无线话筒系统的操作和设计概念

    普遍使用在扩音方面上的“独立”应用的台式接收机，如图二：

图二

    用于高端录音室，舞台和移动制作车的机架安装式接收机，如图三：

图三

    这些类型之间的差别是与物理尺寸、供电选项、射频性能以及音频性能有关。每个类型，都有许多制造商提供各种各样不同的型号，其价位也变化较大。

一些基础知识
 
    为了在各种不同接收机之间进行比较，对接收机的设计的基本了解是十分必要的。当在头脑中对接收机的不同部分有了一个基本的了解时，两台不同型号的接收机之间的价格和性能表现就一目了然了。这将对评估系统和作出购买决定起有极大地帮助。
 
    无线话筒系统的FM接收机都使用一种超外差设计。超外差过程包括在接收机端产生一个高频信号，并与接收到的载频信号混合或“外差”。当信号混合时，互调会产生“叠频”和“差频”信号。将信号混合在一起的目的是获取可被常规电路处理的低频信号。通过滤波器“叠频”信号被滤掉，而只让“差频”信号通过（“IF”，中频信号）。中频信号在解调阶段转换成音频信号，然后送至音频输出放大器。这样无线电信号就转变成了音频信号。

    整个过程看起来很简单，但事实上，设计一个真正高品质的调频接收机有点像变魔术。 三重转换设计只是简单的加了一个振荡器和一个混频器。事实上，每个环节通常都由许多独立的电路和子电路构成，有些提供基本的功能，而其它的却提供附加的修正和控制功能。正如你所想象的那样，接收机的每一个阶段都向设计工程师提出了的性能和成本双重挑战。为了在电路的某些部分提供必要的屏蔽，一台好接收机的机械设计还必须考虑无线电方面的因素。
      
接收机前级设计
 
    在一连串的滤波，增益和转换中，接收机的前级是第一步。前级基本上是一个以无线系统的载波频率上工作的带状滤波器。前级的工作就是过滤掉在工作频点通道以外的高能射频信号并提供强大的“镜像及衍生频率干扰抑制“（镜像及衍生频率干扰抑制在随后的章节中讨论）性能。前级可由简单的低成本线圈构成简单的过滤器，或者为提高性能使用螺旋形谐振器或可调节式陶瓷谐振器。
 
    在前级部分的简单线圈只能过滤宽频信号，但经常无法阻止来自无线系统临近操作频率的高能射频信号的干扰。对UHF无线话筒系统来说，电视广播是最普通的高能信号干扰源。由于DTV（数字电视广播）占据了以前为空的频段，对于高质量窄带宽前级的需求增加了。多级使用螺旋式和可调节式陶瓷谐振器配合高品质放大器可最大程度的降低和减少来自电视广播信号的干扰。
 
    各种前级设计之间性能主要有两方面的区别：

• 选择性
• 互调干扰抑制
 
    前级所能提供的选择性是由可抑制操作通道以外的信号数量来表示。滤波器的斜率越大，对相邻频率的能量抑制就越强。
 
    不同类型的前级组件（线圈，谐振器等）会产生不同的滤波器斜率，但是所有的高品质接收机都采用多级过滤前级并综合使用其中任何几款组件。这些多级过滤前级设计显著地增加了滤波器的斜率，但也的确增加了成本。
 
    互调就是对信号的混合以产生新的信号。例如，当两个信号在有源电路中（如放大器）混合时，放大器的输出将包括两个信号，加上其所产生的叠加及差频信号。叠加和差频信号被称作为“互调信号“。简单地说，三次互调谐波的意思是原信号中的一个（Fa）二次谐波（二阶）与原信号中的另一个信号（Fb）（一阶）相混合而产生一个新的差频信号（Fc）。
 
  2(Fa) - Fb = Fc
 
    避免三次互调谐波尤为重要，因为两个原始信号的三次互调谐波频率通常相对接近于原始信号频率，可以产生强烈的干扰。如果三次互调谐波频率碰巧与工作频率十分接近，那么前级过滤便失效了。能在互调干扰中避免这种情况的唯一方法就是在接收机端配备高过载负荷的放大器和混频器。例如：
 
给定两个频率分别为645和650MHz
那么
645 MHz x 2 = 1290 MHz
以及
1290 MHz - 650 MHz = 640 MHz（三次互调谐波频率）
 
