无线话筒系统.doc

精通你的领域，是赢得尊重最重要的因素。无线话筒的操作与设计概念第1节：无线话筒基本配置 P 2第2节：无线发射机 P 5第3节: 无线接受机 P 9第4节：分集接受技术 P 16第5节：音频信号处理 P 19第6节：天线 P 24第7节：频率合成 P 30第8节：干扰 P 35第9节：频率协调 P 44第10节：多通道使用环境设计 P 48第11节：信噪比 P 53第12节：解读无线话筒指标的意义 P 55第13节：评估无线话筒系统 P 58第14节：无线话筒术语词汇 P 61第15节：无线话筒应用 P 64一、无线话筒基础配置前言随着数字技术的广泛使用，无线话筒成为越来越多用户首选的对象，为了便于您了解和选购我们的产品，我们翻译了一些无线话筒的相关资料供您参考，同时希望能够收到您的宝贵意见！ 无线话筒系统在广播、电影、戏剧和舞台制作以及公司、宗教和教育场所都是一个重要的组成部分。随着数以万计的设备使广播频率变得拥挤以及用户对无线话筒系统需求的增加，理解无线话筒系统的设计和操作的概念经成为专业用户所关注的问题。 由于可用的频谱越来越少，在北美DTV（数字电视）广播的出现使得无线系统的运行更加复杂困难。DTV也同样出现在欧洲,它已成为未来可能出现的频谱拥挤现象的另一标志.。 鉴于以上这些事实，随着无线话筒、内部通讯联络系统、耳内监听系统和其他应用在各类制作的无线电通讯设备的日益普及，对于无线系统扎实的，技术性理解需求是前所未有的。该指南意在揭开隐藏在无线系统运行原则背后的神秘面纱，并帮助读者为特殊应用场合选择无线系统时分清良莠。不同厂商分别作了大量的宣传，夸大其所提供的产品的质量，有的甚至难以置信。只有充分掌握无线话筒系统的基本工作原理，才有可能看穿迷雾，作出明智的选择。 Lectrosonics 的处世哲学就是制造最好的产品，并且尽可能提供最好的服务支持。这包括诸如此指南一样的出版物、以及保持对市场的迅速响应。关于该指南中的任何问题，如果您有什么意见，请随时与我们联系。您的建议，想法和经验对我们都非常有价值。第1节:无线系统的基本组成部分无线话筒系统为射频和音频电子设备高度专业化的集成，它代替了传统的用于连接话筒到音频设备的缆线。无线话筒系统的三个组成部分为： 话筒 发射机 接收机 术语“system”是指三个组件的协同工作的体系：话筒-发射机-接收机-音频输出 在无线系统中的话筒是发射机的一个集成部分，或者是一个单独的组件。因此在许多情况下，话筒可以单独购买。种类繁多的话筒可适应任何应用。特殊的应用一般对接收机类型有明确要求，而话筒一般对发射机规格也有明确要求。 为了适应各种应用，无线发射机有三种不同的类型：腰包式手持式发射机/话筒集成外接插式对于不同应用，无线接收机也有各种不同的配置：用于现场同期录音的小型接收机用于扩声的台式接收机用于录音室和舞台表演的架式接收机 某场地所需的无线系统的数量的多少，通常还需要射频分配器、天线、电缆、接收机装配套件以及其他诸如以下的附件来完成整个系统：天线分配器Quad-pak背包式接收机系统遥控天线和电缆“在线式的”同轴射频滤波器/放大器和分离器/频率合成器频谱使用和频率 绝大多数高质量的无线话筒系统使用一种称作“FM”（按照频率调制）的无线电传输方法。在FM系统中，无线电信号（载波信号）就是随着源自话筒的音频信号（频率的增加和减少）的变化调制而成的。另一种无线电传输的方法， AM（按照振幅调制）在通信和声频信号应用上较为普遍。FM一般比AM产生的音频信号要好，因此无线话筒几乎都是用FM调频技术。 在美国，无线话筒的操作频率是由FCC（联邦通讯委员会）所详细规定的。分配给无线话筒的VHF频段为150到216MHz，而对于UHF频段来说则是从470到806MHz。除了从169到172MHz的一小部分VHF频段以外，这些频段几乎只是用于电视转播。DTV（数字电视）广播则被分配在UHF频谱上的空通道。UHF频谱的上段和下段部分也划分出来，并重新分配给其他附加的设备。随着无线话筒可用的频谱空间逐渐减小，对较高质量的无线话筒系统的需求也显著地增加了。 在相邻通道的高能电视广播信号会造成先前运行良好的无线系统根本无法使用。这就需要高性能的接收机和天线分配器，以及专业天线和电缆设备来满足越来越多的无线话筒系统的需求。 正如你可能预见的那样，在这个“数字”世界中，我们在工程方面也作出了大量努力来开发数字调频技术在无线话筒方面的应用，希望数字系统可以减轻当前模拟调频所遇到的诸多问题，并拥有同等的或是更高质量的音频性能。至于深入研究数字无线电技术的错综复杂部分，现在还为时过早，因此这篇手册主要是围绕FM原理而展开的。当前的数字技术制造了高品质的移动电话系统，但是，即使是最高品质的电话系统，其有限的音频带宽也不能产生最低无线话筒应用所需的音频质量。