調頻廣播是如何被發(fā)明的？

一、前言

??調頻FM 收音機進(jìn)一步改善了我們交流的方式。? 根據霍華德·阿姆斯特朗的對手戴維·薩爾諾夫的說(shuō)法，調頻廣播是“一場(chǎng)革命”。? 很多關(guān)于這段歷史的書(shū)籍、視頻和文章的內容更多的聚焦在他們兩人之間的爭斗，但大都對調頻廣播的科學(xué)原理一帶而過(guò)。?讓我們聽(tīng) Kathy 老師準確生動(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 收音機的，?以及這項驚人的發(fā)明又是如何導致他的悲慘命運的。

??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，?很快 Armstrong 和 Sarnoff 賺了數百萬(wàn)美元。? 廣播電臺迅速普及，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 收音機的性質(zhì)有關(guān)。

??先了解一下調幅廣播的基礎知識。無(wú)線(xiàn)電波不是聲波， 對吧？它們實(shí)際上是不可見(jiàn)的光波。?無(wú)線(xiàn)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(xiàn)電波。?在 AM 收音機中，聲音被轉換成電信號，該信號用于改變載波的振幅。因此，調幅收音機的名稱(chēng)為 AM 收音機。? 電火花、閃電等都會(huì )產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)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。

下面演示一下調幅收音機的雜波干擾。?

??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 認為他有解決方法。?為什么不創(chuàng )建一個(gè)無(wú)線(xiàn)電波，其中頻率偏離原始頻率，頻偏的大小對應于麥克風(fēng)中產(chǎn)生的聲波幅度， 而不再利用電波的幅值來(lái)代表聲音信號的強度。因此這種收音機被稱(chēng)為調頻收音機。

??實(shí)際上，許多科學(xué)家在二十世紀初期就對頻率調制很感興趣。? 然而，在 1922 年，貝爾實(shí)驗室的首席數學(xué)理論家約翰·卡森 (John Carson) 寫(xiě)了一篇論文，認為它行不通。? 更準確地說(shuō)，它會(huì )起作用，但它本質(zhì)上會(huì )對信號產(chǎn)生失真，所以調頻沒(méi)有任何優(yōu)勢。?卡森最終得出的結論是，“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(shuō)： “對于這種完全基于數學(xué)得出的結論我嗤之以鼻。?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 FM 廣播，需要改變載波頻率。?據他了解當時(shí)可用的技術(shù)，需要將調制頻率限制在一定范圍之內，否則會(huì )使信號失真，這一點(diǎn)已經(jīng)被卡森進(jìn)行了數學(xué)證明。?但如果減少調制頻帶寬度就可能限制聲音信號的動(dòng)態(tài)范圍，從而無(wú)法減少雜波干擾。

??為此他設想先從變化較小的低頻開(kāi)始，?然后利用頻率倍增技術(shù)將信號變成較高頻率，對應的頻率變化就會(huì )增大。?在接收信號時(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。?這的確不是一件容易的事，直到 1933 年Armstrong才把它弄好。?

??當他實(shí)現了他的設想之后，發(fā)現廣播聲音的質(zhì)量比他希望的還要好。雜波干擾消失了。?調頻信號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)信號來(lái)傳輸立體聲。? 可是誰(shuí)能想到，調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)驗對比AM， FM對干擾的抑制作用。?

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

??那么如何解調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(kāi)始。? AM收音機中，Armstrong 放大了來(lái)自天線(xiàn)的信號，然后將其與另一個(gè)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(guò)濾波選擇想要的頻率信號。放大該信號，然后對其進(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)現信號包絡(luò )線(xiàn)檢波。最后將聲音進(jìn)行功率放大，輸出到揚聲器上。

??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(guò)限制閾值，任何信號變化都被削頂。?因為信號是調制在頻率變化上，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“將頻率變化轉化為幅度變化”。

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

??然而，如果頻率被調制得更高或更低，那么一個(gè)諧振回路輸出信號幅度高，?另外一個(gè)諧振回路幅值低。?兩個(gè)諧振回路輸出信號幅值不同，使得在它們之間產(chǎn)生電壓差，并在揚聲器或耳機中產(chǎn)生相應的電流。頻率差越大，耳機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換為揚聲器振幅的變化。

??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)現有的調幅廣播系統，而不是取代他的系統。? 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(shí)驗室，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。?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，薩爾諾夫才意識到自己可能錯失了調頻廣播重要商機，?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)人恩怨爭斗，并利用他的影響力讓 FCC 改變了 FM 可用的無(wú)線(xiàn)電頻率，?使阿姆斯特朗的設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(cháng)和艱巨來(lái)贏(yíng)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了好幾年。?1952年，他的錢(qián)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(shí)撒謊說(shuō)“RCA 在開(kāi)發(fā) FM 方面所做的工作比這個(gè)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(shuō)明財務(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(xiě)了一封道歉信，接著(zhù)從他公寓的窗戶(hù)上取下空調，隨后從 13 層樓跳下身亡。他 63 歲。

??當大衛薩爾諾夫聽(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 繼續她丈夫的所有訴訟。最終她將提起 21 項專(zhuān)利訴訟并全部獲勝。在接下來(lái)的 11 年里，她贏(yíng)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 取代他的系統呢？其中部分原因是他手頭拮據，因為他已經(jīng)投入 500 萬(wàn)美元來(lái)研發(fā)一個(gè)叫做陰極射線(xiàn)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。

??但什么是陰極射線(xiàn)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)現和光電效應有關(guān)。?這中間的故事我們下次接著(zhù)聊。