预加重及去加重在无线音频设备中的应用.pdf

彳烹然甓 器件与电路o p 国懒句响圆 6 舻 凹60 文章编号：1 0 0 2 8 6 8 4 ( 2 0 1 2 ) 1 2 一0 0 3 3 0 5 预加重及去加重在无线音频设备中的应用实用技术 邝永辉 ( 江门市质量计量监督检测所，广东江门5 2 9 0 0 0 ) 【摘要】针对在测量车载收放音机电压频率特性参数时，发现采用预加重电路和未采用预加重电路测量时，音频 信号较高频率的电压衰减分贝数差别比较大的问题，首先介绍了测量汽车收音机电压频率特性指标所用到的相关 测量仪器、测量方案、测量依据标准，其次分别介绍了采用预加重电路和未采用预加重电路时测量得到的电压频率 特性结果，最后分析了预加重及去加重理论原理。 【关键词】预加重；去加重；信噪比；电压频率特性；车载收放音机 【中图分类号】t n 9 1 2 2【文献标识码】a a p p h t i 仰o fp r e e m p h 嬲i sa n dd e e m p h a s i si nw i r e l e 蟠a u d i od e v i c e k u a n gy o n g h u i ( j i a n g m e ns u p e n r i s i o n r e s t i n gt n s “t u t eo fq u a l i t y m e t m l o g y ，j i a n g m e nc u a n g d o n g5 2 9 0 0 0 ，c h i n a ) 【a b s t r a c t 】p r e e m p h a s i sc i r c u “a n dn o np r e e m p h a s i sc i r c u i ta r ea d o p t e di nt h em e a s u r e m e n to fv o l t a g ef b q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sf b rc a rr a d i om a c h i n e t h ev o l t a g ea t t e n u a t i o no ft h eh i g hf e q u e n c yf b rt h ea u d i os i g n a li nt h ea b o v et w os i t u - a t i o ni sq u i t ed i f 玷r e n t a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m ，t e s ti n s t r u m e n t s ，t e s ts c h e m ea n dt e s ts t a n d a r d sa r ei n t r o d u c e d r s t l y ，t h e n t h et e 8 tr e s u l to fv o l t a g ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa b o u tt h 。p r e e m p h a s i sc i r c u “a n dnonp r e e m p h a s i sc i r c u i ti si n t r o - d u c e d f i n a l l y ，t h et h e o r yo fp r e e n l p h a s j sa n dd e e m p h a s i si sa n a l y z e d ，a n dt h ei m p o r t a n c eo ft h et h e o i yi nt h ep r a c t i c e i sf j 聊u l a t e d 【k e yw o r d s 】p r e e m p h a s i s ；d e e m p h a s i s ；s n r ；v o l t a g ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c s ；c a rr a d i om a c h i n e 1 引言 调频和调幅是无线信号调制方式中两种常用 的方式，调频产生的音频信号一般比调幅的要好， 因此大部分无线通信设备都采用调频调制方式。 