調(diào)頻FM收音機(jī)是如何被發(fā)明的？

一、前言

??調(diào)頻FM 收音機(jī)進(jìn)一步改善了我們交流的方式。? 根據(jù)霍華德·阿姆斯特朗的對(duì)手戴維·薩爾諾夫的說(shuō)法，調(diào)頻廣播是“一場(chǎng)革命”。? 很多關(guān)于這段歷史的書(shū)籍、視頻和文章的內(nèi)容更多的聚焦在他們兩人之間的爭(zhēng)斗，但大都對(duì)調(diào)頻廣播的科學(xué)原理一帶而過(guò)。?讓我們聽(tīng) Kathy 老師準(zhǔn)確生動(dòng)、簡(jiǎn)潔明了的介紹霍華德·阿姆斯特朗最初是如何發(fā)明 FM 收音機(jī)的，?以及這項(xiàng)驚人的發(fā)明又是如何導(dǎo)致他的悲慘命運(yùn)的。

二、從調(diào)幅到調(diào)頻

??1923 年，Howard Armstrong 與他的朋友、時(shí)任 RCA 副總裁的 David Sarnoff 合作制造了 Radiola 收音機(jī)，?很快 Armstrong 和 Sarnoff 賺了數(shù)百萬(wàn)美元。? 廣播電臺(tái)迅速普及，改變了社會(huì)文化的各個(gè)方面。?但還存在一個(gè)煩人的問(wèn)題，那就是雜波干擾，它與 AM 收音機(jī)的性質(zhì)有關(guān)。

▲ 圖1.2.1 無(wú)線廣播中的電磁波

??先了解一下調(diào)幅廣播的基礎(chǔ)知識(shí)。無(wú)線電波不是聲波， 對(duì)吧？它們實(shí)際上是不可見(jiàn)的光波。?無(wú)線電波被用作傳輸或攜帶聲音信息的媒介， 也稱(chēng)為載波，即裝載信息的無(wú)線電波。?在 AM 收音機(jī)中，聲音被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)用于改變載波的振幅。因此，調(diào)幅收音機(jī)的名稱(chēng)為 AM 收音機(jī)。? 電火花、閃電等都會(huì)產(chǎn)生無(wú)線電波，從而疊加在電磁波上，從而在 AM 收音機(jī)中產(chǎn)生雜波干擾。

??Sarnoff 曾多次表示，他希望有一個(gè)小黑匣子來(lái)消除雜波干擾。? Armstrong 認(rèn)為他有解決方法。?為什么不創(chuàng)建一個(gè)無(wú)線電波，其中頻率偏離原始頻率，頻偏的大小對(duì)應(yīng)于麥克風(fēng)中產(chǎn)生的聲波幅度， 而不再利用電波的幅值來(lái)代表聲音信號(hào)的強(qiáng)度。因此這種收音機(jī)被稱(chēng)為調(diào)頻收音機(jī)。

▲ 圖1.2.3 兩種不同的信號(hào)調(diào)制方式

??實(shí)際上，許多科學(xué)家在二十世紀(jì)初期就對(duì)頻率調(diào)制很感興趣。? 然而，在 1922 年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的首席數(shù)學(xué)理論家約翰·卡森 (John Carson) 寫(xiě)了一篇論文，認(rèn)為它行不通。? 更準(zhǔn)確地說(shuō)，它會(huì)起作用，但它本質(zhì)上會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生失真，所以調(diào)頻沒(méi)有任何優(yōu)勢(shì)。?卡森最終得出的結(jié)論是，“廣播中的雜波干擾，就像貧困一樣永遠(yuǎn)與我們同在”。

??對(duì)于卡森的判斷，阿姆斯特朗根本不服，他說(shuō)：“對(duì)于這種完全基于數(shù)學(xué)得出的結(jié)論我嗤之以鼻。?1928 年，霍華德·阿姆斯特朗決定將所有時(shí)間都花在制作 FM 收音機(jī)上。三年了，他一無(wú)所獲。?然后他有了一個(gè)激進(jìn)的想法。他知道為了實(shí)現(xiàn) FM 廣播，需要改變載波頻率。?據(jù)他了解當(dāng)時(shí)可用的技術(shù)，需要將調(diào)制頻率限制在一定范圍之內(nèi)，否則會(huì)使信號(hào)失真，這一點(diǎn)已經(jīng)被卡森進(jìn)行了數(shù)學(xué)證明。?但如果減少調(diào)制頻帶寬度就可能限制聲音信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而無(wú)法減少雜波干擾。

??為此他設(shè)想先從變化較小的低頻開(kāi)始，?然后利用頻率倍增技術(shù)將信號(hào)變成較高頻率，對(duì)應(yīng)的頻率變化就會(huì)增大。?在接收信號(hào)時(shí)，接收器允許的帶寬要求比較大， 這被稱(chēng)為寬帶 FM 收音機(jī)。?這的確不是一件容易的事，直到 1933 年Armstrong才把它弄好。?

