調(diào)幅/調(diào)頻收音機(jī)原理及應(yīng)用

印寧華|Indining China|

2024-10-11 16:04:39 611

收音機(jī)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(diào)頻）和AM（調(diào)幅），調(diào)頻是指用高頻正弦波的頻率變化來表示信息的調(diào)制方式，而調(diào)幅是指用高頻正弦波的幅度變化來表示信息的調(diào)制方式。

調(diào)幅廣播的誕生比調(diào)頻廣播要早得多，在20世紀(jì)初，加拿大物理學(xué)家費(fèi)森登發(fā)現(xiàn)，無線電波既然可以以脈沖形式模仿莫爾斯電碼的點(diǎn)劃記號向外發(fā)送，那就可以通過調(diào)制，發(fā)射連續(xù)的電波，使其振幅隨聲波的不規(guī)則變化而改變。

這樣就能人的語音通過送話器轉(zhuǎn)變?yōu)橐纛l電信號，再將音頻電信號疊加到高頻載波上變成調(diào)幅信號發(fā)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(yàn)證他的想法，1906年12月25日，費(fèi)森登在馬薩諸塞州的布蘭特羅克鎮(zhèn)的*電器公司128米高的無線電塔上進(jìn)行了一次廣播。

在演播前，他在報(bào)紙上進(jìn)行了預(yù)告，并發(fā)出無線電報(bào)，通告報(bào)界和太平洋上的來往船只，廣播的節(jié)目則是朗讀《圣經(jīng)》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*上*次成功的傳聲實(shí)驗(yàn)，并被公認(rèn)為無線電聲音廣播誕生的標(biāo)志——調(diào)幅無線電廣播誕生。

調(diào)幅信號可以通過簡單的線性電路進(jìn)行產(chǎn)生和解調(diào)，因此接收設(shè)備可以做得很簡單，像美國科學(xué)家鄧伍迪和皮卡爾德于1910年發(fā)明的礦石收音機(jī)，就是用天線、地線以及基本調(diào)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(jī)。

這種收音機(jī)不使用電源，電路里只有一個半導(dǎo)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(diào)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(zhì)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(jù)超外差原理對直放式收音機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，提高了收音機(jī)的靈敏度，制作了超外差式收音機(jī)。

▲超外差收音機(jī)原理示意圖

1933年，他又通過頻率調(diào)制的廣播方式解決了無線電收音機(jī)的天線和噪音問題，獲得了有關(guān)無線電廣播頻率調(diào)制的發(fā)明專利權(quán)，也就是調(diào)頻廣播。

▲阿姆斯特朗

與調(diào)幅廣播不同，調(diào)頻廣播收音機(jī)在接收調(diào)頻信號時(shí)，需要通過頻率解調(diào)器將頻率變化解調(diào)成聲音信號，使調(diào)頻波的載波隨著音頻調(diào)制信號的變化，而在載波中心頻率（未調(diào)制以前的中心頻率）兩邊變化。

這樣，每秒鐘的頻偏變化次數(shù)和音頻信號的調(diào)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(shù)也為每秒500次，頻偏的大小是隨音頻信號的振幅大小而定。

*上*臺汽車收音機(jī)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(shí)價(jià)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(jī)只能接收中波或長波的AM廣播，而接收機(jī)則因?yàn)樘蠖荒鼙话卜旁谲囄蚕洌宜暮碾娏矿@人，關(guān)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(lán)寶才推出**臺FM汽車收音機(jī)——AutoSuper A52KU，調(diào)頻廣播這才開始得到廣泛應(yīng)用。

1974年開始，歐洲部分*開始推行載波技術(shù)，讓交通信息隨時(shí)能向駕駛者推送，2000年后又陸續(xù)加入數(shù)字廣播、衛(wèi)星廣播、甚至數(shù)字電視廣播等技術(shù)。

但是，現(xiàn)在車載設(shè)備互聯(lián)網(wǎng)信號依賴于現(xiàn)代蜂窩網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，信號基站覆蓋范圍較小，不像FM短波調(diào)頻廣播的發(fā)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(dá)到上千公里。

▲模擬調(diào)頻廣播覆蓋示意圖

它們都不依賴于互聯(lián)網(wǎng)連接，可以在沒有網(wǎng)絡(luò)的情況下正常工作，且無需擔(dān)心信號覆蓋的問題，而且穩(wěn)定、低時(shí)延和覆蓋范圍廣。

