调频立体声广播原理

-1-第一章调频立体声广播原理第一节调频广播的发展史调频方式是1935年在美国的实验室证明可以用来作为广播的一种调制方式。1941年5月，美国首先开始在43～50MHz波段进行调频广播（随后频率改变为88～108MHz），但发展缓慢。在1958年开始双声道调频立体声广播，并在1961年，美国联邦通信委员会（FCC）决定采用AM－FM制（GE－Zenith制式，即我们现在所说的导频制）为立体声调频广播制式。由于这一制式的确立，调频立体声广播从此在世界各发达国家迅速开展，例如苏联从1959年，原西德从1963年，日本从1962年开始立体声调频广播。在欧洲，调频广播得到了更加积极和广泛的实施，因为这种方式解决了在比较密集狭小的地区内，中波广播频带不够分配而导致的串台现象严重的问题。而在日本开始采用调频广播的目的是它可以排除邻国中波台的串扰，提高广播音质，并在70年代以后得到迅猛的发展。在我国，上世纪50年代末就开始了试验性调频广播，当时主要用于节目传输。对于新中国来说，在相当长的时间内，广播首先要解决幅员辽阔、人口覆盖的问题和对外的宣传问题，因此中波广播和短波广播是更为有效的方式。进入上世纪80年代以后，直至2000年以前，随着“四级办广播”的指导方针的确定，极大地调动了各地方办台的积极性，调频广播方式开始为各级电台所采纳。随着电子元器件的发展和通讯技术的进步，到80年代后期我国的调频广播迅速的发展起来。中央及省级调频台大部分采用10kW功率等级电子管发射机，发射台一般设置在高山上和电视塔上，覆盖着城市稠密的人群；中小城市一般采用自立式铁塔作支撑架设天线，多采用300W～5kW电子管发射机；而县乡城镇多采用小调频10W～100W。到上世纪90年代初，我国的调频发射机研制生产能力已得到长足的进步，陆续推出了-2-300W、1kW的全固态调频立体声广播发射机，并能批量生产。此后调频广播主要向立体声、多功能附加信道、全固态方向发展，对设备性能要求越来越高，节目内容也越来越丰富，新闻、教育、文化、科技宣传、娱乐和各种广告等各种信息服务应有尽有，极大的丰富了人们的业余文化生活，听众参与节目十分踊跃，这一时期是调频广播发展的鼎盛时期。目前国内的广播发射设备制造厂商已能提供从10W～10kW各种功率等级的全固态调频立体声广播发射机，包括天馈系统在内的整个环节都已实现了国产化。本书以1kW全固态调频立体声广播发射机为参考机型，讲述调频立体声广播发射机的原理、操作与维护。第二节调频广播的基础理论通信广播的各种方式都是要利用电磁波来传送信息，把电磁波作为载体，以不同的方式把信息装载后发射出去，在接收端再以相应的方式把信息取出来。前一过程称之为调制（Modulation），后一过程则称为解调（Demodulation）。作为载体的电磁波用数学表达式可表示如下，在以后叙述中我们称之为载波信号：或式中，uC(t)——任意时间t的电压；UC——载波信号的最大振幅；ωC——（＝2πfC）载波信号的角频率；fC——载波频率①；t——时间，以后有时间的量以瞬时值描述。作为调制信号的音频，以单音为例，用数学表达式表示如下：①我国标准规定，531～1602kHz为中波调幅波段，2.2～26MHz为短波调幅波段，87～108MHz为调频波段。式（1－2）tFUtUtu2coscos)(tfUtuCCC2cos)(式（1－1）tUtuCCCcos-3-式中，uΩ（t）——调制音频电压瞬时值；UΩ——调制音频电压的最大峰值；Ω——调制音频的角频率；FΩ——调制音频频率①。到目前为止，作为模拟广播发射机的主要调制方式有两种，即调幅AM（AmplitudeModulation）和调频FM（FrequencyModulation）。为便于理解，以下以调幅和调频作为对比，分析它们的调制方式不同点。