调幅/调频收音机原理及应用

印宁华|Indining China|

2024-10-11 16:04:39 565

收音机是一种能够接收到无线电广播信号的装置，大家最为熟悉的无线电广播通常分为两种，即FM（调频）和AM（调幅），调频是指用高频正弦波的频率变化来表示信息的调制方式，而调幅是指用高频正弦波的幅度变化来表示信息的调制方式。

调幅广播的诞生比调频广播要早得多，在20世纪初，加拿大物理学家费森登发现，无线电波既然可以以脉冲形式模仿莫尔斯电码的点划记号向外发送，那就可以通过调制，发射连续的电波，使其振幅随声波的不规则变化而改变。

这样就能人的语音通过送话器转变为音频电信号，再将音频电信号叠加到高频载波上变成调幅信号发射出去，在接收端再把这些变化的电波选出来并还原成声波。

为了验证他的想法，1906年12月25日，费森登在马萨诸塞州的布兰特罗克镇的*电器公司128米高的无线电塔上进行了一次广播。

在演播前，他在报纸上进行了预告，并发出无线电报，通告报界和太平洋上的来往船只，广播的节目则是朗读《圣经》中的一段故事，还播送了德国音乐家韩德尔所做的《舒缓曲》等。

这是*上*次成功的传声实验，并被公认为无线电声音广播诞生的标志——调幅无线电广播诞生。

调幅信号可以通过简单的线性电路进行产生和解调，因此接收设备可以做得很简单，像美国科学家邓伍迪和皮卡尔德于1910年发明的矿石收音机，就是用天线、地线以及基本调谐回路和矿石做检波器而组成的没有放大电路的无源收音机。

这种收音机不使用电源，电路里只有一个半导体元件，最初是用矿石来做的检波器，算是最简单的无线电接收装置了。

不过，调幅广播占用的频带较宽，频谱效率较低，而且容易受到噪声和其他无线电信号的影响，音质也相对较差，无法高保真。

1918年，美国无线电工程师埃德温·霍华德·阿姆斯特朗，根据超外差原理对直放式收音机进行了改进，提高了收音机的灵敏度，制作了超外差式收音机。

▲超外差收音机原理示意图

1933年，他又通过频率调制的广播方式解决了无线电收音机的天线和噪音问题，获得了有关无线电广播频率调制的发明专利权，也就是调频广播。

▲阿姆斯特朗

与调幅广播不同，调频广播收音机在接收调频信号时，需要通过频率解调器将频率变化解调成声音信号，使调频波的载波随着音频调制信号的变化，而在载波中心频率（未调制以前的中心频率）两边变化。

这样，每秒钟的频偏变化次数和音频信号的调制频率一致，如音频信号的频率为500HZ，则载波的频偏变化次数也为每秒500次，频偏的大小是随音频信号的振幅大小而定。

*上*台汽车收音机5T71，于1930年诞生于美国芝加哥的高尔文制造公司，也就是摩托罗拉公司的前身，不过那时价格昂贵，直到1934年后才成为畅销品。

受制于庞大的真空管电路原件，早年的车载收音机只能接收中波或长波的AM广播，而接收机则因为太大而只能被安放在车尾箱，而且它的耗电量惊人，关闭引擎后便不能工作，否则电压只有6伏的电池会很快被耗尽。

直到1952年，蓝宝才推出**台FM汽车收音机——AutoSuper A52KU，调频广播这才开始得到广泛应用。

1974年开始，欧洲部分*开始推行载波技术，让交通信息随时能向驾驶者推送，2000年后又陆续加入数字广播、卫星广播、甚至数字电视广播等技术。

但是，现在车载设备互联网信号依赖于现代蜂窝网络系统，信号基站覆盖范围较小，不像FM短波调频广播的发射台覆盖半径可以超过100公里，而AM中波电台的覆盖距离则可以达到上千公里。

