调频(FM)广播是如何被发明的?

    Howard Armstrong & Frequency Modulation: History and Physics[1]

一、前言

  调频FM 收音机进一步改善了我们交流的方式。  根据霍华德·阿姆斯特朗的对手戴维·萨尔诺夫的说法,调频广播是“一场革命”。  很多关于这段历史的书籍、视频和文章的内容更多的聚焦在他们两人之间的争斗,但大都对调频广播的科学原理一带而过。  让我们听 Kathy 老师准确生动、简洁明了的介绍霍华德·阿姆斯特朗最初是如何发明 FM 收音机的, 以及这项惊人的发明又是如何导致他的悲惨命运的。

▲ 图1.1.1 戴维·萨尔诺夫与霍华德·阿姆斯特朗

二、从调幅到调频

  1923 年,Howard Armstrong 与他的朋友、时任 RCA 副总裁的 David Sarnoff 合作制造了 Radiola 收音机, 很快 Armstrong 和 Sarnoff 赚了数百万美元。  广播电台迅速普及,改变了社会文化的各个方面。  但还存在一个烦人的问题,那就是杂波干扰,它与 AM 收音机的性质有关。

▲ 图1.2.1 无线广播中的电磁波

  先了解一下调幅广播的基础知识。 无线电波不是声波, 对吧? 它们实际上是不可见的光波。  无线电波被用作传输或携带声音信息的媒介, 也称为载波,即装载信息的无线电波。  在 AM 收音机中,声音被转换成电信号,该信号用于改变载波的振幅。 因此,调幅收音机的名称为 AM 收音机。  电火花、闪电等都会产生无线电波,从而叠加在电磁波上,从而在 AM 收音机中产生杂波干扰。

下面演示一下调幅收音机的杂波干扰。 

▲ 图1.2.2 调幅收音机被附近电火花干扰

  Sarnoff 曾多次表示,他希望有一个小黑匣子来消除杂波干扰。   Armstrong 认为他有解决方法。  为什么不创建一个无线电波,其中频率偏离原始频率,频偏的大小对应于麦克风中产生的声波幅度, 而不在利用电波的幅值来代表声音信号的强度。 因此这种收音机被称为调频收音机。

▲ 图1.2.3 两种种不同的信号调制方式

  实际上,许多科学家在二十世纪初期就对频率调制很感兴趣。  然而,在 1922 年,贝尔实验室的首席数学理论家约翰·卡森 (John Carson) 写了一篇论文,认为它行不通。  更准确地说,它会起作用,但它本质上会对信号产生失真,所以调频没有任何优势。  卡森最终得出的结论是,“广播中的杂波干扰,就像贫困一样永远与我们同在”。

  对于卡森的判断,阿姆斯特朗根本不服,他说: “对于这种完全基于数学得出的结论我嗤之以鼻。 1928 年,霍华德·阿姆斯特朗决定将所有时间都花在制作 FM 收音机上。 三年了,他一无所获。  然后他有了一个激进的想法。 他知道为了实现 FM 广播,需要改变载波频率。  据他了解当时可用的技术,需要将调制频率限制在一定范围之内,否则会使信号失真,这一点已经被卡森进行了数学证明。 但如果减少调制频带宽度就可能限制声音信号的动态范围,从而无法减少杂波干扰。

  为此他设想先从变化较小的低频开始, 然后利用频率倍增技术将信号变成较高频率,对应的频率变化就会增大。 在接收信号时,接收器允许的带宽要求比较大, 这被称为宽带 FM 收音机。  这的确不是一件容易的事,直到 1933 年Armstrong才把它弄好。 

▲ 图1.2.4 接受信号的带宽

  当他实现了他的设想之后,发现广播声音的质量比他希望的还要好。 杂波干扰消失了。  调频信号的频率范围可以覆盖人类耳朵可以听到的整个频率范围,而不是像 调幅广播那样只有一小段声音频率范围。  甚至可以同时传输两个信号来传输立体声。  可是谁能想到,调频广播的这种高保真特性,却招来萨尔诺夫的讨厌。

下面通过实验对比AM, FM对干扰的抑制作用。 

三、调频调制

  你可能会问,如何将来自麦克风的信号变为无线电波频率的变化? 这个调频过程稍微复杂一点。  阿姆斯特朗先对极低频的载波进行幅度调制,接着将原来的载波进行抑制。   接着将调制信号移相90 度, 这就产生 PM 或相位调制信号。 调制信号的幅度不会改变,而是改变了信号的相位,也就是信号的过零点的位置。  然后再使用一个电容器对信号进行积分,使其成为调频信号。  最后,使用正弦载波信号与调制信号相乘,获得无线电波信号,该信号具有载波频率和频率变化。

▲ 图1.3.1 信号频率调制过程

四、调频解调

  那么如何解调FM信号呢? 要谈论 FM 接收器,让我们先从 Armstrong 的 AM 接收器如何工作开始。  AM收音机中,Armstrong 放大了来自天线的信号,然后将其与另一个信号混合以产生易于处理的较低的中频信号。 然后将通过滤波选择想要的频率信号。放大该信号,然后对其进行幅度包络检波。顺便说一下,可以使用简单的二极管实现信号包络线检波。 最后将声音进行功率放大,输出到扬声器上。

