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  我渣所以要倒退十年來談調頻立體聲的廣播和接收,是因為今天似乎沒有哪個人願意這樣循序漸近地、不厭其煩地來討論這個問題了。大家一提起調頻立體聲廣播,就覺得它是理所當然的一樣,其實,在十多年前,像以下這些話題是相當熱門的。而今天要真正瞭解調頻立體聲廣播和接收的原理,也似乎只有閒話當年,才不至於使「立體聲」被一塊「IC」就敷衍過去,就代替過去。

立體聲的定義

  談到調頻立體聲,我必須先對所謂的「立體聲」有所定義──它是指電子音響在生技術終,左右音源訊號的傳送而言。就某些方面來說,它是二聲道的,但是在另一方面來說,它又無需規規矩矩的二聲道(像唱片立體聲就不能算是規規矩矩的二聲道),它不十分注重高度的聲道分離特性(通信技術中反而重視),卻需要極高的平衡或對稱性──包括電平、雜音、頻應及其它的音質因素。

  以上有關立體聲定義的確立,對今天的立體聲音響愛好者來說,很可能是廢話,可是當我們討論到如何將二聲道傳送時,卻非提它不可。

  在錄音帶上,我們將立體聲的兩個聲道訊號錄於不同的音軌上,每一個聲軌形同一個獨立的聲道。所以一部四音軌立體聲錄音機,高興的時候,可以把它當作單聲道來回地錄放四次,可是唱片就辦不到。這一方面固然由於唱片老闆不會將一面唱片錄上兩遍,而另一方面,在技術上也有問題。但它已經是立體聲──已合於立體聲的要求了。

立體聲廣播

  唱片、錄音帶對立體聲的克服都還不算太難。但是要將立體聲拿來廣播,可就沒有那麼簡單了,為什麼?請看看十多年前立體聲廣播發展的過程,便可以知道: 

AM-AM方式: 那時候調頻廣播並沒有這麼普遍。立體聲廣播的嚐試只好由調幅台開始,這個方法相當簡單,例如中廣只要利用它兩個相同區域的廣播頻率,每一頻率各播一個聲道就可以了。可是這個簡單的方法,實際上卻有問題,因為: 

它太浪費了──佔用兩個廣播頻率不說,聽眾還得備有兩部收音機,調整起來可能煩死人。

如果只有一部收音機的人,又要聽這個電台的節目,豈不只能聽到「一半」的聲音嗎?這一半還不能確定是左邊還是右邊。

FM-AM方式: 即利用一個電台的調頻及調幅廣播網,各播一個聲道。這個方法可能比前面一個方法要進步一些,因為當時市面上以有許多收音機是調幅調頻兩用的,這時只要使它們同時工作並將輸出接入立體聲擴大機便成了。

  可是這個方法並沒有解決單聲聽眾的問題,而且還帶來了左右聲道不平衡的新問題,即使它是如此地富於戲劇性,而當時市面卻也出現過不少的不必改裝的FM-AM立體聲調諧器。直到現在,你或者還有興看到這樣的老Hi-Fi──在Selector上有一檔FM-AM Stereo。當把Selector放於此時,左聲道播出的是AM的聲音,右聲道則為FM。

載波技術的運用

  以上的兩種立體聲廣播,即使是在那個時代,也可以想像得出其戲劇性的效果遠重於實用性,一如今天的四聲道一般,它終將會過去的。但是只有科學家們明白,那不是技術的問題,而是人的問題。所謂人的問題,乃指需要和容忍的問題存在,則立體聲廣播當不致等道FCC(美國聯邦通訊委員會)把調頻立體聲廣播準則公佈了之後,立體聲廣播才開始大行其道。

  所謂需要和容忍,對立體聲廣播的提倡而言,至少包括以下兩點: 

  是不是很多人都已經有了立體聲擴大機和揚聲系統?它的答案必須是肯定的,立體聲廣播的開放才會有意義。

  有沒有可能在將來使用所有的接收機(包括袖珍型)都變成立體聲接收機?它的答案如果是否定的,立體聲廣播就要注意道單聲──立體聲的「共容性」(Compatibility),正如同電視之彩色廣播不能擺開黑白觀眾一般。

  假如沒有以上兩點看似單純的考慮,科學家們實在有很多方法來傳送立體聲信號,就最簡單的一種來說,電台應該可以利用載波多路調變的方法,來傳送那多出來的 一個聲道信號──它不僅沒有困難,而且早就被運用,只不過不是用來作立體聲廣播,而是兼營「副業」罷了。

