第1章-调频立体声收音机.ppt

第1章调频立体声收音机,1.1立体声和立体声技术1.2调频立体声广播1.3导频制立体声发射机1.4导频制立体声收音机1.5调频立体声收音机电路实例1.6实训,人们在家中用调频立体声收音机收听音乐,两个扬声器中间呈现出了整个乐队完整的声像群，感受到了音乐会上整个乐队的宽度感和展开感，感受到了乐器的方位、层次和立体混响。,图1-1人们在家中收听立体声广播,1.1立体声和立体声技术1.1.1自然界立体声天上飞机的呼啸声，远处火车的轰鸣声，身边流水的潺潺声，树上小鸟的瞅瞅声，脚下走路的嚓嚓声。人能感受到这些声音，并能比较精确地感知产生这些声音的声源的空间位置，这是因为人有听觉定位的功能。,图1-2人耳的听觉定位功能,人的听觉定位功能，即“双耳效应”。进入两只耳朵的声波之间存在着时间差、强度差和音色差。这种差别传送到人的中枢神经，经过分析处理，可以判别出声源的位置。经测定，人的正前方水平面上，听觉定位的准确度一般在1015，特别灵敏的人定位精度可达3。,听觉定位功能使人们随时随地能直接听到并判别立体空间不同位置多个声源的声音。听觉定位功能使人们在音乐会上，能听到不同位置的各种乐器的演奏声，感受到立体混响的音乐效果。图1-4和图1-5为交响乐队和民族小乐队音乐会的舞台布置。,图1-4交响乐队舞台布置,图1-5民族小乐队舞台布置,1.1.2立体声重现技术1两个声源的声像如果在人的正前方左、右两侧放置两个等距离的声源，当两个声源发出的声波分别传送到人的两只耳朵的强度差、时间差、音色差均为零时，听觉定位结果，声音如同来自正前方的一个声源，这个等效声源叫声像。,图1-3双扬声器等效声源(声像),当两个声源发出的声波分别传送到人的两只耳朵的强度差、时间差、音色差为各种不同值时，等效声源则处于相对应的各个不同位置。传送到人的两只耳朵的声波的强度差、时间差、音色差三者分别都能引起等效声源位置移动。,2双声道立体声重放技术用两只扬声器充当这两个声源，改变这两只扬声器发出的乐器的声音强度差异就可以获得该乐器的等效空间位置。若改变这两只扬声器发出的多种乐器的声音强度差异，就可以获得多种乐器的等效空间位置，相当于舞台上整个乐队各种乐器的实际位置。,连续不断地改变两只扬声器中播放的各种乐器的声音强度差异，就会在空间形成各种乐器的等效声源位置的移动，相当于舞台上各个乐器的实际位置的移动。这两只扬声器通常按水平方向左、右两边放置，形成舞台立体声混响效果，称为双声道立体声重放技术。,1.1.3双声道立体声信号的录制两只扬声器发出的声音，来自用两只传声器拾取的舞台上乐队演奏的音乐的录音。根据录音传声器放置的位置和指向的不同，可分为AB制、XY制、MS制和假人头制等几种不同的录音制式。,1AB制录音方法把两只型号、性能完全相同的传声器并排放置于声源的前方，左右拉开一定距离，指向性主轴平行或呈一定角度。如图1-6所示。当声源不在正前方时，声源到达两只传声器的路程不同，两只传声器拾得的信号有时间差，还有强度差、相位差。,图1-6AB制录音方法,根据两支传声器拉开距离的不同，分为大AB制和小AB制。大AB制：两支传声器拉开距离从1米到几米或几十米。小AB制：两支传声器拉开距离从十几厘米到4050厘米。,2XY制录音方法把两只型号、性能完全相同的传声器上下重合，指向性主轴成一定夹角。如图1-7所示。因为两只传声器重合放置在一个点上，所以时间差可忽略不计，由于两只传声器膜片有一定的角度，使声源声波传入传声器的入射角度不同，从而产生不同的强度。,图1-7XY制录音方法,XY制以强度差为录音原理，又称为强度立体声。