接收機技術(shù)發(fā)展編年史，現(xiàn)代接收機發(fā)展情況一覽

　　第1部分：初期

　　雖然很多人都對早期無線技術(shù)的發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，但古列爾莫·馬可尼(Guglielmo Marconi)卻是其中的佼佼者。雖然他以無線技術(shù)而聞名，但很多人并不熟悉他在19世紀(jì)末創(chuàng)建的無線技術(shù)事業(yè)。在20世紀(jì)的頭20年中，他建立了一項至關(guān)重要的事業(yè)，使無線世界走向了今天的方向。

　　圖1.馬可尼展示他的技術(shù)。

　　雖然他的商業(yè)化技術(shù)并不是最新的技術(shù)，而且技術(shù)發(fā)展迅速，但該技術(shù)已經(jīng)足夠好了，因為他想到了辦法，知道如何利用現(xiàn)有技術(shù)來創(chuàng)造一個新的行業(yè)。20世紀(jì)初，殖民主義走向終結(jié)，戰(zhàn)爭和災(zāi)難大規(guī)模爆發(fā)，1912年4月，皇家郵輪泰坦尼克號沉沒;值此世界大亂之際，馬可尼著手部署一個全球網(wǎng)絡(luò)，以便以無線方式發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)信息。泰坦尼克號沉沒后，無線技術(shù)在救援幸存者和傳播事故新聞方面發(fā)揮了積極作用，提升了這一新興技術(shù)的重要性。公眾和軍方都意識到了無線技術(shù)的重要性，尤其是后來成為美國海軍部長的約瑟夫·丹尼爾斯(Joseph Daniels)。在美國及其他地區(qū)，像丹尼爾斯這樣的領(lǐng)導(dǎo)認(rèn)為，軍方應(yīng)將無線電國有化，確保他們在戰(zhàn)爭期間能使用無線電。必須記住，在此期間，唯一可用的頻譜低于200 kHz左右。至少有一段時間，事情是朝著這個方向發(fā)展的，但在第一次世界大戰(zhàn)之后，政府對無線技術(shù)的控制減弱，不過，這是在形成政府特許壟斷權(quán)并因此成立美國無線電公司(RCA)之后。

　　根據(jù)我們的推測，馬可尼時代的無線電非常原始。發(fā)射器采用火花隙裝置(后來才使用機械交流發(fā)電機)產(chǎn)生射頻，但在接收端，系統(tǒng)完全是無源的，由天線、諧振式LC調(diào)諧器和某種檢波器組成。我們很快就會討論這些檢波器，但在當(dāng)時，它們可能是機械式的，也有可能是化學(xué)式的或有機式的。其中一些系統(tǒng)通過電池對它們進(jìn)行簡單的偏置，但不提供任何電路增益，不同于今天。這些系統(tǒng)的輸出被提供給某種頭戴式耳機，把信號轉(zhuǎn)換成音頻，這種音頻總是非常弱，不過是簡單的咔噠聲或嗡嗡聲。

　　因為這些系統(tǒng)未在接收端提供增益，所以其有效范圍取決于發(fā)射功率的大小、接收器的質(zhì)量、操作員在調(diào)整方面的經(jīng)驗，當(dāng)然還有大氣條件。馬可尼意識到，在可合理預(yù)測有效范圍的情況下，可以建立一個站點網(wǎng)絡(luò)，在大洲和大洋之間可靠地傳遞信息。其中包括在陸上和海上安裝設(shè)備。馬可尼開始在全球各地和海上安裝無線電臺，包括在客船和貨船上。通過在航海船只上安裝無線電系統(tǒng)，他不僅使這些船只能與其在岸上的商業(yè)利益相關(guān)者進(jìn)行溝通，而且還能在必要的地方提供中繼和冗余，從而馬可尼填補了其網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵空白。

　　馬可尼擁有的一項技術(shù)是早期的真空管。真空管公認(rèn)的發(fā)明者約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)曾為馬可尼公司工作，但弗萊明和馬可尼當(dāng)時分析認(rèn)為，他們現(xiàn)有的技術(shù)足以檢測無線電信號。此外，他們認(rèn)為，他的發(fā)現(xiàn)雖有好處，但尚不值得為閥管運行投入額外的資金或電池。馬可尼已經(jīng)擁有了數(shù)種信號檢測技術(shù)，與閥管不同，這些技術(shù)不需要高功率來運行燈絲和加熱板。因此，他們開始時放棄了這種技術(shù)。

