車載FM收音機(jī)的性能測(cè)試

 
商用汽車AM/FM收音機(jī)必須能在各種環(huán)境下可靠地工作。因?yàn)檫@些收音機(jī)的設(shè)計(jì)師采用數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法來(lái)克服反射、信號(hào)多徑和衰落等效應(yīng)，所以他們經(jīng)常要去現(xiàn)場(chǎng)花數(shù)周的時(shí)間分析不同信號(hào)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(jī)信號(hào)仿真汽車AM/FM收音機(jī)設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)遇到的各種狀況。

一種頗具挑戰(zhàn)性的AM/FM收音機(jī)性能測(cè)試是對(duì)相鄰和/或交替頻道性能的評(píng)估，因?yàn)槭找魴C(jī)在出現(xiàn)很強(qiáng)的相鄰射頻信號(hào)時(shí)必定接收到較弱的信號(hào)。為評(píng)估不同收音機(jī)之間的主觀接收質(zhì)量，OEM汽車收音機(jī)制造商經(jīng)常根據(jù)不同地區(qū)的特定場(chǎng)地路線實(shí)施測(cè)試計(jì)劃。例如在城市中行駛時(shí)，通常會(huì)遇到一種被稱為“市內(nèi)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(duì)FM站臺(tái)來(lái)說復(fù)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(xiàn)針對(duì)某個(gè)特定頻道的典型多徑模型。然而，當(dāng)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)原因是汽車工業(yè)仍利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試行駛方法來(lái)進(jìn)行收音機(jī)的優(yōu)化。

然而，測(cè)試行駛方法只能展現(xiàn)主要的可重復(fù)性問題。由于天氣的變化和大型車輛的靠近，信號(hào)傳播狀態(tài)會(huì)不斷發(fā)生改變，因此任兩次測(cè)試行駛都不會(huì)得到相同的結(jié)果。另外，由于測(cè)試行駛是在很大的區(qū)域范圍內(nèi)完成的，要準(zhǔn)確評(píng)估不同地區(qū)的AM/FM收音機(jī)設(shè)計(jì)性能，測(cè)試可重復(fù)性十分關(guān)鍵。幸運(yùn)的是，由于射頻信號(hào)記錄和存儲(chǔ)技術(shù)的不斷發(fā)展，記錄真實(shí)的FM廣播信號(hào)完全可以替代傳統(tǒng)測(cè)試行駛方法實(shí)現(xiàn)商用AM/FM收音機(jī)設(shè)計(jì)的評(píng)估。

舉例來(lái)說，Averna公司的射頻記錄與回放系統(tǒng)能以14位的分辨率捕獲完整的FM頻帶(20MHz帶寬)。這款數(shù)字記錄器采用美國(guó)國(guó)家儀器(NI)公司的PXI硬件架構(gòu)，能同時(shí)記錄GPS位置、收音機(jī)的音頻，并能利用板載相機(jī)記錄行駛測(cè)試的視頻。該系統(tǒng)具有80dB的無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)，看起來(lái)相當(dāng)大，不過FM接收機(jī)可以處理從-2dBuV至+110dBuV(-109到+3dBm)的更寬信號(hào)電平范圍。

曾經(jīng)在美國(guó)的底特律做過一個(gè)“難以再現(xiàn)”的極端動(dòng)態(tài)范圍測(cè)試案例，可以用來(lái)評(píng)估收音機(jī)減輕很強(qiáng)相鄰干擾效應(yīng)的能力。在這次測(cè)試行駛中，本地的3kW發(fā)射機(jī)工作在107.1MHz，用于干擾來(lái)自底特律的106.7MHz信號(hào)。在測(cè)試行駛期間，干擾源功率在5dBV至95dBV之間變化，而目標(biāo)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(yīng)，它不時(shí)地妨礙直接視線接收。這種衰落很難用射頻信號(hào)發(fā)生器中的模型呈現(xiàn)，更適合記錄與回放信號(hào)仿真。

