调频立体声广播原理

调频立体声广播原理 第一章 调频立体声广播原理 第一节 调频广播的发展史 调频方式是1935年在美国的实验室证明可以用来作为广播的一种调制方式。 1941年5月，美国首先开始在43,50MHz波段进行调频广播(随后频率改变为88,108MHz)，但发展缓慢。在1958年开始双声道调频立体声广播，并在1961年，美国联邦通信委员会(FCC)决定采用AM,FM制(GE,Zenith制式，即我们现在所说的导频制)为立体声调频广播制式。由于这一制式的确立，调频立体声广播从此在世界各发达国家迅速开展，例如苏联从1959年，原西德从1963年，日本从1962年开始立体声调频广播。 在欧洲，调频广播得到了更加积极和广泛的实施，因为这种方式解决了在比较密集狭小的地区内，中波广播频带不够分配而导致的串台现象严重的问。而在日本开始采用调频广播的目的是它可以排除邻国中波台的串扰，提高广播音质，并在70年代以后得到迅猛的发展。 在我国，上世纪50年代末就开始了试验性调频广播，当时主要用于节目传输。对于新中国来说，在相当长的时间内，广播首先要解决幅员辽阔、人口覆盖的问题和对外的宣传问题，因此中波广播和短波广播是更为有效的方式。 进入上世纪80年代以后，直至2000年以前，随着“四级办广播”的指导方针的确定，极大地调动了各地方办台的积极性，调频广播方式开始为各级电台所采纳。随着电子元器件的发展和通讯技术的进步，到80年代后期我国的调频广播迅速的发展起来。中央及省级调频台大部分采用10kW功率等级电子管发射机，发射台一般设置在高山上和电视塔上，覆盖着城市稠密的人群;中小城市一般采用自立式铁塔作支撑架设天线，多采用300W,5kW电子管发射机;而县乡城镇多采用小调频10W,100W。 到上世纪90年代初，我国的调频发射机研制生产能力已得到长足的进步，陆续推出了 - 1 - 300W、1kW的全固态调频立体声广播发射机，并能批量生产。此后调频广播主要向立体声、多功能附加信道、全固态方向发展，对设备性能要求越来越高，节目内容也越来越丰富，新闻、教育、文化、科技宣传、娱乐和各种广告等各种信息服务应有尽有，极大的丰富了人们的业余文化生活，听众参与节目十分踊跃，这一时期是调频广播发展的鼎盛时期。 目前国内的广播发射设备制造厂商已能提供从10W,10kW各种功率等级的全固态调频立体声广播发射机，包括天馈系统在内的整个环节都已实现了国产化。 本书以1kW全固态调频立体声广播发射机为参考机型，讲述调频立体声广播发射机的原理、操作与维护。 第二节 调频广播的基础理论 ，以不同的方通信广播的各种方式都是要利用电磁波来传送信息，把电磁波作为载体式把信息装载后发射出去，在接收端再以相应的方式把信息取出来。前一过程称之为调制(Modulation)，后一过程则称为解调(Demodulation)。作为载体的电磁波用数学表达式可表示如下，在以后叙述中我们称之为载波信号: u(t),Ucos2,ftCCC式(1,1) 或 ，，ut,Ucos,tCCC 式中， u (t) ——任意时间t的电压; C U——载波信号的最大振幅; C ω——(,2πf)载波信号的角频率; C C?f ——载波频率; C t ——时间，以后有时间的量以瞬时值描述。 作为调制信号的音频，以单音为例，用数学表达式表示如下: 式(1,2) u(t),Ucos,t,Ucos2,Ft,,,, ? 我国标准，531,1602kHz为中波调幅波段，2.2,26MHz为短波调幅波段，87,108MHz为调频波段。 - 2 - 式中， u(t) ——调制音频电压瞬时值; Ω U——调制音频电压的最大峰值; Ω Ω ——调制音频的角频率; ? F ——调制音频频率。 Ω 到目前为止，作为模拟广播发射机的主要调制方式有两种，即调幅AM(Amplitude Modulation)和调频FM(Frequency Modulation)。为便于理解，以下以调幅和调频作为对比，分析它们的调制方式不同点。 调幅方式顾名思义就是把调制信号加到载波信号的振幅上，使得载波信号的振幅大小随着调制信号的大小而变化。用数学表达式可表达为: u(t),(U，KUcos,t)cos,t,C,C KU, ,(U，,Ucos,t)cos,tCCCU C ,(U，mUcos,t)cos,tC,CC 式(1,3) ,U(1，mcos,t)cos,tC,C 式中， u(t)——经过幅度调制的载波瞬时电压，简称已调波信号; α KU,m(,)称为调制系数，其中K为比例系数。 αUC 比较式(1,1)和式(1,3)可发现，式(1,1)中的振幅项U变成了U(1，mcos,t)，CC,即载波的幅度变成随调制信号而变化的变量，并且可以调节调制的深度，完成了调幅的目的。 调频就是对式(1,1)中载波的频率项f(或角频率ωC)进行调制，使载波的瞬时频C 率随着音频调制信号的大小而变化，在最终的结果上，实际上是总相角ωCt随调制信号的变化，而载波的幅度保持不变。 当调制信号为式(1,2)的u(t)时，按频率调制的定义，调频波的瞬时频率应该以载波Ω ? 中波调制频率范围一般为50Hz,8kHz，调频调制频率范围为30Hz,15kHz。 - 3 - 频率为基准，随着调制信号的大小偏移基准值，即: ,(t),,，,,(t)C ,,，KU(t)式(1,4) Cf, 式中， ω——未受调制时的角频率; C Δω(t) ——调制后角频率的变化量，叫做瞬时角频率偏移，它与调制电压 的幅度成正比; K——比例常数。 f Δω(t)的最大值叫做最大偏移，以Δω表示，即: ,,,KU(t),KU f,f,max 习惯上把最大频移称为频偏。在调频广播发射机中主信号标准频偏为?75kHz，而最大频偏为?100kHz。 这是关于调频方式概念上的了解，以下的数学分析过程则可求得调频波的最终表达式，并且会得到调频波的相关参数的表征方法。 已知调频波的角频率，那么，它的总相角可表示为: tt,(t),,(t)dt,,,,，,,(t)dt C,,00 t,,t，,,(t)dt C,0 式(1,5) ,,t，,,(t)C tt,,(t),,,(t)dt,KU(t)dt式中， 是调频波的相位变化量，它和调制电压,f,,00 对时间的积分成正比，因此调频波的瞬时表达式为: u(t),Ucos,(t)fC t,, ,Ucos,t，KU(t)dt,,CCf,,0,, ,KU,,f,,,,，,Ucos,tsint CC,,,,, ，，,Ucos,t，msin,t式(1,6) CCf- 4 - KUf,式中，称为调频波的调频指数，它是以弧度为单位的调频波的最大相位,mf, 偏移。调频指数和调制信号的振幅成正比，和调制信号的角频率成反比。 这里需要特别提及的是调频波的频谱，它不像调幅波所产生的上下两个边带那么简单。由于数学推导过程非常复杂繁琐，这里我们仅利用已有结论。 从理论分析上已经证明，调频波的频谱是由载频ωC和无数对边频(ω?nΩ)组成。C 其中n为任意正整数(n,1，2，3，„„)。也就是说，调频波的边频有无限多个，因而频带也为无限宽，相邻边频之间的间隔等于调制信号频率Ω。但实际上调频波能量的绝大部分是集中在载频附近的一些边频中，跟调频指数m的关系是: f 在当n >(m，1)时，边频的幅度已降到小于0.1，滤除掉大于(m，1)的边频分量，ff 对调频波的失真影响不大，因此得到以下重要结论，也是通常计算调频波频谱有效宽度的原则，即: ，，,,2m，1Ffmax 式(1,7) ，，,2,f，F mmax 式中，Fmax为最高调制频率。 