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。

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。

  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。 

  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。

  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。 

  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。

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。

  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。

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。

参考资料