圖1顯示了這次在地圖上的測(cè)試行駛，其中3kW的發(fā)射機(jī)架在高大建筑物的樓頂。雖然天線在直接視線范圍內(nèi)，但干擾源處于峰值水平，接收到的106.7MHz目標(biāo)頻率信號(hào)質(zhì)量下降嚴(yán)重。圖2顯示了信號(hào)強(qiáng)度的典型頻譜，圖3顯示了測(cè)試行駛期間2個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度。

圖1：本次測(cè)試行駛的線路地圖。

雖然射頻記錄與回放系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍指標(biāo)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(shù)字轉(zhuǎn)換器的飽和以及多載波信號(hào)的峰均比(PAR)來(lái)解釋。為避免數(shù)字轉(zhuǎn)換器(信號(hào)削波)出現(xiàn)可能的飽和，被記錄的數(shù)據(jù)必須至少低于飽和電平5dB。對(duì)于像城市環(huán)境中的FM波段或COFDM信號(hào)等多載波信號(hào)來(lái)說，被記錄信號(hào)通常有10dB至15dB的PAR，因?yàn)樯漕l信號(hào)鏈的20MHz通頻帶中存在多個(gè)射頻信號(hào)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?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量的多載波記錄。

圖2：信號(hào)強(qiáng)度的典型頻譜。[!--empirenews.page--]

盡管有這些限制，但是如果強(qiáng)干擾源(大于40dB)不出現(xiàn)在感興趣頻帶內(nèi)，射頻記錄與回放系統(tǒng)被證實(shí)能有效地捕獲多徑和微弱信號(hào)。這種系統(tǒng)采用噪聲指數(shù)好于2dB的低噪聲放大器捕獲農(nóng)村地區(qū)的微弱信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量沒有明顯下降，并且考慮了阻抗失配。這種射頻記錄與回放系統(tǒng)是針對(duì)50Ω阻抗設(shè)計(jì)的，而傳統(tǒng)的汽車FM天線和/或收音機(jī)輸入在FM時(shí)匹配到75Ω，在AM時(shí)匹配到高阻(1.5kΩ以上)。

圖3：測(cè)試行駛期間兩個(gè)信號(hào)的強(qiáng)度。

圖4是推薦的解決方案的框圖。該方案使用通用接收測(cè)試儀(URT)來(lái)復(fù)制像上述收音環(huán)境的測(cè)試條件。微弱信號(hào)是在有強(qiáng)大干擾源以及多徑效應(yīng)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(qiáng)大的干擾源。由于這個(gè)干擾源的本底噪聲在微弱信號(hào)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(hào)合并以仿真目標(biāo)信號(hào)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(nèi)調(diào)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(cè)試車載FM收音機(jī)的RF記錄&回放系統(tǒng)的推薦解決方案。

發(fā)生器2與動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)展器(DRX)一起使用，后者是一種可編程的衰減器。通過提供對(duì)目標(biāo)信號(hào)的衰減，本底噪聲同時(shí)得到衰減。另外，多徑衰落效應(yīng)可以強(qiáng)加于微弱信號(hào)之上，因?yàn)镈RX響應(yīng)時(shí)間足以對(duì)衰落曲線作出反應(yīng)(標(biāo)稱值是每秒40次)。出于測(cè)試目的，收音機(jī)被安裝在屏蔽外殼內(nèi)，以抑制來(lái)自外部信號(hào)的潛在干擾。

圖5：微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量到的陷波濾波器的頻率響應(yīng)。[!--empirenews.page--]

