調幅廣播發(fā)射機音頻加工原理

張彥文

【摘 要】本文介紹了廣播發(fā)射系統(tǒng)中，節(jié)目源模擬音頻信號加工的概念、音頻加工的方式及音頻加工的主要技術問題。闡明了模擬信號的音頻加工在實現(xiàn)高調幅與高質量之間的矛盾，對模擬音頻處理的系統(tǒng)設計以及音頻處理器的使用維護都具有重要的理論指導意義。

【關鍵詞】調幅廣播；音頻加工；調幅度；邊帶功率

0 前言

調幅廣播發(fā)射機系統(tǒng)中，作為調制信號源的音頻信號，必須經(jīng)過壓縮、限幅、頻率均衡、和相位加工等加工處理，才能防止調幅廣播發(fā)射機工作時出現(xiàn)過調幅導致設備工作狀態(tài)不穩(wěn)定損壞元器件，同時更重要的是可以提高廣播節(jié)目的收聽響度，有效改善廣播節(jié)目的播出質量。

1 音頻加工的概念

根據(jù)調幅廣播發(fā)射的理論可知，調幅廣播發(fā)射機的發(fā)射功率P由兩部分組成如（式1），其中載波功率為Pc，邊帶功率為Pc，m為發(fā)射調幅度。

從（式1）中可以看到，僅當m =1，即100%調幅時，邊帶功率最大，量值為載波功率的二分之一。而邊帶功率卻包含著廣播發(fā)射所要傳遞的全部音頻信息。因此提高邊帶功率是提高廣播節(jié)目的收聽響度，改善廣播節(jié)目播出質量的關鍵因素。

在實際中，音頻節(jié)目信號中的大多數(shù)電平的幅度都處于低幅度的狀態(tài)，只有很少量的幅值電平能達到100%調幅。而一般的語言、音樂廣播節(jié)目源中，其音頻信號的頻率和幅度都是隨機變化的，因此對調幅度指標的衡量必須采用平均調幅度的概念。其定義為在一定時間內音頻節(jié)目信號調制載波所產(chǎn)生的平均邊帶功率與在同一時間內使用單一音頻信號調制同一載波所產(chǎn)生的邊帶功率相同，則該單一音頻信號調幅度即為此時間內該音頻節(jié)目信號的平均調幅度。

實驗得到的數(shù)據(jù)是，我國男女聲新聞語言類節(jié)目平均調幅度為18%，一般音樂節(jié)目為25%，同時相應的平均邊帶功率僅為載波功率的2%～3%，這表明即使有很大的載波功率，而傳遞包含音頻信息的載波功率卻很小，發(fā)射設備轉化能量能力的效率太低。

因此，音頻加工的概念就是如何對音頻節(jié)目源信號進行加工，提高音頻信號平均調幅度，從而提升發(fā)射機的平均邊帶功率，提高廣播節(jié)目的收聽響度，改善廣播節(jié)目播出質量，從而也提高發(fā)射機的能量轉化效率。

由上文可知，在廣播發(fā)送系統(tǒng)中，在一定的信號發(fā)射及節(jié)目接收條件下，決定廣播節(jié)目的覆蓋范圍，收聽響度等廣播效果的因素為發(fā)射波的平均邊邊帶功率，即取決于發(fā)射系統(tǒng)的平均調幅度，而瞬時功率的100%調幅不起決定性作用。那么平均調幅度取決于什么呢？平均調幅度取決于音頻節(jié)目源信號的動態(tài)范圍（所謂信號動態(tài)范圍就是節(jié)目信號中最大信號電平值與最小電平值之比，一般用分貝表示），一般的信號動態(tài)范圍越大，其所達到的平均調幅度就越小。