随着科技的飞速发展，无线发射机的应用之势迅速蔓延，广泛应用于各个领域；从电影到电视制作，现场舞台到剧场演出，体育赛事直播等都离不开无线发射机，它取代了传统的线缆，有着可靠的质量，给用户带来了极大的方便，拥有它会使您的工作事半功倍，是您成功的保障，我们会持续提供一些相关资料供您参考。第2节：无线发射机发射机设计可以分成三个基本类型： 腰包式“腰包式”发射机配合领夹话筒，适用于耳唛，乐器，调音台，磁带座等外接插式“外接插式”发射机适合于手持话筒，吊杆，调音台以及其他带XLR接口的设备上手持式“手持式”发射机带有一个集成的话筒头，主要为手持时使用。 腰包式发射机由金属和塑料制成。它们可以利用话筒线或输入电缆作天线（常见于VHF设计中），也可使用“鞭状”天线。输入增益必须在大范围中具有可调性，以便精确匹配来自话筒和其他设备的不同输出电平。 绝大多数的腰包式发射机使用9伏的碱性或锂电池供电，同时还包括一个电池状态指示灯。最佳的设计有低电量报警功能，这样可以有充分的时间及时更换电池。 电池舱门的设计也是一个重要的考虑因素。如果电池舱门与发射机分离，很容易丢失或损坏，导致系统无法使用。此外发射机电池舱必须可匹配不同品牌的电池。 在众多的腰包式设计中，腰夹总是一个薄弱的环节。它不但要固定性好，而且在诸如电影或舞台制作的应用中必需易于隐藏。 “外接插式”发射机适用于任何带有XLR接口的话筒。大多厂商提供的越来越多的型号足可以证明它的有效性。专业类型的发射机主要是靠9伏的碱性或锂电池供电，有较大的输入调整范围以适应不同型号的话筒。良好的机械构造，尤其在牢固连接的输入接口设计，是该类型的发射机应用中的关键。 几乎所有的无线话筒制造商都提供带有集成话筒头的手持发射机。手持式发射机最普遍的应用为音乐表演，它必须舒适且不易脱落，并且提供必须的强度和频率调整，但控制开关必须隐藏或放置在凹进处以避免在正常应用场所中误操作。 在合成的发射机中有多种频率选择控制模式，从带有LCD读数的按钮到隐藏的旋转控制开关。在此列出的实例提供两个旋转按钮，可以选择在25.6MHz频段上的256个频点中的任何一个。左手边的旋钮以1.6MHz为间隔改变频率，而右手边的旋钮则以100千赫兹为间隔。每一个旋钮有16个位置可供选择，总共提供256个频点。用户调节和显示灯 对于所有类型的发射机，根据不同的应用环境，用户调节和指示灯成了它的“必备而且关键的”设计。 例如：如果一台发射机要被诸多用户使用，为匹配不同用户的声音强度而提供精确的补偿调整就显得势在必行。适当的增益调整是其关键，因为它决定系统的最终信噪比。如果不能通过视觉上的提示（指显示灯）来检测音频信号强度，就很难正确地调整发射机的输入增益。 尽管可以通过观看接收机上的音频信号强度的指示来进行调节，但从发射机端检测并调节输入增益更加可行，因为在众多的应用中，很难在发射机的位置上看到接收机上的表头显示。 在某些设计中，一个普遍存在的问题就是功能按钮很容易被误动。这会造成许多问题，甚至在系统运行过程中完全“关闭”系统。操作中按钮的位置和调节方式将决定发射机对特殊用户的有效性。例如：公众广播应用场合下，即使当发射机佩戴在衣服以下也要求发射机可被轻易地设为静音。在这种情况下，如果按钮很难碰到，会造成操作困难。在许多舞台制作中，音响公司可能不让使用者改变发射机上的任何按钮和控制钮。在此的两个例子是相对极端的。 Lectrosonics的手持式发射机拥有内置控制开关，比外置开关更胜一筹。这便允许根据应用环境对发射机进行配置。天线配置 比较不同发射机设计时，天线配置是另一个考虑因素。如果无线系统的每一个用户能够忍受在他们肩膀上架上金属“树枝”，或者架在他们头上，那么发射机将会十分有效地发射射频能量，从而提供意想不到的工作范围和较低的失真率。然而，很少有人愿意在公共场合佩戴这样的装置。因此，在现实生活中，发射机天线既要隐蔽，而且仍要释放足够的射频能量以使接收机可以正常地工作。无线话筒系统可以像其所描述的那样工作的唯一原因就是其操作范围通常较近（几百英尺，或更近），并且FCC允许足够的射频功率输出和调制（频偏）以使得系统在可接收的信噪比下运行。 腰包式发射机天线的一个普遍存在的问题就是它们通常是贴着身体佩戴的，尤其在它们被藏在衣服里时。当天线接触到人体时，大多数射频能量因无法进入空气中而丢失。这将降低无线系统的可操作范围。使用便携式调音台进行现场同期录音时，可以将发射机放置远离身体和其他设备的地方以得到最大的辐射功率和操作范围。 在手持式发射机的情况下，通常将其远离身体，而使用者的手则扮演天线的角色。突出的“杆式”天线可以避免和人体的直接接触，但是这样会影响视觉效果且容易被损坏。 内置天线的手持式发射机克服了这种弱点，普遍视觉效果也较好。 外接插式发射机使用发射机本身的金属外壳作为天线，外接的话筒和使用者的手组成了理想的偶极子天线的另一部分。在UHF操作频率中，外壳的长度非常接近于理想的1/4波长，它提供了最大的辐射功率并增大了操作范围。