　　圖2.首批弗萊明管原型。

　　然而，所謂的無線電之父李·德·福雷斯特(Lee de Forest)撿起這種技術(shù)，意識到了其巨大的潛力。通過在燈絲和加熱板之間插入簾柵極，他不僅可以整流信號，還能控制加熱板中的電流量。這就實現(xiàn)了放大。盡管有證據(jù)表明，他并不理解其三極管的工作原理，但他確實意識到了其巨大的潛力，并盡力發(fā)揮這一發(fā)明的優(yōu)勢，不但將其作為一項技術(shù)，同時也作為與馬可尼的發(fā)明類似的一種增值服務(wù)。通過建立各種企業(yè)，德·福雷斯特嘗試制造和銷售他的真空管，并建立了與馬可尼類似的無線網(wǎng)絡(luò)。然而，這些企業(yè)注定要失敗，并不是因為技術(shù)不好，而是因為德·福雷斯特的商業(yè)伙伴往往不夠誠實，而且常常讓他獨自為別人的錯誤承擔(dān)責(zé)任。最后，德·福雷斯特不得不賣掉自己發(fā)明的權(quán)利，讓其他人享受該發(fā)明帶來的利潤。

　　圖3.第一個德·福雷斯特音頻三極管。

　　埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)是早期率先認(rèn)識到真空管各種可能性的人之一。他還在上高中的時候，家里一位朋友就送了一個德·福雷斯特三極管給他玩。阿姆斯特朗已經(jīng)獲得了無線技術(shù)專家的聲譽，還在家里建了自己的無線電臺，他很快就想到辦法，知道如何利用該裝置開發(fā)出更好的接收器。在大學(xué)期間，他繼續(xù)開發(fā)這項技術(shù)，并開發(fā)出了再生式接收器，與當(dāng)時所有無線電臺采用的無源系統(tǒng)相比，該接收器具有卓越的性能。

　　大衛(wèi)·沙諾夫(David Sarnoff)是美國馬可尼公司的高級人物。與馬可尼本人長期建立的合作關(guān)系，專注的敬業(yè)精神，使他在公司快速崛起。剛開始時，沙諾夫就在AMC跑跑腿，在馬可尼一次訪美時，偶然遇到了馬可尼。沙諾夫給馬可尼留下了深刻印象，馬可尼為他在公司的發(fā)展創(chuàng)造了條件，最終，沙諾夫先后成為AMC和RCA的高級領(lǐng)導(dǎo)。在參觀紐約工程實驗室時，他偶然遇到了阿姆斯特朗。得益于阿姆斯特朗淵博的無線技術(shù)知識及其再生式接收器的強大功能，二人建立起了長期的職業(yè)合作關(guān)系和個人關(guān)系。

　　第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時，阿姆斯特朗感到責(zé)任的召喚，應(yīng)征入伍。但當(dāng)時，他已經(jīng)享有無線技術(shù)專家的聲譽，因而沒有被派往作戰(zhàn)崗位，而是被派往法國，為各地的作戰(zhàn)軍種檢修和安裝無線電臺。他的職責(zé)使他能使用設(shè)備、實驗室和各種技術(shù)，還能附帶地繼續(xù)從事研究活動。在1918年初的一次空襲中，他獲得一系列發(fā)現(xiàn)，使他合成了超外差接收器。整個1918年，他全力發(fā)展自己的概念，到11月，他與一群親密的朋友會面，展示了超外差無線電的原型。朋友們印象深刻，敦促他繼續(xù)開發(fā)。到1918年底，戰(zhàn)爭行將結(jié)束，在返回美國之前，阿姆斯特朗于1918年12月30日申請了法國專利?；氐矫绹?，他用了幾周時間才從一場疾病中恢復(fù)過來，使他推遲了提交美國專利申請。最終，1919年2月8日，他為超外差接收器申請了美國專利。

　　雖然馬可尼在無線技術(shù)愿景方面只關(guān)注兩方電報承載的商業(yè)信息，沙諾夫的愿景則要廣闊得多--把信號發(fā)給多方。開始時，沙諾夫的愿景并未得到廣泛認(rèn)同，但其他人最終意識到，這項新技術(shù)提供了一種方法，借助該方法可以輕松實現(xiàn)新聞和娛樂節(jié)目的遠(yuǎn)距離傳送，包括傳送到美國的農(nóng)村地區(qū)。為了推動實現(xiàn)這一愿景，沙諾夫和他的團(tuán)隊想到一個辦法，準(zhǔn)備于1921年7月2日廣播Dempsey與Carpentier的拳擊比賽。此次廣播活動的成功使其他人看到了我們今天所熟知的這種廣播無線電的巨大潛力。

　　然而，當(dāng)時的真正挑戰(zhàn)是技術(shù)性的。早期的收音機很難使用，并且功能不佳。阿姆斯特朗、沙諾夫和美國無線電公司的故事就從這里繼續(xù)下去。通過之前發(fā)展的關(guān)系和RCA獲得的專利，包括超外差接收器專利，無線電技術(shù)已經(jīng)大大簡化，能實現(xiàn)便攜，人人都可輕松使用。從技術(shù)角度來看，超外差架構(gòu)是這一成就的關(guān)鍵，時至今日，也是基本如此。

