调频收音机的鉴频原理和频偏机理

要想彻底搞懂频偏的形成机理,必须先从鉴频器原理说起.

常见的鉴频器及工作原理

习惯上人们把调幅信号解调叫做检波,把调频信号的解调过程叫做频率检波或者鉴频.无论是检波还是鉴频,最终目的都是将幅度或者频率的变化转换成电压的变化.以超外差调频收音机为例,最常见的两种鉴频方式为比例鉴频和正交相位鉴频,前者多见于分立元件机,或者早期的中放集成电路机,或者多用于带鉴频的集成电路.比例鉴频器是由鉴频线圈以及外围的二极管和阻容元件组成,图中就是典型的比例鉴频器,通常由两只紧靠在一起的中周外形的线圈,两只配对的二极管,若干电阻和一只10uf左右的电容组成.比例鉴频器的基本原理是将调频波转换为调幅,再利用二极管做传统的包络检波,具体原理分析得用到数学模型了,爱好者没必要深究了.比例鉴频电路从50,60年代就有了,之所以沿用至今,主要是由于其自带限幅特性,而且通频带宽失真小,自带限幅特性可以省去了单独的限幅电路,中频电路变得更简单节约了成本,不过由于它的两根二极管为串联关系,因此输出电压略小.

早期集成电路功能还比较单一,只是单纯的中频放大,没有鉴频功能,例如μpc1018C.随着技术进步,电路规模扩大,鉴频功能也可以被整合到芯片内部,从而大大减少了外围元件,而且鉴频失真小性能更好.几乎所有的集成电路鉴频都属于相位正交鉴频,而差分放大器是集成电路的基本电路单元可以用来做混频器,因此集成电路鉴频又多为双平衡正交鉴频,它的优势跟变频级的平衡混频器类似,可以更好的隔离输入与输出,减小有害干扰进入下一级.集成块鉴频电路外围只保留LC移相带通‬网络,也就是通常说的鉴频中周或者10.7Mhz鉴频晶振.所谓相位正交鉴频,其实跟平衡‬混频‬器‬道理类似,中频信号经过限幅后进入混频器,与另一句路‬被限幅并‬移相后的中频信号一起混频,混频的产物再经过低通滤波器滤除高频谐波干扰后就得到低频解调信号或者称作立体声复合信号.正交鉴频器的移相网络和低通滤波器是鉴频器的核心部分,它很大程度决定着鉴频器的性能,以至于影响整机的失真度,信噪比等重要指标.LC移相带通网络谐振中心频率为中频频率10.7Mhz,中频信号是以10.7Mhz为中心频率的频带,相移网络就是将这种以10.7为中心的瞬时频偏转换为相位变化,这个相位变化量与频率偏移量是成‬线性关系,这一点是至关重要的,很大程度影响鉴频器的性能.移相网络的LC谐振又‬分为单调谐,双调谐和陶瓷振子.无论哪种形式的移相网络,原理都是利用谐振网络对不同瞬时频率下呈现的不同特性来工作的,10.7Mhz左右的通频带内,依照‬瞬时‬频率‬不同‬，LC回路会呈容性,阻性或‬感性,所以‬相移特性是不同的.其实‬三种LC移相网络形式的本质并没有区别,但是性能是有区别的.单调谐鉴频中周和陶瓷振子最‬简单‬也‬最多见,陶瓷振子非常廉价而且免调试,后期机器非常普及.然而相对于单调谐LC鉴频,它的谐振曲线‬比较尖锐,线性范围没有传统LC宽,所以不得不加以电路上的修正.因此很多爱好者还是更喜欢传统LC鉴频中周多一些，中周‬还有‬一个‬好处‬就是‬可以‬微调‬，为什么‬需要‬微调‬，下文‬会‬分析‬.双调谐的鉴频中周多见于收音头等高端电路,例如三洋LA1235,LA1266等芯片多搭配有双调谐鉴频中周,双调谐鉴频有更宽的线性范围,带来更小的失真,但是成本高些,调整麻烦,必须‬借助扫频仪才能‬调到‬最佳‬状态.

鉴频器S曲线的解读

鉴频器的功能是将调频波(也就是中频)的瞬时频率变化转化为音频电平变化也就是将广播信号还原出来的过程.这个变化关系可以用鉴频器的频率特性来描绘,也就是常说的S曲线.它的横轴是中频带内的瞬时频率变化,横轴是输出的音频电平平均值.通常中频带的中心频率是10.7曲线的形状呈大致奇对称,中心应该严格与中频的10.7Mhz对应.曲线的中间部分应该尽可能接近直线,并且尽可能长,一定要大于中频带宽,并且有足够裕量,表示鉴频器的线性度好,失真小动态大.直线段的斜率尽可能大,表示鉴频增益大灵敏度高.鉴频器特性和中频的失真和群延时等特性共同决定着收音机的声音品质和信噪比水平,有至关重要的作用.