如果發(fā)生災(zāi)害，部分信號基站無法正常工作，就會大規(guī)模影響網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，但無線廣播發(fā)射臺本身覆蓋范圍就大，本地區(qū)的不行，可能還有別的地區(qū)可以使用。

通過收音機(jī)，救援人員可以及時(shí)向?yàn)?zāi)區(qū)傳遞救援信息和指令，而災(zāi)區(qū)居民也可以通過收音機(jī)了解救援進(jìn)展和食物淡水的空投地點(diǎn)、救援力量何時(shí)抵達(dá)、哪里是安全區(qū)等狀況。

這也使得廣播天生就具有應(yīng)急能力，可擔(dān)任突發(fā)事件應(yīng)急傳遞信息的職能，所以在末世電影和爽文中，收音機(jī)會始終在物資儲備清單占據(jù)單獨(dú)的一列。

▲《終結(jié)者3:機(jī)器的覺醒》中，康納通過收音機(jī)收到信號

在2008年的汶川大地震中，由于地震嚴(yán)重破壞了地區(qū)的電話信號塔和互聯(lián)網(wǎng)通訊設(shè)施，常規(guī)的通訊方式無法使用，救援部隊(duì)就向?yàn)?zāi)區(qū)空投17萬臺無線電收音機(jī)，其中9萬臺為手搖自發(fā)電式收音機(jī)，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(fā)了收音機(jī)，以確保災(zāi)區(qū)民眾能夠接收到救援信息和外界新聞。

2012年颶風(fēng)“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(shù)增加了247%，米德塞斯郡、薩默塞特郡和聯(lián)合郡的聽眾人數(shù)增加了195%。

關(guān)于調(diào)幅AM收音

考慮到調(diào)幅AM收音方式可以傳播接收更遠(yuǎn)距離，我們下面重點(diǎn)介紹一下其工作原理

下面帶大家來分析一個經(jīng)典電路。也是伴隨我們整個童年的收音機(jī)，常用的收音機(jī)按照工作原理來說主要分為FM（調(diào)頻）和AM（調(diào)幅）兩種。AM收音機(jī)最經(jīng)典的電路要數(shù)六管調(diào)幅收音機(jī)。我們就來分析一下六管收音機(jī)的工作原理。

首先，拆開收音機(jī)，看看里面都有些啥。

圖一收音機(jī)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(jī)是什么？

收音機(jī)是一個能夠接收無線電臺廣播信號，并把節(jié)目內(nèi)容通過揚(yáng)聲器播放出來的終端設(shè)備。

（2）收聽廣播電臺需要什么條件？

首先，既然收音機(jī)是用來接收無線廣播電臺的設(shè)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(jī)。我們通過調(diào)頻旋鈕來選擇我們要收聽的電臺。

無線廣播系統(tǒng)

（3）收音機(jī)的原理是什么？

首先，我們思考一下聲音和電信號的關(guān)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(shí)現(xiàn)兩者之間的相互轉(zhuǎn)化。比如。

聲音 ---> 電信號（麥克風(fēng)可以將聲音震動的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能）

電信號 ---> 聲音 (揚(yáng)聲器，俗名喇叭，可以將電信號轉(zhuǎn)化成聲音信號)

電信號和聲音信號相互轉(zhuǎn)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(fēng)產(chǎn)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(fā)出聲音。結(jié)構(gòu)如下：

有線傳輸電臺信號

但是，一個廣播電臺不可能只服務(wù)于它周邊的少數(shù)聽眾，且每個聽眾接根線收聽電臺實(shí)在是不方便。所以，無線電臺出現(xiàn)了。無線和有線區(qū)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?shù)碾娦盘枺绒D(zhuǎn)換成電磁波，發(fā)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(zhuǎn)換成電信號，加以放大，推動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。結(jié)構(gòu)如下：