　　圖4.埃德溫·阿姆斯特朗(Edwin Armstrong)和妻子馬里昂(Marion)帶著第一臺便攜式收音機度蜜月。

　　檢波器

　　無線電必須通過某種方式，產(chǎn)生承載著有意義的信息的輸出信號。在早期，這就是在接收環(huán)形天線中產(chǎn)生的共振火花。人們很快就意識到，需要用一種更敏感的方式，把輻射能轉(zhuǎn)換成有意義的信號。早期的技術(shù)存在很大的局限性，通常利用多種屬性，包括化學(xué)、機械和電氣等屬性。

　　最開始時，使用的首批檢波器中有一款被稱為金屬屑檢波器，這款檢波器是以一個名叫愛德華·布蘭里(?douard Branly)的法國人的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)開發(fā)的。該金屬屑檢波器由兩塊金屬板構(gòu)成，金屬板之間的間距很小，注入一定量的金屬粉。當(dāng)射頻信號到達(dá)金屬板時，金屬粉會吸附到金屬板上，使電路閉合。這種方式對檢波非常有效，但是，一旦射頻信號撤離，金屬粉會繼續(xù)吸附在金屬板上。為解決這個問題，安排了某種敲擊器，用于敲擊裝置側(cè)面，強制去除金屬板上的金屬粉。由于這個原因，這種原始檢波器雖然有效，但使用起來卻非常笨重。盡管如此，到了1907年，人們還在使用這種檢波器。

　　圖5.金屬屑檢波器。

　　圖6.金屬屑接收器原理圖。

　　一種更實用的解決方案是電解檢波器。這種裝置由浸入硫酸或硝酸溶液的一條超細(xì)鉑絲組成。用電池將該電路偏置到電解點。這會在鉑絲表面上形成氣泡，使電流下降。如果射頻電流耦合到該電路中，它將調(diào)制電解點并使電流隨耦合射頻信號的強弱變化。這項技術(shù)由費森登(Fessenden)開發(fā)，1903年至1913年間被人們廣泛使用。德·福雷斯特基于這種技術(shù)開發(fā)了一種變體，被稱為應(yīng)答器，由浸入過氧化鉛溶液中的兩塊金屬板構(gòu)成。

　　圖7.電解檢波器。

　　圖8.電解無線電接收器。

　　馬可尼更喜歡被稱為磁檢波器的另一種方案。這些裝置被用戶親切地稱為瑪吉。它們的工作原理是，形成一個無端鋼絲環(huán)，使鋼絲環(huán)呈圓形旋轉(zhuǎn)的同時借助永磁體使其磁化。鋼絲磁化部分通過與天線相連的線圈。該線圈中的射頻場根據(jù)存在的接收信號電平對鋼絲去磁。然后，通過另一個線圈拾取鋼絲磁場的變化，該線圈連接到耳機，耳機負(fù)責(zé)提供聽得見的射頻信號。直到1912年，所有馬可尼裝置都使用這種方案，包括泰坦尼克號上的裝置。

　　圖9.像馬可尼那樣使用的磁檢波器。

　　圖10.磁檢波器無線電原理圖。

　　另一類常見的檢波器是晶體檢波器，一直流行到1925年。這類流行器件通常被稱為晶須(cat whisker)，基本上是由各類礦物制成的早期半導(dǎo)體結(jié)。典型的礦物包括方鉛礦(PbS)、黃鐵礦(FeS2)、輝鉬礦(MoS2)和碳化硅(SiC)。在金屬杯制作這些巖石的小樣，用細(xì)線在巖石上形成點接觸?？梢砸苿釉擖c接觸，放在巖石的各個位置，以發(fā)現(xiàn)最佳工作點。當(dāng)今的市場上仍有晶體收音機銷售;電路與100年前的電路完全相同，只是半導(dǎo)體二極管制成品取代了晶須。晶體檢波器的一個優(yōu)點是，這些裝置提供更多的線性檢波，這在AM廣播發(fā)展之初變得非常重要。這使語音通信成為可能，而早期的傳輸僅由莫爾斯電碼發(fā)送。

