眼圖在數字音頻傳輸系統維護中的應用探討

國家新聞出版廣電總局2022臺 呂紅梅

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眼圖在數字音頻傳輸系統維護中的應用探討

國家新聞出版廣電總局2022臺 呂紅梅

【摘要】本文介紹了數字音頻信號的基帶傳輸特性，示波器觀測數字信號時眼圖的形成原理，闡述了它在數字音頻傳輸系統性能評測中的應用和在廣播發送電臺設備維護中的意義。

【關鍵詞】眼圖；數字音頻；傳輸系統

1 引言

大功率中短波調幅廣播發射機，常用于遠距離音頻節目發送。工作中，節目傳輸系統接收衛星廣播信號，經過解碼、解復用后由數字音頻傳輸系統傳送至各發送機房，經D/A轉換后送至發射機高頻功放，對載波信號進行幅度調制后上天線以電磁波的形式發送至各服務區。

數字音頻信號的傳輸質量，直接影響到服務區的收聽效果。因此，充分了解數字音頻信號的傳輸特性、做好對音頻信號傳輸通路的維護，以優化數字節目的傳輸質量，是基層臺站維護工作的重要工作之一。眼圖將數字傳輸信道上的各項參數直觀的展示于我們面前，通過對眼圖的觀測，可以評估信道受干擾情況以及抗噪能力，可以調整接收濾波器以減小碼間串擾，改善系統傳輸性能，是測量、維護數字音頻通信鏈路最簡單直觀和行之有效的方法之一。

2 數字音頻信號基帶傳輸特性

廣播發送中使用的數字音頻信號，具有數字信號基帶傳輸的共性。理想狀況下的數字基帶信號波形為矩形波，在研究其頻譜時，往往只畫出能量最集中的頻譜范圍，而實際應用中基帶信號在頻域內是無限延伸的。在應用中，由于信道的帶寬是有限的，若傳輸碼型直接采用矩形脈沖的基帶信號，則系統接收端接收到的信號頻譜與發送端的有所不同，必定產生波形失真。因此數字基帶信號在信道傳輸中常采用濾波器產生出平滑的波形進行傳輸。

數字基帶信號的產生由碼型編碼和波形形成兩步完成。輸入信號經碼型編碼后產生δ脈沖序列，δ脈沖序列經過波形形成單元后，轉換為適合信道傳輸的波形信號，其方框圖如圖1所示。

圖1 基帶傳輸系統方框圖

由奈奎斯特第一準則可知，數字信號通過某一信道傳輸時，如信號傳輸速率為Bb=2Bc （Bc為信道物理帶寬），各碼元的間隔T=1/2Bc，該數字序列就可以做到無碼間干擾傳輸了，這時Bc=1/2T稱為奈奎斯特帶寬，T稱為奈奎斯特間隔。也就是說接收端接收到的波形滿足抽樣值無失真傳輸的充要條件是：本碼元僅在其抽樣時刻上具有最大值而對其他碼元的抽樣時刻信號無影響，那么信號經過信道傳輸后雖然整個波形發生變化，只要其取樣值保持不變，仍然可以通過再生判決，準確無誤的恢復出原始信號。因此大部分數字信號的有線傳輸，信號頻帶并不是突然截止的，基帶頻譜是在逐漸衰減的，具體與設計時的滾降系數有關系，如圖2所示。

圖2 碼元波形形成

3 眼圖形成原理及其測量方法

噪聲和碼間串擾對數字音頻信號的傳輸質量具有很大的影響，為改善其傳輸質量，在系統維護中常利用示波器觀測碼元傳輸效果，從而評估傳輸系統性能，根據實際情況當調整濾波器。觀測中示波器所獲得的圖形，稱為眼圖。

需要觀測眼圖時，用一臺具有時域分析功能的示波器，在示波器輸入端加待測信號，同時以位定時信號作為掃描同步信號，調整示波器的水平掃描周期使其與接收碼元的周期相同步。對于二進制數表示的數字信號，示波器上顯示出的圖形與人眼很像，因此稱之為“眼圖”。其生成原理如圖3所示。首先示波器采集到一串連續的數據波形；然后使用軟件恢復時鐘，用恢復的時鐘切割每個比特的波形；最后，所有比特疊加得到眼圖。