合法的廣播副業 SCA

  那麼究竟怎樣兼營副業呢?原來在調頻廣播初創的時候,因為受到調幅電台的排擠,經營起來並不怎麼順利。因此,FCC核准了一項合法的副業經營方式──SCA(Subsidiary Communication Authorization),意即利用原有頻帶寬度的一部份,實施收費的非公開性廣播,這種廣播通常是對酒吧、飯店等娛樂場所播放一些背景音樂,或者是做點與點間的附屬通信業務,總之,這些調頻廣播業者,可以從SCA業務中,得到一些外快。

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  那麼,SCA究竟怎樣發射它得訊號(例如: 專對觀光飯店播放的音樂)用短聲頻加以調幅,然後再與廣播電台的主業務信號──正式廣播節目一起調頻主載波(例如中廣的103.1MHz)進行調變。於是乎,兩個信號便一起被發送出去了。到了接收的時候,一般的調頻收音機雖然也可以收到SCA信號,不過,通常會被濾去,也聽不到,因為它是超聲頻信號。便須對此超聲頻再來一次解調(檢波)。

  這就是所謂的SCA,SCA自始即被核准每個電台可以容納兩個載波頻路,一個是以42KHz為載波頻率,此兩個副信號有權佔用正常調頻廣播頻率總寬度的20%(每一SCA為10%),換句話說,假如調頻廣播電台兼營副業的時候,其正常廣播的頻帶寬度只剩下80%。不過由於調頻發射與接收實在具有相當優異的性能,因此,縮減20%的調變寬度,對音質實際並沒有什麼很大的影響。(以前軍中台即利用SCA傳送調幅台節目)

捷徑未必可行

  就純技術的觀點來說,模仿SCA的方式來實施立體聲廣播當然是最方便不過了。當然如果真是這樣,立體聲多出單聲的另一聲道,便不能像SCA一樣只佔全頻帶寬度的10%,甚至20%也不夠的,因為這樣一來左右聲道的音質(包括音量、頻寬、S/N比等)必不能平衡,因此,它至少應該是一半一半才行。換句話說,如果因實施立體聲廣播而將SCA業務剔除時,則左聲道用正常調變方式,右聲道用超聲頻載波調變,當兩者向主載波調變時,應該各佔50%的頻寬才是。

  不過,我們說過,技術是一個問題,需要和容忍又是一個問題。事情到此,我們或者已經可以假定大多數的人都有立體聲的需要,可是仍然無法強迫所有的人都必須接受立體聲。假如我們使用了這樣便捷的方法來做立體聲廣播時,豈不形同強迫大家非收聽立體聲不可了嗎?(單聲接收只能聽到左或右聲道)。

所謂單聲信號

  此法顯然不通,不過,只要我們能夠提出適切的「需要」,技術終究可以解決這個需要的。

  那麼,我們的需要是什麼?毫無疑問的,所謂單聲信號,應該是指L+R信號而言,它不是單左,也非單右,而是左右的混合訊號。換句話說,假如一個電台要實施立體聲廣播時,第一個先決條件,便是它要用正常的方法來播送L+R的所謂單聲信號,因為只有這樣,那些單聲聽眾們,才能神不知鬼不覺地安然收聽他的單聲音響,而不致懷疑自己的耳朵突然聾了一邊。

所謂立體聲信號

   要播就得先把左右混合起來播,雖然這不是什麼大問題,畢竟在技術上有了一點小小的困擾。因為在我們已有的觀念裡,兩個訊號被純然混合後想再分離開來,並不是一件簡單的事情,就如同雜音一旦潛入訊號之中,任您用什麼方法也不容易將它排除一樣。

  但我們必須緊緊地把握住一點: R與L混合,究竟和N之潛入S有什麼不同呢?那就是L+R是有意的,而且可以控制,N+S則是不可避免的,無法控制的,若能抓住這點,那麼L+R當不致如N+S一般無法再分開來了。

  現在,我們姑不論分離的方法如何,條件怎樣,上面我們已經肯定過L+R是單聲信號,則假定有一種信號可以達成L+R的分離而還原為L與R,那麼這種信號就是「立體聲信號」了。

  敘述到此,您當發現「立體聲信號」已經出現了第二個定義,它專指調頻立體聲廣播中,用以分離L及R的信號。

兩個簡單的算式

  既然有了單聲信號就是L+R信號,而立體聲信號就是將L+R分離為L與R的概念。我們不必再兜圈子來尋求什麼信號足以擔任立體聲分離的任務,因為下面這兩個算式實在太簡單了: 

