谈谈无线电收音机的保真度

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一、影响保真度的主要因素

所谓保真度,简单的说,就是要求从天线接收下来的有用信号能够在收音机的喇叭上得到不失真的输出,也就是说,要使喇叭发出的声音保持原来的真实度。

使用电话时,只要求能听懂对方说话的意义,就算达到了我们打电话的目的,但这样的要求,对广播收音机来说,是远远不够的。广播收音机除了收听语言报告,还要用来欣赏音乐,因此,我们对它的要求比较高,不仅要它发出的声音清晰和悦耳,而且还要求有一定的艺术感觉,使我们在收听节目时,虽然身隔演奏地点几百或几千公里,但听起来还宛如身历其境一样。然而事实上在整个广播传输系统的各个部分(包括发送设备、电波传播、接收设备),都存在着不同程度的失真,因此,对保真度的要求还不能完全满足。

谈到失真,大家也许常常见到过下面三种失真的名字,这就是频率失真、非直线性失真和相位失真。这三种失真除相位失真外,是影响收音机保真度的主要因素。

图1
图1 🔍原图 (460×344)

从字面上我们会理解到所谓频率失真,就是收音机不能对组成人们语言或音乐的各个频率的电压进行同样的放大,不是对频率高的电压放大得过大或过小,就是对频率低的电压放大得过大或过小,为了表示出收音机的这种特性,我们通常用一种叫做频率响应的特性曲线来表示。图1便是这样的一种特性曲丝,它表示低频有下降特性,高频有升高特性,只有中间一段对各个频率的放大才比较均匀。从人们的听觉来说,低频下降会感觉声音刺耳,反过来低频升高,就会感到沉闷,不嘹亮。如果高频升高,声音将变得很尖哨,使耳朵难受;高频下降,又会觉得低音太重,有深沉和听不清楚的感觉。这些失真都破坏了语言或音乐的自然特性。

非直线性失真是由于外来信号经过收音机后出现了许多新的频率所引起的,这里不但包括有整数倍的谐波频率,还可能有危害最大的和频和差频,因此听起来就特别使人感觉杂乱毛燥。为了表示非直线性失真程度的大小,通常采用一非直线性系数来表示,它表示输出谐波功率之和与基波功率之比,这个比越大,失真就大。在广播收音机中通常要求不超出5—15%的范围以内。质量好的收音机,当然这个数字就小。

从实验也告诉了我们,相位失真对人的听觉是没有甚么影响的,但对人的视觉影响就显得很大,如电视或传真有这种失真时,不是像面模糊,就是图形奇形古怪。由于频率失真和非直线性失真对人的听觉影响严重,因此下面就只介绍一下这两方面的失真。

二、频率失真

收音机的高频和低频都可能发生频率失真。在高频方面,频率失真和通频带宽窄有关。人类语言是由很多频率组成的,而人们可能听到的频率大概从16-20000周,当然完全使这些频率通过通频带,就会保持语言的自然特性,可是要实现这种要求,高频通频带的宽度要求达到几十千周(2倍于音频范围),实际上一般广播电台规定的频带为10千周左右,这就相当于能容许通过的音频范围仅自几十周到五六千周上下。超出这个范围以外的各个频率的电压就被限止得很小或完全切除,而在通频带以内的各个频率的电压也不是完全同等放大的(图2),经过几级高频调谐回路后,这种不均匀性就更显著,使检波后音频包络线的相对比例关系和输入信号不一致,产生失真。也许我们会这样想,如果把通频带加宽那不是很好吗?但这与选择性又有矛盾,收音机就有可能同时收到几个电台的声音,如果不让几个电台的声音同时混进来,那只有使各个广播电台的频率隔得远些,这样在中波广播波段(550—1500千周)里就容纳不了多少电台,因此只有设法在不影响听觉的情况下压缩通频带。好在缺少了最低和最高一部分频率,耳朵是感觉不出来的,人耳的这种特性提供了我们缩减频带的可能,因此一般收音机的通过频率范围,最好的规定从几十周到5000—6000周左右,质量差的规定在3500周左右,这也就是广播电台的通频带为甚么规定为10千周上下的道理。它不仅照顾到频率失真对听觉的影响,而且也达到了经济利用通频带,可以多容纳一些广播电台的目的。在这里也顺便提一下,只要各个频率电压的差别在20%左右,人耳是分辨不出来的,因此,在通频带范围内各频率的放大不够均匀也是允许的。

