两种相位抵消法消侧音原理及其电路形式

摘要：为帮助正确理解及运用常见的消侧音电路，分别讨论了加法和减法电路实现的相位抵消法消侧音原理。几种典型电路均用到运算放大器。为直观认识每种电路的特点，估算了接收方获得信号和发送方输出信号的比值(电压比)，每种电路均经TINA-TI软件仿真和实际电路验证，估算值和仿真、验证结果一致。这些消侧音原理和电路可应用在楼宇对讲、无线对讲等场合。最后，分享了一些设计和制作消侧音电路的经验。
关键词：相位抵消法；消侧音；对讲系统；运算放大器

0 引言
楼宇、电梯、医院、车站售票窗口等场合往往需要对讲系统，不同于广播系统，对讲系统一般属于半双工系统，其音频信号有发送和接收两种。对于音频输出输入信号是模拟信号的对讲系统，音频发送和接收信号可以分别占用一条信道，也可以在同一信道上传输。实际应
用中，为了节约线材和安装方便，音频收发信号往往合用一条传输线。这时，发送信号也作用于自身的接收电路，如果不加处理，己方的喇叭就会播放出自己的声音，这个声音一旦大到一定程度，通话效果将大受影响。在使用对讲系统通话时，讲话者如果从己方受话器中听到很响的自己的声音，这种声音通常成为侧音。
在模拟音频收发信号共用一个信道的对讲系统中，为减小侧音对通话效果的影响，所有对讲设备均需增加消侧音电路。消侧音电路一方面让音频发送信号按一定比例出现在传输线上，另一方面让本方音频接收电路获得的信号足够小，不至于说话者从己方喇叭听到自己的声音。同时，接收方的消侧音电路让传输线上的电压按一定比例出现在音频接收电路的输入端，从而接收方喇叭播放出声音。
消侧音的方法通常有变量器法、电桥平衡法和相位抵消法。变量器法曾经在号盘式电话机中广泛应用，现今已被淘汰。电桥平衡法在按键电话机中普遍应用，相位抵消法在无线对讲机和楼宇对讲系统中比较常见。相位抵消法有多种电路形式，可以发现这些电路良莠混杂、谬误常出，因此，对相位抵消法原理及其电路形式进行系统阐述尤为必要。另外，电桥平衡法可视为相位抵消法的一个特殊形式将另文探讨。

1 用加法实现消侧音
1．1 原理
在图1所示的串联分压电路中，R1，R2为纯电阻，v1，v2为输入电压，vo为输出电压，据叠加定理：

令vo=0，则v1R2+v2R1=0，即：

特别地，当R1=R2时，v1=-v2。
由式(1)可见，欲使vo=0，v1，v2须满足2个条件：
(1)每个频率分量的相位相反；
(2)每个频率分量幅度呈一定比例且比例相同。

1．2 电路形式(一)
对讲各方的音频输入输出电路一般都相同，图2示意了两方对讲的消侧音电路，以虚线分割。甲方R10，R11之和远大于R6，故R10，R11组成的支路可视为开路。同理，乙方R21，R22组成的支路也可视为开路。对于U1输出的交流信号而言，传输线两端的隔直电容C2，C10可视为短路，运放U3的输出端可视为交流接地，于是R6，R17组成了简单的串联关系。忽略传输线的损耗，假设U1输出为1，经R6后降为0．5。再假设U2的放大倍数为-A(图中U2的实际放大倍数为正值，但相对于U1来说是负值)，根据式(1)，0．5R11=A×R10。由甲乙方电路的对称性，乙方的R21=R10且R22=R11。在乙方，R17右侧获得的电压为0．5，运放U4的输出端可视为交流接地，射随器可视为开路，故射随器输入端获得的电压为：

当2A远大于1时，接收方功放输入端获得的电压接近0．5。需要说明的是，如果音频传输线上并联了多个的相同设备，射随器输入端获得的电压将更小。
1．2 电路形式(二)
图3是文献提供的消侧音电路框图，其运用的原理与图1所述的相同。

甲乙两方的电路仍然是对称的，R1，R4，R2与R5，R3，R6分别相等。尽管文献没有给出具体的电路参数，但根据式(1)很容易得出接收方功放获得的电压。假设U1输出为1，U2，U3的输入电阻足够大，并忽略传输线对信号的损耗，则图中b点和d点电压均为0．5。再假设U2，U3的放大倍数为-A，由式(1)知0．5A×R2=R3。这时乙方功放输入端获得的电压为：

当A远大于2，接收方功放输入端获得的电压接近-1。如果音频传输线上并联了多个相同设备，功放输入端获得的电压也将更小。
1．3 电路形式(三)
图4所示的电路适用于低成本场合。三极管发射极和集电极的信号反相，一个三极管的作用相当于图2中的U1和U2。图中三级管的偏置电路没有画出，C1和C2将直流分量同传输线隔离开。需要特别提出的是，如果可调电阻P1足够大，从而对三极管的偏置影响足够小，可将C2去掉，可调电阻P1直接和三极管的c，e极并联。

2 用减法实现消侧音
2．1 原理
图5所示是用来实现两个电压vS1，vS2相减的电路，在理想运放情况下，利用“虚短”、“虚断”现象，可得输出电压：

如果选取电阻值满足Rt／R1=R3／R2的关系，输出电压可简化为：
vo=Rf／R1(vS2-vS1) (5)
特别地，当vS1=vS2时，vo=0。