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調幅/調頻收音機原理及應用
2024-10-11
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收音機是一種能夠接收到無線電廣播信號的裝置，大家最為熟悉的無線電廣播通常分為兩種，即FM（調頻）和AM（調幅），調頻是指用高頻正弦波的頻率變化來表示信息的調制方式，而調幅是指用高頻正弦波的幅度變化來表示信息的調制方式。
調幅廣播的誕生比調頻廣播要早得多，在20世紀初，加拿大物理學家費森登發現，無線電波既然可以以脈沖形式模仿莫爾斯電碼的點劃記號向外發送，那就可以通過調制，發射連續的電波，使其振幅隨聲波的不規則變化而改變。
這樣就能人的語音通過送話器轉變為音頻電信號，再將音頻電信號疊加到高頻載波上變成調幅信號發射出去，在接收端再把這些變化的電波選出來并還原成聲波。
為了驗證他的想法，1906年12月25日，費森登在馬薩諸塞州的布蘭特羅克鎮的國家電器公司128米高的無線電塔上進行了一次廣播。
在演播前，他在報紙上進行了預告，并發出無線電報，通告報界和太平洋上的來往船只，廣播的節目則是朗讀《圣經》中的一段故事，還播送了德國音樂家韓德爾所做的《舒緩曲》等。
這是世界上第一次成功的傳聲實驗，并被公認為無線電聲音廣播誕生的標志——調幅無線電廣播誕生。
調幅信號可以通過簡單的線性電路進行產生和解調，因此接收設備可以做得很簡單，像美國科學家鄧伍迪和皮卡爾德于1910年發明的礦石收音機，就是用天線、地線以及基本調諧回路和礦石做檢波器而組成的沒有放大電路的無源收音機。
這種收音機不使用電源，電路里只有一個半導體元件，最初是用礦石來做的檢波器，算是最簡單的無線電接收裝置了。
不過，調幅廣播占用的頻帶較寬，頻譜效率較低，而且容易受到噪聲和其他無線電信號的影響，音質也相對較差，無法高保真。
1918年，美國無線電工程師埃德溫·霍華德·阿姆斯特朗，根據超外差原理對直放式收音機進行了改進，提高了收音機的靈敏度，制作了超外差式收音機。
▲超外差收音機原理示意圖
1933年，他又通過頻率調制的廣播方式解決了無線電收音機的天線和噪音問題，獲得了有關無線電廣播頻率調制的發明專利權，也就是調頻廣播。
▲阿姆斯特朗
與調幅廣播不同，調頻廣播收音機在接收調頻信號時，需要通過頻率解調器將頻率變化解調成聲音信號，使調頻波的載波隨著音頻調制信號的變化，而在載波中心頻率（未調制以前的中心頻率）兩邊變化。
這樣，每秒鐘的頻偏變化次數和音頻信號的調制頻率一致，如音頻信號的頻率為500HZ，則載波的頻偏變化次數也為每秒500次，頻偏的大小是隨音頻信號的振幅大小而定。
世界上第一臺汽車收音機5T71，于1930年誕生于美國芝加哥的高爾文制造公司，也就是摩托羅拉公司的前身，不過那時價格昂貴，直到1934年后才成為暢銷品。
受制于龐大的真空管電路原件，早年的車載收音機只能接收中波或長波的AM廣播，而接收機則因為太大而只能被安放在車尾箱，而且它的耗電量驚人，關閉引擎后便不能工作，否則電壓只有6伏的電池會很快被耗盡。
直到1952年，藍寶才推出世界第一臺FM汽車收音機——AutoSuper A52KU，調頻廣播這才開始得到廣泛應用。
1974年開始，歐洲部分國家開始推行載波技術，讓交通信息隨時能向駕駛者推送，2000年后又陸續加入數字廣播、衛星廣播、甚至數字電視廣播等技術。
但是，現在車載設備互聯網信號依賴于現代蜂窩網絡系統，信號基站覆蓋范圍較小，不像FM短波調頻廣播的發射臺覆蓋半徑可以超過100公里，而AM中波電臺的覆蓋距離則可以達到上千公里。
▲模擬調頻廣播覆蓋示意圖
它們都不依賴于互聯網連接，可以在沒有網絡的情況下正常工作，且無需擔心信號覆蓋的問題，而且穩定、低時延和覆蓋范圍廣。
如果發生災害，部分信號基站無法正常工作，就會大規模影響網絡服務，但無線廣播發射臺本身覆蓋范圍就大，本地區的不行，可能還有別的地區可以使用。