当F,15kHz，频偏Δfm为规定的75kHz时，单音调频波的频带宽度通常记为: max ，，,,2,f，Fmmax ，，,275，15,180kHz 在要求两相邻电台干扰比较小，或要求非线性失真很小时，带宽还应适当的加宽一些。通常取: ，，,,21，m，mF式(1,8) ffmax 由以上公式可以看出调频波的频带宽度主要取决于调制信号的最高频率，在频偏受限的情况下调频指数也由调制频率确定，调制频率低时，调频指数较高，调制频率高时，调频指数较低。最低即为Fm,15kHz时，m,5。由于调频指数mf随着调制频率的升高而减axf - 5 - 小，因此表现在接收效果上调制音频的高端信噪比比较差，针对调频发射机的这一缺点，专门采用了预加重与去加重技术措施来改善高端信噪比。具体原理如下: 在发射端将音频信号的高端部分提升即称为预加重。提升点选择在音频信号频谱密度下降了3dB时所对应的频率值。对于调频广播，f约为3.2kHz，这时τ,50μs。典型的预加重网络和特性及参数值如下: (a) (b) 图1-1 预加重网络与特性 F 400 1K 3K 5K 7K 10K 12K 15K dB 0 0.41 2.76 5.33 7.59 10.30 11.73 13.60 表1-1 50μs标准预加重提升值 在接收端(收音机)鉴频器之后，设置具有相反特性的去加重网络，仍选取3.2kHz为基准点，最后使加重的信号恢复到它原来的相对值上。去加重网络及去加重特性如下: - 6 - (a) (b) 图1-2 去加重网络与特性 经过预加重,去加重处理后的调频信号，信噪比得到很好改善。例如,F15kHz，τ,m 50μs时，噪小减小到十分之一。 调频广播与中波调幅广播相比，调频广播具有以下特点和优势，因此得到了迅速发展。 1、没有信号串扰现象 中、短波段电波可以被电离层反射，因而可以传到很远的地方，其传播距离还受地面环境、天气变化的影响，覆盖范围内信号变化较大，也容易形成相近频率电台间的串扰。 在视距范围以外信号迅速衰落，因而调频广播使用超高频波段，只能在视距范围内传播， 就不会形成串扰，有利于频谱的高效利用。 2、信噪比好 调频广播不同于调幅的最大区别在于调幅信号是电波的幅度随信号变化，因此只要外界存在如荧光灯、电器设备等产生火花脉冲类信号都极易进入收音机形成干扰，因为它迭加在信号幅度上，因此难以排除。而调频信号是等幅的电波，接收信号可以通过限幅放大来恢复，并且因为调制度大，所以信噪比好。另外，在超高频波段，外部能产生的噪声也小，所以可以实现高信噪比的优质广播。 3、动态范围宽 动态范围是指人耳听觉能够感受到的不失真的音量变化范围。中波广播因为调制度受 - 7 - 到限制，加之为提高信号响度，一般都采用措施提高平均调制度，因此信号动态范围小，适合于声音广播。而调频广播由于本身信噪比高，实际动态范围可达60dB以上，可以较好的表现一般音乐信号，适合于各类节目播出。 4、能进行高保真度广播 仅仅是信噪比好、动态范围宽还不够，要进行高保真度广播，还必须能够实现音频信号足够的带宽，这一点调频广播也完全能够满足，一般情况下，人耳所能闻听的最高音频为15kHz，如前所述，在规定的75kHz频偏时，调制带宽可满足15kHz调制。而中波调幅广播，按规定每个电台占用的频带宽度应当是9kHz，但通常大都占有14kHz左右，即调制频率最高可限制到7kHz，很明显保真度不高。 5、可以进行立体声广播 因为调频广播具有以上高信噪比、宽动态范围和能够进行高保真度广播的优越特性，所以可以由一部发射机进行高质量的双声道立体声广播。 第三节 调频立体声广播的原理 从调频的方式来讲，单声与立体声都是一样的。调频立体声广播关键要解决的问题是如何把左(L)、右(R)两个声道分别录制的声频信号送入调制器，而且同时要考虑好接收端如何恢复解调出左、右两路信号，因为立体声重放系统要求左、右路信号独立。 这里有一个前提条件，即经过立体声调制的信号，首先要兼容普通单声道收音机的收听，并且调制度、信噪比等技术指标降幅不能太大。 经过数十年的努力与实践，目前双声道立体声调频广播的制式趋向统一，即绝大多数国家都采用了调频,调幅(即称为导频制的GE,Zenith)制式。 这种制式把左、右声道信号之和(L，R)作为声频段的和信号，简称为M，作为单声道接收的信号，频带范围为30Hz,15kHz。把左、右声道信号之差(L,R)作为声频段的差 - 8 - 信号，简称S，并采用拟制载波的调幅方式调制在副载波上，副载波频率规定为38kHz，因此形成频段38?15kHz，即23kHz,53kHz的调幅差信号。经这样处理后的信号两项加起来用数学式表达为: ，，，，，，ut,L，R，L,Rsin,t,M，Ssin,t,SS 式中ωS即为副载波的角频率，另外为了在接收端解调出差信号(L,R)，则需要准确的恢复副载波信号ω，所以必须在发射时加上副载波的信息。导频制立体声广播规定要加S 入的导频信号是副载频的半频，副载波规定使用38kHz，导频则是19kHz。至此，完整的立体声调制信号称为立体声复合信号可表示为: ,S式(1,9) ，，，，，，sinsinut,L，R，L,Rt，Pt ,,S2 式中， L ——左声道信号; R ——右声道信号; ω——副载波的角频率(f,38kHz); S S P ——导频信号电压的振幅值(最大频偏10,，即7.5kHz)。 从式中可知，这种立体声复合信号包括三部分。第一部分即式中第一项是L与R之和M信号，它与单声道广播所含有的信息完全相同，其最大频偏为单声道广播时最大频偏的90,;第二部分即式中第二项是L与R之差S信号，调幅在频率38kHz的副载波上，并将副载波拟制后留下的两个边带波，同样它的最大频偏也为单声道广播时最大频偏的90,;第三部分即式中第三项是为了在接收机中恢复38kHz副载波，从而准确恢复差信号S而加入的频率为19kHz且幅度适量的导频信号，实际使用中导频占用总频偏的8,10,，约7.5kHz频偏。用以上三部分信号对主载波信号调频，总频偏仍为75kHz，其中导频信号固定占用7.5kHz，主、副信号合用90,，这样便形成了导频制立体声调频广播信号。这种导频制立体声复合信号的频谱如图: - 9 - 图1-3 导频制立体声信号频谱图 从频率上由低到高排列依次是:第一段30Hz,15kHz和信号M，这也是调频广播单声的整个频带，当接收机为普通的单声道收音机时，只解调这一段，此段以上部分只需简单的低通滤波器滤除即可;第二段是单一频率导频19kHz，在接收端，解调出的导频经倍频后变成38kHz，作为解调差信号的副载波;第三段是差信号S经过调幅后形成的副信号，由于调幅的副载波是38kHz，最高调制音频是15kHz，因此调幅产生的边带最低频率为38,15,23kHz，而最高频率为38，15,53kHz，而38kHz的上下间隔就是调制音频的最低音频即2×30Hz，因此在接收端副载波是难以在副信号中滤出来的，所以在调制时拟制了副载波而加入了恢复此副载波的导频信号。 由此可见，立体声广播关键是解决好调制前的信号处理，现在习惯称这一过程为立体声编码，实现这一过程的设备就称为立体声编码器(Stereo Coder)。 