為AM立體化做準備──AM同步濾波器的理論與製作 @ 老音響資料庫/蘇桑部落格

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　　AM立體廣播後,並不代表聲音會改進,因為立體(Stereo)並不代表高傳真(High fidelity),對AM廣播而言,要立體而又要高傳真,那麼就必須改良傳統的波封檢波器,利用PLL做同步檢波可以使接收AM廣播的頻率響應更好更寬,因而失真就可大大地減小,於是AM立體高傳真的廣播便在你身邊出現。

同步檢波有那些優點?

　　AM的無線電廣播總有個缺點──低傳真,造成這個結果大可歸罪於使用二極體(波封)檢波器[diode(envelope)detection],它帶領來了各式各樣的失真,而使得音頻訊號的品質不佳,更惱人的是它對鄰近的突變雜訊照樣『拾取』來虐待主人。因為如此,再加上FM的抬頭,像是需要高度傳真的音樂等播送,好像都交棒給FM。

　　也由於一般存在的事實:大部分人都有個根深蒂固的觀念,調幅廣播媒介的傳真度低得可以,因為他們認為AM電台的頻道寬度只有10KHz;有些甚至限制在5KHz。但這一觀念是不正確的,事實上它可准許到與FM同大小的15KHz範圍,因為一般相近地區的AM電台通常規定其間廣播的頻率至少應差10KHz以上,以避免旁波帶的互相干擾(adjacent interference),況且AM有個主要優點是FM所不能及的:那就是在移動汽車上,收聽AM沒有多路反射的干擾,並且接收半徑也比FM大得多。可是大部分AM接收機仍然使用二極體的波封檢波器,加以使用狹窄的中頻濾波器,出來的聲音因高頻部分被去除掉了,當然聽起來就是有那麼一種『混濁』的感覺;況且二極體檢波器本身對訊號會有衰減,因而降低了S/N比,這也就造成更大的失真,而使得聲音聽起來更糟糕。

　　先進的AM接收機,已經使用較寬的中頻放大(註一)及同步檢波技術;前者改善了頻率響應,而後者使失真降低,這些失真的因素包括有:選擇性的降低、輕微的調台偏差、中頻調制過量、鄰近電台的干擾,或交互調變等。總之,PLL同步檢波可降低下列所述的失真:(1)二極體檢波所造成的超越量失真(Overshots distortion), (2)由於天波/地波的影響在頻道內所有頻率之接收訊號而有不同強度變化所造成之失真, (3)雙邊未對稱(像是未調到頻道中央或中頻濾波器未完全對稱(註二))所造成的失真, (5)突變及短時間之干擾所引起的脈衝雜訊(Impulse noise)亦能改善。

(註一): 這得在接收電台的上下鄰道頻率沒有存在其他電台造成干擾時才行,為了能適應這種情形,有的收音機有開關(Narrow, normal, wide)來選擇中頻的頻率響應。

(註二): 如果使用晶體或機械式濾波器(Crystallattice and mechanical)只能在設計及製造時避免『不對稱』的情形。而使用陶瓷濾波器(Ceramic filters)實測能夠手調至完全對稱。

同步檢波器與波封檢波器

　　下面所要介紹的一種同步檢波器是用來代替波封檢波器,只要是使用455KHz中頻的收音機都可以使用。電路本身包含有單波帶(SSB)的檢波,使得能排除鄰近電台的干擾,如果能配合寬頻帶的中頻使用,那麼你的AM接收音質便能與FM相匹敵。

　　通常同步檢波器是利用輸入的載波來恢復原來的調制訊號,既然它是追蹤輸入載波,因而可以大大去除雜訊及減少失真,而相鎖環路(PLL)是載波訊號重生的最佳方法,同步的再生載波經由乘積檢波器(Product detector)後,便可喚回原來的調制波。同步檢波的技術應用得很多,像解碼FM的左右聲道,彩色電視中的色訊解碼等。圖1是簡化的同步檢波器方塊流程(A)及一般的波封檢波器(B)。

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圖2是使用波封及同步兩種不同檢波器時,訊號輸出的狀況,圖2所示同步檢波器雖然頻率影響不很平坦,但卻是有很小的失真,而波封檢波器只能在載波訊號強大及上下波帶的振幅及相位都呈對稱時,才能有比較像樣的檢波。至於某些的雜波帶(DSB AM)、單波帶(SSB)、殘旁帶(VSB)、正交(Quadrature)等調制方式的AM廣播,就非得用同步檢波技術不可,參圖1-1。雖說我們的AM廣播是使用正統的雙波帶調制,但是由於接收機未能調在電台頻譜的正中央,或天波反射等因素的混合,也會瞬間變成上述各種方式的調制,而使得二極體波封檢波器無法應付。