在调频调制方式中，接收机端的鉴频器主要用于将 音频信号从高频载波信号中解调出来。但是理论 证明鉴频器的输出噪声功率谱随频率的二次方而 增加，频率越高时，经鉴频器输出的噪声的功率也 越大；而另一方面，许多实际的音频信号，例如音 乐、语言等，这些音频的功率谱随频率的增加而减 小，其大部分能量集中在低频范围内。以上两个方 面的原因将会造成音频信号通过鉴频器时使高频部 分的信噪比严重下降。为了避免这种现象发生，在调 频系统应采用预加重和去加重的措施，即首先在噪声 引人之前采用适当的预加重网络，人为地提升发射机 输人的调制信号的高频分量，然后在接收机鉴频器的 输出端，再进行相反的处理，即采用去加重网络把高 频分量去加重，恢复原来的信号功率分布。在去加重 过程中，恢复原信号幅度的同时也减小了噪声的高频 囊投投稿网址：h t t p ：a u d i o e c n 分量，因此有效地提高了输出信噪比。笔者在测量车 载收放机电压频率特性参数时，发现测量过程中采用 预加重电路和未采用预加重电路时测量结果的差别 较大，针对这一问题，笔者对实测电压频率特性数据 进行了分析比较，并重点介绍了预加重和去加重理 论，阐明了预加重和去加重技术在实践应用中的重 要性。 2 车载收放音机电压频率特性 现代汽车几乎都装上了收音机，收音机所接收 到的广播内容十分丰富，除家用收音机能收到的内 容外，还可通过调谐旋钮接收道路管理部门专门提 供给驾驶员关于道路气象等方面的情报。要保证 车载收放音机有良好的收音放音性能，必须对车载 收放音机的相关技术指标严格予以控制。车载收 放音机相关的技术指标包括：噪限灵敏度、信噪比、 调幅抑制、最大有用功率、电压谐波失真、电压频率 特性等。测量车载收放音机的相关技术指标时，采 用的标准是电子行业标准s j t1 0 4 4 7 9 3 ，即行业 标准汽车收、放、扩音机分类与基本参数。车载 型生蔓塑鲞蔓! ! 塑园 万方数据 龠器件与电路 p 囿旷q s 国响西 6 0 凹6 e弁烹魏寰 收放音机的电压频率特性是指各频率的电压相对 于频率为1k h z 的电压变化分贝数。标准规定测量 电压频率特性时的指标、要求和测量条件如表1 所示。 表1汽车收、放、扩音机分类与基本参数 在测量车载收放音机电压频率特性时，笔者选取 了同一种型号的3 台车载收放音机，并分别编号为1 号、2 号、3 号。在测量中，依照标准选取4 组基带频 率，频率从低到高分别为2 0 0h z ，1k h z ，2k h z ，5k h z ； 载波频率为9 8m h z ；频偏为2 2 5k h z ；输入电平为 7 0d b f 。在测试中用到的仪器有：直流稳压稳流电源、 无感电阻箱、双通道交流毫伏表、双通道立体声示波 器、音频信号分析仪、a m f m 立体声信号发生器。 其中，直流稳压稳流电源为车载收放音机提供1 2v 或2 4v 电源；无感电阻箱模拟扬声器提供4n 或8q 的标准负载电阻，其可以提供4 个声道标准负载阻 抗，包括前左声道、前右声道、后左声道、后右声道，本 次测量用4q 标准负载电阻模拟扬声器；双通道交流 毫伏表用于读取电压数值；双通道立体声示波器用于 显示调制前基波波形以及解调后的基波波形；音频信 号分析仪用于提供基带频率；a m f m 立体声信号发 生器用于将基带信号调制到载波频率上，经模拟天线 将已调信号输入到车载收放音机中。电压频率特性的 测量方案图及测量实物图分别如图l 和图2 所示。 音 频 分 析 仪 f m 立 体 宙 信 号 发 生 器 标 准 模 拟 天 线 接 收 机 标 准 负 载 2 0 0 1 5 0 0 i h z 带 通 滤 波 器 图1 汽车收音机电压频率特性 参数指标测量方案图 毫 伏 表 示 波 器 在测量收放音机电压频率特性过程中发现，未 采用预加重电路和采用预加重电路测量得到的电压 频率特性在高频段时差别比较大。预加重功能可以 园型生蔓塑鲞蔓! ! 塑 在a m f m 立体声信号发生器中选择是否加上。未 采用预加重电路和采用预加重电路测量得到的电压 频率特性参数分别如表2 和表3 所示。表2 和表3 中lk h z 的分贝数为od b 。2 0 0h z ，2k h z ，5k h z 的分 贝数是相对于1k h z 分贝数得到的。 