相应的天线尺寸应为75km。因此 实际上音频信号是不能直接由天线来发射的。所以 无线电广播要借助高频电磁波才能把低频信号携带到空间中去。无线电广播利用高频的无线电波作为“运输工具” 首先把所需传送的音频信号“装载”到高频信号上 然后再由发射天线发送出去。 

为了有效地实现音频信号的无线传送 在发射端需要将信号“装载”在载波上。在接收端 需要将信号从载波上“卸载”下来。这一过程称为调制与解调。能够携带低频信号的等幅高频电磁波称为载波。载波的频率称为载频。例如 中央人民广播电台其中一个频率是640kHz 这个频率指的就是载频。 

日前无线电广播可分为两大类 即调频广播(FM)和调幅广播(AM)。 

调幅广播是用高频载波信号的幅值来装载音频信号 调制信号 即用音频信号来调制高频载波信号的幅值 从而使原为等幅的高频载波信号的幅度随着调制信号的幅度的变化而变化 如图 a)所示。幅值被音频信号调制过的高频载波信号称为己调幅信号 简称为调幅信号。 



调幅和调频广播的频率范围 

从调幅和调频广播的频率范围可以看出 无线调幅广播所用的波长较长 其特点是传播距离远 覆盖面积大 接收机的电路也比较简单 价格便宜。缺点是所能传输的音频频带较窄 音质较差 从而不宜传输高质量的音乐节目 并且其抗干扰能力较差。而无线智能广播所能传输的音频频带较宽 宜于传输高保真的音乐节目 并且它的抗干扰能力较强。但由于无线智能广播工作于超短波波段 其缺点是传播距离短 覆盖范围小 且易于被高大建筑物等所阻挡。 

二、无线智能广播发展历程 

1912年阿姆斯特朗发明的超外差接收方法 为现代无线电接收技术奠定了基础。 

1933年阿姆斯特朗发明的频率调制方法 开创了崭新的高质量通信方式棗无线智能广播 开始了高保真广播的新时代。 

1937年里布斯发明的脉冲编码调制(PCM)等。 

在第期间 交战的欧洲各国都把注意力集中于无线电在方面的应用。但是 美国除了在上广泛应用无线电技术外 对调频技术的推广也给予足够的重视。1941年元旦 美国25家调频电台同时开业 在世界上首先开始了无线智能广播。 

1945年 第结束。无线调频技术在得到进一步发展的同时 无线智能广播的优点更加明显。50年代 许多国家 特别是很多欧洲国家陆续建立起无线智能广播电台 从此 广播进入了一个全新的高保真时代。 

60年代 无线智能广播得到迅速的发展。1961年6月1日 无线调频立体声广播正式开播 60年代中期得到飞速的发展。从70年代后期开始 有些国家开始研究立体感更强的无线调频立体声广播 如四声道全景声广播和立体环绕声广播等。 

21世纪末 随着无线智能广播技术的成熟与发展 以及电子技术尤其是计算机、单片机技术的民用化进程加速 无线智能广播逐步应用到学校、农村、工厂、小区、医院、矿区、旅游景区等场所 作为教学工具、应急广播工具、智能管理工具、安全广播工具等使用 同时无线智能广播的功能也大大提高 可以实现点对点、分组、统
一、定时自动广播等。 



  ChitGPT提问
标题：RDS无线广播基本介绍
1RDS简介

按照标准(GB431
1.3-84)规定，我国调频广播的频率范围为87.5～108MHz，为防止调频台间的相互干扰，规定各电台之间的频道间隔为200kHz，频偏为75kHz，调制频率为15kHz。即调频立体声广播的基带信号理论带宽为53kHz、调频单声道广播的基带信号频宽为15kHz，故在调频广播中，53 100kHz或15 100kHz的频带几乎是闲置的，

 因此在每个调预频道中，可扩展出多个副信道，不仅传送多套节目，而且还可以传送数据和其它信息，这充分利用了频率资源和技术设备。这些技术我们称之为调频多工技术（多节目广播、SCA、RDS）。

