為何FM信號(hào)承載的音頻只到15KHz

一、標(biāo)準(zhǔn)解讀
相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ITU-R BS.450、BS.640以及中國(guó)《調(diào)頻廣播技術(shù)規(guī)范》都明文規(guī)定：
– 音頻通帶 50Hz–15kHz（±1dB）
– 15kHz以上衰減≥40dB
標(biāo)準(zhǔn)將FM承載的音頻信號(hào)頻率限制在15KHz是為了防止鄰道干擾，降低噪聲，從而保證兼容。若發(fā)射端把15kHz以上頻率的能量放出去，一般來說會(huì)被判定為“超標(biāo)發(fā)射”。

二、標(biāo)準(zhǔn)限制15KHz的原因
在FM廣播里把音頻信號(hào)的上限頻率限制在15kHz，主要有三方面原因：
1、人耳可聽范圍與主觀感知
    • 人耳對(duì)15kHz以上的聲音非常不敏感，成年人往往只能聽到16–17kHz以下，繼續(xù)保留更高頻段對(duì)“聽感”幾乎無貢獻(xiàn)。
    • 音樂中的泛音能量在15kHz以上迅速衰減，保留它們對(duì)音色改善微乎其微，卻帶來額外噪聲和失真。
2、帶寬與信噪比的經(jīng)濟(jì)權(quán)衡
   • FM的頻道間隔通常為200kHz（北美）或100kHz（歐洲部分國(guó)家）。
   • Carson帶寬公式：B≈2(Δf+fm)，其中Δf為頻偏（75kHz），fm為音頻頻率。
– 若fm=15kHz→B≈2(75k+15k) =180kHz，剛好落在200kHz的頻道內(nèi)。
      – 若fm提高到20kHz→B≈190kHz，邊緣余量太小，鄰道干擾風(fēng)險(xiǎn)大增。
   • 更高的fm還會(huì)讓噪聲功率（與 fm2成正比）顯著上升，降低信噪比
因此整體上來看，限制在15kHz可在“可聽?zhēng)挕迸c“系統(tǒng)噪聲”之間取得折中。
3. 歷史標(biāo)準(zhǔn)與兼容性
• 1961年制定的FM立體聲標(biāo)準(zhǔn)直接沿用了早期單聲道FM的15kHz上限，接收機(jī)無需改動(dòng)即可兼容。
• 電視伴音、無線麥克風(fēng)、對(duì)講機(jī)等大量衍生系統(tǒng)也照此設(shè)計(jì)，形成產(chǎn)業(yè)慣性。
因此，F(xiàn)M廣播把音頻上限定在15kHz，是一種兼顧“人耳感知、帶寬利用、信噪比、歷史兼容”的綜合工程決策。
鑒于此，預(yù)加重曲線也都是到15KHz。

三、現(xiàn)代儀器的設(shè)計(jì)架構(gòu)限制
我們看一下MPX的頻譜圖，如下：

現(xiàn)代儀器得益于現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，可以通過更多的軟件工程實(shí)現(xiàn)儀器更靈活的升級(jí)和兼容性，比如一臺(tái)儀器可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的兼容。但是軟件工程主導(dǎo)的儀器也會(huì)有一些缺陷，畢竟“魚和熊掌不可兼得”。
現(xiàn)代儀器或多或少都會(huì)更多采用軟件技術(shù)，比如軟件濾波。我們要對(duì)MPX進(jìn)行解碼時(shí)，就需要利用軟件濾波來進(jìn)行處理。為了很好的獲得L和R信號(hào)，我們需要進(jìn)行低通濾波，考慮到19KHz的導(dǎo)頻信號(hào)，濾波器截止頻率需要在15KHz和19KHz之間做個(gè)權(quán)衡（濾波曲線影響），RWC2500A選擇在16KHz，這也是我們的LPF設(shè)置只到16KHz的根本原因。不僅RWC2500A如此，ETL也如此。
其實(shí)歸根結(jié)底，還是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系基本只考慮到了15KHz，所以導(dǎo)頻才設(shè)置在19KHz。

四、兩個(gè)核心指標(biāo)分析
基于上述分析，有兩個(gè)核心指標(biāo)需要討論：
1、頻率響應(yīng)
頻率響應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試到15KHz就可以反應(yīng)性能，所以RWC2500A目前按照15KHz來顯示結(jié)果。
值得注意的是：演播室應(yīng)用比較特殊，演播室不僅僅應(yīng)對(duì)FM廣播發(fā)射要求，還要考慮各類其他的廣播電視應(yīng)用，比如DAB/DRM或CDR等數(shù)字廣播應(yīng)用，而數(shù)字廣播是要求支持到20KHz的音頻范圍的。這類測(cè)試需要兼容到20KHz。
2、THD測(cè)試
THD本質(zhì)上是檢測(cè)信號(hào)的諧波成分，是2次諧波。按照我們前述的LPF設(shè)置到16KHz為例，那么可以支持的基帶音頻頻率就是8KHz。換句話說，高于8KHz的基帶音頻，諧波成分將不會(huì)得到計(jì)算，因此所有的THD值理論上就是0。
不僅RWC2500A如此，ETL亦如此。

 五、總結(jié)
現(xiàn)代廣播測(cè)試儀器如R&S ETL和RWC2500A，大都是在基礎(chǔ)硬件架構(gòu)上盡可能采用軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更好的標(biāo)準(zhǔn)兼容性和擴(kuò)展性，功能強(qiáng)大，展示靈活，數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出方便。這類儀器與幾十年前的晶體管儀器有所不同，很多濾波都是基于軟件算法。
按照標(biāo)準(zhǔn)要求和實(shí)際測(cè)試儀器開發(fā)需要，針對(duì)FM立體聲測(cè)試，我們實(shí)現(xiàn)到15KHz的頻率響應(yīng)測(cè)試已經(jīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。更重要的是，幾十年前行業(yè)測(cè)試儀器FMAB幾乎絕跡，R&S替代FMAB的儀器ETL也已停產(chǎn)，即便不停產(chǎn)，ETL在某些表現(xiàn)上也不如FMAB，尤其是濾波特性、諧波特性和平坦度方面。       RWC2500A性能指標(biāo)匹敵ETL，同時(shí)解決了ETL不支持AM實(shí)時(shí)解調(diào)測(cè)試的問題。更重要的是，RWC2500A解決了FMAB和ETL操作界面和流程極其復(fù)雜的問題。從這個(gè)意義上說，RWC2500A是FMAB和ETL的延續(xù)，繼續(xù)為廣播發(fā)射質(zhì)量保駕護(hù)航。