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本帖最后由 oldwood_hmgh 于 2018-1-17 22:13 编辑
（一）关于FM立体声编码、解码过程的白话（读者如果知道导频制立体声编码、解码原理，可以跳过这一段）
FM立体声编码、解码过程有频域和时域两种表述方式，最后的结论是相同的，我这里用时域方式表述。
先举一个可以帮助理解的日常例子：某小区的供水处可以给住户提供热水和冷水，可是通往各住户的管道却只有一条，于是供水处想了一个办法：周期性交替提供冷水和热水，并在供水处窗口安装红绿灯各一盏，与住户约定：红灯亮起时供热水，绿灯亮起时供冷水（假定住户都能看到这两盏灯），于是住户可以根据灯的颜色把水分别放到热水桶和冷水桶里，若你家只有一只水桶，你就不得不把冷水和热水放到一起，这时你得到的就是冷热混合的温水了。
FM立体声编码、解码过程与上面的例子很类似，发送端立体声有左右两个声道的信号，分别叫做L和R信号（它们的频率都不超过15KHz）,发送的时候用38KHz的频率控制电子开关快速切换L信号和R信号轮流发送，这个38KHz的频率就是所谓副载波。接收端收到这种信号流以后，如果囫囵吞枣地把它送到一个音频放大器，那么放出的就是L+R的声音，而这就是立体声对单声道的兼容。如果要“掰开核桃”听个立体声，就必须与发送端的38KHz副载波同步地把信号流切割成信号片段，准确地分发到L和R音频放大器，重放出的就是立体声。显然这种切割的准确性非常重要，首先切割的频率与发送端的副载波频率必须相同，否则那将是一片混乱，即便频率相同，切割的时机也要合适，必须在L信号与R信号变换的那个节点进行切割，否则切割出的信号片段即有一部分L信号也有一部分R信号，术语就是分离度劣化了。
如何才能做到正确切割？——必须要有一个与发送端同频（当然是38KHz）同相位的信号！——那就把发送端的副载波也一起送到接收端不就解决了吗？这个想法很直接，但在技术上是困难的，首先38KHz在发送端已经是比较高的频率了，调制之后就会处在发送频带的边缘处，接收端的通道带宽稍有不足，这个信号就会丢失或畸变，另外从信号频谱上讲，38KHz附近频率分布密集，代表左右声道差别的信息都在这里，接收端要从这些密集分布的频率中过滤出38KHz这个频率是非常困难的。
必须要解决这个红绿灯问题!从信号频谱上看，0—15KHz是主通道信号L+R, 以38KHz为中心左右各15KHz是副通道信号,即23KHz-53KHz, 现在15KHz-23KHz是空白未用,而这个频段的中心19KHz刚好是副载波频率38KHz的一半,如果在这里插入一个与副载波同相位的19KHz频率,接收端收到这个频率后再经过倍频处理——那就是副载波了！这个过程叫做再生副载波，而这个19KHz的频率就叫做导频P，即引导频率的简称。至于接收端要取得这个导频P就比较容易了，一是它不在通带的边缘，传输时不会轻易丢失或畸变，二是它左右各有4KHz的空白频带(保护频带),过滤它的时候不太容易混进其他频率，这就是导频制立体声编码、解码的基本原理，可见它的设计是很合理的。
（二）副载波的再生方法
任何一款解码器都要再生副载波，再生副载波的质量直接影响解码器的分离度，再生副载波的基本要求是（1）要与发送端的副载波同频同相（2）幅度要足够大，能可靠地控制解码开关电路（3）幅度要稳定（4）波形正负半周要对称（波形倒是不太挑剔，但最好用的还是正弦波）。
普遍应用的副载波再生方法基本是两种，第一种是用谐振在19KHz的LC回路滤出导频，加以放大后通过非线性元件（例如二极管整流）取得二次谐波，直接用于解码。这种方法可以称作直接倍频式，早期的电子管解码器大都是使用这种方法。第二种方法是本地设置一个76KHz的振荡器，利用锁相环电路使它的四分频19KHz相位与导频时刻保持一致（锁定），而这个振荡器的二分频38KHz输出就是可用于解码的副载波。这就是所谓锁相环式，这种方式再生的副载波幅度大而稳定，相位精准，现代的集成电路解码器广泛使用这种方式。
