调频立体声解码器的分析与仿真

1、调频立体声解码器的分析与仿真潘志浪，陈永泰武汉理工大学信息工程学院，湖北武汉（430070）E-mail：alang121摘要：本文介绍了调频立体声广播的调制与解调的基本过程，并从数学的角度分析了立体声解码的一种方法，最后利用仿真软件对整个编解码过程进行仿真，通过相关波形的对比直观的证明了该方法的正确性。关键词：立体声，副载波，开关解码器，Multisim1. 引 言目前，国际上较为普及的立体声都是双声道的。双声道立体声的原始信息是左、右路音频信号，简称“L”信号和“R”信号。录制立体声节目时，由于声源的空间分布位置不同，使得到达两只录音话筒的左、右路声音信号的强度及时间不同。 L 和 R 两

2、路信号的强度差和时间差(或相位差)构成了立体声定位信息。重放立体声节目时，经左、右两路扬声器(或耳机)发出的声音能按比例地再现这种强度差和时间差，使聆听者获得了重放声的立体感1。调频立体声广播的研究过程中，主要的有三种方式：第一种是导频制；第二种是极化调制制；第三种是调频调频制。由于经济利益的关系和其他方面的原因，美国联邦通信委员会(FCC)于 1961 年确定美国立体声调频广播的制式为导频制(AMFM)。目前我国的调频立体声广播也是采用的 AMFM 导频制，下面主要介绍这种方式。2. 立体声广播系统2.1 调制AM-FM 导频制调制过程如图 1 所式，以振荡频率等于 19KHz 的倍频信号作

3、为副载波而将左右两通路的声频信号 L 与 R 之差 S 调幅并将载波抵制，然后再与两声频信号之和 M 混合。为了便于接收时副载波的还原，将适量的 19KHz 振荡信号加入而作为导频信号，然后再将这些混合信号调频于超短波的主载波上，这样就完成了调频立体声的调制过程。219KHzLR平衡调幅+FM图 1 立体声调制原理框图2.2 解调对于调频信号，通过鉴频器可以从中解调出复合信号 M(t)，但为了分离出 M（t）中的左右声道信息 R 及 L，需要用到立体声解码器，它的种类较多，按解调功能来分主要有两种：一种是矩阵解码器，另一种是开关式解码器，又称时分解码器。这里我主要介绍它，开关式解码器原理框图如

4、图 2 所示。-1-复合信号合成信号BPF19KHz二倍频开关解38KHz 码电路LR图 2 开关式解码器原理框图从图中可知，它首先将 19KHz 分离出来，然后二倍频成 38KHz，并以此作为开关信号，对主、副信道的合成信号进行识别和取样。若开关信号的相位和复合信号中的 38KHz 相位完全一致的话，就可以从开关信号的正峰上取出 L 声道的信号，从负峰上取出 R 声道的信号，目前广泛采用的锁相环解码器就属于这一种。3. 开关解码器原理分析上图中的开关解码电路模块原理如图 3 所示。S+ ( t )+低通滤波ULM(t )0.18-+-低通滤波U RS ( t )图 3 开关解码电路模块原理图

5、图中复合信号与两路开关信号相乘，再分别减去 0.18 倍的原复合信号，通过低通滤波即分别还原出左右声道信号，其中 M ( t ) 为调频接收机接收到的复合信号，因为 19KHz 导频信号仅用于提取副载波生成开关信号 S+ ( t )、S ( t ) ，故可以忽略，则 M ( t ) 可表示为2：M ( t ) = ( L + R ) + ( L R )cos 2t （ = 2 (19kHz) ）而 S+ ( t )、 S ( t ) 为一对单位幅度相位相反的矩形波，作为开关信号，其频率与副载波相同，表达式分别为：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 为整数， T = / ，即副载波周期。将 S+ ( t )、 S ( t ) 展开傅立叶级数，得S+ ( t ) =1 2 1 12 3 51 2 1 12 3 5与复合信号相乘并忽略式中副滤波的高次谐波部分，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 ) 含有较多的左声道分量 L 和较少的右声道分量 R，而M ( t )S ( t ) 刚好相反，为了完全分离出立体声的左右声道分量 L、R，还需要对上面的结果进行修正处理，这可以通过减去 0.18 倍的原复合信号来实现，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通过图中低通滤波除掉副载波分量，即得到被分离开的左右声道分量：U L = 0.63L ，U R = 0.63R4. 仿真下面对立体声的编解码过程进行仿真，仿真软件采用 Multisim 9.0。4.1 编码过程仿真立体声编码模型3如图 4 所示，设左声道为幅值 2V、频率 1KHz 的正弦波，右声道为幅值 1V、频率 500Hz 的正弦波，通过正反串联实现两信号的相加及相减，图中 A1 为乘法器，A2 为加法器，均

9、采用默认设置，各端口增益为 1。图 4 编码器模型由于 19KHz 导频信号仅用于提取同步的载频信号，而这里为了简化系统载频信号直接用信号源代替，为突出重点，故将导频信号幅度设为 0。当然实际的立体声复合信号是包含导频信号的，副载波的恢复一般是通过锁相环电路完成的。输出的立体声信号波形，如图 5 所示，从中可以明显的分辨出左右声道的信号。-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 )( 图 5 立体声波形4.2 解码过程仿真解码器模型如图 6 所示，为了得到一对单位幅度相位相反的矩形波，采用了图中信号源串联直流电压源的办法，乘法器 A3、A4 参数均采用默认，但加法器 A5 及 A6 需要稍加修改，将 C 通道的增益由默认的 1 改为0.18，以实现乘积项减 0.18 倍的原复合信号，最后加法器输出还要到过一个串联 RC 电路以实现低通滤波。图 6 解码器模型将编码器的输出信号接到解码器中，对其进行仿真，输出结果如图 7 所示，其中未加修正的波形是指图中乘法器输出直接接到低通滤波

11、器而不减去 0.18 倍的原复合信号得到的输出。左声道右声道原始信号恢复信号未加修正图 7 仿真输出波形对比从图中可以看出该解码器模型对立体声的恢复效果是比较理想的，而未加修正时有较明显的失真。5. 结论本文介绍了立体声调频信号产生及解调的基本过程，从数学的角度分析了立体声解码器的工作原理，并利用软件仿真了整个编解码过程，通过对相关的仿真波形的观察，对立体声复合信号的形成及解码过程有了更直观的认识，从另一个侧面证明了理论推导的正确性。-4-参考文献123沈嶑扩声技术M，北京：人民邮电出版社，1982.5。谢兴甫立体声原理M，北京：科学出版社，1981.9。吴雯Multisim 仿真软件在教学中

12、的应用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