数字声音广播 0 模拟声音广播概论

1模拟声音广播概论中国传媒大学信息工程学院2一、调幅广播（一）概述对公众的无线电广播始于20世纪20年代，采用全载波双边带调幅（DSB）的方式传送声音广播节目。在中短波广播中，这种调制方式一直保持到现在。变化的只是随着技术的不断进步，采用了不同的实现方法，效率越来越高，质量和可靠性越来越好。3中、短波广播都是调幅广播。调幅广播电台载波频率的间隔长、中波为9kHz，短波为10kHz。调幅广播的优点是覆盖范围广，传播距离远，频谱利用率高（带宽窄），固定接收和移动接收（允许车速1000公里/小时）有相同的质量。调幅广播的接收机简单、廉价。但是，调幅广播也有明显的缺点，主要是很容易受到干扰，传输质量较差。4长波广播的频率范围是148.5kHz-283.5kHz（仅在ITU地区1中使用），白天和夜晚都靠地波传播。中波广播频段的频率范围是526.5kHz-1606.5kHz(ITU地区1和3）或525kHz-1705kHz（ITU地区2）在该频段工作的每个广播电台，在带宽为9千赫（或10千赫）的不同的频道（信道）中传送各自的节目，以免相互干扰。在中波广播频段，基于电波的传播特性，白天是靠地波传播，夜间既有地波，又有天波。5短波波段的频率范围是2.3MHz-27MHz（在该范围中，有若干个频段作广播用，有些频段是安排给通信或其他应用），电波的传播是通过电离层的反射，因此，传播距离很远，特别适合用于国际广播。67（二）、调幅波产生的原理89调幅波表达式设调制信号为uΩ(t)=UΩcosΩt,载波信号为uc(t)=Uccosωct,则已调波的表示式为：u(t)=Uc（1+mcosΩt）cosωct=Uccosωct+0.5mUccos(ωc+Ω)t+0.5mUccos(ωc-Ω)t式中m=UΩ/Uc称为调幅度（调幅系数）。10频谱由调幅波的表达式可以看出，在单音调制时，已调波由三个频率分量组成：载频ωc，上边频(ωc+Ω)和下边频(ωc-Ω)。节目调制时的频谱:11功率关系调幅波的总功率：PAM=Pc+P上边+P下边=Pc+2P边=Pc（1+m2/2）12(1)、乙类板调发射机原理低电平音频信号经多级放大器放大到一定的电平，送入工作在乙类的末级音频放大器（调制器），经变压器耦合输出uF，该电压与直流高压E0相串联，送至高频末级。板极输出的高频电压随着电压（E0+uF）的瞬时变化而变化。1314(2)、PDM发射机原理通过脉宽调制器先将低电平的音频信号变为超音频的脉宽调制信号，再经过脉冲放大，放大到一定的电平，再经低通滤波器（脉冲解调器）得到高电平的包含直流与音频的信号，再送到RF末级，进行如常的板极调制。151617(3)、PSM发射机原理低电平的直流信号与音频信号相叠加—A/D变换—控制信号—控制大量的直流电压源的接通或关断（某瞬时直流电压源接通的数目取决于该时刻的音频调制信号）—接通的直流电压源串联叠加—阶梯电压—低通滤波器滤掉阶梯波纹—得到高电平的包含直流与音频的信号，再送到RF末级，进行如常的板极调制。18PSM发射机构成原理图192021(4)、DX系列数字调幅发射机原理低电平的直流信号与音频信号相叠加—A/D变换—每取样值12比特的数字信号—编码—控制信号—控制N个射频功率放大器的接通或关断—某瞬时射频功率放大器开通的数目取决于该时刻的音频调制信号22—开通的射频功率放大器输出电压通过高频变压器串联叠加（功率合成）—形成包络具有量化台阶的调幅波（完成D/A变换）—带通滤波器（中心频率为载波频率）滤掉不需要的频谱成分—传统的DSB调幅波。232425(5)M2W发射机M2W发射机是原THOMCAST公司生产的模块化中波广播发射机。其工作原理与DX系列基本相同，但最大的区别是：为了解决调幅包络的信号失真，没有使用二进制小台阶放大器，凡所有开通的RF功率放大器都提供相同的电压，但有不同的相位。26信号处理是将脉冲阶梯调制与相位调制结合在一起。这种发射机应用全数字的音频通道。信号整形、滤波、及调制，均由数字信号处理器（DSP）完成。27信号处理原理图28二、调频广播（一）、概述如果用节目信号来控制高频振荡的瞬时振荡频率，也就是用高频振荡的频率变化来表达信息，这样的广播就是调频广播。调频广播的优点是抗干扰能力强，音质好。29主要缺点是多径传播会对传输质量带来不良影响。此外，当高速移动接收时，由于多谱勒效应，也会影响接收质量。由于调频广播工作于VHF频段，电波是靠空间波传播，是视距传播，传播距离约50公里左右，因此，调频广播电台的覆盖范围较小。30我国调频广播的工作频段为87-108兆赫（VHF频段）。调频波的带宽理论上为无穷大，每个调频广播电台的有效带宽约200多千赫。调频广播的最大频偏为±75KHz。31调频广播可分为调频单声道广播和调频立体声广播以及调频双节目广播。调频单声道广播时，发射端只传送左、右路信息的混合信号，是一个声道，接收端还音时只需一个扬声器。32调频立体声广播时，发射端的节目源包含左、右两路信息，经过发射机的处理和接收机的逆处理，还原出左、右两路信息，通过左、右两个声道的扬声器放音，听起来有立体感，现场感。33调频立体声广播考虑了兼容性，即单声道调频广播收音机也能够接收调频立体声广播电台的广播节目，但没有立体感；调频立体声广播收音机也能够接收单声道调频广播电台的广播节目，也无立体感。