無線傳輸電信號

然而，我們?nèi)祟惵犛X范圍只有20Hz～20KHz，多數(shù)人聲的頻率范圍在340Hz～3.4KHz之間。根據(jù)理論分析，電信號轉(zhuǎn)換成電磁波的能力跟頻率和天線長度有關(guān)系，即，頻率越高，天線越長，電信號越容易轉(zhuǎn)換成電磁波，通過天線發(fā)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(shí)才能有效的發(fā)射出去。這樣，如果我們直接把人聲轉(zhuǎn)化來的電信號發(fā)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(shí)嚇人，在地球上建造一根220KM的天線簡直時(shí)開玩笑。但是，聰明的人類沒有選擇狗帶。既然電信號轉(zhuǎn)化成電磁波的能力跟頻率和天線長度都有關(guān)，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(diào)制到高頻載波上去，然后通過天線轉(zhuǎn)換成電磁波發(fā)送出去。所謂載波，顧名思義，就是運(yùn)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(jìn)去，發(fā)送到聽眾收音機(jī)上，然后收音機(jī)通過解調(diào) ，把聲音信號取出來，加以放大，最后推動揚(yáng)聲器發(fā)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(fā)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(tǒng)

聲音信號疊加到載波上的過程叫做信號調(diào)制（等價(jià)老板打包裝車），聽眾收音機(jī)把音頻信號取出來的過程叫做解調(diào)（等價(jià)你從大貨車上卸載包裹）。載波就是大貨車，起到運(yùn)載作用。

根據(jù)原理不同，調(diào)制分為FM（頻率調(diào)制）和AM（幅度調(diào)制）兩種模式。

頻率調(diào)制: 即調(diào)制頻率，也就是使用音頻信號幅度按照線性關(guān)系控制高頻載波的頻率。假設(shè)，規(guī)定沒有聲音的時(shí)候，載波頻率最低1M，聲音最大的時(shí)候，載波頻率最大1.1M。

調(diào)頻方式

幅度調(diào)制：即調(diào)制幅度，也就是使用音頻信號幅度按照線性關(guān)系控制高頻載波的幅度。假設(shè)，規(guī)定沒有聲音的時(shí)候，載波的信號幅度為1V，聲音最大的時(shí)候，載波的幅度為10V。兩者的關(guān)系如下：

調(diào)幅方式

AM調(diào)幅收音機(jī)的工作原理，根據(jù)上述討論結(jié)果，我們可以大體知道一臺收音機(jī)的基本框架了。如下圖描述，一臺收音機(jī)包括：天線，輸入調(diào)諧電路，放大器，解調(diào)器（檢波），功放，喇叭等幾大功能模塊。

AM調(diào)頻收音機(jī)基本功能框圖

從原理上講，以上模塊已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)接收電臺的功能了，但是因?yàn)殡娐芬軌蛱幚聿煌l道（載波頻率不同），不同的信號強(qiáng)度（距離電臺的遠(yuǎn)近，電臺信號發(fā)射塔與接收者之間是否有障礙物）的情況，所以，實(shí)x際電路設(shè)計(jì)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(jī)振蕩器產(chǎn)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(shí)現(xiàn)載波信號的頻率遷移。只要我們保證本機(jī)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(xù)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(diào)頻收音機(jī)中，這個固定頻率值是455K。我們把變頻之后的這個455k載波調(diào)制信號叫做中頻信號，后續(xù)的一級放大器叫做中頻放大器。

AGC：自動增益控制電路。因?yàn)楦鞣N原因?qū)е铝耸盏降牟煌娕_信號強(qiáng)度差異很大，為了避免這種問題，我們加入了AGC電路，當(dāng)接收到的信號很弱時(shí)，AGC自動提高中頻放大電路的增益；相反，當(dāng)收到的信號很強(qiáng)時(shí)，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(wěn)定。

增加了上述功能后，整個系統(tǒng)框架基本就完善了，具體見下圖：

AM調(diào)幅收音機(jī)完整功能框圖

天線接收到各個電臺的電磁波，轉(zhuǎn)換成電信號，通過調(diào)節(jié)輸入調(diào)諧電路（選頻網(wǎng)絡(luò)）選擇出我們想要收聽的電臺頻率，輸入到混頻單元，同時(shí)本機(jī)振蕩器產(chǎn)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(qū)域，產(chǎn)生兩個信號之間的乘積項(xiàng)，該乘積項(xiàng)可以分解成多項(xiàng)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(shí)現(xiàn)載波頻率轉(zhuǎn)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(jìn)行功率放大，最終推動喇叭發(fā)出聲音。AGC電路根據(jù)檢波出來的音頻信號強(qiáng)度自動控制中頻放大電路的增益，確保每個電臺能夠穩(wěn)定工作。

那我們把開始的完整電路圖于上述功能框圖對應(yīng)起來如下圖：

原理圖的功能劃分

到這，你應(yīng)該能夠很清楚的明白整個AM調(diào)幅收音機(jī)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(nèi)容，剩下的一點(diǎn)事情就是了解每個功能模塊的具體電路實(shí)現(xiàn)。

