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(多图) 车载FM收音机的性能测试

电子设计工程 David Brace?? Dominique Fortin?? Hans Troemel?? 2010年09月06日 ?? 收藏0

  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两个信号的强度。

本次测试行驶的线路地图
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。

信号强度的典型频谱
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)。

测试行驶期间两个信号的强度
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)。

用于驾驶测试车载FM收音机的RF记录
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。


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车载? FM收音机? PXI?

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