输入增益调节 不同制造厂商发射机的设计有很大差异。简单地说，设置适当的输入增益在无线话筒系统中十分重要，不过在许多设计中这却经常被忽视。如果设置得太低，系统的信噪比就会影响。如果设置得太高，就会发生严重的失真或是动态范围压缩。设置发射机输入增益就好像在模拟磁带录制机上的设置录制音量一样。 如何在无线发射机上进行准确增益调整和设定，是十分重要的功能。在发射机上通过一些LED（发光二极管）的组合显示可以相对准确地显示输入增益的大小。 当然最好在发射机和接收机上同时拥有显示灯，从而既可以从发射机端又可以从接收机端得到精确的信号强度监测，以适用多种场合的应用。输出功率 FCC规定了无线发射机的最终射频放大器所产生的最大可输出射频功率。例如：在174到216MHz的VHF频段中，发射机最大的可输出功率是50毫瓦。在UHF频段中，发射机的最大可输出功率为250毫瓦。 发射机的高输出功率可以避免跑频问题并同时增加操作范围，但同时也使得电池的寿命缩短了。实际使用中，发射机所连接的天线形式、位置以及是否接触到人体才是影响着有效辐射功率的最为重要的因素，所以，较高输出功率并不一定永远意味着较大的操作范围。 绝大多数高品质的VHF发射机为了得到可信赖的操作范围和合理的电池寿命而产生50毫瓦的功率。不过，有某些制造厂商提供只产生30毫瓦功率的VHF设计，而在对这些型号的详细说明上却表明它们是为达到全功率设计的。 与VHF相比，UHF不同品牌之间的输出功率变化更大。当最大操作范围为首先考虑的因素时，在UHF频段250毫瓦的最大容限是有用的，但所换来的就是电池寿命的减少。通常选择100毫瓦输出功率，使UHF发射机在操作范围和电池寿命之间达成一种较好的平衡。 一些UHF型号的发射机宣称可以辐射150毫瓦的功率，但实际上，它们只能产生30或40毫瓦的功率。制造厂商为掩盖竞争实力的缺乏，或本身固有缺陷的事实而刊出产品的虚假信息。有趣的是，这些制造厂商还经常忘记在说明中注明电池的使用寿命或耗电量。电源和电池寿命 发射机在特殊场合的应用时，电池寿命通常都是一个最为关心的话题。在例如电影制作和剧院中应用时，发射机通常被精心的隐藏在衣服以下，更换电池将是一件麻烦的事情。对于这种类型的应用，发射机和接收机都应该提供一个精准的发射机电池状态显示灯。 9伏的碱性电池（普遍应用在无线话筒发射机上）开始工作时电平稍高于9伏，但随着不断使用而电压逐渐降低。高品质的发射机包括内部电压管理器，它可以在电压下降时保持发射机稳定工作。 该设计允许电路可以在低电压的情况下持续工作，在获得延长的操作时间的同时，又不牺牲输出功率。最佳的设计可在电压降至约6.5伏时还可以继续工作。 高端无线系统通常在接收机端提供一个发射机电量指示灯，在发射机停止工作之前及时提醒使用者更换电池。第3节: 无线接受机 无线话筒系统的应用环境决定接收机类型。通常，可将接收机分为几大类： 进行现场同期录音时，摄像机，便携式背包，录音车上小型接收机，也包括电影制作的多通道集成。如图一： 图一 普遍使用在扩音方面上的“独立”应用的台式接收机，如图二：图二 用于高端录音室，舞台和移动制作车的机架安装式接收机，如图三：图三这些类型之间的差别是与物理尺寸、供电选项、射频性能以及音频性能有关。每个类型，都有许多制造商提供各种各样不同的型号，其价位也变化较大。一些基础知识 为了在各种不同接收机之间进行比较，对接收机的设计的基本了解是十分必要的。当在头脑中对接收机的不同部分有了一个基本的了解时，两台不同型号的接收机之间的价格和性能表现就一目了然了。这将对评估系统和作出购买决定起有极大地帮助。 无线话筒系统的FM接收机都使用一种超外差设计。超外差过程包括在接收机端产生一个高频信号，并与接收到的载频信号混合或“外差”。当信号混合时，互调会产生“叠频”和“差频”信号。将信号混合在一起的目的是获取可被常规电路处理的低频信号。通过滤波器“叠频”信号被滤掉，而只让“差频”信号通过（“IF”，中频信号）。中频信号在解调阶段转换成音频信号，然后送至音频输出放大器。这样无线电信号就转变成了音频信号。 整个过程看起来很简单，但事实上，设计一个真正高品质的调频接收机有点像变魔术。 三重转换设计只是简单的加了一个振荡器和一个混频器。事实上，每个环节通常都由许多独立的电路和子电路构成，有些提供基本的功能，而其它的却提供附加的修正和控制功能。正如你所想象的那样，接收机的每一个阶段都向设计工程师提出了的性能和成本双重挑战。为了在电路的某些部分提供必要的屏蔽，一台好接收机的机械设计还必须考虑无线电方面的因素。 接收机前级设计 在一连串的滤波，增益和转换中，接收机的前级是第一步。前级基本上是一个以无线系统的载波频率上工作的带状滤波器。前级的工作就是过滤掉在工作频点通道以外的高能射频信号并提供强大的“镜像及衍生频率干扰抑制“（镜像及衍生频率干扰抑制在随后的章节中讨论）性能。