通過收音機，救援人員可以及時向災區傳遞救援信息和指令，而災區居民也可以通過收音機了解救援進展和食物淡水的空投地點、救援力量何時抵達、哪里是安全區等狀況。
這也使得廣播天生就具有應急能力，可擔任突發事件應急傳遞信息的職能，所以在末世電影和爽文中，收音機會始終在物資儲備清單占據單獨的一列。
▲《終結者3:機器的覺醒》中，康納通過收音機收到信號
在2008年的汶川大地震中，由于地震嚴重破壞了地區的電話信號塔和互聯網通訊設施，常規的通訊方式無法使用，救援部隊就向災區空投17萬臺無線電收音機，其中9萬臺為手搖自發電式收音機，確保每位救援人員配備一臺。
2010年海地地震后，國際救援組織也大量分發了收音機，以確保災區民眾能夠接收到救援信息和外界新聞。
2012年颶風“桑迪”襲擊美國多地后，美國新澤西州孟莫斯郡的廣播聽眾人數增加了247%，米德塞斯郡、薩默塞特郡和聯合郡的聽眾人數增加了195%。
關于調幅AM收音
考慮到調幅AM收音方式可以傳播接收更遠距離，我們下面重點介紹一下其工作原理
下面帶大家來分析一個經典電路。也是伴隨我們整個童年的收音機，常用的收音機按照工作原理來說主要分為FM（調頻）和AM（調幅）兩種。AM收音機最經典的電路要數六管調幅收音機。我們就來分析一下六管收音機的工作原理。
首先，拆開收音機，看看里面都有些啥。
圖一 收音機拆解圖
完整的電路圖如下：
完整電路圖
首先回答幾個問題：
（1）收音機是什么？
收音機是一個能夠接收無線電臺廣播信號，并把節目內容通過揚聲器播放出來的終端設備。
（2）收聽廣播電臺需要什么條件？
首先，既然收音機是用來接收無線廣播電臺的設備，那么首先得有正常工作的無線廣播電臺 ，然后手里有一臺工作正常的收音機。我們通過調頻旋鈕來選擇我們要收聽的電臺。
無線廣播系統
（3）收音機的原理是什么？
首先，我們思考一下聲音和電信號的關系。雖然聲音和電信號是兩種不同的東西，但是可以通過一定方式實現兩者之間的相互轉化。比如。
聲音 ---> 電信號（麥克風可以將聲音震動的機械能轉化成電能）
電信號 ---> 聲音 (揚聲器，俗名喇叭，可以將電信號轉化成聲音信號)
電信號和聲音信號 相互轉換
既然這樣，如果電臺到聽眾之間的距離很近的話，我們完全可以通過把麥克風產生的電信號通過電線傳送到聽眾那里，然后使用放大器將電信號加以放大，推動喇叭發出聲音。結構如下：
有線傳輸電臺信號
但是，一個廣播電臺不可能只服務于它周邊的少數聽眾，且每個聽眾接根線收聽電臺實在是不方便。所以，無線電臺出現了。無線和有線區別在哪里那? 顧名思義，無線電臺就是把電臺原本需要通過電線傳輸的電信號，先轉換成電磁波，發往空中，然后接收端通過天線接收到該電磁波，天線把接收到的電磁波轉換成電信號，加以放大，推動揚聲器發出聲音。結構如下：
無線傳輸電信號
然而，我們人類聽覺范圍 只有20Hz～20KHz，多數人聲的頻率范圍在340Hz～3.4KHz之間。根據理論分析，電信號轉換成電磁波的能力跟頻率和天線長度有關系，即，頻率越高，天線越長，電信號越容易轉換成電磁波，通過天線發射出去。定量來看，固定頻率下，天線的長度要大于該電信號波長的1/4時才能有效的發射出去。這樣，如果我們直接把人聲轉化來的電信號發射出去需要的天線長度：
L = 1/4 * c /f = 1/4 * 3*10^8/340 = 220KM (c為光速，f為人聲下限)
這么長的天線著實嚇人，在地球上建造一根220KM的天線簡直時開玩笑。但是，聰明的人類沒有選擇狗帶。既然電信號轉化成電磁波的能力跟頻率和天線長度都有關，天線長度有限制，那就提高頻率嘛。就這樣，偉大的人類選擇了將低頻聲音信號調制到高頻載波上去，然后通過天線轉換成電磁波發送出去。所謂載波，顧名思義，就是運載聲音信號的高頻電磁波 ，它可以把有用的聲音信號包含進去，發送到聽眾收音機上，然后收音機通過解調 ，把聲音信號取出來，加以放大，最后推動揚聲器發聲。舉個例子，你在某寶上買了個腳踏車，老板肯定不會親自騎著它給你送過來（老板蛇精病除外），而是選擇發物流。整個流程就是，老板把你的腳踏車打包給物流公司，通過大貨車給你送到家門口，你從大貨車上卸載下你要的腳踏車。