XY制的两只传声器的指向性主轴间的夹角可选，一般有90度和120度两种。,3MS制录音方法把两只型号、性能完全相同的传声器上下重合，将一只传声器M的指向性主轴顺着声源范围的中线，而将另一只传声器S的指向性主轴向着左右两边。如图1-8所示。M传声器的指向性为全向或心形，S传声器的指向性为8字形。,图1-8MS制录音方法,MS制也属于强度立体声。M传声器拾得的是整个声场的信号：MLRS传声器拾得的是左、右信号之差：SLRM、S两只传声器拾得的信号必须进行和、差变换才能成为左、右声道信号。,4假人头制录音方法假人头制录音方法是将两只传声器放置在用塑料或木头做成的模拟人头的两耳部位。两只传声器拾得的信号与人耳听到的声音信号极其相似，有时间差、强度差和相位差。,这种方法特别适合用立体声耳机重放，在房间中任何位置，戴上耳机收听，都能听到相同的立体声效果。若用两只扬声器重放会引起附加的强度差和时间差，立体声效果很差。各种方法各有优、缺点，AB制录音方法使用最为普遍。,1.2调频立体声广播1.2.1调频立体声广播系统1调幅广播和调频广播调幅广播的工作频段为525kHz26MHz，传送的语言和音乐的频率范围定为200Hz4.5kHz。调频广播的工作频段为88MHz108MHz，传送的语言和音乐的频率范围是100Hz15kHz。,人耳可以感知的声波的频率范围为20Hz20kHz。可见调频广播传送的音乐的高低音频率远比调幅广播传送的音乐的高、低音频率丰富，再加上调频广播信号的抗干扰能力高于调幅广播，因此，调频广播在音乐传送质量上大大优于调幅广播。双声道立体声音乐采用的就是调频广播。,2调频立体声广播系统的组成如图1-9所示。（1）发射机双声道立体声信号，调制在发射信号频率（载频）上，经功率放大后，由天线转换为电磁波向空中发射。（2）传输信道无线信道、有线信道、光纤信道。,（3）收音机收音机从空中（无线信道）、或电缆（有线信道）、或光纤（光纤信道）接收到微弱广播信号，经高频小信号放大，频率解调（鉴频），立体声解调，功率放大，获得左、右两路声音信号，用扬声器播放，或用耳机收听。,图1-9双声道立体声广播系统,1.2.2调频立体声广播制式1调频立体声广播制式的选取原则（1）左、右声道信号的频率都是100Hz15kHz，频谱是重叠的。采用的广播制式要做到将它们互不重叠，高质量地传输，而且在接收机中能高质量地重现。,（2）由于同时存在单声道调频广播，采用的广播制式要有兼容性。（3）实现技术不太困难，发射机设备不太复杂，收音机价格不太高。,2和、差制双声道信号传输方法左、右声道信号相加得到一个和信号M：MLR（11）和信号M包含了声源的左（L）、右声道（R）全部信息。左、右声道信号相减得到一个差信号S：SLR（12）和、差信号一起调制到载波信号的频率上向空中发射传输。,（1）单声道接收机接收到该传输信号后，只解调和信号M，实现声源全部信息的单一扬声器重放，即单声道重放。（2）立体声接收机接收到该传输信号后，同时解调出和信号M和差信号S，再经过运算：MS2LMS2S得到左、右声道信号，分别送到各自扬声器中实现立体声重放。,1.2.3导频制立体声广播和、差信号同时传输，做到两者互相不重叠。采用的方法有频率分割制、时间分割制和方向分割制三种。目前已经使用的是频率分割制。1.频率分割制工作原理频率分割制有两种，一种为导频制、另一种为极化调幅制。美国、英国、德国、日本和我国采用的是导频制。,频率分割制是将差信号调制到一个频率为38kHz的超音频信号上，使差信号频谱移到38kHz两边，离开100Hz15kHz的频率范围，与和信号的频谱分开。38kHz的超音频信号是差信号的载体，称为副载波。