▲模拟调频广播覆盖示意图

它们都不依赖于互联网连接，可以在没有网络的情况下正常工作，且无需担心信号覆盖的问题，而且稳定、低时延和覆盖范围广。

如果发生灾害，部分信号基站无法正常工作，就会大规模影响网络服务，但无线广播发射台本身覆盖范围就大，本地区的不行，可能还有别的地区可以使用。

通过收音机，救援人员可以及时向灾区传递救援信息和指令，而灾区居民也可以通过收音机了解救援进展和食物淡水的空投地点、救援力量何时抵达、哪里是安全区等状况。

这也使得广播天生就具有应急能力，可担任突发事件应急传递信息的职能，所以在末世电影和爽文中，收音机会始终在物资储备清单占据单独的一列。

▲《终结者3:机器的觉醒》中，康纳通过收音机收到信号

在2008年的汶川大地震中，由于地震严重破坏了地区的电话信号塔和互联网通讯设施，常规的通讯方式无法使用，救援部队就向灾区空投17万台无线电收音机，其中9万台为手摇自发电式收音机，确保每位救援人员配备一台。

2010年海地地震后，国际救援组织也大量分发了收音机，以确保灾区民众能够接收到救援信息和外界新闻。

2012年飓风“桑迪”袭击美国多地后，美国新泽西州孟莫斯郡的广播听众人数增加了247%，米德塞斯郡、萨默塞特郡和联合郡的听众人数增加了195%。

关于调幅AM收音

考虑到调幅AM收音方式可以传播接收更远距离，我们下面重点介绍一下其工作原理

下面带大家来分析一个经典电路。也是伴随我们整个童年的收音机，常用的收音机按照工作原理来说主要分为FM（调频）和AM（调幅）两种。AM收音机最经典的电路要数六管调幅收音机。我们就来分析一下六管收音机的工作原理。

首先，拆开收音机，看看里面都有些啥。

图一收音机拆解图

完整的电路图如下：

完整电路图

首先回答几个问题：

（1）收音机是什么？

收音机是一个能够接收无线电台广播信号，并把节目内容通过扬声器播放出来的终端设备。

（2）收听广播电台需要什么条件？

首先，既然收音机是用来接收无线广播电台的设备，那么首先得有正常工作的无线广播电台，然后手里有一台工作正常的收音机。我们通过调频旋钮来选择我们要收听的电台。

无线广播系统

（3）收音机的原理是什么？

首先，我们思考一下声音和电信号的关系。虽然声音和电信号是两种不同的东西，但是可以通过一定方式实现两者之间的相互转化。比如。

声音 ---> 电信号（麦克风可以将声音震动的机械能转化成电能）

电信号 ---> 声音 (扬声器，俗名喇叭，可以将电信号转化成声音信号)

电信号和声音信号相互转换

既然这样，如果电台到听众之间的距离很近的话，我们完全可以通过把麦克风产生的电信号通过电线传送到听众那里，然后使用放大器将电信号加以放大，推动喇叭发出声音。结构如下：

有线传输电台信号

但是，一个广播电台不可能只服务于它周边的少数听众，且每个听众接根线收听电台实在是不方便。所以，无线电台出现了。无线和有线区别在哪里那? 顾名思义，无线电台就是把电台原本需要通过电线传输的电信号，先转换成电磁波，发往空中，然后接收端通过天线接收到该电磁波，天线把接收到的电磁波转换成电信号，加以放大，推动扬声器发出声音。结构如下：

无线传输电信号

然而，我们人类听觉范围只有20Hz～20KHz，多数人声的频率范围在340Hz～3.4KHz之间。根据理论分析，电信号转换成电磁波的能力跟频率和天线长度有关系，即，频率越高，天线越长，电信号越容易转换成电磁波，通过天线发射出去。定量来看，固定频率下，天线的长度要大于该电信号波长的1/4时才能有效的发射出去。这样，如果我们直接把人声转化来的电信号发射出去需要的天线长度：

L = 1/4 * c /f = 1/4 * 3*10^8/340 = 220KM (c为光速，f为人声下限)

这么长的天线着实吓人，在地球上建造一根220KM的天线简直时开玩笑。但是，聪明的人类没有选择狗带。既然电信号转化成电磁波的能力跟频率和天线长度都有关，天线长度有限制，那就提高频率嘛。就这样，伟大的人类选择了将低频声音信号调制到高频载波上去，然后通过天线转换成电磁波发送出去。所谓载波，顾名思义，就是运载声音信号的高频电磁波，它可以把有用的声音信号包含进去，发送到听众收音机上，然后收音机通过解调，把声音信号取出来，加以放大，最后推动扬声器发声。举个例子，你在某宝上买了个脚踏车，老板肯定不会亲自骑着它给你送过来（老板蛇精病除外），而是选择发物流。整个流程就是，老板把你的脚踏车打包给物流公司，通过大货车给你送到家门口，你从大货车上卸载下你要的脚踏车。