▲ 图1.4.1 AM信号解调

  FM 接收器与 AM 接收器略有不同。 在FM接受器中不需要窄频滤波器,否则就会丢失调制信号信息,取而代之的是宽频滤波器。  其次,中间具有限制器的电路,限制信号的幅度 。如果波形超过限制阈值,任何信号变化都被削顶。 因为信号是调制在频率变化上,所以附加在幅度上的干扰杂波就会被滤除。  第三,检波部分不再使用包络检测器,而是使用了鉴频器电路, 正如阿姆斯特朗所说,鉴频器的作用是“将频率变化转化为幅度变化”。

▲ 图1.4.2 FM接收机中的限幅器

  Armstrong 用线圈和电容器创建了两个调谐电路。  一个调谐到载波频率以上, 一个调谐到载波频率以下。  如果输入信号没有被调制,也就他与载波频率相同,那么在两个电路中效果都一样。  然后标记为 48 和 49 的两个线圈将感应出相同的电压,它们之间没有电流输出。

  然而,如果频率被调制得更高或更低,那么一个谐振回路输出信号幅度高, 另外一个谐振回路幅值低。 两个谐振回路输出信号肤质不同,使得在它们之间产生电压差,并在扬声器或耳机中产生相应的电流。 频率差越大,耳机中电流的幅度就越大。 通过这种方式,阿姆斯特朗将频率的变化转换为扬声器振幅的变化。

▲ 图1.4.3 FM收音机中的鉴频器

五、商业之争

  既然 FM 比 AM 好那么多,为什么 Sarnoff 不高兴呢? 按照萨诺夫的想法,他只希望有什么东西可以改进现有的调幅广播系统,而不是取代他的系统。  那该怎么办呀? Sarnoff 决定阻止他朋友ArmStrong的新发明的推广。 他不仅将阿姆斯特朗赶出帝国大厦的实验室,还让其他的科学家写文章诋毁 FM,并禁止 RCA 使用 FM 收音机。  但阿姆斯特朗并没有气馁,他卖掉了他在 RCA 的所有股票,并创办了自己的 FM 公司,名为 Yankee Network。

▲ 图1.5.1 阿姆斯特朗的调频广播公司

  直到五年后,萨尔诺夫才意识到自己可能错失了调频广播重要商机, 并试图让阿姆斯特朗签署价值一百万美元的非排他性许可。  阿姆斯特朗不客气的让让萨尔诺夫滚开, 阿姆斯特朗的这种不合作态度让他的律师大为吃惊, 他说:“这是我第一次听说发明家为了非排他性许可而拒绝了 100 万美元。”

  萨尔诺夫被彻底激怒了。 于是他与他的前朋友开始了个人恩怨争斗,并利用他的影响力让 FCC 改变了 FM 可用的无线电频率, 使阿姆斯特朗的设备和公司变得一文不值。  Sarnoff 和 RCA 随后在未经许可的情况下开始使用 FM, 很快许多其他公司也纷纷效仿。  1948 年 7 月,阿姆斯特朗提起诉讼。 RCA 决定通过使诉讼尽可能漫长和艰巨来赢得胜利。  或者正如阿姆斯特朗所说,“他们会拖延这件事,直到我死了或破产。” 而这场官司一拖再拖。 阿姆斯特朗的官司持续了好几年。  1952 年,他的钱花光了,不得不贷款支付律师费。  1953 年 2 月 20 日,Sarnoff 在法庭作证时撒谎说“RCA 在开发 FM 方面所做的工作比这个国家的任何人都多,包括阿姆斯特朗”。

  失败后,阿姆斯特朗试图息事宁人,但萨尔诺夫不让他这么做。  1953 年 11 月,阿姆斯特朗向他的妻子玛丽恩说明财务状况, 他们之间产生了口角, 直至动起手来。失去理智的阿姆斯特朗用纸牌打了妻子的胳膊,  气愤的玛丽恩离家出走,再也没有回来看望她的丈夫。 1954 年 1 月 31 日,正好是阿姆斯特朗与萨尔诺夫当年一起熬夜展示他的再生电路的 40 年周年纪念日,  阿姆斯特朗给妻子写了一封道歉信,接着从他公寓的窗户上取下空调,随后从 13 层楼跳下身亡。 他 63 岁。

  当大卫萨尔诺夫听说阿姆斯特朗自杀时,他脱口而出“我没有杀阿姆斯特朗。” 但他一定知道他与阿姆斯特朗的绝望行为有关,并在他的葬礼上公开痛哭流涕。  Marion Armstrong 继续她丈夫的所有诉讼。 最终她将提起 21 项专利诉讼并全部获胜。 在接下来的 11 年里,她赢得了超过 1000 万美元的赔偿金。

  让我们稍微回到 1934 年。 David Sarnoff 干嘛不想用 FM 取代他的系统呢? 其中部分原因是他手头拮据,因为他已经投入 500 万美元来研发一个叫做阴极射线管的产品。  这个产品最终成就 Sarnoff 和 RCA 成为 CRT 电视巨头的原因。

六、后记

  但什么是阴极射线管? 为什么发明它?  它不仅仅与电视有关,还与示波器、雷达、X 光机、电子的发现和光电效应有关。 这中间的故事我们下次接着聊。

▲ 图1.6.1 阴极射线管电视机

参考资料

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

[2] Kathy老师讲述的有趣科学历史: blog.csdn.net/article/details/128637281

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