接收機技術(shù)發(fā)展編年史，現代接收機發(fā)展情況一覽

　　第1部分：初期

　　雖然很多人都對早期無(wú)線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻，但古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)卻是其中的佼佼者。雖然他以無(wú)線(xiàn)技術(shù)而聞名，但很多人并不熟悉他在19世紀末創(chuàng )建的無(wú)線(xiàn)技術(shù)事業(yè)。在20世紀的頭20年中，他建立了一項至關(guān)重要的事業(yè)，使無(wú)線(xiàn)世界走向了今天的方向。

　　圖1.馬可尼展示他的技術(shù)。

　　雖然他的商業(yè)化技術(shù)并不是最新的技術(shù)，而且技術(shù)發(fā)展迅速，但該技術(shù)已經(jīng)足夠好了，因為他想到了辦法，知道如何利用現有技術(shù)來(lái)創(chuàng )造一個(gè)新的行業(yè)。20世紀初，殖民主義走向終結，戰爭和災難大規模爆發(fā)，1912年4月，皇家郵輪泰坦尼克號沉沒(méi);值此世界大亂之際，馬可尼著(zhù)手部署一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò )，以便以無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送和轉發(fā)信息。泰坦尼克號沉沒(méi)后，無(wú)線(xiàn)技術(shù)在救援幸存者和傳播事故新聞方面發(fā)揮了積極作用，提升了這一新興技術(shù)的重要性。公眾和軍方都意識到了無(wú)線(xiàn)技術(shù)的重要性，尤其是后來(lái)成為美國海軍部長(cháng)的約瑟夫·丹尼爾斯(Joseph Daniels)。在美國及其他地區，像丹尼爾斯這樣的領(lǐng)導認為，軍方應將無(wú)線(xiàn)電國有化，確保他們在戰爭期間能使用無(wú)線(xiàn)電。必須記住，在此期間，唯一可用的頻譜低于200 kHz左右。至少有一段時(shí)間，事情是朝著(zhù)這個(gè)方向發(fā)展的，但在第一次世界大戰之后，政府對無(wú)線(xiàn)技術(shù)的控制減弱，不過(guò)，這是在形成政府特許壟斷權并因此成立美國無(wú)線(xiàn)電公司(RCA)之后。

　　根據我們的推測，馬可尼時(shí)代的無(wú)線(xiàn)電非常原始。發(fā)射器采用火花隙裝置(后來(lái)才使用機械交流發(fā)電機)產(chǎn)生射頻，但在接收端，系統完全是無(wú)源的，由天線(xiàn)、諧振式LC調諧器和某種檢波器組成。我們很快就會(huì )討論這些檢波器，但在當時(shí)，它們可能是機械式的，也有可能是化學(xué)式的或有機式的。其中一些系統通過(guò)電池對它們進(jìn)行簡(jiǎn)單的偏置，但不提供任何電路增益，不同于今天。這些系統的輸出被提供給某種頭戴式耳機，把信號轉換成音頻，這種音頻總是非常弱，不過(guò)是簡(jiǎn)單的咔噠聲或嗡嗡聲。

　　因為這些系統未在接收端提供增益，所以其有效范圍取決于發(fā)射功率的大小、接收器的質(zhì)量、操作員在調整方面的經(jīng)驗，當然還有大氣條件。馬可尼意識到，在可合理預測有效范圍的情況下，可以建立一個(gè)站點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，在大洲和大洋之間可靠地傳遞信息。其中包括在陸上和海上安裝設備。馬可尼開(kāi)始在全球各地和海上安裝無(wú)線(xiàn)電臺，包括在客船和貨船上。通過(guò)在航海船只上安裝無(wú)線(xiàn)電系統，他不僅使這些船只能與其在岸上的商業(yè)利益相關(guān)者進(jìn)行溝通，而且還能在必要的地方提供中繼和冗余，從而馬可尼填補了其網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵空白。