前级可由简单的低成本线圈构成简单的过滤器，或者为提高性能使用螺旋形谐振器或可调节式陶瓷谐振器。 在前级部分的简单线圈只能过滤宽频信号，但经常无法阻止来自无线系统临近操作频率的高能射频信号的干扰。对UHF无线话筒系统来说，电视广播是最普通的高能信号干扰源。由于DTV（数字电视广播）占据了以前为空的频段，对于高质量窄带宽前级的需求增加了。多级使用螺旋式和可调节式陶瓷谐振器配合高品质放大器可最大程度的降低和减少来自电视广播信号的干扰。 各种前级设计之间性能主要有两方面的区别： 选择性 互调干扰抑制 前级所能提供的选择性是由可抑制操作通道以外的信号数量来表示。滤波器的斜率越大，对相邻频率的能量抑制就越强。 不同类型的前级组件（线圈，谐振器等）会产生不同的滤波器斜率，但是所有的高品质接收机都采用多级过滤前级并综合使用其中任何几款组件。这些多级过滤前级设计显著地增加了滤波器的斜率，但也的确增加了成本。 互调就是对信号的混合以产生新的信号。例如，当两个信号在有源电路中（如放大器）混合时，放大器的输出将包括两个信号，加上其所产生的叠加及差频信号。叠加和差频信号被称作为“互调信号“。简单地说，三次互调谐波的意思是原信号中的一个（Fa）二次谐波（二阶）与原信号中的另一个信号（Fb）（一阶）相混合而产生一个新的差频信号（Fc）。 2(Fa) - Fb = Fc 避免三次互调谐波尤为重要，因为两个原始信号的三次互调谐波频率通常相对接近于原始信号频率，可以产生强烈的干扰。如果三次互调谐波频率碰巧与工作频率十分接近，那么前级过滤便失效了。能在互调干扰中避免这种情况的唯一方法就是在接收机端配备高过载负荷的放大器和混频器。例如：给定两个频率分别为645和650MHz那么645 MHz x 2 = 1290 MHz以及1290 MHz - 650 MHz = 640 MHz（三次互调谐波频率） 因此，工作频点设定在640MHz的接收机将受到来自频率为645MHz和650MHz的两台发射机的所产生的三次互调谐波的直接干扰。这种等间距的频率分配在无线话筒系统中是不允许的。互调表现性能是由一个称作“三次谐波抑制“的指标来评定的。这个指标表示为一个用分贝（Dbm）代表的数字，这个数字代表的是当输入信号的强度达到这个数字所代表的强度时，输入信号足以导致接收机产生互调失真，所产生的互调失真的强度与接收机内部的工作信号强度相等。进入接收机的两个信号在接收机的载波频点上产生三次互调波，随后测量输出的互调失真信号强度。通过不同的测试技术，可以精确的计算产生如此效应所需的输入强度。 三次谐波抑制指标是测量接收机互调抑制的最佳方法。 使用的放大器类型对接收机三次谐波抑制性能产生重大影响，有出色的三次谐波互调性能的放大器会要求较大功率，因此会对接收机电池使用寿命形成不利影响。前级滤波器带宽越窄（费用会更高），接收机拾取的能够产生互调的信号就越少 。镜像及衍生频率干扰抑制 镜像及衍生频率干扰抑制是衡量接收机的主要性能指标。理论上存在两个射频信号可以与接收机内的振荡器结合从而产生相同的互调频率。其中一个是源自发射机的理想信号，另一个信号频率与本地振荡器的频率差值与理想信号与本地振荡器的频率差值相同，但是方向相反，在此称为镜像频率。在接收机镜像及其周围的射频能量通常是主要的干扰来源。 通常在空出的电视通道上操作的无线话筒系统的镜像及衍生频率可能与另外一个电视台的信号相同。除了选择性最强的前级设计以外，这都会产生干扰问题。敏锐的前级过滤抵制镜像及衍生频率上的能量使之无法进入接收机。捕捉效应 调频接收器得益于捕捉效应。也就是说，调频接收机从强信号中捕捉的音频信号要多于从弱信号中捕捉的音频信号。 较强信号中的音频信号将成为接收机输出音频的主要部分。但是弱信号依然会提高背景噪音并增加跑频机会。这种意义上的较弱信号可能是另一种无线发射机信号或宽带背景噪音。射频混频器 在接收机内的混频器把到达的射频信号和振荡器信号结合起来，从而产生 “叠加”和 “差频”信号。 “差频”信号位于理想的中频频点上。低成本的射频混频器通常在产生出理想的叠频和差频信号之外，同时还会衍生出很多伪信号（谐波）。如果伪信号发生在靠近接收机中频频点的地方，中频滤波器通常无法抑制，这会在最终音频输出时造成噪音和失真。好品质的射频混频器只产生一个叠加和差频信号，而没有谐波。叠加信号频点很高，足以被混频器后的滤波器完全滤掉，而只留下所需的差频信号以待后续处理。 混频器也必须有很高的过载阈值。在供给混频器的全部射频能量超过其自身的容量时，会发生过载。敏锐的前级过滤减少了出现该问题的可能性，但与载频信号只有几兆赫兹之差的强大信号仍然可以通过前级过滤器，从而造成混频器过载。在前级设计中最有效的方法就是在每一级滤波器之间只提升适当的增益以补偿相应的损失。基本思想就是尽可能地通过各种滤波手段首先得到所需要的干净的频率，然后再进行增益放大，以便将噪声和各种干扰信号降到最低。