LA1235的鉴频S曲线

频偏的形成机理

鉴频器组成形式多样,有分立元件比例鉴频,单调谐移相正交鉴频,双调谐移相正交鉴频,晶振移相正交鉴频,脉冲鉴频(如雅佳93)等.正交鉴频是数调机最常用的解调方式.以数调收音机或者收音头电路为例,最常见的故障就是频偏或者立体声解调灯不亮甚至静噪无声,原因大多都是因为鉴频器中心频率偏离了10.7Mhz,或者鉴频灵敏度增益过低,导致立体声解调不亮或者电平低于静噪电路关闭阈值.下图将中频带与鉴频器S曲线画到一起,可以看出在理想状态下,鉴频曲线的直线段频率应该对称覆盖中频带并留有余量,中频带中心应该与鉴频器中心频率严格重合,这样整个系统才不会有频偏,失真度最小和最大的频偏宽容度.多数情况下,调频收音机的中频通道通常都是中周耦合或者陶瓷滤波器耦合,基本比较稳定,中周耦合的故障率略高一些,通常都是因为中周槽路瓷管电容氧化导致谐振中心偏移或者谐振效率降低,导致信号衰减,重新调整中周或者更换瓷管电容后都可以恢复.当然陶瓷滤波器也有失效的情况,表现为插入损耗增大甚至断路,但是这属于极少数情况.相比之下,鉴频器的故障率就更高.但是无论哪种原因,以上问题现象都可以从S曲线和中频频带关系上得到解释.

还是以数调机为例,本振频率是被锁相环严格跟踪控制的,电路自身发生漂移导致频偏的可能性几乎没有,频偏的根本原因在于中频带与鉴频S曲线之间的匹配偏差.要实现准确无失真解调广播信息,中频带必须位于鉴频曲线的直线区间内,并且中频中心频率与鉴频器的中心频率必须严格吻合于10.7Mhz.以典型的采用陶瓷中频滤波器和陶瓷鉴频振子的单片集成电路机为例,由于元件之间存在天然的离散型,严格来说,中频滤波器与鉴频振子是应该筛选配对再使用的,否则各自的谐振中心频率会或多或少的偏离10.7mhz.在一个偏左,一个偏右的极端情况下,就会影响到自动调谐的停台准确性了.因为很多数调机是利用鉴频输出电平为0的特性来做MCU的停台信号或者AFC信号的,MCU会不停的改变本振频率直到检测到0电平.可惜筛选配对的工作非常繁琐,会显著增加生产成本,实际情况是很多小厂根本做不到,只能保证使用同品牌的产品,同批次的可能都做不到.有兴趣的朋友可以翻阅一下索尼的维修手册,索尼把中频滤波器和鉴频晶振作为一个维修套件提供要求同时更换,正是出于这个考虑.假设机器在出厂时候元件都经过筛选配对,是不是就不会有频偏了呢?答案也是否定的.因为机器经过多年使用后,电路板和元件都会有些衰减,例如潮气的影响,氧化作用等,使得固有谐振中心发生偏移而导致频偏.可以想象一种典型情形,在鉴频输出为0的时候,如果此时对应的鉴频中心频率或者中频中心频率向左或者向右偏移0.1Mhz,即为10.6或者10.8,而频率显示的设计是按照标准10.7中频来设计的,即显示频率=本振-10.7,如果此时满足停台条件实际需要的中频是10.6或者10.8,那么本振必须大于或者小于标准值,显示频率当然就会比标准电台频率偏大或者偏小0.1Mhz,也就产生了所谓的频偏.

频偏会带来哪些不良影响?

频偏首先影响的是用户的心情,尤其是对于有强迫症的用户,对于哪怕0.05的频偏都会耿耿于怀无法忍受.除此之外,更重要的是频偏还会影响电性能指标,例如解调失真度和调频头的接收状态.

