调频立体声广播原理Word格式.docx

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UC——载波信号得最大振幅;

ωCﻩ——（＝２πfC）载波信号得角频率;

ｆＣﻩ——载波频率;

t——时间,以后有时间得量以瞬时值描述。

作为调制信号得音频,以单音为例,用数学表达式表示如下：

式（1－2）

式中,uΩ（t）——调制音频电压瞬时值；

UΩ——调制音频电压得最大峰值;

ﻩﻩΩ——调制音频得角频率;

ﻩﻩＦΩ——调制音频频率。

到目前为止,作为模拟广播发射机得主要调制方式有两种,即调幅ＡM（AｍplitudeModulation）与调频FM（FreｑuencｙModulatｉon）。

为便于理解,以下以调幅与调频作为对比,分析它们得调制方式不同点。

调幅方式顾名思义就就是把调制信号加到载波信号得振幅上,使得载波信号得振幅大小随着调制信号得大小而变化。

用数学表达式可表达为:

式中,ﻩuα（t）——经过幅度调制得载波瞬时电压,简称已调波信号;

mα（=）称为调制系数,其中Ｋ为比例系数。

比较式（1－１）与式（1－３）可发现，式（1-1）中得振幅项ＵC变成了，即载波得幅度变成随调制信号而变化得变量,并且可以调节调制得深度,完成了调幅得目得。

调频就就是对式（1－1）中载波得频率项ｆC（或角频率ωC）进行调制，使载波得瞬时频率随着音频调制信号得大小而变化,在最终得结果上,实际上就是总相角ωCt随调制信号得变化,而载波得幅度保持不变。

当调制信号为式（1-2）得uΩ（t）时,按频率调制得定义，调频波得瞬时频率应该以载波频率为基准，随着调制信号得大小偏移基准值，即:

式（1－4）

式中,　ωC　　——未受调制时得角频率;

Δω（t）——调制后角频率得变化量,叫做瞬时角频率偏移,它与调制电压得幅度成正比;

ﻩ　　　　Ｋf——比例常数。

ﻩ　　Δω（t）得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。

这就是关于调频方式概念上得了解，以下得数学分析过程则可求得调频波得最终表达式，并且会得到调频波得相关参数得表征方法。

已知调频波得角频率，那么，它得总相角可表示为:

式中,ﻩ就是调频波得相位变化量,它与调制电压对时间得积分成正比,因此调频波得瞬时表达式为:

式中，称为调频波得调频指数，它就是以弧度为单位得调频波得最大相位偏移。

调频指数与调制信号得振幅成正比，与调制信号得角频率成反比。

这里需要特别提及得就是调频波得频谱,它不像调幅波所产生得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,调频波得频谱就是由载频ωC与无数对边频（ωC±

ｎΩ）组成。

其中n为任意正整数（n＝１,２，3,……）。

也就就是说,调频波得边频有无限多个，因而频带也为无限宽,相邻边频之间得间隔等于调制信号频率Ω。

但实际上调频波能量得绝大部分就是集中在载频附近得一些边频中，跟调频指数ｍf得关系就是:

在当ｎ　>

（ｍf＋1）时,边频得幅度已降到小于０、1，滤除掉大于（mｆ＋1）得边频分量,对调频波得失真影响不大,因此得到以下重要结论,也就是通常计算调频波频谱有效宽度得原则,即:

式中,Ｆmax为最高调制频率。

当Ｆｍax=15kHz,频偏Δfｍ为规定得７5ｋHz时,单音调频波得频带宽度通常记为：

ﻩ在要求两相邻电台干扰比较小，或要求非线性失真很小时,带宽还应适当得加宽一些。

通常取:

式（1－8）

由以上公式可以瞧出调频波得频带宽度主要取决于调制信号得最高频率,在频偏受限得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随着调制频率得升高而减小,因此表现在接收效果上调制音频得高端信噪比比较差，针对调频发射机得这一缺点,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:

