立体声解码器的基本原理

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在导频制立体声广播系统中,立体声收音机与普通调频收音机相比,主要区别在于:鉴频检波级之后,有一个特有的立体声解码器,并且低放和功放是双通道的。其他各部分电路基本与普通调频收音机相同。图1是立体声收音机的方框图,虚线部分是特有的。

图1
图1 🔍原图 (857×287)

立体声收音机鉴频器输出端的信号就是立体声发射系统调制器输出的信号。解码器的任务就是从这个复合信号中分离出左、右信号来,从而获得立体声定位信息。根据解调方式的不同,解码器共有:带通和差矩阵式、电子开关式、包络检波式三种。

1.带通和差矩阵式:方框图如图2所示,立体声复合信号经鉴频器检波出来之后,分成三路:一路是通过截止频率为15KHz的低通滤波器,取出L+R信号;一路通过23~53KHz的带通滤波器取出L-R信号的上、下两个边带波,它与第三路进来的19KHz倍频后得到的38KHz副载波共同送入调幅检波器得到L-R,再通过倒相器和混合加法器构成的矩阵电路得到L、R信号。

图2
图2 🔍原图 (1204×435)

此种方式的缺点是使用滤波器多,不但成本高,而且要求滤波器的振幅和相位特性十分严格,否则容易出现M与S信号的相位差、增益差及导频信号与副载波的相位差,导致分离度下降。这种方式近年已极少采用。

2.电子开关式:方框图如图3所示。为说明这种方式的解调原理,我们先将图中鉴频输出的立体声复合信号波形局部放大,见图4。这里略去了因导频信号引起的边带波凸凹变化,实际上是图3中波形(b)的局部。并把这部分波形与一个切换速率为38KHz的开关信号(如图4那样)对应地画在一起。可以看出,立体声复合信号波形的特点是:38KHz副载波的边带波,其每一个振荡周期的上、下两个峰分别被2L与2R信号所调幅,并且在两个调制信号的包络线的相交处倒相180°(图中虚线表示未倒相时应有的相位)。包络里边波形的频率仍等于在发射系统平衡调制器中所抑制掉了的副载波频率(即38KHz)。从图4看得出L、R两信号能从副载波边带波上、下交替的两包络波峰中识别出来。如把副载波边带波在图中T\(_{1}\)、T3、T\(_{5}\)、T7、T\(_{9}\)、T11……T\(_{2n+1}\)(n=0,1,2……)这些时间点上的振荡波峰连接起来,包络线就是2L信号;把T2,T\(_{4}\),T6,T\(_{8}\),T10……T\(_{2n}\)这些时间点上的振荡波峰连接起来,包络线就是2R信号。

图3
图3 🔍原图 (1194×491)
图4
图4 🔍原图 (605×463)

在立体声收音机中,经鉴频级解调得到图4的波形信号后,如果我们能够在T\(_{1}\)、T3、T\(_{5}\)、T7……T\(_{2n+1}\)这些时间点上将波形信号的电压值取出来不就能够得到2L信号的瞬时包络电压了吗!同理,在T2、T\(_{4}\)、T6、T\(_{8}\)……T2n这些时间点上取出的波形电压值就是2R信号的瞬时包络电压。这种方式在无线电技术中称为“取样”。而图4中也可以明确地看出这些取样点的时间关系:T\(_{1}\)、T3、T\(_{5}\)……T2n+1这些时间点每相邻两点的时间差也就是38KHz信号一个周期的时间,T\(_{2n}\)与T2n+1各相邻时间点则相差半个周期的时间。因此,在收音机解码器中,如果我们使用一个图5(b)那样的以38KHz速率动作的双向接点切换开关,并使它在T\(_{1}\)、T3、T\(_{5}\)……T2n+1这些时间点接至L通路,而在T\(_{2}\)、T4、T\(_{6}\)……T2n这些时间点换接至R通路,就能够如图5(c)所示那样将左、右信号的取样电压值分离出来。这个双向接点切换开关的动作波形如图4开关信号所示。显然,这个方波开关信号与立体声复合信号副载波之间必须保持严格的同步关系,这是十分重要的。否则,左、右信号将无法解调出来。

图5
图5 🔍原图 (1217×323)

以上我们引用了“取样”的概念来说明开关方式的解调原理。但从图5波形(c)可见,开关输出的左、右两路信号波形是由一种方波脉冲串构成的,还不是我们所需要的左、右信号。它需要经过后边负载电阻、电容回路的充放电将包络电压检波出来,并经过滤波电容将副载波成分滤除,才能得到图5波形(d)与(e)所示的波形〔波形(e)是我们最终需要的左、右信号〕。显然,这后半部过程是大家熟知的调幅波检波过程。因此,实用中并不称这种方式为取样解调,而称开关式解调。

在图5中,画出了一个振子式双向切换开关(它的动作受一个38KHz的振荡源控制)用以比喻开关电路的解调作用及受控振荡源的作用。然而,实用中采用机械开关是困难的。二极管或差动放大器做电子开关是常用的电路。这部分电路就构成了图3中的开关电路。另外,控制开关动作的振荡源所产生的信号应该是一个与发射端副载波同频而又同相位(即同步)的振荡信号,实质是需要使副载波再生,故称有这种作用的电路为副载波再生器(见图3)。常用的副载波再生电路有两种方式:一是采用将立体声、复合信号中的导频信号分离出来,然后放大、倍频,再放大的办法;二是收音机解码器自身有一个38KHz的同步振荡器,利用19KHz导频信号来使它同步倍频振荡。两种方式各有所长,前者不会失去同步,而欲使再生的副载波达到足够的幅度却需要电路有充分的选择性和足够的增益;后者自身振荡振幅足够,但接收弱立体声信号时不容易同步。

理解了解码器中上述两个核心部分的作用,就容易明白方框图3的工作原理了。前级分离电路的任务是将立体声复合信号分离为两路:一路选出19KHz导频信号,供给副载波发生器倍频用,或作为38KHz振荡器的同步信号用,并开启立体声指示灯激励电路;另一路将立体声复合信号送入开关电路。后面的去加重电路兼做低通滤波器,进一步滤除音频信号中的超音频成分。

3.包络检波式:方框如图6所示,未注出波形的各点的波形均与图3相应点相同。这种方式的大部分电路与电子开关式相同。先将38KHz副载波加在复合信号上,利用混合电路产生图中所示的波形,也即恢复了在发射系统平衡调制器中被抑制掉的副载波,然后用两路极性相反的调幅检波器,把上、下包络线分别进行检波,分离出R、L信号。

图6
图6 🔍原图 (1075×383)

上述三种解码器,以电子开关式应用得最广泛,即便是近年普遍采用的集成电路解码器也属于电子开关方式。(高乃康)