▲ 圖1.2.4 接收信號(hào)的帶寬

??當(dāng)他實(shí)現(xiàn)了他的設(shè)想之后，發(fā)現(xiàn)廣播聲音的質(zhì)量比他希望的還要好。雜波干擾消失了。?調(diào)頻信號(hào)的頻率范圍可以覆蓋人類(lèi)耳朵可以聽(tīng)到的整個(gè)頻率范圍，而不是像調(diào)幅廣播那樣只有一小段聲音頻率范圍。? 甚至可以同時(shí)傳輸兩個(gè)信號(hào)來(lái)傳輸立體聲。? 可是誰(shuí)能想到，調(diào)頻廣播的這種高保真特性，卻招來(lái)薩爾諾夫的討厭。

下面通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比AM， FM對(duì)干擾的抑制作用。?

三、調(diào)頻調(diào)制

??你可能會(huì)問(wèn)，如何將來(lái)自麥克風(fēng)的信號(hào)變?yōu)闊o(wú)線電波頻率的變化？這個(gè)調(diào)頻過(guò)程稍微復(fù)雜一點(diǎn)。?阿姆斯特朗先對(duì)極低頻的載波進(jìn)行幅度調(diào)制，接著將原來(lái)的載波進(jìn)行抑制。? 接著將調(diào)制信號(hào)移相90 度， 這就產(chǎn)生 PM 或相位調(diào)制信號(hào)。調(diào)制信號(hào)的幅度不會(huì)改變，而是改變了信號(hào)的相位，也就是信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)的位置。? 然后再使用一個(gè)電容器對(duì)信號(hào)進(jìn)行積分，使其成為調(diào)頻信號(hào)。? 最后，使用正弦載波信號(hào)與調(diào)制信號(hào)相乘，獲得無(wú)線電波信號(hào)，信號(hào)具有載波頻率和頻率變化。

▲ 圖1.3.1 信號(hào)頻率調(diào)制過(guò)程

四、調(diào)頻解調(diào)

??那么如何解調(diào)FM信號(hào)呢？要談?wù)?FM 接收器，讓我們先從 Armstrong 的 AM 接收器如何工作開(kāi)始。? AM收音機(jī)中，Armstrong 放大了來(lái)自天線的信號(hào)，然后將其與另一個(gè)信號(hào)混合以產(chǎn)生易于處理的較低的中頻信號(hào)。然后將通過(guò)濾波選擇想要的頻率信號(hào)。放大該信號(hào)，然后對(duì)其進(jìn)行幅度包絡(luò)檢波。順便說(shuō)一下，可以使用簡(jiǎn)單的二極管實(shí)現(xiàn)信號(hào)包絡(luò)線檢波。最后將聲音進(jìn)行功率放大，輸出到揚(yáng)聲器上。

▲ 圖1.4.1 AM信號(hào)解調(diào)

??FM 接收器與 AM 接收器略有不同。在FM接受器中不需要窄頻濾波器，否則就會(huì)丟失調(diào)制信號(hào)信息，取而代之的是寬頻濾波器。? 其次，中間具有限制器的電路，限制信號(hào)的幅度。如果波形超過(guò)限制閾值，任何信號(hào)變化都被削頂。?因?yàn)樾盘?hào)是調(diào)制在頻率變化上，所以附加在幅度上的干擾雜波就會(huì)被濾除。?第三，檢波部分不再使用包絡(luò)檢測(cè)器，而是使用了鑒頻器電路，?正如阿姆斯特朗所說(shuō)，鑒頻器的作用是“將頻率變化轉(zhuǎn)化為幅度變化”。

▲ 圖1.4.2 FM接收機(jī)中的限幅器

??Armstrong 用線圈和電容器創(chuàng)建了兩個(gè)調(diào)諧電路。? 一個(gè)調(diào)諧到載波頻率以上，?一個(gè)調(diào)諧到載波頻率以下。?如果輸入信號(hào)沒(méi)有被調(diào)制，也就是與載波頻率相同，那么在兩個(gè)電路中效果都一樣。?然后標(biāo)記為 48 和 49 的兩個(gè)線圈將感應(yīng)出相同的電壓，它們之間沒(méi)有電流輸出。

??然而，如果頻率被調(diào)制得更高或更低，那么一個(gè)諧振回路輸出信號(hào)幅度高，?另外一個(gè)諧振回路幅值低。?兩個(gè)諧振回路輸出信號(hào)幅值不同，使得在它們之間產(chǎn)生電壓差，并在揚(yáng)聲器或耳機(jī)中產(chǎn)生相應(yīng)的電流。頻率差越大，耳機(jī)中電流的幅度就越大。通過(guò)這種方式，阿姆斯特朗將頻率的變化轉(zhuǎn)換為揚(yáng)聲器振幅的變化。

▲ 圖1.4.3 FM收音機(jī)中的鑒頻器

五、商業(yè)之爭(zhēng)