调幅方式顾名思义就是把调制信号加到载波信号的振幅上，使得载波信号的振幅大小随着调制信号的大小而变化。用数学表达式可表达为：式中，uα(t)——经过幅度调制的载波瞬时电压，简称已调波信号；mα（＝CUKU）称为调制系数，其中K为比例系数。比较式（1－1）和式（1－3）可发现，式（1－1）中的振幅项UC变成了)cos1(tmUC，即载波的幅度变成随调制信号而变化的变量，并且可以调节调制的深度，完成了调幅的目的。调频就是对式（1－1）中载波的频率项fC（或角频率ωC）进行调制，使载波的瞬时频率随着音频调制信号的大小而变化，在最终的结果上，实际上是总相角ωCt随调制信号的变化，而载波的幅度保持不变。当调制信号为式（1－2）的uΩ(t)时，按频率调制的定义，调频波的瞬时频率应该以载波频率为基准，随着调制信号的大小偏移基准值，即：①中波调制频率范围一般为50Hz～8kHz，调频调制频率范围为30Hz～15kHz。ttKUUtuCCcos)cos()(ttUUKUUCCCCcos)cos(ttUmUCCCcos)cos(ttmUCCcos)cos1(式（1－3）-4-式中，ωC——未受调制时的角频率；Δω(t)——调制后角频率的变化量，叫做瞬时角频率偏移，它与调制电压的幅度成正比；Kf——比例常数。Δω(t)的最大值叫做最大偏移，以Δω表示，即：习惯上把最大频移称为频偏。在调频广播发射机中主信号标准频偏为±75kHz，而最大频偏为±100kHz。这是关于调频方式概念上的了解，以下的数学分析过程则可求得调频波的最终表达式，并且会得到调频波的相关参数的表征方法。已知调频波的角频率，那么，它的总相角可表示为：式中，ttfdttUKdttt00)()()(是调频波的相位变化量，它和调制电压对时间的积分成正比，因此调频波的瞬时表达式为：)()(ttC)(tUKfC式（1－4）UKfmaxf(t)UKttCdttdttt00)()()(tCdttt0)()(ttC式（1－5）)(cos)(tUtuCftfCCdttUKtU0)(costUKtUfCCsincostmtUfCCsincos式（1－6）-5-式中，UKmff称为调频波的调频指数，它是以弧度为单位的调频波的最大相位偏移。调频指数和调制信号的振幅成正比，和调制信号的角频率成反比。这里需要特别提及的是调频波的频谱，它不像调幅波所产生的上下两个边带那么简单。由于数学推导过程非常复杂繁琐，这里我们仅利用已有结论。从理论分析上已经证明，调频波的频谱是由载频ωC和无数对边频（ωC±nΩ）组成。其中n为任意正整数（n＝1，2，3，……）。也就是说，调频波的边频有无限多个，因而频带也为无限宽，相邻边频之间的间隔等于调制信号频率Ω。但实际上调频波能量的绝大部分是集中在载频附近的一些边频中，跟调频指数mf的关系是：在当n（mf＋1）时，边频的幅度已降到小于0.1，滤除掉大于（mf＋1）的边频分量，对调频波的失真影响不大，因此得到以下重要结论，也是通常计算调频波频谱有效宽度的原则，即：式中，Fmax为最高调制频率。当Fmax＝15kHz，频偏Δfm为规定的75kHz时，单音调频波的频带宽度通常记为：在要求两相邻电台干扰比较小，或要求非线性失真很小时，带宽还应适当的加宽一些。通常取：由以上公式可以看出调频波的频带宽度主要取决于调制信号的最高频率，在频偏受限的情况下调频指数也由调制频率确定，调制频率低时，调频指数较高，调制频率高时，调频指数较低。最低即为Fmax＝15kHz时，mf＝5。由于调频指数mf随着调制频率的升高而减小，max12Fmfmax2Ffm式（1－7）max2FfmkHz18015752max12Fmmff式（1－8）-6-因此表现在接收效果上调制音频的高端信噪比比较差，针对调频发射机的这一缺点，专门采用了预加重与去加重技术措施来改善高端信噪比。