中频过滤 在影响接收机的选择性指标的因素中，中频过滤器性能的高低是最为重要的。标准的多极陶瓷中频过滤器提供了约为300K赫兹的带宽。6极水晶中频滤波器只提供45到50千赫兹的带宽。在中频阶段，过滤带宽越窄越好。水晶滤波器要比陶瓷滤波器贵很多，但在干扰严重情况下，物有所值。 然而，窄频段水晶过滤器要求振荡器不能有频点漂移现象，这就要求振荡器不能是温度敏感类型的。而对于低成本、宽频段接收机而言，可使用“频点漂移”的振荡器，因为尽管振荡器频点不稳定，但它所产生的中频频点仍旧可以保持在中频滤波器处理范围内。 第三种开始广泛应用在接收机上的滤波器类型是SAW滤波器（表面声波滤波器）。这些滤波器在石英或其他压电材质上使用表面波将射频能量从输入端传输到输出端，并在表面通过交叉指状转换器的精确间隙而使某些频率通过并同时滤过其他频率。SAW滤波器在高出通常中频的频点进行过滤，同时也提供用其他方法难以取得的最小相位移动（组延迟）。当无线话筒使用越来越高的UHF频率时，设计者的工作就变得相对容易，但它们在拥有较高的选择性的同时，价格也比其它类型的滤波器贵很多。 毋庸置疑，只有稳定的振荡器和窄频段的中频过滤器才能最大限度的抑制干扰，像用水晶滤波器功能一样。水晶滤波器的唯一缺点是，当信号经过高度的调制时，水晶滤波器失真率比陶瓷滤波器或SAW滤波器稍高。鉴于这种原因，你会经常在高端接收机上看到陶瓷滤波器或SAW滤波器而不是水晶滤波器，因为主要关心的是音频保真度。调频解调电路（解调器） 在接收机中的解调器或解调电路是一种将调频无线电信号转换成音频信号的电路。不同制造厂商使用不同的电路，但是在无线话筒接收机中的所有的解调器都可分为两大类：1) 求积式解调器2) 脉冲计数器式解调电路 求积式解调器是一种利用相位移动产生变化直流电压的电路，从而生成音频信号。中频部分经放大产生方波。然后信号分成两个部分，其中一路信号经相位偏移电路。然后信号在与其中的一个延迟了90度相位的信号（该信号都是正交的）混合在一起。所产生的信号平均强度直接与无线信号的相位偏移（频率变化）有关。 数字式的脉冲计数器式解调电路不同于求积式解调器，但它是一种将调频无线电信号转换成音频信号的更加有效的方法。计数器式解调电路按照无线电信号频率产生固定间隔的脉冲。 当无线电信号频率增加时，脉冲间距变小；频率降低时，脉冲间距加大。在任何时间，脉冲的平均电压强度根据调频信号的频率成正比而上下波动，产生变化的低频电压（音频信号） 计数器式解调电路通常在1MHz以下频率工作，这就意味着它们只能在二级转换接收机中发挥效能。在一级转换接收机中使用计数器式解调电路会使振荡器的频率十分接近于载波信号的频率而无法正常工作。必须将信号混合差频到足够低的频率，解调电路才能正常工作且无失真现象（还记得变频超外差法是如何工作的吗？）。第一级中频频点与载波信号十分接近，只差几百K赫兹，从而能将信号混合到几百K赫兹，但同时这会导致无法进行充分的前级过滤和必要的镜像及衍生频率干扰抑制（镜像及衍生频率干扰抑制将在随后的段落中加以讨论）。计数器式解调电路拥有良好的耐高温性和高调幅波抑制性能。在写这本手册之时，计数器式解调电路只用在最先进的无线接收机设计中。稳定性和热漂移 在求积式解调器电路中，使用双感应器和电容器的另一个问题是它会随不同因素（通常是温度）而发生变化，无线电信号将会严重的失真。例如，在10.7MHz为中频工作的单一转换接收机中，在解调电路电路调整中仅百分之0.5的漂移就会使解调电路原有频率减少53千赫兹，会造成严重的失真。而在二次转换中频接收机中，二次中频频率为1MHZ, 同样百分之0.5的偏移，在调制过程中将只会产生5千赫的偏移。从而，就热漂移来说，采用1MHz作为解调频率的解调电路的频率漂移百分比是以10.7MHz为解调电路的十倍。 那么，为什么不是所有的接收机都使用解调电路为1MHz的双重转换设计呢？首先，由于存在两个振荡器和两组中频滤波器，双重转换接收机包括许多组件，并且制作和排列的成本更高。其次，由于振荡器信号可以泄漏进其他电路甚至彼此之间相互影响，造成各种不同的“奇怪”效应 ，因此使用两个振荡器可能产生更多的内部互调问题。尽管设计难度大，适当设计的双重甚至是三重转换接收机在最终性能的分析时，性能表现会更为优秀。压缩扩展器 在接收机内部的解调电路后的扩展器一定是发射机压缩器的“完美镜象”。其目的在于完成噪音抑制压缩扩展过程，也就是将音频信号的动态范围加倍放大，这和发射机中压缩的处理相对应。音频信号的动态范围在发射机中以2：1比率压缩，在接收机中以 1：2的比率 放大还原为原始音频信号。在“音频信号处理”一章中将详细介绍压缩扩展器。 调幅抑制 改善接收机调幅抑制的主要方法就是在解调电路之前采用强烈的限幅处理。限幅处理几乎将信号转换成完全的方波，因而调幅强度波动将不会改变进入解调电路的波形。 有些类型的解调电路也提供调幅抑制。