调频广播与接收

当我们刚刚听过了电唱机、录音机或电视伴音的声音之后，再去听普通调幅广播收音机时，就会感到声音发闷，好象高音乐器的声音很微弱，甚至听不清了。这是什么原因呢？

大家知道，每一种音响机器要想真实地重放原来的声音，对于频响、失真度、功率等性能有许多要求。以频响为例来说，质量较高的机器需要有50～16000赫的放音频响，而其中高音部分是达到声音逼真和舒畅的不可缺少的因素。调幅广播的先天性缺点之一，恰恰是难以得到宽阔的高音重放，所以相比之下，觉得高音缺乏，音质不能令人满意。

调幅广播是用音频调制载波的振幅。如图1所示，载波频率不变，而其包络的频率和幅度却随音频调制信号的频率和幅度变化。如果用一个单音频率F的信号调制载波f\(_{c}\)时，则只有上下各一个边频，即fc＋F和f\(_{c}\)-F，见图2。如果以整个音频范围的全部频率去调制载波，就会出现图3那样的fc-（F\(_{低}\)～F高）和f\(_{c}\)+（F低～F\(_{高}\)）两个频带。如果只通过a这样一段频带，则调制信号的高音成分被滤掉，因此，发射机和接收机必须具有足够宽的通频带，才能使上、下边频的全部频率分量通过，以便获得声音的真实重放。但是，这是不可能的。因为调幅电台十分拥挤，为了多安排电台的数目，规定两个电台之间相隔只有9千赫。这就使两边带的高音调制成分受到限制和削弱。不仅如此，普通收音机中，为了照顾选择性（即避免邻近电台之间的串音干扰），中频放大器的通频带只作到6千赫左右，而检波后的音频信号的高频成分只能达到6千赫的一半。于是实际上放出的声音，频响被限制在3千赫左右，见图4。所以原来声音的高频成分大部分没有放出来，当然保真度就很差了。

此外，各种干扰信号都以幅度调制的形式调制在载波上。并且混在音频调制信号中，一起被接收机的检波器检出来，很难将有用信号和干扰、杂音分开。所以调幅收音机的抗干扰能力很差。特别是夜间收听调幅广播时，中波段的信号除地面波以外，还有天波传播方式，许多远地台混合在一起进入收音机，形成电台之间的差拍啸叫。近年来调幅广播电台不断增多、功率不断加大，相互干扰越来越严重，不少听众有这样体会：到了晚上，许多电台混在一起，形成串音干扰，并且伴随着各种讨厌的差拍声。

开设调频广播，是实现高保真的声音重放，减轻电台拥挤和克服干扰的重要途径。一些工业先进的国家，调频广播早已普及，并且实现了双声道立体声调频广播，不少国家正在研究四声道立体声调频广播。

调频广播是用音频信号对载波的频率进行调制。已调波的频率随音频信号变化，而幅度保持不变，见图5所示。频率的变化量叫做频偏，频偏的大小由音频信号的幅度决定。在调频发射机中，有一种设备可将最大频偏限制在±75千赫的极限值上。并作为100％调制的标准。例如有一个音频信号其振幅使载波频偏为22.5千赫，则称调制30％（即22.5／75＝0.3）。如果频偏超过75千赫，则称为过调制。

调频波的频谱与调幅波截然不同。即使用一个单音F去调制载频，也会出现许许多多边频，如图6所示，并且各边频之间间隔等于音频信号的频率。各边频的幅度有高有低，按一种复杂的数学规律分布。调制之后，载波的幅度总比调制前小。当用整个音频频段的信号调制载波时，各种频率的边频分量，密密杂杂混合在一起，不像调幅波那样按高低调制频率的次序排列。因此如果取出离中心频率不远的一段边带波a，只要包含了最高音频的第一个边频，则从最低到最高音频的调制频率成分就都有了。这样一来，只要发射机或接收机有一定宽度的通频带，就能使音频信号的最高频率成分通过。所以音频的高音部的重放几乎不受通带的影响，高音总是非常丰富。但是，并不是说调频机的通频带因此可以弄得很窄了。相反，调频机的通带仍旧需要很宽，而且比调幅机还要宽得多。这是因为调频机的通带窄了，会引起另外一个问题，即波形失真。上面说过，任何一个音频信号调制载波之后，其边频分散为许多幅度分量，最后重现声音的波形时，必须把这些分量重新合成才行。如果通带窄了，只通过了一部分幅度分量，而漏掉了另一部分幅度分量，虽然高、低频率的分量都有了，各频率的波形仍是不完整的，声音就要失真。由于调频波的边频分布太广，欲把全部频谱收集进去，通带实在太宽。幸而离开中心频率两旁稍远些的地方，边频幅度已经很小。把小于某一数量的边频舍去不要，问题也不大。于是通带就可以收缩很多。这样剩下幅度较大的边频数，称为有效边频数，而能容纳包括有效边频数的频带，称有效频带。

