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

　　第1部分：初期

　　雖然很多人都對(duì)早期無(wú)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(wú)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(wú)線技術(shù)事業(yè)。在20世紀(jì)的頭20年中，他建立了一項(xiàng)至關(guān)重要的事業(yè)，使無(wú)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?yàn)樗氲搅宿k法，知道如何利用現(xiàn)有技術(shù)來(lái)創(chuàng)造一個(gè)新的行業(yè)。20世紀(jì)初，殖民主義走向終結(jié)，戰(zhàn)爭(zhēng)和災(zāi)難大規(guī)模爆發(fā)，1912年4月，皇家郵輪泰坦尼克號(hào)沉沒(méi);值此世界大亂之際，馬可尼著手部署一個(gè)全球網(wǎng)絡(luò)，以便以無(wú)線方式發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)信息。泰坦尼克號(hào)沉沒(méi)后，無(wú)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(shí)到了無(wú)線技術(shù)的重要性，尤其是后來(lái)成為美國(guó)海軍部長(zhǎng)的約瑟夫·丹尼爾斯(Joseph Daniels)。在美國(guó)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(wú)線電國(guó)有化，確保他們?cè)趹?zhàn)爭(zhēng)期間能使用無(wú)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(shí)間，事情是朝著這個(gè)方向發(fā)展的，但在第一次世界大戰(zhàn)之后，政府對(duì)無(wú)線技術(shù)的控制減弱，不過(guò)，這是在形成政府特許壟斷權(quán)并因此成立美國(guó)無(wú)線電公司(RCA)之后。

　　根據(jù)我們的推測(cè)，馬可尼時(shí)代的無(wú)線電非常原始。發(fā)射器采用火花隙裝置(后來(lái)才使用機(jī)械交流發(fā)電機(jī))產(chǎn)生射頻，但在接收端，系統(tǒng)完全是無(wú)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(huì)討論這些檢波器，但在當(dāng)時(shí)，它們可能是機(jī)械式的，也有可能是化學(xué)式的或有機(jī)式的。其中一些系統(tǒng)通過(guò)電池對(duì)它們進(jìn)行簡(jiǎn)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(jī)，把信號(hào)轉(zhuǎn)換成音頻，這種音頻總是非常弱，不過(guò)是簡(jiǎn)單的咔噠聲或嗡嗡聲。

　　因?yàn)檫@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(yàn)，當(dāng)然還有大氣條件。馬可尼意識(shí)到，在可合理預(yù)測(cè)有效范圍的情況下，可以建立一個(gè)站點(diǎn)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(kāi)始在全球各地和海上安裝無(wú)線電臺(tái)，包括在客船和貨船上。通過(guò)在航海船只上安裝無(wú)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(bǔ)了其網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵空白。

　　馬可尼擁有的一項(xiàng)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(shí)分析認(rèn)為，他們現(xiàn)有的技術(shù)足以檢測(cè)無(wú)線電信號(hào)。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(yùn)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(hào)檢測(cè)技術(shù)，與閥管不同，這些技術(shù)不需要高功率來(lái)運(yùn)行燈絲和加熱板。因此，他們開(kāi)始時(shí)放棄了這種技術(shù)。

　　圖2.首批弗萊明管原型。

　　然而，所謂的無(wú)線電之父李·德·福雷斯特(Lee de Forest)撿起這種技術(shù)，意識(shí)到了其巨大的潛力。通過(guò)在燈絲和加熱板之間插入簾柵極，他不僅可以整流信號(hào)，還能控制加熱板中的電流量。這就實(shí)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(shí)意識(shí)到了其巨大的潛力，并盡力發(fā)揮這一發(fā)明的優(yōu)勢(shì)，不但將其作為一項(xiàng)技術(shù)，同時(shí)也作為與馬可尼的發(fā)明類似的一種增值服務(wù)。通過(guò)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(wú)線網(wǎng)絡(luò)。然而，這些企業(yè)注定要失敗，并不是因?yàn)榧夹g(shù)不好，而是因?yàn)榈隆じ＠姿固氐纳虡I(yè)伙伴往往不夠誠(chéng)實(shí)，而且常常讓他獨(dú)自為別人的錯(cuò)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(lái)的利潤(rùn)。

