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為何要發展AM立體廣播

  為何在FM廣播的接收音質已被大眾所接受及認可的同時,還要發展AM立體廣播呢?原因是: 當在移動的汽車上或擁擠的都市大廈中,及某些特殊地理環境下,因為FM的無線電訊號,波長較短(2.6米~3.3米,而AM則在178米~528米的範圍),電波容易受阻,同時更可能會有多路反射之干擾出現,而破壞了原有FM美好音質; 還有.FM發射距離本身受視線(line-of-sight)傳導的限制而遠比AM所能傳達的距離短得多。AM立體廣播的試驗期早已成過去,現今已達實用階段,尤其汽車等交通工具上的需要,更策動及加速AM立體廣播的實現。因為在移動汽車上面的FM接收機受到無方向性及低增益天線的先天限制,因此接收FM電台的範圍只能在約30~80公里之間; 況且移動的汽車上,其接收環境隨時在變,而碰到多路反射所造成的音質破壞,更可能頻頻發生。但AM則不然,由於它是靠地波傳導因此無FM多路反射及發射距離受限制的缺點(當然夜間E離子層對AM電波的反射則是另外一回事),因此為了接收環境不受限制及減少轉播發射台站的設立,AM立體廣播勢必漸漸抬頭並且大受歡迎。

AM立體廣播簡史

  AM立體廣播並非新的東西,早在1925年WPAY(New Haven, CT)便使用兩部不同頻率的發射機,進行AM立體廣播的試驗,但直到1950年中期,才有少數電台對AM廣播立體化產生興趣,而進行AM及FM同時播放比較的實驗。但當時AM立體廣播,由於分別使用不同頻率,因此必須使用兩部接收機,才能有立體效果; 而現今發展出來的五大AM立體廣播系統,分別使用調相、調幅、調頻等技術的混合,加上現今IC的LSI化的技巧已很成熟,解碼的線路可以單晶片化,使得AM立體廣播及接收均與FM系統相近,而無需較複雜的設備。

五大AM立體系統陷入混亂

  因為AM立體廣播的發射系統種類太多,而相對的出現了各種不同的立體解碼系統,現行美國的AM立體廣播採取開放式,發射系統沒有統一,自由選用,因此已陷入混亂狀態,甚至聯邦通訊委員會(FCC)也對此束手無策。假如能發展出綜合的接收立體解碼系統,並且能自動偵測所接收的AM立體廣播訊號是屬於哪一系統,並自動跳到適宜的解碼電路的話,問題便可解決。當然這種接收機是可能製造的,只是其所需價錢會貴到不能被大眾所接受,因此最可行的方式應該是發射系統一致。但是誰也不肯放棄自己辛苦發展出來的系統,況且每個系統都各有其優點(參看五大系統之比較)。現在日本幾家IC製造廠,像三菱、三洋、新力、聲寶、勝利、日本電氣等,都還不敢貿然開始生產AM立體解碼IC,因為美國市場還亂得很,況且日本亦步上美國後塵──AM立體廣播的發設系統仍然沒有統一。FCC委員James H. Quello說:「採用何種系統應該由電台當局來決定,因為電台可對其發射有效區域範圍內所擁有的接收系統種類所佔有的比例來做決定。」但這是對陷入混亂困境的美、日而言。在寶島,有關當局若能防微杜漸,留心前車之鑑,將來發展AM立體廣播時,相信可避去此時美、日的混亂情形。