图2
图2 🔍原图 (426×387)

在低频方面,检波级的频率失真很小,这是由于检波级的负荷和音频关系不大的缘故。其次是音频放大级和强放级如采用电阻耦合回路,在所规定的通频带内可以得到较平直的频率特性,但输出变压器是有频率失真的,它在高频时放大得大(如图1),因此,在收音机强放级的屏回路里,通常采用加接电容器的办法来加以校正。

低频失真最大的地方是喇叭。一般喇叭的频率不均匀性在规定的频带内都是在20分贝以上。实际运用时为了照顾较宽的频率应用范围,高级的收音机,常常安装有两个喇叭,一个照顾高频(高音喇叭),一个照顾低频(低音喇叭)。

通常对频率失真的测试方法是这样的,在收音机输入端接一假天线(电阻电容组成)并加进一个用400周调幅的高频信号(调制系数为0.3),高频信号大小相当于收音机灵敏度的电压的2—3倍,用音量控制器将输出处电压调整并保持在相当于0.1瓦输出功率的电压,而在50周至6500周左右改变调制频率(音频),并量出各个频率输出电压的大小,这样便可得到如图3曲线。从图中可以看出曲线1喇叭的频率特性比曲线2的好,因为它代表复发的声音频带宽。应该提一下,通常测频率特性时不包括喇叭在内。

图3
图3 🔍原图 (449×320)

三、非直线性失真

不管是高频或低频,引起非直线性失真的主要原因是线路中存在有非直线性元件的缘故。所谓非直线性,简单的解释便是输出电压和输入电压不成直线关系(正比关系),像电子管和变压器就是这样的元件。在图4中,当电子管栅极加入一正弦电压,由于电子管工作范围不在直线部分,输出电压就不是正弦波了。适当地移动工作点E到直线段的中点F处,那么输出波形就与输入波形一样,如虚线所示。

图4
图4 🔍原图 (605×754)

高频和中频引起的非直线性失真主要是以下两种:由于采用自动音量控制(图5),电子管的栅偏压E\(_{g}\)0(见图5)将随外来信号强弱在很大的一个范围内变化,信号大时,检波整流电压大,加至前级高放或中放级的负压力;信号小时,加至前级的负压小,因此工作点E或F将随着向曲线的弯曲区域移动,自然就工作在非直线性区域而产生失真。

图5
图5 🔍原图 (536×370)

另一种情形的失真叫做交扰失真,它是由于强力电台的干扰产生的。因为电子管是非直线性元件,当同时加上两个信号电压时,就会发生调制,因此干扰电台的声音也就会从喇叭里发出来。对于这两种失真可以采用一种叫做可变跨导的电子管加以克服。但在克服自动音量控制所引起的失真时,还应合理选用滤波回路元件的数值(图5中RC)。

在低频方面,检波级的非直线性失真由于设计时可以选择合适的负荷元件而避免。但电压放大级和强放级在信号增强时,就会造成过荷引起失真。因此,差不多在所有收音机的检波负荷(或输出级栅路)上,都装有音量控制器,以调节信号的大小,防止过荷失真。如图5的R\(_{2}\)。

输出变压器同样也会发生非直线性失真。因为变压器铁心的非直线性关系。使次级感应的电压和初级的电压不成直线关系。但对收音机说,信号不太大时,只要变压器的设计与制造得好,这种失真不大。

最后也提一下喇叭的非直线性失真,喇叭的非直线性系数一般在7—15%左右,不过目前对这种失真还缺乏可靠的测量方法。

应该提出,非直线性失真和调制系数、输出功率、调制频率、天线输入的信号强度以及收音机调谐准确度等都有联系。一般来说,调制系数大和输出功率大,非直线性失真就大,这是由于音频电压幅度放大的关系。输入信号过强,会使低频过荷,而调谐不准,工作点随着不准,自然也有失真。

影响非直线性失真的因素是很多的,要想符合我们的要求,应从各方面考虑而加以解决。例如在低频方面采用负回授线路,就可使上面这两种主要的失真得到减少。

可以看出要提高收音机的保真度,不仅要选用合适的电子管和考虑它的工作情况,就是电阻的数值也应经常保持一定,特别是自给偏压的电阻那就更为重要,目前产生失真最为严重的是喇叭,因此如何改进喇叭的质量,是提高保真度的主要环节。(刘孙刚)