Дипломная (вкр): Измерение характеристик сигналов стереофонического радиовещания

Выходной сигнал УД и суммарный сигнал Л' + П' складываются в сумматоре Σ3, образуя цифровой КСС. Затем цифровой сигнал с помощью цифро-аналогового преобразователя ЦАП и фильтра нижних частот ФНЧ преобразуется в аналоговый КСС. При цифровом преобразовании существенно уменьшаются паразитные продукты преобразования и нестабильность параметров КСС, обусловленная изменениями температуры и питающих напряжений.

Сформированный в стереомодуляторе сигнал поступает на вход частотного модулятора радиопередатчика МВ. В стереодекодере радиоприемника (см. рис. 5.3,6) сигналы подвергаются обратным преобразованиям. Восстановление амплитуды поднесущей до величины, необходимой для нормального детектирования полярно-модулированного сигнала, происходит в цепи, схема которой инверсна по отношению к схеме рис. 5.5,а. Затем в детекторе ПМК выделяются сигналы Г’ и Л', после чего они проходят восстанавливающий контур (RС-цепь), восстанавливаются исходные спектры сигналов П и Л. Сигналы усиливаются усилителями звуковых частот УЗЧ и воспроизводятся громкоговорителями.

Монофонические радиоприемники воспринимают только низкочастотную часть спектра КСС. Надтональная часть КСС не детектируется и не воспроизводится.

Выше изложено лишь самое общее представление о процессах, происходящих в системех с полярной модуляцией. Существенно усложняет техническую реализацию системы требование большого переходного затухания между каналами П и Л. Переходное затухание характеризует степень разделимости этих сигналов. По определению:

Здесь U'л-напряжение на выходе левого канала, U’ п -напряжение на выходе правого канала, если на входе каналов U’л ≠ 0 , а Uп = 0. Если ап=∞, то разделение сигналов Л и П идеально, если ап=0, сигналы Л и П становятся одинаковыми, их отношение равно единице, и звуковая панорама стягивается в одну точку. Слушатель, находящийся на оси симметрии стереофонической звуковоспроизводящей системы, воспринимает вместо широкой панорамы один кажущийся источник звука, расположенный посередине базы громкоговорителей. В соответствии с требованиями, предъявляемыми к системе стереофонического вещания в целом, переходное затухание должно быть не менее 30 дБ, При ап = 20 дБ сужение звуковой панорамы уже начинает ощущаться.

Переходное затухание между каналами зависит от ширины полосы частот радиоканала, формы АЧХ и ФЧХ тракта КСС, точности преобразования ПМК в КСС в стереомодуляторе передатчика и КСС в ПМК в приемнике (заметим, что в системе с пилот-тоном- от точности восстановления фазы подавленной поднесущей).

Ширина полосы частот Δf радиоканала и ап связаны соотношением

где fп - частота поднесущей. Например, при ап = 30 дБ и fn = = 31,25 кГц необходима ширина полосы частот радиоканала не менее 176 кГц.

Уменьшают ап спады АЧХ на верхних и нижних частотах. Первые обусловлены недостаточной шириной полосы пропускания радиотракта и паразитными емкостями устройств, вторые - недостаточной величиной переходных (разделительных) емкостей в межкаскадных цепях. Для областей верхних и нижних частот справедливы соотношения

где fсp и Fcp- частоты среза на уровне -3 дБ; fn - частота поднесущей; n - число переходных RС-цепей, a F- нижняя частота, на которой определяется ап. Подставив ап = 30 дБ; fn = = 31,25 кГц, n = 2 и F=100 Гц, получаем: fср=88 кГц, Fcp=3,1 Гц. Эти требования весьма жестки и трудно реализуемы.

Важное значение имеет точность восстановления уровня и фазы поднесущей частоты при приеме. При расхождении фаз поднесущей на Δϕ

При отклонении фазы поднесущей в приемнике на 11° от фазы поднесущей исходного ПМК ап=40 дБ, а при отклонении на 20° ап = 30 дБ. При Δϕ = 90° ап = 0, т. е. передача становится монофонической. Чтобы получить ап = 30 дБ, точность восстановления уровня поднесущей должна составлять примерно 0,5 дБ.