 其中，RDS（RadioDigitalSystem）是由欧洲广播（EBU）于1984年提出的技术标准EBU3244。该技术充分利用了现有调频广播的带宽，不需要分配专门的带宽，57KHz的副载波数据信号叠加在调频节目频段上，在接收音频信号的同时可收到数字信号。数据内容包括电台名称、节目类型、交通信息、标准时间、广告信息等。现在常用的RDS模式，

 一般是指利用FM广播的副载波携带数据资料的一种工作方式。


2RDS数据格式

RDS的数据信号传送是以帧为一个基本单元，一次有效的数据采集至少是一个完整的数据帧，其格式如图三所示。一帧数据由4个数据块组成，每个数据块包含26比特数据位，高16位是信息代码，低10位是校验码和数据块识别号（即图中偏移量）。数据传输比特率是1187.5Hz。所以一帧数据共有104比特，传输时间约为87.6毫秒，也就是说每秒钟可传送148个字节的信息，除去冗余信息，有效的信息载荷为92字节。

3RDS数据接收及处理

RDS接收机硬件主要包括微处理器、频率合成调谐器、电源、功放和喇叭等，其中调谐器负责接收电台信号。DS解码接收PSK数据流。微处理器对RDS数据流进行解析，同时控制接收机的频率合成电路。人机界面中使用LCD或VFD显示器，显示电台内容、当地时间、RDS播放信息等。

 4RDS技术应用开发

 1991年RDS在中国推介，至1995年，启用RDS广播的国家标准《广播数据系统技术规范》出台（GB/T15770-1995）。由此拉开了我国RDS技术的应用帷幕。在

 技术上应用项目上都提出了相应的解决方案，RDS完全可以跳出交通广播的局限，成为当代信息社会信息发布的又一重要渠道。成都信达通信技术工作室集高校和企业的双重优势，拥

