調(diào)頻立體聲解碼器的分析與仿真

1、調(diào)頻立體聲解碼器的分析與仿真潘志浪，陳永泰武漢理工大學(xué)信息工程學(xué)院，湖北武漢（430070）E-mail：alang121摘要：本文介紹了調(diào)頻立體聲廣播的調(diào)制與解調(diào)的基本過程，并從數(shù)學(xué)的角度分析了立體聲解碼的一種方法，最后利用仿真軟件對整個(gè)編解碼過程進(jìn)行仿真，通過相關(guān)波形的對比直觀的證明了該方法的正確性。關(guān)鍵詞：立體聲，副載波，開關(guān)解碼器，Multisim1. 引 言目前，國際上較為普及的立體聲都是雙聲道的。雙聲道立體聲的原始信息是左、右路音頻信號，簡稱“L”信號和“R”信號。錄制立體聲節(jié)目時(shí)，由于聲源的空間分布位置不同，使得到達(dá)兩只錄音話筒的左、右路聲音信號的強(qiáng)度及時(shí)間不同。 L 和 R 兩

2、路信號的強(qiáng)度差和時(shí)間差(或相位差)構(gòu)成了立體聲定位信息。重放立體聲節(jié)目時(shí)，經(jīng)左、右兩路揚(yáng)聲器(或耳機(jī))發(fā)出的聲音能按比例地再現(xiàn)這種強(qiáng)度差和時(shí)間差，使聆聽者獲得了重放聲的立體感1。調(diào)頻立體聲廣播的研究過程中，主要的有三種方式：第一種是導(dǎo)頻制；第二種是極化調(diào)制制；第三種是調(diào)頻調(diào)頻制。由于經(jīng)濟(jì)利益的關(guān)系和其他方面的原因，美國聯(lián)邦通信委員會(FCC)于 1961 年確定美國立體聲調(diào)頻廣播的制式為導(dǎo)頻制(AMFM)。目前我國的調(diào)頻立體聲廣播也是采用的 AMFM 導(dǎo)頻制，下面主要介紹這種方式。2. 立體聲廣播系統(tǒng)2.1 調(diào)制AM-FM 導(dǎo)頻制調(diào)制過程如圖 1 所式，以振蕩頻率等于 19KHz 的倍頻信號作

3、為副載波而將左右兩通路的聲頻信號 L 與 R 之差 S 調(diào)幅并將載波抵制，然后再與兩聲頻信號之和 M 混合。為了便于接收時(shí)副載波的還原，將適量的 19KHz 振蕩信號加入而作為導(dǎo)頻信號，然后再將這些混合信號調(diào)頻于超短波的主載波上，這樣就完成了調(diào)頻立體聲的調(diào)制過程。219KHzLR平衡調(diào)幅+FM圖 1 立體聲調(diào)制原理框圖2.2 解調(diào)對于調(diào)頻信號，通過鑒頻器可以從中解調(diào)出復(fù)合信號 M(t)，但為了分離出 M（t）中的左右聲道信息 R 及 L，需要用到立體聲解碼器，它的種類較多，按解調(diào)功能來分主要有兩種：一種是矩陣解碼器，另一種是開關(guān)式解碼器，又稱時(shí)分解碼器。這里我主要介紹它，開關(guān)式解碼器原理框圖如

4、圖 2 所示。-1-復(fù)合信號合成信號BPF19KHz二倍頻開關(guān)解38KHz 碼電路LR圖 2 開關(guān)式解碼器原理框圖從圖中可知，它首先將 19KHz 分離出來，然后二倍頻成 38KHz，并以此作為開關(guān)信號，對主、副信道的合成信號進(jìn)行識別和取樣。若開關(guān)信號的相位和復(fù)合信號中的 38KHz 相位完全一致的話，就可以從開關(guān)信號的正峰上取出 L 聲道的信號，從負(fù)峰上取出 R 聲道的信號，目前廣泛采用的鎖相環(huán)解碼器就屬于這一種。3. 開關(guān)解碼器原理分析上圖中的開關(guān)解碼電路模塊原理如圖 3 所示。S+ ( t )+低通濾波ULM(t )0.18-+-低通濾波U RS ( t )圖 3 開關(guān)解碼電路模塊原理圖

5、圖中復(fù)合信號與兩路開關(guān)信號相乘，再分別減去 0.18 倍的原復(fù)合信號，通過低通濾波即分別還原出左右聲道信號，其中 M ( t ) 為調(diào)頻接收機(jī)接收到的復(fù)合信號，因?yàn)?19KHz 導(dǎo)頻信號僅用于提取副載波生成開關(guān)信號 S+ ( t )、S ( t ) ，故可以忽略，則 M ( t ) 可表示為2：M ( t ) = ( L + R ) + ( L R )cos 2t （ = 2 (19kHz) ）而 S+ ( t )、 S ( t ) 為一對單位幅度相位相反的矩形波，作為開關(guān)信號，其頻率與副載波相同，表達(dá)式分別為：1 kT t ( k + 0.5 )T0 (k + 0.5 )T t 2kT， S

