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1、第一章 调频立体声广播原理 西安海通公司 赵伟,第一节 调频广播的发展史 1935年在实验室证明可以用来作为广播的一种调制方式，1941年美国建立起世界上第一个调频电台。 工作频段：VHF（视距传播）； 频率范围：87-108MHz； 带宽：理论带宽为，有效带宽为200 KHz左右； 调频时主载波的最大频偏为 75KHz。,在我国，上世纪50年代末就开始了试验性调频广播。 到80年代后期我国的调频广播迅速的发展起来。 调频广播主要向立体声、多功能附加信道、全固态方向发展 。,第二节 调频广播的基础理论,通信广播是利用电磁波作为载体来传送信号，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
2、方式把信息取出来。前一过程称之为调制，后一过程则称为解调 。 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： u c (t)= Uc cos(ct) 作为调制信号的音频，以单音为例，用数学表达式表示如下： u(t)= U cost,到目前为止，作为模拟的广播发射机的主要调制方式有两种，即调幅AM（Amplitude Modulation）和调频FM（Frequency Modulation）。 调幅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： u c (t)= Uc (1+m c cost ) cos(ct) 式中m
3、 c （K U / Uc ）称为调制系数，其中K为比例系数。,调频就是对载波的频率项f c （或角频率c）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c t随调制信号的变化，而载波的幅度保持不变。 用数学表达式可表达为： u c (t)= Uc cos c t + mf sin t 式中mf =Kf U /称为调频指数，可为任意正值，从物理意义上说，调频指数代表着在调频过程中相角偏移的幅度。 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。,调频波的频谱分析 调频波的频谱，它不像调幅波所产生的上下两个边
4、带那么简单。从理论分析上已经证明，载波被单音频信号调频后产生的频谱，除了载频分量c外，上下各有无数个边频分量cn，它们与载频分量的距离恰为调制信号频率的整数倍，奇次上下边频分量的相位相反，偶次上下边频分量的相位相同，载频分量及各边频分量的振幅，由对应的各贝塞尔函数值确定。,贝塞尔函数值随m变化的规律,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（17）,在要求两相邻电台干扰比较
5、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。 由于调频指数mf随着调制频率的升高而减小，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。,调频广播的预加重与去加重特性,为了提高其信噪比，在调频广播中通常使用一种加权方法，即人为在接收机鉴频器后的音频系统中加上高音频衰减网络使高音频段内幅度较高的噪声得到衰减。接收机中的这种措施称为“去加重”，
6、相应的衰减网络叫去加重衰减。 但是，在去加重的同时，节目信号的高音频成分也衰减了，使节目原貌发生变化。为了保持广播节目的本来面目，在发射端，人为地将音频调制信号的高音频成分加以提升，这中措施叫“预加重”，即通过高音频提升网络增强高音。,如果“预加重”量与“去加重”量相当，就能既完好保持节目的本来面貌（各种频率成分的振幅固有关系），不会发生频率失真，又抑制了高音频成分的噪声。 由于节目信号的高能量信号主要集中在低音频和中音频段，大幅度的高音频成分很少，因此，由于预加重而产生过调制的概率很小。 国际上对预加重与去加重特性有明确的规定，发射端调频器之前的预加重频率特性必须与接收端鉴频器后的去加重频率
7、特性成反函数的关系。,预加重频率特性为： Fp() = = = 去重频率特性为： Fd() =1/ =1/ =1/,习惯上将预加重和去重频率特性用对数表示，预加重频率特性为： 20lgFp() =10 lg 1+ (2f )2 （dB） 去重频率特性为： 20 lg Fd()=-10 lg 1+ (2f )2 （dB） 上式中的f0是幅度提升3dB或衰减3dB时的频率。 = 1/0=1/(2f0) ,具有时间量纲，称为时间常数。 不同的值对应不同的频率特性。通常规定 =50s或 =75s。我国在调频广播中规定 =50s。,不同值的预加重特性,由曲线可以看出，使用不同的值，同一提升量对应不同的频
8、率，或者说同一频率时有不同的提升量。,调频广播的特点 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） 失真小 调频广播造成失真的来源不同于调幅广播。 调幅波失真来源：调幅信号是幅度变化的信号，与调制信号成线性的关系受到损害就意味着失真。 调频波失真来源：调频波的幅度是恒定的，高频振荡的频率随着调制信号线性变化。,（2）抗干扰能力强： 多种干扰电波（天电干扰、工业干扰、其他电台的干扰）一般为幅度变化的干扰，而振幅的变化可以通过接收机中的限幅器使其不产生影响，调频广播的干扰影响远小于调幅广播。 （3）信噪比好 调频信号是等幅的电波，接收信号可以通过限幅放大来恢