高频载波无线传输系统

声音信号叠加到载波上的过程叫做信号调制（等价老板打包装车），听众收音机把音频信号取出来的过程叫做解调（等价你从大货车上卸载包裹）。载波就是大货车，起到运载作用。

根据原理不同，调制分为FM（频率调制）和AM（幅度调制）两种模式。

频率调制: 即调制频率，也就是使用音频信号幅度按照线性关系控制高频载波的频率。假设，规定没有声音的时候，载波频率最低1M，声音最大的时候，载波频率最大1.1M。

调频方式

幅度调制：即调制幅度，也就是使用音频信号幅度按照线性关系控制高频载波的幅度。假设，规定没有声音的时候，载波的信号幅度为1V，声音最大的时候，载波的幅度为10V。两者的关系如下：

调幅方式

AM调幅收音机的工作原理，根据上述讨论结果，我们可以大体知道一台收音机的基本框架了。如下图描述，一台收音机包括：天线，输入调谐电路，放大器，解调器（检波），功放，喇叭等几大功能模块。

AM调频收音机基本功能框图

从原理上讲，以上模块已经可以实现接收电台的功能了，但是因为电路要能够处理不同频道（载波频率不同），不同的信号强度（距离电台的远近，电台信号发射塔与接收者之间是否有障碍物）的情况，所以，实x际电路设计中，增加了混频器和AGC（自动增益控制）模块。功能如下：

混频器：作用是通过把接收到的不同频率电台信号与本机振荡器产生的本振信号混合，然后通过选频电路把两者的差值频率信号选择出来，从而实现载波信号的频率迁移。只要我们保证本机振荡频率始终比接收到的信号频率高一个固定值，就可以保证载波信号迁移到一个固定频率。这样，后续电路处理该固定频率的载波信号就会简单很多，大大简化了电路。在AM调频收音机中，这个固定频率值是455K。我们把变频之后的这个455k载波调制信号叫做中频信号，后续的一级放大器叫做中频放大器。

AGC：自动增益控制电路。因为各种原因导致了收到的不同电台信号强度差异很大，为了避免这种问题，我们加入了AGC电路，当接收到的信号很弱时，AGC自动提高中频放大电路的增益；相反，当收到的信号很强时，AGC自动降低中频放大电路的增益。从而使得不同电台，不同场景下，电台音量保持稳定。

增加了上述功能后，整个系统框架基本就完善了，具体见下图：

AM调幅收音机完整功能框图

天线接收到各个电台的电磁波，转换成电信号，通过调节输入调谐电路（选频网络）选择出我们想要收听的电台频率，输入到混频单元，同时本机振荡器产生一个比输入电台频率高455kHz的信号也输入到混频电路，由于混频电路是通过使晶体管工作在非线性区域，产生两个信号之间的乘积项，该乘积项可以分解成多项式，其中包括两个输入信号的频率差信号（固定频率差值为455k），从而实现载波频率转移（变频），该差值频率信号被称为中频信号。紧接着一级中频放大电路放大该中频信号，然后通过检波电路检出需要的音频信号，送往音频放大电路进行功率放大，最终推动喇叭发出声音。AGC电路根据检波出来的音频信号强度自动控制中频放大电路的增益，确保每个电台能够稳定工作。

那我们把开始的完整电路图于上述功能框图对应起来如下图：

原理图的功能划分

到这，你应该能够很清楚的明白整个AM调幅收音机的组成，以及每个模块的功能了，掌握了工作原理，你也就掌握了80%的内容，剩下的一点事情就是了解每个功能模块的具体电路实现。

下面带大家一起来研究下每个功能模块的电路实现。

（1）选频网络

选频网络：输入端采用LC选频网络来进行频道选择， C1用作补偿电容，弥补实际电容误差。C2容量调节选频网络的工作频率。

（2）高频放大器

整机框图中可以看到高放，本振，混频是合在一起的，这里我们按照不同功能拆分开，下图就是其高频放大器。

高频放大器：该电路采用共发射极放大器结构，输入信号通过变压器耦合到三极管Q1的基级，集电极的LC网络作为负载，选择出固定频率的信号，提供足够的放大能力。然后通过变压器耦合到下一级。

