为何FM信号承载的音频只到15KHz?

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&S ETL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。

审核编辑 黄宇