校园FM调频立体声广播电台的设计.docx
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校园FM调频立体声广播电台的设计
论文（设计）题目：
校园FM立体声广播电台的设计
摘要
本论文设计了一种校园FM调频立体声广播解决方案，文中首先阐述了FM调频工作原理，然后针对调频广播中存在的频偏、功率发射小和单声道广播等不足方面，系统的设计了校园型调频广播电台调频发射机电路、发射天线阻抗匹配与安装要求、校园内喇叭布局等方面的工程。
关键词:
调频广播;发射;性能;系统
DesignofCampusFMBroadcastingSystem
Abstract
FMradiosystemoncampusasanelectro-chemicalmeansofteachingandacademicfacilities,discussedthecampus-basedFMradiostationFMtransmitterdesignmachinedesign,impedancematchingtransmissionantennas,thetransmittingantennainstallationrequirements,thelayoutofthecampusandsospeakerworksDesignandimplementationoftherelevantissuesthroughengineeringtesttoverifythatthecampus-basedFMradiosystemengineeringdesignisreasonable.
Keywords:
FMbroadcastingsystem;transmission;property;system
目录
1.引言1
1.1项目背景1
1.1.1调频立体声及特点1
1.1.2调频基本原理2
1.2研究意义2
1.2.1商用广播与校园广播的区别3
1.2.2建设校园fm立体声广播电台的意义3
2.电台的需求分析3
2.1功能需求3
2.1.1收听用户的主要功能要求3
2.1.2电台管理的主要功能要求3
2.2性能需求4
2.2.1尽量使用70～87MHz调频载波传输广播信号4
2.2.2保证频率稳定，尽量避免频率漂移4
2.2.3尽量建议学校选用无线广播选用大功率的发射机4
3.校园背景简介及规划方案4
3.1学院基本情况简介5
3.2对系统的建设目标规划方案5
3.3系统设计原则5
4.总体方案设计6
4.1调频发射机框图6
4.2调频发射机电路图6
5.发射机原理电路图分析8
5.1BH1417锁相环调频立体声发射电路分析8
5.1.1BH1417的原理特性8
5.1.2音频输入端的限幅电路9
5.1.3中级低通滤波器9
5.1.4末级FM发射电路9
5.1.5频率控制表10
5.2功率放大电路11
6.校园型调频广播发射天线与辅助设备基本要求12
6.1发射天线的基本特征12
6.2实现调频发射系统的阻抗匹配12
6.3传输线与发射天线的阻抗匹配13
6.4调频发射系统有关辅助设备13
7.校园广播喇叭布局14
8.调频发射系统的安装与测试15
8.1调频广播台台址的选择15
8.2天线安装与发射系统测试16
9.结束语16
致谢16
参考文献17
1.引言
校园调频广播系统是小功率无线调频广播电台播发系统构成的开路无线电广播,具有效果好、成本低、使用便捷和维修方便等显著的特点,作为校园教育电视台和校园有线广播站在教育与教学方面的补充和完善,特别在多频道外语教学广播方面显示出的独特优越性,正为越来越多的院校所采用。
校园小功率无线调频广播系统由发射和接收两部分组成,发射与接收的性能优劣决定着调频广播的收听效果。
1.1项目背景