　　馬可尼擁有的一項技術(shù)是早期的真空管。真空管公認的發(fā)明者約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)曾為馬可尼公司工作，但弗萊明和馬可尼當時(shí)分析認為，他們現有的技術(shù)足以檢測無(wú)線(xiàn)電信號。此外，他們認為，他的發(fā)現雖有好處，但尚不值得為閥管運行投入額外的資金或電池。馬可尼已經(jīng)擁有了數種信號檢測技術(shù)，與閥管不同，這些技術(shù)不需要高功率來(lái)運行燈絲和加熱板。因此，他們開(kāi)始時(shí)放棄了這種技術(shù)。

　　圖2.首批弗萊明管原型。

　　然而，所謂的無(wú)線(xiàn)電之父李·德·福雷斯特(Lee de Forest)撿起這種技術(shù)，意識到了其巨大的潛力。通過(guò)在燈絲和加熱板之間插入簾柵極，他不僅可以整流信號，還能控制加熱板中的電流量。這就實(shí)現了放大。盡管有證據表明，他并不理解其三極管的工作原理，但他確實(shí)意識到了其巨大的潛力，并盡力發(fā)揮這一發(fā)明的優(yōu)勢，不但將其作為一項技術(shù)，同時(shí)也作為與馬可尼的發(fā)明類(lèi)似的一種增值服務(wù)。通過(guò)建立各種企業(yè)，德·福雷斯特嘗試制造和銷(xiāo)售他的真空管，并建立了與馬可尼類(lèi)似的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。然而，這些企業(yè)注定要失敗，并不是因為技術(shù)不好，而是因為德·福雷斯特的商業(yè)伙伴往往不夠誠實(shí)，而且常常讓他獨自為別人的錯誤承擔責任。最后，德·福雷斯特不得不賣(mài)掉自己發(fā)明的權利，讓其他人享受該發(fā)明帶來(lái)的利潤。

　　圖3.第一個(gè)德·福雷斯特音頻三極管。

　　埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)是早期率先認識到真空管各種可能性的人之一。他還在上高中的時(shí)候，家里一位朋友就送了一個(gè)德·福雷斯特三極管給他玩。阿姆斯特朗已經(jīng)獲得了無(wú)線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)家的聲譽(yù)，還在家里建了自己的無(wú)線(xiàn)電臺，他很快就想到辦法，知道如何利用該裝置開(kāi)發(fā)出更好的接收器。在大學(xué)期間，他繼續開(kāi)發(fā)這項技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出了再生式接收器，與當時(shí)所有無(wú)線(xiàn)電臺采用的無(wú)源系統相比，該接收器具有卓越的性能。

　　大衛·沙諾夫(David Sarnoff)是美國馬可尼公司的高級人物。與馬可尼本人長(cháng)期建立的合作關(guān)系，專(zhuān)注的敬業(yè)精神，使他在公司快速崛起。剛開(kāi)始時(shí)，沙諾夫就在A(yíng)MC跑跑腿，在馬可尼一次訪(fǎng)美時(shí)，偶然遇到了馬可尼。沙諾夫給馬可尼留下了深刻印象，馬可尼為他在公司的發(fā)展創(chuàng )造了條件，最終，沙諾夫先后成為AMC和RCA的高級領(lǐng)導。在參觀(guān)紐約工程實(shí)驗室時(shí)，他偶然遇到了阿姆斯特朗。得益于阿姆斯特朗淵博的無(wú)線(xiàn)技術(shù)知識及其再生式接收器的強大功能，二人建立起了長(cháng)期的職業(yè)合作關(guān)系和個(gè)人關(guān)系。