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工作原理及線路詳析

　　同步檢波器的方塊流程如圖3所示,從中頻接過來載波訊號後,相鎖環路開始擔任追蹤的工作,首先以未經調變的載波為參考訊號,以鑑別雜訊及失真。要是訊號沒有鎖住或調選電台時沒有中頻載波訊號時怎麼辦呢?沒關係,這個線路本身有個自動開關,當上述情形發生時,會跳到波封檢波的工作位置,一旦相鎖環路鎖住了載波時,又會自動跳回到同步檢波,這種功能可以使得調台時的強烈撞擊聲消失。

　　圖3另外有一個單波帶(SSB)檢波器,你用不上的話,可以省略掉這一部分;他是利用一種聲頻相移網路(Audio phase-shift networks)使得這個同步檢波器同時亦能接收單波帶或選擇雙波帶的其中一個波帶,這種技術也是常常被拿來產生單波帶的方法之一。為了使接收品質更好,通常還需要帶陷濾波器(Notch filter)來參與以排除鄰台的強烈干擾。完整的線路請參看圖4:

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Q1是射極隨耦器,它擔任緩衝輸入的中頻訊號及推動緊隨在後的高迴轉率(High slew rate)運算放大器IC1,其回授的自動增益控制(AGC)是利用一對光二極體及光敏電阻來完成的,其優點為高速而使得失真降到最低。IC1的輸出用來推動三個類比多工器;分別是IC4_A,IC4_B及IC4_C,它們組成平衡解調功能,再經過RC低通濾波器後分別提供①同相聲頻(1),②正交聲頻(Q)及③波封聲頻三個訊號輸出,經過『I』的就是雙波帶的同步檢波,而『Q』則是對稱的單波帶,正常狀況下,『Q』的輸出並沒有訊號存在,但要是上下波帶的相位或振幅失去對稱時,『Q』則會有聲頻輸出,而『Q』的主要任務是在相鎖環路鎖住後,進行偵測相位的工作。

　　至於波封檢波器,在這裡不使用二極體,而是使用一對差動晶體(Q2/Q3),以便限制中頻訊號,並使得能提供CMOS水平的方波訊號以便驅動IC2。當相鎖環路沒有追鎖上訊號時,波封檢波器便用來輸出聲頻,並且提供自動增益的回授電壓到IC5_A。對驅動類比多工器的訊號而言,同步檢波器IC2_A及波封檢波器IC2_C之主要區別是:同步檢波器總是一種純而未被調制的訊號,然而波封檢波器卻像如圖2所示的有調相的訊號。(1)線路中的開關SW1是用來選擇檢波方式,在正常的位置"TUNE"時的狀況是: 鎖住訊號很慢(Slow locking),而失鎖卻很快速(Rapid unlocking),此時的訊號是從波封檢波器IC4_C傳過來的,一旦調到電台訊號,控制開關會馬上跳到同步檢波器,這是因為鎖住的頻寬只有25Hz,它會因太窄而無法追蹤因調台鈕轉動時的載波訊號變化。

　　開關S1的中間檔是用來選擇快速鎖定及慢速失鎖的功能,這對於接收微弱訊號電台時最為合適,假如載波振幅在瞬間降到能鎖定低限以下(註三)時失鎖會延續數秒,以免錯誤的訊號輸入,而在環間濾波器(Loop filter)的積分器IC5_B則會把持住自動回饋電壓,因此再轉鈕選台時,不能使用此檔。最後一檔則是用來選擇傳統的波封檢波。

　　當PLL失鎖時,他會有相當大的追蹤頻寬,同時會在鎖定時跳回到較窄的追蹤頻寬,以利進行追鎖範圍大、鎖定時間快及狹窄頻寬的優良同步檢波工作之進行,在失鎖狀態下,從Q2/Q3來的中頻訊號由IC8的相位/頻率比較器來進行和壓控振盪器(VCO)的訊號做比較,而當鎖定時,因載波而存在的直流電壓會出現在『I』通道檢波器IC4_A的輸出端,它可以打開鎖定指示燈IC4_D(Lock detector),IC4_D實際上就是由運算放大器組成的比較器,它身負: 打開聲音、控制PLL環路及推動『指示光二極體』(LED)的任務,在鎖定狀態時IC8的工作由『Q』通道的檢波器來代替,此時追蹤頻寬約25Hz左右,因此它的工作性質就如同一個高Q值得濾波器,其主要任務就是再生一未經調變的載波,而避免拾取含有調變成分的上下旁波帶。