6、 ( t ) = 0 kT t ( k + 0.5 )T，式中 k 為整數(shù)， T = / ，即副載波周期。將 S+ ( t )、 S ( t ) 展開傅立葉級數(shù)，得S+ ( t ) =1 2 1 12 3 51 2 1 12 3 5與復(fù)合信號相乘并忽略式中副濾波的高次諧波部分，得-2-S+ ( t ) = 1 (k + 0.5 )T t 2kTcos( 2 )t + cos 3( 2 )t + cos 5( 2 )t + L+cos( 2 )t + cos 3( 2 )t + cos 5( 2 )t + LS ( t ) = 1 22 cos( 2 )t 1 2 1 22 2 0.818L +

7、 0.182Rcos 2t )1 22 1 2 1 22 2 cos( 2 )t cos 2t ) 0.818R + 0.182L由上式可看出 M ( t )S+ ( t ) 含有較多的左聲道分量 L 和較少的右聲道分量 R，而M ( t )S ( t ) 剛好相反，為了完全分離出立體聲的左右聲道分量 L、R，還需要對上面的結(jié)果進(jìn)行修正處理，這可以通過減去 0.18 倍的原復(fù)合信號來實(shí)現(xiàn)，即M ( t )S+ ( t ) 0.18M ( t ) = 0.81L + 0.18R 0.18( L + R ) + ( L R )cos 2t= 0.63L 0.18( L R )cos 2tM ( t

8、 )S ( t ) 0.18M( t ) = 0.81R + 0.18L 0.18( L + R ) + ( L R )cos 2t= 0.63R 0.18( L R )cos 2t通過圖中低通濾波除掉副載波分量，即得到被分離開的左右聲道分量：U L = 0.63L ，U R = 0.63R4. 仿真下面對立體聲的編解碼過程進(jìn)行仿真，仿真軟件采用 Multisim 9.0。4.1 編碼過程仿真立體聲編碼模型3如圖 4 所示，設(shè)左聲道為幅值 2V、頻率 1KHz 的正弦波，右聲道為幅值 1V、頻率 500Hz 的正弦波，通過正反串聯(lián)實(shí)現(xiàn)兩信號的相加及相減，圖中 A1 為乘法器，A2 為加法器，均

9、采用默認(rèn)設(shè)置，各端口增益為 1。圖 4 編碼器模型由于 19KHz 導(dǎo)頻信號僅用于提取同步的載頻信號，而這里為了簡化系統(tǒng)載頻信號直接用信號源代替，為突出重點(diǎn)，故將導(dǎo)頻信號幅度設(shè)為 0。當(dāng)然實(shí)際的立體聲復(fù)合信號是包含導(dǎo)頻信號的，副載波的恢復(fù)一般是通過鎖相環(huán)電路完成的。輸出的立體聲信號波形，如圖 5 所示，從中可以明顯的分辨出左右聲道的信號。-3-M ( t )S+ ( t ) = ( L + R ) + ( L R )cos 2t += L(1 + cos 2t )( +cos 2t ) + R(1 cos 2t )( +M ( t )S ( t ) = ( L + R ) + ( L R )c

10、os 2t = L(1 + cos 2t )( cos 2t ) + R(1 cos 2t )( 圖 5 立體聲波形4.2 解碼過程仿真解碼器模型如圖 6 所示，為了得到一對單位幅度相位相反的矩形波，采用了圖中信號源串聯(lián)直流電壓源的辦法，乘法器 A3、A4 參數(shù)均采用默認(rèn)，但加法器 A5 及 A6 需要稍加修改，將 C 通道的增益由默認(rèn)的 1 改為0.18，以實(shí)現(xiàn)乘積項(xiàng)減 0.18 倍的原復(fù)合信號，最后加法器輸出還要到過一個(gè)串聯(lián) RC 電路以實(shí)現(xiàn)低通濾波。圖 6 解碼器模型將編碼器的輸出信號接到解碼器中，對其進(jìn)行仿真，輸出結(jié)果如圖 7 所示，其中未加修正的波形是指圖中乘法器輸出直接接到低通濾波

11、器而不減去 0.18 倍的原復(fù)合信號得到的輸出。左聲道右聲道原始信號恢復(fù)信號未加修正圖 7 仿真輸出波形對比從圖中可以看出該解碼器模型對立體聲的恢復(fù)效果是比較理想的，而未加修正時(shí)有較明顯的失真。5. 結(jié)論本文介紹了立體聲調(diào)頻信號產(chǎn)生及解調(diào)的基本過程，從數(shù)學(xué)的角度分析了立體聲解碼器的工作原理，并利用軟件仿真了整個(gè)編解碼過程，通過對相關(guān)的仿真波形的觀察，對立體聲復(fù)合信號的形成及解碼過程有了更直觀的認(rèn)識，從另一個(gè)側(cè)面證明了理論推導(dǎo)的正確性。-4-參考文獻(xiàn)123沈嶑擴(kuò)聲技術(shù)M，北京：人民郵電出版社，1982.5。謝興甫立體聲原理M，北京：科學(xué)出版社，1981.9。吳雯Multisim 仿真軟件在教學(xué)中

12、的應(yīng)用EB/OL Analysis and Simulation of FM stereo decoderPan Zhilang, Chen YongtaiDepartment of information, WuHan University of Technology, HuBei, PRC (430070)AbstractThis paper introduces the basic procedure of Modulation for FM stereophonic broadcasting anddemodulation, and analyses an method decoding stereo signal in mathematical terms. At last, asimulation software is used to simulate the entire process of coding and decoding, which proves theaccuracy of th