调频广播是以调频方式进行音频信号传输的，调频波的载波随着音频调制信号的变化而在载波中心频率（未调制以前的中心频率）两边变化，每秒钟的频偏变化次数和音频信号的调制频率一致，如音频信号的频率为1KHZ，则载波的频偏变化次数也为每秒1K次。
频偏的大小是随音频信号的振幅大小而定。
调频广播是高频振荡频率随音频信号幅度而变化的广播技术。
抗干扰力强，失真小，设备利用率高，但所占频带宽，因此常工作于甚高频段。
在调频发射机中允许将最大频偏限制在75KHZ。
我国的调频频率规定范围为87--108MHZ。
学校一般规定在70--87MHZ之间，一般调频收音机接收不到信号。
目前我国的调频广播发展迅速，已经取代了原来的有线广播，虽然电视技术发展很快，但是它终究取代不了广播，因为广播的灵活性，收听设备小，投资少，见效快，是电视设备不可取代的。
有的校园为了让学生练习英语听力，就装设了调频小发射机，每个学生配备无线收听设备。
校园内还可以安装大功率调频广播音箱。
1.1.1调频立体声及特点
用两个传声器分别检拾左右两部分声音信号，并将左右两个声道的信号按一定方式进行编码，然后调制在同一副载波上，再用调频的方式调制在主载波上并发送出。
这样的广播，一个电台能同时播送左右两个声道的信号，称为调频立体声广播。
由于调频（FM）方式比调幅（AM）方式具有抗干扰能力强、信噪比高、频带宽、音质好、容量大等优点，所以立体声广播的主载波采用调频的方式。
按照对副载波和主载波的调制方式，调频立体声广播可分为AM-FM和FM-FM方式。
前者又分为导频制和极化调制制两种。
但是，不论哪一种制式，都必须考虑能与单声道调频广播兼容，即调频单声道收音机可以收听调频立体声广播，调频立体声收音机也可以收听调频单声道广播（但没有立体声效果）。
只有调频立体声收音机收听调频立体声广播时，才有声音的立体感。
目前，国际上较为普及的立体声广播都是双声道的，而且使用最多的是采用导频制式，我国也采用这种制式。
国际调频广播的标准频段规定为87～108MHz，我国、美国、欧洲一些国家就采用了这一标准频段。
也有些国家不采用这一频段，如苏联（采用64.5～73MHz）、日本（采用76～90MHz）及西欧的一些国家（采用87.5～104MHz）。
在导频制立体声广播中，为了实现兼容，广播电台须先将左（L）、右（R）两声道的信号，用矩阵电路变换成和信号（L+R）和差信号（L-R）。
和信号相当于普通单声道调频广播的信号。
普通单声道调频收音机收到这个和、差信号之后，只能解调出和信号来，和信号已经包括了节目的全部内容，但不是立体声的，不能把左、右分离开。
立体声收音机收到这个和、差信号，通过的立体声解调器（解码器），将左、右信号分离开，听到的是具有立体感的节目。
1.1.2调频基本原理
音频信号的改变往往是周期性的，一个最容易理解音频调制技术的范例是小提琴和揉弦，揉弦通过手指和手腕在琴弦上快速颤动，使琴弦的长度发生快速变化，从而最终影响小提琴声音的柔和度。
与“FM无线电波”相同，“FM合成理论”同样也有着发音体（载体）和调制体两个元素。
发音体或称载波体，是实际发出声音的频率振荡器；调制体或称调制器，负责调整变化载波所产生出来的声音。
载波频率、调制体频率以及调制数值大小，是影响FM合成理论的重要因素。
最基本的FMinstrument包括两个正弦曲线振荡器，一个是稳定不变的载波频率fc（CarrierFrequnecy）振荡器；一个是调频（ModulationFrequency）振荡器。
载波频率被加在调制振荡器的输出上。
载波振荡器是一个带有fc频率的简单的正弦波频率，当调制器发生时，来自调制振荡器的信号，即带有fm频率的正弦波，驱使载波振荡器的频率向上或向下变动，比如，一个250Hz正弦波的调制波，调制一个1000Hz正弦波的载波，那么意味着载波所产生的1000Hz的频率，每秒要接受250次的影响产生的调制。