随着调频广播业务的拓展，利用调频广播频带宽的优势在调频立体声广播的基础上还增加了立体声加附加信道广播(即SCA)、调频双节目广播等多种附加业务广播(如RDS)，这些广播方式的增加只需改变在调频激励器之前调制信号的处理方法上，如最基本的立体声编码器，SCA编码器，或双节目编码器等，而发射机的其他组成部分不需改变。 - 10 - 第四节 调频立体声广播发射机系统组成 一般来说，调频立体声广播发射机在整个发射系统中是相对集中完整的一个主体。它包括有调频激励器、功率放大器、控制系统及供电系统等组成。如下图所示。 天线 L定向耦合器RFM激励器3kW功率放大器SCA1SCA2 控制单元配电盘45V开关电源遥控 JC1JC2 K13/380VF 图1-4 调频立体声广播发射机原理图 发射机除电源输入外，最重要的就是音频调制信号的输入及载频已调波的输出，只有高质量的节目信号，才能使高质量的播出得到基本保证。这里可能涉及到信号的传送、音频处理器的处理等问题，发射机的输出经过馈线送到天线发射时，当有多部发射机共塔或主备机交换问题时，还需经过同轴开关切换或多工器组合送到天线，这中间的每一处连接都要求有严格的技术保证。 目前传统的调频立体声广播发射机主要采用变容二极管直接调频技术和锁相环稳频电路来实现调频调制的，最新的数字式调频激励器采用了数字信号处理技术，通过FPGA、DSP器件，在数字域实现调频——频率综合器。 本节重点介绍发射机中调频激励器和立体声编码器的工作原理，最后简单说明对发射机以外配套系统的要求。 - 11 - 一、 调频调制器 实现调频的方法可分为两类，一类是直接调频，另一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡器的振荡频率(实质上是改变振荡器的定频元件)，变容二极管调频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制信号进行适当处理(如积分)后，再对高频振荡进行调相，以达到调频的目的。两种调频法各有优缺点，直接调频的稳定性较差，但得到的频偏大，线路简单，故应用较广。间接调频器的优点是载波频率比较稳定，但电路较复杂，频移小，且寄生调幅较大，通常需多次倍频使频移增加。对调频器的基本要求是调频频移大，调频特性好，寄生调幅小。调频器广泛用于调频广播、电视伴音、微波通信、锁相电路和扫频仪等电子设备 。 目前模拟的调频广播发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制。 1 .变容二极管直接调频原理 用调制信号直接控制振荡器的瞬时频率变化的方法称为直接调频法。如果受控振荡器是产生正弦波的 LC 振荡器，则振荡频率主要取决于谐振回路的电感和电容。将受到调制信号控制的可变电抗与谐振回路连接，就可以使振荡频率按调制信‎‎号的规律变化，实现直接调频。 可变电抗器件的种类很多，其中应用最广的是变容二极管。作为电压控制的可变电容元件，它有工作频率高、损耗小和使用方便等优点。具有铁氧体磁芯的电感线圈，可以作为电流控制的可变电感元件。此外，由场效应管或其它有源器件组成的电抗管电路，可以等效为可控电容或可控电感。 直接调频法原理简单，频偏较大，但中心频率不易稳定。在正弦振荡器中，若使可控电抗器连接于晶体振荡器中，可以提高频率稳定度。 - 12 - Cb Rb2Rb1 ReRc T C3C2 C1 L1DCc C5 GND调 制 信C4L2号 输R3 入 端R2R1 GND VCC 图1-5 变容二极管调频原理图 变容二极管调频电路是有主振电路和调频电路构成，T为振荡管，C1、C2、C3、L1为主 振回路，D为变容二极管，Cc为耦合电容隔离直流，C5为高频滤波电容，C4为耦合电容， Cb为旁路电容。R1、R2为变容二极管提供一个静态反偏电压，R3为隔离电阻，Rb1、Rb2、 - 13 - Re、Rc给三极管提供一个合适静态工作点。 设调制信号为uΩ(t)=UΩm cosΩt,加在二极管上的反向直流偏压为Q V, VQ的取值应保证在未加调制信号时振荡器的振荡频率等于要求的载波频率,同时还应保证在调制信号uΩ(t)的变化范围内保持变容二极管在反向电压下工作。加在变容二极管上的控制电压为: ,r (t)= VQ+ UΩm cosΩt 根据上式可得，相应的变容二极管结电容变化规律为 (1)当调制信号电压uΩ(t)=0时，即为载波状态。此时,r (t)= VQ，对应的变容二极管结电容为CjQ (2)当调制信号电压uΩ(t)=UΩm cosΩt时,对应的变容二极管的结电容与载波状态时变容二极管的结电容的关系是: 令,= uΩ/(UD+VQ)为电容调制度,则可得 上式表示的是变容二极管的结电容与调制电压的关系。而变容二极管调频器的瞬时频率与调制电压的关系由振荡回路决定。无调制时，谐振回路的总电容为: CCCQC,C，; ,1QC，CCQ ,Q为静态工作点所对应的变容二极管节电容。 当有调制时，谐振回路的总电容为: CCjCC，C?,; 1C，CjC - 14 - 回路的总电容的变化量为:?,,C?,CQ?;频偏?f与?,的关系:?f=1/2πf0*?,/ CQ?。 由变容二极管部分接入振荡器振荡回路的等效电路。调频特性取决于回路的总电C?,容而C?可以看成一个等效的变容二极管C, ?随调制电压uΩ(t)的变化规律不仅决定于变容二极管的结电容Cj随调制电压uΩ(t)的变化,而且还与C1和C2的大小有关。因为变容二极管部分接人振荡回路,其中心频率稳定度比全部接入振荡回路要高，但其最大频偏要减小。 2.变容二极管工作原理 变容二极管又称可变电抗二极管"。是一种利用PN结电容(势垒电容)与其反向偏置电压Vr的依赖关系及原理制成的二极管。所用材料多为硅或砷化镓单晶，并采用外延工艺技术。反偏电压愈大，则结电容愈小。变容二极管具有与衬底材料电阻率有关的串联电阻。主要参量是:零偏结电容、零偏压优值、反向击穿电压、中心反向偏压、标称电容、电容变化范围(以皮法为单位)以及截止频率等，对于不同用途，应选用不同C和Vr特性的变容二极管，如有专用于谐振电路调谐的电调变容二极管、适用于参放的参放变容二极管以及用于固体功率源中倍频、移相的功率阶跃变容二极管等。 变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压大小而变化的原理的一种二极管。它的极间结构、伏安特性与一般检波二极管没有多大差别。不同的是在加反向偏压时，变容二管呈现较大的结电容。这个结电容的大小能灵敏地随反向偏压而变化。正是利用了变容二极管这一特性，将变容二极管接到振荡器的振荡回路中，作为可控电容元件，则回路的电容量会随调制信号电压而变化，从而改变振荡频率，达到调频的目的。 已知，结电容 C j 与反向电压 V R 存在如下关系: - 15 - D 图1-6 变容二极管符号及电容公式 加到变容管上的反向电压，包括直流偏压Q V 和调制信号电压 V Ω (t)= V Ω cos Ωt ，如图1-7所示，即 V R (t)= V Q+ V Ω cos Ωt 此外假定调制信号为单音频信号，结电容在R (t) V 的控制下随时间发生变化。 图1-7 用调制信号控制变容二极管结电容 把受到调制信号控制的变容二极管接入载波振荡器的振荡回路，则振荡频率亦受到调制信号的控制。