调频广播的发明

1、调频广播技术的发明过程再现1933年，美国的无线电工程师埃德温霍华德阿姆斯特朗（英语： Edwin HowardArmstrong， 1890年 12月 18日1954年 1 月 31 日） 发明了调频广播（ FM） ,相对于之前的调幅广播（AM） ，其具有低噪声，高保真，发射成本低等优点，推动了广播传媒的发展，促进了文化的传播与交流，在无线电通信上具有重要的意义。 本文将回顾无线电通信的发展与阿姆斯特朗发明调频广播的过程，追寻其发明的思路，分析其中有关自然辩证法的知识。同时学习创新的精神，为我们今后的科研工作提供点启示。在发明调频广播之前，法拉第和亨利发现了电生磁、磁生电的电磁感应现象，但当

2、时并不知道这种电磁感应现象还会以电磁波的形式向四周辐射和传播。实际上， 1842 年美国的约瑟夫.亨利在电学试验时曾发现电火花能使附近的指针磁化；1853年英国物理学家威廉.汤姆逊（即开尔文勋爵）发现莱顿蓄电瓶通过一个串有线圈的回路放电时，电流的大小和方向有周期性的变化。实际上这两种现象都已触及到电磁波发现的边缘，但遗憾的是他们都没有及时地作进一步的探索和研究。 1854年，刚从剑桥大学毕业的23 岁的英国青年麦克斯韦，对法拉第的电的试验研究进行了深入研究。在总结前人发现的电磁感应现象的基础上，1862年， 麦克斯韦经过严格的数学推导，创立了著名的阐明电磁学规律的数学方程式，证明一切变化的磁场

3、总要产生电场，一切变化的电场都能产生磁场；而变化的电磁场会在空间由近到远地传播开去，并且把这种波动称作“电磁波”。后来，真正通过实验证明电磁波存在的，是德国科学家赫兹。赫兹也因此使自己在世界科技史上青史留名。在赫兹证实电磁波存在之后，还有一件不能不提到的大事，是粉末检波器的发明。1890 年，法国科学家布兰利在重复赫兹实验时发现：当电磁波通过疏散堆积的金属粉末（铜、 铁或铝屑）时， 这些粉末的导电率大为增加。据此他制成了用玻璃管装入金属屑、然后将玻璃管两头各引出一根金属电极的“无线电体”。发现电磁波之后，人们想到利用电磁波传递信息。1895 年，意大利的电气工程师马可尼发明了无线电报装置。之后

4、经过不断地改进，1897 年，无线电报技术完全得到世人的承认，后来广泛用于商业与军事通信。在无线电报技术迅速发展的同时，也促进了电子技术的进步。真空电子管，三极管在这期间相继出现。受限于无线电报通信收发操作繁琐，在即时性要求较高的领域，如航空中的通信，不如语音通信方便快捷，所以， 人们开始考虑用无线电波传播话音。加拿大发明家费思登在1906 年首次使用无线电播送音乐与讲话试验的成功，首开了人类无线电广播的先河。之后，各地有广播电台开始试播。阿姆斯特朗出生于1890 年，受到了法拉第与马可尼等发明家的激励，在家中搭建自己的无线电套件。他发现，只能听到电码的声音，还比较微弱。这是因为当时的发射与接

5、收设备性能较为落后。他决心改变这样的现状。后来， 他设计了再生电路。此电路利用三极管，通过正反馈将信号放大到可以接受的地步。但再生电路存在选择性不好的问题。为此， 他有发明了超外差接收电路，先将天线上感应到的高频信号变频为一个固定频率的中频信号，再对其进行放大，检波等处理。 这样克服了再生电路调试复杂，选择性差等问题，显著地提高了无线电接收机的性能。当时，广播电台均已调幅（AM的方式进行载波的调制。我们现在知道了，这种调制方式的广播，通常用于中波与短波波段，具有传播距离远的优点，但其易受干扰，噪音偏大，受限于载波频率较低，调幅广播的音频频响较窄，所以声音较闷，音质不佳。当时，需要解决的问题是，

6、降低调幅广播中的静电噪音以改善收听效果。面对调幅广播静电噪音大的问题，我们假设处于阿姆斯特朗的年代，利用当时电子与无线电领域的知识水平，会怎样去解决这一难题呢？迅速变化的电流会产生电磁波，如天空的闪电，大气静电放电，拉开或闭合开关的一瞬间，它们伴随着频谱很广的无线电波的产生，会对调幅广播产生干扰，收听者会感受到噼里啪啦的静电噪音。其他的电气设备如电动机，变压器也会产生干扰。但根据它们产生干扰的原因来分析，电动机主要是由于在高速运转时，电枢与换向器之间摩擦，产生电磁波，而变压器是将电网中存在的电磁波辐射了出去，而当时电网中主要的负载就是电动机了。它们产生的干扰都是连续的噪音，不是噼里啪啦的静电声