表2 未采用预加重电路测量得到的电压频率特性 表3 采用预加重电路测量得到的电压频率特性 从表2 中可以看出，调制之前基波信号未采用加 重功能处理时，接收机解调后频率为5k h z 的信号相 对于lk h z 衰减较大，样机1 的电压信号衰减了 1 1 7d b 、样机2 的电压衰减了1 0 9d b 、样机3 的信 号衰减了1 1 3d b 。因此从表2 中可以看出，在未采 一投一投稿网址：h t t p ：，a u d i o e c l l 万方数据 彳烹骥爨 器件与电路。 p 匐魄岛国闶圈 6 矿 凹6u 用预加重电路时5k h z 测得的电压相对于1k h z 电压 衰减分贝数都大于标准规定的6d b ，测量得到的数据 不符合标准的要求规定。而当调制之前在基波信号 采用加重功能时，测得的数据从表3 可以看出，接收 机解调后高频段信号的衰减相对较小，其中5k h z 电 压相对于1k h z 电庄衰减分贝数为：样机1 电压信号 衰减5 9d b 、样机2 衰减5 3d b 、样机3 衰减5 5d b ， 以上3 组样机的电压衰减分贝数都小于6d b ，符合标 准规定的衰减分贝数。从以上的对比可以看出，在测 量车载收放音机电压频率特性参数时，加预加重功能 是很有必要的，这样才能保证测量的正确性。反之， 如果在测量汽车收音机电压频率特性参数时，在基带 信号调整前，未加预加重功能，这样将会导致收音机 在相对的高频信号段的电压频率特 生较差，可能把合 格的汽车收音机判为不合格。 3 预加重与去加重在提高音频信号信 噪比中的作用 汽车收音机一般有两种调制方式，一种是调频， 另一种是调幅。这两种调制方式中的噪声特性如 图3 所示。从图3 中町以看出，调幅噪声在不同频率 下的大小相等；而调频则随着频率的升高，噪声增大。 音频信号经系统传输和处理的过程中，因系统本身的 固有噪声以及外界因素而引入的噪声，使得系统的输 出端信噪比会降低。由通信原理知识可知，鉴频器输 出噪声功率谱密度与频率平方成正比；另外在调频技 术中，话音信号的频谱却是频率越高的成分其幅度越 小，以上两个原因将会使越靠近高频端的音频信号信 噪比降低越严重。 图4 所示为调频系统中鉴频器解调后输出的噪 声功率p 。与频率的关系以及输出信噪比s 与频率 的关系2 | 。 声接蠢投稿网址：h t p ：a u d i o e c n 由以上分析可知，信号高频成分受噪声影响较 大，为了保证信号在调频接收机的输出端有良好的信 噪比，要在调频发射机音频信号调制前对高频成分进 行幅度提升。预加重技术就是保证高频成分信噪比 不降低而在调频发射机信号调制前对信号进行预加 重。在调频接收机端，通过去加重电路使信号恢复 到原音频信号的特性。为了使音频信号的频率特 性曲线在各频率点上的加重分贝数与去加重分贝 数相加是常数，即要求预加重电路和去加重电路二 者的频率特性应该互相补平。加重频率特性曲线 与去加重频率特性曲线如图5 所示。其中，虚线6 ，。 为预加重频率特性曲线，实线6 。为去加重频率特 性曲线。 卜面分析预加重与去加重理论。预加重电路一 般采用高通型电路，如图6 所示为高通电路，得出其 传输函数为 加志器= 惫 糍= 志等 l + j 下2只l + 尺2 1 ：尘 、 式中，丁l = 1 l = r 1c l ；丁2 = 1 2 = r 】r 2c 1 ( 只1 + 尺2 ) r 2 c 1 ，因r 1 r 2 ，则丁1 丁2 。 ! ! ! ! 圭蔓塑鲞蔓! ! 塑匡习万方数据 龠器件与电路 尸国o 瓷囿嗡圈 6 妒 凹6 q翘烹燃爨 为了便于分析幅度与频率的关系，由式( 1 ) 可以 得出其幅频特性函数为 c 小捌戡筹 由幅频特性函数可以看出，随着信号频率的升 高，幅度也相应地提高，这样提升了音频信号高频部 分的幅度。 去加重电路常采用低通型电路，图7 所示是低通 型去加重电路。 该电路的传输函数为 h 。( j ) = 1 + j 龆4 c 21 + j 蛳4 l + j ( r 3 + r ) c 21 + j 析3 ( 3 ) 式中，下3 = ( 尺3 + r 4 ) c 2 一只3 c 2 ( 只3 r 4 ) 和丁4 = r 4 c 2 。 由式( 3 ) 得出其幅频函数如下 蹦嵩等 ( 4 ) 由式( 4 ) 可知，当= 0 时，日。( 0 ) = 1 ；当= 1 下3 时，玩。( ( c j ) 降低3d b ；当 1 7 - ，时，日d 。( 山) 与 频率近似成反比例关系，幅值随频率升高而下降， 对音频信号高频部分的衰减作用随频率升高而加大。 