??既然 FM 比 AM 好那么多，為什么 Sarnoff 不高興呢？按照薩諾夫的想法，他只希望有什么東西可以改進(jìn)現(xiàn)有的調(diào)幅廣播系統(tǒng)，而不是取代他的系統(tǒng)。? 那該怎么辦呀？Sarnoff 決定阻止他朋友ArmStrong的新發(fā)明的推廣。他不僅將阿姆斯特朗趕出帝國(guó)大廈的實(shí)驗(yàn)室，還讓其他的科學(xué)家寫(xiě)文章詆毀 FM，并禁止 RCA 使用 FM 收音機(jī)。?但阿姆斯特朗并沒(méi)有氣餒，他賣(mài)掉了他在 RCA 的所有股票，并創(chuàng)辦了自己的 FM 公司，名為 Yankee Network。

??直到五年后，薩爾諾夫才意識(shí)到自己可能錯(cuò)失了調(diào)頻廣播重要商機(jī)，?并試圖讓阿姆斯特朗簽署價(jià)值一百萬(wàn)美元的非排他性許可。?阿姆斯特朗不客氣的讓讓薩爾諾夫滾開(kāi)， 阿姆斯特朗的這種不合作態(tài)度讓他的律師大為吃驚， 他說(shuō)：“這是我第一次聽(tīng)說(shuō)發(fā)明家為了非排他性許可而拒絕了 100 萬(wàn)美元?！?/p>

??薩爾諾夫被徹底激怒了。于是他與他的前朋友開(kāi)始了個(gè)人恩怨?fàn)幎?，并利用他的影響力?FCC 改變了 FM 可用的無(wú)線電頻率，?使阿姆斯特朗的設(shè)備和公司變得一文不值。?Sarnoff 和 RCA 隨后在未經(jīng)許可的情況下開(kāi)始使用 FM，?很快許多其他公司也紛紛效仿。? 1948 年 7 月，阿姆斯特朗提起訴訟。RCA 決定通過(guò)使訴訟盡可能漫長(zhǎng)和艱巨來(lái)贏得勝利。? 或者正如阿姆斯特朗所說(shuō)，“他們會(huì)拖延這件事，直到我死了或破產(chǎn)?！?而這場(chǎng)官司一拖再拖。阿姆斯特朗的官司持續(xù)了好幾年。?1952年，他的錢(qián)花光了，不得不貸款支付律師費(fèi)。?1953 年 2 月 20 日，Sarnoff 在法庭作證時(shí)撒謊說(shuō)“RCA 在開(kāi)發(fā) FM 方面所做的工作比這個(gè)國(guó)家的任何人都多，包括阿姆斯特朗”。

??失敗后，阿姆斯特朗試圖息事寧人，但薩爾諾夫不讓他這么做。?1953 年 11 月，阿姆斯特朗向他的妻子瑪麗恩說(shuō)明財(cái)務(wù)狀況， 他們之間產(chǎn)生了口角，?直至動(dòng)起手來(lái)。失去理智的阿姆斯特朗用紙牌打了妻子的胳膊， ?氣憤的瑪麗恩離家出走，再也沒(méi)有回來(lái)看望她的丈夫。1954 年 1 月 31 日，正好是阿姆斯特朗與薩爾諾夫當(dāng)年一起熬夜展示他的再生電路的 40 年周年紀(jì)念日，? 阿姆斯特朗給妻子寫(xiě)了一封道歉信，接著從他公寓的窗戶上取下空調(diào)，隨后從 13 層樓跳下身亡。他 63 歲。

??當(dāng)大衛(wèi)薩爾諾夫聽(tīng)說(shuō)阿姆斯特朗自殺時(shí)，他脫口而出“我沒(méi)有殺阿姆斯特朗?！?但他一定知道他與阿姆斯特朗的絕望行為有關(guān)，并在他的葬禮上公開(kāi)痛哭流涕。?Marion Armstrong 繼續(xù)她丈夫的所有訴訟。最終她將提起 21 項(xiàng)專(zhuān)利訴訟并全部獲勝。在接下來(lái)的 11 年里，她贏得了超過(guò) 1000 萬(wàn)美元的賠償金。

??讓我們稍微回到 1934 年。David Sarnoff 干嘛不想用 FM 取代他的系統(tǒng)呢？其中部分原因是他手頭拮據(jù)，因?yàn)樗呀?jīng)投入 500 萬(wàn)美元來(lái)研發(fā)一個(gè)叫做陰極射線管的產(chǎn)品。?這個(gè)產(chǎn)品最終成就 Sarnoff 和 RCA 成為 CRT 電視巨頭的原因。

六、后記

??但什么是陰極射線管？為什么發(fā)明它？? 它不僅僅與電視有關(guān)，還與示波器、雷達(dá)、X 光機(jī)、電子的發(fā)現(xiàn)和光電效應(yīng)有關(guān)。?這中間的故事我們下次接著聊。

審核編輯：劉清