对声音解调的影响。对解调的影响分两种情况,还是以数调机为例,假如中频滤波器和鉴频振子的中心频率都往一侧偏移,那么中频频带与鉴频曲线基本还是相对居中的,大体可以覆盖S曲线的直线段,对解调和音质影响不大,那么这种频偏只会影响数字频率显示的准确性.第二种情况,也是最常见的,就是中频大致准确,而鉴频中心发生了偏移,如果鉴频器线性区域不足够大,这时候中频带边缘可能已经处于S曲线直线段的边缘甚至部分超出了直线段,失真度就会大大变差.对于手调机来说,你会发现调准一个电台非常困难,稍微一碰调谐旋钮,台就错过了.对于鉴频中心准确,但中频发生偏移的情况并不多见,但是也有,究其原因除了中频滤波器自身变劣,另一个原因是板子受潮或者周边贴片电容变质等,要具体分析.

对接收灵敏度和选择性的影响。数调机的锁相环输出的调谐电压VT,是同时作用于本振和高频头的,而高频头多为2连甚至3连调谐,统调是很严格的.假如中放和鉴频级有频偏,意味着锁相环给出的VT电压会高于或者低于设计标准值,这个电压对于高频头来说也是不标准的,所以导致高频头尤其是高放部分失谐而影响灵敏度选择性.由于一般的频偏都是很微小,VT的偏差也不会很大,因此灵敏度选择性影响并不大,但是理论上是有影响的,尤其是邻频选择性.

对立体声解调的影响。立体声复合信号由于含有导频信号,因此所需带宽是高于单声道信号的,这意味着中频带与鉴频曲线的配合要求更高.当发生频偏的时候,中频带的边缘部分更容易进入S曲线的非直线段,意味着高频部分更容易发生失真,最先受影响的就是19Khz导频.导频发生失真后,立体声解调电路会不容易捕捉甚至无法捕捉,也就没法开启立体声了或者立体声信噪比很差,有嘶嘶的噪声.还有一种情形是鉴频器衰减严重,增益不够,输出电平低于某个阈值,无法满足立体声解调条件,有静噪电路的机器会无法关闭静噪,因此会在有台的时候反而没有任何声音.

常见机型如何维修?

常见的鉴频器有分立元件比例鉴频器,正交鉴频集成电路用的单调谐鉴频中周,双调谐鉴频中周和陶瓷振子.对于分立元件机,从变频级负载中周到比例鉴频级所有的中周一旦发生槽路瓷管电容氧化将导致该级的谐振中心偏移,或者Q值下降谐振效率大大降低,使得鉴频器输入电平低过低,加上比例鉴频器输出电平天然就比较低,因此这种情况下声音会变小或者彻底没有声音,也就不用谈立体声解调了.需要重新调整各个中周以及鉴频中周,或者更换瓷管电容(详见飞利浦1835/1875电路分析‬和‬打理维修一文).

对于数调机,在没有‬扫频仪‬的‬情况下‬要‬纠正‬频偏‬需要更换配对‬的‬陶瓷滤波器和鉴频振子,或者‬尝试‬更换‬其中‬一个‬，多次‬尝试‬找到‬最合适‬的，这个‬过程‬比较‬痛苦‬，更换时候要注意色点,常用的都是红色色点表示中心频率为10.7mhz.不同品牌滤波器型号命名比较混乱,常见带宽值有180K,230K,280K等,具体需要查手册了,更换时候尽量使用同品牌同批次的,也可以‬通过在‬振子‬上‬‬串并联电容来‬修正‬谐振‬频率‬，这个‬也要‬视‬具体‬情况‬而定‬，我倒是‬有过‬成功‬的案例‬，证明可行‬‬.单调谐‬鉴频中周‬比较‬容易‬调‬，只要‬调到‬电台‬标准‬频率‬时候‬声音‬最好‬，并且‬左右‬故意‬偏‬调‬0.1时候‬效果‬对称‬就‬可以‬了‬。值得‬一提‬的‬是‬，有些‬机器‬可以‬通过‬UI操作‬实现‬自动‬校正‬频偏‬，这种‬只是‬障眼法‬，改变‬的‬只是‬MCU的‬分频‬计数器‬，使得‬本振‬计算‬故意‬显得‬正确‬，因为‬物理‬器件‬的偏差‬用‬软件‬是‬无论如何‬都‬无法‬修正‬的‬，朋友‬可以‬自己‬想想‬这个‬做法‬妥协‬了‬什么‬。

双调谐鉴频线圈多见于收音头或者高端收音机.如果有声音小或者立体声异常,可以先尝试调节靠近芯片的那个鉴频线圈,它直接影响鉴频谐振中心频率,比较关键.如果能恢复正常‬,再适当调节另一个鉴频线圈,它不影响谐振频率但是影响曲线的形状,这个调节必须配合扫频仪,因为耳朵几乎听不出来区别的.

配对更换滤波器

用鉴频器调双调谐鉴频线圈

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