- 車載FM收音機的性能測試
- 車載FM測試方法分析
- 展現(xiàn)主要的可重復性問題
- 發(fā)生器輸出端準確地呈現(xiàn)射頻信號狀態(tài)
- FM衰落仿真器測試信號提供平落衰減響應
商用汽車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(shù)字信號處理(DSP)算法來克服反射、信號多徑和衰落等效應，所以他們經(jīng)常要去現(xiàn)場花數(shù)周的時間分析不同信號條件下的效果。而更實用和耗時更少的解決方案，是使用真實記錄的收音機信號仿真汽車AM/FM收音機設計在現(xiàn)場遇到的各種狀況。
一種頗具挑戰(zhàn)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(xiàn)很強的相鄰射頻信號時必定接收到較弱的信號。為評估不同收音機之間的主觀接收質量，OEM汽車收音機制造商經(jīng)常根據(jù)不同地區(qū)的特定場地路線實施測試計劃。例如在城市中行駛時，通常會遇到一種被稱為“市內(nèi)峽谷”的射頻環(huán)境，在這種環(huán)境中大型建筑物會產(chǎn)生對FM站臺來說復雜的多徑和陰影模式。人們經(jīng)常會使用頻道仿真器再現(xiàn)針對某個特定頻道的典型多徑模型。然而，當需要用多個仿真器仿真相鄰頻道干擾時，這種方法就不實用了，其中一個原因是汽車工業(yè)仍利用現(xiàn)場測試行駛方法來進行收音機的優(yōu)化。
然而，測試行駛方法只能展現(xiàn)主要的可重復性問題。由于天氣的變化和大型車輛的靠近，信號傳播狀態(tài)會不斷發(fā)生改變，因此任兩次測試行駛都不會得到相同的結果。另外，由于測試行駛是在很大的區(qū)域范圍內(nèi)完成的，要準確評估不同地區(qū)的AM/FM收音機設計性能，測試可重復性十分關鍵。幸運的是，由于射頻信號記錄和存儲技術的不斷發(fā)展，記錄真實的FM廣播信號完全可以替代傳統(tǒng)測試行駛方法實現(xiàn)商用AM/FM收音機設計的評估。
舉例來說，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)字記錄器采用美國國家儀器(NI)公司的PXI硬件架構，能同時記錄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(tǒng)具有80dB的無雜散動態(tài)范圍(SFDR)，看起來相當大，不過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一個“難以再現(xiàn)”的極端動態(tài)范圍測試案例，可以用來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，還有一個來自高大建筑物的陰影效應，它不時地妨礙直接視線接收。這種衰落很難用射頻信號發(fā)生器中的模型呈現(xiàn)，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目標頻率信號質量下降嚴重。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2個信號的強度。
圖1：本次測試行駛的線路地圖。
雖然射頻記錄與回放系統(tǒng)的動態(tài)范圍指標是80dB，但實際記錄顯示可用動態(tài)范圍大約為60dB至65dB。這種動態(tài)范圍的減少可以用數(shù)字轉換器的飽和以及多載波信號的峰均比(PAR)來解釋。為避免數(shù)字轉換器(信號削波)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。對于像城市環(huán)境中的FM波段或COFDM信號等多載波信號來說，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的可用動態(tài)范圍能夠實現(xiàn)高質量的多載波記錄。[page]
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(xiàn)在感興趣頻帶內(nèi)，射頻記錄與回放系統(tǒng)被證實能有效地捕獲多徑和微弱信號。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，信號質量沒有明顯下降，并且考慮了阻抗失配。這種射頻記錄與回放系統(tǒng)是針對50Ω阻抗設計的，而傳統(tǒng)的汽車FM天線和/或收音機輸入在FM時匹配到75Ω，在AM時匹配到高阻(1.5kΩ以上)。
圖3：測試行駛期間兩個信號的強度。
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。第一個發(fā)生器(發(fā)生器1)提供強大的干擾源。由于這個干擾源的本底噪聲在微弱信號頻率點很高，在將它與第二個發(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，需要用一個陷波濾波器抑制這個噪聲。陷波濾波器采用的是一個可以在10MHz范圍內(nèi)調(diào)諧的三極點腔體濾波器，至少具有50dB的抑制能力(圖5)。
圖4：用于駕駛測試車載FM收音機的RF記錄&回放系統(tǒng)的推薦解決方案。
發(fā)生器2與動態(tài)范圍擴展器(DRX)一起使用，后者是一種可編程的衰減器。通過提供對目標信號的衰減，本底噪聲同時得到衰減。另外，多徑衰落效應可以強加于微弱信號之上，因為DRX響應時間足以對衰落曲線作出反應(標稱值是每秒40次)。出于測試目的，收音機被安裝在屏蔽外殼內(nèi)，以抑制來自外部信號的潛在干擾。[page]