7、，这可以通过将收音机靠近这些干扰源的方式判断出来。另一种噪音的来源， 就是电路本身了，电路中用的电子管存在沙沙的热噪声，且电子管由于其工作原理，也会产生静电干扰声。但由于电子管在信号的通路上，没有办法不让这种干扰混入信号中，而且晶体管的出现已经是十几年后的事情了，这种干扰暂时没有办法根除。事实上， 当时发射机技术较为落后，发射特定频率电波的同时， 还会发射大量的谐波与杂波，它们对正常的无线电接收产生干扰，也会出现类似静电的噪音。由上述分析，可见，静电干扰既有接收的信号中带有的，也有接收机本身所产生的自扰。来自大气的静电干扰受天气季节等影响，时强时弱，而电子管的干扰一直存在，较为稳定。对于这种干

8、扰，如果其频率和所要接收的频率完全重合，且干扰信号没有规律，那就难以找到将其过滤或抑制的办法。但是，多数情况下，并不是如此。干扰信号与被接收的信号，至少其最大幅度所在的频率中心点，是不同的。这样， 可以通过提高选择性，进而减小接收到的噪声。阿姆斯特朗所发明的超外差式电路，相对于再生式，已经很大程度上改善了接收性能， 选择性有了较大提高。进一步的改进，可以通过减小接收电路的带宽的方法，进一步减小干扰。但是，窄带下，声音质量会明显变坏。使用带有带宽调节功能的收音机进行调幅广播接收试验，发现通过牺牲音质获得的低噪声，其声音闷， 干涩， 还不一定比原来带有静电噪音的听起来让人舒服。这与原先减小静电噪音

9、，来提高广播节目音质相互矛盾，并不适用。事实上，对于对音质要求不高的无线电话等领域，减少带宽的做法得到了广泛应用，以增加传输距离，减小发射功耗。 其他方法，如在检波得到的音频信号上做文章，通过衰减高频段的音频，来减少噪音，也是有效的。但对于比较严重的干扰，这种做法可以考虑，以求听起来声音清净些。但它也是会牺牲音质的，仅仅是为了减小静电噪声，采用这种方法， 并不能改善收听体验。前面所说的改变带宽与对音频处理的方法，是在超外差接收电路的中频与音频环节考虑的。还有一个高频环节，包括接收天线，LC选频电路等。在调幅波段，通过选择适合的天线，可以提高接收灵敏度与选择性。接收天线可分为接收电磁波电场分量与

10、磁场分量两种。常见的的收音机拉杆天线，电视机室外八木天线，汽车收音机天线等都是接收电场分量的。而现在家用收音机中波段采用的磁棒天线，以及环形天线就是接收磁场分量的。将两种天线进行对比，可以发现在中波短波波段，电场型的灵敏度更高，适合接收微弱信号，而磁场型的抗干扰强，选择性好，但灵敏度有限，不适合接收微弱信号，且具有较强的方向性。经过查阅相关资料，发现当时乃至后来很长时间，收音机与接收机都用的电场型的天线，如上世纪很多收音机需要外接一段长电线作为天线，磁棒天线后来才被广泛采用。个人认为，早期的接收机灵敏度有限，电台也不多，发射功率也不高，必须采用侧重于灵敏度的电场型天线，后来， 随着无线广播覆盖

11、的完善， 信号强度有了保障，便抛弃体积较大的电场型天线，改为甚至可以内置于机器内的磁性天线了。如果采用磁性天线，可以减轻静电干扰，但为了保证接收灵敏度，放大电路需要增加放大级数，在电子管时代，这会很大地提高接收机的体积与成本。通过照片可以看到，当时的接收机已经很大很昂贵了。这种方法经济效益与实用性较差。由此可见，在接收端，没有合适的方案。在电波传输的过程中， 增加电波强度来提高接收信号的信噪比显然是可行的，但需要建大量发射台，增加发射功率。这在当时的条件下，不是一日之谈。最后在发射端，当时主要用调幅的方式，就是对高频载波的幅度进行调制，最后使其包络线中包括需要传送的音频信号。调幅的方式在当时比

12、较成熟，其检波也比较容易。还有一种方式， 即频率调制，使高频载波的频率中包含传送的信息，类似于电力电子中的脉宽调制（PWM调频的检波相对来说要复杂，在电子技术较落后，没有电子管等器件的时代，少有人过问。无线电广播最早就是由调幅发展起来的，到了此时，人们仍旧主要致力于调幅方面的研究。而且之前贝尔实验室经过研究发现，调频会占用更大带宽，没有注意抗干扰方面的优势。事实上，显然，用包络线包含信息的调幅波，一旦在传输过程中改变了包络线的形状，所包含的信息也就失真了。而这种干扰相对来说，较容易发生。用频率变化包含信息的调频波，被干扰导致失真的概率明显要小一些。之前调频方式难以调制，难于检波的问题，在电子技

