一、前言

??調頻FM 收音機進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·薩爾諾夫的說法，調頻廣播是“一場革命”。? 很多關于這段歷史的書籍、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原理一帶而過。?讓我們聽 Kathy 老師準確生動、簡潔明了的介紹霍華德·阿姆斯特朗最初是如何發明 FM 收音機的，?以及這項驚人的發明又是如何導致他的悲慘命運的。

二、從調幅到調頻

??1923 年，Howard Armstrong 與他的朋友、時任 RCA 副總裁的 David Sarnoff 合作制造了 Radiola 收音機，?很快 Armstrong 和 Sarnoff 賺了數百萬美元。? 廣播電臺迅速普及，改變了社會文化的各個方面。?但還存在一個煩人的問題，那就是雜波干擾，它與 AM 收音機的性質有關。

▲ 圖1.2.1 無線廣播中的電磁波

??先了解一下調幅廣播的基礎知識。無線電波不是聲波， 對吧？它們實際上是不可見的光波。?無線電波被用作傳輸或攜帶聲音信息的媒介， 也稱為載波，即裝載信息的無線電波。?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，調幅收音機的名稱為 AM 收音機。? 電火花、閃電等都會產生無線電波，從而疊加在電磁波上，從而在 AM 收音機中產生雜波干擾。

??Sarnoff 曾多次表示，他希望有一個小黑匣子來消除雜波干擾。? Armstrong 認為他有解決方法。?為什么不創建一個無線電波，其中頻率偏離原始頻率，頻偏的大小對應于麥克風中產生的聲波幅度， 而不再利用電波的幅值來代表聲音信號的強度。因此這種收音機被稱為調頻收音機。

▲ 圖1.2.3 兩種不同的信號調制方式

??實際上，許多科學家在二十世紀初期就對頻率調制很感興趣。? 然而，在 1922 年，貝爾實驗室的首席數學理論家約翰·卡森 (John Carson) 寫了一篇論文，認為它行不通。? 更準確地說，它會起作用，但它本質上會對信號產生失真，所以調頻沒有任何優勢。?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：“對于這種完全基于數學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間都花在制作 FM 收音機上。三年了，他一無所獲。?然后他有了一個激進的想法。他知道為了實現 FM 廣播，需要改變載波頻率。?據他了解當時可用的技術，需要將調制頻率限制在一定范圍之內，否則會使信號失真，這一點已經被卡森進行了數學證明。?但如果減少調制頻帶寬度就可能限制聲音信號的動態范圍，從而無法減少雜波干擾。

??為此他設想先從變化較小的低頻開始，?然后利用頻率倍增技術將信號變成較高頻率，對應的頻率變化就會增大。?在接收信號時，接收器允許的帶寬要求比較大， 這被稱為寬帶 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。?

▲ 圖1.2.4 接收信號的帶寬

??當他實現了他的設想之后，發現廣播聲音的質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耳朵可以聽到的整個頻率范圍，而不是像調幅廣播那樣只有一小段聲音頻率范圍。? 甚至可以同時傳輸兩個信號來傳輸立體聲。? 可是誰能想到，調頻廣播的這種高保真特性，卻招來薩爾諾夫的討厭。

下面通過實驗對比AM， FM對干擾的抑制作用。?

三、調頻調制

??你可能會問，如何將來自麥克風的信號變為無線電波頻率的變化？這個調頻過程稍微復雜一點。?阿姆斯特朗先對極低頻的載波進行幅度調制，接著將原來的載波進行抑制。? 接著將調制信號移相90 度， 這就產生 PM 或相位調制信號。調制信號的幅度不會改變，而是改變了信號的相位，也就是信號的過零點的位置。? 然后再使用一個電容器對信號進行積分，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，獲得無線電波信號，信號具有載波頻率和頻率變化。

▲ 圖1.3.1 信號頻率調制過程

四、調頻解調

??那么如何解調FM信號呢？要談論 FM 接收器，讓我們先從 Armstrong 的 AM 接收器如何工作開始。? AM收音機中，Armstrong 放大了來自天線的信號，然后將其與另一個信號混合以產生易于處理的較低的中頻信號。然后將通過濾波選擇想要的頻率信號。放大該信號，然后對其進行幅度包絡檢波。順便說一下，可以使用簡單的二極管實現信號包絡線檢波。最后將聲音進行功率放大，輸出到揚聲器上。

▲ 圖1.4.1 AM信號解調

??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被濾除。?第三，檢波部分不再使用包絡檢測器，而是使用了鑒頻器電路，?正如阿姆斯特朗所說，鑒頻器的作用是“將頻率變化轉化為幅度變化”。

▲ 圖1.4.2 FM接收機中的限幅器

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

??然而，如果頻率被調制得更高或更低，那么一個諧振回路輸出信號幅度高，?另外一個諧振回路幅值低。?兩個諧振回路輸出信號幅值不同，使得在它們之間產生電壓差，并在揚聲器或耳機中產生相應的電流。頻率差越大，耳機中電流的幅度就越大。通過這種方式，阿姆斯特朗將頻率的變化轉換為揚聲器振幅的變化。

▲ 圖1.4.3 FM收音機中的鑒頻器

五、商業之爭

??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的新發明的推廣。他不僅將阿姆斯特朗趕出帝國大廈的實驗室，還讓其他的科學家寫文章詆毀 FM，并禁止 RCA 使用 FM 收音機。?但阿姆斯特朗并沒有氣餒，他賣掉了他在 RCA 的所有股票，并創辦了自己的 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值一百萬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， 阿姆斯特朗的這種不合作態度讓他的律師大為吃驚， 他說：“這是我第一次聽說發明家為了非排他性許可而拒絕了 100 萬美元。”

??薩爾諾夫被徹底激怒了。于是他與他的前朋友開始了個人恩怨爭斗，并利用他的影響力讓 FCC 改變了 FM 可用的無線電頻率，?使阿姆斯特朗的設備和公司變得一文不值。?Sarnoff 和 RCA 隨后在未經許可的情況下開始使用 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 決定通過使訴訟盡可能漫長和艱巨來贏得勝利。? 或者正如阿姆斯特朗所說，“他們會拖延這件事，直到我死了或破產。” 而這場官司一拖再拖。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 在法庭作證時撒謊說“RCA 在開發 FM 方面所做的工作比這個國家的任何人都多，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明財務狀況， 他們之間產生了口角，?直至動起手來。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，再也沒有回來看望她的丈夫。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了一封道歉信，接著從他公寓的窗戶上取下空調，隨后從 13 層樓跳下身亡。他 63 歲。

??當大衛薩爾諾夫聽說阿姆斯特朗自殺時，他脫口而出“我沒有殺阿姆斯特朗。” 但他一定知道他與阿姆斯特朗的絕望行為有關，并在他的葬禮上公開痛哭流涕。?Marion Armstrong 繼續她丈夫的所有訴訟。最終她將提起 21 項專利訴訟并全部獲勝。在接下來的 11 年里，她贏得了超過 1000 萬美元的賠償金。

??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，因為他已經投入 500 萬美元來研發一個叫做陰極射線管的產品。?這個產品最終成就 Sarnoff 和 RCA 成為 CRT 電視巨頭的原因。

六、后記

??但什么是陰極射線管？為什么發明它？? 它不僅僅與電視有關，還與示波器、雷達、X 光機、電子的發現和光電效應有關。?這中間的故事我們下次接著聊。

審核編輯：劉清