　　圖3.第一個(gè)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(shí)到真空管各種可能性的人之一。他還在上高中的時(shí)候，家里一位朋友就送了一個(gè)德·福雷斯特三極管給他玩。阿姆斯特朗已經(jīng)獲得了無(wú)線技術(shù)專家的聲譽(yù)，還在家里建了自己的無(wú)線電臺(tái)，他很快就想到辦法，知道如何利用該裝置開(kāi)發(fā)出更好的接收器。在大學(xué)期間，他繼續(xù)開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)出了再生式接收器，與當(dāng)時(shí)所有無(wú)線電臺(tái)采用的無(wú)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(guó)馬可尼公司的高級(jí)人物。與馬可尼本人長(zhǎng)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(kāi)始時(shí)，沙諾夫就在AMC跑跑腿，在馬可尼一次訪美時(shí)，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(jí)領(lǐng)導(dǎo)。在參觀紐約工程實(shí)驗(yàn)室時(shí)，他偶然遇到了阿姆斯特朗。得益于阿姆斯特朗淵博的無(wú)線技術(shù)知識(shí)及其再生式接收器的強(qiáng)大功能，二人建立起了長(zhǎng)期的職業(yè)合作關(guān)系和個(gè)人關(guān)系。

　　第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)，阿姆斯特朗感到責(zé)任的召喚，應(yīng)征入伍。但當(dāng)時(shí)，他已經(jīng)享有無(wú)線技術(shù)專家的聲譽(yù)，因而沒(méi)有被派往作戰(zhàn)崗位，而是被派往法國(guó)，為各地的作戰(zhàn)軍種檢修和安裝無(wú)線電臺(tái)。他的職責(zé)使他能使用設(shè)備、實(shí)驗(yàn)室和各種技術(shù)，還能附帶地繼續(xù)從事研究活動(dòng)。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(gè)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(huì)面，展示了超外差無(wú)線電的原型。朋友們印象深刻，敦促他繼續(xù)開(kāi)發(fā)。到1918年底，戰(zhàn)爭(zhēng)行將結(jié)束，在返回美國(guó)之前，阿姆斯特朗于1918年12月30日申請(qǐng)了法國(guó)專利?；氐矫绹?guó)后，他用了幾周時(shí)間才從一場(chǎng)疾病中恢復(fù)過(guò)來(lái)，使他推遲了提交美國(guó)專利申請(qǐng)。最終，1919年2月8日，他為超外差接收器申請(qǐng)了美國(guó)專利。

　　雖然馬可尼在無(wú)線技術(shù)愿景方面只關(guān)注兩方電報(bào)承載的商業(yè)信息，沙諾夫的愿景則要廣闊得多--把信號(hào)發(fā)給多方。開(kāi)始時(shí)，沙諾夫的愿景并未得到廣泛認(rèn)同，但其他人最終意識(shí)到，這項(xiàng)新技術(shù)提供了一種方法，借助該方法可以輕松實(shí)現(xiàn)新聞和娛樂(lè)節(jié)目的遠(yuǎn)距離傳送，包括傳送到美國(guó)的農(nóng)村地區(qū)。為了推動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一愿景，沙諾夫和他的團(tuán)隊(duì)想到一個(gè)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(dòng)的成功使其他人看到了我們今天所熟知的這種廣播無(wú)線電的巨大潛力。

　　然而，當(dāng)時(shí)的真正挑戰(zhàn)是技術(shù)性的。早期的收音機(jī)很難使用，并且功能不佳。阿姆斯特朗、沙諾夫和美國(guó)無(wú)線電公司的故事就從這里繼續(xù)下去。通過(guò)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(wú)線電技術(shù)已經(jīng)大大簡(jiǎn)化，能實(shí)現(xiàn)便攜，人人都可輕松使用。從技術(shù)角度來(lái)看，超外差架構(gòu)是這一成就的關(guān)鍵，時(shí)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(tái)便攜式收音機(jī)度蜜月。