　　以IC3_C為主的壓控振盪器(VCO),乍看之下有點怪異,細看之下原來是這樣的: IC3_C組成一個反相器加上LC網路,便形成一種所謂CMOS L/C振盪器的組合。變容二極體D6則受相位比較器產生的誤差電壓(Error voltage)控制以調諧此振盪器的頻率在455±15KHz的範圍。環間濾波器IC5_B的直流回授完全經由壓控振盪器和『Q』通道檢波器(在失鎖時,則是經由IC8)如此可迫使『Q』通道直流成分為零,壓控振盪器也才會有正確的相位。因為『Q』和『I』通道的VCO訊號必須有90度的相位差,此由R5、L2和C6所構成的相移網路來完成。

(註三): 例如瞬間天波和地波形成反相時,或者鄰通道頻率的偶然干擾等。

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SSB部分

　　為了收聽SSB,來自『I』或『Q』通道的訊號必須經過一個主動聲頻相移網路(Active audio phase-shift networks),它有平直的頻率響應曲線(Flat-frequency-response),及依頻率大小而相移的特性(Frequency-depedent phase shift),這個網路在50~12.000Hz之間幾乎都有90度的相位差,這可以提供對不用的另外一旁波帶做約31dB(即約原來的1/1259)的抑制。

　　IC7_A是一組緩衝器,在接收雙波帶(普通AM)時,它身兼三種任務,即:緩衝、加法器、減法器,但是在收聽低旁帶(LSB)時,它是一個單位增益反相緩衝器IC7_A把來自『I』及『Q』的訊號做相加得到低旁帶(LSB),做相減而得高旁帶(USB);至於是使用DSB、USB或LSB的檢波,則由開關S2來選擇。另外10KHz的帶陷濾波器(Notch filter),它是由IC7_B的線路組成,由於它必須有比較高的增益頻寬積(Gain/Bandwidth product)的特性才能正常操作,所以IC7B必須選用TL072或有更好特性的IC。

製作

　　此機可用麵包板來裝組試用,因為哪一天搞不好本地AM也立體化了,到時候只要對本線路稍加修改,就可以接收立體AM廣播(參音技82期第43頁)。元件的放置並沒有嚴格的要求,唯須注意的是具有大訊號的中頻線路(Q2、Q3、IC2、IC3及IC8)必須遠離中頻的輸入端(Q1及IC1),以避免干擾現象的發生,同時限幅器的輸出端和壓控振盪器之間要儘可能的接近。另外SSB檢波部分可有可無,不要SSB部分的話,包括IC5_C、IC5_D、IC6和IC7_A均可省略掉,但必須將IC4_A的第一腳接到C23,並將C23的極性轉過來;另外R24及R25可用一個4.7KΩ的電阻來代替。

　　因為濾波器中的零件對SSB影響很大,因此其容許誤差很嚴格,所以必須確實用數字電表量R值,及選用誤差小的電容,並花一些功夫來選擇及RC匹配,例如R65和R66配對、R67和R68也配對。假如R65和R67同為10.2KΩ則R66及R68可選用9.7KΩ,其中組職只要介於1KΩ和100KΩ都可用做R65~R76的配對電阻。當然能用數字電表或電橋來做這些工作是最好不過的了,注意R65~R76最好不要使用碳質電阻,因為它們對溫度很敏感,建議你不妨使用低雜訊的碳膜電阻(Carbon-film resistor)。就像R59/C50在每一正相輸入端都有一對RC,這些RC值有個公式可循,即f90=1/(2πRC)。f、R、C的單位分別為赫芝、歐姆及法拉,而每一段的輸出與輸入間都有90度的相位差,雖然電路圖中已標有各段的RC值,但是你可利用f90=1/(2πRC),自行找尋配對的RC;唯一要把握住的原則是R值必須介於1~100KΩ,而電容必須小於0.001uF,並且應該避免選用對溫度很敏感的陶瓷電容(Ceramic capacitor)。

　　如果沒有辦法測量精確的電阻和電容值,另外一個辦法如下: 在每一段的輸入端暫時拿去反相輸入電阻(例如R65)再拉開電容(例如C50)接地的那一端,加上f90的頻率(用公式f90=1/(2πRC)算出)以找出-3dB點程序是這樣的: 先加上f90的頻率後,調電壓峯值使其大小為1V_p-p,然後再使電容接地,此時調換電阻直到呈現0.707V_p-p(-3dB),其他五段,亦同樣處理。輸出頻率的變化量除以輸入電壓的變化量就是VCO的靈敏度,它決定了PLL的動態特性,而VCO的靈敏度則由變容二極體的特性來決定,所以圖中所標示的變容二極體(MV2115)當加上4伏特時,其電容量為100PF,假如你使用類似此種二極體在±5伏特時,VCO的追蹤頻率範圍大約是455±15KHz,而其靈敏度為2.7KHz/V,假若使用其他特性的變容二極體,必須先測量出其對VCO頻率的影響,再決定其靈敏度,然後分別對R28及R31的阻值做調整,使其為2.7KHz/V。檢相器IC8,也就是74C932,可以用CD4046內的檢相器部分來代替,因此只要將二者的插腳做適當的變換就可以(參對照表),無法取得LDR1的話,可用LED來代替。