圖3 二進制眼圖的形成

眼圖顯示出可能取得的數據波形圖的所有瞬時值，在輸入完全隨機的情況下，各不同波形疊加后會形成若干個眼孔，眼孔開啟的大小表征了信號的傳輸質量。在有噪聲和符號間干擾的情況下，眼圖是由很多具有一定偏移的線條組成，線條疊加后看起來如同構成眼圖的線條變寬了，造成水平和垂直方向上眼睛的睜開程度均減小了，等效于眼圖的聚焦點發生擴散。在理想情況下，即無噪聲和碼間串擾時，無波形失真，眼睛張開最大；當有噪聲和碼間串擾時，波形產生失真，引起眼睛部分閉合，因此可由眼圖中眼睛張開的大小程度表示波形失真的程度。由此可見，通過觀察眼圖，可以直觀的觀測到噪聲和碼間串擾對傳輸系統的影響，評估某個數字音頻傳輸系統的性能優劣。

如圖4所示，把眼圖抽象成一個模型，可以通過眼圖獲得以下信息：

圖4 二電平數據信號眼圖模型

（1）最佳抽樣時刻，應該選擇眼圖張開最大的時刻，此時信噪比也最大。

（2）系統對定時誤差的靈敏度由眼圖斜邊的斜率表示，斜率越大，系統對定時誤差越靈敏，對定時穩定性的要求也越高。

（3）在抽樣時刻，上下兩個陰影區的高度稱為信號失真量，它由碼間串擾和噪聲疊加形成，當碼間串擾嚴重到一定程度時，眼睛將會完全閉合，此時無法通過再生決準確恢復出信息碼元，必須對碼間串擾進行糾正。

4 眼圖在數字音頻傳輸系統維護中的應用

在基層發射臺站中，節目傳輸機房接從衛星接收數字音頻信號，利用光纖遠距離傳輸至發射機房，再由數字音頻電纜送至每部發射機。系統中包含有光傳輸和電傳輸，中間節點較多，隨著使用時間的推移，設備、線路均出現老化，再加上大功率發射機房的強電磁環境，勢必會影響到傳輸系統的性能。因此，必須針對音頻傳輸系統制定一套行之有效的測試、維護標準和方法，形成維護規程。而利用眼圖測量法檢驗系統傳輸性能是最行之有效、可操作性最高的方法之一。

影響數字音頻傳輸系統性能的主要測試指標有：數字信號的幅度值；信號延遲、抖動及傳輸阻抗等。在實際應用當中，傳輸系統出現異常的表現形式很多，但其本質大多由信號傳輸中的傳輸誤碼造成。通過觀測眼圖張合程度，可以判斷出系統出現誤碼率的程度，從而采取有效措施以便提高信號傳輸質量。

外加噪聲對數字信道的干擾主要有加性和乘性兩種方式。加性噪聲干擾由噪聲和傳輸信號相加產生，地阻耦合、漏電流等產生的干擾，往往會疊加于信號上產生加性干擾，表現在眼圖上，主要改變圖形的縱向張合度。最可能的原因是由線路老化引起，可通過加強屏蔽、隔離、接地、濾波或更換傳輸線等方法予以抑制。乘性噪聲干擾由噪聲和傳輸信號相乘產生，主要產生原因是由傳輸線的衰減、時延和阻抗失配等因素引起的反射干擾和碼間干擾，表現在眼圖上，圖像會發生抖動。實際故障排查中，對于周期性抖動，考慮開關電源和串擾，而隨機抖動，多考慮基準時鐘和鎖相環PAL電路。

5 結語

通過對數字音頻信號傳輸特性以及眼圖形成原理的論述，可知眼圖在音頻傳輸系統維護中具有舉足輕重的作用，對設備進行周期性測量、評估系統性能，提前處理可能發生的故障，做好預防性維護，對于確保安全傳輸發射工作具有重要的意義。

參考文獻

［1］張衛綱.通信原理與通信技術［M］.西安電子科技大學出版社，2003.

［2］陳麗華.基帶傳輸系統及其誤碼分析［M］.機械工業出版社，2005.