适当选择变容二极管的特性和工作状态，可以使振荡频率的变化近似地与调制信号成线性关系，这样就实现了调频。 3. LC振荡电路工作原理 - 16 - 1LC三点式振荡组成原理图如图1-8，其振荡频率f=。当X1和X2为容性，X3 2,LC CC为感性时称为电容反馈振荡器，其中C=;当X1 和X2为感性，X3为容性时称为电12 C，C12 感反馈振荡器，其中 L=L1+L2。当我们相应变化电容值时就能使频率作出相应的变化， 以达到调频的目的。 T1 X1X2 X3 图1-8三点式振荡电路组成 3.1电容三端反馈振荡电路 C2 T L1 C3 图1-9电容三端反馈振荡电路交流电路 - 17 - F对于一个振荡器，当其负载阻抗及反馈系数已经确定的情况‎‎，静态工作点的位置对振荡器的起振以及稳定平衡状态(振幅大小，波形好坏)有着直接的影响。要想起振，首先三极管应该工作在静态工作点。电路应选择合适的静态工作点的位置。 电容三端反馈振荡电路利用电容C3和C2作为分压器，该电路满足相位条件，选取合适 A,F,10时满足振幅起振条件，即:，该电路就可振荡。可得到振荡频率近似为: 1f,g2,LC 式中:C是振荡回路的总电容。 该电路与电感三端反馈振荡电路相比，输出波形较好，波形更接近正弦波。适当地加大电路电容，就可减弱不稳定因素对振荡频率的影响，从而提高电路的稳定度。 这种振荡电路的特点是振荡频率可做得较高，一般可达到100MHz以上，由于C3对高次谐波阻抗小，使反馈电压中的高次谐波成分较小，因而振荡波形较好。电路的缺点是频率调节不便，这是因为调节电容来改变频率时，(既使C1、C2 采用双连可变电容)C1与C2也难于按比例变化，从而引起电路工作性能的不稳定。因此，该电路只适宜产生固定频率的振荡。 3.2 电感三端反馈振荡电路 T2 L C 图1-10电感三端反馈振荡电路等效交流电路 由于L1与L2之间有互感的存在，所以容易起振。其次改变回路电容来调整频率时，基本上不影响电路的反馈系数。 - 18 - 它的输出振荡波形较差,这是由于反馈电压取自电感的两端,而电感对高次谐波的阻抗较大,不能将它短路,从而使Uf中含有较多的谐波分量,因此,输出波形中也就含有较多的高次谐波。工作频率愈高，分布参数的影响也愈严重，甚至可能使F减小到满不了起振条件。 电感三端反馈振荡电路利用电感L1和L2作为分压器，该电路满足相位条件，选取合适 A,F,10时满足振幅起振条件，即:，该电路就可振荡。可得到振荡频率近似为: 1f,g2,LC 式中:L=L1+L2+2M是振荡回路的总电容。 4.锁相稳频技术 极管直接调频电路来说，由于调制器是由普通的LC自激振荡器和并联的变容二极管组成，所以有很多因素会引起振荡频率发生变化，这些因素包括变容二极管的非线性、电源电压的变动、负载的变化、温度等环境条件的变化、电路元器件老化、机械振动等。为了消除这些导致中心频率不稳定的因素，除了注意电路和结构的设计外，还应当采用自动相位控制电路使中心频率稳定在规定范围以内。 图1-11是典型的锁相稳频电路的结构框图。共包括五个部分:压控振荡器、鉴相器、低通滤波器、基准晶体振荡器和分频器。放大的调制信号加入压控振荡器，对其进行频率调制，经过调制的高频信号一路送至后面的放大电路，另一部分送入分频器进行分频。分频器输出的方波信号送入鉴相器中，与基准晶体振荡器经过分频后得到的基准信号进行比较，实现相位锁定。鉴相器的输出信号经过环路滤波器送入压控振荡器中，控制压控振荡器的振荡频率，从而达到稳定频率的目的。 - 19 - 调制信号调频信号压控振荡器 低通滤波器 分频器鉴相器分频器 基准频率 图1-11锁相稳频电路框图 结果使压控振荡器输出信号的瞬时频率总是偏离其基准值，而环路的功能就是要抑制这种频偏，这就产生了一个矛盾。为了解决这个矛盾，应该使调制信号的频谱处于环路通带之外，也就是需要在鉴相器和压控振荡器之间加一个低通滤波器，将其滤除。环路只对引起压控振荡器平均中心频率不稳定的那一部分起作用，也就是说，已调信号在中心频率附近很小的一个频偏范围内变化。 二、立体声编码器 立体声编码器是激励器中功能独立的一个单元，最初因为体积较大，通常做成一个单独的小盒，现在由于电路改进，元件小型化，整个编码器可做成手掌般大小，因此常作为激励器的可选件。 我国以及世界上绝大多数国家采用了调频,调幅导频制调频立体声广播制式，其中的调幅就是指在立体声编码器中对左、右声道信号之差L,R采用调幅方式调制在38kHz的副载波上，简称为调频,调幅式，因为这种制式的另一特点是在复合信号中加入了导频，因此也称为导频制。如果将左、右声道之差L,R用调频方式调制在副载波上，就称为调频,调频制式，这是瑞典研制的方式，它的优点是左、右声道间的串音衰减可以做到60dB，因此立体声分离度极好，但这种制式电路结构较为复杂，接收机和发射机的造价较高。 在导频制的立体声编码器中，根据前面已得出的结论，即立体声复合信号的表达式如 - 20 - 下: ,S式(1,9) ，，，，，，sinsinut,L，R，L,Rt，Pt,,S2 立体声编码器所实现的功能就是要把左、右声道的音频信号经过处理变成式(1,9)要求的形式，如果根据电路功能细分，可分解成如下功能电路: 1( 15kHz低通滤波和预加重功能 一般都设计在左、右声道信号输入电路中，15kHz的低通滤波器要滤除15kHz以上的频率成分，而保证带内平坦。现在许多滤波器可以用厚膜集成电路来实现，比原始的电感电容组成的滤波器体积大大减小;预加重电路一般提供两种时间常数50 us和75 us ，中国选用50us而欧洲一般选用75 us。电路有无源与有源两种形式，在测试发射机频响时应关掉预加重功能。 2( 导频产生电路和导频相位/电平调节电路 立体声复合信号中的导频信号一般是从副载波频率分频取得，经过滤波成为单一正弦波，经过相位调节电路和电平调节电位器后用加法器混入主、副信号产生的调幅信号中，其中电平调节是控制导频信号在复合信号中占到规定的8,10,比例。而相位调节是影响调频发射机整机立体声分离度指标的关键因素之一。导频相位差如果大于3?，发射机的立体声分离度指标就不会理想。 3( 复合信号中第一项与第二项的产生 根据先后研制并使用的立体声编码器采用的电路形式，可以归结为四种方式，以下介绍各自主要特点和实现的基本原理: (1)矩阵方式立体声编码器 这是最原始的一种方式，电路原理简单，容易理解，但调试困难，性能指标较差。它的框图如下图: - 21 - 图1-12 矩阵方式立体声编码器框图 低通滤波器和预加重电路是各种方式中原理相同的部分，矩阵方式最大特点就是通过矩阵电路，先得到左、右两路信号的和、差信号，然后将差信号对副载波进行拟制载波的平衡调幅，并通过滤波器滤除三次以上的频率成分，从而得到公式中的第二项。因为经过调制的副信号要通过滤波器而产生了不可避免的相移，因此，主信号也要相应地设置一个相移补偿网络，尽可能使两路信号相移保持一致。 实践证明，矩阵方式立体声编码器原理简单，实现器件均为常见的模拟元件，如主要是变压器、二极管、LC滤波器等，但是这种方式难以获得好的立体声分离度指标，尤其是高端频率，由于变压器、滤波器、相移电路的使用，使得调试相当困难，影响分离度的主要因素是主信号和副信号两路的相移差和幅度差。 (2)硬开关方式立体声编码器 这种方式的理论基础建立在脉冲序列信号的富氏级数分析上，它是让左、右路信号分别通过重复频率为38kHz的开关，形成一组脉冲序列;当重复频率为(副载波频率f3S 8kHz)，占空比为50,的方波脉冲序列，幅度为1时，富氏级数展开式为: 12121 式(1,10) ，，ft,，cos,t,,cos3,t，,cos5,t,？LSSS2,3,5 假设以此信号作为左路信号的取样脉冲，用其反向脉冲作为右路信号的取样脉冲，可表示为: - 22 - 121212式(1,11) ，，ft,,cos,t，,cos3,t,,cos5,t，？RSSS2,3,5, 用f(t)、f(t)两开关信号分别对左右路信号L、R进行取样，然后相加，并滤去三次以LR 上各次谐波后得: 12式(1,12) ，，，，，，，，L，ft，R，ft,L，R，L,Rcos,tLRS2, 2 可以看到只要对主信号进行适当电平幅度补偿使其幅度为即可消除主、副信号的幅, 度差，而这是很方便作到的。这种方式唯一的缺陷就是三次谐波的最低频率为38×3,15=99(kHz)，仍要通过滤波器去滤除，而这一滤波器又难免对复合信号的高端53kHz产生相移影响，因此对高端的分离度提高形成限制，但可满足一般技术性能要求，过去用的较多。 - 23 - 图1-13 开关方式构成复合信号的波式图(无导频) 图1-13中， (a) 左声道信号开关取样脉冲，f(t) L (b) 左声道信号L (c) 取样后的左声道信号，L×f(t) L (d) 右声道信号开关取样脉冲，f(t) R (e) 右声道信号R (f) 取样后的右声道信号，R ×f(t) R (g) 取样后的左、右声道信号之和，L×f(t) +R ×f(t) LR (h) 滤除高次谐波后的左、右声道信号取样之和 - 24 - 图1-14 开关方式形成立体声复合信号的原理及波形 (3)数字频率合成调制法(DSM) 实际上这一方式是开关编码方式的延续，只不过它分别利用38kHz和114kHz开关取样 - 25 - 所产生的奇次谐波，巧妙的将副载波的三次谐波项互相抵消，从而将滤波器的最低滤除频率从99kHz提高到38×5,15,175(kHz)，这样便大大减小了滤波器对副信号的相移影响，使立体声分离度指标保持在50dB以上。是比较常使用的一种方式。 因为这一方式主要依靠取样脉冲同频项相抵消为目的，因此对38kHz和114kHz的取样脉冲必须保证相位准确同步。用数学方式能更好地理解这一过程 : 用重复频率分别为f=38kHz(w)，f=114kHz(3ω)的矩形脉冲同时对信号取样，其输出分13 别为: L2L12L12L1，，L，ft,，cos,t,，cos3,t，，cos5,t,， 12357,,, 2L12Lcos7,t，，cos9,t,？ 式(1,13) 9,, L2L12L，，，，，，L，ft,，cos3,t,，cos33,t，？ 式(1,14) 323,, 1L12L12L，，L，ft,，，cos3,t,，cos9,t，？ 3式(1,15) 3639,, 式(1,13)与式(1,15)相加得: 12L2L12L12L，，，，L，ft，L，ft,，cos,t，，cos5,t,，cos7,t式(1,16) 133357,,, (4)“软”开关方式立体声编码器 以上介绍的三种方式从原理和实现方法都比较容易理解，尤其是第三种方式也比较实用。对于要求很高的系统，那就只能用这种称为“软”开关方式的编码器。 “软”开关编码利用了更深更复杂的数学分析，它不是用简单的等幅脉冲对信号取样，而是用开关脉冲序列形成一个近似的余弦波形，这样便不仅从时间上，而且从幅度上也都有着更严格的要求。简单的说，它是这样来实现的，它是把副载波38kHz的一个周期从时间上 - 26 - L，RL,R，，，，，，ut,C，，t，t,t，，，，0.9919cos,0.076cos13,0.066cos15,ASSs,,22，， 均分为14段，再从幅度上用8个幅度水平来近似模拟38kHz的余弦波形，这8个幅度水平 分别由8个模拟开关对应各自的信号分压比，其导通顺序按照余弦波形要求以频率为532kHz的速率循环导通，最终形成如下信号: 可见需要滤除的频率成份从数字频率合成方式的190kHz提高到13×38,494kHz，并且幅度相对要小得多，这样只需很简单的滤波器即可实现滤波。幅度的补偿相对很容易作到，因此经过严格设计、仔细调试后的“软”开关编码方式可以保证立体声分离度指标在60dB以上，是目前最好的编码器方式。 由于其计算、推导过程复杂，这里仅作此简单介绍。 由于第一种矩阵方式还建立在模拟元件上， 从以上四种编码方式可以看到一个趋势， 因此便很早遭到淘汰，硬开关方式最初还是用分立器件制作的，随着数字集成电路的迅猛发展，可以很方便的搭建数字频率合成方式的编码器，它因成本低、性能较好而得到普遍使用。现在更有将编码电路系统集成的作法，使编码器的制造调试越来越简化。 - 27 - 图1-15 14级软开关编码器的副载波波形 - 28 - 三、调频激励器 调频激励器的原理框图如下 : 压控震荡器音频输入单元立体声编码器L输入 R输入(VCO)SCA输入 音频母板锁相环路 (PLL) 调频输出监测/显示单元供电电源功放单元 调频激励器是调频广播发射机中最重要的组成部分，也是相对独立的一个部分，可跟据不同的机型或用户的具体要求进行配置。广播发射机的电气性能指标基本上都由激励器决定，因此激励器电性能指标的好坏，就决定了整机的电性能指标好坏。随着对广播节目质量的要求越来越高，近年来出现了数字调频激励器，它采用了最新的数字电路技术，调 通过内部全数字立体声编码器和调制器，使调频信噪比和立制信号就是全新的数字音频， 体声分离度、谐波失真等电性能指标有很大提高，但随之而来就是其价格也相当昂贵。对于要求很高的大功率发射机来说，可以选配高性能的数字调频激励器。 对调频激励器而言，它的基本功能就是产生一个调频载波信号，并通过适当的功率放大作为激励信号，去推动调频广播发射机的末级功率放大器工作。所以它的激励输出功率一般为15W,30W，因此，它本身就可以作为一台小型调频广播发射机使用。无论是何种型号的调频激励器，它的基本组成部分都包括有:音频输入单元、立体声编码器、调频调制器、功放单元、监测/显示单元和供电系统等。音频输入单元的主要功能是对输入的音频信号进行预处理，以适应调频激励器输入的音频信号对载波信号调制的要求。它的主要电路包括有:音频输入阻抗选择、音频输入信号调整、预加重电路、限幅器电路、立体声/单声切 - 29 - 换及SCA/RDS等双节目信号输入接口等。立体声编码器和调频调制器的原理在上节已作过介绍，在不同类型的调频激励器当中，这一部分具体的电路虽然各不相同，但工作的原理是一样的。掌握了原理后，对具体电路的理解就比较容易些。监测/显示单元部分，不同的产品在使用方法上也是各不相同，有的产品其智能化程度较高，操作方便简单，容易掌握。主要的工作状态如频率、输出功率、音频信号大小、电压/电流等参数的显示也方便用户察看。相同之处就是作为调频激励器，它的主要技术参数指标都要符合国标GY/T 169—2001《米波调频广播发射机技术要求和测量方法》的基本要求。下面是某型号调频激励器的主要技术参数:(以供参考) 调频激励器主要技术参数 1. RF频率范围 87MHz，108MHz 步进10kHz 2. 输出功率 0，额定功率 连续可调 3. 输出阻抗 50Ω 4. RF输出连接器 N或L16 50Ω 5. 