以上分别介绍了预加重电路与去加重电路的传输函 数，下面介绍信号通过预加重电路及去加重电路时产 生的频响函数。设信号的频谱函数为f 。( ) ，其通过 预加重电路后的频谱特性如下 印 只( ) = f s ( ) ? ( ) = f 。( 瓦三苌 1 + ( 丁1 ) 2 1 + ( 晰：) 2 园型生整塑查蔓! ! 塑 ( 5 ) 调频接收机中鉴频器输出端信号的频谱函数 特性依旧是( 甜) ，信号通过去加重电路频谱特性 如下 足7 ( m ) = 贮( ) 氏( 甜) = f ；( ) h 胁( ) ( ) = 踟，捌戡剃揣 调频发射机与调频接收机中时间常数相等，即丁，= 丁。，n = 下：，则式( 6 ) 可写为 f ：( ) = f s ( ) 赢 ( 7 ) 下面再来考虑噪声，噪声没有经过预加重电 路，而是在传输信道进入调频信号中的。在调频接 收机的鉴频器输出端音频信号与噪声通过去加重 电路，噪声通过低通型电路后其高频成分将会衰 减。设鉴频器输出端噪声的频谱函数为f 。( ) ，经 去加重电路后为风( ) ，即 n 。( ) = n 。( 山) ( ) = r ( ) # 专筹辱( 8 ) 由式( 8 ) 可得，调频接收机对噪声的传输函数为 驯= 描胡“，- 戡筹 式中，因r 。r 。，则有r ，丁。，从式( 9 ) 可以看出随 着频率的升高，噪声也会随着衰减。由式( 7 ) 除以 式( 8 ) 可以得到调频接收机去加重电路输出端的信 噪比函数o e ( ) f s ( 山)r 2 1 + ( 昕，) 2 f 。( ) f n 。( )n ，( 山) 尺1 + 尺列1 + ( 晰4 ) 2f n 。( 枷) 啬防 ( 1 0 ) 由式( 1 0 ) 可以看出，在调频接收机去加重电路 输出端的信噪比比鉴频器输出端的信噪比要大，而且 随着频率的增大而提高。由以上分析可知，通过调频 发射机的预加重电路以及调频接收机的去加重电路， 使得音频信号高频成分的信号有良好的信噪比，保证 了调频信号的传输与处理。 最后再来看单声道调频接收机与立体声调频接 收机预加重电路。图8 与图9 分别为单声道调频接 收机与立体声调频接收机的去加重电路。 p 技投稿网址：h t t p ：a u d i o e c n 万方数据 彳烹熙裹 器件与电路口 p 囿旷日s 圃响凹 6 酽 凹6j 单声道接收机的去加重电路在鉴频器后面，鉴 频器输出的音频信号立即进入去加重电路。图9 的 立体声调频接收机中r 。和c 。构成左声道玄加重电 路，u ( l ) 是去加重后的左声道音频信号；r ：和c 。构 成有去加重电路，“。( r ) 是去加重后的右声道音频信 号。对于立体声调频收音机电路而言，去加重电路必 须设在立体声解码器电路之后。这是因为若去加重电 路设在立体声解码器电路之前，则鉴频器输出的立体 声复合信号中，1 9k h z 导频信号和2 3 5 3k h z 边带信 号会被去加重电路滤波掉，这样就无法进行立体声 解码。 4 结论 本文针对在测量汽车收放机电压频率特性电性 能参数时，发现当采用预加重电路和未采用预加重电 路得到的数值相差比较大这一问题，首先介绍了测量 过程所用到的测量仪器、测量标准依据以及测量结果 的分析比较，最后分析了预加重和去加重理论。通过 理论分析可看出，音频信号调制前采用预加重技术，并 在接收机的鉴频器输出端加一去加重电路，这样可以 有效地提高接收机接收到的音频信号高频部分的信噪 比，使高频段部分的音频信号有较好的电压频率特| 生。 参考文献 1 中华人民共和国电子工业部s j t1 0 4 4 7 _ 3 汽车收、 放、扩音机分类与基本参数 s s 1 ：中华人民共和国 电子工业部，1 9 9 3 2 彭慧娴音频处理中的预加重及其电路 j 电声技术， 1 9 9 5 ( 1 0 ) ：1 9 2 4 3 张绍高立体声和调频立体声接收机 m 北京：新时代 出版社，1 9 8 6 责任编辑 闫雯雯 收稿日期 加1 2 一0 3 一叫 ( 上接第2 5 页) 由于振膜用非常轻的薄膜驻极体，同时又有静 电型的全面驱动。因此它有电动型所不能得到的 过渡特性。特别是采用了新的发音方式之后，在整 个带域中都能得到失真极少的平坦特性，如图2 2 所示。图2 3 则是它的单色短脉冲响应与电动型响 应的比较。无论在声压还是过渡特性方面，驻极体 耳机都能充分发挥静电型的特征。 图中，输入波形为耳机的单色瞬时脉冲波形。 以上介绍了从