原创 调频广播是如何被发明的?

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，改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”。

  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。

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。

  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。

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