在上述硬件配置和性能條件下，必須從發(fā)生器輸出端準(zhǔn)確地呈現(xiàn)射頻信號(hào)狀態(tài)。強(qiáng)大干擾源是通過發(fā)生器1從FM頻段的現(xiàn)場(chǎng)射頻記錄提供的。通用接收測(cè)試儀(URT)射頻記錄器用于在典型氣候條件下的測(cè)試行駛中捕獲信號(hào)。微弱信號(hào)通過發(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(xiàn)場(chǎng)記錄微弱信號(hào)時(shí)得到的功率曲線回放。

多徑衰落是移動(dòng)信號(hào)接收時(shí)產(chǎn)生的一種常見信號(hào)損傷。對(duì)于FM信號(hào)來(lái)說，多徑衰落可能造成每秒多達(dá)好幾次的信號(hào)丟失，具體取決于車輛的行駛速度。與各種效應(yīng)更加全面的標(biāo)準(zhǔn)頻道仿真器相比，F(xiàn)M衰落仿真器可以向測(cè)試信號(hào)提供平落衰減響應(yīng)，而這種多徑的近似通常足以測(cè)試FM調(diào)諧器性能。

FM衰落仿真器允許采用像標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅/調(diào)頻發(fā)生器一樣產(chǎn)生的測(cè)試音，或者待調(diào)制的指定的.wav文件格式音軌。另外，所發(fā)生信號(hào)的包絡(luò)可以通過用制表符分隔的文本文件的回放進(jìn)行調(diào)制。功率模式包絡(luò)可以通過對(duì)任何預(yù)記錄FM信號(hào)的簡(jiǎn)單信號(hào)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(cè)試裝置的基本功能。回放任何指定音頻信號(hào)或音軌、并且對(duì)目標(biāo)信號(hào)應(yīng)用多徑平落衰減損傷的能力提供了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中不可能實(shí)現(xiàn)的額外自由度。由于所設(shè)計(jì)的DSP算法會(huì)根據(jù)音頻節(jié)目類型的不同作出不同的反應(yīng)，這點(diǎn)非常重要。

圖6：FM衰落仿真器可以用測(cè)試音或.wav文件以及功率模式文件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

為方便案例分析，假設(shè)目標(biāo)微弱信號(hào)的功率是30dBμV，強(qiáng)干擾源的功率是110dBμV，頻率與目標(biāo)信號(hào)相距400kHz。這將是一個(gè)應(yīng)用于FM收音機(jī)的最嚴(yán)格測(cè)試，也是在測(cè)試行駛的最差部分中遇到的典型情景(圖7)。在這些實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定好后，就可以計(jì)算系統(tǒng)的有效動(dòng)態(tài)范圍。在現(xiàn)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(cè)試系統(tǒng)在感興趣頻率點(diǎn)的動(dòng)態(tài)范圍約為115dB。

圖7：系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍的計(jì)算。

必須對(duì)115dB是否足夠用于測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)FM收音機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。測(cè)試需要多大動(dòng)態(tài)范圍取決于幾個(gè)條件：FM接收機(jī)具有4dB的噪聲指數(shù)、寬帶AGC閾值大約80dBV、由于干擾信號(hào)強(qiáng)度超出寬帶AGC閾值而使噪聲指數(shù)增加1dB、射頻干擾信號(hào)只有110dBV。根據(jù)最后三個(gè)假設(shè)，接收機(jī)靈敏度將降低80dB至110dB或30dB范圍。因此，這種情況下FM收音機(jī)接收機(jī)的本底噪聲是-15dBV+4dB(因?yàn)樵肼曋笖?shù))+30dB(因?yàn)槿レ`敏度)或19dBV。因測(cè)試所需的射頻動(dòng)態(tài)范圍是91dB(110dB-19dB)，允許裝置提供超過20dB的余量用于案例測(cè)量。