残波辐射 ?1mW～并低于载波功率60dB 6. 寄生调幅 ,-50dB,无调制, 7. 载频允许偏差 ?200Hz -68. 频率稳定度 优于1×10 9. 调制频偏 75kHz(100%调制)～最大调制能力100kHz 10. 音频输入电平 -10dBm，+10dBm 步进1dBm 11. 音频预加重 0μs、50μs、75μs可选 12. 频率响应 ,?0.5dB ,30Hz，15000Hz 1kHz为基准, 13. 左右声道电平差 ,0.5dB ,30Hz，15000Hz, 14. 立体声分离度 ?45dB ,30Hz，15000Hz, 15. 信噪比 ?70dB ,1kHz～ 100%调制, 16. 失真度 ,0.3%,30Hz，15000Hz～100% 调制, - 30 - 17. 导频频率 19kHz?0.1Hz 18. 音频输入阻抗 600Ω 平衡 19. 电源电压 AC，220V?20% 50Hz/60Hz?5Hz 20. 机箱标准 19英寸 21. 机箱尺寸 2U,500mm×484mm×88mm, 22. 整机重量 13kg 23. 温度范围 -10?，+45? 24. 相对湿度 ,95% 25. 海拔高度 ,4500m 其他技术指标满足GY/T 169—2001《米波调频广播发射机技术要求和测量方法 》 目前使用较多的PTX-30/LCD型调频激励器是意大利RVR公司出品的一款性能较好、工作稳定、操作方便、价格适中的普及型激励器，它的发射频率可以在87.5,108MHz范围内变动设定，步进为10KHz，操作很方便。末级功率放大是宽带设计，最大输出30W，因此激励器需要更换频率和调整功率及各参数设置时，只需转动面板上的编码旋纽开关，其他部分则无需调整。作为调频立体声广播使用时，音频输入采用两路平衡输入(也可以从辅助输入端直接输入立体声复合信号)，另外还备有数字音频输入和附加业务信道输入口，即SCA/RDS输入口，可满足多种发射的需要。 四、数字调频激励器 模拟调制的调频激励器技术已经很成熟，但是受变容二极管特性的限制，模拟调制激励器的调制码速率较低、调制频偏较小、调制方式不可重组、单个系统调制频率不可改变，无法满足更高信号质量的需求。而数字调频激励器是从音频到射频全过程数字化信号处理的调频广播激励器，是基于软件无线电技术的数字调制广播发射机。采用可编程器件可实现调制重组、兼容多种调制方式、调制频率可变、频偏可调，还可以与采编器合并，扩展性强。数字化通信具有抗干扰能力强、传输可靠性高、便于进行数字信号的存储和处理、易于 - 31 - 集成化和微型化等优点，成为今后调频广播发射机的发展主流。 目前数字调频激励器都采用了较新的数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)器件，针对立体声编码和频率调制的特点通过软件编程来实现调频广播的各种功能。FPGA是一种可由用户自行定义和配置的高容量的专用集成电路，由许多较小的逻辑单元组成内部阵列。随着集成技术的飞速发展，FPGA的规模越来越大，功能越来越好，已广泛地应用于广播通信领域。 数字调频激励器可接入数字音频信号(AES/EBU)或模拟音频信号经A/D转换，对音频信号的处理、立体声编码均由DSP(数字信号处理器)来完成，而频率调制过程DSP控制DDS技术(直接数字频率合成器)来完成，实现了调制过程的全数字化。最后离散的数字调频波再经D/A转换后产生常规的调频载波信号，以供功率放大器放大到指定的功率输出。简称“DSP+DDS”技术。与模拟的调频激励器相比，所具有的优势明显:改善了音质，使调频广播的音质接近CD的水平。提高了广播发射机的可靠性，容易实现准确的远程监控和故障诊断。 数字调频激励器的原理框图如下: 模拟信号L 数字信号处理器 直接数字频率合成 模数转换 输入 R (DSP) (ADC) (DDS) (数字滤波、数字延 (数字调频) AES/EBU 时、导频发生、立体数字信号 接口电路 声编码、数字预加重输入 等) 带通滤波器 微处理器(MCU) 电平调节及放大 电 源 功率放大器 RS485/232 电 FM 液晶显示 接口 路 低通滤波器 输出 器 - 32 - 数字调频激励器工作原理: 图中可以看出激励器主要由音频信号输入单元、数字信号处理单元、数字调频调制及带通滤波单元、功率稳定放大及低通滤波单元、人机接口控制及通信单元以及电源电路单元等六大模块单元组成。 音频信号输入单元负责接收模拟音频输入信号和数字音频(AES/EBU)输入信号，模拟音频信号经模数转换(A/D)成数字音频后送入DSP，而数字信号则直接送入DSP，由DSP决定选择哪种信号作为输入音频信号。 数字信号处理单元是本激励器的关键模块单元，其核心为一高性能550MHz数字信号处理器(DSP)，该DSP在软件的控制下对输入的数字音频信号进行增益调整、数字滤波、数字预加重、数字导频发生、数字立体声编码后产生立体声复合信号码流，通过运算将此码流以调频方式调制到激励器基频码流上，从而形成数字调频码流信号，此码流被送入1000MHz直接数字频率合成器(DDS)，形成调频射频信号。 数字调频调制及带通滤波单元的核心部件为一直接数字频率合成器(DDS)，它接收DSP输出的数字调频码流信号，通过内部的直接频率合成器形成数字调频射频信号，经内置数模转换器(D/A)形成模拟调频已调波信号，再经带通滤波器后得到纯净的调频射频信号。 功率稳定放大及低通滤波单元为一带闭环控制的反馈式(AGC)调频射频功率放大器及低通滤波电路。可确保输出功率在设定的功率上长期稳定运行。 人机接口控制及通信单元采用一块高性能片上系统(SOC)微处理器完成激励器的人机接口、运行数据采集、报警保护、对外通信等功能。各种操作命令由键盘输入、由大屏幕液晶器和状态指示灯实时显示发射机工作状态。通过标准的RS-232串口通讯接口(或其他接口)与远程计算机进行数据交换，以实现遥控 五、节目源的传送 节目源的获得根据各电台的节目方式不同而采用多种形式，一般主要是解决好节目编播处到发射台发射机的输入这一段的节目传输。对于固定的工作模式，一般可采用电缆传 - 33 - 输，而对于现场直播等临时工作模式，可采用的手段则有多种，无线传输STL方式(转播车现场播出时采用小调频把节目传送到发射台)、采用卫星节目收转等，现在正在兴起用ISDN专用设备可获得非常理想的效果。但是不论采取哪种方式，对节目的电性能要求是相同的，即: 1、要保证输入到发射机的信号电平大小符合要求，这样才能保证合适的调制度，使播出最为有效; 2、使节目在制作、传输过程中引入的干扰噪声尽可能小; 3、与发射机相连时，保证连接正确、阻抗正确和相位正确。假如阻抗不正确时，可能使调制度不足或影响音频指标，当左、右路平衡输入线相位接反时，普通单声接收机接收的和信号将会是左、右声道抵消后的差信号。 另外需要指出的是，如果节目源是立体声复合信号，则可以直接送入激励器而不需要解调后再送入。 为了使信号调制稳定，发射效果好，建议在发射机上增加高性能音频处理器，实践证明好的音频处理器可大大改善发射效果。 4、目前许多激励器都配有数字音频输入接口(AES/EBU接口)，具备条件的可采用数字音频输入的方式，信号传输抗干扰能力强、可靠性高。 第五节 调频广播的天馈系统 一 、调频广播的覆盖特点 调频广播发射机最后需要通过天线向外发射，天线可以将馈线送来的导行波的能量转换成空间传播的电磁波的能量。