制体和载波体都是有频率、振幅、波形的周期性或准周期性振荡器。
因此，在频率调制过程中，我们可以发现：
1.调制体的频率影响载波体的频率的速度变化。
2.调制体的振幅影响载波频率的深度变化。
3.调制体的波形（或音色）影响载波频率的波形变化。
4.载波体的振幅在频率调制过程中保持不变。
1.2研究意义
从传播媒介的角度来看，广播之所以没有被其之后的新兴媒介代替，是因为其“作为一种与听众更亲近的地方媒介幸存下来”。
很大程度上在于其便利性、流动性，广播对于人没有必须与媒体面对面的自是要求，而是让收音机来适应、对应人们所处的各种不同情况，并越来越成为以个人为对象的媒体。
1.2.1商用广播与校园广播的区别
与商用广播比较，校园广播电台有着明显的低成本优势。
广播电台不需要专业的调音发射器件、专业话筒音响等昂贵的设备，播出内容可以取自报纸、书刊、互联网和校园内的新鲜事，成本底、效率高。
对于受众来说，收听校园广播播出的内容更容易帮助学生学习和了解学校新闻。
针对性强，广播站便于合理播出需要的内容，对于个人来说，收听的内容少了广告的滋扰。
对于盈利性来说，校园广播虽不能在资金回收方面有什么优势，但是因为在学习和教育上确实有重要意义的，尤其针对当前的大学学科的广播教育工作。
1.2.2建设校园fm立体声广播电台的意义
大学广播台立足于校园，服务于师生，是校内重要的宣传阵地和文化窗口。
作为校内的宣传喉舌，它在配合学校贯彻各项中心任务，弘扬校园文化，传播校园新闻信息，丰富学生课余生活，抒发学子心声、推进校园精神文明建设等方面有其不可替代的作用。
校园广播电台能够成为传媒学子的实践平台，更好地发挥校园电台的实践职能；同时又能够成为学院党委的宣传阵地，正确的宣传党的方针政策，加强学院领导与学生之间的沟通，为学院的校风建设做好宣传工作，以更好地发挥校园电台的宣传职能。
大学生们亲切地将它称之为“我们的空中天使”。
校园广播为莘莘学子提供了有价值的精神食粮，同时又能为进一步繁荣校园文化做出特有的贡献。
2.电台的需求分析
2.1功能需求
本系统给广大同学提供了一个了解本学院的平台，并且便于及时传达校里的通知和舆论校园氛围的功能
2.1.1收听用户的主要功能要求
①收听者可以清晰聆听学校广播播放的新闻、音乐和英语学习广播。
②收听者可以用立体声收听学校广播并能享受音乐的乐趣。
③收听者可以在电台里面发表自己的心情故事和同学分享。
2.1.2电台管理的主要功能要求
①增加、修改、按需编排播放信息。
②及时、迅速、第一时间播报新闻。
2.2性能需求
2.2.1尽量使用70～87MHz调频载波传输广播信号
因为88～108MHz为公共广播频段，大部分的开路无线广播电台都选用此频段传输，其间无线资源比较复杂且谐波较多，若用此频段传输校园广播信号，容易受到干扰甚至产生音箱自鸣现象，不能适合校园广播维护日常教学秩序要求稳定性、可靠性的实际需要。
而70～87MHz频段比较干净，无线广播信号较少，用此来传输校园广播信号稳定可靠。
2.2.2保证频率稳定，尽量避免频率漂移
由于某些厂家一味追求低价位产品，不愿从技术上做些变革，造成频漂这种现象，在电台发射中稳定性和可靠性是建设校园广播系统首要考虑的因素，一个不稳定的时响时不响、时控时不控，或者说是让响的时候不响，不让响的时候哇哇乱叫的校园广播是无法满足日常维护教学秩序要求的，所以校方在选择校园广播产品时应该多方考察、慎重选择，切勿一味追求低价位，造成使用不便。
产生频率不稳定控制失灵的原因：
发射和接收设备元器件电气曲线特征受温度变化产生变化，造成频率相位、幅度不稳；所选频率受其他无线电波信号频率影响；选用控制传输通道受谐波干扰严重，或是误码率高。
2.2.3尽量建议学校选用无线广播选用大功率的发射机
考虑到校园广播建设稳定性可靠性的需要，我们通过提高终端接收设备电平门限的方法，来使接收设备不受其他较弱信号的干扰。
