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为何FM信号承载的音频只到15KHz?

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发表于 昨天 09:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
关键词: ETL , RWC2500A , FM , 音频

一、标准解读相关国际标准ITU-R BS.450、BS.640以及中国《调频广播技术规范》都明文规定:
– 音频通带 50Hz–15kHz(±1dB)
– 15kHz以上衰减≥40dB
标准将FM承载的音频信号频率限制在15KHz是为了防止邻道干扰,降低噪声,从而保证全球兼容。若发射端把15kHz以上频率的能量放出去,一般来说会被判定为“超标发射”。
二、标准限制15KHz的原因在FM广播里把音频信号的上限频率限制在15kHz,主要有三方面原因:
1、人耳可听范围与主观感知

     • 人耳对15kHz以上的声音非常不敏感,成年人往往只能听到16–17kHz以下,继续保留更高频段对“听感”几乎无贡献。

     • 音乐中的泛音能量在15kHz以上迅速衰减,保留它们对音色改善微乎其微,却带来额外噪声和失真。
2、带宽与信噪比的经济权衡
• FM的频道间隔通常为200kHz(北美)或100kHz(欧洲部分国家)。

    • Carson带宽公式:B≈2(Δf+fm),其中Δf为最大频偏(75kHz),fm为最高音频频率。
– 若fm=15kHz→B≈2(75k+15k) =180kHz,刚好落在200kHz的频道内。

       – 若fm提高到20kHz→B≈190kHz,边缘余量太小,邻道干扰风险大增。
• 更高的fm还会让噪声功率(与 fm²成正比)显著上升,降低信噪比
因此整体上来看,限制在15kHz可在“可听带宽”与“系统噪声”之间取得最优折中。
3. 历史标准与兼容性
• 1961年制定的FM立体声标准直接沿用了早期单声道FM的15kHz上限,全球接收机无需改动即可兼容。
• 电视伴音、无线麦克风、对讲机等大量衍生系统也照此设计,形成产业惯性。

因此,FM广播把音频上限定在15kHz,是一种兼顾“人耳感知、带宽利用、信噪比、历史兼容”的综合工程决策。
鉴于此,预加重曲线也都是到15KHz。
三、现代仪器的设计架构限制 我们看一下MPX的频谱图,如下:

                              

现代仪器得益于现代电子技术的发展,可以通过更多的软件工程实现仪器更灵活的升级和兼容性,比如一台仪器可以实现多个标准的兼容。但是软件工程主导的仪器也会有一些缺陷,毕竟“鱼和熊掌不可兼得”。
现代仪器或多或少都会更多采用软件技术,比如软件滤波。我们要对MPX进行解码时,就需要利用软件滤波来进行处理。为了很好的获得L和R信号,我们需要进行低通滤波,考虑到19KHz的导频信号,滤波器截止频率需要在15KHz和19KHz之间做个权衡(滤波曲线影响),RWC2500A选择在16KHz,这也是我们的LPF设置只到16KHz的根本原因。不仅RWC2500A如此,ETL也如此。

    其实归根结底,还是整个标准体系基本只考虑到了15KHz,所以导频才设置在19KHz。
四、两个核心指标分析
基于上述分析,有两个核心指标需要讨论:
1、频率响应

频率响应按照标准要求测试到15KHz就可以反应性能,所以RWC2500A目前按照15KHz来显示结果。

值得注意的是:演播室应用比较特殊,演播室不仅仅应对FM广播发射要求,还要考虑各类其他的广播电视应用,比如DAB/DRM或CDR等数字广播应用,而数字广播是要求支持到20KHz的音频范围的。这类测试需要兼容到20KHz。
2、THD测试
THD本质上是检测信号的谐波成分,最低是2次谐波。按照我们前述的LPF设置到16KHz为例,那么可以支持的基带音频频率就是8KHz。换句话说,高于8KHz的基带音频,谐波成分将不会得到计算,因此所有的THD值理论上就是0。
不仅RWC2500A如此,ETL亦如此。
五、总结

现代广播测试仪器如R&SETL和RWC2500A,大都是在基础硬件架构上尽可能采用软件技术,实现更好的标准兼容性和扩展性,功能强大,展示灵活,数据导入导出方便。这类仪器与几十年前的晶体管仪器有所不同,很多滤波都是基于软件算法。

按照标准要求和实际测试仪器开发需要,针对FM立体声测试,我们实现到15KHz的频率响应测试已经满足标准要求。更重要的是,几十年前行业测试标杆仪器FMAB几乎绝迹,R&S替代FMAB的仪器ETL也已停产,即便不停产,ETL在某些表现上也不如FMAB,尤其是滤波特性、谐波特性和平坦度方面。       RWC2500A性能指标匹敌ETL,同时解决了ETL不支持AM实时解调测试的问题。更重要的是,RWC2500A解决了FMAB和ETL操作界面和流程极其复杂的问题。从这个意义上说,RWC2500A是FMAB和ETL的完美延续,继续为广播发射质量保驾护航。

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