要實現(xiàn)充分利用發(fā)射系統(tǒng)的邊帶功率，提高平均調幅度，就是要把調制信號源的最高電平與發(fā)射系統(tǒng)的100%調幅對應起來。實際的統(tǒng)計分析中語言節(jié)目的動態(tài)范圍為30～40dB，音樂節(jié)目為70～80dB，在錄制后其動態(tài)范圍大約為50～60dB，并且信號中大部分電平是集中在動態(tài)范圍為的中間區(qū)域。如果將電平集中的中間區(qū)域與發(fā)射系統(tǒng)的100%調幅對應起來，那么高于這個區(qū)域的電平就會引起發(fā)射系統(tǒng)的過調幅，引起設備工作狀態(tài)不穩(wěn)定甚至損壞設備，而低于這段區(qū)域的電平信號又會使發(fā)射系統(tǒng)調幅度過低而使邊帶波利用率太低。

因此，單一的音頻加工就是將音頻節(jié)目信號源的動態(tài)范圍進行壓縮，用以提高平均邊帶功率，改善廣播的播出效果。當然，一個節(jié)目原有的動態(tài)范圍被改變了，節(jié)目的音質就收到了損害，因而這樣的音頻加工在提高平均調幅度，提高邊帶功率的同時也就犧牲了一部分節(jié)目信號的音質。

盡可能地減小音頻加工所附加的非線性失真，一直是人們所追求的主要目標。隨著現(xiàn)代音頻加工技術的發(fā)展，現(xiàn)在高品質的音頻加工設備， 不再是單純對音頻信號的壓縮和限幅處理，提高廣播的收聽響度和防止發(fā)射機過調幅， 而且具有多種音頻處理功能從而提高了音頻節(jié)目源信號的音質效果，使原有的節(jié)目更加清晰動聽。因此，合理地選擇和使用音頻加工設備將會顯著地改善播出質量。音頻加工器已成為中、短波調幅廣播系統(tǒng)中不可缺少的重要設備。

2 音頻加工的方式

各種音頻加工器的電路結構雖然是多種多樣的，但音頻加工的基本方法可分為電平加工，能量加工，頻譜加工和相位加工等，先進的音頻加工設備，運用了其中多種方法，但都是力圖在提高聲音的響度和質量二者之間進行著折衷。

電平加工：電平加工就是對節(jié)目電平進行自動調整的加工。在實際中，由于節(jié)目信號源的電平浮動范圍比較大，如節(jié)目的動態(tài)范圍同樣都是50dB，但可以是-40～10dB，也可以是-20～30dB，輸出的節(jié)目信號源會因為節(jié)目不同而忽大忽小，造成過調幅或調幅度不足。因此通過電平加工可以使不同節(jié)目的電平在保持原有動態(tài)范圍的情況下保持穩(wěn)定。如果依靠人來對此進行調整的控制，那是很難實現(xiàn)的。電平加工一般采用自動增益控制（AGC）原理，其增益壓縮和擴大的時間常數(shù)（即實行對電平壓縮的時間和恢復時間）選擇是個關鍵的復雜問題。復雜的電平加工，時間常數(shù)的選擇是根據(jù)節(jié)目內容，參照心理聲學原理由特定的定時組件或模擬計算機來控制實現(xiàn)。

能量加工：能量加工就是對節(jié)目源信號進行簡單的電平加工，有壓縮（自動增益控制）和限幅（削波）兩種基本形式，其主要作用就是壓縮節(jié)目電平的動態(tài)范圍，增加音頻信號電平的密度，從而提高發(fā)射機邊帶波的能量。在傳統(tǒng)經(jīng)典的音頻加工技術中，當對節(jié)目信號源進行壓縮或限幅時，一般會產(chǎn)生附加非線性失真，因此能量加工處理過程中一定要考慮消除這個附加失真。當然對于調幅發(fā)射技術，邊帶信號包含著重要的傳輸信息，所以提高平均邊帶波即聲音響度，仍是首先要考慮的。