对于无线调频耳机或收音机来说，电平达到25dB左右就能够收听到无线广播节目，如果选择频率附近有严重谐波干扰，就会听到呜呜或吱吱的噪声，更甚还会出现串台现象。
我们在对校园广播需求进行仔细研究分析，并考虑我国无线广播发展现状和方向后，决定把终端接收设备的电平提高到40dB左右，以提高整个系统的抗干扰性能，确保系统能够长时间稳定运行。
那么，很显然提高了终端接收设备的电平指标，发射设备的功率也要相应的调整加大。
我们通过发射机功率和终端接收电平的调整实现了对系统稳定性的大大提高和加强，确保客户能够放心的使用产品，杜绝了控制不灵敏、音频信号不稳定、出现无线谐波等严重影响使用效果的现象发生。
3.校园背景简介及规划方案
以河南科技学院为例，分析现有区域面积合理配置广播站设施，主要分析以及对应的电路总体设计。
3.1学院基本情况简介
河南科技学院是一所省属多科性本科院校。
始建于1949年，前身是渊源于延安自然科学院生物系的北京农业大学长治分校和平原省立农业学校，历经平原农学院、百泉农业专科学校、河南职业技术师范学院等时期。
2004年5月，经国家教育部批准，正式更名为河南科技学院。
学院地处中原名城新乡市，总占地面积1365亩，校舍面积45万平方米。
建有现代教育中心、计算机中心和完备的多媒体教学、语音教学设施；校园网联通主要教学和办公场所。
图书馆各类文献资源总量达169万余册，各类期刊3600种，建有全省一流的数字图书馆。
是“全国职教师资培训重点建设基地”和“全国高职高专教育师资培训基地”。
3.2对系统的建设目标规划方案
经过对众多智能广播产品的详细了解，并通过对河南科技学院自身环境和教学需要的实地考虑，草拟校园智能广播系统的基本需求和建设目标，如下所述：
在办公主楼、1#教学楼、2#教学楼、3#-4#教学楼、1-2学生公寓、3-4学生公寓、5-6学生公寓、学生餐厅、主要道路附近、操场周围等处安装广播设备，使广播系统涵盖整个学院的不同角落。
校园广播系统应具备背景音乐、公共广播和消防紧急广播多项功能，广播系统根据学校需要分为不同的功能区域，能够手动或自动设置播放。
系统设计应做到“先进性、科学性、经济性、实用性”相统一，在达到系统功能，保持系统先进性的同时，尽量减少系统成本，达到与经济性的有机结合。
系统应留有消防报警联动紧急广播接口，可以与消防设备结合，实现邻层报警、紧急广播、紧急疏散的广播。
3.3系统设计原则
进行系统设计时，本着“科学性、稳定性、经济性”相统一的原则进行设计。
科学性：
设计时充分考虑到广播系统应用学校的复杂多样性，对大中型广播系统不仅需要日常教学秩序维护，而且应有外语听力教学、校园背景音乐播放等需求进行严格科学论证和考察。
本方案所采用智能广播系统将教学管理、背景音乐、外语听力教学等融为一体，切实符合学校对广播系统的各种需求。
稳定性：
调频调制器采用微电脑锁相环技术确保频率调制稳定，无频漂；控制信号采用SCA副载波来传输控制信号使控制可靠稳定，误码率接近为零；音箱接收采用晶振稳频，使接收频率稳定，不会因温度变化致使接收频率漂移。
总之，稳定性是保证学校日常教学秩序得以正常的前提，我们采用各种先进手段确保系统能够长时间正常运行。
经济性：
对于建设广播项目来说，性能优越、技术先进是首要考虑的问题，经济性也忽略不得。
我们在设计时充分考虑到这一层面，既使系统架设先进简易又不失经济可靠。
广播系统和有线电视系统干线合二为一，尽量压缩使用线路，降低施工费用，利用可利用资源，提高系统的性能价格比值。
4.总体方案设计
由于频率合成技术的应用,使用于校园型的调频发射机可通过连接调节频率预置旋钮来改变调频发射机本机的载频,并能保证调节后的频率稳定度仍在允许偏差的范围内。