圖5：微波矢量網(wǎng)絡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(xiàn)射頻信號狀態(tài)。強大干擾源是通過發(fā)生器1從FM頻段的現(xiàn)場射頻記錄提供的。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)場記錄微弱信號時得到的功率曲線回放。
多徑衰落是移動信號接收時產(chǎn)生的一種常見信號損傷。對于FM信號來說，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，F(xiàn)M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(diào)諧器性能。
FM衰落仿真器允許采用像標準調(diào)幅/調(diào)頻發(fā)生器一樣產(chǎn)生的測試音，或者待調(diào)制的指定的.wav文件格式音軌。另外，所發(fā)生信號的包絡可以通過用制表符分隔的文本文件的回放進行調(diào)制。功率模式包絡可以通過對任何預記錄FM信號的簡單信號處理進行提取，方法是使用回放工具套件中的簡單工具。
圖6描述了測試裝置的基本功能。回放任何指定音頻信號或音軌、并且對目標信號應用多徑平落衰減損傷的能力提供了現(xiàn)場測試中不可能實現(xiàn)的額外自由度。由于所設計的DSP算法會根據(jù)音頻節(jié)目類型的不同作出不同的反應，這點非常重要。
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實現(xiàn)。
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)。在這些實驗條件設定好后，就可以計算系統(tǒng)的有效動態(tài)范圍。在現(xiàn)場ADC記錄動態(tài)范圍約65dB、FM腔體陷波濾波器約50db抑制能力下，這個測試系統(tǒng)在感興趣頻率點的動態(tài)范圍約為115dB。
圖7：系統(tǒng)動態(tài)范圍的計算。
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必須對115dB是否足夠用于測試標準FM收音機進行準確判斷。測試需要多大動態(tài)范圍取決于幾個條件：FM接收機具有4dB的噪聲指數(shù)、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(shù)增加1dB、射頻干擾信號只有110dBV。根據(jù)最后三個假設，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(shù))+30dB(因為去靈敏度)或19dBV。因測試所需的射頻動態(tài)范圍是91dB(110dB-19dB)，允許裝置提供超過20dB的余量用于案例測量。
在使用系統(tǒng)之前要對測量裝置進行測試，以便確認測量裝置不會引起任何可能降低測量精度的顯著噪聲或失真。還要通過調(diào)整相對的插入值對功率電平進行校準。指定電平在合成器輸出端——收音機天線連接點進行測量。線性度在要求的信號電平之上測量，要做到這一點，必須將兩個發(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。這里沒有可測量的三階互調(diào)(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能有效地抑制來自發(fā)生器的噪聲，而隨后在感興趣頻率點的測量受限于熱噪聲，而不是來自測試系統(tǒng)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(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頻率設置點觀察到以下現(xiàn)象：如果測試裝置有限制因素，那么音頻的信噪比(SNR)不會隨著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，從而證明來自測試裝置的噪聲不是106.7MHz測試頻率點的限制因素。
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，而這個射頻信號又是在測試行駛期間捕獲到的。音頻收聽測試是由專業(yè)收聽人士完成的。
音軌來自現(xiàn)場記錄期間使用的相同測試接收機的輸出和Averna實驗室。在記錄的信號中還有通過裝置的發(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相同的內(nèi)容和軌跡。
對這次測試工作總結如下：開啟URT射頻播放器，F(xiàn)M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(diào)諧到106.7MHz的微弱信號。接下來在RF回放期間記錄來自測試接收機的音頻，然后由訓練有素的專業(yè)收聽人員收聽從現(xiàn)場采集的記錄音頻。然后是在實驗室中收聽從測試裝置中采集到的記錄音頻。接著在保真度和質量方面對這兩個音頻記錄進行比較，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)過比較音頻記錄發(fā)現(xiàn)記錄是相似的。兩個音頻記錄都包含源自接收機內(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，在對微弱信號應用和不應用多徑衰落的情況下做了進一步的收聽測試，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值的工程測試工具，可以用來隔離現(xiàn)場的損傷性變化，從而獲得對音頻質量的更深理解和優(yōu)化。此外，這種方法還能應用于范圍廣泛的其它收音機。
