無線話筒系統(tǒng)的操作和設(shè)計概念

射頻混頻器
 
      在接收機內(nèi)的混頻器把到達的射頻信號和振蕩器信號結(jié)合起來，從而產(chǎn)生 “疊加”和 “差頻”信號。 “差頻”信號位于理想的中頻頻點上。低成本的射頻混頻器通常在產(chǎn)生出理想的疊頻和差頻信號之外，同時還會衍生出很多偽信號（諧波）。如果偽信號發(fā)生在靠近接收機中頻頻點的地方，中頻濾波器通常無法抑制，這會在最終音頻輸出時造成噪音和失真。好品質(zhì)的射頻混頻器只產(chǎn)生一個疊加和差頻信號，而沒有諧波。疊加信號頻點很高，足以被混頻器后的濾波器完全濾掉，而只留下所需的差頻信號以待后續(xù)處理。
 
    混頻器也必須有很高的過載閾值。在供給混頻器的全部射頻能量超過其自身的容量時，會發(fā)生過載。敏銳的前級過濾減少了出現(xiàn)該問題的可能性，但與載頻信號只有幾兆赫茲之差的強大信號仍然可以通過前級過濾器，從而造成混頻器過載。在前級設(shè)計中最有效的方法就是在每一級濾波器之間只提升適當?shù)脑鲆嬉匝a償相應(yīng)的損失�；�本思想就是盡可能地通過各種濾波手段首先得到所需要的干凈的頻率，然后再進行增益放大，以便將噪聲和各種干擾信號降到最低。
 
中頻過濾

    在影響接收機的選擇性指標的因素中，中頻過濾器性能的高低是最為重要的。標準的多極陶瓷中頻過濾器提供了約為300K赫茲的帶寬。6極水晶中頻濾波器只提供45到50千赫茲的帶寬。在中頻階段，過濾帶寬越窄越好。水晶濾波器要比陶瓷濾波器貴很多，但在干擾嚴重情況下，物有所值。
 
    然而，窄頻段水晶過濾器要求振蕩器不能有頻點漂移現(xiàn)象，這就要求振蕩器不能是溫度敏感類型的。而對于低成本、寬頻段接收機而言，可使用“頻點漂移”的振蕩器，因為盡管振蕩器頻點不穩(wěn)定，但它所產(chǎn)生的中頻頻點仍舊可以保持在中頻濾波器處理范圍內(nèi)。
 
    第三種開始廣泛應(yīng)用在接收機上的濾波器類型是SAW濾波器（表面聲波濾波器）。這些濾波器在石英或其他壓電材質(zhì)上使用表面波將射頻能量從輸入端傳輸?shù)捷敵龆�，并在表面通過交叉指狀轉(zhuǎn)換器的精確間隙而使某些頻率通過并同時濾過其他頻率。SAW濾波器在高出通常中頻的頻點進行過濾，同時也提供用其他方法難以取得的最小相位移動（組延遲）。當無線話筒使用越來越高的UHF頻率時，設(shè)計者的工作就變得相對容易，但它們在擁有較高的選擇性的同時，價格也比其它類型的濾波器貴很多。

    毋庸置疑，只有穩(wěn)定的振蕩器和窄頻段的中頻過濾器才能最大限度的抑制干擾，像用水晶濾波器功能一樣。水晶濾波器的唯一缺點是，當信號經(jīng)過高度的調(diào)制時，水晶濾波器失真率比陶瓷濾波器或SAW濾波器稍高。鑒于這種原因，你會經(jīng)常在高端接收機上看到陶瓷濾波器或SAW濾波器而不是水晶濾波器，因為主要關(guān)心的是音頻保真度。
 
調(diào)頻解調(diào)電路（解調(diào)器）

    在接收機中的解調(diào)器或解調(diào)電路是一種將調(diào)頻無線電信號轉(zhuǎn)換成音頻信號的電路。不同制造廠商使用不同的電路，但是在無線話筒接收機中的所有的解調(diào)器都可分為兩大類：
 
1)  求積式解調(diào)器
2)  脈沖計數(shù)器式解調(diào)電路

    求積式解調(diào)器是一種利用相位移動產(chǎn)生變化直流電壓的電路，從而生成音頻信號。中頻部分經(jīng)放大產(chǎn)生方波。然后信號分成兩個部分，其中一路信號經(jīng)相位偏移電路。然后信號在與其中的一個延遲了90度相位的信號（該信號都是正交的）混合在一起。所產(chǎn)生的信號平均強度直接與無線信號的相位偏移（頻率變化）有關(guān)。

    數(shù)字式的脈沖計數(shù)器式解調(diào)電路不同于求積式解調(diào)器，但它是一種將調(diào)頻無線電信號轉(zhuǎn)換成音頻信號的更加有效的方法。計數(shù)器式解調(diào)電路按照無線電信號頻率產(chǎn)生固定間隔的脈沖。
 
