数字视 音频发射机DVB T
张彦文
【摘 要】本文介绍了广播发射系统中，节目源模拟音频信号加工的概念、音频加工的方式及音频加工的主要技术问题。阐明了模拟信号的音频加工在实现高调幅与高质量之间的矛盾，对模拟音频处理的系统设计以及音频处理器的使用维护都具有重要的理论指导意义。
【关键词】调幅广播；音频加工；调幅度；边带功率
0 前言
调幅广播发射机系统中，作为调制信号源的音频信号，必须经过压缩、限幅、频率均衡、和相位加工等加工处理，才能防止调幅广播发射机工作时出现过调幅导致设备工作状态不稳定损坏元器件，同时更重要的是可以提高广播节目的收听响度，有效改善广播节目的播出质量。
1 音频加工的概念
根据调幅广播发射的理论可知，调幅广播发射机的发射功率P由两部分组成如（式1），其中载波功率为Pc，边带功率为Pc，m为发射调幅度。
从（式1）中可以看到，仅当m =1，即100%调幅时，边带功率最大，量值为载波功率的二分之一。而边带功率却包含着广播发射所要传递的全部音频信息。因此提高边带功率是提高广播节目的收听响度，改善广播节目播出质量的关键因素。
在实际中，音频节目信号中的大多数电平的幅度都处于低幅度的状态，只有很少量的幅值电平能达到100%调幅。而一般的语言、音乐广播节目源中，其音频信号的频率和幅度都是随机变化的，因此对调幅度指标的衡量必须采用平均调幅度的概念。其定义为在一定时间内音频节目信号调制载波所产生的平均边带功率与在同一时间内使用单一音频信号调制同一载波所产生的边带功率相同，则该单一音频信号调幅度即为此时间内该音频节目信号的平均调幅度。
实验得到的数据是，我国男女声新闻语言类节目平均调幅度为18%，一般音乐节目为25%，同时相应的平均边带功率仅为载波功率的2%～3%，这表明即使有很大的载波功率，而传递包含音频信息的载波功率却很小，发射设备转化能量能力的效率太低。
因此，音频加工的概念就是如何对音频节目源信号进行加工，提高音频信号平均调幅度，从而提升发射机的平均边带功率，提高广播节目的收听响度，改善广播节目播出质量，从而也提高发射机的能量转化效率。
由上文可知，在广播发送系统中，在一定的信号发射及节目接收条件下，决定广播节目的覆盖范围，收听响度等广播效果的因素为发射波的平均边边带功率，即取决于发射系统的平均调幅度，而瞬时功率的100%调幅不起决定性作用。那么平均调幅度取决于什么呢？平均调幅度取决于音频节目源信号的动态范围（所谓信号动态范围就是节目信号中最大信号电平值与最小电平值之比，一般用分贝表示），一般的信号动态范围越大，其所达到的平均调幅度就越小。
要实现充分利用发射系统的边带功率，提高平均調幅度，就是要把调制信号源的最高电平与发射系统的100%调幅对应起来。实际的统计分析中语言节目的动态范围为30～40dB，音乐节目为70～80dB，在录制后其动态范围大约为50～60dB，并且信号中大部分电平是集中在动态范围为的中间区域。如果将电平集中的中间区域与发射系统的100%调幅对应起来，那么高于这个区域的电平就会引起发射系统的过调幅，引起设备工作状态不稳定甚至损坏设备，而低于这段区域的电平信号又会使发射系统调幅度过低而使边带波利用率太低。
因此，单一的音频加工就是将音频节目信号源的动态范围进行压缩，用以提高平均边带功率，改善广播的播出效果。当然，一个节目原有的动态范围被改变了，节目的音质就收到了损害，因而这样的音频加工在提高平均调幅度，提高边带功率的同时也就牺牲了一部分节目信号的音质。
尽可能地减小音频加工所附加的非线性失真，一直是人们所追求的主要目标。随着现代音频加工技术的发展，现在高品质的音频加工设备， 不再是单纯对音频信号的压缩和限幅处理，提高广播的收听响度和防止发射机过调幅， 而且具有多种音频处理功能从而提高了音频节目源信号的音质效果，使原有的节目更加清晰动听。因此，合理地选择和使用音频加工设备将会显著地改善播出质量。音频加工器已成为中、短波调幅广播系统中不可缺少的重要设备。
2 音频加工的方式
各种音频加工器的电路结构虽然是多种多样的，但音频加工的基本方法可分为电平加工，能量加工，频谱加工和相位加工等，先进的音频加工设备，运用了其中多种方法，但都是力图在提高声音的响度和质量二者之间进行着折衷。