（三）为什么锁相环式优于直接倍频式
直接倍频式用LC回路过滤得到导频，但LC滤波回路由于Q值限制总有一定带宽，会混入一些其他干扰信号成分，强度不同的电台信号取得的导频幅度也不同，这些因素都会造成再生副载波的幅度和相位变化，使分离度降低。而锁相环电路则不同，它产生的副载波是本地振荡器的分频输出，幅度大小不受导频影响，锁相环是个闭环控制系统，一旦进入锁定状态，它的相敏检波器仅能对本地振荡器与导频的相位差做出反应，与导频不同频率的干扰信号锁相环基本是不理睬的，它对导频的幅度不敏感，只要幅度能保证锁定即可，用滤波器的观点看，锁相环电路就是一个单一频率的滤波器（通频带极窄，相当于一个Q值极大的LC谐振回路），所以它再生的副载波质量高，解码分离度就高于直接倍频式。
（四）为什么鲜见电子管锁相环式解码器
无论是国内还是国外产品，均未见到电子管锁相环式解码器产品（也可能我寡闻），似乎是一段技术空白，我猜测是以下的几个原因：
（1）锁相环技术产生在四十年代，最早是用于电视机的行同步扫描，技术成熟时电子管调频立体声接收机已经过了鼎盛时期，因此没有进一步的研发。
（2）锁相环电路需要比较多的元件，对于元件不是很多的电子管调频收音机来说，成本相对增加不少。使用的电子管数目必然也增加，而据说当时欧洲一些国家是按收音机电子管数目征收听税的。
（3）当时还没有高质量的立体声节目，音源本身的分离度就不高，所以对高分离度的解码器没有强烈的需求。
如今，调频广播电台的节目源都是高质量立体声的（例如CD)，所以接收机的解码器分离度要求相应也提高了，尽管集成电路解码器琳琅满目，但是毕竟都不是针对电子管调频收音机设计的，如果制作电子管调频立体声收音机，拥有一套全电子管的高分离度立体声解码器还是必要的，也是值得的，这是我做这个探索的初衷。
（四）本设计的原理框图，
从鉴频器来的复合立体声信号（MPX）首先进入阴极输出器做阻抗变换，其输出分为两路，一路送到开关解码器做
解码信号，另一路送到导频选频放大器选出19KHz导频信号并放大到足够推动相敏检波器工作，相敏检波器的直流
输出电压控制压控振荡器的频率保持在76KHz，压控振荡器的76KHz输出到第一个二分频器得到38KHz的信号，这就
是再生副载波，把它送到开关解码器与复合立体声信号一起做解码，解码输出的两路音频信号各自经过去加重和副
载波抑制网络就得到了左右声道信号。第一个二分频器的输出同时还送到第二个二分频器，第二个二分频器的输出
是19KHz，把这个信号反馈到相敏检波器与导频做相位比较，如有相位误差就会产生直流纠正电压送到压控振荡器
，这样就把副载波锁定在导频的倍频上了。导频放大器的输出和再生副载波同时还送到立体声指示器。
（五）作品第一号电路图解说
基于上面的原理，我设计了两款解码器，他们的区别仅在于开关解码器不同，锁相环副载波再生部分是相同的，立
体声指示器都没有画在图上，本文将在（八）中作为单独一个模块另行介绍，下面是作品第一号电路图，如果看不
清楚可下载PDF版本的文件
Art-1.pdf
(72.92 KB, 下载次数: 702)
棕色方框内是阴极输出器，由U1A 6F2的三极管构成，其输出分别由C4和C14送到导频选频放大器U1B的栅极和开关
解码器。蓝色方框内是开关解码器电路，D9-D12组成二极管环形解码器，与他们串联的四个1K电阻R61-R64是平衡
电阻以减少二极管特性离散的影响，T4是副载波变压器，它的作用是电平变换和波形变换，它把锁相环输出的方波