均匀的向周围辐射电磁波能量，也可以向特定方向的空域辐射电磁波能量。 调频广播所使用的频段在87,108MHz,属甚高频频段(VHF)。由于频率较高，沿着地面传播的地波衰减太快，不能形成服务区。向天空辐射的电波则穿透所有的电离层，一般也 - 34 - 不能被反射回地面，即也没有天波,因此调频广播如同电视广播一样，是靠空间波来进行覆盖的，我们也称为视距传播或直线传播。其电波的传播遵从“反射定律”，即在接收点的场强是天线发射的直射波与经地面反射后到达的反射波的合成场强。调频广播的覆盖范围一般只能在发射天线的视距D之内 : (m) D,H，T，4.12，1000 式中:H-发射天线中心离地面的高度(m):T-接收天线离地面的高度(m)。 在视距之外，电波的传播遵从绕射定律。由于甚高频电波的绕射能力很差，绕射场强将急剧衰减，基本上不能形成服务区。为了增加调频电台的服务半径，除可增加有效辐射功率(ERP)以外，更重要的是通过提高发射天线离地面的高度(H)来实现。所以调频天线一般安装在高山台或高塔上。但发射天线的高度也受到一定条件的限制，一是高塔的造价较高，二是不允许引起对其它调频台的同(邻)频干扰。所以说，一个调频台的有效辐射功率(ERP)及发射天线的高度(H)和使用的发射频率一样，都要得到无线电管理委员会的批准。 调频广播在我国可按电台的要求选用水平极化波、垂直极化波或者圆极化波。因为一套调频广播节目所占用的频带相对较窄，调频天线的频带可以做的较宽。所以当一个电台需要播出几套调频节目时，往往可通过调频多工器来实现，用一副天线来完成多套节目的发射，就是通常所说的一塔多频。在实现一塔多频的基础上，应当对该天馈线系统的带宽及功率容量提出相应的要求。 二、常用的几种调频天线 调频广播电台可以根据自己的的节目套数、带宽、发射机的功率、天线极化方式、塔高及其结构尺寸等条件，以及覆盖范围的要求，可选用不同形式的发射天线。目前针对各级调频广播电台所使用的常用的天线有以下几种。 1、蝙蝠翼天线 蝙蝠翼天线无论在调频台还是电视台都普遍采用过这种发射天线、其外形及馈电方式如图1-1所示。它是一种水平极化天线，频带较宽(87-108MHz)，风荷载较小，结构比较简 - 35 - 单。它每一层都有4个振子翼相互垂直的安装在桅杆的四周形成两对正交的对称振子，因此在水平面内它基本上是作无方向性辐射。由于铁塔的桅杆直径不大(一般在0.1--0.2λ),所以该天线的水平面方向图的圆度相当好(约1-2dB)，为获得垂直面内较强的方向性、往往系采用多层的蝙蝠翼天线。其层数根据增益需要及桅杆的机械强度等因素确定，中小功率调频台一般用2--4层。 这种天线的优点虽然很多但由于它必须安装在大型桅杆之上，也就是说安装在铁塔的顶部，若该铁塔还要安装分米波电视UHF天线等，把天线安装在它的上面或下边都会给两副天线的安装和维护造成相当大的困难。尤其是在要求两副天线的增益(层数)比较多、功率比较大的情况下一般把调频天线改为其它形式，如单偶极子或双偶极子天线。 2、双偶极子板天线 如图2-1所示双偶极板天线由平行的相距λ,2的两对半波偶极子及反射板组成。半波偶极子的材料为铝合金或不透钢管。中间有聚四氟乙稀绝缘，并带有玻璃钢保护罩。反射板由镀锌钢管或不透钢管焊接而成，以减少天线的风荷。由于振子后面的反射板的作用、双偶极板天线是一种有较强方向性的天线、其方向图如图2-2示。其半场强角宽度均为90度左右，因而可通过四面组合安装在铁塔的四个则面，采用偏置及90度相差馈电的方式，获得较好的水平面无方向性的方向图(圆度?3dB)，阻抗匹配方面也得到很好的改善。当然也很容易通过不同面数的组合在不同方向安装不同数量的双偶极子板天线单元，得到各种需要的水平面方向图。同时双偶极板天线视其安装方式可作为水平极化天线或者作为垂直极化天线使用。这就是这种天线得以普遍采用的，尤其在大中型的广播电视塔上多被采用的原因。 调频双偶极子板天线单元的主要参数 1、工作频带:87-108MHz 2、极 化:水平或垂直 3、输入阻抗:50Ω 4、驻波比:?1.15(在整个频带) 5、增益:7.5dB - 36 - 6、输入接头:L27 L36 LF45(7/8ELA) 7、功率容量:?2.5KW 3、单偶极子天线 单偶极子天线是一种简易的垂直极化天线。可以用在整个调频广播的频段，如图3—1所示，一个天线含有一对半振子及其馈电系统(带平衡转换器)均用铝合金管做成。通常是在垂直方向(振子轴线方向)，放置2个或4个这样的单偶极子，加上它们的支撑物(钢管)构成一副调频天线，它辐射的是垂直极化波。由于可通过安装多层天线单元，(层距一般为0、7--0、8λ)，从而在垂直面内获得较强的方向性，因而天线可以有相当的增益，在水平面内侧基本是作无方向性的辐射。但是因受其支持物钢管和铁塔的本身的影响其水平面方向图不可能是理想的圆。单偶极子天线的输入阻抗50Ω，也是采用50 Ω 的分支电缆及相应的功分器给各个天线单元馈电。单个天线单元的驻波比?1.2(整个调频段)，不如调频双偶极扳天线好，但因其价格较低，容易安装，方向性好，被许多调频台使用。单偶极子天线在出厂之前，可根据用户的具体工作频率，将其驻波比调的更好一些(如达到SWR?1.1)。因此此类天线的实际使用效果是不错的。 三、功率分配器 功率分配器(简称功分器)，它是天线的重要组成部分，是连接馈线与天线振子的关键环节。其作用是将输入功率按一定比例(通常是相等地)分配到它的各个输出支路端口，同时在输入及所有输出端口都与所接馈线的特性阻抗保持极好的阻抗匹配。功分器由一组同轴的阻抗变换线及其相应的输入、输出接口组成。这是因为功分器的输入一般为50Ω，而输出端并联后的阻抗因端口的数量及所接分支电缆的特性阻抗不同而不同，因此在输入、输出端口之间必定要有阻抗变换，所以有人将它叫变阻器。 功分器中的阻抗变换线一般都是多节(2—4节)的λ/4阻抗变换线。其节数(总长度)是按输入、输出阻抗变换比及对工作带宽、驻波比的要求而选定的。当阻抗变换比一定时、变换线的节数越多，其功分器的频带越宽，驻波比的指标越好。当然这个功分器也就越长越贵。变换线中每节馈线的特性阻抗可按二项式分布阻抗变换电路或者按切比雪夫阻抗变换电路 - 37 - 的公式进行计算。然后再按同轴线性阻抗公式;Zo=60/lnD/d。以及它所传输的功率的2 大小，计算出各节变换线的内导体的外径(d)、和外导体的内径(D)的数值。 用户在选择功分器时，除应关注其功率容量、驻波比指标及工作频带等指标外，还要注意功分器的输入、输出端口的规格。我国的标准中，除与之对应的IF系列接头外，还有L系列接头(如L16、L27、L36、L52等)都是螺纹型接头。一般而言，法兰结构的接头气密性要好一些。必须注意，系统中使用的功分器的接头规格要和所有链接的电缆头规格一致，以避免出现电缆头转接的现象。功分器在出厂前都经过仔细的调试，其驻波比一般都在1.05以下，内外导体之间的绝缘电阻500MΩ以上，这样才能保证整副调频天线的总体指标。 四、主馈线 调频天线的主馈线现在都采用低损耗的、低驻波比的聚四氟乙烯螺旋绝缘波纹铜管射频电缆，特性阻抗为50欧。常用的型号有(如SDY—50-37—3、SDY—50—80—3等)。选用什么型号的电缆作为馈线主要考虑以下几点: 、电缆在调频频段的功率容量要大于调频发射机功率(或多工器输出的总工率)还要留1 相当的余量。