电平加工：电平加工就是对节目电平进行自动调整的加工。在实际中，由于节目信号源的电平浮动范围比较大，如节目的动态范围同样都是50dB，但可以是-40～10dB，也可以是-20～30dB，输出的节目信号源会因为节目不同而忽大忽小，造成过调幅或调幅度不足。因此通过电平加工可以使不同节目的电平在保持原有动态范围的情况下保持稳定。如果依靠人来对此进行调整的控制，那是很难实现的。电平加工一般采用自动增益控制（AGC）原理，其增益压缩和扩大的时间常数（即实行对电平压缩的时间和恢复时间）选择是个关键的复杂问题。复杂的电平加工，时间常数的选择是根据节目内容，参照心理声学原理由特定的定时组件或模拟计算机来控制实现。
能量加工：能量加工就是对节目源信号进行简单的电平加工，有压缩（自动增益控制）和限幅（削波）两种基本形式，其主要作用就是压缩节目电平的动态范围，增加音频信号电平的密度，从而提高发射机边带波的能量。在传统经典的音频加工技术中，当对节目信号源进行压缩或限幅时，一般会产生附加非线性失真，因此能量加工处理过程中一定要考虑消除这个附加失真。当然对于调幅发射技术，边带信号包含着重要的传输信息，所以提高平均边带波即声音响度，仍是首先要考虑的。
相位加工：在实际中语言和音乐节目源的波形一般是非对称的，这是由于基波和某些谐波的正峰或负峰作用比较集中合成的结果。相位加工就是通过人为的改变节目信号中各频率成份原有的相位关系的方法，对原有频率相位进行而重新安排，并称之为移相。因此移相加工可以改变节目信号波形的不对称性，减少这种不对称性所产生的高峰，以有利于提高平均调幅度，使节目的播出效果更佳清晰和响亮。相位加工通常是利用具有特定相位特性的移相器实现移相的。移相器可有多级全通滤波器组成，也可有几个独立单元的移相器组成。
频谱加工频：频谱加工就是人为改变音频信号原有的频谱结构，完成发射通路中某一环节频率特性的预校正。频谱加工的原理方式就是在音频通路中，加入均衡网络。一般可使用LC网络、有源滤波器等。
3 音频加工的主要技术问题
在现有的模拟式调幅广播系统中， 采用音频加工设备，改进广播发射机的音质和提高声音响度，常用多种模拟式音频加工设备，如压缩式限制放大器；削波式音频加工器（梯调）和射频削波器等。主要用以下主要技术特性衡量它们的性能：
动作时间：由于节目信号源的电平浮动范围比较大，在对节目电平进行自动调整的电平加工过程中，当节目源中特高电平、大信号到来时，音频電平加工的自动调整系统启动电平控制所需要的时间就是系统的动作时间。这个时间越短、系统反应越快当然越好，这样避免了长时间的大信号对发射系统造成冲击而引起发射机的过荷。但是，如果这个动作时间过短，信号的控制增益过于迅速突变，则会造成节目的收听失真。一般的动作时间小于1ms。
恢复时间：恢复时间就是在动作时间启动，自动增益控制系统实现自动音频的电平加工调整之后，增益恢复到原有增益所需的时间。恢复时间过长，那么紧随大信号之后的小信号就会处于低增益状态，严重影响发射机平均边带功率的提高；如果恢复时间过短，系统自动增益变化剧烈，音频信号在大信号过去之后将迅速恢复，这将会造成节目失真，破坏节目的动听度和某些艺术效果。因此恢复时间常数的选择对于提高平均调幅度的保证节目质量是矛盾的。为了兼顾提高平均调幅度和保证节目音质，恢复时间常数一般为0.5s。
附加音频谐波失真的消除：音频信号在经过压缩、限幅、频率均衡、和相位加工等加工处理过程中，会产生附加音频谐波失真，因此系统必须附加带通滤波进行滤波处理，避免梯形波附加相移导致的发射机过调。
互调失真：由于系统采用射频削波器单边带调制进行能量加工处理，所以在音频信号加工的同时，必然就引入了附加的调制，有了附加的互调产物，从而引起节目音质下降，而且这种互调失真又不易去掉，的失真影响。因此互调失真对音频加工系统的影响度也是系统的主要技术问题之一。
4 结束语
广播发射系统中模拟音频的加工与处理，使原有的音频节目更加清晰动听，很大程度上改善了广播的播出质量，是中、短波调幅广播系统中不可缺少的重要设备。当然要真正解决音频处理的诸多问题，实现调幅广播音质质的飞跃，还是要通过数字技术。
【参考文献】
[1]张学田.广播电视技术手册[M].国防工业出版社.
[2]刘长年，吴名森，王福全，舒雪峰.广播发送技术.
[3]短波广播发射机技术说明书.
[4]广播电视发送于传输维护手册[S].
[责任编辑：田吉捷]
