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收音机调频收音是什么原理?

作者:admin      发布时间:2023-11-20

  本文分几个部分,粗浅地介绍FM(立体声)调频广播的频谱、制式及接收等方面的基本原理,再介绍2种FM接收集成电路。

  无线电频谱是电磁频谱的一部分,范围从 1 Hz 到 3000 GHz (3 THz)。此频率范围内的电磁波称为无线电波,已广泛用于现代技术,尤其是电信。

  上图中标示淡蓝色的区块,就是AM和FM无线电广播使用的频谱。AM是调幅的意思,FM是调频的含义,人们使用调制技术来命名该类无线电广播,可见调制方式的重要性。

  调幅(AM 无线 kHz 的频率范围内。540 至 1600 kHz 的载波频率以 10 kHz 的间隔分配,这样在AM频段内可以安排106个电台信号。每个间隔10kHz,但音频带宽可达20kHz ,用于装载音频信号的带宽仅5kHz(上下边带),因此AM广播只能截取中低音频后发送,音质大打折扣。

  VHF 电视频道 6频道 和 7频道之间有一个间隔,用于FM 无线 MHz。FM 的每个电台分配的频率带宽为 200 kHz,从 88.1 MHz 开始,最多可容纳100 个电台。这些 FM 电台与中心频率的最大偏差为 75 kHz,从而留下 25 kHz 上下“保护频带”,以最大限度地减少与相邻频带的相互作用。由于带宽高达200K,所以FM是高质量广播。

  1961 年 4 月, FCC 正式批准美国标准立体声 FM 广播方法,这种FM广播制式后来被大多数其他国家/地区采用。

  立体场广播包括左、右两个声道,需要传送2路音频。之前市场上已有单声道接收机,为了兼容立体声广播与单声道接收器,该制式采用了左 (L) 和右 (R) 通道经过代数编码后的“和信号(L+R)” 和“差信号 (L−R)”。单声道接收器将仅使用 L+R 信号,因此听众将通过单个扬声器听到两个声道。立体声接收器会将差信号与和信号相加以恢复左声道,并从和中减去差信号以恢复右声道。

  为了将(L+R)、 (L−R)发送出去,发射机先需要生成下图所示的复合立体声多路复用信号,再通过频率调制方式,调制到87-108MHz范围内的某个频道的高频载波上:

  从低到高(从左到右),复合立体声多路复用信号包含主通道 (L+R)、导频音和 (L−R) 差分信号。单声道接收收只接收主通道,忽略其他信号。

  而(L−R) 信号也被限制在 15 kHz,但不能直接与(L+R) 合并,因为他们处于相同的频谱范围。解决办法是再进行幅度调制,调制到 38 kHz 的载波上,相当于把整个(L−R) 整体往右搬,如上图所示。38 kHz 的载波叫子载波,以区别最终调频的载波信号。

  有人可能会疑惑,把15 kHz带宽搬到右边,那只需要23kHz至38kHz这一块就够了,为什么还多出了38kHz至53kHz?答案为:这种调制方式是双边带抑制载波(DSB-SC) 。

  调幅时,会在载波两边形成上、下两个边带,因此调制后的频谱宽度是原信号的2倍。DSB-SC 技术在调制后还把38kHz的载波信号全部过滤掉,以此减少了功率浪费,这样效率可以达到 50%。所以从前面图中可以看到38kHz处是没有信号的。

  与此对比,普通的双边带DSB最高效率仅为 33.33%。如果再过滤掉一个边带,效率就能达到100%,但缺点是所有接收机的制造成本将更高,需要更复杂的电路来恢复边带,还不如让发射机多辛苦一点。

  复合信号还生成了一个 19 kHz ± 2 Hz [12] 导频音,它告诉接收机38 kHz两侧有立体声信号,并且与其具有精确的相位关系。导频以总调制电平的 8-10% 传输,接收器使用它来识别立体声传输并重新生成 38 kHz副载波与正确的相位。