具体原理如下：在发射端将音频信号的高端部分提升即称为预加重。提升点选择在音频信号频谱密度下降了3dB时所对应的频率值。对于调频广播，f约为3.2kHz，这时τ＝50μs。典型的预加重网络和特性及参数值如下：（a）(b)图1-1预加重网络与特性F4001K3K5K7K10K12K15KdB00.412.765.337.5910.3011.7313.60表1-150μs标准预加重提升值在接收端（收音机）鉴频器之后，设置具有相反特性的去加重网络，仍选取3.2kHz为基准点，最后使加重的信号恢复到它原来的相对值上。去加重网络及去加重特性如下：-7-（a）(b)图1-2去加重网络与特性经过预加重－去加重处理后的调频信号，信噪比得到很好改善。例如Fm＝15kHz，τ＝50μs时，噪小减小到十分之一。调频广播与中波调幅广播相比，调频广播具有以下特点和优势，因此得到了迅速发展。1、没有信号串扰现象中、短波段电波可以被电离层反射，因而可以传到很远的地方，其传播距离还受地面环境、天气变化的影响，覆盖范围内信号变化较大，也容易形成相近频率电台间的串扰。调频广播使用超高频波段，只能在视距范围内传播，在视距范围以外信号迅速衰落，因而就不会形成串扰，有利于频谱的高效利用。2、信噪比好调频广播不同于调幅的最大区别在于调幅信号是电波的幅度随信号变化，因此只要外界存在如荧光灯、电器设备等产生火花脉冲类信号都极易进入收音机形成干扰，因为它迭加在信号幅度上，因此难以排除。而调频信号是等幅的电波，接收信号可以通过限幅放大来恢复，并且因为调制度大，所以信噪比好。另外，在超高频波段，外部能产生的噪声也小，所以可以实现高信噪比的优质广播。3、动态范围宽动态范围是指人耳听觉能够感受到的不失真的音量变化范围。中波广播因为调制度受到-8-限制，加之为提高信号响度，一般都采用措施提高平均调制度，因此信号动态范围小，适合于声音广播。而调频广播由于本身信噪比高，实际动态范围可达60dB以上，可以较好的表现一般音乐信号，适合于各类节目播出。4、能进行高保真度广播仅仅是信噪比好、动态范围宽还不够，要进行高保真度广播，还必须能够实现音频信号足够的带宽，这一点调频广播也完全能够满足，一般情况下，人耳所能闻听的最高音频为15kHz，如前所述，在规定的75kHz频偏时，调制带宽可满足15kHz调制。而中波调幅广播，按规定每个电台占用的频带宽度应当是9kHz，但通常大都占有14kHz左右，即调制频率最高可限制到7kHz，很明显保真度不高。5、可以进行立体声广播因为调频广播具有以上高信噪比、宽动态范围和能够进行高保真度广播的优越特性，所以可以由一部发射机进行高质量的双声道立体声广播。第三节调频立体声广播的原理从调频的方式来讲，单声与立体声都是一样的。调频立体声广播关键要解决的问题是如何把左（L）、右（R）两个声道分别录制的声频信号送入调制器，而且同时要考虑好接收端如何恢复解调出左、右两路信号，因为立体声重放系统要求左、右路信号独立。这里有一个前提条件，即经过立体声调制的信号，首先要兼容普通单声道收音机的收听，并且调制度、信噪比等技术指标降幅不能太大。经过数十年的努力与实践，目前双声道立体声调频广播的制式趋向统一，即绝大多数国家都采用了调频－调幅（即称为导频制的GE－Zenith）制式。这种制式把左、右声道信号之和（L＋R）作为声频段的和信号，简称为M，作为单声道接收的信号，频带范围为30Hz～15kHz。把左、右声道信号之差（L－R）作为声频段的-9-差信号，简称S，并采用拟制载波的调幅方式调制在副载波上，副载波频率规定为38kHz，因此形成频段38±15kHz，即23kHz～53kHz的调幅差信号。经这样处理后的信号两项加起来用数学式表达为：tSMtRLRLtuSSsinsin式中ωS即为副载波的角频率，另外为了在接收端解调出差信号（L－R），则