　　第一次世界大戰爆發(fā)時(shí)，阿姆斯特朗感到責任的召喚，應征入伍。但當時(shí)，他已經(jīng)享有無(wú)線(xiàn)技術(shù)專(zhuān)家的聲譽(yù)，因而沒(méi)有被派往作戰崗位，而是被派往法國，為各地的作戰軍種檢修和安裝無(wú)線(xiàn)電臺。他的職責使他能使用設備、實(shí)驗室和各種技術(shù)，還能附帶地繼續從事研究活動(dòng)。在1918年初的一次空襲中，他獲得一系列發(fā)現，使他合成了超外差接收器。整個(gè)1918年，他全力發(fā)展自己的概念，到11月，他與一群親密的朋友會(huì )面，展示了超外差無(wú)線(xiàn)電的原型。朋友們印象深刻，敦促他繼續開(kāi)發(fā)。到1918年底，戰爭行將結束，在返回美國之前，阿姆斯特朗于1918年12月30日申請了法國專(zhuān)利?；氐矫绹?，他用了幾周時(shí)間才從一場(chǎng)疾病中恢復過(guò)來(lái)，使他推遲了提交美國專(zhuān)利申請。最終，1919年2月8日，他為超外差接收器申請了美國專(zhuān)利。

　　雖然馬可尼在無(wú)線(xiàn)技術(shù)愿景方面只關(guān)注兩方電報承載的商業(yè)信息，沙諾夫的愿景則要廣闊得多--把信號發(fā)給多方。開(kāi)始時(shí)，沙諾夫的愿景并未得到廣泛認同，但其他人最終意識到，這項新技術(shù)提供了一種方法，借助該方法可以輕松實(shí)現新聞和娛樂(lè )節目的遠距離傳送，包括傳送到美國的農村地區。為了推動(dòng)實(shí)現這一愿景，沙諾夫和他的團隊想到一個(gè)辦法，準備于1921年7月2日廣播Dempsey與Carpentier的拳擊比賽。此次廣播活動(dòng)的成功使其他人看到了我們今天所熟知的這種廣播無(wú)線(xiàn)電的巨大潛力。

　　然而，當時(shí)的真正挑戰是技術(shù)性的。早期的收音機很難使用，并且功能不佳。阿姆斯特朗、沙諾夫和美國無(wú)線(xiàn)電公司的故事就從這里繼續下去。通過(guò)之前發(fā)展的關(guān)系和RCA獲得的專(zhuān)利，包括超外差接收器專(zhuān)利，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)已經(jīng)大大簡(jiǎn)化，能實(shí)現便攜，人人都可輕松使用。從技術(shù)角度來(lái)看，超外差架構是這一成就的關(guān)鍵，時(shí)至今日，也是基本如此。

　　圖4.埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)和妻子馬里昂(Marion)帶著(zhù)第一臺便攜式收音機度蜜月。

　　檢波器

　　無(wú)線(xiàn)電必須通過(guò)某種方式，產(chǎn)生承載著(zhù)有意義的信息的輸出信號。在早期，這就是在接收環(huán)形天線(xiàn)中產(chǎn)生的共振火花。人們很快就意識到，需要用一種更敏感的方式，把輻射能轉換成有意義的信號。早期的技術(shù)存在很大的局限性，通常利用多種屬性，包括化學(xué)、機械和電氣等屬性。

　　最開(kāi)始時(shí)，使用的首批檢波器中有一款被稱(chēng)為金屬屑檢波器，這款檢波器是以一個(gè)名叫愛(ài)德華·布蘭里(?douard Branly)的法國人的發(fā)現為基礎開(kāi)發(fā)的。該金屬屑檢波器由兩塊金屬板構成，金屬板之間的間距很小，注入一定量的金屬粉。當射頻信號到達金屬板時(shí)，金屬粉會(huì )吸附到金屬板上，使電路閉合。這種方式對檢波非常有效，但是，一旦射頻信號撤離，金屬粉會(huì )繼續吸附在金屬板上。為解決這個(gè)問(wèn)題，安排了某種敲擊器，用于敲擊裝置側面，強制去除金屬板上的金屬粉。由于這個(gè)原因，這種原始檢波器雖然有效，但使用起來(lái)卻非常笨重。盡管如此，到了1907年，人們還在使用這種檢波器。