因为电缆产品的标称功率是在环境温度为40?时的值，当馈线的工作环境温度超过40?时，功率容量下降，如在50?时将下降18,左右。 2、要满足部颁标准--GY/T5051—1994《电视和调频广播发射天线馈线系统技术指标》中对主馈线总损耗的要求，因为电缆直经越小单位长度的损耗就越大。如果发射天线距机房较远，主馈线较长，则可能选用容量功率直径大一些的电缆。这样一次性投资可能大些，但可以减少长期的功率损耗。 3、部颁标准还要求主馈线在调频频段内的驻波比小于1.08。 4、要求主馈电缆的绝缘电阻大于500MΩ，在一些环境较为潮湿的电台(尤其大功率发射)，为了工作稳定往往还要给主馈线电缆充以干燥空气或氮气(30kPA的气压)，因此要求电缆及其接头的气密性要好，电缆接头要采取密封措施。 - 38 - 此外，处理好主馈电缆的防雷接地，至少在天线及机房两端分别将电缆头的外导体用宽铜带很好的与地线连接。在多雷地区最好在主馈电缆进人室内之前将外导体的护套剥开，用铜皮与地连接好。 五、调频天馈线的维护与管理 调频天线大多数都固定在铁塔上，特别是近几年来调频广播的快速发展，广播电台的数量在增加，发射机也不断的在更新换代，发射功率由过去几百瓦到目前1千瓦、3千瓦，有些地区达到10千瓦。调频广播己成为目前广播覆盖的主要手段，因此天馈线的维护管理己成为安全播出的主要内容。调频天线架设在几十米甚至几百米的高空，高空中风大，容易导致机械震动不止，金属构件易疲劳受损。加上室外温差较大、有的地方湿度大、酸雨等影响。因此天线上的绝缘材料和金属材料老化、锈蚀的较快，而天线安装的地方在高空，技术人员不能经常的去巡护，天线出现毛病不易被发现察觉。目前天线电气方面的维护项目和要求，参照部颁《电视和调频广播发射天线馈线系统技术指标》(GY/T 5051—1994)及《电视和调频广播发射天馈线系统技术指标测量方法》(GY/T 5052—1994)进行的。 天馈系统驻波比的升高，主要有以下几个原因:1)天线、功分器老化，损坏;2)天馈系统不牢固，出现摆动，连接头接触不良或结构松动;3)连接部位未充分接触，致阻抗不匹配;4)连接部位密封不良，进水或受潮，使馈线系统内部绝缘闪弧产生电击穿;长期受潮也会使铜皮发生氧化降低效率，在大功率运行时会出现发热现象。针对以上问题，要严格按照要求安装天馈系统，定期检查、每个连接点的密封情况及各单元指标 。 具体的做法是:时常监视机房端主馈线的驻波比 (发射机面扳上反射波电压指示)的变化。如果发生变化应尽快查找原因，直至天馈系统驻波比指标恢复正常。为了找出发生问题主要的方法是:采用分段测量‎‎驻波比的方法，一般先在主馈电缆的终端接上50Ω标准电阻，在其输入端测驻波比，来判断是否主馈电缆的问题。如果不是，问题可能出在天线上面，此时可以进一步在天线上分段测量，判断是哪根分支电缆的问题，或着是那个天线单元的问题，根据自己的仪器条件，这项测量可以在塔上进行，也可以在塔下进行。根据经验，问题多出 - 39 - 在雨雪天气之后，天馈线分支接头、功分器容易受潮进水，使绝缘电阻下降甚至形成短路。经过分段测量绝缘的办法也可以找到故障点，然后把它打开用热风吹干，进行重新密封，这样驻波比技术指标马上恢复。 再一方面经常定期测量馈线的绝缘电阻(?500ΜΩ)，检查外导体的接地状况，各接头是否紧固，馈线有无过热现象。充气的电缆应保持电缆内的气压，定期检查铁塔上天线部件的紧固情况有无松动、锈蚀、绝缘材料老化的现象。 六、调频多工器 调频多工器是调频广播用来实现多部不同频率的发射机共用一副发射天线的设备 ,也就是将多路调频广播信号混合成一路 ,在一副天线上发射出去。有了它可以省去架设多副天线的投资。特别是在城市发射台，一个铁塔上要安装多套电视发射天线和调频天线，而塔上可利用的高度十分有限，为了要播送多套调频节目，就必须使用多工器。使用多工器可以大大简化天馈系统，降低建设和运行费用。多工器的使用及调试是否满足天馈系统的要求，直接影响着广播电视节目的播出质量。 使用调频多工器可以解决多个发射机频率互调的问题，避免了对其他频段，尤其是导航频率的干扰问题。 1、调频多工器分类及其工作原理 调频多工器主要有星型、定向耦合型和混合型三种，其基本结构单元由双工器组成。 1(1、星型双工器 星型双工器是由两个带通滤波器谐振腔和一个T型三通彼此连接构成，每个带通滤波器谐振腔对应特定频率，并阻塞另一个频率。星型双工器结构简单、价格低廉，其输入端有窄带特性，带通性则取决于带通滤波器特性。星型双工器由于很难保持高串扰抑制度，要求工作频率的间隔越大越好，至少在2MHz以上。同时由于星型双工器损耗较大，在大功率应用中需要配备专门的冷却系统冷却。 1(2、定向耦合型双工器 - 40 - 定向耦合型双工器，又称为桥式双工器。其构成主要包括两个3dB耦合器、两个带通滤波器和一个吸收电阻以及长度相等的同轴馈管。定向耦合型双工器其构成和结构较为复杂，但比较容易获得较小的频率间隔和较高的隔离度，功率容量也较大，因此造价较高，常用于多频点、大功率的调频发射机房。 1(3、混合型双工器 混合型双工器，是由星型和定向耦合型双工器组合而成。由于采用两种组合的混合结构，可以根据实际频率间隔和整体发射环境及应用要求灵活的进行配置，造价相对于单一结构而言较为低廉。 2、调频多工器的调试 衡量调频多工器在天馈系统中的性能，主要有三个指标:一是隔离度，指双工器对两个不同频率信号之间的隔离能力，隔离能力较低，两信号间则会产生互调，降低调频广播质量。一般隔离度要求优于35dB;二是插入损耗，也称输入和输出口间的电平差值，要求小于0.25dB;三是各输入端口的反射损耗，即输入端电压驻波比要求小于1.1。 调频多工器的调试多使用网络分析仪来完成，使上述三个性能指标达到最优。方法是先调试部件再调试单元，最后调试整个系统，反复的检查和调整所有指标，直至整个系统的指标符合发射系统的要求。网络分析仪RF输出端依次连接各窄带输入口，RF输入端依次连接输出端口，宽带输入口和吸收负载端连接标阻为50欧。两组腔体需兼顾调整，使各窄带输入口反射与插入损耗达到最佳状态。然后，将RF输入端接至吸收负载处，测量各输入信号在吸收负载端的隔离度。最后，将RF输入端接至宽带输入口，测量各窄带输入和宽带输入之间的隔离度，要求达到35dB以上。经过2到3次的反复调试，最后在发射机的输出端口上测量，直至所有指标符合要求。 3、调频多工器的维护 3(1、多工器的安装 对于调频多工器要求使用导电性能好、抗氧化、耐腐蚀和膨胀系数较低的材质制造，以延长使用寿命。在多工器安装过程中各接口和接插件要紧密结合，避免出现松动，多工器需 - 41 - 垂直安装在发射机附近，安装调试后不能随意移动或倾斜，以免影响多工器性能。 3(2、多工器的温升 一般情况下，随着多工器插入损耗的增加，温度会逐渐上升，致调谐频率偏离工作频率，反映在发射机上则是反射功率增加、驻波比升高，严重时可能发生驻波保护，停机冷却后则恢复正常。通常异常温升情况的出现多是由接触不良或接口松动造成的。 3(3、多工器的检测 具体的做法是:时常监测发射机的驻波比的变化情况，如果发生变化应尽快查找原因，直至驻波比指标恢复正常，发射机才可以正常工作。可采用分段测量驻波比的方法，一般先在每个双工单元的终端接上50Ω标准电阻，在其输入端测驻波比，来判断是否由哪个双工单元引起的问题，然后逐个排除。 - 42 -