　　圖11.方鉛礦晶須檢波器。

　　圖12.典型晶體管收音機原理圖。

　　另一類檢波器是由一名為馬可尼工作的工程師在1904年構(gòu)建的。約翰·安布羅斯·弗萊明(John Ambrose Fleming)發(fā)現(xiàn)，通過在愛迪生白熾燈泡上添加一塊板，就形成了一個通常被稱為整流器或整流閥的裝置。馬可尼和安布羅斯認(rèn)為，他們現(xiàn)有的檢波方案(通常為瑪吉)的效果優(yōu)于弗萊明整流閥，于是，他們暫時中止了尋找更好方案的努力，直到1912年之后才重啟此項工作。然而，包括德·福雷斯特在內(nèi)的其他人卻看到了該方案的直接價值，他們在弗萊明和馬可尼的基礎(chǔ)上繼續(xù)探索，在燈絲與加熱板之間添加了一個簾柵極。這項工作成功申請專利，并于1906年正式發(fā)布。雖然德·福雷斯特意識到了他的發(fā)明對改進(jìn)收音機的價值，但他無法利用這一點，部分是因為商業(yè)伙伴的不端行為，部分是因為針對其專利的各種侵權(quán)案件。

　　第2部分：接收器架構(gòu)

　　像德·福雷斯特和阿姆斯特朗這些無線電技術(shù)早期的先驅(qū)們都明白一個關(guān)鍵點：他們的成功離不開堅固可靠的檢波器;早期時，這主要靠無線電報員，他們的技術(shù)實力和聽力使其成為可能。然而，隨著行業(yè)的發(fā)展，其他方面的重要性也逐漸突顯，例如線性度、帶寬等。

　　1912年，為了解決這些問題，德·福雷斯特想出了再生方案以及這種技術(shù)可能給接收器帶來哪些好處。幾乎在同一時間，阿姆斯特朗取得了類似的發(fā)現(xiàn)，他指出，如果從加熱電路把能量耦合回簾調(diào)諧器，當(dāng)放大器響應(yīng)在自由振蕩之前達(dá)到峰值時會產(chǎn)生明顯的放大效果。這些發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一場長達(dá)數(shù)十年的專利糾紛，因為每位發(fā)明家都聲稱首先問世的是自己的發(fā)明。

　　無論如何，再生式接收器的關(guān)鍵優(yōu)勢在于，除了取得非常高的增益水平之外，接收器還有助于將輸出連接到揚聲器，而不是像之前那樣，連接到音頻輸出很弱的小型耳機上。阿姆斯特朗指出，通過這種安排，他可以從紐約實驗室輕松復(fù)制馬可尼在愛爾蘭的裝置，而馬可尼通常需要一個中繼站來實現(xiàn)跨大西洋的覆蓋。得到滿意結(jié)果后，阿姆斯特朗邀請沙諾夫來到實驗室，分享他的發(fā)現(xiàn)。借助再生設(shè)置，他們整個晚上都在接收遠(yuǎn)程無線電信號，輕松地接收到了來自西海岸和太平洋的信號。這是檢波器技術(shù)的一次重大改進(jìn)。再生式接收器面臨的最大挑戰(zhàn)是調(diào)整反饋以確保正常運行;即使是經(jīng)驗豐富的電報員也很難做好。隨著再生式和超再生式無線電的早期型號被投入生產(chǎn)，這一挑戰(zhàn)變得非常明顯，需要在無線電技術(shù)普及之前找到解決辦法。

　　第一次世界大戰(zhàn)最終迫使美國參戰(zhàn)，阿姆斯特朗在法國領(lǐng)受任務(wù)，負(fù)責(zé)在現(xiàn)場安裝無線電裝置。這使他有機會繼續(xù)研究工作;1918年2月，與法國和英國的同事合作之后，他提出了超外差架構(gòu)。最終，這種架構(gòu)解決了許多問題，無需像超再生等以前的架構(gòu)那樣，進(jìn)行繁瑣的調(diào)整，而且不會犧牲性能。

　　整個1918年，阿姆斯特朗繼續(xù)開發(fā)超外差架構(gòu)，解決了再生和超再生接收器面臨的許多難題。這一發(fā)展實現(xiàn)了簡單易用的無線電，與目前的量產(chǎn)型無線電一致。雖然超外差接收器不是嚴(yán)格意義上的檢波器，但它具有增益功能和額外的選項，提供固定中頻，不受被監(jiān)控射頻頻率影響，有助于提高檢波性能和一致性。這樣就可以優(yōu)化檢波器，無需擔(dān)心所需射頻頻率會導(dǎo)致性能下降，而這正是早期無線電面臨的一個巨大挑戰(zhàn)，并且繼續(xù)挑戰(zhàn)著今天的無線電設(shè)計師，只是頻率要高得多而已。即使我們已經(jīng)繼續(xù)探索零中頻、直接射頻采樣等新型架構(gòu)，挑戰(zhàn)仍然存在。

　　圖13.超外差專利數(shù)據(jù)。

　　這些優(yōu)勢鞏固了外差架構(gòu)的重要性，并且今天仍在繼續(xù)。雖然實施技術(shù)已從電子管走向晶體管，再走向集成電路，但該架構(gòu)仍然是許多現(xiàn)代系統(tǒng)的關(guān)鍵。