变换成正弦波，并隔离高压使电平适合二极管环形解码器。其初级（1-3端）谐振在38KHz，通过P、N两端子连接到
锁相环的第一分频器的屏极电路，次级（4-5端）感生的正弦副载波电压接到环形解码器的一个对角线，使D9、D10
与D11、D12支路轮流交替导通，每当一个支路导通时从C14来的复合立体声信号就“坐蹭车”，通过R76、C31或R79
、C32到达U6 6N1一个栅极，在U6 6N1的屏极得到放大的信号，经过隔直流电容C33、C34到去加重电路R65、C35和
R66、C36再经过绿色方框内的双T滤波器除副载波，就得到了右声道的信号，6N1两阴极跨接了一个2K电位器R73，
用于分离度补偿调整，顺便说这种二极管环形解码器电路解码性能非常好，每个支路串联的两个二极管共有1.4V的
电压死区，自然形成了左右声道切换时的保护角，即使副载波相位有少许波动，也不会轻易让另一声道的信号漏过
来，它对输出信号的副载波抑制也很好，甚至可以取消双T滤波器，然而具有这些优点的前提是，副载波必须是正
弦波，并且幅度足够大，足以充分打开、可靠关闭四个二极管，所以副载波变压器T4是不能省略的。
红色方框内是锁相环式副载波再生电路，这也是本设计的核心部分，U1B 6F2是导频选频放大器，从阴极输出器来
的复合立体声信号幅度峰值一般在1V左右，其中导频信号幅度是它的1%，也就是10mV左右，不足以推动相敏检波器
工作，经导频选频放大到800mV左右送到D5-D8组成的相敏检波器。相敏检波器的另一路比较信号由X、Y端子获得。
双三极管U2 6N15组成阴极耦合多谐振荡器，输出振荡频率76KHz的锯齿波，C10是锯齿波形成电容，U2A的栅极接受
相敏检波器在R29上产生的误差电压控制，R28、C13是低通滤波器，这两个元件虽然简单，但作用非常重要，它只
允许误差电压的直流部分到达U2A的栅极，而交流部分则被C13旁路掉，锁相环能够抗干扰即源于此。R20可调节多
谐振荡器的频率使之尽量接近76KHz，当频率调节到与76KHz相差不多时（我试验大致在150Hz以内）锁相环就可以
把频率拉到与导频一致，此即锁相环入锁。U4 6N15和U5 6N15组成两个双稳态触发器，双稳态触发器有二分频功能
，多谐振荡器的输出经C11耦合到U4，经二分频在其屏极输出对称的38KHz方波，此方波经N、P端子加到副载波变压
器T4初级侧，在次级侧形成10V（带载峰-峰值）正弦波副载波，足够打通环形解码器的二极管。38KHz方波还经C3
耦合到U5组成的另一双稳态触发器，在U5的屏极回路的取样电阻R31、R32上取得19KHz比较信号，经R33、C15和R36
、C20反馈到相敏检波器，完成闭环控制。
（六）作品第一号的制作和调整要点
导频变压器T3的制作数据：
线圈管使用中波收音机的陷波线圈骨架，直径10mm，磁芯直径8mm，初级分两段，次级夹在初级中间。初级用
0.12mm漆包线共绕800匝，先绕400匝，然后用透明胶带做绝缘层，再绕次级，次级用0.12漆包线双线并绕200匝（
绕完后首尾串联相接），再用透明胶带做绝缘层，接着绕初级400匝，与先前绕的400匝首尾串联相接。
副载波变压器T4的制作数据：
线圈管数据同上，初级、次级均用0.12mm漆包线双线并绕200匝，分别首尾串联，先绕次级，后绕初级，初次级间
加透明胶带绝缘。
两个线圈不一定非用蜂房绕法，平绕即可，我之所以用蜂房绕法是因为我不想做骨架和挡板，另外我有自粘漆包线
和好用的蜂房绕线机。这两个线圈不必过分追求高Q值，这点与直接倍频式解码器是不同的，因为选频工作主要由
锁相环完成。这两个线圈都是重负载工作，有载Q值很低，调整磁芯时谐振点不很明显，这种低Q状态下，即使回路
失谐，信号经过它们时产生的相移也不大。还有，如果副载波变压器Q值过高，会引起第一个触发器输出波形圆化