    當無線電信號頻率增加時，脈沖間距變�。活l率降低時，脈沖間距加大。在任何時間，脈沖的平均電壓強度根據(jù)調(diào)頻信號的頻率成正比而上下波動，產(chǎn)生變化的低頻電壓（音頻信號）
 
    計數(shù)器式解調(diào)電路通常在1MHz以下頻率工作，這就意味著它們只能在二級轉(zhuǎn)換接收機中發(fā)揮效能。在一級轉(zhuǎn)換接收機中使用計數(shù)器式解調(diào)電路會使振蕩器的頻率十分接近于載波信號的頻率而無法正常工作。必須將信號混合差頻到足夠低的頻率，解調(diào)電路才能正常工作且無失真現(xiàn)象（還記得變頻超外差法是如何工作的嗎？）。第一級中頻頻點與載波信號十分接近，只差幾百K赫茲，從而能將信號混合到幾百K赫茲，但同時這會導致無法進行充分的前級過濾和必要的鏡像及衍生頻率干擾抑制（鏡像及衍生頻率干擾抑制將在隨后的段落中加以討論）。計數(shù)器式解調(diào)電路擁有良好的耐高溫性和高調(diào)幅波抑制性能。在寫這本手冊之時，計數(shù)器式解調(diào)電路只用在最先進的無線接收機設(shè)計中。

穩(wěn)定性和熱漂移

    在求積式解調(diào)器電路中，使用雙感應(yīng)器和電容器的另一個問題是它會隨不同因素（通常是溫度）而發(fā)生變化，無線電信號將會嚴重的失真。例如，在10.7MHz為中頻工作的單一轉(zhuǎn)換接收機中，在解調(diào)電路電路調(diào)整中僅百分之0.5的漂移就會使解調(diào)電路原有頻率減少53千赫茲，會造成嚴重的失真。而在二次轉(zhuǎn)換中頻接收機中，二次中頻頻率為1MHZ, 同樣百分之0.5的偏移，在調(diào)制過程中將只會產(chǎn)生5千赫的偏移。從而，就熱漂移來說，采用1MHz作為解調(diào)頻率的解調(diào)電路的頻率漂移百分比是以10.7MHz為解調(diào)電路的十倍。
 
    那么，為什么不是所有的接收機都使用解調(diào)電路為1MHz的雙重轉(zhuǎn)換設(shè)計呢？首先，由于存在兩個振蕩器和兩組中頻濾波器，雙重轉(zhuǎn)換接收機包括許多組件，并且制作和排列的成本更高。其次，由于振蕩器信號可以泄漏進其他電路甚至彼此之間相互影響，造成各種不同的“奇怪”效應(yīng) ，因此使用兩個振蕩器可能產(chǎn)生更多的內(nèi)部互調(diào)問題。盡管設(shè)計難度大，適當設(shè)計的雙重甚至是三重轉(zhuǎn)換接收機在最終性能的分析時，性能表現(xiàn)會更為優(yōu)秀。
 
壓縮擴展器
 
    在接收機內(nèi)部的解調(diào)電路后的擴展器一定是發(fā)射機壓縮器的“完美鏡象”。其目的在于完成噪音抑制壓縮擴展過程，也就是將音頻信號的動態(tài)范圍加倍放大，這和發(fā)射機中壓縮的處理相對應(yīng)。音頻信號的動態(tài)范圍在發(fā)射機中以2：1比率壓縮，在接收機中以 1：2的比率 放大還原為原始音頻信號。在“音頻信號處理”一章中將詳細介紹壓縮擴展器。
 
調(diào)幅抑制

    改善接收機調(diào)幅抑制的主要方法就是在解調(diào)電路之前采用強烈的限幅處理。限幅處理幾乎將信號轉(zhuǎn)換成完全的方波，因而調(diào)幅強度波動將不會改變進入解調(diào)電路的波形。
 
    有些類型的解調(diào)電路也提供調(diào)幅抑制。求積式解調(diào)器沒有內(nèi)在的調(diào)幅抑制，不過脈沖計數(shù)器式解調(diào)電路卻提供額外的調(diào)幅抑制。
 
音頻輸出部分
 
    接收機的音頻部分必須提供超低噪音增益，同時將失真降低到最小限度。它也要有正確的輸出連接器，平衡或非平衡的配置以及根據(jù)應(yīng)用環(huán)境設(shè)定輸出電平。低成本的接收機主要只提供單一的輸出端，并通常是非平衡配置。而高品質(zhì)的，多用途接收機為連接各種音響和錄音設(shè)備，提供了各種不同電平的輸出接口。
 
靜默技術(shù)

    當匹配的發(fā)射機關(guān)閉時，或信號條件太弱不能產(chǎn)生可用的信噪比時，接收機中的 “靜默”電路便用使音頻輸出啞音。有以下幾種不同的方法：
 
1.        固定的射頻強度閾值靜默
2.        由高頻音頻噪聲控制的可變閥值靜默
3.        導頻信號控制靜默
4.        數(shù)字代碼控制靜默
5.        微處理器控制算法 （智能靜默技術(shù)）的靜默處理
 