求积式解调器没有内在的调幅抑制，不过脉冲计数器式解调电路却提供额外的调幅抑制。音频输出部分 接收机的音频部分必须提供超低噪音增益，同时将失真降低到最小限度。它也要有正确的输出连接器，平衡或非平衡的配置以及根据应用环境设定输出电平。低成本的接收机主要只提供单一的输出端，并通常是非平衡配置。而高品质的，多用途接收机为连接各种音响和录音设备，提供了各种不同电平的输出接口。静默技术 当匹配的发射机关闭时，或信号条件太弱不能产生可用的信噪比时，接收机中的 “静默”电路便用使音频输出哑音。有以下几种不同的方法：1. 固定的射频强度阈值静默2. 由高频音频噪声控制的可变阀值静默3. 导频信号控制静默4. 数字代码控制静默5. 微处理器控制算法 （智能静默技术）的静默处理有两种相反的情况要求不同的静默处理方法1. 近距离时，具有很大的平均射频强度2. 远距离时，具有微弱平均射频强度 在具有很大射频强度的近距离操作范围内，理想的静默处理应该是活跃的，不允许音频信号产生任何噪音，又能将导致多路径跑频的潜在噪声哑音。这种方法的问题在于活跃的静默处理将会明显降低操作范围。 在具有较低的射频信号强度的远距离操作范围上，理想的静默将不会那么活跃，为了扩大操作范围，它允许射频信号降至接近背景噪声的水平后才开始静默。然而，在近距离、强射频信号时该方法会导致多路径信号传输所造成的短暂的“噪声加强”。 固定射频强度阀值静默系统通过监视到来的信号强度来决定是否需要静默。这种类型的设计中，尽管静默阈值经常是可调节的，由于特定条件下平均射频强度难以预测，所以选择最优设置十分困难。当匹配的发射机关闭时，接收机也可能会被干扰信号误触发。 当发射机关闭时，可以利用高频噪声来控制静默阈值，从而使接收机哑音静默。该方法也假设跑频是在高频噪声逐渐升高之后可以预测发生的，尽管这种类型的静默技术在绝大多数情况下相当有效，它也可能被包含大量高频的音频信号所 “欺骗”，比如，使车钥匙或硬币发出叮当声。 导频信号控制的静默系统通常使用在发射机产生的连续超声波导频信号来控制接收机的音频输出。接收机对导频信号必须比对射频载波信号更加敏感，当载波信号很弱但仍然可以产生可用的音频信号时，可以避免意外的静默。当发射机关闭时，用该方法使接收机哑音是十分有效的，但是当发射机很近或有一定距离时，这并不能解决射频信号强弱的问题。 当发射机开着时，数字代码静默技术利用由发射机产生、包含8比特代码的超声波音频信号来通知接收机打开音频输出通道。代码在发射机开启后重复发送几次以确保接收机接到代码。发射机关闭时首先发出另一个代码以通知接收机将音频系统哑音，然后在简短的延迟以后，关闭发射机的电源。在每个系统中使用不同的代码以避免与多通道无线系统的冲突。当发射机关闭时，该方法在使接收机哑音方面是非常有效的，并且消除了开关机时的噪音，但仍然不能兼顾解决射频信号强与弱两种情况下的问题。 在一些Lectrosonics接收机中引入了一种称作SmartSquelchTM（智能静默技术）的独特技术。这是一种由微处理器控制的技术，它在几秒里通过监测射频强度，音频强度和近期的静默历史而自动控制静默操作。系统在强大的射频信号的情况下提供活跃的静默功能以消除在近距离的多路径传输环境所造成的噪音。当射频信号比较微弱的时候，系统会提供相对“不活跃”的静默功能，以便在尽可能远的距离范围内尽可能传输更多可用的音频信号，通过遮蔽效应来尽可能消除本底噪声。射频信号ACE 计算机界面 随着微处理控制的出现，可以利用强大的工具来协助识别无线电频率干扰和找出无干扰的操作频段。Lectrosonics UDR200B接收机随机附带软件提供了可对所有内部设置和状态以及各种不同操作模式进行调节的图形界面。如果要安装一套新的无线系统，接收机可以通过与RS232兼容的Windows PC 接口来进行实地的频率扫描。 显示界面的下半部显示了一个用于进行频率扫描的图像的扫描频谱分析器。在扫描期间，接收机在调制范围上分步调谐，位于屏幕上的指示器会显示所找到的频率和信号强度。如图四：图四 对于多通道无线系统，软件也提供一个概括一览屏，它可以同时实时显示25个或42个接收机最为关键的几个状态。射频和音频强度，发射机的内部温度和剩余电量都能同时在彩屏中显示出来。第4节：分集接受技术 “分集式接收”是无线系统中最容易被广泛误解的概念之一。这个词源于词根“diverse”,意思是“无关联的”。应用在话筒接收机上时，该术语指使用两个天线来消除由多路径传输中因相位相互抵消（多路径传输空值）所造成的“跑频”现象。 下面介绍一下多路径传输空值。在这个例子中，来自于发射机的信号经直接路径和反射路径到达接收机的天线。反射信号路径要略长于直接路径，这样它们在接收机天线上混合时，会造成两个信号的相位不一致。产生的弱信号就是我们所说的跑频。