 有良好的技术开发环境，近年来团队已开发了多种应用系统，可以广泛用于智能交通、农业防灾减灾、公众信息发布、固定和移动载体广告、新农村 村村响 广播、教育、气象

 信息发布等诸多领域。据有较好的发展前景。
标题：FM调频技术介绍

前言 ??
??Edwin H. Armstrong是无线广播技术的发展先驱之一 他在1918和1933年分别发明了超外差无线接收机和调频技术[1] 这两项概念和他在1912年发展的再生电路技术已成为现代无线电子的基础。美国的调频电台广播频率为88-108MHz 频道带宽200kHz。调频收音机在1940年问世时仅支持单声道 立体声则要到1960年才出现。本文提供一套调频技术基础课程 内容包括MPX多路信号以及立体/单声道混合 (stereo-mono blending ) 与软静音 (soft mute ) 等噪声消除技术。
调频技术基础 
??频率调变是模拟角度调变的一种 它会利用携带信息的基带信号改变载波频率 这些基带信号通常称为信息或信息信号m(t)。调频广播通讯*常传送音频信号 但它也能传送带有低带宽数字信息的数字数据 这些数字信息在欧洲称为无线数据系统 (RDS) 在美国则称为无线广播数据系统 (RBDS)。调频信号的*简单产生方法是如图1所示 直接把信息信号加到压控振荡器 (VCO)。 
图1 利用压控振荡器 (VCO) 产生调频信号
??图1将电压信息信号m(t) 加到压控振荡器的控制电压 输出信号xFM(t) 则是固定振幅的正弦载波 其频率在理想情形下应该是控制电压的线性函数。当没有信息或者信息信号为零时 载波频率等于其中心频率fc 若有信息信号存在 输出信号的瞬间频率会根据下式变得高于或低于中心频率 
其中KVCO是压控振荡器的电压频率转增益 其单位为Hz/V。KVCO × m(t) 则是瞬间频率偏移量。输出信号的瞬间相位则如下式 等于2π 乘以瞬间频率的积分 
?此处为简单起见 已假设相位初始值为零 因此调频输出信号xFM(t) 可表示如下 
?观 察调频输出信号可以发现几件事。首先 无论信息信号为何 调频信号的振幅永远保持不变 这使它具有固定包络线的性质 而且输出功率等于 驱动1Ω电阻。其次 调频输出信号xFM(t) 会非线性相依于信息信号m(t) 这使调频信号的特性分析很困难。在估计调频信号的带宽时 多半会用如下所示的单频 (single tone) 信息信号 
?其中Am是信息信号的振幅 fm则是信息信号的频率。将此信息信号代入上式即可发现 
其中Δf KVCO Am代表调频信号与中心频率之间的频率偏移量 它直接正比于信息信号的振幅及压控振荡器的增益。Δf则称为瞬间频率偏移量。频率偏移量Δf与信息信号频率fm的比值称为调变指数 (modulation index) 通常以β代表。
对单频信息信号而言 输出频谱的有效旁波带 (significant sideband) 数目是调变指数的函数。这只要将调频输出信号如下表示为类n阶Bessel函数即可看出 [2, 3] 
??对上式进行傅里叶变换 即可发现调频输出信号的频谱为离散频谱 且其振幅系数如下式所示等于β的函数 
??调频信号的旁波带数目及其相关振幅系数皆可利用表1之类的Bessel函数表求出。
调变指数 β 有一项重要特性 它决定调频信号的有效旁波带数目 这会进而决定信号的带宽。例如 β 0.25 时只需要 1 个旁波带 但若 β 5 就需要 8 个旁波带。调变指数还有另一重要特性 就算频率偏移量不变 它也可能受到信息信号频率改变的影响而出现很大变动。一般而言 随着调变指数增加 旁波带数目和带宽都会变大 但若调变指数是因为信息频率下降而增加 ( 前面提到 β Δf / fm) 调频信号带宽就不见得会变大。这个带宽等于离散频谱单频 (tone) 的数目乘上信息信号频率 fm 所决定的频率间隔。对于较复杂的信息信号 我们也可利用 BWFM 2(β 1)fm (Carson’s rule) 估计调频信号带宽 [2, 3] 。根据经验关系式 在不包括载波的情形下 调频频谱的有效频谱单频 (significant spectral tone) 数目大约等于 2(β 1) 。举例来说 [2] 北美地区商业调频广播的频率偏移 Δf 为 75kHz 如果音频的信息频率为 15kHz 那么 β 就等于 75kHz/15kHz 5 调频信号带宽则等于 BWFM 2(5 1) × 15kHz 180kHz 很接近所规定的 200kHz 频道带宽。若以 Bessel 函数估计带宽则会得到 (2 × 8 1)15kHz 255kHz 。在实际应用里 *旁边的几个单频信号几乎不会提供任何功率 因此带宽大约会减至 200kHz ( 假设 -10dBc 以下单频信号可忽略 ) 。同样的 设计人员应记住这些方程式是从单频信息信号导出 这与同时包含许多不同频率的实际信息信号大不相同 在分析实际信号时 应使用实际信息信号的频率做为 fm 的近似值。调频信号必须经过频率解调 才能取出所含的信息信号。*基本的频率解调器包含一个鉴频器 它是由一个微分电路及其后连接的包络线检测器组成 ( 图 3) 。 
