調(diào)頻廣播是如何被發(fā)明的？

一、前言

調(diào)頻FM 收音機進一步改善了我們交流的方式。? 根據(jù)霍華德·阿姆斯特朗的對手戴維·薩爾諾夫的說法，調(diào)頻廣播是“一場革命”。? 很多關(guān)于這段歷史的書籍、視頻和文章的內(nèi)容更多的聚焦在他們兩人之間的爭斗，但大都對調(diào)頻廣播的科學(xué)原理一帶而過。?讓我們聽 Kathy 老師準確生動、簡潔明了的介紹霍華德·阿姆斯特朗最初是如何發(fā)明 FM 收音機的，?以及這項驚人的發(fā)明又是如何導(dǎo)致他的悲慘命運的。

▲ 圖1.1.1 戴維·薩爾諾夫與霍華德·阿姆斯特朗

二、從調(diào)幅到調(diào)頻

1923 年，Howard Armstrong 與他的朋友、時任 RCA 副總裁的 David Sarnoff 合作制造了 Radiola 收音機，?很快 Armstrong 和 Sarnoff 賺了數(shù)百萬美元。? 廣播電臺迅速普及，改變了社會文化的各個方面。?但還存在一個煩人的問題，那就是雜波干擾，它與 AM 收音機的性質(zhì)有關(guān)。

▲ 圖1.2.1 無線廣播中的電磁波

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

下面演示一下調(diào)幅收音機的雜波干擾。

▲ 圖1.2.2 調(diào)幅收音機被附近電火花干擾

Sarnoff 曾多次表示，他希望有一個小黑匣子來消除雜波干擾。? Armstrong 認為他有解決方法。?為什么不創(chuàng)建一個無線電波，其中頻率偏離原始頻率，頻偏的大小對應(yīng)于麥克風(fēng)中產(chǎn)生的聲波幅度， 而不在利用電波的幅值來代表聲音信號的強度。因此這種收音機被稱為調(diào)頻收音機。

▲ 圖1.2.3 兩種種不同的信號調(diào)制方式

實際上，許多科學(xué)家在二十世紀初期就對頻率調(diào)制很感興趣。? 然而，在 1922 年，貝爾實驗室的首席數(shù)學(xué)理論家約翰·卡森 (John Carson) 寫了一篇論文，認為它行不通。? 更準確地說，它會起作用，但它本質(zhì)上會對信號產(chǎn)生失真，所以調(diào)頻沒有任何優(yōu)勢。?卡森最終得出的結(jié)論是，“廣播中的雜波干擾，就像貧困一樣永遠與我們同在”。

對于卡森的判斷，阿姆斯特朗根本不服，他說： “對于這種完全基于數(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間都花在制作 FM 收音機上。三年了，他一無所獲。?然后他有了一個激進的想法。他知道為了實現(xiàn) FM 廣播，需要改變載波頻率。?據(jù)他了解當時可用的技術(shù)，需要將調(diào)制頻率限制在一定范圍之內(nèi)，否則會使信號失真，這一點已經(jīng)被卡森進行了數(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的動態(tài)范圍，從而無法減少雜波干擾。

為此他設(shè)想先從變化較小的低頻開始，?然后利用頻率倍增技術(shù)將信號變成較高頻率，對應(yīng)的頻率變化就會增大。?在接收信號時，接收器允許的帶寬要求比較大， 這被稱為寬帶 FM 收音機。?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 接受信號的帶寬

當他實現(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)頻信號的頻率范圍可以覆蓋人類耳朵可以聽到的整個頻率范圍，而不是像 調(diào)幅廣播那樣只有一小段聲音頻率范圍。? 甚至可以同時傳輸兩個信號來傳輸立體聲。? 可是誰能想到，調(diào)頻廣播的這種高保真特性，卻招來薩爾諾夫的討厭。