下面帶大家一起來研究下每個功能模塊的電路實(shí)現(xiàn)。

（1）選頻網(wǎng)絡(luò)

選頻網(wǎng)絡(luò)：輸入端采用LC選頻網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行頻道選擇， C1用作補(bǔ)償電容，彌補(bǔ)實(shí)際電容誤差。C2容量調(diào)節(jié)選頻網(wǎng)絡(luò)的工作頻率。

（2）高頻放大器

整機(jī)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(fā)射極放大器結(jié)構(gòu)，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(wǎng)絡(luò)作為負(fù)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(jī)振蕩器

如下圖，拆分出來的本機(jī)振蕩器

本機(jī)振蕩器：首先，作為振蕩器兩個必要條件：（1）正反饋。（2）環(huán)路增益足夠大。

整個電路基本結(jié)構(gòu)是一個共基級放大器和一個LC選頻網(wǎng)絡(luò)，信號從三極管Q1的發(fā)射級輸入，通過集電極電感L2耦合到LC選頻網(wǎng)絡(luò)，LC選擇出需要的頻率，通過C3送回輸入端，構(gòu)成正反饋。合理設(shè)計(jì)L1，L2線圈的匝數(shù)比，以及L1中心抽頭的位置可以提供一個合適的環(huán)路增益，維持振蕩器的穩(wěn)定工作。通過調(diào)節(jié)上圖電容C4的值就可以調(diào)節(jié)振蕩器的工作頻率。通常為了保證本機(jī)振蕩器始終比輸入信號頻率高455KHz，我們采用雙聯(lián)可調(diào)電容器來同步調(diào)節(jié)本振和選頻網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行放大，本振信號通過發(fā)射級輸入放大器。因?yàn)槿龢O管工作在非線性區(qū)，信號是正弦波因此在不同幅度的時(shí)候放大的量不一樣，于是波形就發(fā)生了畸變，事實(shí)上是多個不同頻率的正弦波合成出來的，換句話說畸變產(chǎn)生了新頻率。兩信號疊加的乘積項(xiàng)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(gòu)成的選頻網(wǎng)絡(luò)選擇出該中頻信號，送往下一級中放電路進(jìn)行放大。

（4）中頻放大

中頻放大電路：中頻放大電路。中規(guī)中矩的共射級放大結(jié)構(gòu)，發(fā)射極直接接地，最大化增益。負(fù)載同樣使用LC網(wǎng)路，可以充分發(fā)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(shí)是一個電壓跟隨器加上一個低通濾波器構(gòu)成，中頻信號從基級輸入，經(jīng)過跟隨器進(jìn)行電流放大，然后送到由 R2,R3,C1,C2構(gòu)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(fā)射極結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu) 進(jìn)行功率放大，該放大器屬于乙類放大器，功率管Q2，Q3分別導(dǎo)通半周期。輸入輸出均采用變壓器結(jié)構(gòu)。當(dāng)輸入信號處于正半周期時(shí)，T1上變壓器感應(yīng)出正電壓，Q2導(dǎo)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(fù)向電壓截至。相反，當(dāng)輸入信號處于負(fù)半周期時(shí)，Q3加正電壓導(dǎo)通，給T2下邊線圈加電，通過變壓器耦合到喇叭，Q2因?yàn)榧恿素?fù)電壓截至。就這樣，Q2,Q3交替導(dǎo)通，構(gòu)成完整輸出信號。該電路沒有考慮三極管Q2，Q3基級導(dǎo)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(diǎn)，所以為了降低成本和電路復(fù)雜度，該功放電路在收音機(jī)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(jīng)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(xiàn)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(xì)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(gòu)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(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是 R4比較大的阻值和中放取自電容C5的電壓。

因?yàn)橹蟹挪捎玫氖枪舶l(fā)射極放大器結(jié)構(gòu)，基極偏置電壓的大小會直接影響其放大倍數(shù)。具體是，在一定范圍內(nèi)，偏置電壓越大，電壓放大能力越大。試想一下，當(dāng)收音機(jī)接收到的信號非常強(qiáng)時(shí)，檢波輸出的音頻電流就會比較大，這時(shí)R4上的壓降相應(yīng)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(dá)到一個平衡。從而實(shí)現(xiàn)自動增益控制。

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