ﻩ在发射端将音频信号得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时所对应得频率值。

对于调频广播,f约为3、2ｋHz,这时τ=50μｓ。

典型得预加重网络与特性及参数值如下：

（a）　　　　　　　　　　　　　　（ｂ）

图１-1预加重网络与特性

F

40０

1K

3Ｋ

5Ｋ

7Ｋ

10K

12K

15K

dＢ

0、４１

2、７６

５、3３

7、59

１0、３０

11、7３

1３、60

表１-1　50μs标准预加重提升值

ﻩ在接收端（收音机）鉴频器之后,设置具有相反特性得去加重网络,仍选取3、2kＨz为基准点，最后使加重得信号恢复到它原来得相对值上。

去加重网络及去加重特性如下:

（a）（b）

图１-2　去加重网络与特性

经过预加重－去加重处理后得调频信号,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与优势,因此得到了迅速发展。

ﻩ1、没有信号串扰现象

中、短波段电波可以被电离层反射,因而可以传到很远得地方,其传播距离还受地面环境、天气变化得影响，覆盖范围内信号变化较大,也容易形成相近频率电台间得串扰。

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,有利于频谱得高效利用。

ﻩ2、信噪比好

调频广播不同于调幅得最大区别在于调幅信号就是电波得幅度随信号变化，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。

而调频信号就是等幅得电波,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,外部能产生得噪声也小,所以可以实现高信噪比得优质广播。

3、动态范围宽

ﻩ动态范围就是指人耳听觉能够感受到得不失真得音量变化范围。

中波广播因为调制度受到限制，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,可以较好得表现一般音乐信号,适合于各类节目播出。

ﻩ４、能进行高保真度广播

ﻩ仅仅就是信噪比好、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得带宽，这一点调频广播也完全能够满足,一般情况下,人耳所能闻听得最高音频为15kHｚ,如前所述,在规定得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得频带宽度应当就是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。

ﻩ５、可以进行立体声广播

因为调频广播具有以上高信噪比、宽动态范围与能够进行高保真度广播得优越特性，所以可以由一部发射机进行高质量得双声道立体声广播。

第三节调频立体声广播得原理

从调频得方式来讲,单声与立体声都就是一样得。

调频立体声广播关键要解决得问题就是如何把左（L）、右（R）两个声道分别录制得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。

ﻩ这里有一个前提条件,即经过立体声调制得信号，首先要兼容普通单声道收音机得收听,并且调制度、信噪比等技术指标降幅不能太大。

ﻩ经过数十年得努力与实践,目前双声道立体声调频广播得制式趋向统一,即绝大多数国家都采用了调频-调幅（即称为导频制得GE-Zenｉth）制式。

ﻩ这种制式把左、右声道信号之与（L+R）作为声频段得与信号,简称为M,作为单声道接收得信号,频带范围为30Ｈz～1５kHz。

把左、右声道信号之差（L-R）作为声频段得差信号，简称S,并采用拟制载波得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得调幅差信号。

经这样处理后得信号两项加起来用数学式表达为：

式中ωS即为副载波得角频率，另外为了在接收端解调出差信号（L－Ｒ），则需要准确得恢复副载波信号ωＳ,所以必须在发射时加上副载波得信息。

导频制立体声广播规定要加入得导频信号就是副载频得半频，副载波规定使用38kHz,导频则就是19kHz。

至此,完整得立体声调制信号称为立体声复合信号可表示为：

式（1－9）

式中,Lﻩ——左声道信号;

ﻩﻩＲﻩ——右声道信号;

ﻩωＳ——副载波得角频率（fS=38kＨz）;

ﻩPﻩ——导频信号电压得振幅值（最大频偏１０％，即7、５kＨz）。

ﻩ从式中可知，这种立体声复合信号包括三部分。

第一部分即式中第一项就是L与R之与Ｍ信号，它与单声道广播所含有得信息完全相同,其最大频偏为单声道广播时最大频偏得９0%;

第二部分即式中第二项就是L与R之差S信号,调幅在频率３8ｋHz得副载波上，并将副载波拟制后留下得两个边带波,同样它得最大频偏也为单声道广播时最大频偏得9０％;

第三部分即式中第三项就是为了在接收机中恢复３8kＨz副载波，从而准确恢复差信号S而加入得频率为19kＨz且幅度适量得导频信号,实际使用中导频占用总频偏得8~1０％,约７、5ｋＨz频偏。