Довольно жесткие требования предъявляются к стабильности коэффициентов передачи сквозных каналов Л и П. Расхождение коэффициентов передачи на 1 дБ приводит к смещению кажущегося источника звука на 6°, расхождение на 2 дБ - к смещению почти на 15° и т. д. Поддержание равенства коэффициентов передачи и их стабильности во времени - сложная техническая задача.

Большие трудности возникают из-за подавления и последующего восстановления уровня поднесущей частоты. Резкое изменение АЧХ в области поднесущей частоты (см. рис. 10б) приводит к столь же резким отклонениям ФЧХ от линейного закона, поскольку в основе первого и второго явления лежит одна и та же причина - сильное влияние реактивных элементов цепей подавления и восстановления уровня поднесущей частоты. Добиться точной компенсации возникших фазо-частотных искажении невозможно, и это приводит к нежелательным фазовым сдвигам сигналов Л и П в области частот, близкой к fп.

Несмотря на отмеченные сложности, система с полярной модуляцией выдержала испытание временем, и область ее применения расширяется, а многочисленные усовершенствования сделали ее конкурентоспособной в соревновании с другими системами. Несомненным преимуществом системы с полярной модуляцией по сравнению с другими системами является простота ее внедрения в телевизионное вещание ввиду рационального выбора поднесущей частоты.

1.2.3 Система с пилот-тоном

Как уже указывалось, главным отличием системы с пилот-тоном от системы с полярной модуляцией является практически полное подавление поднесущей частоты. Для ее восстановления передается пилот-тон. Он располагается в области частот между низкочастотной и высокочастотной частями спектра модулирующих частот (см. рис. 11в). Чтобы разместить пилот-тон и облегчить его выделение в радиоприемнике, высокочастотную часть спектра пришлось сместить вправо по оси частот. Соответственно увеличилась и поднесущая частота. Увеличение верхней границы спектра модулирующих частот повлекло за собой заметное расширение спектра частотно-модулированных колебаний. Полоса частот, занимаемая спектром системы с пилот-тоном, по разным оценкам составляет 190... 266 кГц против 140 ... 190Гц для системы с полярной модуляцией. Структурные схемы передающей и приемной частей системы с пилот-тоном представлены рис.13. Как и в системе с полярной модуляцией, исходные сигналы П и Л для повышения помехозащищенности подвергаются предыскажениям с помощью RС-цепи. Ее постоянная времени 75 мкс вместо 50 мкс в системе с полярной модуляцией, поэтому подъем АЧХ на частоте 10 кГц составляет 13,3 дБ, на частоте 15 кГц - 16,7 дБ вместо соответственно 10,3 и 13,6 дБ в системе с полярной модуляцией. Далее производится суммарно-разностное преобразование в СРП. Разностный сигнал S = Л’- П‘ с помощью балансного модулятора Бм смещается в область более высоких частот и в сумматоре Σ смешивается с сигналом М=Л’+П' и пилот-тоном с частотой fпт=19 кГц, вырабатываемой генератором Г. От этого же генератора пилот-тон подается на удвоитель частоты Удв и далее с частотой fп = 38 кГц на балансный модулятор БМ.

Рис.13 Структурная схема передающей (а) и приемной (б) частей системы с пилот-тоном

Выражение для КСС можно представить в виде:

где kUm - амплитуда пилот-тона (k<1); остальные обозначения имеют тот же смысл, что и в предыдущем параграфе.

Рис.14 Развернутая структурная схема стереодекодера с фазовой автоподстройкой частоты и синхронным детектированием разностного сигнала в системе с пилот-тоном (вместо ПК следует читать ВК )