频率锁相技术的应用已使载频的频偏控制在200Hz的精度范围内,目前比国家标准所要求的3000Hz的载频允许偏差要精确得多。
选择具有不同音频输入接口的发射机,可以为发射机系统中前端播出设备的选型提供方便。
音频有线传输的信号是校园有线广播电台与调频无线广播电并网的重要信号源,要考虑音频有线信号具有平衡输出与非平衡输出两种类型的需求,选择具有相应接口的小功率调频发射机。
4.1调频发射机框图
调频发射机框图如图1所示，该调频发射机是以bh1417锁相环调频立体声发射模块为核心的校园型调频发射机，具备话筒输入和线路输入多种音源的输入方式，因此信号源的取选方式是多样的，输入的信号经过bh1417集成块内部的调制、解码和鉴相后再经过内部的射频放大器放大，信号输出到射频功率放大器放大后发射，并输送至校园内的喇叭设施。
图1调频发射机
4.2调频发射机电路图
图2是BH1417锁相环调频立体声发射机电路图，BH1417是一个最简单而又实用的集成电路，它集锁相环电路、立体声编码电路、发送电路，外围加上几个几件就组成了一台高频定多频点的HI-FI调频立体声发送器。
而且它设置了预加重电路、限幅电路及低通滤波器，可明显地改善音质。
其总谐波失真达到了０．３％，立体声分离度为４０ｄＢ，ＲＦ输出电平为１００ｄＢ。
图2调频发射机电路图
BH1417，该IC内部集立体声编码、锁相环电路、RF放大等。
BH1417发射板板具有极高的频率稳定度，和专业电台媲美的高保真音频效果，简洁的电路，很容易就体会到自制高保真电台的乐趣。
以往要达到如此效果，通常是一块频率合成IC，一块分频IC，一块立体声编码IC，加上复杂的外围元件效果也不理想。
BH1417锁相环调频发射板在原基础上弥补其不足，加大发射功率很容易满足校园广播的需要。
后级的射频功率放大器可将功1—2W、88—108MHZ调频发射机的功率扩展至于10—15W，采用单管丙类放大及多级低通滤波器组成，具有较高的转换效率及很强的诣波抑制能力。
由于校园呈矩形结构,可采用定向型的伽师天线来覆盖全校或需要覆盖的局部校园。
5.发射机原理电路图分析
5.1BH1417锁相环调频立体声发射电路分析
5.1.1BH1417的原理特性
FM发射电路采用稳定频率的锁相环系统。
这一部分由高频振荡器、高频放大器及锁相环频率合成器组成。
调频由变容二极管组成的高频振荡器实现，高频振荡器是锁相环的VCO，立体声复合信号通过他直接进行调频。
BH1417的内部结构如图3所示。
他由5部分组成：
音频预处理电路（加重、
图3bh1417内部原理框图
限幅和低通滤波）；基频产生电路（晶振、分频）；锁相环电路（相位检测、锁频）；频率设定电路（高低电平转换）；调频发射电路。
外围电路主要有拔码开关组成的频率控制电路、压控振荡器组成的载波产生电路、定时器连同一些耦合电容。
1）将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路（LPF）一体化，使音频信号的质量比分立元件的电路（如BA1404、NJM2035等）有很大改进。
2）采用锁相环锁频，并和调频发射电路一体化，使得发射的频率很稳定。
3）采用了4位拔码开关进行频率设定，可设定14个频点，使用很方便。
5.1.2音频输入端的限幅电路
图4为音频输入限幅电路，BH1417音频输入有最大电平限制，过大的输入电平会损坏芯片。
在前期的试验阶段，输入音频电平幅值具备不可预测性，为了保护芯片，需对输入音频信号进行限幅处理。
限幅电路很简单，利用可变电位器即可。
电路如图4所示，图中电容的作用是将音频信号耦合到芯片中，同时有隔直流功能。
图4音频输入限幅电路图5低通滤波器
5.1.3中级低通滤波器
结合BH1417频点可知，压控振荡器的频率变化范围必须覆盖芯片的任何频点。
图5为低通滤波器，考虑到通用元器件的精度和加工工艺水平，这里适当放宽频段，以确保芯片能正常地锁住频点。