34在进行调频立体声广播的同时，还可以利用附加信道传送附加业务，例如为特定用户传送背景音乐、股票信息、交通广播、控制信号等；也可以通过专用的数据信道进行数据广播。35调频双节目广播是一部发射机，使用一个载波频率，同时传送两套不同的节目（例如一套节目为汉语，另一套为少数民族语言或外语），听众可以根据自己的不同需要，选择收听其中的一种。调频立体声广播与调频双节目广播所占的频谱要比调频单声道广播稍宽。调频立体声广播与调频双节目广播都可以称为调频多工广播。36（二）调频原理37(1)、表达式设调制信号为uΩ(t)=UΩcosΩt，未加调制信号时载波振荡的频率为ωc，则调频波的瞬时振荡频率应为：ω(t)=ωc+KUΩcosΩt令KUΩ=ω（K为比例系数），ω是频偏幅度，由调制信号幅度UΩ决定，38由于ω(t)=d(t)/dt,因此(t)=∫ω(t)dt+，是积分常数（即初始相位，为简单起见，以下分析令其为0，不影响调频波的性质）。(t)=∫ω(t)dt=∫(ωc+ωcosΩt)dt=ωct+(ω/Ω)sinΩt39因此，调频波的表达式为：u(t)=Uccos(t)=Uccos[ωct+(ω/Ω)sinΩt]（1）式中(ω/Ω)称为调频波的调制指数（实质上是最大相偏幅度），用mf表示：mf=ω/Ω或mf=f/F(例如F=15KHz,f=75KHz,则mf=5)。请注意，由(t)的表达式可以看出，调频必然伴随着调相。40（2）、频谱与带宽即如单音调制，调频波的频谱也为无穷多，理论带宽为无穷大。但是，远离中心载波的边频的能量很小，可以忽略。如果只保留大于10%的未调载波幅度的边频成分，调频波的带宽可近似用下式表示：Bf=2(mf+1)F由于mf=ω/Ω=f/F，因此，带宽可近似表达为：Bf=2(f+F)41由于调频广播要求高的质量，必须保留大于1%的未调载波幅度的所有边频成分，调频广播的有效带宽通过查表得出。须要强调的是，在调频的过程中，载频分量和各次边频的幅度是随调制指数mf变化而变化的。42（3）、调频波的功率关系不论有无调制以及调制指数的大小，调频波的功率都保持恒定，都等于发射机的载波功率，调制时边带功率是由载波功率转化来的。43调频波的产生：用音频调制信号控制电抗元件（通常为变容二极管）的参数，便可产生振荡频率随调制信号变化的调频波44（二）、调频立体声广播1、概述人在感觉声音信号时，根据信号到达左右耳的强度差和时间差，可以辨别出声源的方位。当在剧场举办音乐会时，如果在舞台的两侧各安放一个拾音器，将拾取的两路信号传送到远离剧场的放音室，经放大后，分别送到相互离开的左、右路扬声器放音（或带上能分别重放左右路信号的耳机），这时，聆听者就如同坐在剧场一样，能够辨别出不同乐器发声的方位，即听到有立体感的声音。45要传送立体声信号，起码的条件是要有左（L）、右（R）两路信号源与相应的传输通路，用左（L）、右（R）两路扬声器（或耳机）放音，这是最简单的立体声，称为双声道立体声。如果通过更多的声道，例如五声道（前左、前中、前右、后左和后右）拾音和放音，称为环绕声或空间立体声。46通过无线或有线广播的形式，传送立体声信号，就是立体声广播。立体声广播首先在调频广播中得到广泛应用和发展。472、导频制调频立体声广播在全世界得到广泛应用的导频制调频立体声广播中，为了实现与已有单声道接收机的兼容，发射机不是直接传送L和R信号，而是经过编码变为和信号M=L+R与差信号S=L-R，和信号M占据30赫—15千赫的频率范围，称为主信道；48差信号S对38千赫的副载波进行抑制副载波的双边带调幅，形成23千赫—53千赫的副信道，主、副信道信号与19千赫的导频信号一起，构成立体声调制基带信号，对VHF主载波调频。495051立体声广播接收机经过与发端相反的处理，得到和信号M与差信号S后，再经和差组合，最后得到L与R信号。而一般的单声道广播接收机，没有对副信道及导频的处理装置，只对主信道有响应，可以收到L与R的混合信号M，实现了对单声道接收机的兼容。5253（三）、调频广播中的广播数据系统（RDS）调频广播在播出立体声节目的同时，还可以进行数据广播。数据广播系统的技术特征：选57KHz为副载波，数据信号对57KHz为副载波进行抑制副载波的双边带调幅（2DPSK），形成RDS信道，占据带宽±2.4KHz,可传送的数据率为1187.5bps(净数据率为1187.5bps×16/26),频偏±4KHz。RDS信道与立体声基带信号一起对VHF主载波调制。54三、模拟广播的优点和缺点55（一）优点技术简单，接收机廉价。56（二）缺点1、发射机能量利用不经济（AM广播）。从能量的利用来看，AM发射功率中的很大一部分是用于载波（例如，当平均m=0.3时，载波功率占发射总功率的95.7%），与此相联系的是有相当高的运行费用。572、多径传播（AM和FM）会产生接收信号的严重衰落，影响接收质量。（无线电信道的固有特性：频率选择性与时间选择性）3、抗干扰能力差（尤其是AM）。4、频谱利用不经济（FM）。5、节目单纯，在数字技术与多媒体技术大发展的今天，模拟广播对听众的吸引力越来越小。58解决模拟广播存在问题的唯一出路——数字声音广播。