用于发射的88MHz108MHz超高频频段载波称为主载波或载波。,假设38kHz的超音频信号表示式为：uD(t)UDMcost（13）2f，f为超音频信号频率,数值为38kHz。采用的调制方式为抑制了载波的双边带调幅，差信号双边带调幅信号uST(t)表示式为：uST(t)（LR）UDMcost（14）,图1-10为和、差信号波形组成情况。其中（a）图为左声道信号，（b）图为右声道信号，（c）图为和信号，（d）图为差信号，（e）图为（14）表示的差信号平衡（双边带）调幅信号uST(t)。,图1-10和、差信号波形组成示意图,差信号平衡调幅信号uST(t)的频谱处于38kHz副载波频率的两边，频率为：从23kHz到53kHz，如图1-11所示。和信号的频谱仍然在100Hz15kHz。可见：和、差信号的频谱分开了。,图1-11调频立体声广播信号频谱,M(L+R),S(L-R),SCA,f/kHz(频偏),f/kHz,0,70,40,20,30,50,7.5,60,主信道60kHz,副信道60kHz,导频信号7.5kHz,辅助通信业务信号7.5kHz,15,19,23,38,53,59,75,67,图中还可见到用来播送背景音乐或气象、教育、宗教、经济、交通等信息的辅助通信业务广播信号（SCA）。它们对频率为67kHz的另一副载波信号进行调频，是调频信号，在频谱图中占据频率范围为59kHz75kHz。频谱图中还有一个19kHz的单频率信号，称为导频信号。,2.导频信号的作用收音机中必须再生一个与发射机38kHz副载波同频、同相的本地振荡信号，uO(t)=UOMcost（15）用该本地振荡信号与差信号平衡调幅信号相乘，才能解调得到差信号，这种解调方法叫同步检波。两者相乘为uST(t)uO(t)（LR）UDMcostUOMcost,经三角函数积化和差处理后uST(t)uO(t)（LR）（LR）cos2t用低通滤波器滤去第二项高频信号，取出第一项信号，即得差信号。（LR）为了在收音机中产生与发射机中副载波同频、同相的本地振荡信号，在发送的信号中加入了一个19kHz的单频信号。,收音机接收到该19kHz的单频信号后，把它用作锁相环路的输入参考信号，锁定本地振荡器振荡频率，使之与发射机的副载波同频、同相。该19kHz的单频信号起了收音机本地振荡器振荡频率的引导作用，称为导频。该双声道立体声广播制式称为导频制。,导频信号的另一个作用是：收音机接收到该导频信号，可以断定接收到的是调频立体声广播，则用该导频信号点亮立体声接收指示灯和打开立体声解码开关，使解码电路工作。,3.调频广播输出和信号也叫作主信道信号，差信号也叫作副信道信号。主信道信号、副信道信号、导频信号和辅助通信业务（SCA）信号混合组成立体声复合信号，也叫基带信号。,基带信号对载波进行频率调制，经高频功率放大后，由天线发射到空中。这种方法称作导频制的AM-FM制。我国采用的就是这种AM-FM制。,1.3导频制立体声发射机AMFM导频制立体声广播发射机组成如图1-12所示，它分为基带信号处理和调频载波输出两大部分。,图1-12导频制立体声发射机组成,1.3.1基带信号处理1.传声器左、右两只传声器拾取舞台上演出的音频信号，也可以是由录音设备提供的左、右两路录音信号。,2.预加重电路声音信号的能量密度是随着声音频率的升高而减小的，传输过程中间高频部分的衰减比低频严重，噪声是随着频率（噪声本身的频率）的升高而增大，这样，造成声音信号高频信噪比下降。为此，在传输以前将高频部分能量提升。,3.矩阵电路。经过预加重后的左、右两路音频信号，送到矩阵电路。运算分别得到左、右两路音频信号的和信号与差信号。