从调频波的频谱中发现，有效边频数随着频偏大小和音频调制频率而变。频偏越大、音频调制频率越低时，有效边频数就越多。通常用频偏Δf和调制音频F的比值m=Δf／F来表示与边频有关的参量，把m称为调频指数。如果把幅度小于未调载波幅度10％左右的分量舍去，则有效边频数每边大致为：n=m＋1。知道了有效边频数，所需的通带就可以计算出来。因为各边频的间隔为F，所以每边有效通带应为n×F，而以载波为中心包括两个边带的有效通带B则为B=2nF。从上述表达式看出，若音频F不变，Δf越大，m就越大，n也就应越大，故有效频带B也就越宽，这是对的。但另外一种情形，设Δf不变时。若F越低，m就越大，n就越多，初看起来似乎B也越宽。其实不然，假设Δf固定为75千赫，比较一下F\(_{1}\)=15千赫和F2=7.5千赫时，哪一种B宽？

可见，Δf不变，F很低时，虽然边波数目增多，但每边波之间的间距也变小，总的有效频带反而比音频F高时要变窄。

因此，只要满足最大频偏和最高音频调制频率时的有效通带，则其他情况都能满足。在调频收音机中规定最高频偏为75千赫，最高调制音频为15千赫。因此，B=180千赫就是一般调频收音机的通带要求。

调频电台的间隔一般为200千赫。故不能使用中，短波了，不然每个频段容纳的电台数太少。因此调频广播采用了超高频，其频率范围是88～108兆赫，中频频率为10.7兆赫，所以能包括的电台数仍和中波差不多。

上面谈到的通带问题，只是讨论了调频收音机的幅度频率特性。调频机还有一个重要的问题是相移频率特性。前面已说过，即使一个单一音频信号调制了载波也会形成许多边频，各边频之间相隔的距离等于该信号频率，并且它们之间都保持着一定的相位关系。因此调频机的通带不但要有一定的宽度，而且还要有线性的相移特性。就是说各边频相位变化的倍数与频率变化的倍数应该相同。这样才能使解调后各谐波分量之间仍然保持原来的相位关系，合成波形才不会失真。如图7所示，一个基波和一个三次谐波在通过相移为线性的网络时，他们的相位保持不变，因而合成波形与原来一样。若相移不是线性的，假设基波相位比三次谐波滞后了半个周期，则合成波形与原来的就大不相同，即产生严重失真。这种失真叫相移失真。为了分析方便也常用“群时延”这一术语衡量网络的相移特性。它们之间的关系是：T\(_{g}\)=Δθ/Δω ，Tg为相位群时延，Δθ为相移的微小变化，Δω为角频率的微小变化。相移特性和群时延特性的相互关系见图8。也就是说，如果一个网络的相移特性是线性的，则相应的群时延特性应是一个恒量。

相移频率特性（或群时延特性）和幅度特性之间有一定的关系，幅度特性的矩形系数好时，群时延特性不一定好。而馒头形的通带特性，却有很平直的群时延特性，见图9。故调频收音机的通带幅度特性要求做到这种馒头形形状。

调频收音机的抗干扰性能较好是众所周知的，其主要原因是调频波的幅度与信号成分无关，而干扰主要体现在载频的幅度变化上，因此用限幅器很容易将干扰消除掉，如图10所示。调频广播干扰小的另一个原因是电波传播沿视线传播，受到空间各种电波干扰的机会大为减少。

由于调频广播有以上的特点，所以高音丰富，传真度高，抗干扰能力强，声音干净清脆。目前，传输逼真的声信号及优美的音乐节目，主要靠调频广播实现。

从前面的叙述可以看到，调频广播也有其自己的缺点，如频带占得宽，传输距离近等。调频信号一般只能传播五、六十公里，如有条件把电台建在高山顶上，半径100公里以内的范围也是可以收听得到的。由于建立调频电台比建立调幅电台简单经济，若使多个电台合理分布，也能把广播面积扩大很多。

调频收音机也和调幅收音机一样，采用超外差方式，其电路结构和调幅收音机相似。图11是一个调频机的方框图。载频信号从无线耦合到输入回路，通过高放和混频，再经过中放，然后送到鉴频器，得到音频信号，经过低频放大后送到扬声器。与调幅机相比较，不同之处是检波部分。由于调频波的振幅不变，用一只二极管构成的幅度检波器得不到音频信号。而鉴频器则对调频波的频偏有反映，因此可以得到音频信号。鉴频器也可称作频率检波器。

调频机根据性能指标的高低，也分为特级到四级五个等级。其中三、四级机为普及机。二级以上为高档机。实际上，调频收音机并不单独制作，而与调幅机组合在一起，共一套低放部分，调频只是作为一个波段。这样的收音机叫做调频调幅（FM／AM）收音机。图12是调频，调幅收音机方框图。普及机一般多共用中放管，而高档机则有各自独立的中放电路。从方框图中可以看出，调频机不论普及机还是高档机，大都带有高放级。由于调频机的工作频率高，天线阻抗低，输入回路对假象频率的选择性不易作好，需要加一级高放来提高抗干扰性能，还可以减少本地振荡向天线端的辐射，从而减少了对电视频道的干扰。

另外，普及机中也多采用一只管子兼任本振和混频，而高档机则本振和混频分用两只晶体管。

调频收音机中还有一些附属电路，如自动增益控制电路，自动频率微调电路等。自动增益控制电路的意义和调幅机相同，但处理方法不同。而自动频率微调电路是用来保证本地振荡的稳定性的。（北音）