  生成后的复合信号,将通过频率调制方式调制到载波上,通过FM 发射机发射。

  复合基带信号中,还有许多未利用的频谱空间,人们后来想添加了一些信息用于提供更多的传输服务,见下图:

  用于收音机的 AM 和 FM 调制信号。AM(调幅)和FM(调频)是调制(编码)的类型。

  在 FM 广播中,载波的频率被调制以对声音进行编码。无线电接收器 从调制无线电信号中提取原始节目声音。

  天线接收到的调制信号首先通过变压器传递给调谐器电路。调谐器电路是一个 LC 电路,也称为谐振电路或储能电路。它选择无线电接收器所需的频率。它还同时调谐本地振荡器和射频滤波器。选择的频率经过一级信号放大后送入混频电路。

  来自调谐器输出的信号被提供给充当混频器的RF-IF 转换器。它有一个本地振荡器,可产生恒定频率。混合过程在这里完成,接收信号作为一个输入,本地振荡器频率作为另一个输入。最终输出是由混频器产生的两个频率 [(f 1 + f 2 ),(f 1 − f 2 )] 的混合,称为中频 (IF)。

  IF 的产生有助于解调具有任何载波频率的任何电台信号。因此,所有信号都被转换为固定的载波频率以获得足够的选择性。

  中频放大器放大中频信号。中频滤波器是一个带通滤波器,它通过所需的频率。它消除了其中存在的任何不需要的高频成分以及噪声。IF 滤波器有助于提高信噪比 (SNR)。

  接收到的调制信号现在使用发射机端使用的相同过程进行解调。鉴频一般用于调频检波。

  这是用于放大检测到的音频信号的功率放大器级。处理后的信号被赋予有效强度。该信号被传递到扬声器以获得原始声音信号。

  该部分的输岀被路由到其余两个部分。输出由图中标记为(L+R)的左右声道组成。此输出应用于单声道部分,扬声器产生单声道模式的音频信号

  立体声部分比较复杂。它使用三个滤波器从鉴别器输岀中提取(L+R)和(L-R)信号以及导频载波。(L+R)信号是从低通滤波器获得的,它包含30赫兹和15千赫兹之间的频率。该信号在应用于矩阵和去加重网络之前会延迟一段固定时间。这样做是为了在矩阵中同时获得(+R)和(-R)信号。矩阵网络将左(L)和右(R)通道分开。然后通过音频放大器对它们进行去加重和放大,并提供给它们各自的扬声器。

  带通滤波器用于提取在23-53千赫之间变化的(L-R)信号。它是双边带(DSB)信号。该信号被施加到调幅检波器以进行解调。

  发射器使用38千赫子载波信号调制(L-R)信号,获取DSB-SC双边带信号。因此,在接收器处,需要38千赫的载波来解调接收到的(L-R)信号。使用另一个带通滤波器提取19千赫的导频载波。该导频载波被提供给倍频器,倍频器将其频率倍增至38kHz放大后,调幅检测器检测到作为载波的(L-R)信号,并将其应用于调幅检测器矩阵。由于(L-R)信号解调需要一些时间,因此(L+R)信号被延迟,以便(L+R)和(L-R)同时到达矩阵。

  TDA7021T集成无线电接收机电路适用于便携式收音机、立体声收音机和单声道收音机,在小型化和低成本方面,最小的重复性非常重要。它完全兼容使用低压微调系统(MTS)的应用。

  ic具有一个频率锁定环路(FLL)系统,中间频率为76 khz。通过有源rc滤波器获得选择性。通过相关静音系统,唯一的功能是调谐振荡器站间噪声的共振频率以及来自接收弱信号的噪声。已采取特殊预防措施以满足本地振荡器辐射要求。由于中间频率较低,需要对MUX信号进行低通滤波,以避免在接收立体声时产生噪声。由于FLL的低通特性,需要50kHz的衰减补偿,该补偿由集成低频放大器执行。对于单声道应用,该放大器可用于直接驱动耳机。场强检测器实现与场强相关的信道分离控制。