　　圖5.金屬屑檢波器。

　　圖6.金屬屑接收器原理圖。

　　一種更實(shí)用的解決方案是電解檢波器。這種裝置由浸入硫酸或硝酸溶液的一條超細鉑絲組成。用電池將該電路偏置到電解點(diǎn)。這會(huì )在鉑絲表面上形成氣泡，使電流下降。如果射頻電流耦合到該電路中，它將調制電解點(diǎn)并使電流隨耦合射頻信號的強弱變化。這項技術(shù)由費森登(Fessenden)開(kāi)發(fā)，1903年至1913年間被人們廣泛使用。德·福雷斯特基于這種技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種變體，被稱(chēng)為應答器，由浸入過(guò)氧化鉛溶液中的兩塊金屬板構成。

　　圖7.電解檢波器。

　　圖8.電解無(wú)線(xiàn)電接收器。

　　馬可尼更喜歡被稱(chēng)為磁檢波器的另一種方案。這些裝置被用戶(hù)親切地稱(chēng)為瑪吉。它們的工作原理是，形成一個(gè)無(wú)端鋼絲環(huán)，使鋼絲環(huán)呈圓形旋轉的同時(shí)借助永磁體使其磁化。鋼絲磁化部分通過(guò)與天線(xiàn)相連的線(xiàn)圈。該線(xiàn)圈中的射頻場(chǎng)根據存在的接收信號電平對鋼絲去磁。然后，通過(guò)另一個(gè)線(xiàn)圈拾取鋼絲磁場(chǎng)的變化，該線(xiàn)圈連接到耳機，耳機負責提供聽(tīng)得見(jiàn)的射頻信號。直到1912年，所有馬可尼裝置都使用這種方案，包括泰坦尼克號上的裝置。

　　圖9.像馬可尼那樣使用的磁檢波器。

　　圖10.磁檢波器無(wú)線(xiàn)電原理圖。

　　另一類(lèi)常見(jiàn)的檢波器是晶體檢波器，一直流行到1925年。這類(lèi)流行器件通常被稱(chēng)為晶須(cat whisker)，基本上是由各類(lèi)礦物制成的早期半導體結。典型的礦物包括方鉛礦(PbS)、黃鐵礦(FeS2)、輝鉬礦(MoS2)和碳化硅(SiC)。在金屬杯制作這些巖石的小樣，用細線(xiàn)在巖石上形成點(diǎn)接觸?？梢砸苿?dòng)該點(diǎn)接觸，放在巖石的各個(gè)位置，以發(fā)現最佳工作點(diǎn)。當今的市場(chǎng)上仍有晶體收音機銷(xiāo)售;電路與100年前的電路完全相同，只是半導體二極管制成品取代了晶須。晶體檢波器的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這些裝置提供更多的線(xiàn)性檢波，這在A(yíng)M廣播發(fā)展之初變得非常重要。這使語(yǔ)音通信成為可能，而早期的傳輸僅由莫爾斯電碼發(fā)送。

　　圖11.方鉛礦晶須檢波器。

　　圖12.典型晶體管收音機原理圖。

　　另一類(lèi)檢波器是由一名為馬可尼工作的工程師在1904年構建的。約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)發(fā)現，通過(guò)在愛(ài)迪生白熾燈泡上添加一塊板，就形成了一個(gè)通常被稱(chēng)為整流器或整流閥的裝置。馬可尼和安布羅斯認為，他們現有的檢波方案(通常為瑪吉)的效果優(yōu)于弗萊明整流閥，于是，他們暫時(shí)中止了尋找更好方案的努力，直到1912年之后才重啟此項工作。然而，包括德·福雷斯特在內的其他人卻看到了該方案的直接價(jià)值，他們在弗萊明和馬可尼的基礎上繼續探索，在燈絲與加熱板之間添加了一個(gè)簾柵極。這項工作成功申請專(zhuān)利，并于1906年正式發(fā)布。雖然德·福雷斯特意識到了他的發(fā)明對改進(jìn)收音機的價(jià)值，但他無(wú)法利用這一點(diǎn)，部分是因為商業(yè)伙伴的不端行為，部分是因為針對其專(zhuān)利的各種侵權案件。

