车载FM收音机的性能测试

 
商用汽车AM/FM收音机必须能在各种环境下可靠地工作。因为这些收音机的设计师采用数字信号处理(DSP)算法来克服反射、信号多径和衰落等效应，所以他们经常要去现场花数周的时间分析不同信号条件下的效果。而更实用和耗时更少的解决方案，是使用真实记录的收音机信号仿真汽车AM/FM收音机设计在现场遇到的各种状况。

一种颇具挑战性的AM/FM收音机性能测试是对相邻和/或交替频道性能的评估，因为收音机在出现很强的相邻射频信号时必定接收到较弱的信号。为评估不同收音机之间的主观接收质量，OEM汽车收音机制造商经常根据不同地区的特定场地路线实施测试计划。例如在城市中行驶时，通常会遇到一种被称为“市内峡谷”的射频环境，在这种环境中大型建筑物会产生对FM站台来说复杂的多径和阴影模式。人们经常会使用频道仿真器再现针对某个特定频道的典型多径模型。然而，当需要用多个仿真器仿真相邻频道干扰时，这种方法就不实用了，其中一个原因是汽车工业仍利用现场测试行驶方法来进行收音机的优化。

然而，测试行驶方法只能展现主要的可重复性问题。由于天气的变化和大型车辆的靠近，信号传播状态会不断发生改变，因此任两次测试行驶都不会得到相同的结果。另外，由于测试行驶是在很大的区域范围内完成的，要准确评估不同地区的AM/FM收音机设计性能，测试可重复性十分关键。幸运的是，由于射频信号记录和存储技术的不断发展，记录真实的FM广播信号完全可以替代传统测试行驶方法实现商用AM/FM收音机设计的评估。

举例来说，Averna公司的射频记录与回放系统能以14位的分辨率捕获完整的FM频带(20MHz带宽)。这款数字记录器采用美国国家仪器(NI)公司的PXI硬件架构，能同时记录GPS位置、收音机的音频，并能利用板载相机记录行驶测试的视频。该系统具有80dB的无杂散动态范围(SFDR)，看起来相当大，不过FM接收机可以处理从-2dBuV至+110dBuV(-109到+3dBm)的更宽信号电平范围。

曾经在美国的底特律做过一个“难以再现”的极端动态范围测试案例，可以用来评估收音机减轻很强相邻干扰效应的能力。在这次测试行驶中，本地的3kW发射机工作在107.1MHz，用于干扰来自底特律的106.7MHz信号。在测试行驶期间，干扰源功率在5dBV至95dBV之间变化，而目标频道功率在25dBV至50dBV之间变化。除了多径衰落外，还有一个来自高大建筑物的阴影效应，它不时地妨碍直接视线接收。这种衰落很难用射频信号发生器中的模型呈现，更适合记录与回放信号仿真。

图1显示了这次在地图上的测试行驶，其中3kW的发射机架在高大建筑物的楼顶。虽然天线在直接视线范围内，但干扰源处于峰值水平，接收到的106.7MHz目标频率信号质量下降严重。图2显示了信号强度的典型频谱，图3显示了测试行驶期间2个信号的强度。

图1：本次测试行驶的线路地图。

虽然射频记录与回放系统的动态范围指标是80dB，但实际记录显示可用动态范围大约为60dB至65dB。这种动态范围的减少可以用数字转换器的饱和以及多载波信号的峰均比(PAR)来解释。为避免数字转换器(信号削波)出现可能的饱和，被记录的数据必须至少低于饱和电平5dB。对于像城市环境中的FM波段或COFDM信号等多载波信号来说，被记录信号通常有10dB至15dB的PAR，因为射频信号链的20MHz通频带中存在多个射频信号的矢量叠加。这两种因素的组合使得60dB至65dB的可用动态范围能够实现高质量的多载波记录。