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AM STEREO五大系統簡介

(一) Magnavox System: 此系統發射流程參見圖一,是使用調幅及調相的組合,它類似FM的立體廣播,首先利用矩陣編碼成(L+R)及(L-R)兩種訊號。(L+R)的訊號採用調幅方式來調制載波,而(L-R)的訊號則採用調相方式對載波進行調制,此系統在發射的載波中並包含有一個5Hz的調頻訊號,這可以拿來做立體廣播的指示訊號或者也可以拿來把接收機原在單音的工作位置,自動轉撥到立體的工作位置,如此就成為一個自動立體偵測系統; 另外一個用途是拿來做辨認電台之用(注意表一,各系統的立體指示訊號頻率各不相同)。Magnavox系統中的射頻訊號可經由三個步驟完成,請參看圖一。首先由石英振盪頻率產生器,產生一個3.69MHz穩定的射頻訊號,並經由一個5Hz訊號對它做調頻調制後,被送到混頻器。第二步驟是(L-R)的訊號對頻率合成器所產生的4-6MHz的訊號做調相調制,而後,同樣被送到混頻器。第三個步驟為上述分別帶有調制波的3.69MHz及4-6MHz的載波做下行轉換(註一)後,便是標準的射頻訊號,而送到發射機做射頻功率放大。但別忘了,此時(L+R)的調制訊號還沒搭上車呢!原來(L+R)這傢伙是搭最後一班車,也就是它對即將發射出去的射頻訊號做調幅方式的調制。

(註一): 所謂下行轉換,實際上就是二個頻率混合後,會有兩種頻率訊號出現,一為相加,一個相減,相減之中,若本地振盪大於接收頻率稱為下行轉換,相反,則稱為上行轉換,這是在接收機固定取得中頻常用的方法。例如AM的中頻通常是455KHz,因此本地振盪範圍須在1000KHz~2000KHz之間,此訊號利用混頻器及濾波器對空中的AM無線電訊號545KHz~1605KHz做下行轉換,便是455KHz的中頻。

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  圖二是Magnavox系統之接收解碼流程,射頻及中頻放大器部份與普通AM接收機相同,但在中頻放大器輸出之後,便分成二個方向,其一是做調幅的檢波,如此可取得(L+R)的聲頻訊號,除此之外,此時並進行偵測載波訊號的大小,以便做自動增益回授來避免因過大訊號輸出所造成的失真。另一個方向是經由限幅器,其目的在於去掉振幅不齊的調幅訊號之後,再進行調相的檢波,如此可取得(L-R)的聲頻訊號及立體指示用的5Hz訊號,然後對調幅檢波所得的(L-R)做矩陣解碼,如此便是立體的左、右聲道了。還有偵測得的5Hz訊號可以用來控制指示燈及單音/立體轉換開關。

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(二) Belar System(又稱AM-FM系統): 此系統是由Belar電子實驗室發展出來的,其發射系統如圖三,左右聲道訊號也是先經矩陣編碼成(L-R)及(L+R); (L-R)部分為了改良訊號雜音比(S/N ratio),先經由預強調(pre-emphasis),線路及時間延遲線路後再進行調頻調制。另一方面(L+R)部分則對載波進行調幅調制,因為,一方面(L-R)對射頻進行調頻調制(FM),而另一方面(L+R)則對射頻進行調幅調制(AM),因而此系統又稱AM-FM系統。

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  BAM立體接收機的方塊流程如圖四所示。射頻及中頻放大與一般AM接收機無異,而在中頻放大器輸出端也同樣分成二條路徑進行檢波,一條通往限幅器以去除調幅訊號成份,只剩下調頻訊號,這訊號有點像方波的型式; 再經由鑑別式或比例式的調頻檢波器,可以把負載在上面的調制訊號檢波出來。另一條路徑是通往調幅檢波器,使得(L+R)訊號重新出現,同樣的(L+R)及(L-R)在經由矩陣解碼後便可把左、右聲道分了開來。此系統的立體指示訊號是使用10Hz。

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  (三) Harris System: 發射系統如圖五所示,此系統的特色為使用相位的差別來分離左右聲道,參看圖五,左聲道落後15度相角後再加以對載波進行調制,而右聲道卻提前15度相角對載波調制,當兩者加在一起後便是所謂的: 同調單邊帶(L+R),與正交單邊帶(L-R);混頻後的合成波V(t),為了把調幅Ve(t)與調相(Vc(t)波分開以利射頻放大及發射,因而分別採用了截割器(Clipper)及調幅檢波器。