    因此，工作频点设定在640MHz的接收机将受到来自频率为645MHz和650MHz的两台发射机的所产生的三次互调谐波的直接干扰。这种等间距的频率分配在无线话筒系统中是不允许的。互调表现性能是由一个称作“三次谐波抑制“的指标来评定的。这个指标表示为一个用分贝（Dbm）代表的数字，这个数字代表的是当输入信号的强度达到这个数字所代表的强度时，输入信号足以导致接收机产生互调失真，所产生的互调失真的强度与接收机内部的工作信号强度相等。进入接收机的两个信号在接收机的载波频点上产生三次互调波，随后测量输出的互调失真信号强度。通过不同的测试技术，可以精确的计算产生如此效应所需的输入强度。
 
    三次谐波抑制指标是测量接收机互调抑制的最佳方法。
 
    使用的放大器类型对接收机三次谐波抑制性能产生重大影响，有出色的三次谐波互调性能的放大器会要求较大功率，因此会对接收机电池使用寿命形成不利影响。前级滤波器带宽越窄（费用会更高），接收机拾取的能够产生互调的信号就越少 。

镜像及衍生频率干扰抑制
 
    镜像及衍生频率干扰抑制是衡量接收机的主要性能指标。理论上存在两个射频信号可以与接收机内的振荡器结合从而产生相同的互调频率。其中一个是源自发射机的理想信号，另一个信号频率与本地振荡器的频率差值与理想信号与本地振荡器的频率差值相同，但是方向相反，在此称为镜像频率。在接收机镜像及其周围的射频能量通常是主要的干扰来源。
 
    通常在空出的电视通道上操作的无线话筒系统的镜像及衍生频率可能与另外一个电视台的信号相同。除了选择性最强的前级设计以外，这都会产生干扰问题。敏锐的前级过滤抵制镜像及衍生频率上的能量使之无法进入接收机。
 
捕捉效应

    调频接收器得益于捕捉效应。也就是说，调频接收机从强信号中捕捉的音频信号要多于从弱信号中捕捉的音频信号。 较强信号中的音频信号将成为接收机输出音频的主要部分。但是弱信号依然会提高背景噪音并增加跑频机会。这种意义上的较弱信号可能是另一种无线发射机信号或宽带背景噪音。

射频混频器
 
      在接收机内的混频器把到达的射频信号和振荡器信号结合起来，从而产生 “叠加”和 “差频”信号。 “差频”信号位于理想的中频频点上。低成本的射频混频器通常在产生出理想的叠频和差频信号之外，同时还会衍生出很多伪信号（谐波）。如果伪信号发生在靠近接收机中频频点的地方，中频滤波器通常无法抑制，这会在最终音频输出时造成噪音和失真。好品质的射频混频器只产生一个叠加和差频信号，而没有谐波。叠加信号频点很高，足以被混频器后的滤波器完全滤掉，而只留下所需的差频信号以待后续处理。
 
    混频器也必须有很高的过载阈值。在供给混频器的全部射频能量超过其自身的容量时，会发生过载。敏锐的前级过滤减少了出现该问题的可能性，但与载频信号只有几兆赫兹之差的强大信号仍然可以通过前级过滤器，从而造成混频器过载。在前级设计中最有效的方法就是在每一级滤波器之间只提升适当的增益以补偿相应的损失。基本思想就是尽可能地通过各种滤波手段首先得到所需要的干净的频率，然后再进行增益放大，以便将噪声和各种干扰信号降到最低。
 
中频过滤

    在影响接收机的选择性指标的因素中，中频过滤器性能的高低是最为重要的。标准的多极陶瓷中频过滤器提供了约为300K赫兹的带宽。6极水晶中频滤波器只提供45到50千赫兹的带宽。在中频阶段，过滤带宽越窄越好。水晶滤波器要比陶瓷滤波器贵很多，但在干扰严重情况下，物有所值。
 
    然而，窄频段水晶过滤器要求振荡器不能有频点漂移现象，这就要求振荡器不能是温度敏感类型的。而对于低成本、宽频段接收机而言，可使用“频点漂移”的振荡器，因为尽管振荡器频点不稳定，但它所产生的中频频点仍旧可以保持在中频滤波器处理范围内。
 
    第三种开始广泛应用在接收机上的滤波器类型是SAW滤波器（表面声波滤波器）。这些滤波器在石英或其他压电材质上使用表面波将射频能量从输入端传输到输出端，并在表面通过交叉指状转换器的精确间隙而使某些频率通过并同时滤过其他频率。SAW滤波器在高出通常中频的频点进行过滤，同时也提供用其他方法难以取得的最小相位移动（组延迟）。当无线话筒使用越来越高的UHF频率时，设计者的工作就变得相对容易，但它们在拥有较高的选择性的同时，价格也比其它类型的滤波器贵很多。