假定频带为：
80MHz～120MHz。
L采用普通的磁芯可调式电感，电感量标称值为（30nH～60nH）；变容二极管的电容随偏置电压的变化而改变，其极限范围为（7pF～35pF）。
为了确保电路的稳定性，C2和C3值不能相差太大，这里假定C2取51pF，C3范围取为7pF～35pF。
下面确定C1的值。
由式
（1）、式
（2）可知电感L、电容C3均取最小值时，压控振荡器取得最大振荡频率，反之，取得最小频率。
5.1.4末级FM发射电路
Fm发射电路如图6所示，立体声信号通过1、22引脚输入，配合2、3、20、21这几个引脚外部的阻容组合，完成立体声信号的低通滤波、预加重和调制，调制后的复合信号通过5脚输出。
15、16、17、18引脚输入的频率代码经过解码和鉴相后，由7脚输出PLL振荡器的控制信号VCO。
此VCO控制外部由分立元件组成的高频振荡电路，产生FM调频的载波信号，并通过一个达林顿三极管2SD2142对5脚输出的复合立体声信号进行FM频率调制。
调制后的信号通过9脚输入到BH1417，经过内部的射频放大器放大后的射频信号由11脚输出。
输出后的信号能够直接接到发射天线上进行发射，或输入到射频功率放大器进行放大后发射，以扩大发射距离。
13、14脚需要外接7.6MHz的晶体振荡器，提供给BH1417内部的鉴相、立体声信号调制等部分所需要的稳定时钟。
图6fm发射电路
5.1.5频率控制表
出于成本和使用特点考虑，目前在BH1417上应用较多的是固定器件选择频率发射，频率控制表如表1所示：
表1频率控制表
控制数据
频率
D0
D1
D2
D3
L
L
L
L
87.7MHz
H
L
L
L
87.9MHz
L
H
L
L
88.1MHz
H
H
L
L
88.3MHz
L
L
H
L
88.5MHz
H
L
H
L
88.7MHz
L
H
H
L
88.9MHz
H
H
H
L
锁相环停止工作，输出处于高阻态
L
L
L
H
106.7MHz
H
L
L
H
106.9MHz
L
H
L
H
107.1MHz
H
H
L
H
107.3MHz
L
L
H
H
107.5MHz
H
L
H
H
107.7MHz
L
H
H
H
107.9MHz
H
H
H
H
锁相环停止工作，输出处于高阻态
5.2功率放大电路
电路见图8所示，采用大功率发射管C1972，其参数如下：
175MHZ、4A、25W、功率增益≥8.5db、按图所示参数，电路工作中心频率约为98MHZ，输入约2W的射频功率时，额定输出可达15W。
为保88~108MHZ内的任一频点时输出达到额定值，可根据前级的中心频率对部分元件作适当调整。
必要时，可减少低通波波器级数，以增大输出功率。
经扩展后的功率信号由三级低通滤波器滤去高次诣波成份馈入了发射天线。
图8功率放大电路
元件选择：
除电解电容外，其它用高频瓷片电容器，C11、C12、C14用高频特性好，性能稳定的可调电容，扼流电感RFC1、RFC2用成品电感器，必须注意RFC2的电流承载能力，应选用线径较粗的带磁心的电感器。
L1—L6可用?
0.8mm的高强度漆包线制，直径约5MM，圈数图中以“T”为单位标明。
Q1用普通Q9插座，与插头配套使用。
Q2用专用50Ω射频输出接头，接解电阻更小，更有利于阻抗匹配。
功率放大管用比较常见的发射专用管C1972，功率将会更大。
调试电路时，务必注意因电路功率大，一定要接上假负载（本人用30支1W、1500Ω高精度金属膜电阻并联制成），并且要有足够在的散热装置，正常工作时电源功率不低于2.5A，天线阻抗严格等于50Ω，不能用短棒拉杆天线，否则强烈的射频回馈电流将使电路造成自身干扰，大部分射频能量无法辐到空
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