9、复，并且因为调制度大，所以信噪比好。,（4）动态范围宽 （5）能进行高保真度广播 （6）便于开办立体声、多节目和附加信息 广播。,第三节 调频立体声广播的原理,调频立体声广播制式与原理 立体声制式的选择，很重要的一点是必须满足兼容性与逆兼容性的要求。 兼容性： 进行立体声广播时，普通接收机虽没有立体声效果，但仍能收听完整的节目信号； 逆兼容性： 立体声接收机能收听单声道广播的节目，但无立体感。,为了实现兼容性与逆兼容性，调频立体声广播都保留单声道广播时传送的信号部分，也就是继续传送左、右信号的“和”信号（单声道信号），在基带中占据0-15KHz的范围（实际为30Hz-15KHz），称为主信道；
10、在主信道的基础上，通过频谱搬迁形成一个副信道，在副信道传送左、右信号的“差”信号。主、副一起对主载波调频。 在接收端经解调后，恢复出主信道与副信道信号，通过对副信道的解调，恢复出“差”信号，再通过与处于主信道的“和”信号的和差组合，最后恢复出、左右信号。对于单声道接收机来说，它没有处理副信道信号的装置，只能收听主信道的信号。,由于“差”信号的频谱是处于音频范围，进行频谱搬迁时需要选择一个副载波，根据“差”信号对副载波调制方法的不同，调频立体声广播便有不同的制式。 （1）、FM-FM制 所谓FM-FM制，是“差”信号对副载波调频形成副信道，然后，与主信道一起对主载波调频。对于“差”信号来说，相当
11、于进行了两次调频处理。 （2）、AM-FM制 所谓AM-FM制，是“差”信号对副载波调幅形成副信道，然后，与主信道一起对主载波调频。对于“差”信号来说，相当于先进行AM处理，再进行FM处理。,在AM-FM制中按照调幅方式的不同，可分为部分抑制副载波双边带调幅与全抑制副载波双边带调幅，前者又称极化调制制，前苏联与东欧一些国家使用；后者又称导频制，被欧、美、日、中国等世界上大多数国家使用。,AM-FM导频制 在导频制中，把左、右声道信号之和（LR）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30Hz15kHz。把左、右声道信号之差（LR）作为声频段的差信号，简称S，并采用拟制
12、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3815kHz，即23kHz53kHz的调幅差信号。导频制立体声广播规定要加入的导频信号是副载频的半频，副载波规定使用38kHz，导频则是19kHz。至此，完整的立体声调制信号称为立体声复合信号可表示为： u (t)=M+S sin St+ P sin (S/2) t,导频制立体声复合基带信号频谱图,第四节 调频立体声广播发射机系统组成,调频立体声广播发射机原理图,主要组成部分 调频立体声广播发射机主要由调频激励器、功率放大器控制系统及供电系统等组成。 调频激励器主要由音频输入板、立体声编码板、调频调制器板、功放、电源和控制
13、单元等组成。 一、调频调制器 实现调频的方法可分为两类，一类是直接调频法，另一类是间接调频法。,(1)直接调频 通过改变回路元件的参数实现调频。LC振荡回路的谐振频率由L和C的参数决定，用调制信号控制L或C的大小，进而控制振荡频率而实现调频。 例如，接入振荡回路中的变容二极管，可以作为电压控制的电容元件，受调制信号电压控制而改变电容量，从而使回路振荡频率改变。,(2)间接调频：通过调相实现调频。 (3)采用数字信号处理技术，通过FPGA、DSP器件，在数字域实现调频频率综合器。 目前模拟的调频广播发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁
14、相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便等优点。,1 .变容二极管直接调频原理 可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。 图1-5 变容二极管调频原理图,设调制信号为u(t)=Um cost,加在二极管上的反向直流偏压为 VQ, VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率,同时还应保证在调制信号u(t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为： r (t)= VQ+ Um cost (1)当调制信号电压u(t
15、)=0时，即为载波状态。此时r (t)= VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ,(2)当调制信号电压u(t)=Um cost时,对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是: 令= u/(UD+VQ)为电容调制度,则可得,上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。无调制时，谐振回路的总电容为： 为静态工作点所对应的变容二极管节电容。 当有调制时，谐振回路的总电容为： C,2.变容二极管工作原理 变容二极管又称可变电抗二极管“。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。 图1-6 变容二极管符号及电容公式,加到变容管上的反向电压，包括直流偏压 V 0 和调制信号电压 V (t)= V cos t V R (t)= V 0 + V cos t 此外假定调制信号为单音频信号，结电容在 V R (t) 的控制下随时间发生变化。,把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系，这样就实现了调