多径跑频 最常见的跑频类型可能更适合被称作“噪音增强”接收机音频输出保持打开状态，可以听到短暂的嘶嘶声，滴答声，砰砰声以及其它与音频信号夹杂在一起。如果多路径传输的信号过弱使接收机哑音，也可能发生音频信号的完全丢失的情况。VHF跑频时通常听起来更像瞬间的嗖嗖声或嘶嘶声，有时还夹杂着嗡嗡的声音。由于UHF具有更高的频率和更短波长，其跑频时间上比VHF要短得多，有时听起来更像噗噗声或滴答声。 由于无线发射机的输出向四周辐射，并在室内各种不同的界面上折射返回，因此多路径传输跑频现象在室内时更为常见。事实上，工作在室内的无线系统会产生大量反射，但由于直接信号最强，系统将继续工作而不收影响。金属是很好的反射体，发射机信号可以从汽车，卡车，拖车，金属建筑物上有效地反射，因此多路径传输跑频现象也会在户外发生。 当发射机和接收机天线处于一个特殊的相对位置时，失真就会发生。将发射机或接收机移至另一个不同位置后，经常可以降低或消除失真。在房屋周围的其它可移动物体，如人的身体，也会改变反射和直达信号，这或多或少的影响失真的发生。 在VHF频率上无线电载波信号的波长在5到6.5英尺的范围内。在UHF频率上，波长约为12到20英寸。所以在VHF频率上的 “跑频带”（跑频产生的区域）要比UHF频率上的大，因此为了防止跑频，使用VHF系统时天线要比使用UHF系统时移的更远。这也意味着，在行走测试中，定位和识别VHF系统的跑频带要比UHF系统的容易。 在分集接收的简单说明中，到达天线A的信号在很大程度上被多路径传输空值给抵消了，留给接收机的只有一小部分信号。在天线B的信号仍旧很强，为接收机提供足够的信号以产生可用的音频信噪比。分集接收 注意，图示中把天线B显示为“远程”天线，与同轴电缆连接。两根天线之间的距离至少要保持操作频率的二分之一波长以确保天线接收到无关联的（也就是“分集的”）信号，从而获得分集接收发挥至最佳表现。 想象一下，如果天线B安装在接收机上会有什么情况发生呢？如果系统是按VHF设计的，很有可能多路径传输空值发生同时发生在两个天线上。那么尝试在接收相同信号的两根天线之间切换的好处是什么呢？两个信号之间的相位差异不存在或者很小，以至于对接收不会有任何影响。当两根天线安装在接收机上时，具有较短波长的UHF频率在天线之间将有足够的宽度空间以获得分集式接收的益处。 在具有出色灵敏度的高品质接收机上的分集电路可以降低或消除多路径传输跑频，在某些情况下会增加操作范围。接收改进的程度随设计者选择的分集接收方法而变化。 在接收机设计中选择的分集接收电路的类型需要考虑许多因素，如成本，大小和重量，性能表现和特定应用时每个电路类型的实用性。 由于市场竞争越来越激烈，成本往往是主要标准。大小和重量在为现场同期录音而设计的接收机中最为重要。性能表现在高端录音室和舞台接收机中是主要关心的焦点。在电影制作的应用设计中，无线系统的价格与一天的制作成本比较起来就显得无足轻重了，因此在这种情况下，音频和射频性能就成为关注的焦点。 当它们进入接收机以后，接收机如何处理来自两根不同天线的信号就成为区分接收机设计好坏的重要分水岭。除非使用高品质设计的接收机，否则利用分集接收将毫无意义。低灵敏度的分集接收机在使用单天线的地方会时常出现问题，高性能的接收机工作时不会产生噪音或跑频现象。任何类型的 “分集”接收都不会对低性能的接收机的性能提升有太多帮助。事实上，它可能会使情况变得更糟。 以下就用图示来说明并讨论使用在各种设计中分集接收的不同技术。 无源分集接收 这只是简单地在单一接收机上增加额外的天线，放置在二分之一波长或更远的地方。可以使用外置频率合成器和第二根天线很容易地实现。两个结合的天线将会收集更多的射频信号并同时将跑频降至最低限度。 天线相位切换分集 该技术的主要优点就是尺寸小，这解释了为什么这种小型接收机被设计应用在现场同期录音上。将两根天线结合来为一个接收机，和其中一根天线输入上加上了相位反转开关。当信号状况变糟时，其中的一个天线相位发生翻转，然后逻辑电路决定切换行为是否改进了信噪比，再决定是否锁住该位置或再一次进行切换和采样。 天线将保持在较佳位置上，信号状况再出现问题时，重复以上操作。 该方法潜在的逻辑是：1.如果任一天线可接收到较强的信号，接收端就没有问题2.当两根天线拥有一个同相微弱信号时，信号彼此间相互叠加并产生更强的射频信号3.两根天线都有较强的信号，但它们彼此间相位相异，在这种情况下它们之间相位抵制将降低到达接收机的信号强度。当发生上述情况时，接收机将其中一个天线的相位翻转，在绝大多数情况下可以恢复射频信号。 这种技术的逻辑性就是简单地利用相位差别。在同一时间两根天线都出现多路径传输空值的机会可能很小，但当两根天线都能接收到很好的信号时，信号间的相位差异又会导致相位抵消，跑频现象仍旧可能发生。现实世界的试验表明简单地使用两根天线在避免跑频现象的发生并不能起到实际的改善。 该方法的存在的问题是:1.直到接收机遇到麻烦时才做出反应2.