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  圖六是其接收解碼方塊圖,從中頻出來後也是經由二道手續來分離左右聲道,一道往相鎖環路(PLL),另一道往平衡式混合器(M1)。未經調制的中頻訊號相鎖環路時可以使中頻訊號再生,唯此訊號與原來訊號有90度的相位差,這與原來的中頻混合後,混頻器M2,混頻器M1分別經過截止頻率為10KHz的低通濾波器後便取得了(L-R)及(L+R)的訊號,同樣的亦須矩陣解碼才能把左右聲道分開。在圖五及圖六中,雖然沒有明確的指出,在Harris System中亦使用20~25Hz的訊號對(L-R)做9%深度的調制,以做為此系統的立體指示或控制開關的訊號。

  (四) Motorola System: 此系統又稱C-QUAM; 是利用90度的相位差來進行對載波的調制; 一般而言,利用調幅調制來進行立體廣播的發射絕對不會有問題,但是在合成的訊號中,如果(L-R)訊號強度太大,那麼在做接收方面的調幅檢波時(L+R)的訊號便不會呈現線性,而造成極嚴重的互調失真。為了要解決這一個缺點,Motorola發展出所謂的可匹配──正交調幅調制(C-QUAM).其方塊流程如圖七所示。

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(L+R)訊號,循著兩條路徑,一道直接通往發射機的調制,另一道則透過對平衡式調制器來對石英振盪射頻產生器的載波(Fc)做調制。同時(L-R)訊號也透過另一個平衡式調制器產生了單純的正交調制訊號,此訊號和被(L+R)調制過的載波相混在一起並經過一個帶通濾波器後,就是標準的正交調制射頻訊號,這標準的訊號還得經限幅器,然後再加上用做立體指示的25Hz訊號後,才被送往射頻放大器。

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  Motorola接收系統解碼方塊流程如圖八所示,中頻輸出後,先經載波限幅器,此時壓控振盪器的振盪頻率會自動追蹤中頻的載波,並且與之同步,而後分別經過正90度及負90度的相位移,這兩個訊號分別經由平衡式調制器,便可解碼得左右聲道的輸出。

  (五) Kahn/Hazeltine System: Kahn他本人從1950年代末期便從事於AM廣播立體化的研究,並且在1977年獲得Hazeltine公司的全力支持。此系統的發射方塊流程如圖九:

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矩陣編碼後(L-R)及(L+R)分別被饋送到固定相位差的兩個線路,一個超前45度角,另一個落後45度角,因此(L-R)及(L+R)間的相位差為90度,時間延遲線路輸出及石英振盪射頻產生器輸出的射頻訊號經調相調制及倍頻器後,便是標準的載波,以為調幅發射機的射頻訊號。此系統與上述四大系統最大不同之點為: 它用(L-R)進行調相調制,而一般卻是振幅調制; 還有,一般的立體指示訊號都調制在上邊帶(usb),而此系統卻以15Hz訊號在下邊帶做約0.5徑角的調角調制,也就是Kahn/Hazeltine系統的左、右聲道分別調制在載波的上邊帶及下邊帶,因而接收此系統發射的AM立體廣播時,可以使用二部一般的AM接收機分別調到上邊帶及下邊帶,並且擺在左右兩旁,如此便可以得到立體接收。此系統接收及解碼流程方塊參看圖十,它比上述任何一種系統都來得複雜。

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五大系統的比較

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  五大系統之特性比較,請參看表一、圖十一及圖十二,分別為其發展特性、射頻訊號的頻譜分佈及使用各種不同濾波器時各接收系統可能造成的失真百分比,從中若以: 電波傳遞失真、接收選擇性、立體分離度、頻率響應、訊號雜音比等特性來衡量的話,我們就可以選出比較合適的系統來使用。

轉載音響技術第82期 OCT. 1982 美國AM立體廣播現況/林茂榮

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