?图3 理想鉴频器 
???如下所示 微分电路会把调频信号转换为调幅信号 
包络线检测器则用来取出信息信号 m(t) [4] 。微分是调频信号解调的关键步骤之一 然而微分却有个副作用 它会放大高频噪声 降低信息信号复原后的信号杂波比 (SNR) 。为了弥补这项缺点 调频广播公司会在调频发射机的前面加入一个预加重滤波器 (pre-emphasis filter) 以便放大信息信号的高频部份。所有调频接收机都会在接收电路的后面连接一个去加重滤波器 (de-emphasis filter) 利用它衰减高频噪声和干扰 并将信息信号的频率响应恢复为平坦形状。图 4 是调频发射机与预加重滤波器 Hpe(f) 方块图 以及调频接收机和去加重滤波器 Hde(f) 方块图。 
图4 调频系统里的预加重 (Pre-Emphasis) 和去加重 (De-Emphasis) 电路
??预加重滤波器的高通特性转移函式如下所示 
?去加重滤波器的低通特性转移函式如下所示 
??其中时间常数τx是预加重/去加重时间常数 它在美国及世界某些地区为75μs 在欧洲和其它地区则为50μs。
在不使用预加重和去加重滤波器的情形下 单声道调频信号的信号杂波比为 
其中 BT 为调频传输带宽 ( BWFM) W 为信息信号带宽 (fm) 至于 CNR 则是载波噪声比 (carrier-to-noise ratio) 它等于 其中 是白噪声 (white noise) 的双边功率频谱密度 [2] 这个信号杂波比公式描述了信息信号质量 (SNR) 与调频传输带宽之间的取舍关系。在 200kHz 调频传输带宽和 15kHz (β 
5.67) 信息信号带宽下 调频接收机输出的信号杂波比应能让调频增益比载波噪声比还高出 27dB 。 然而上述信号杂波比方程式只有在载波噪声比很大时才有效 随着调频鉴频器输入端的载波噪声比降低 它*终会产生脉冲噪声 导致喇叭发出各种噪声。脉冲噪声 的出现代表调频接收机已进入一个噪声临界区 这称为临界效应。调频临界值是指在特定的调频信号杂波比下 既能改善调频信号又不使其过度偏离理论方程式的* 小载波噪声比 [2] 。如前所述 预加重和去加重滤波器是消除高频噪声 以便提高调频系统信号杂波比的方法之一。在使用预加重和去加重滤波器的调频接收机里 输出信号杂波比的实际改善因子 I (improvement factor) 可由下式计算 
????其中 fx 1/2πτx 是预加重和去加重滤波器的 3dB 转角频率 (corner frequency) [2] 。在 3dB 转角频率为 
2.1kHz 和信息信号带宽为 15kHz 的情形下 预加重和去加重滤波器可以提供 13dB 的改善因子。值得注意的是 这个改善因子同样假设调频鉴频器输入端的载波噪声比很大 因此在调频传输带宽 200kHz 、信息信号带宽 15kHz 、以及 3dB 预加重和去加重转角频率为 
2.1kHz 时 (τx 75μs) 调频增益以及预加重和去加重滤波器可针对超出临界值的单声道信号 提供大约 27dB 13dB 40dB 的信号杂波比改善幅度。尽管这是从前述方程式推导所得 我们在解读该结果时仍要很谨慎 因为该方程式似乎暗示它能在 0dB 载波噪声比时得到 40dB 的调频信号杂波比。然而一般情形却非如此 因为标准调频鉴频器通常有 12dB 载波信号比的临界值 这会使前述结果变为无效。另外 对超出临界值的载波信号比而言 立体信号的信号杂波比改善幅度只会比载波信号比高出 17dB [5] 。下列方程式即为调频音频的信号杂波比改善幅度 ?
其中载波信号比 (CNR) 必须高于临界值 [5] 。
立体声调频——多路信号 
????单声道音频广播在 1961 年以前是调幅、调频和电视的标准 当时的调频广播还包含辅助通讯授权 (Subsidiary Communications Authorization SCA) 服务 它会通过多路方式与主要声道共同播送 提供背景音乐和其它服务给企业和商店。到了 1961 年 美国联邦通讯委员会 (FCC) 核准播送立体声道 这将信号多路的想法扩大到立体音频的产生。立体多路信号的一项要求是兼容于众多现有的调频单声道收音机 为了达成这个目标 多路信号 (MPX) 的 0-15kHz 基带部份须同时包含左声道 (L) 和右声道 (R) 信息 (L R) 让单声道收音机也能收听立体广播。除此之外 它还会利用 (L-R) 信息对 23-53kHz 基带频谱内的 38kHz 抑制副载波进行振幅调变 以便提供立体音效。多路信号还会包含一个 19kHz 的前导信号 协助调频立体接收机检测和解碼左声道与右声道信号。这种复合基带信号格式既兼容于现有的调频单声道接收机 又提供足够信息让调频立体接收机解碼产生左声道和右声道立体输出。今天的 MPX 信号还包含一个 57kHz 副载波 它会携带 RDS 和 RBDS 信号 [6] 。现代的 MPX 基带信号频谱如图 5 所示。 
图5 MPX信号的基带频谱