和信号直接送往加法器。,4.平衡调幅器差信号送到平衡调幅器对38kHz的副载波进行平衡调幅，然后送往加法器。5.导频信号发生器晶体振荡器产生19kHz的导频信号，分为两路，一路倍频产生38kHz的副载波信号送往平衡调幅器，另一路直接送往加法器。,6.辅助通信广播信号辅助通信业务广播信号（SCA），对频率为67kHz的另一副载波调频后，也送往加法器。7.加法器主信道信号、副信道信号、导频信号和辅助通信业务广播信号（SCA）在加法器中相加组成立体声复合信号。,1.3.2调频载波输出1.主载波发生器高稳定度的晶体振荡器，产生调频发射机的载波信号，送往调频器进行调频。要想实现线性调频，调频的频偏就不能大，频偏是调频的程度，频偏携带信息，因而调频信号携带的信息量也就不大，达不到要求。,为此，将主载波晶体振荡器的振荡频率减低，通常为100200kHz，在低主载波频率上进行小频偏的线性调频。再用倍频器、混频器将低主载波频率提高到发射载波频率，频偏也以同样的倍数增大，达到增大频偏的目的。,2.频率调制器频率调制器用以完成基带信号对主载波的频率调制。设主载波频率为fZ，基带信号为uj(t)，基带信号控制主载波偏离fZ的频率变化为：f(t)fZ+f(t)fZ+kfuj(t)（18）式中：kf为调频比例系数,f(t)为频率偏移。,调频信号的表示式为：uZ(t)UZmcos2fZ+kfuj(t)t（19）f(t)的最大值为最大频率偏移，简称频偏，用fm表示：fmkfuj(t)max（110）,调频指数mf为频偏与基带信号频率的比：调频信号的有效频带宽度Bf为：Bf2（mf1）F2（fmF）频偏fm大，则调频指数mf大，调频信号携带的基带信息量大，信噪比高。,但调频指数mf大，占据的频带宽，占用频率资源多。调频立体声广播的最大频偏规定为75kHz，调制度为100%。当最大频偏为75kHz，音频信号的最高频率F15kHz时，由式（112）可算得调频立体声广播电台信号的频带为Bf2（75kHz15kHz）180kHz,每个调频广播电台要占用180kHz的带宽，两个电台之间还要留20kHz的频率间隔，总共是200kHz。若调频广播电台安排在中波频段5351605kHz，只能安排5个电台，数量太少，所以中波频段不设置调频广播电台。,调频广播电台设置在88108MHz的超高频频段，其20MHz的频率范围，理论上可以容纳100个电台。,3.倍频器主载波发生器的振荡频率通常为100200kHz。在该频率进行小频偏线性调频，然后再由倍频器和混频器将载频提高到88108MHz的某个指定频率，同时频偏也加倍到需要值。,4.功率放大器根据传输距离的近、远，将调频载波信号功率放大到几瓦、几十瓦或几百瓦。5.天线天线将调频载波信号转化为电磁波向空间发射，经过大气空间信道传输，由千家万户的FM收音机接收。,超高频信号电磁波地面传输直线距离最大为50公里。图1-13所示为调频广播电台调频载波输出电路框图。（1）高稳定度晶体振荡器产生100kHz初始载波信号，（2）基带信号通过由积分器和矢量合成调相器组成的间接调频电路，对初始载波信号进行调频。,图1-13调频载波输出电路框图,（3）间接调频电路（矢量合成调相器）的线性范围限定调频指数必须mf0.5。基带信号的频率范围为100Hz15kHz，调整电路的调频比例系数kf，使频偏fm24.415Hz。当F100Hz时，由（115）式计算得到mf0.25，符合mf0.5的要求。,当然，当F15kHz时，更加符合mf0.5的要求。（4）100kHz初始载波频率，24.415Hz频偏，经192次倍频后，载波增大为19.2MHz，频偏增大为4.68768kHz。