（3）本机振荡器

如下图，拆分出来的本机振荡器

本机振荡器：首先，作为振荡器两个必要条件：（1）正反馈。（2）环路增益足够大。

整个电路基本结构是一个共基级放大器和一个LC选频网络，信号从三极管Q1的发射级输入，通过集电极电感L2耦合到LC选频网络，LC选择出需要的频率，通过C3送回输入端，构成正反馈。合理设计L1，L2线圈的匝数比，以及L1中心抽头的位置可以提供一个合适的环路增益，维持振荡器的稳定工作。通过调节上图电容C4的值就可以调节振荡器的工作频率。通常为了保证本机振荡器始终比输入信号频率高455KHz，我们采用双联可调电容器来同步调节本振和选频网络的电容值，维持两者工作频率的差值。交流等效电路如下图。

本振交流等效电路

（3）混频器

混频电路：电台信号通过基级输入放大器进行放大，本振信号通过发射级输入放大器。因为三极管工作在非线性区，信号是正弦波因此在不同幅度的时候放大的量不一样，于是波形就发生了畸变，事实上是多个不同频率的正弦波合成出来的，换句话说畸变产生了新频率。两信号叠加的乘积项拆分出两者的差频信号，这里叫做中频信号，然后我们使用L2C3构成的选频网络选择出该中频信号，送往下一级中放电路进行放大。

（4）中频放大

中频放大电路：中频放大电路。中规中矩的共射级放大结构，发射极直接接地，最大化增益。负载同样使用LC网路，可以充分发挥放大器的放大作用。输入输出使用变压器耦合。

（5）检波电路

检波电路：检波电路其实是一个电压跟随器加上一个低通滤波器构成，中频信号从基级输入，经过跟随器进行电流放大，然后送到由 R2,R3,C1,C2构成的低通滤波器。频率较高的载波被低通滤波器滤除，低频率的音频信号顺利输出，R3是一个电位器，用来控制声音大小。

（6）音频前置放大和功放电路

前置放大&功率放大

前级使用共发射极结构作为电压放大，电容耦合输入，变压器耦合输出，送到后级功放电路。后级采用对称推挽结构进行功率放大，该放大器属于乙类放大器，功率管Q2，Q3分别导通半周期。输入输出均采用变压器结构。当输入信号处于正半周期时，T1上变压器感应出正电压，Q2导通，给变压器T2上边线圈加电，通过变压器耦合输出到喇叭，Q3输入负向电压截至。相反，当输入信号处于负半周期时，Q3加正电压导通，给T2下边线圈加电，通过变压器耦合到喇叭，Q2因为加了负电压截至。就这样，Q2,Q3交替导通，构成完整输出信号。该电路没有考虑三极管Q2，Q3基级导通电压，所以输出存在交越失真，但是，普通用户不会太在意这一点，所以为了降低成本和电路复杂度，该功放电路在收音机中被广泛使用。

（7）AGC-自动增益控制

讲到这里，仿佛整个电路已经分析完了。但是，你是否意识到我们前面提到的AGC电路好像自始至终都没有出现过？好像也没看到有多余的电路了。那到底AGC在哪里那？来，我们再仔细看一下图。

AGC电路：看图中红色笔迹圈起来的部分，表面上看只是用R4,C5 R3,C4构成RC退耦电路，用来滤除电电源和功放电路对前级的干扰，其中，R4,C5退耦给检波放大器集电极供电， R3,C4退耦给中放和检波电路提供基级偏置电压。没错，这部分功能是对的。但是还有一个重要的功能，那就是控制中放的增益（AGC功能），实现的关键是 R4比较大的阻值和中放取自电容C5的电压。

因为中放采用的是共发射极放大器结构，基极偏置电压的大小会直接影响其放大倍数。具体是，在一定范围内，偏置电压越大，电压放大能力越大。试想一下，当收音机接收到的信号非常强时，检波输出的音频电流就会比较大，这时R4上的压降相应的增大，C5两端电压减小，意味着中放偏置电压减小，中放增益就会较弱。最终达到一个平衡。从而实现自动增益控制。

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