，影响第二个触发器翻转。
锁相环部分使用零件比较多，但调整并不困难，所需仪器是一台信号发生器（最好是DDS的）、一台频率计、一台
示波器。
上电后电子管充分预热，用示波器检查U2B屏极应该有锯齿波，检查U4B、U5B的屏极应有方波，此表明工作基本正
常。
再用频率计接在U5B屏极，调整R20，使频率计显示19KHz（误差100Hz以内），然后把信号发生器频率调到
19KHz，衰减调到最大，从C12注入信号到U1A栅极，逐渐增加信号强度，同时观察频率计显示，调到到某一强度时
应该看到频率计显示有个跃变，变得与信号发生器频率相同，这表明锁相环入锁正常。此时微调信号发生器的频率
（200Hz以内），频率计显示应跟随变动。这表明锁相环跟踪正常。再把信号发生器调回19KHz，示波器接在U1B屏
极，应该看到19KHz正弦波，调节T3磁芯使波形最大，T3即算调好。再把示波器接在副载波变压器T4的次级一臂上
，应该看到38KHz正弦波形，调T4的磁芯使波形最大，T4即算调好。要注意的是以上调整过程有的调整点是有屏极
高压的，必要时要串联一个耐压足够的隔直流电容，防止损坏仪器。
开关解码器基本是不必调整的。
撤掉信号发生器，把C12接到调频收音机的鉴频器输出端，左右声道信号接到双声道功放器，立体声应该出来了。
如果有标准的立体声信号发生器，可以试调一下R73使分离度最好。用普通的音乐节目调R73是听不出来变化的。
下面是完成后的作品第一号的照片：
（七）作品第二号电路图解说
下面是作品第二号电路图，如果看不清楚可下载PDF版本的文件：
Art-2.pdf
(66.8 KB, 下载次数: 445)
作品第二号与作品第一号的锁相环部分是相同的，区别仅在开关解码器部分，这个解码器我使用了一种特殊的双屏
极偏转束射管（Two-Plate Beam-Deflection Tube）型号是6ME8，类似的管子还有6AR8、6JH8等型号，这类管子的
结构原理类似示波管，但没有荧光屏，它的阴极、控制栅极与一般五极管无异，但它有两个屏极，还有两个偏转电
极，两偏转电极之间的电位差可以把阴极来的电子流按比例分配到两个屏极，极端情况就是关断其中一个屏极，只
开通另一个屏极，因此可以当开关用。下面的PDF文件是6ME8的有关资料：
6ME8.pdf
(275.37 KB, 下载次数: 436)
图中蓝色方框内就是这种解码电路，从阴极输出器来的复合立体声信号加到6ME8的栅极上，从U4两个屏极来的两个
相位相反的副载波电压通过R42、R43（实际是两个跳线）加到6ME8的一对偏转电极上，从两个屏极上得到解码后的
信号，实现了开关式解码。U4输出的副载波电平恰好与6ME8所需要的电平相同，因此能够直接耦合而不必使用副载
波变压器。由于没有副载波变压器做波形变换，加到解码管的副载波电压波形是方波，理论上这种方波解码方式每
个声道都会混进另一个声道的一部分信号，称为串音，引起分离度下降，（大约是4:1的关系，左声道得到的是
0.818L+0.181R,右声道得到的是 0.818R+0.181L），因此必须补偿，补偿的方法是从解码管阴极引出一部分信号，
它的主要成分是L+R，但相位与屏极信号相位相反，用电位器R45控制引出信号幅度，使刚好是-0.181（L+R）（注
意负号的来历），把这个信号通过C22送到由R49、R50、R51、R52组成的加法矩阵与两屏极来的信号相加，刚好抵
消每个声道的串音，补偿后左声道是0.637L，右声道是0.637R，理论上达到完全分离，仅是幅度有所减小，然后这
两个信号经去加重和副载波陷波网络输出到音频放大器。
锁相环部分的调整与作品第一号相同，只是没有了副载波变压器的调整。