Декодирование сигналов в системе с пилот-тоном производится с помощью стереодекодера, схема которого изображена на рис. 14. Рассматриваемый стереодекодер действует по ключевому принципу. В нем используется фазовая автоподстройка частоты ФАПЧ. В ее схему входят управляемый генератор прямоугольных импульсов УГ с частотой 76 кГц, первый и второй делители частоты ДЧ1 и ДЧ2, уменьшающие частоту УГ соответственно до 38 и 19 кГц, фазовый детектор ФД и фильтр нижних частот ФНЧ. В фазовом детекторе частота пилот-тона, входящего в состав КСС, сравнивается с частотой 19 кГц, полученной в результате деления частоты 76 кГц, вырабатываемой УГ. Если частота пилот-тона лежит в полосе захвата ФАПЧ, то на выходе ФНЧ появится управляющее напряжение Еу, воздействующее на частоту УГ. В режиме синхронизации частоты УГ и пилот-тона равны, а их фазы отличаются на 90°. Чтобы исключить влияние на режим захвата составляющих КСС, лежащих близко к пилот-тону, полоса захвата ФАПЧ должна быть существенно уже ширины промежутка между надтональной и тональной частями спектра КСС, т. е. уже 23-15=8 кГц. Обычно ширина захвата составляет 2... 3 кГц.

Напряжение УГ, синхронизированное по частоте (Δω=0) и фазе (Δϕ =π/2) с пилот-тоном, поступает на делитель частоты ДЧ1. В нем формируются две противофазные последовательности импульсов, каждая с частотой следования 38 кГц. Последовательность, противофазная с пилот-сигналом, поступает на делитель частоты ДЧ2. Последовательность прямоугольных импульсов с частотой следования 19 кГц на выходе ДЧ2 отличается по фазе в режиме синхронизации от пилот-тона на 90°. Последовательность прямоугольных импульсов, снимаемая со второго выхода ДЧ1 и синфазная с напряжением частоты 2fпт, поступает на один из входов синхронного детектора СД. На второй его вход через усилитель У1 подается КСС. В синхронном детекторе оба сигнала перемножаются. В результате на его выходах образуются противофазные сигналы, низкочастотные части которых, равные Л'- П' и П'-Л', складываются в декодирующей матрице ДМ с КСС. Низкочастотная часть выходных сигналов ДМ представляет собой сигналы Л' и П’. После усилителей У2 оба сигнала поступают на цепи коррекции предыскажений, восстанавливающие исходный спектр сигналов П и Л.

Помимо устройства ФАПЧ, синхронного детектора, декодирующей матрицы и цепей коррекции предыскажений, в состав стереодекодера входит еще не показанное на схеме устройство опознавания режима работы передатчика («Моно» или «Стерео»), управляющее световым индикатором и переключающее декодер в режим «Моно», когда уровень помех при стереовоспроизведении становится недопустимо большим (аналогичные устройства имеются и в стереодекодерах системы с полярной модуляцией).

Параметры качества систем с полярной модуляцией и пилот-тоном практически одинаковы, но стереодекодер второй системы существенно сложнее стереодекодера первой.

1.2.4 Система с двойной частотной модуляцией

В Швеции была предложена система стереофонического радиовешания, в которой поднесущая частота модулируется не по амплитуде, а по частоте. Модулированная поднесущая затем модулирует по частоте несущую радиопередатчика. Эту систему часто называют системой с двойной ЧМ и обозначают ЧМ-ЧМ. Как и в других системах, сигналы П и Л подвергают суммарно-разностному преобразованию. Суммарный сигнал М передается обычным способом и принимается монофоническими приемниками. Разностный сигнал модулирует по частоте поднесущую 33,5 кГц (рис. 11г). Максимальная девиация частоты поднесущей составляет 10 кГц. Спектр ЧМ колебания теоретически бесконечен, но практически он может быть ограничен частотами 33,5+15 кГц. Для передачи сигнала М отведено 80% максимальной девиации частоты передатчика, для передачи сигнала частотно-модулированной поднесущей - 20%.

Отличительной чертой системы является сжатие динамического диапазона сигнала S. Коэффициент сжатия γсж=0,5, временные параметры сжимателя таковы; постоянная времени при нарастании сигнала 2 мс, при спаде сигнала - 20 мкс. Расширитель, находящийся в приемнике, восстанавливает исходный динамический диапазон, поэтому его коэффициент расширения γР=2, т. е. обратен у сжимателя. Применение частотной модуляции поднесущей и сжатие динамического диапазона существенно повышает помехоустойчивость канала S и переходное затухание между каналами. Благодаря этому система универсальна: вместо стереофонического сигнала можно передавать два независимых монофонических сигнала.