图2：信号强度的典型频谱。

尽管有这些限制，但是如果强干扰源(大于40dB)不出现在感兴趣频带内，射频记录与回放系统被证实能有效地捕获多径和微弱信号。这种系统采用噪声指数好于2dB的低噪声放大器捕获农村地区的微弱信号，信号质量没有明显下降，并且考虑了阻抗失配。这种射频记录与回放系统是针对50Ω阻抗设计的，而传统的汽车FM天线和/或收音机输入在FM时匹配到75Ω，在AM时匹配到高阻(1.5kΩ以上)。

图3：测试行驶期间两个信号的强度。

图4是推荐的解决方案的框图。该方案使用通用接收测试仪(URT)来复制像上述收音环境的测试条件。微弱信号是在有强大干扰源以及多径效应等障碍情况下接收到的。第一个发生器(发生器1)提供强大的干扰源。由于这个干扰源的本底噪声在微弱信号频率点很高，在将它与第二个发生器(发生器2)产生的微弱信号合并以仿真目标信号之前，需要用一个陷波滤波器抑制这个噪声。陷波滤波器采用的是一个可以在10MHz范围内调谐的三极点腔体滤波器，至少具有50dB的抑制能力(图5)。

图4：用于驾驶测试车载FM收音机的RF记录&回放系统的推荐解决方案。

发生器2与动态范围扩展器(DRX)一起使用，后者是一种可编程的衰减器。通过提供对目标信号的衰减，本底噪声同时得到衰减。另外，多径衰落效应可以强加于微弱信号之上，因为DRX响应时间足以对衰落曲线作出反应(标称值是每秒40次)。出于测试目的，收音机被安装在屏蔽外壳内，以抑制来自外部信号的潜在干扰。

图5：微波矢量网络分析仪测量到的陷波滤波器的频率响应。

在上述硬件配置和性能条件下，必须从发生器输出端准确地呈现射频信号状态。强大干扰源是通过发生器1从FM频段的现场射频记录提供的。通用接收测试仪(URT)射频记录器用于在典型气候条件下的测试行驶中捕获信号。微弱信号通过发生器2产生，需要用到FM衰落仿真器、.wav文件格式音轨以及在现场记录微弱信号时得到的功率曲线回放。

多径衰落是移动信号接收时产生的一种常见信号损伤。对于FM信号来说，多径衰落可能造成每秒多达好几次的信号丢失，具体取决于车辆的行驶速度。与各种效应更加全面的标准频道仿真器相比，FM衰落仿真器可以向测试信号提供平落衰减响应，而这种多径的近似通常足以测试FM调谐器性能。

FM衰落仿真器允许采用像标准调幅/调频发生器一样产生的测试音，或者待调制的指定的.wav文件格式音轨。另外，所发生信号的包络可以通过用制表符分隔的文本文件的回放进行调制。功率模式包络可以通过对任何预记录FM信号的简单信号处理进行提取，方法是使用回放工具套件中的简单工具。

图6 描述了测试装置的基本功能。回放任何指定音频信号或音轨、并且对目标信号应用多径平落衰减损伤的能力提供了现场测试中不可能实现的额外自由度。由于所设计的DSP算法会根据音频节目类型的不同作出不同的反应，这点非常重要。

图6：FM衰落仿真器可以用测试音或.wav文件以及功率模式文件来实现。

为方便案例分析，假设目标微弱信号的功率是30dBμV，强干扰源的功率是110dBμV，频率与目标信号相距400kHz。这将是一个应用于FM收音机的最严格测试，也是在测试行驶的最差部分中遇到的典型情景(图7)。在这些实验条件设定好后，就可以计算系统的有效动态范围。在现场ADC记录动态范围约65dB、FM腔体陷波滤波器约50db抑制能力下，这个测试系统在感兴趣频率点的动态范围约为115dB。