下面通過實驗對比AM， FM對干擾的抑制作用。

三、調(diào)頻調(diào)制

你可能會問，如何將來自麥克風(fēng)的信號變?yōu)闊o線電波頻率的變化？這個調(diào)頻過程稍微復(fù)雜一點。?阿姆斯特朗先對極低頻的載波進行幅度調(diào)制，接著將原來的載波進行抑制。? 接著將調(diào)制信號移相90 度， 這就產(chǎn)生 PM 或相位調(diào)制信號。調(diào)制信號的幅度不會改變，而是改變了信號的相位，也就是信號的過零點的位置。? 然后再使用一個電容器對信號進行積分，使其成為調(diào)頻信號。? 最后，使用正弦載波信號與調(diào)制信號相乘，獲得無線電波信號，改信號具有載波頻率和頻率變化。

▲ 圖1.3.1 信號頻率調(diào)制過程

四、調(diào)頻解調(diào)

那么如何解調(diào)FM信號呢？要談?wù)?FM 接收器，讓我們先從 Armstrong 的 AM 接收器如何工作開始。? AM收音機中，Armstrong 放大了來自天線的信號，然后將其與另一個信號混合以產(chǎn)生易于處理的較低的中頻信號。然后將通過濾波選擇想要的頻率信號。放大該信號，然后對其進行幅度包絡(luò)檢波。順便說一下，可以使用簡單的二極管實現(xiàn)信號包絡(luò)線檢波。最后將聲音進行功率放大，輸出到揚聲器上。

▲ 圖1.4.1 AM信號解調(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，否則就會丟失調(diào)制信號信息，取而代之的是寬頻濾波器。? 其次，中間具有限制器的電路，限制信號的幅度?。如果波形超過限制閾值，任何信號變化都被削頂。?因為信號是調(diào)制在頻率變化上，所以附加在幅度上的干擾雜波就會被濾除。?第三，檢波部分不再使用包絡(luò)檢測器，而是使用了鑒頻器電路，?正如阿姆斯特朗所說，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接收機中的限幅器

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

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

▲ 圖1.4.3 FM收音機中的鑒頻器

五、商業(yè)之爭

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大廈的實驗室，還讓其他的科學(xué)家寫文章詆毀 FM，并禁止 RCA 使用 FM 收音機。?但阿姆斯特朗并沒有氣餒，他賣掉了他在 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，薩爾諾夫才意識到自己可能錯失了調(diào)頻廣播重要商機，?并試圖讓阿姆斯特朗簽署價值一百萬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， 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：“這是我第一次聽說發(fā)明家為了非排他性許可而拒絕了 100 萬美元。”

薩爾諾夫被徹底激怒了。于是他與他的前朋友開始了個人恩怨爭斗，并利用他的影響力讓 FCC 改變了 FM 可用的無線電頻率，?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 決定通過使訴訟盡可能漫長和艱巨來贏得勝利。? 或者正如阿姆斯特朗所說，“他們會拖延這件事，直到我死了或破產(chǎn)。” 而這場官司一拖再拖。阿姆斯特朗的官司持續(xù)了好幾年。?1952 年，他的錢花光了，不得不貸款支付律師費。?1953 年 2 月 20 日，Sarnoff 在法庭作證時撒謊說“RCA 在開發(fā) FM 方面所做的工作比這個國家的任何人都多，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明財務(wù)狀況， 他們之間產(chǎn)生了口角，?直至動起手來。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，再也沒有回來看望她的丈夫。1954 年 1 月 31 日，正好是阿姆斯特朗與薩爾諾夫當年一起熬夜展示他的再生電路的 40 年周年紀念日，? 阿姆斯特朗給妻子寫了一封道歉信，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。

當大衛(wèi)薩爾諾夫聽說阿姆斯特朗自殺時，他脫口而出“我沒有殺阿姆斯特朗?！?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 項專利訴訟并全部獲勝。在接下來的 11 年里，她贏得了超過 1000 萬美元的賠償金。

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)，因為他已經(jīng)投入 500 萬美元來研發(fā)一個叫做陰極射線管的產(chǎn)品。?這個產(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、X 光機、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。

▲ 圖1.6.1 陰極射線管電視機

參考資料

[1]Howard Armstrong & Frequency Modulation: History and Physics: https://www.youtube.com/watch?v=g1RiAmB1J5k

[2]Kathy老師講述的有趣科學(xué)歷史: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/128637281