这两款解码器直流高压电源都是约150V，总电流35mA。U2屏极采用100V简易稳压供电，以减小电源波动对压控振荡
器的影响。
下面是作品第二号完成后的照片，
两款解码器的合影：
（八）关于立体声指示器
简单的立体声指示器做法是检测到导频后加以放大，驱动一个发光器件，表示收到的是立体声节目，在直接倍频式
解码器中都是这么做的，但是要在锁相环式解码器中也这么做就有些问题，原因是锁相环由于某种原因（信号太弱
、多谐振荡器严重跑频等等）可能没能入锁，这时虽然可检测到导频但并未正确解码，若此时点亮立体声指示灯，
那就是说假话了，所以锁相环解码器应该检测到导频并且锁相环正确入锁才能点亮立体声指示灯，电路就比较复杂
了，我的设计没有采用这种方案。
一些大牌的机器，例如马兰士10B，使用小型的示波管做双声道输出电平显示，视觉效果很是活跃，但并未明确指
示立体声解码器的工作状态，使用示波管做立体声指示器是很奢侈的做法，既然这么做了，就应尽可能多显示一些
信息。我们知道，锁相环式解码器正常工作时，导频和副载波的频率和相位是锁定的，如果把导频放大器的输出和
再生副载波分别送到示波器的Y轴和X轴，就能显示出稳定的李莎育图形，从这个图形里可以知道接收的信号和解码
器工作状态，以我的作品第一号为例解读如下：
（1）水平一条线：没有检测到导频，没有收到电台或收到的电台不是立体声节目，水平线的长度表示表副载波的
幅度大小。
（2）显示一个模糊矩形：检测到导频信号，表示收到立体声广播信号，但锁相环没入锁，解码器尚未正常工作（
解码器电子管预热中即如此），矩形高度表示导频幅度，矩形宽度表示副载波的幅度。
（3）显示一个左右不对称８字图形：收到立体声广播信号，检测到导频，锁相环入锁，但导频与副载波有相位差
别，分离度不佳，一般发生在刚开机时，会随电子管加热渐入佳境，如果已经达到热平衡仍然如此，可以调节R20
予以纠正。
（4）显示一个左右对称的８字图形：恭喜！检测到导频信号，锁相环入锁，而且导频与副载波相位相同，８字的
高度表示导频信号强弱，间接表示电台信号场强（调谐指示器可以省略了）。
在作品第二号上，由于副载波不是正弦波而是方波，所以显示的不是８字而是Ｂ字，解读的方法是一样的。
立体声显示器毕竟只是解码器的一个附属模块，其结构应尽量简单，下图是我设计的显示器电路图和实际制作的模
块。电路板使用单面板，只有7.3CMx12.7cm大小，使用3SJ1J小型示波管，也可以使用7SJ32J示波管,电路和元件数
值相同。由于导频放大器和副载波都有正反相对称输出，所以示波器使用了差动输入，可以减少共模干扰，四颗差
动放大管用2n5551即可，输入端有四个多圈电位器控制输入信号的大小，板上设计了2倍压至4倍压负高压整流，以
适应不同电压的高压绕组，实际制作时可自行取舍，我用单独一个小变压器供电，功率10W足够了，有三个次级绕
组：6.3V 0.6A ,70v 20mA， 200V 5mA，负高压用二倍压整流。
帖子过长——接2楼
补充内容 (2018-1-18 10:03):
第（五）段中“我试验大致在150Hz左右”是指检测19Khz时的范围，折算到76KHz应该是600KH左右，但不要直接检测76KHz, 示波器探头参数会影响振荡频率。
补充内容 (2018-1-18 12:41):
第（五）段电路图下面第8行 “就得到右声道信号了”应为“就得到左右声道信号了” |
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IP卡
狗仔卡
发表于 2018-1-17 21:41:46
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡
楼主
发表于 2018-1-17 22:35:47