相位加工：在實際中語言和音樂節(jié)目源的波形一般是非對稱的，這是由于基波和某些諧波的正峰或負峰作用比較集中合成的結果。相位加工就是通過人為的改變節(jié)目信號中各頻率成份原有的相位關系的方法，對原有頻率相位進行而重新安排，并稱之為移相。因此移相加工可以改變節(jié)目信號波形的不對稱性，減少這種不對稱性所產(chǎn)生的高峰，以有利于提高平均調幅度，使節(jié)目的播出效果更佳清晰和響亮。相位加工通常是利用具有特定相位特性的移相器實現(xiàn)移相的。移相器可有多級全通濾波器組成，也可有幾個獨立單元的移相器組成。

頻譜加工頻：頻譜加工就是人為改變音頻信號原有的頻譜結構，完成發(fā)射通路中某一環(huán)節(jié)頻率特性的預校正。頻譜加工的原理方式就是在音頻通路中，加入均衡網(wǎng)絡。一般可使用LC網(wǎng)絡、有源濾波器等。

3 音頻加工的主要技術問題

在現(xiàn)有的模擬式調幅廣播系統(tǒng)中， 采用音頻加工設備，改進廣播發(fā)射機的音質和提高聲音響度，常用多種模擬式音頻加工設備，如壓縮式限制放大器；削波式音頻加工器（梯調）和射頻削波器等。主要用以下主要技術特性衡量它們的性能：

動作時間：由于節(jié)目信號源的電平浮動范圍比較大，在對節(jié)目電平進行自動調整的電平加工過程中，當節(jié)目源中特高電平、大信號到來時，音頻電平加工的自動調整系統(tǒng)啟動電平控制所需要的時間就是系統(tǒng)的動作時間。這個時間越短、系統(tǒng)反應越快當然越好，這樣避免了長時間的大信號對發(fā)射系統(tǒng)造成沖擊而引起發(fā)射機的過荷。但是，如果這個動作時間過短，信號的控制增益過于迅速突變，則會造成節(jié)目的收聽失真。一般的動作時間小于1ms。

恢復時間：恢復時間就是在動作時間啟動，自動增益控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動音頻的電平加工調整之后，增益恢復到原有增益所需的時間。恢復時間過長，那么緊隨大信號之后的小信號就會處于低增益狀態(tài)，嚴重影響發(fā)射機平均邊帶功率的提高；如果恢復時間過短，系統(tǒng)自動增益變化劇烈，音頻信號在大信號過去之后將迅速恢復，這將會造成節(jié)目失真，破壞節(jié)目的動聽度和某些藝術效果。因此恢復時間常數(shù)的選擇對于提高平均調幅度的保證節(jié)目質量是矛盾的。為了兼顧提高平均調幅度和保證節(jié)目音質，恢復時間常數(shù)一般為0.5s。

附加音頻諧波失真的消除：音頻信號在經(jīng)過壓縮、限幅、頻率均衡、和相位加工等加工處理過程中，會產(chǎn)生附加音頻諧波失真，因此系統(tǒng)必須附加帶通濾波進行濾波處理，避免梯形波附加相移導致的發(fā)射機過調。

互調失真：由于系統(tǒng)采用射頻削波器單邊帶調制進行能量加工處理，所以在音頻信號加工的同時，必然就引入了附加的調制，有了附加的互調產(chǎn)物，從而引起節(jié)目音質下降，而且這種互調失真又不易去掉，的失真影響。因此互調失真對音頻加工系統(tǒng)的影響度也是系統(tǒng)的主要技術問題之一。

4 結束語

廣播發(fā)射系統(tǒng)中模擬音頻的加工與處理，使原有的音頻節(jié)目更加清晰動聽，很大程度上改善了廣播的播出質量，是中、短波調幅廣播系統(tǒng)中不可缺少的重要設備。當然要真正解決音頻處理的諸多問題，實現(xiàn)調幅廣播音質質的飛躍，還是要通過數(shù)字技術。

【參考文獻】

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