变换相位经常会使借乎边缘的问题变得严重。3.由于切换电路位于射频信号路径中且只在低射频强度情况下进行切换，所以当切换发生时，将会产生“滴答声” 这种分集接收技术的一种特殊改进即使用微处理器控制的被称作“智能分集接收”技术的算法，由Lectrosonics提供，应用在小型接收机上。在接收机中的嵌入的芯片通过分析射频强度和射频强度变化率，控制分集接收信号测控和切换。芯片决定切换和采样的最优时间选择以将失真最小化，并消除可能由切换活动而造成的音频中的噪音。该“智能”算法也与接收机中的智能静默芯片集成整体以进行随机抽取和切换。系统将利用短暂的静默活动进行切换，当静默系统将音频哑音时，通过抽取样本来决定最佳的相位设置。第5节：音频信号处理 为使源信号的均衡和动态范围与录制和扩声系统相匹配，几乎所有的声音录制和增强系统都使用音频信号处理电路。从电影光学声轨录制、音乐录制到声音增强和电话系统的应用范围内，使用了各种不同的方法。无线话筒系统的设计也致力于传送最大的动态范围同时将噪声和失真降到最低限度，这需要几种类型的音频信号处理。 未压缩的音频信号动态范围是源自实况转播中的讲话者或乐器所产生的话筒信号，该动态范围通常会超出无线系统所能处理的范围。如果没有压缩和限幅，就会听到任何无线系统其固有的背景噪音。当发射机随讲话者移动时，背景噪音强度也随之变化。当音频信号处于相当高的强度时，音频掩盖了背景噪音。然而，在演讲期间的停顿或带有低强度的音频时，会很清楚地听到背景噪音。另外，除非在发射机中提供某种形式的完全限制，否则发射机的高输入强度会产生失真。 在无线话筒系统中应用的音频信号处理也致力于降低噪声和失真。信号处理包含几个基本的过程：1. 预加重/去加重（用于增加信号以达到系统的信噪比要求）2. 输入限幅（将过载失真降低到最小程度）3. 压缩扩展器（压缩器/扩展器噪音衰减）4. DNR过滤（动态高频噪声衰减） 预加重/去加重 绝大多数的无线话筒系统通常在发射机中进行高频提升（预加重），然后在接收机中的进行相应的高频衰减处理（去加重）。此过程与使用在某些磁带录制机上的简单噪音抑制很相似，并且显著地将无线系统的信噪比提高了大约10个分贝。 如果应用了过多的预加重，在整个调制期间，由窄带接收机中的中频滤波器所引发的失真（高频的丝音）很有可能发生。宽带中频滤波器在牺牲选择性的情况下可以减少或消除这种问题。 输入限幅 我们应该在输入限幅器和压缩器（整体压缩扩展器电路的一部分）之间明确加以区分。这是两个操作不同并为不同目的而应用的独立电路。输入限幅器使用在发射机输入电路中，它在最大的信号强度上加个“最高限额”以抑制增益放大器的过载并保持无线频偏保持在允许的限度内。而压缩器是作为压缩扩展器电路的一部分，作为整体噪音抑制过程的一部分，通过接收机中的接收镜像进行反向扩展过程加以实现。输入限幅器在发射机输入端，紧跟着的是压缩器。图一 有几种很好的原因必须在发射机上使用输入限幅器电路。首先，不管输入信号强度有多大，政府的规定限制了可允许的最大调频偏移。其次，如果在音频链路的第一阶段向音频放大器发送过多的信号，过载失真（削波）将会发生。有趣的是，尽管这是一个能够极大提升系统表现性能的很有价值的设计 “工具”，仍旧只有很少的制造厂商会将限幅器放在输入阶段。 入阶段中一个优秀的限幅器将显著地提高系统的信噪比，并防止信号峰值失真。一个优秀的限幅器可以处理在最大频偏之上的约12分贝的信号峰值。更好的设计将可处理至高出20分贝的峰值。目前最好的系统在任何增益设置上可以处理超过最大频偏的30分贝的峰值。 在大部分设计中，使用输入过载来限制最大偏离。虽然这使得系统符合政府相关使用规定，但产生了严重失真并同时牺牲了系统的信噪比。在没有限幅器的情况下，唯一避免过载失真的办法就是降低输入增益，从而信号峰值不会被削波。然而，使用此方法的问题在于，平均信号强度在正常操作中太低以至于不能产生良好的信噪比。这就是为什么在某些产品的设计中背景噪音总是可以听到或失真频繁地发生的原因之一。 在某些电路设计中，限幅器的工作范围随着增益设置而发生变化，因此限幅器直接对输入增益电路做出反应。这将限幅器的范围与增益控制的量基本保持在同一范围内。换句话说，限幅器在高峰值时把增益控制简单地调低。这种联动的动态限幅阀值技术对于大嗓子歌手来讲就是一个大问题，通常他们的演唱需要一个精确不变的压限处理。在这种情况下，输入增益通常被设置成最小值，此时在输入处没有增益，来确保较少的限幅或不限幅。最佳的限幅器设计使用独立于输入增益电路设定的独立的电路模块。 压缩扩展器 在称作“压缩扩展器”的信号处理电路的帮助下，无线话筒系统可以察觉的信噪比得到了极大的提高。术语“压缩扩展器”是 “压缩器”和“扩展器”的合成词。 压缩扩展是一种依靠“掩蔽”效应来提高无线系统信噪比的双重音频处理过程。掩蔽就是利用人耳听事物的方式，用较大的声音掩盖较弱的声音过程。当音频信号足够高时