  (L+R)+(L-R)=L+R+L-R=2L

  (L+R)-(L-R)=L+R-L+R=2R

  這是一個數學的演算,從算式裡,我們發現只要有L-R信號存在,便可以把L及R分離開來。但這畢竟只是一個算式,實際上是否行得通呢?這時,我們確實需要來瞭解一下上列算式所代表的意義: 

  兩個信號相加,是表示兩個信號以同樣的相位互相混合。

  兩個信後相減,是表是兩個信號相位互差180°以後,相互混合。

  舉一個簡單而極端的例子來說,假如L=R,亦即L與R同樣都是1,000Hz的正弦信號,那麼: 

  L-R: 仍然還是1,000Hz的正弦信號,只是其總強度倍增而已(串聯混合電壓倍增,併聯混合源阻倍減)。

  L-R: 由於L=R,因此L-R=0。但是在電路上的實質意義乃是L-R=L+(-R),也就是先將R反相後再與L混合,當然其結果仍然是零(對消)。

  把此例代入前二式得: 

  (L+R)+(L-R)=(L+R)+(0)=L+R

  (L+R)-(L-R)=(L+R)-(0)=L+R

  結論是: 

  假如L與R完全一樣,則經算式分離的結果,兩個答案也完全一樣。

  假如L-R等於零,或者說根本沒有L-R信號時,立體聲即無法分離。

  再舉另一個極端的例子: 設L是1,000Hz 1V,R為零,則: 

  (L+R)+(L-R)=L+L=2L

  (L+R)-(L-R)=L-L=0

  L信號是復出了,R仍然等於零。

算式的圖解

  上面兩個算式已經很簡單地顯示出L與R混合後仍然有分離的可能,而唯一必須把握的一點,乃是要確實掌握住L與R的相位關係,把正相的混合當成L+R,把反相的混合當成L-R就可以了。為了使您更易於明白所謂加與減以及加減的過程,我們特以圖一的方式來說明: 

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  L信號: 是一個400Hz的方波信號

  R信號: 是一個800Hz的方波信號

  -R信號: 仍然是800Hz的方波信號,唯其相位為R信號的反相,加繪此圖之用意僅在便於說明與瞭解。

  L+R: 是400Hz與800Hz方波混合的波形,在同相處振幅倍增,在反相處振幅對消。

  L-R: 或者可以把它看成L+(-R),其混合的過程和L+R是一樣的,唯R已先經反相,故所得混合波形雖與L+R相同,唯相位卻已落後。

  -(L-R): 把L-R信號相位反轉180°,亦僅為說明芳便而加繪。

  (L+R)+(L-R): 可以看到它已恢復為400Hz的方波信號了,只不過振幅增加一倍而已。

  (L+R)-(L-R): 也可以看到它已恢復為800Hz的方波信號,且振幅增加一倍。

  當然您還可能懷疑音樂訊號並不如此「方方正正」,它是否也能這樣簡單地進行加減呢?答案是: 當然可以。因為方波實際上包含了由直流一直到極高的諧波為其成份。這裡唯一要求的,乃是兩者間極其嚴密的相位關係。假如兩者相位有一點出入,那麼L與R的復原將會變得紊亂起來,所謂紊亂,自然就是失真。

矩陣網路與和差技術

  演算與作圖均已獲致適當的解決,接著便要尋求一種電路能夠進行上述的演算工作。假如您稍稍有一點電路學基礎,可能立刻就會想到混音器(Mixer)電路: 

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  這是常用的混音器線路: 

  L+R便如此簡單地被獲得了,而L-R的獲得也不困難,也就是把R信號先經一級反相器(實際上可以是一個增益為一的單晶體或單真空管放大器): 

  可是以上線路無論如何都不能算簡單,請看下面這個電路: 

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  圖中,R1=R2=R3=R4。

  由R所產生之信號電壓ER,由a及c饋入,因b點接地,是故在a及c點各呈現大小相等(R1=R2)相位相反的½ER電壓,設由a到b是½ER則由c到b為-½ER。

  由L所產生之信號電壓EL,由d及b點饋入,唯由b接地為零信號參考點,而R1=R4、R2=R3,是故在a及c點對b而言,均呈現大小相位均相同的½EL電壓。

  ½EL與½ER重疊(混合),是故在AB間有½EL+½ER輸出。

  ½ER與一½EL重疊(混合),是故在C與B間有½ER-½ER輸出。

  同樣地,我們如果反輸入為輸出: 

