调频带外谐波智能检测系统

关键词 调频广播 谐波检测 三阶互调 

1.引言 

上海东方明珠广播电视塔作为上海的地标性建筑，从建塔至今，一直承担了上海地区大部分的无线调频广播覆盖任务。为了更好地做好调频的安全播出工作，我们不仅要关心发射系统调频频段内的发射状况，更要时刻关心带外杂散指标。调频发射机的带外杂散指标的好坏很可能会对调频频段外的其他信号，特别是对航空通讯频段造成潜在干扰。 上海地区拥有虹桥和浦东两大国际机场，每年飞机起降几十万架次，是中国最重要的航空枢纽城市。民航无线电频率直接关系到飞行安全。东方明珠发射台发射的无线调频广播覆盖了87.9～107.7 多套调频广播节目，发射功率从400w到8kw不等，天线位于350米之上，如果出现某部发射机带外杂散功率超标并与其他信号产生互调，就有可能产生民航无线电频段内的信号，干扰民航无线电信号，甚至使机组无法与地面航站楼取得联系事件，对飞行安全构成严重威胁。 国内目前发射台带外杂散监测主要有两个途径：1、通过固定监测站，进行对无线电干扰情况实时监测。如果由于发射台带外杂散故障引起干扰，则需要通过专门的测量工具进行监测，才能确定干扰源头，处理速度很慢。

2、国内各发射台一般定期测量调频发射机带外杂散指标，无法实时了解到发射机带外杂散情况，如发生故障，就无法及时发现、处理。为了解决这一难题，我台技术人员研发一套实时调频带外谐波智能检测系统。该系统具有多点调频信号杂散（二次谐波）功率自动检测、报警提示和收音功能，同时还针对航空通信特定频点进行检测。考虑到通用性的要求，我台技术人员对本系统进行了智能化改进：编写了自动调频载波频率的定位程序及二次谐波频率自动生成程序，来使系统适用于异地发射机房。 通过485总线实现与网管系统通信，实现监测数据的实时记录。 2.调频带外谐波智能检测系统的设计思路： 调频系统杂散功率干扰分析： 我台调频系统杂散功率干扰存在以下两种主要情况：二次谐波干扰和三阶互调干扰。 谐波干扰：射频功率放大器的非线性失真会产生新的频率分量，如：二次谐波和三次以上谐波。对于单一频率而言，由于非线性失真所产生的3次以上的谐波分量一般远小于二次谐波，二次谐波的大小通常就能代表调频带外杂散的大致情况。三阶互调干扰：当系统中两个或更多的载波信号通过一个无源器件，如天线、电缆、滤波器和合成器时，由于这些器件的非线性因素，两个载波信号及其二次谐波会产生各种互调产物。当二次谐波达到一定程度时，有可能产生足以影响其他接收频段的三阶互调干扰信号。 国家标准：对于上述的杂散功率干扰问题，国际有明确的指标。根据国家调频发射机技术指标GB/T 4311-2000规定: 1）发射机功率大于或等于25W时，残波辐射功率应小于1mW并低于载波功率60dB；2）同台或同塔有多套发射机使用共用天线时，其三阶互调产物小于1mW并低于各自射频主载波60dB。只要满足国家标准，就可以代表发射机的带外杂散指标正常，对其他通信频段不造成干扰。本系统的核心思路就是检测发射机是否满足国家标准。 考虑到系统的实时性、经济性要求，在指标测量上做了以下简化： 1）射频采样信号：考虑到我台多套发射机共用天线的实际情况，本系统将射频采样信号选取于天线开关板上的反射耦合口。本系统的射频采样信号选取位置详见图1。 2）残波频点选择：对于单一频率发射情况，一般辐射功率最大的带外离散频率点是载波频率的二倍频点。因此，只检测二次谐波点就能大致了解带外杂散情况。为了提高检测效率，在残波辐射功率检测上，本系统只检测二次谐波点。 3）三阶互调产物：在调频三阶互调产物所能影响到的通信频段中，航空频段尤为重要。本系统特别对调频三阶互调落入航空频段内的特定频点进行检测。 3.调频带外谐波智能检测系统结构： 整个系统的硬件结构详见图2.由图2可以看到，输入射频信号取自天线开关板反射耦合口，经由可编程调谐器进行一次混频，通过混频模块进行二次混频至调频中频，经由调频解调模块解调产生基带声音信号，通过放大器放大，送入耳机监听。MCU作为系统的核心部件，控制衰减网络的切换，对可编程调谐器进行频率选择和增益控制，并根据中频功率检测信号来判断当前频率带外杂散情况，同时将相关信息显示在LCD显示屏上，供值班人员及时了解。图3显示了自动检测时LCD的状态。 