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在使用系統(tǒng)之前要對(duì)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)試，以便確認(rèn)測(cè)量裝置不會(huì)引起任何可能降低測(cè)量精度的顯著噪聲或失真。還要通過調(diào)整相對(duì)的插入值對(duì)功率電平進(jìn)行校準(zhǔn)。指定電平在合成器輸出端——收音機(jī)天線連接點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。線性度在要求的信號(hào)電平之上測(cè)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(shè)為CW模式，并且總功率電平要超過測(cè)試案例中使用的值。參考圖8，發(fā)生器1被設(shè)為0dBm，發(fā)生器2被設(shè)為-20dBm。這里沒有可測(cè)量的三階互調(diào)(IM3)。圖7描述了被設(shè)為接近最大測(cè)試條件的信號(hào)。

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(hào)發(fā)生器而引入的IM3。額外的測(cè)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(cè)量受限于熱噪聲，而不是來(lái)自測(cè)試系統(tǒng)的噪聲。音頻測(cè)量是利用URT音頻分析儀在干擾信號(hào)中心頻率的不同偏移處于測(cè)試接收機(jī)的輸出端進(jìn)行的。這樣，接收機(jī)去敏感效應(yīng)將證明裝置的本底噪聲并不影響測(cè)試案例的測(cè)量。

兩個(gè)發(fā)生器均設(shè)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(diào)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(diào)制音、單聲道模式和22.5kHz偏移。

在不同的發(fā)生器1頻率設(shè)置點(diǎn)觀察到以下現(xiàn)象：如果測(cè)試裝置有限制因素，那么音頻的信噪比(SNR)不會(huì)隨著干擾射頻信號(hào)的遠(yuǎn)離而變化。如表所示，接收機(jī)的去靈敏作用是由強(qiáng)大的干擾源引起的，從而證明來(lái)自測(cè)試裝置的噪聲不是106.7MHz測(cè)試頻率點(diǎn)的限制因素。

用于激勵(lì)測(cè)試接收機(jī)的信號(hào)是從廣播的射頻信號(hào)中獲取的，而這個(gè)射頻信號(hào)又是在測(cè)試行駛期間捕獲到的。音頻收聽測(cè)試是由專業(yè)收聽人士完成的。

音軌來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)記錄期間使用的相同測(cè)試接收機(jī)的輸出和Averna實(shí)驗(yàn)室。在記錄的信號(hào)中還有通過裝置的發(fā)生器1回放的射頻信號(hào)。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(hào)。FM衰落仿真器使用的.wav文件與測(cè)試行駛期間做的空中音頻記錄有著相同的內(nèi)容和軌跡。

對(duì)這次測(cè)試工作總結(jié)如下：開啟URT射頻播放器，F(xiàn)M衰落仿真器提供用于測(cè)試的目標(biāo)射頻信號(hào)，并傳送給測(cè)試接收機(jī)，測(cè)試接收機(jī)則調(diào)諧到106.7MHz的微弱信號(hào)。接下來(lái)在RF回放期間記錄來(lái)自測(cè)試接收機(jī)的音頻，然后由訓(xùn)練有素的專業(yè)收聽人員收聽從現(xiàn)場(chǎng)采集的記錄音頻。然后是在實(shí)驗(yàn)室中收聽從測(cè)試裝置中采集到的記錄音頻。接著在保真度和質(zhì)量方面對(duì)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(hào)衰落效應(yīng)而發(fā)生了信號(hào)劣化。經(jīng)過比較音頻記錄發(fā)現(xiàn)記錄是相似的。兩個(gè)音頻記錄都包含源自接收機(jī)內(nèi)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(duì)微弱信號(hào)應(yīng)用和不應(yīng)用多徑衰落的情況下做了進(jìn)一步的收聽測(cè)試，這樣接收機(jī)去靈敏效應(yīng)得到了隔離。

這種方法是一種很有價(jià)值的工程測(cè)試工具，可以用來(lái)隔離現(xiàn)場(chǎng)的損傷性變化，從而獲得對(duì)音頻質(zhì)量的更深理解和優(yōu)化。此外，這種方法還能應(yīng)用于范圍廣泛的其它收音機(jī)。