作為Hi-Fi器材之一的FM調諧器,隨著日新月異的電路技術之改進,其性能亦和放大器、唱盤、錄音座等器材般的在進步,只不過這些電路技術不像超級伺服、動態A類、串級放大等放大器術語那麼耳熟能詳。因此,筆者特選其中兩項重要技術推介給讀者諸君認識,其一為「Pulse Count Detector(脈波計數式檢波器)」,另一為「Sample-and-Hold MPX Decoder(斷續取樣式立體聲解調)」,很巧的是這兩個新技術都是由日本TRIO-Kenwood公司所推展及研究出來的。
一、Pulse Count Detector
在一部FM調諧器中,中放級與檢波器可說是最重要且影響整個性能最大的電路,這兩部分在目前通常被設計在一個IC的包裝內,可見得其重要性及關切性。提起檢波電路最具代表性的要算是比率檢波及福斯特˙希利檢波兩種方式了(見圖1)。這兩種檢波方式對FM波的影響都成為S形曲線(見圖2),使解調後的訊號有非線性失真在內,且對溫度、溼度的穩定度都不佳,使失真更形增加。
此後Mr. Travis Smith發展出「雙調諧式檢波器」,但仍脫離不了多個調諧電路的需要。爾後有McIntosh廠所發表的遲延線式橋式檢波,利用定長度的同軸電纜短路與開路的阻抗特性來檢波,缺點是電路過於複雜。直至積體電路技術精進以後,單晶片電路技術已能製造出各種功能的電路,性能很接近理想,利用這些條件,RCA首先發展出包含中頻放大及FM檢波的單片IC,編號CA3089,其中的檢波方式稱為Quadrature(譯為「正交檢波」)是利用三組差動放大器構成,靠著差動放大器只放大兩輸入訊號差的特性,檢出FM波中相位的變化。隨後各大半導體廠也都有類似的產品,由於它只用了一組調諧電路,調整簡便,生產線上著實省下不少時間,這種IC也風行了一陣子。(附註:RCA廠現有改良品種,編號CA3189)。屬於較新的檢波方式則是「相鎖環路」(PLL:Phase-Lock-Loop)及脈波計數式解調,PLL電路是直接把10.7MHz的FM中頻輸入相鎖環路中,使VCO去追蹤它,然後把控制VCO的電壓取去,就是調制在FM中頻裡的音頻訊號了,這種方式處理的頻率較高,要達到理想的性能必須付出較大成本,因此尙未能普遍化。脈冲計數式解調法可說是截至目前為止最好的方法了。
雖然美國的Heath Kit及Fisher產品中亦曾使用過Pulse Count方式的FM解調,但當時的電路是以10.7MHz的中頻直接去觸發單穩態電路,由於頻率太高,解調後的S/N僅得65分貝(但仍比其他方式好),TRIO-Kenwood的方式是先把中頻訊號差頻一次,得出1.964MHz的第二中頻,頻率降低以後各種電路的性能就能工作得很好,結果S/N比高達84分貝,以下是其工作原理:
圖(3)是脈波計數式FM解條的構成方塊圖,中頻先經限幅放大器之後,變成FM方波,然後將之轉變為觸發波去觸發單安定電路,使之變成等幅不等距的方波列,通過低通濾波器(即積分器)之後就可以把原來調制的音頻檢出了。
圖(4)說明各部的波形變化情況,X波形為調制的音頻訊號,Y為載波波形(限幅後成為方波),X在Y上以FM調變之後成為A波形(A~D請參照(3)圖),即中頻波形,利用這個正負半週都等距的方波上升緣去觸發一個電路,使產生出一定脈波寬但不等距的負性窄脈波(B波形),再利用這個負向脈波為觸發源去觸發一個單安定電路,使產生等波寬但不等距的脈波列(C波形),只要把這方波列積分即可得到其平均值,變成D的波形,亦即原來的調至訊號。由於這種方式的解調不會在S曲線上產生非線性部分,檢波出來的音頻失真非常低,而且整個電路中沒有一個必須調整的零件,這是它的最大特點。
唯一的缺點是方波波形的上下緣容易產生瞬間效應,使S/N比下降,TRIO-Kenwood的改善法,如圖(5)所示,在中頻放大級與限幅級之間加上第二個本地振盪,頻率為8.736MHz,以差頻法產生出1.96MHz的第二中頻,以這種低頻率的第二中頻去實施Pulse Count的解調,因為波形的調變度已增大,使檢波之效率大大提高,而改善了S/N比,實際的結果在單音時S/N為84分貝,立體聲時為80分貝。使用這種檢波的機型有KT-9700及KT-8000,TRIO-Kenwood為使這種方式的檢波性能更提升,還特別開發了一種專用的IC,編號TR-4010使用在KT-9900,KT-815,KT-917,L-01T,L-07T II的調諧器中。
二、Sample and Hold MPX
記得最早的立體聲解調電路是使用調諧電路的方式,而且效果並不佳,直到PLL電路製成IC之後,立體解條的性能才算有了進步,當時最具代表性的要算是Motorola的MC1310及RCA的CA3090Q,前者的VCO頻率適用半固定電阻調整,後者是用一個1mH的電感來調整,雖然線圈麻煩些,但後者的性能較佳,後來PLL電陸續有更新更高性能的IC出現,這算是MPX電路之主流。這個方法是利用19KHz的導引訊號來指揮VCO,使產生同相位的38KHz方波,用以控制解碼的矩陣開關,由於這個方波是與38KHz的副載波是等寬的,因此只要方波稍有延遲,就會使開關的動作變得不乾脆,無法把兩聲道的訊號完全分離開來,而使得兩聲道的串音增加。TRIO-Kenwood的方式是先把已受同步的38KHz方波變成窄幅的尖脈波,利用這窄脈波去控制開關,使得開關的動作更確實。
圖(6)是其方塊系統圖,圖(7)則表示波形間的關係,最上波形為複合訊號,次之為同相位的方波(PLL電路所產生),接著兩個脈波分別對應於方波的正負半週之中央,是利用方波整形而來,用以控制解碼開關,脈衝相位設定再方波的中央是當電路使這脈波有左右偏移時,亦不會超出其應該動作的範圍,確保開關動作之確實,以得到較高的分離度。隨後接著一組取樣電路把左右音頻訊號變成對應的階梯波(利用Sample and Hold電路行之,此種方式的解調亦因之而得名),經過積分電路隻後即把左右聲道訊號原原本本的重現出來(圖(7)最下兩波形中之虛線)。
照片說明普通解碼器與S.H. MPX解碼器之結果,照片(1)是一般解碼器的情況,最上波刑事複合訊號,中下分別是左、右聲道之輸出波形,照片(2)是S.H. MPX的解調波形,左右聲道的輸出訊號中完全沒有相鄰聲道的訊號在內,立體聲分離度50Hz~10KHz時50分貝,1KHz時為60分貝,15KHz時為40分貝,幾乎是這種解調方式所能得到的極限值了。使用這種方式的機種有KT-917。
其他的廠商在MPX方面的努力也不遺餘力,像Hitachi的HA-11223也是個高性能的MPX IC,Pioneer也有專用IC,編號PA-1001A,Yamaha自己開發的MPX專用IC是IG-02920。由此可見FM這個訊號源愈來愈受重視,音質的要求也愈來愈高。日本的FM電台不但多而且素質高,像國營的NHK電台甚至常有音樂會的現場轉播,國內的FM電台要追上這個水準,恐怕還要假以相當的時日。
轉載音響技術第62期FEB. 1981 日新月異/FM調諧器的新技術/莊 仲
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