图7：系统动态范围的计算。

必须对115dB是否足够用于测试标准FM收音机进行准确判断。测试需要多大动态范围取决于几个条件：FM接收机具有4dB的噪声指数、宽带AGC阈值大约80dBV、由于干扰信号强度超出宽带AGC阈值而使噪声指数增加1dB、射频干扰信号只有110dBV。根据最后三个假设，接收机灵敏度将降低80dB至110dB或30dB范围。因此，这种情况下FM收音机接收机的本底噪声是-15dBV+4dB(因为噪声指数)+30dB(因为去灵敏度)或19dBV。因测试所需的射频动态范围是91dB(110dB-19dB)，允许装置提供超过20dB的余量用于案例测量。

在使用系统之前要对测量装置进行测试，以便确认测量装置不会引起任何可能降低测量精度的显著噪声或失真。还要通过调整相对的插入值对功率电平进行校准。指定电平在合成器输出端——收音机天线连接点进行测量。线性度在要求的信号电平之上测量，要做到这一点，必须将两个发生器在各自频率处设为CW模式，并且总功率电平要超过测试案例中使用的值。参考图8，发生器1被设为0dBm，发生器2被设为-20dBm。这里没有可测量的三阶互调(IM3)。图7描述了被设为接近最大测试条件的信号。

图8 和图9 所示的频谱分析仪波形证明了功率电平是精确的，并且不存在由于整合两个信号发生器而引入的IM3。额外的测试表明陷波滤波器确实能有效地抑制来自发生器的噪声，而随后在感兴趣频率点的测量受限于热噪声，而不是来自测试系统的噪声。音频测量是利用URT音频分析仪在干扰信号中心频率的不同偏移处于测试接收机的输出端进行的。这样，接收机去敏感效应将证明装置的本底噪声并不影响测试案例的测量。

两个发生器均设为FM模式：发生器1的频率为107.1、107.3、107.5和107.7MHz，输出功率为+3dBm，提供1kHz调制音、立体声模式和75kHz偏移；发生器2频率为106.7MHz，输出功率为-62dBm，提供1kHz调制音、单声道模式和22.5kHz偏移。

在不同的发生器1频率设置点观察到以下现象：如果测试装置有限制因素，那么音频的信噪比(SNR)不会随着干扰射频信号的远离而变化。如表所示，接收机的去灵敏作用是由强大的干扰源引起的，从而证明来自测试装置的噪声不是106.7MHz测试频率点的限制因素。

用于激励测试接收机的信号是从广播的射频信号中获取的，而这个射频信号又是在测试行驶期间捕获到的。音频收听测试是由专业收听人士完成的。

音轨来自现场记录期间使用的相同测试接收机的输出和Averna实验室。在记录的信号中还有通过装置的发生器1回放的射频信号。最后，发生器2与URTFM衰落仿真器一起用于产生106.7MHz的微弱信号。FM衰落仿真器使用的.wav文件与测试行驶期间做的空中音频记录有着相同的内容和轨迹。

对这次测试工作总结如下：开启URT射频播放器，FM衰落仿真器提供用于测试的目标射频信号，并传送给测试接收机，测试接收机则调谐到106.7MHz的微弱信号。接下来在RF回放期间记录来自测试接收机的音频，然后由训练有素的专业收听人员收听从现场采集的记录音频。然后是在实验室中收听从测试装置中采集到的记录音频。接着在保真度和质量方面对这两个音频记录进行比较，从而判断是否由于环境或信号衰落效应而发生了信号劣化。经过比较音频记录发现记录是相似的。两个音频记录都包含源自接收机内置DSP的相同降噪效果，例如从立体声到单声道的切换以及音频高频的截止。另外，在对微弱信号应用和不应用多径衰落的情况下做了进一步的收听测试，这样接收机去灵敏效应得到了隔离。

这种方法是一种很有价值的工程测试工具，可以用来隔离现场的损伤性变化，从而获得对音频质量的更深理解和优化。此外，这种方法还能应用于范围广泛的其它收音机。