高頻載波無線傳輸系統
聲音信號疊加到載波上的過程叫做信號調制
（等價老板打包裝車），聽眾收音機把音頻信號取出來的過程叫做解調（等價你從大貨車上卸載包裹）。載波就是大貨車，起到運載作用。
根據原理不同，調制分為FM（頻率調制）和AM（幅度調制 ）兩種模式。
頻率調制: 即調制頻率，也就是使用音頻信號幅度按照線性關系控制高頻載波的頻率。假設，規定沒有聲音的時候，載波頻率 最低1M， 聲音最大的時候，載波頻率最大1.1M。
調頻方式
幅度調制：即調制幅度，也就是使用音頻信號幅度按照線性關系控制高頻載波 的幅度。假設，規定沒有聲音的時候，載波的信號幅度為1V，聲音最大的時候，載波的幅度為10V。兩者的關系如下：
調幅方式
AM調幅收音機的工作原理，根據上述討論結果，我們可以大體知道一臺收音機的基本框架了。如下圖描述，一臺收音機包括：天線，輸入調諧電路，放大器，解調器（檢波），功放，喇叭等幾大功能模塊。
AM調頻收音機基本功能框圖
從原理上講，以上模塊已經可以實現接收電臺的功能了，但是因為電路要能夠處理不同頻道（載波頻率不同），不同的信號強度（距離電臺的遠近，電臺信號發射塔與接收者之間是否有障礙物）的情況， 所以，實x際電路設計中，增加了混頻器和AGC（自動增益控制 ）模塊。功能如下：
混頻器 ：作用是通過把接收到的不同頻率電臺信號與本機振蕩器產生的本振信號混合，然后通過選頻電路 把兩者的差值頻率信號選擇出來，從而實現載波信號的頻率遷移。只要我們保證本機振蕩頻率始終比接收到的信號頻率高一個固定值，就可以保證載波信號 遷移到一個固定頻率。這樣，后續電路處理該固定頻率的載波信號就會簡單很多，大大簡化了電路。在AM調頻收音機中，這個固定頻率值是455K。我們把變頻之后的這個455k載波調制信號 叫做中頻信號，后續的一級放大器叫做中頻放大器。
AGC：自動增益控制電路 。因為各種原因導致了收到的不同電臺信號強度差異很大，為了避免這種問題，我們加入了AGC電路，當接收到的信號很弱時，AGC自動提高中頻放大電路 的增益；相反，當收到的信號很強時，AGC自動降低中頻放大電路的增益。從而使得不同電臺，不同場景下，電臺音量保持穩定。
增加了上述功能后，整個系統框架基本就完善了，具體見下圖：
AM調幅收音機完整功能框圖
天線接收到各個電臺的電磁波，轉換成電信號，通過調節輸入調諧電路 （選頻網絡）選擇出我們想要收聽的電臺頻率，輸入到混頻單元，同時本機振蕩器產生一個比輸入電臺頻率高455kHz的信號也輸入到混頻電路 ，由于混頻電路是通過使晶體管工作在非線性區域，產生兩個信號之間的乘積項，該乘積項可以分解成多項式，其中包括兩個輸入信號的頻率差信號（固定頻率差值為455k），從而實現載波頻率轉移（變頻），該差值頻率信號被稱為中頻信號。緊接著一級中頻放大電路放大該中頻信號，然后通過檢波電路檢出需要的音頻信號，送往音頻放大電路 進行功率放大，最終推動喇叭發出聲音。AGC電路根據檢波出來的音頻信號強度自動控制中頻放大電路的增益，確保每個電臺能夠穩定工作。
那我們把開始的完整電路圖 于上述功能框圖對應起來如下圖：
原理圖的功能劃分
到這，你應該能夠很清楚的明白整個AM調幅收音機的組成，以及每個模塊的功能了，掌握了工作原理，你也就掌握了80%的內容，剩下的一點事情就是了解每個功能模塊的具體電路實現。
下面帶大家一起來研究下每個功能模塊的電路實現。
（1）選頻網絡
選頻網絡：輸入端采用LC選頻網絡來進行頻道選擇， C1用作補償電容，彌補實際電容誤差。C2容量調節選頻網絡的工作頻率。
（2）高頻放大器
整機框圖中可以看到高放，本振，混頻是合在一起的，這里我們按照不同功能拆分開，下圖就是其高頻放大器。