??前面的数学分析都假设信息信号m(t) 是单频正弦信号 然而今日调频广播所用的信息信号却是MPX信号 它的基带频谱与图5很像。FCC规定立体声传输的调变百分比为 (75kHz的瞬间频率偏移量相当于调变) SCA多路副载波在某些情形下可达到110%调变 [5]。图6是典型MPX信息信号里的各种信号发生调变位准崩溃 (modulation level breakdown) 的例子。 
图6 MPX频谱的信号调变位准 
??假设图6里各个信号之间没有任何关联性 那么MPX信号的调变位准就等于所有次通道位准的算术和 这相当于10
2.67%调变百分比或 77.0025kHz峰值频率偏移量。从前面提到的Δf KVCO Am可知 频率偏移量等于信息信号振幅乘上常数KVCO 故当KVCO固定不变时 MPX信息信号内的所有次信道信号振幅都必须调整 以便得到适当的总频 率偏移量。 
图7 MPX编码器 
??图7是用来产生MPX信号的MPX编码器概念方块图 其中L(t) 和R(t) 代表左声道和右声道的时域波形 RDS(t) 代表RDS/RBDS信号的时域波形。此时可将MPX信息信号表示如下 
??其中C0、C1和C2都是增益值 分别用来调整 (L(t) ± R(t)) 信号、19kHz前导信号和RDS副载波信号的振幅 以便产生适当的调变位准。
图8 MPX译码器
??图8是MPX译码器的概念方块图 可从MPX信息信号m(t) 取出左声道 右声道和RDS信号。信息信号会送到三个中心频率为19、38及57kHz的带通滤波器和一个3dB截止频率为15kHz的低通滤波器。 19kHz带通滤波器是个高Q值滤波器 能从MPX信息信号取出19kHz前导信号。这个前导信号的频率会被提高2和3倍 以便产生 (L-R) 和 RDS信号解调所需的本地振荡器 (LO) 信号。接着只要将 (L R) 和 (L-R) 信号相加与相减 就能得到左声道与右声道立体音频。电路还可将RDS信号与57kHz本地振荡器信号混波降频 然后将信号送到匹配滤波器取出RDS数据。 
??从前述分析可看出维持良好立体分离度 (stereo separation) 的困难所在。首先 若将单声道信号送到译码器输入 则由于单声道信号未包含前导信号、(L-R) 和RDS信号 所以它们都会等于零。此时 译码器的左声道和右声道输出都是 (L R) 信号 这等于将单声道信号复原。其次 在产生MPX信号或还原左声道和右声道时 任何增益或相位不匹配都会造成立体隔离度下降 这会让左声道包含一些右声 道信息 右声道也会有些左声道信息 (这又称为声道分离度或串讯)。例如在图8所示的译码器里 假设15kHz低通滤波器的增益不匹配程度为1% 那么立体分离度就约为-46dB。这个例子 说明若要维持良好的立体分离度 左声道与右声道信号路径的振幅与相位都必须完美匹配 这对利用模拟电路设计的编码器和译码器相当困难。
噪声消除技术 
??为了提高调频广播的音质 新出现的调频调谐器都已采用立体与单声道混合以及软静音等噪声消除技术 例如Silicon Laboratories的Si4700调频调谐器和支持RDS/RBDS功能的Si4701调频调谐器。
图9 调频特性曲线 
??图9是典型的调频特性曲线 X轴代表射频信号强度 Y轴代表左声道音频输出相对其输出强度的正规值 亦即0dB代表左声道音频输出信号的输出强 度。图9包含左声道音频、右声道音频、立体声噪声和单声道噪声 这些信号全都以相对于左声道音频强度的方式绘制。在这个例子里 射频信号输入强度超过 RF3就会使调谐器进入完全立体声模式 并提供30dB的立体分离度和55dB的立体信号杂波比。如果调谐器被迫在此区内进入单声道模式 单声道信号杂波 比将高达60dB。单声道信号杂波比的增加是因为它的带宽较小 只有15kHz 相形之下 立体声MPX信号就需要53kHz带宽。 
??如果射频信号强度在RF2与RF3之间 左右声道的音频就会开始混合 产生立体与单声道混音现象。左右声道混合也会造成立体噪声与单声道噪声混合 进而提 高音频的信号杂波比。如果没有混合现象 立体噪声就会成为图里的蓝黑虚线 音频信号杂波比与射频接收灵敏度也会小于出现立体单声混合的调谐器。在此例 中 RF0代表调谐器在立体单声混合下的接收灵敏度 RF1则是没有立体单声混合时的灵敏度。灵敏度一般定义为“达到一定音频信号杂波比所需的*小射频输 入强度” 此处则具体定义为达成1dB音频信号杂波比所需的射频信号强度。 
??另外 当调谐器的射频输入强度下降时 噪声强度会迅速增加 且其增幅远超过音频输出的下降速度。在此例中 当射频信号降到灵敏度 (RF0) 以下时 音频输出只会从输出值下降约6dB 噪声却大幅增到和音频输出同样强度。当此情形出现时 不仅噪声和音频强度完全相同 而且只比音频输出 小6dB 所以听起来会很吵。要将射频信号微弱区的噪声减至*少 一个方法是利用软静音技术同时衰减音频和噪声。图10是包含软静音的调频特性曲线 此时 启动软静音功能会让音频和噪声都衰减14dB 变成比音频输出还低20dB 这能将噪声减至*少和提供更好的产品使用经验。 
图10 包含软静音功能的调频特性曲线 
Si4700/01调频调谐器 