 4.调频带外谐波智能检测系统的关键技术： 自动调频带外二次谐波信号检测：根据国标中“残波功率小于载波功率60dB”的要求，编写了带外二次谐波信号检测程序。系统通过MCU控制可编程调谐器分别输出载波频率信号和其二次谐波信号，并通过比较两者的差值来实现二次谐波信号检测功能。图4显示了自动调频带外二次谐波信号检测的实现流程。 由上图可以看到，系统先将衰减网络直通，测量二次谐波的检测值；然后在AGC电平不变的情况下，接60dB衰减网络，测量本频点的检测值，与二次谐波点的检测值比较，如果载波频率点大，表示该频点的杂散指标正常；如果二次谐波点大，表示该频点的杂散指标异常，系统报警。自动航空通信频段特定频点检测。如果调频系统的带外杂散指标超标，导致落入航空通信频段（118MHz～137MHz）内的三阶互调信号超过航空接收机的三阶互调干扰的触发值，航空接收机就有可能接收到调频的节目信号，造成通信干扰，严重影响通信安全。考虑到航空通信频段安全的特殊性，我们特别对我台调频发射机三阶互调落在航空通信频段内的频点进行自动检测，判断多工器中是否存在可能干扰航空频段的三阶互调信号。 根据国标中“同塔有多套发射机使用共用天线时，其三阶互调产物小于1mW并低于各自射频主载波60dB”的规定，系统通过分别比较航空通信频段内三阶互调频点信号和相应的两个主载波信号的大小，如果三阶互调信号比两载波信号都小60dB以上，系统认为该三阶互调频点正常。具体实现流程与图4相同。 调频及带外信号FM解调及收音系统采用外差式收音机方式完成调频及带外信号接收功能，图5显示了系统如何实现调频信号的接收功能。 由上图可知，系统通过以下4步实现调频信号接收： 1）将输入的无线电信号进行高频放大，一次频谱搬移后，产生37.7MHz固定中频信号； 2）将所产生的第一中频信号通过混频器与27MHz的晶体振荡器进行二次混频，产生适应于大多数调频专业解调芯片的10.7MHz第二中频信号；第二中频信号经过10.7MHz滤波器，较大地降低了10.7MHz+200KHz以外的杂散信号，提高了接收无线电信号的信噪比； 3）将滤波后的第二中频信号送入调频专用解调芯片解调； 4）将产生的基带调频节目信号，分为左右双声道，给低噪声音频放大器放大，送给耳机。在一次混频上，系统采用了频率合成高频头。所选用的频率合成高频头，可接收45-925MHz频率信号，即可以接收调频、航空频段及模拟电视伴音等多种广播信号。 调频载波频率的定位。考虑到系统的通用性需求，我台技术人员编写了自动调频载波频率定位程序和二次谐波频率自动生成程序。 实现方法：系统依次检测调频频段内所有频点，步进为100kHz，将检测值依次送入EEPROM中；并采用峰值检测结合参考值判断的方法，来实现载波频率的定位。本系统所用EEPROM，是一种掉电后数据不丢失的存储芯片，采用i2c方式控制。将EEPROM分割成不同的存储区，存储相应的频率信息和功率检测值，方便MCU调用数据，监测数据的实时记录。考虑到调频带外杂散故障的突发性，为了方便机房人员查找数据，系统通过MCU控制RS485总线通信，将实时监测数据送入网管系统记录。 

 5.总结： 在设计之初，设计人员查找了国内市场上的谐波检测设备，发现这些设备大都价格昂贵，且并不能实时检测调频带外杂散状态，不贴合我台的实际播出情况。因此，我台自主设计的这套调频带外谐波智能检测系统在设计初期就仅仅把握住系统的实时性和经济性的要求，使其更贴合我台一塔多频复杂电磁环境下的实际播出系统。经过三个月的测试，机房工作人员反映本系统能实时、快速、准确地对调频带外谐波（二次）和特定航空通信频点的检测，为其及时了解和判断带外干扰情况提供了便捷的手段，十分贴合调频广播的播出需求，确保了调频广播的安全播出。并且通过调频载波频率的定位、监测数据的实时记录两项功能，使本系统更为智能化，具有良好的推广前景和应用价值。