 有兩種相反的情況要求不同的靜默處理方法

1.        近距離時，具有很大的平均射頻強度
2.        遠距離時，具有微弱平均射頻強度
 
    在具有很大射頻強度的近距離操作范圍內(nèi)，理想的靜默處理應(yīng)該是活躍的，不允許音頻信號產(chǎn)生任何噪音，又能將導致多路徑跑頻的潛在噪聲啞音。這種方法的問題在于活躍的靜默處理將會明顯降低操作范圍。

    在具有較低的射頻信號強度的遠距離操作范圍上，理想的靜默將不會那么活躍，為了擴大操作范圍，它允許射頻信號降至接近背景噪聲的水平后才開始靜默。然而，在近距離、強射頻信號時該方法會導致多路徑信號傳輸所造成的短暫的“噪聲加強”。
 
    固定射頻強度閥值靜默系統(tǒng)通過監(jiān)視到來的信號強度來決定是否需要靜默。這種類型的設(shè)計中，盡管靜默閾值經(jīng)常是可調(diào)節(jié)的，由于特定條件下平均射頻強度難以預測，所以選擇最優(yōu)設(shè)置十分困難。當匹配的發(fā)射機關(guān)閉時，接收機也可能會被干擾信號誤觸發(fā)。
 
    當發(fā)射機關(guān)閉時，可以利用高頻噪聲來控制靜默閾值，從而使接收機啞音靜默。該方法也假設(shè)跑頻是在高頻噪聲逐漸升高之后可以預測發(fā)生的，盡管這種類型的靜默技術(shù)在絕大多數(shù)情況下相當有效，它也可能被包含大量高頻的音頻信號所 “欺騙”，比如，使車鑰匙或硬幣發(fā)出叮當聲。
 
    導頻信號控制的靜默系統(tǒng)通常使用在發(fā)射機產(chǎn)生的連續(xù)超聲波導頻信號來控制接收機的音頻輸出。接收機對導頻信號必須比對射頻載波信號更加敏感，當載波信號很弱但仍然可以產(chǎn)生可用的音頻信號時，可以避免意外的靜默。當發(fā)射機關(guān)閉時，用該方法使接收機啞音是十分有效的，但是當發(fā)射機很近或有一定距離時，這并不能解決射頻信號強弱的問題。
 
    當發(fā)射機開著時，數(shù)字代碼靜默技術(shù)利用由發(fā)射機產(chǎn)生、包含8比特代碼的超聲波音頻信號來通知接收機打開音頻輸出通道。代碼在發(fā)射機開啟后重復發(fā)送幾次以確保接收機接到代碼。發(fā)射機關(guān)閉時首先發(fā)出另一個代碼以通知接收機將音頻系統(tǒng)啞音，然后在簡短的延遲以后，關(guān)閉發(fā)射機的電源。在每個系統(tǒng)中使用不同的代碼以避免與多通道無線系統(tǒng)的沖突。當發(fā)射機關(guān)閉時，該方法在使接收機啞音方面是非常有效的，并且消除了開關(guān)機時的噪音，但仍然不能兼顧解決射頻信號強與弱兩種情況下的問題。
 
    在一些Lectrosonics接收機中引入了一種稱作SmartSquelchTM（智能靜默技術(shù)）的獨特技術(shù)。這是一種由微處理器控制的技術(shù)，它在幾秒里通過監(jiān)測射頻強度，音頻強度和近期的靜默歷史而自動控制靜默操作。系統(tǒng)在強大的射頻信號的情況下提供活躍的靜默功能以消除在近距離的多路徑傳輸環(huán)境所造成的噪音。當射頻信號比較微弱的時候，系統(tǒng)會提供相對“不活躍”的靜默功能，以便在盡可能遠的距離范圍內(nèi)盡可能傳輸更多可用的音頻信號，通過遮蔽效應(yīng)來盡可能消除本底噪聲。
 
射頻信號ACE 計算機界面

    隨著微處理控制的出現(xiàn)，可以利用強大的工具來協(xié)助識別無線電頻率干擾和找出無干擾的操作頻段。Lectrosonics UDR200B接收機隨機附帶軟件提供了可對所有內(nèi)部設(shè)置和狀態(tài)以及各種不同操作模式進行調(diào)節(jié)的圖形界面。如果要安裝一套新的無線系統(tǒng)，接收機可以通過與RS232兼容的Windows® PC 接口來進行實地的頻率掃描。
 
    顯示界面的下半部顯示了一個用于進行頻率掃描的圖像的掃描頻譜分析器。在掃描期間，接收機在調(diào)制范圍上分步調(diào)諧，位于屏幕上的指示器會顯示所找到的頻率和信號強度。如圖四：