　　第2部分：接收器架構

　　像德·福雷斯特和阿姆斯特朗這些無(wú)線(xiàn)電技術(shù)早期的先驅們都明白一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：他們的成功離不開(kāi)堅固可靠的檢波器;早期時(shí)，這主要靠無(wú)線(xiàn)電報員，他們的技術(shù)實(shí)力和聽(tīng)力使其成為可能。然而，隨著(zhù)行業(yè)的發(fā)展，其他方面的重要性也逐漸突顯，例如線(xiàn)性度、帶寬等。

　　1912年，為了解決這些問(wèn)題，德·福雷斯特想出了再生方案以及這種技術(shù)可能給接收器帶來(lái)哪些好處。幾乎在同一時(shí)間，阿姆斯特朗取得了類(lèi)似的發(fā)現，他指出，如果從加熱電路把能量耦合回簾調諧器，當放大器響應在自由振蕩之前達到峰值時(shí)會(huì )產(chǎn)生明顯的放大效果。這些發(fā)現引發(fā)了一場(chǎng)長(cháng)達數十年的專(zhuān)利糾紛，因為每位發(fā)明家都聲稱(chēng)首先問(wèn)世的是自己的發(fā)明。

　　無(wú)論如何，再生式接收器的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，除了取得非常高的增益水平之外，接收器還有助于將輸出連接到揚聲器，而不是像之前那樣，連接到音頻輸出很弱的小型耳機上。阿姆斯特朗指出，通過(guò)這種安排，他可以從紐約實(shí)驗室輕松復制馬可尼在愛(ài)爾蘭的裝置，而馬可尼通常需要一個(gè)中繼站來(lái)實(shí)現跨大西洋的覆蓋。得到滿(mǎn)意結果后，阿姆斯特朗邀請沙諾夫來(lái)到實(shí)驗室，分享他的發(fā)現。借助再生設置，他們整個(gè)晚上都在接收遠程無(wú)線(xiàn)電信號，輕松地接收到了來(lái)自西海岸和太平洋的信號。這是檢波器技術(shù)的一次重大改進(jìn)。再生式接收器面臨的最大挑戰是調整反饋以確保正常運行;即使是經(jīng)驗豐富的電報員也很難做好。隨著(zhù)再生式和超再生式無(wú)線(xiàn)電的早期型號被投入生產(chǎn)，這一挑戰變得非常明顯，需要在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)普及之前找到解決辦法。

　　第一次世界大戰最終迫使美國參戰，阿姆斯特朗在法國領(lǐng)受任務(wù)，負責在現場(chǎng)安裝無(wú)線(xiàn)電裝置。這使他有機會(huì )繼續研究工作;1918年2月，與法國和英國的同事合作之后，他提出了超外差架構。最終，這種架構解決了許多問(wèn)題，無(wú)需像超再生等以前的架構那樣，進(jìn)行繁瑣的調整，而且不會(huì )犧牲性能。

　　整個(gè)1918年，阿姆斯特朗繼續開(kāi)發(fā)超外差架構，解決了再生和超再生接收器面臨的許多難題。這一發(fā)展實(shí)現了簡(jiǎn)單易用的無(wú)線(xiàn)電，與目前的量產(chǎn)型無(wú)線(xiàn)電一致。雖然超外差接收器不是嚴格意義上的檢波器，但它具有增益功能和額外的選項，提供固定中頻，不受被監控射頻頻率影響，有助于提高檢波性能和一致性。這樣就可以?xún)?yōu)化檢波器，無(wú)需擔心所需射頻頻率會(huì )導致性能下降，而這正是早期無(wú)線(xiàn)電面臨的一個(gè)巨大挑戰，并且繼續挑戰著(zhù)今天的無(wú)線(xiàn)電設計師，只是頻率要高得多而已。即使我們已經(jīng)繼續探索零中頻、直接射頻采樣等新型架構，挑戰仍然存在。

　　圖13.超外差專(zhuān)利數據。

　　這些優(yōu)勢鞏固了外差架構的重要性，并且今天仍在繼續。雖然實(shí)施技術(shù)已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構仍然是許多現代系統的關(guān)鍵。