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與收音機的介接

　　大多數的收音機都可以用此同步檢波器,唯一要注意的是本地振盪不能混有FM調變,為了測量這種效應,可以用通訊型的收音機,利用差頻振盪器(BFO)來調收音機的本地振盪。另外可以用一部普通AM收音機,利用高於1MHz的廣播訊號當作BFO,如果聲頻音調很純,則表示沒有混合FM,假如會聽到60或120Hz的FM,就必須改進電源供應的濾波器部分。如果是真空管式的收音機,而且有60Hz的FM出現,那麼就必須換掉變換器部分的管子,有些真空管在燈絲音及之間會有些耦合現象,它雖然不至於影響到正常的功能,卻會在低訊號中引入了60Hz FM成分。

　　輸入本機的訊號振幅可介於50mV_p-p~2V_p-p之間,只要訊號不超出這個範圍,檢波器內的自動增益控制(AGC)線路就能正確地操作。另外本機輸入阻抗高達25KΩ,因此大部分的收音機都不會受到負載上的影響。此同步檢波器的取樣訊號從收音機的各級中頻和AGC電路之後取出的,但若能在最後一級中頻的初線圈上跨接一電容分支(參看圖5),會使工作性能更佳,但這樣會增加少許的電容量使得必須重新調整此級的中頻變壓器,如果此級訊號太弱,可以將此同步檢波器的輸入直接放在最後一級中頻放大器的集極。

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加上本機後,仍然可以使用原來的聲頻放大器,此時可將音量控制器從波封檢波器之處隔離開來,但是不要完全的廢棄波封檢波器,因為它後面通常附有AGC線路,因此經同步檢取出聲頻訊號後,再注入音量控制電路便可以了。

調整

　　做好介接後,將開關S1撥到"TUNE"的位置,並且設法調出一電台來,如果中頻訊號高於最小值的50mV_p-p,則IC5的第一腳電壓值應該介於±4.5V之間,再來可調整L3,直到M1指示在波道中央,此時PLL應該是在鎖定狀態,自然,鎖定指示LED會亮,在調整SSB檢波電路時,所調的電台必須要附有干擾載波,也可以由射頻訊號產生器來產生此干擾載波,並將選擇開關S2置於USB或LSB的位置,並分別調整R25及L2以衰減此干擾載波,並達到最小為止。

　　為了試用10KHz帶陷濾波器,並設法調出有鄰台干擾存在的電台,假如你的收音機中頻窄而固定,就無法檢波這10KHz的頻寬訊號,如此一來帶陷濾波器便沒有存在的意義。當然中頻響應夠大的話,可調整R40及R42使能達到10KHz的拍頻範圍。

如何工作

　　正常工作下,開關S2放在DSB位置,而開關S1要放在"TUNE",因為線路上的設計,在調選電台時是在波封檢波工作下,所以Lock LED並不發亮,當電台訊號太弱時Lock LED若忽亮忽熄,可將MODE選擇開關S1撥轉到"HOLD"的位置,這樣PLL自然會從新開始追蹤的微弱訊號,S2的"EVN"仍然可做原來的波封檢波工作,並和同步檢波做比較。至於像是鄰波道干擾、電視機的水平拂掠諧波或干擾載波等干擾出現時,可選擇USB或LSB,以減弱這些干擾,因為此等型態的干擾,大都只影響到AM訊號的其中一個旁帶,對於那些會等量(對稱)影響兩旁帶的干擾;像是大氣層或脈衝雜訊;最好還是用DSB方式來檢波,因為採用SSB時,DSB訊號的一半功率被浪費了。另外雖然收音機本身的頻率很窄(指中頻)但是只要利用SSB來接收亦可改善頻率響應,在選台時,不要放在頻道中央,自然頻率響應會有明顯的改進。

結論

　　我想以下的理由足夠大家來注意同步檢波的技術: (一)最近KYOI(塞班島)分別在11.900、9.670、15.405、15.190KHz以全天候播送搖滾樂,這意味著AM的高傳真,正日漸抬頭。 (二)AM立體化雖在萌芽階段,但是其立體後的高傳真的確有必要,這意味著需要同步檢波技術來配合,PLL同步檢波的失真與其他之比較參看圖6。

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