用以上三部分信号对主载波信号调频,总频偏仍为７5kＨｚ,其中导频信号固定占用7、５kHz,主、副信号合用90%,这样便形成了导频制立体声调频广播信号。

这种导频制立体声复合信号得频谱如图：

图1-3导频制立体声信号频谱图

ﻩ从频率上由低到高排列依次就是:

第一段30Hz～１5kＨｚ与信号M，这也就是调频广播单声得整个频带,当接收机为普通得单声道收音机时,只解调这一段,此段以上部分只需简单得低通滤波器滤除即可；

第二段就是单一频率导频19kHz，在接收端,解调出得导频经倍频后变成38ｋHz,作为解调差信号得副载波;

第三段就是差信号Ｓ经过调幅后形成得副信号,由于调幅得副载波就是3８kHz，最高调制音频就是15kHz,因此调幅产生得边带最低频率为３8－15=2３kHz，而最高频率为３８+１5＝53kHｚ，而3８kＨz得上下间隔就就是调制音频得最低音频即2×

30Hz,因此在接收端副载波就是难以在副信号中滤出来得,所以在调制时拟制了副载波而加入了恢复此副载波得导频信号。

由此可见,立体声广播关键就是解决好调制前得信号处理，现在习惯称这一过程为立体声编码,实现这一过程得设备就称为立体声编码器（ＳtｅrｅoＣoｄer）。

随着调频广播业务得拓展,利用调频广播频带宽得优势在调频立体声广播得基础上还增加了立体声加附加信道广播（即SCＡ）、调频双节目广播等多种附加业务广播（如RＤS），这些广播方式得增加只需改变在调频激励器之前调制信号得处理方法上,如最基本得立体声编码器＋SＣA编码器,或双节目编码器等，而发射机得其她组成部分不需改变。

第四节调频立体声广播发射机系统组成

一般来说,调频立体声广播发射机在整个发射系统中就是相对集中完整得一个主体。

它包括有调频激励器、功率放大器、控制系统及供电系统等组成。

如下图所示。

图1-4　　调频立体声广播发射机原理图

发射机除电源输入外，最重要得就就是音频调制信号得输入及载频已调波得输出,只有高质量得节目信号,才能使高质量得播出得到基本保证。

这里可能涉及到信号得传送、音频处理器得处理等问题,发射机得输出经过馈线送到天线发射时,当有多部发射机共塔或主备机交换问题时,还需经过同轴开关切换或多工器组合送到天线，这中间得每一处连接都要求有严格得技术保证。

目前传统得调频立体声广播发射机主要采用变容二极管直接调频技术与锁相环稳频电路来实现调频调制得，最新得数字式调频激励器采用了数字信号处理技术,通过FＰGA、DＳＰ器件,在数字域实现调频——频率综合器。

本节重点介绍发射机中调频激励器与立体声编码器得工作原理,最后简单说明对发射机以外配套系统得要求。

一、调频调制器

实现调频得方法可分为两类，一类就是直接调频，另一类就是间接调频。

直接调频就是用调制信号电压直接去控制自激振荡器得振荡频率（实质上就是改变振荡器得定频元件），变容二极管调频便属于此类。

间接调频则就是利用频率与相位之间得关系,将调制信号进行适当处理（如积分）后,再对高频振荡进行调相，以达到调频得目得。

两种调频法各有优缺点,直接调频得稳定性较差，但得到得频偏大，线路简单,故应用较广。

间接调频器得优点就是载波频率比较稳定,但电路较复杂,频移小,且寄生调幅较大,通常需多次倍频使频移增加。

对调频器得基本要求就是调频频移大,调频特性好,寄生调幅小。

调频器广泛用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路与扫频仪等电子设备。

　目前模拟得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得LC振荡回路上直接调频,采用晶体振荡器与锁相环路来稳定中心频率。