??Si4700和Si4701调频调谐器是业界采用数字低中频架构和全CMOS工艺技术的收音机调谐器组件 整个解决方案仅需一颗外接电源旁路电容和不 到20平方毫米的电路板面积。图11就是这两款组件的功能方块图。数字低中频架构不仅省下多颗外部元器件 而且不必为了补偿模拟工艺变异而在工厂进行调 整。这种混合信号架构可以利用DSP执行通道选择 (channel selection)、调频解调和立体音频处理 进而提供超越传统模拟架构的更高效能。 
图11 Si4700/01数字低中频FM调谐器的功能方块图 
??Si4700与Si4701调频调谐器包含可程序、立体/单声道噪声临界值和软静音参数 能以弹性降低噪声。这两款组件都利用DSP在各种收讯条件下 提供音质 这种丰富的功能以及优异的整合度与效能全都来自数字低中频无线架构 以及利用数字技术实作的调频解调、MPX译码和噪声消除功能。除了简化 与加速设计导入作业外 数字低中频架构还有很高的功能整合度 只需外接一个旁路电容就能完成设计 这能提高质量和改善可制造性。 



[2] S. Haykin, Communication Systems, 3rd Edition, Wiley, 1994
[3]R. E. Ziemer, W. H. Tranter, Principles of Communications, Systems, Modulation, and Noise, Fourth Edition, Wiley, 1995
[4]B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, 1998
[5]J. Kean, “FM Stereo and SCA Systems”, National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 9th Edition, NAB, 1999, pgs 591 – 608.
[6]S. A. Wright, “Radio Broadcast Data System (RBDS)”, National Association of Broadcasters Engineering Handbook, 9th Edition, NAB, 1999, pgs. 633 – 64
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