高頻放大器：該電路采用共發射極放大器結構，輸入信號通過變壓器耦合到三極管Q1的基級，集電極的LC網絡作為負載，選擇出固定頻率的信號，提供足夠的放大能力。然后通過變壓器耦合到下一級。
（3）本機振蕩器
如下圖，拆分出來的本機振蕩器
本機振蕩器：首先，作為振蕩器兩個必要條件：（1）正反饋。（2）環路增益 足夠大。
整個電路基本結構是一個共基級放大器和一個LC選頻網絡，信號從三極管Q1的發射級輸入，通過集電極電感L2耦合到LC選頻網絡，LC選擇出需要的頻率，通過C3送回輸入端，構成正反饋。合理設計L1，L2線圈的匝數比，以及L1中心抽頭的位置可以提供一個合適的環路增益，維持振蕩器的穩定工作。通過調節上圖電容C4的值就可以調節振蕩器的工作頻率。通常為了保證本機振蕩器始終比輸入信號頻率高455KHz，我們采用雙聯可調電容器來同步調節本振和選頻網絡的電容值，維持兩者工作頻率的差值。交流等效電路如下圖。
本振交流等效電路
（3）混頻器
混頻電路：電臺信號通過基級輸入放大器進行放大，本振信號通過發射級輸入放大器。因為三極管工作在非線性區，信號是正弦波因此在不同幅度的時候放大的量不一樣，于是波形就發生了畸變，事實上是多個不同頻率的正弦波合成出來的，換句話說畸變產生了新頻率。兩信號疊加的乘積項拆分出兩者的差頻信號，這里叫做中頻信號，然后我們 使用L2C3構成的選頻網絡選擇出該中頻信號，送往下一級中放電路進行放大。
（4）中頻放大
中頻放大電路：中頻放大電路。中規中矩的共射級放大結構，發射極直接接地，最大化增益。負載同樣使用LC網路，可以充分發揮放大器的放大作用。輸入輸出使用變壓器耦合。
（5）檢波電路
檢波電路：檢波電路其實是一個電壓跟隨器 加上一個低通濾波器構成，中頻信號從基級輸入，經過跟隨器進行電流放大，然后送到由 R2,R3,C1,C2構成的低通濾波器 。頻率較高的載波被低通濾波器濾除，低頻率的音頻信號順利輸出，R3是一個電位器 ，用來控制聲音大小。
（6）音頻前置放大和功放電路
前置放大&功率放大
前級使用共發射極結構作為電壓放大，電容耦合 輸入，變壓器耦合輸出，送到后級功放電路。后級采用對稱推挽結構 進行功率放大，該放大器屬于乙類放大器 ，功率管Q2，Q3分別導通半周期 。輸入輸出均采用變壓器結構。當輸入信號處于正半周期時，T1上變壓器感應出正電壓 ，Q2導通，給變壓器T2上邊線圈加電，通過變壓器耦合輸出到喇叭，Q3輸入負向電壓 截至。相反，當輸入信號處于負半周期 時，Q3加正電壓導通，給T2下邊線圈加電，通過變壓器耦合到喇叭，Q2因為加了負電壓 截至。 就這樣，Q2,Q3交替導通，構成完整輸出信號。該電路沒有考慮三極管Q2，Q3基級導通電壓，所以輸出存在交越失真，但是，普通用戶不會太在意這一點，所以為了降低成本和電路復雜度，該功放電路在收音機中被廣泛使用。
（7）AGC-自動增益控制
講到這里，仿佛整個電路已經分析完了。但是，你是否意識到我們前面提到的AGC電路好像自始至終都沒有出現過？ 好像也沒看到有多余的電路了。那到底AGC在哪里那？ 來，我們再仔細看一下圖。
AGC電路：看圖中紅色筆跡圈起來的部分，表面上看只是用R4,C5 R3,C4構成RC退耦電路 ，用來濾除電電源和功放電路對前級的干擾，其中，R4,C5退耦給檢波放大器集電極 供電， R3,C4退耦給中放和檢波電路 提供基級偏置電壓。沒錯，這部分功能是對的。但是還有一個重要的功能，那就是控制中放的增益（AGC功能），實現的關鍵是 R4比較大的阻值和中放取自電容C5的電壓。
因為中放采用的是共發射極 放大器結構，基極偏置電壓的大小會直接影響其放大倍數。具體是，在一定范圍內，偏置電壓 越大，電壓放大能力越大。試想一下，當收音機接收到的信號非常強時，檢波輸出的音頻電流就會比較大，這時R4上的壓降相應的增大，C5兩端電壓減小，意味著中放偏置電壓減小，中放增益就會較弱。最終達到一個平衡。從而實現自動增益控制。
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