    毋庸置疑，只有稳定的振荡器和窄频段的中频过滤器才能最大限度的抑制干扰，像用水晶滤波器功能一样。水晶滤波器的唯一缺点是，当信号经过高度的调制时，水晶滤波器失真率比陶瓷滤波器或SAW滤波器稍高。鉴于这种原因，你会经常在高端接收机上看到陶瓷滤波器或SAW滤波器而不是水晶滤波器，因为主要关心的是音频保真度。
 
调频解调电路（解调器）

    在接收机中的解调器或解调电路是一种将调频无线电信号转换成音频信号的电路。不同制造厂商使用不同的电路，但是在无线话筒接收机中的所有的解调器都可分为两大类：
 
1)  求积式解调器
2)  脉冲计数器式解调电路

    求积式解调器是一种利用相位移动产生变化直流电压的电路，从而生成音频信号。中频部分经放大产生方波。然后信号分成两个部分，其中一路信号经相位偏移电路。然后信号在与其中的一个延迟了90度相位的信号（该信号都是正交的）混合在一起。所产生的信号平均强度直接与无线信号的相位偏移（频率变化）有关。

    数字式的脉冲计数器式解调电路不同于求积式解调器，但它是一种将调频无线电信号转换成音频信号的更加有效的方法。计数器式解调电路按照无线电信号频率产生固定间隔的脉冲。
 
    当无线电信号频率增加时，脉冲间距变小；频率降低时，脉冲间距加大。在任何时间，脉冲的平均电压强度根据调频信号的频率成正比而上下波动，产生变化的低频电压（音频信号）
 
    计数器式解调电路通常在1MHz以下频率工作，这就意味着它们只能在二级转换接收机中发挥效能。在一级转换接收机中使用计数器式解调电路会使振荡器的频率十分接近于载波信号的频率而无法正常工作。必须将信号混合差频到足够低的频率，解调电路才能正常工作且无失真现象（还记得变频超外差法是如何工作的吗？）。第一级中频频点与载波信号十分接近，只差几百K赫兹，从而能将信号混合到几百K赫兹，但同时这会导致无法进行充分的前级过滤和必要的镜像及衍生频率干扰抑制（镜像及衍生频率干扰抑制将在随后的段落中加以讨论）。计数器式解调电路拥有良好的耐高温性和高调幅波抑制性能。在写这本手册之时，计数器式解调电路只用在最先进的无线接收机设计中。

稳定性和热漂移

    在求积式解调器电路中，使用双感应器和电容器的另一个问题是它会随不同因素（通常是温度）而发生变化，无线电信号将会严重的失真。例如，在10.7MHz为中频工作的单一转换接收机中，在解调电路电路调整中仅百分之0.5的漂移就会使解调电路原有频率减少53千赫兹，会造成严重的失真。而在二次转换中频接收机中，二次中频频率为1MHZ, 同样百分之0.5的偏移，在调制过程中将只会产生5千赫的偏移。从而，就热漂移来说，采用1MHz作为解调频率的解调电路的频率漂移百分比是以10.7MHz为解调电路的十倍。
 
    那么，为什么不是所有的接收机都使用解调电路为1MHz的双重转换设计呢？首先，由于存在两个振荡器和两组中频滤波器，双重转换接收机包括许多组件，并且制作和排列的成本更高。其次，由于振荡器信号可以泄漏进其他电路甚至彼此之间相互影响，造成各种不同的“奇怪”效应 ，因此使用两个振荡器可能产生更多的内部互调问题。尽管设计难度大，适当设计的双重甚至是三重转换接收机在最终性能的分析时，性能表现会更为优秀。
 
压缩扩展器
 
    在接收机内部的解调电路后的扩展器一定是发射机压缩器的“完美镜象”。其目的在于完成噪音抑制压缩扩展过程，也就是将音频信号的动态范围加倍放大，这和发射机中压缩的处理相对应。音频信号的动态范围在发射机中以2：1比率压缩，在接收机中以 1：2的比率 放大还原为原始音频信号。在“音频信号处理”一章中将详细介绍压缩扩展器。
 