,（5）再经过混频器，与频率等于25.45MHz的本振信号频率相减，得到载频为6.25MHz的调频信号，频偏不会因混频而改变，仍为4.68768kHz。（6）再通过16次倍频，载波增大为超高频频率100MHz，频偏增大为75kHz，功率放大后由天线发射到空中。,1.4导频制立体声收音机AMFM导频制立体声收音机电路组成框图如图1-14所示，主要由调频信号放大与解调、基带信号解码、立体声信号输出等部分组成。,图1-14调频立体声收音机电路组成,1.4.1调频信号放大与解调1.调频高频头（调频头）包括输入电路、高频放大器、混频器和本机振荡器等电路。将天线接收到的调频广播信号选频放大，混频变换成10.7MHz的调频中频信号输出。要求较高的增益、选择性、信噪比。,2.中频放大器将调频高频头输出的10.7MHz调频中频信号选频放大，然后，送鉴频器进行解调。中频放大器工作频率相对较低，且所有电台都固定为10.7MHz，容易做到高而稳定的增益和选择性，且便于集成化和固态化。,3.限幅器机内噪声和内部干扰的影响，调频高频头及中放电路幅频特性曲线的非矩形特性，传输过程中天空雷电和机电设备电火花等外来干扰信号，都会使调频信号产生幅度的变化，为寄生调幅。调频信号本身幅度不携带信息，因此，通常采用限幅器将调频信号的幅度取平整，将寄生调幅去除。,4.鉴频器鉴频器的作用是将调频信号中频率变化携带的基带信号恢复。鉴频的过程是频率调制的逆过程，是频率解调。通常将频率解调器称为鉴频器。,1.4.2基带信号解码鉴频器输出的立体声复合基带信号要送入解码器,分离出左、右声道信号。AMFM导频制立体声广播的解码方式有频分式和时分式两种。频分式又称为矩阵式，时分式可分为开关式和包络检波式。开关式是目前应用最广泛的方式。,1.矩阵式解码电路如图1-15所示。由复合信号放大器、015kHz低通滤波器、2353kHz带通滤波器、19kHz导频信号选频网络、副载波发生器、调幅波复原电路、幅度检波器、矩阵电路和去加重电路组成。,图1-15矩阵式解码电路框图,复合基带信号放大后，分三路加到三个不同的滤波器。第一路由低通滤波器分离出和信号M。第二路得到(L-R)和-(L-R)两个相位相反的音频信号。第三路由选频网络，选出19kHz导频信号，送入副载波发生器产生38kHz副载波。在矩阵电路中，(L-R)和-(L-R)分别与和信号M=(L+R)相加，得到左、右声道信号L、R，去加重后，经功率放大器放大输出。,2.开关式解码电路令副载波幅度UDM1。双声道复合信号表示式为：（LR）（LR）costL（1cost）R（1cost）当t0，2，4，6，2n时，cost1，38kHz副载波信号正峰。（LR）（LR）cost2L可见双声道复合信号在副载波信号正峰点的值为左声道信号值。,当t，3，5，7，(2n+1)时，cost1，38kHz（超音频）副载波信号处于负峰点，这时（LR）（LR）cost2R可见双声道复合信号在（超音频）副载波信号负峰点的值为右声道信号值,在图1-16中可以见到，双声道复合信号的正峰点包络和负峰点包络呈现的波形，正是左、右声道信号的正弦波信号和方波信号。开关式解码电路的组成如图1-17所示。它由复合信号放大器、副载波发生器、电子开关电路、去加重电路组成。,图1-16左、右声道信号和复合信号,图1-17开关式解码电路组成框图,立体声复合基带信号由和信号M、差信号S的平衡调幅信号、导频信号组成。放大后分别输入电子开关和副载波发生器。（1）在副载波发生器中，导频信号锁相产生与发射机同频、同相的38kHz副载波。