.3 СТЕРЕОФОНИЧЕСКИЕ РАДИОПРИЕМНИКИ

1.3.1 Структурная схема стереофонического радиоприемника

Для приема стереофонических сигналов предназначены разнообразные устройства: радиоприемники, радиолы, тюнеры. Радиолой называют сочетание радиоприемного и электропроигрывающего устройства. Тюнером называют радиоприемное устройство без оконечных усилителей звуковых частот и акустических систем. Тюнеры подключают к электрофонам и магнитофонам, снабжены названными выше блоками.

Типовая структурная схема стереофонического радиоприемника приведена на рис. 6.1. Как и в обычном монофоническом радиоприемнике, входной сигнал, принятый антенной, поступает сначала на блок УКВ (преселектор, усилитель высокой частоты УВЧ, преобразователь частоты), а затем на усилитель промежуточной частоты УПЧ и частотный детектор ЧД.

Рис.15 Типовая структурная схема стереофонического радиоприемника

Схема стереофонического радиоприемника отличается от монофонического тем, что после частотного детектора ЧД вводится стереодекодер СД, выделяющий из комплексного стереофонического сигнала КСС сигналы левого и правого стереоканалов. Эти сигналы поступают на двухканальный стереофонический усилитель звуковой частоты УЗЧ и на два громкоговорителя Гр.Л и Гр.П, а точнее - на две акустические системы. Стереоприемник имеет сдвоенные регуляторы громкости и тембров, а также регулятор стереобаланса.

В стереофонический радиоприемник обычно вводят индикатор наличия стереофонической передачи Ин. Радиослушатель определяет по индикатору, какая на данной частоте идет передача - монофоническая или стереофоническая. В том случае, когда по программе объявлена стереофоническая передача, в ней может быть до 30% монофонических фрагментов. Если радиослушатель, принимающий в диапазоне MB объявленную стереофоническую программу, обнаруживает на слух, что программа звучит как монофоническая, он по индикатору может определить, из-за чего это происходит: неисправен приемник или действительно передается монофонический фрагмент.

Стереофонический радиоприемник работает в иных условиях, чем монофонический. Прежде всего, при стереоприеме значительно увеличивается уровень шумов и помех, так как полоса пропускания у него более широкая, чем у монофонического приемника. В радиоприемнике предусматриваются меры для повышения помехозащищенности.

Шумы в приемнике представляют собой сумму атмосферных, промышленных, космических шумов, шумов антенны и внутренних шумов самого приемника. Составляющая шума на выходе частотного детектора тем больше, чем дальше она отстоит по частоте от несущей.

Большое значение при стереоприеме имеет выбор приемной антенны. Применение многоэлементной направленной антенны существенно увеличивает принимаемый полезный сигнал и, следовательно, улучшает отношение сигнал-помеха. Уменьшению шумов способствует подавление паразитной AM в тракте приемника. В монофонических радиоприемниках подавление AM проверяется только на одной частоте модуляции 1 кГц. В стереофонических радиоприемниках подавление AM должно осуществляться и проверяться во всем диапазоне модулирующих частот КСС до 46,25(53) кГц.

Стереофонический радиоприемник должен принимать и детектировать без искажений ЧМ-колебания в широкой полосе частот, более чем втрое шире полосы модулирующих частот монофонического сигнала. Это предъявляет особые требования к характеристикам усилителя промежуточной частоты и частотного детектора радиоприемника.

Для уменьшения шумов при приеме стереофонических программ во многих странах применяется система шумоподавления «Дол-би-Б». Принцип действия этой системы заключается в том, что в тракте радиопередатчика включается сжиматель (компрессор), который поднимает уровни слабых сигналов и, таким образом, «отрывает» их от уровня шумов радиоканала, а в тракте радиоприемника включается расширитель (экспандер), восстанавливающий исходный сигнал.

1.3.2 Высокочастотный тракт стереофонического радиоприемника

Радиотракт приемника, предназначенного для приема радиостанций диапазона MB ЧМ, рассчитан на работу в диапазоне частот 66... 74, 88-108 МГц. Более широкая полоса пропускания радиотракта достигается уменьшением добротности контуров. При двух настраиваемых контурах в этом тракте с добротностью Q = 50 полоса пропускания УВЧ составляет 1,4 МГц, поэтому амплитудно- и фазо-частотные характеристики радиоприемника определяются в основном избирательными элементами тракта промежуточной частоты.