调幅抑制

    改善接收机调幅抑制的主要方法就是在解调电路之前采用强烈的限幅处理。限幅处理几乎将信号转换成完全的方波，因而调幅强度波动将不会改变进入解调电路的波形。
 
    有些类型的解调电路也提供调幅抑制。求积式解调器没有内在的调幅抑制，不过脉冲计数器式解调电路却提供额外的调幅抑制。
 
音频输出部分
 
    接收机的音频部分必须提供超低噪音增益，同时将失真降低到最小限度。它也要有正确的输出连接器，平衡或非平衡的配置以及根据应用环境设定输出电平。低成本的接收机主要只提供单一的输出端，并通常是非平衡配置。而高品质的，多用途接收机为连接各种音响和录音设备，提供了各种不同电平的输出接口。
 
静默技术

    当匹配的发射机关闭时，或信号条件太弱不能产生可用的信噪比时，接收机中的 “静默”电路便用使音频输出哑音。有以下几种不同的方法：
 
1.        固定的射频强度阈值静默
2.        由高频音频噪声控制的可变阀值静默
3.        导频信号控制静默
4.        数字代码控制静默
5.        微处理器控制算法 （智能静默技术）的静默处理
 
 有两种相反的情况要求不同的静默处理方法

1.        近距离时，具有很大的平均射频强度
2.        远距离时，具有微弱平均射频强度
 
    在具有很大射频强度的近距离操作范围内，理想的静默处理应该是活跃的，不允许音频信号产生任何噪音，又能将导致多路径跑频的潜在噪声哑音。这种方法的问题在于活跃的静默处理将会明显降低操作范围。

    在具有较低的射频信号强度的远距离操作范围上，理想的静默将不会那么活跃，为了扩大操作范围，它允许射频信号降至接近背景噪声的水平后才开始静默。然而，在近距离、强射频信号时该方法会导致多路径信号传输所造成的短暂的“噪声加强”。
 
    固定射频强度阀值静默系统通过监视到来的信号强度来决定是否需要静默。这种类型的设计中，尽管静默阈值经常是可调节的，由于特定条件下平均射频强度难以预测，所以选择最优设置十分困难。当匹配的发射机关闭时，接收机也可能会被干扰信号误触发。
 
    当发射机关闭时，可以利用高频噪声来控制静默阈值，从而使接收机哑音静默。该方法也假设跑频是在高频噪声逐渐升高之后可以预测发生的，尽管这种类型的静默技术在绝大多数情况下相当有效，它也可能被包含大量高频的音频信号所 “欺骗”，比如，使车钥匙或硬币发出叮当声。
 
    导频信号控制的静默系统通常使用在发射机产生的连续超声波导频信号来控制接收机的音频输出。接收机对导频信号必须比对射频载波信号更加敏感，当载波信号很弱但仍然可以产生可用的音频信号时，可以避免意外的静默。当发射机关闭时，用该方法使接收机哑音是十分有效的，但是当发射机很近或有一定距离时，这并不能解决射频信号强弱的问题。
 
    当发射机开着时，数字代码静默技术利用由发射机产生、包含8比特代码的超声波音频信号来通知接收机打开音频输出通道。代码在发射机开启后重复发送几次以确保接收机接到代码。发射机关闭时首先发出另一个代码以通知接收机将音频系统哑音，然后在简短的延迟以后，关闭发射机的电源。在每个系统中使用不同的代码以避免与多通道无线系统的冲突。当发射机关闭时，该方法在使接收机哑音方面是非常有效的，并且消除了开关机时的噪音，但仍然不能兼顾解决射频信号强与弱两种情况下的问题。
 
    在一些Lectrosonics接收机中引入了一种称作SmartSquelchTM（智能静默技术）的独特技术。这是一种由微处理器控制的技术，它在几秒里通过监测射频强度，音频强度和近期的静默历史而自动控制静默操作。系统在强大的射频信号的情况下提供活跃的静默功能以消除在近距离的多路径传输环境所造成的噪音。当射频信号比较微弱的时候，系统会提供相对“不活跃”的静默功能，以便在尽可能远的距离范围内尽可能传输更多可用的音频信号，通过遮蔽效应来尽可能消除本底噪声。
 
射频信号ACE 计算机界面

    随着微处理控制的出现，可以利用强大的工具来协助识别无线电频率干扰和找出无干扰的操作频段。Lectrosonics UDR200B接收机随机附带软件提供了可对所有内部设置和状态以及各种不同操作模式进行调节的图形界面。如果要安装一套新的无线系统，接收机可以通过与RS232兼容的Windows® PC 接口来进行实地的频率扫描。
 
    显示界面的下半部显示了一个用于进行频率扫描的图像的扫描频谱分析器。在扫描期间，接收机在调制范围上分步调谐，位于屏幕上的指示器会显示所找到的频率和信号强度。如图四：