  在AB、CB間輸入EL與ER,而在原先ER與EL的輸入處,亦可獲得½EL+½ER與½EL-½ER的輸出。

  設若在AB、CB間輸入處可分別獲得ER與EL信號。

另一種矩陣電路

  這就是一種所謂的矩陣電路,因為它符合了數學理矩陣關係的條件。不過這個矩陣電路實際上是有它的缺陷的,因為其兩輸入端並無共同的零信號參考點(即接地點),所以實際上很難適用。而為了使它實用,勢必須將兩輸入之一,改以變壓器交連,於是一種更簡單的矩陣電路就被設計出來了: 

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  其中ER信號乃以一個具有中間抽頭的1:2聲頻變壓器饋到輸出的,次級兩端對抽頭而言是1:1,因此ER信號可以大小相同相位相反地饋至C、D兩點。

  EL信號則由抽頭點直接串入,次級圈對EL而言,僅呈現一直流電阻的作用,是故幾乎全電壓均到達C、D兩點。

  和前面一個矩陣電路情況一樣地,假如我們改輸入為EL+ER與EL-ER,在輸出也可以獲得純粹的EL與ER信號。

  當然,這個聲頻變壓器的要求是極高的,不過在實用上(由其是在接收方面),也許我們並不真正這樣來用它,所以您不必顧慮這個這個變壓器會像真空管擴大機的輸出變壓器那樣令人討厭。

怎樣發射?

  一個有關立體聲傳輸的基本理論和技巧既已被確立,接著下來的就是怎樣發射的問題了。

  誠如前面所言,對於「怎樣發射?」的問題,或者我們第一個就會想到用電台原有的頻道播放L+R信號,如此一來,原有的單聲聽眾便可免於收聽單左單右之苦,不過它卻仍然行不通,因為第一、用另一頻道播放L-R信號仍然浪費,而且麻煩; 第二、用兩個頻路分別播放L+R與L-R,實難保證能維持兩者的正確相位關係,關係既不能維持,立體聲的重新分離就不可能了。

  所以我們還得設計一個電台頻路,同時能播放L+R及L-R信號的方法。既然如此,像SCA那樣採用高頻載波調變的方法,自然值得優先考慮,唯一耽心的只是L+R與L-R同時佔用一個頻道後,級始SCA不再延用,其最大調變率豈非只被限制在50%了嗎?

  所幸,在當時我們已經成功地運用了一種相當節約的抑制截波通訊或傍波帶通訊,它們主要被運用於調幅通信之中。因為在調幅通信裡,天線所發射的功率,換句話說,假如播音室在靜止的時候,天線就沒有電力發射,可是從整個發射到接收過程看來,卻發現整個射頻載波功率都是虛耗的,因為它並不被用來傳遞信息,真正用來傳遞信息的只是傍波帶(由此已足出現包覆波形),所以為了節約功率,便把調變後的射頻載波設法濾除。在調頻廣播裡,射頻載波是不能被抑制的,因為它調變的不是振幅而是頻率。可是我們卻可以用一種方法,把L-R信號先用超聲頻載波給予調幅調變,然後把超聲頻載波抑止(濾除),於是L-R信號變成為已被超聲波載波調變而又被抽去實心的空殼子。你可以想像得到它所佔用的功率一定很小。用此很小的功率再與「實心」的L+R信號一起對主載波進行調頻調變。

間插作用

  其實若光考慮調變率的問題,因為有了L+R與L-R的關係存在,只要L-R對超聲頻載波之調變方式略予改變,使超聲頻載波之波幅正好和L-R一樣的時候,那麼L+R與L-R同時可以對主載波做100%的調變,而其總和調變率仍為100%。現在,讓我們來看看這種1+1=1的現象究竟是怎樣發生的: 

  設一伏的電壓可致主載波有100%的調變,

  又設EL=ER EL+ER=1V

  則 EL=0.5V ER=0.5V

  而 EL+ER=0.5V+0.5V=1V (100%調變)

    EL-ER=0.5V-0.5V=0V (0%調變)

  再設EL=+0.5V,ER=-0.5V

  則 EL+ER=0.5V-0.5V=0V (0%調變)

    EL-ER=0.5V+0.5V=1V (100%調變)

  由此可知L+R與L-R是交互地與主載波進行調變,而其調變率則仍維持在100%以內。

  可是這種交互間插得100%調變,在接收解調時,可能引起若干困難,所以仍然有必要將超聲頻載波予以抑制。

轉載音響技術第15期 MAR. 1977 倒退十年談調頻立體聲的廣播與接收/陶 宛

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