13、术进步之后，也不再是难题。当时， 其他人主要是被调幅广播这项成熟的技术所束缚，没有去思考无线电广播还能有其他的方式。就如同在电话线普及的时代，虽然一直为电话拥挤所困扰，努力想了很多提高电话线利用效率的方法。后来，才想起来用传递信息量更大的光代替电信号，发明了光纤通信。后来， 阿姆斯特朗经过了几年的努力，经过了好几年的实验，使用了各种各样的电子管，他终于证明更宽频带的FM信号能够减少多达100倍的静电干扰；而且因为使用了更宽的音频频谱，传递的声音信号的保真度还更高。在1934 年， Armstrong 获得了这一发明的专利。而到1935 年，他向听众发送了泼水和撕纸的声音，而这两种声音通过AM发

14、送完全就无法识别。用FM传输的爵士乐效果也非常好。另一次试验，用相同的功率分别以调频与调幅的方式发发射无线电广播，同样在100KM外接收，调幅广播传送的节目已经淹没于噪音中，而调频广播依旧清晰。调频广播的试验获得了成功，但如同任何新事物刚出现一样，遭到了强烈的质疑， 尤其是当时的调幅广播巨头美国无线电公司，这一发明，影响了他们的利益。尽管如此，Armstrong仍然相信FM最终能取得成功。他写到唯一能减慢这一趋势的是“这些由人类设置的无形的力量，以及那些来自既得利益、习惯、风俗和法律的原因。 ”遗憾的是，虽然他一直在为自己的权益斗争，直到他去世，也没有获得成功。但最终，1955 年，国际电信联

15、盟将Armstrong 的名字加入了伟人名录。1983 年，美国发行了Armstrong 的纪念邮票。2000年，他进入了消费电子协会的名人堂。而无线调频广播，也在全世界普及了。和调幅广播，凭借着各自的优势，在模拟广播时代，各自撑起半边天。调频广播的发明与普及，提高了广播媒体的声音质量。并且由于其载波频率高，波长短， 减小了接收天线的尺寸（在无线电广播中，接收天线的等效尺寸与所接收的波长反相关），使得接收装置更加小巧便携，在很长一段时间里，促进了公共传媒的发展，文化的传播。后来，由于数字信号处理（DSP与软件无线电（SDR的技术成熟与普及，出现 了商品化的集成了调频广播接收所需要的大部分元器件

16、的DSP芯片，其价格低廉，性能优秀。从此，很多数码产品如手机等内置了FM接收模块，也被应用于汽车的车载音响上。同时，基于FM的无线广播系统由于布线简单，维护方便，成本 低等优点，逐渐取代公园，校园等地曾经广泛使用的有线广播系统。在网络日趋发达的今天，传统的FM广播仍旧占有一席之地。结合自然辩证法，对整个调频广播技术的发明乃至无线广播发展史的分析，可以总结出其中所包含的自然辩证法的原理。首先是技术发展的动力。首先是，随着第二次工业革命，发电机的应用，输电系统的建立，电力成为主要的二次能源。随着电动机及相关电动机器的广泛应用， 提高了产品生产效率，解放了人们劳动力，人们需要追求更高层面的精神享受。

17、传统的娱乐方式不能满足需要，才有了对更加丰富快捷的无线广播的需求。随着调幅广播的发展，人们在满足了对无线电广播的需求后，又进一步追求更好的收听体验，推动了如何降低静电噪音研究。另一方面，社会需求设定了降低噪音提高广播收听效果的技术目的，然而当时的技术手段不能较好地解决这个难题。为了解决此难题，发明了调频无线电广播。从技术发展模式来看，是渐进性与跃迁性的统一。首先是对之前调幅广播的局部改良，来达到提升收听体验的技术目的。接着是原理性的发展，基于调频调制的新原理，形成了质变。总之，技术的发展表现为渐进性和突变性、连续性和阶段性的统一。从技术创造的方法来看，调频广播的发明处于创造技法时代（20 世纪

18、初 20 世纪 70 年代） 。它不是偶然的发明或通过试错法诞生的发明。通过联想系列技法，打开了循守旧顽固堡垒调幅广播的突破口，摆脱“心理惰性方向”。通过尽量思考解决问题的各种设想，从中再一一进行分析。后来， 人们发现这种方法联想系列技法的典型代表 “智力激励法”对于复杂的技术问题，根本不起作用。但其中突破 “心理惰性方向”的思路， 仍旧值得我们借鉴。当今， 已经有 “ TRIZ”等更加行之有效的创造方法，供今后进行技术创新时参考。从技术创新的动力模式分析，调频广播的发明是技术推动模式。当时， 虽然市场上有了降低噪音改善收听体验的需求，但当时无线广播领域被调幅广播所垄断，而调频广播发射与接收设备与原有的并不兼容，进行推广，其成本很高，风险较大。 而且， 调频广播除了实现当初降低静电噪音的需求，其声音具有较高的保真度的优点，是在后来试播试验中发现的，之前研究中主要看中低噪音的优点。如果最终仅仅是降低了静电噪音，其他方面如果没有提升甚至还下降，最终不一定能够推广。这也是技术推动模式的缺点。最终， 确实很长时间后，才得到认可。同时，还是封闭式创新模式。在当时，封闭式创新的良好循环较好地维持着，但随着创新条件的改变，已经难以维