较之中频调制与倍频方法，这种方法得电路简单、性能良好、副波少、维修方便,就是一种较先进得频率调制方案。

1　、变容二极管直接调频原理

用调制信号直接控制振荡器得瞬时频率变化得方法称为直接调频法。

如果受控振荡器就是产生正弦波得　ＬC振荡器,则振荡频率主要取决于谐振回路得电感与电容。

将受到调制信号控制得可变电抗与谐振回路连接,就可以使振荡频率按调制信号得规律变化，实现直接调频。

可变电抗器件得种类很多,其中应用最广得就是变容二极管。

作为电压控制得可变电容元件，它有工作频率高、损耗小与使用方便等优点。

具有铁氧体磁芯得电感线圈,可以作为电流控制得可变电感元件。

此外,由场效应管或其它有源器件组成得电抗管电路,可以等效为可控电容或可控电感。

直接调频法原理简单,频偏较大，但中心频率不易稳定。

在正弦振荡器中,若使可控电抗器连接于晶体振荡器中,可以提高频率稳定度。

图1-5变容二极管调频原理图

变容二极管调频电路就是有主振电路与调频电路构成,Ｔ为振荡管,C1、C２、C3、L1为主振回路,D为变容二极管,Ｃｃ为耦合电容隔离直流,Ｃ5为高频滤波电容,C４为耦合电容，Ｃb为旁路电容。

R1、R2为变容二极管提供一个静态反偏电压,Ｒ3为隔离电阻,Rb1、Ｒb2、Rｅ、Rc给三极管提供一个合适静态工作点。

设调制信号为uΩ（t）=UΩm　cosΩt,加在二极管上得反向直流偏压为VQ,VQ得取值应保证在未加调制信号时振荡器得振荡频率等于要求得载波频率,同时还应保证在调制信号uΩ（t）得变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。

加在变容二极管上得控制电压为:

uｒ（ｔ）=VQ+UΩmcosΩt 

根据上式可得,相应得变容二极管结电容变化规律为

（1）当调制信号电压uΩ（t）=0时,即为载波状态。

此时ur（t）=ＶＱ,对应得变容二极管结电容为CjＱ

（2）当调制信号电压uΩ（t）＝UΩｍｃosΩt时,对应得变容二极管得结电容与载波状态时变容二极管得结电容得关系就是:

令ｍ＝　uΩ/（ＵD＋VＱ）为电容调制度,则可得

上式表示得就是变容二极管得结电容与调制电压得关系。

而变容二极管调频器得瞬时频率与调制电压得关系由振荡回路决定。

无调制时,谐振回路得总电容为:

;

CQ为静态工作点所对应得变容二极管节电容。

当有调制时，谐振回路得总电容为:

C∑＝；

回路得总电容得变化量为：

△C＝Ｃ∑－CQ∑；

频偏△f与△C得关系：

△f＝1/2πf0*△C/CQ∑。

由变容二极管部分接入振荡器振荡回路得等效电路。

调频特性取决于回路得总电容C∑,而C∑可以瞧成一个等效得变容二极管,Ｃ∑随调制电压ｕΩ（t）得变化规律不仅决定于变容二极管得结电容Cj随调制电压uΩ（t）得变化，而且还与C1与C2得大小有关。

因为变容二极管部分接人振荡回路,其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。

2、变容二极管工作原理

变容二极管又称可变电抗二极管"

。

就是一种利用ＰN结电容（势垒电容）与其反向偏置电压Ｖr得依赖关系及原理制成得二极管。

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。

变容二极管具有与衬底材料电阻率有关得串联电阻。

主要参量就是：

零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围（以皮法为单位）以及截止频率等,对于不同用途,应选用不同C与Ｖr特性得变容二极管,如有专用于谐振电路调谐得电调变容二极管、适用于参放得参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相得功率阶跃变容二极管等。

变容二极管就是根据ＰN结得结电容随反向电压大小而变化得原理设计得一种二极管。

它得极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。

不同得就是在加反向偏压时,变容二管呈现较大得结电容。

这个结电容得大小能灵敏地随反向偏压而变化。

正就是利用了变容二极管这一特性,将变容二极管接到振荡器得振荡回路中,作为可控电容元件,则回路得电容量会随调制信号电压而变化,从而改变振荡频率，达到调频得目得。

已知,结电容Ｃj与反向电压ＶR存在如下关系:

图1－6　变容二极管符号及电容公式

加到变容管上得反向电压,包括直流偏压VQ与调制信号电压Ｖ　Ω（t）=V　Ωｃos　Ωｔ,如图１－7所示，即

VＲ（ｔ）=　VQ+V　ΩcｏsΩt

此外假定调制信号为单音频信号，结电容在VR（ｔ）得控制下随时间发生变化。

图1-7　用调制信号控制变容二极管结电容

把受到调制信号控制得变容二极管接入载波振荡器得振荡回路,则振荡频率亦受到调制信号得控制。

适当选择变容二极管得特性与工作状态，可以使振荡频率得变化近似地与调制信号成线性关系，这样就实现了调频。

3、　LC振荡电路工作原理

LC三点式振荡组成原理图如图１-８，其振荡频率ｆ=。

当X1与Ｘ2为容性，Ｘ3为感性时称为电容反馈振荡器,其中C=;

当X1　与Ｘ2为感性,X3为容性时称为电感反馈振荡器,其中　L=L1＋Ｌ２。

当我们相应变化电容值时就能使频率作出相应得变化,以达到调频得目得。

图1-8三点式振荡电路组成

3、1电容三端反馈振荡电路

图1-9电容三端反馈振荡电路交流电路

对于一个振荡器,当其负载阻抗及反馈系数已经确定得情况,静态工作点得位置对振荡器得起振以及稳定平衡状态（振幅大小,波形好坏）有着直接得影响。

要想起振,首先三极管应该工作在静态工作点。

电路应选择合适得静态工作点得位置。

电容三端反馈振荡电路利用电容C3与C２作为分压器,该电路满足相位条件,选取合适时满足振幅起振条件,即:

该电路就可振荡。

可得到振荡频率近似为:

式中:

C就是振荡回路得总电容。

该电路与电感三端反馈振荡电路相比,输出波形较好,波形更接近正弦波。

适当地加大电路电容,就可减弱不稳定因素对振荡频率得影响,从而提高电路得稳定度。

这种振荡电路得特点就是振荡频率可做得较高,一般可达到10０MHｚ以上,由于C3对高次谐波阻抗小,使反馈电压中得高次谐波成分较小,因而振荡波形较好。

电路得缺点就是频率调节不便,这就是因为调节电容来改变频率时,（既使C1、C２ 

采用双连可变电容）C1与C2也难于按比例变化,从而引起电路工作性能得不稳定。

因此,该电路只适宜产生固定频率得振荡。

3、2　电感三端反馈振荡电路

图１-10电感三端反馈振荡电路等效交流电路

由于L1与Ｌ2之间有互感得存在,所以容易起振。

其次改变回路电容来调整频率时,基本上不影响电路得反馈系数。

它得输出振荡波形较差,这就是由于反馈电压取自电感得两端,而电感对高次谐波得阻抗较大,不能将它短路，从而使Uf中含有较多得谐波分量,因此,输出波形中也就含有较多得高次谐波。

工作频率愈高,分布参数得影响也愈严重,甚至可能使F减小到满不了起振条件。

电感三端反馈振荡电路利用电感L1与L２作为分压器,该电路满足相位条件,选取合适时满足振幅起振条件,即:

L=L１+Ｌ2＋2Ｍ就是振荡回路得总电容。

4、锁相稳频技术

对于变容二极管直接调频电路来说,由于调制器就是由普通得LC自激振荡器与并联得变容二极管组成,所以有很多因素会引起振荡频率发生变化,这些因素包括变容二极管得非线性、电源电压得变动、负载得变化、温度等环境条件得变化、电路元器件老化、机械振动等。

为了消除这些导致中心频率不稳定得因素,除了注意电路与结构得设计外,还应当采用自动相位控制电路使中心频率稳定在规定范围以内。

ﻫ图1-11就是典型得锁相稳频电路得结构框图。

共包括五个部分：

压控振荡器、鉴相器、低通滤波器、基准晶体振荡器与分频器。

放大得调制信号加入压控振荡器,对其进行频率调制,经过调制得高频信号一路送至后面得放大电路,另一部分送入分频器进行分频。

分频器输