（2）38kHz副载波送入电子开关，正半周控制一路开关接通，送出左声道信号；负半周控制另一路开关接通，送出右声道信号。,普通调频立体声收音机没有解调辅助通信业务广播信号（SCA）的电路，不能收听辅助通信业务广播信号。收听辅助通信业务广播信号必须用专用接收机，或在普通收音机中增加（SCA）调频信号解调电路。,1.4.3LA3361立体声解码集成电路如图1-18所示。由带通放大器、解码电路、锁相环、立体声切换和指示灯驱动等电路组成。16脚封装，工作电压16V，允许功耗400mW，输出双声道电压为65115mV，指示灯驱动电压为65mV,驱动电流40mA。,图1-18LA3361集成电路原理框图,LA3361属于电子开关式立体声解码器。立体声复合基带信号从芯片第2脚输入，经隔离放大器放大后分为两路。一路由芯片内电路直接送至开关式立体声解码器。另一路由芯片第3脚输出，经外接带通滤波器取出19kHz导频信号，送至第13脚输入，分别加到正交鉴相器和同相鉴相器。,芯片内压控振荡器的振荡频率为76kHz，经二分频器后得到38kHz信号。该38kHz信号分为两路，（1）一路加到开关式立体声解码器，对从芯片第2脚输入的立体声复合信号进行立体声解码。（2）另一路再经过二分频器，得到频率为19kHz信号。19kHz信号也分两路，一路馈送到同相鉴相器，另一路移相90后馈送到正交鉴相器。,在同相鉴相器中，19kHz信号与立体声复合信号中的19kHz导频信号进行同相相位比较。两者频率相同，相位相同，同相鉴相器的鉴相输出最大。该输出用于产生驱动信号送入开关式立体声解码器，（1）把38kHz信号与立体声解码器的通路接通，进行立体声解码，（2）同时点亮芯片第6脚外接的立体声指示灯。,当接收并输入到LA3361集成电路的是单声道信号时，无19kHz导频信号。同相鉴相器的鉴相输出为0，立体声指示驱动电路无输出，（1）立体声指示灯不亮，（2）38kHz信号与立体声解码器的通路断开，不进行立体声解码。（3）立体声解码器输出单声道信号。LA3361集成电路的典型应用如图1-19所示。,图1-19LA3361集成电路的典型应用,1.4.4立体声输出电路1.去加重电路调频广播的噪声是随着频率（噪声本身的频率）的升高而增大，而声音信号的能量密度是随着频率的升高而减小，声音信号高频部分信噪比下降。为此，发送机中用高频预加重电路提升信号高频，在接收机中采取相反的措施将信号高频进行同样程度的衰减，称为去加重。,去加重电路形式和RC低通滤波器相同。图1-19中第4、5脚外接的R5、C9和R4、C8并联电路即起了去加重作用，R、C参数值根据预加重时的参数对应选取。我国的调频广播规定，去加重的时间常数为50S。RC3.3k0.015F50S,2.低频放大电路解码器输出的左、右声道信号还需经R、C串并联回路滤除残留的19kHz导频信号和38kHz副载波信号。再送低频放大电路电压放大后输出。低频放大通常由集成电路担任，应具有100Hz15kHz平坦的幅频特性。,3.耳机和扬声器输出电压放大后的左、右声道信号由三芯插孔输出送立体声耳机放音。也可送功率放大器放大后，由左、右两边放置的两只扬声器播放。有些袖珍收音机中，只有一只扬声器，由插孔弹簧片将送三芯插孔的左、右声道信号并为一路单声道，送一只扬声器播放。,1.5调频立体声收音机电路实例1.5.1调频调幅立体声收音机图1-20所示是德生PL757调频调幅立体声收音机电路框图。图中TC9136F是东芝公司生产的DSP芯片，具有LCD液晶显示驱动、调谐自动扫描及存储功能。74LS138是3位8选1译码器，在这里作为轻触式电子波段开关。,图1-20德生PL757收音机电