　　檢波器

　　無(wú)線電必須通過(guò)某種方式，產(chǎn)生承載著有意義的信息的輸出信號(hào)。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(shí)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(hào)。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(jī)械和電氣等屬性。

　　最開(kāi)始時(shí)，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(gè)名叫愛(ài)德華·布蘭里(?douard Branly)的法國(guó)人的發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)開(kāi)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(hào)到達(dá)金屬板時(shí)，金屬粉會(huì)吸附到金屬板上，使電路閉合。這種方式對(duì)檢波非常有效，但是，一旦射頻信號(hào)撤離，金屬粉會(huì)繼續(xù)吸附在金屬板上。為解決這個(gè)問(wèn)題，安排了某種敲擊器，用于敲擊裝置側(cè)面，強(qiáng)制去除金屬板上的金屬粉。由于這個(gè)原因，這種原始檢波器雖然有效，但使用起來(lái)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(shí)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(diǎn)。這會(huì)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(diǎn)并使電流隨耦合射頻信號(hào)的強(qiáng)弱變化。這項(xiàng)技術(shù)由費(fèi)森登(Fessenden)開(kāi)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(kāi)發(fā)了一種變體，被稱為應(yīng)答器，由浸入過(guò)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(wú)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(gè)無(wú)端鋼絲環(huán)，使鋼絲環(huán)呈圓形旋轉(zhuǎn)的同時(shí)借助永磁體使其磁化。鋼絲磁化部分通過(guò)與天線相連的線圈。該線圈中的射頻場(chǎng)根據(jù)存在的接收信號(hào)電平對(duì)鋼絲去磁。然后，通過(guò)另一個(gè)線圈拾取鋼絲磁場(chǎng)的變化，該線圈連接到耳機(jī)，耳機(jī)負(fù)責(zé)提供聽(tīng)得見(jiàn)的射頻信號(hào)。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(hào)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(wú)線電原理圖。

　　另一類常見(jiàn)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(diǎn)接觸。可以移動(dòng)該點(diǎn)接觸，放在巖石的各個(gè)位置，以發(fā)現(xiàn)最佳工作點(diǎn)。當(dāng)今的市場(chǎng)上仍有晶體收音機(jī)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(yǔ)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(jī)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(guò)在愛(ài)迪生白熾燈泡上添加一塊板，就形成了一個(gè)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(shí)中止了尋找更好方案的努力，直到1912年之后才重啟此項(xiàng)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(jià)值，他們?cè)诟トR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(gè)簾柵極。這項(xiàng)工作成功申請(qǐng)專利，并于1906年正式發(fā)布。雖然德·福雷斯特意識(shí)到了他的發(fā)明對(duì)改進(jìn)收音機(jī)的價(jià)值，但他無(wú)法利用這一點(diǎn)，部分是因?yàn)樯虡I(yè)伙伴的不端行為，部分是因?yàn)獒槍?duì)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(wú)線電技術(shù)早期的先驅(qū)們都明白一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：他們的成功離不開(kāi)堅(jiān)固可靠的檢波器;早期時(shí)，這主要靠無(wú)線電報(bào)員，他們的技術(shù)實(shí)力和聽(tīng)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(wèn)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(lái)哪些好處。幾乎在同一時(shí)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(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的放大效果。這些發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一場(chǎng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的專利糾紛，因?yàn)槊课话l(fā)明家都聲稱首先問(wèn)世的是自己的發(fā)明。

　　無(wú)論如何，再生式接收器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)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(yáng)聲器，而不是像之前那樣，連接到音頻輸出很弱的小型耳機(jī)上。阿姆斯特朗指出，通過(guò)這種安排，他可以從紐約實(shí)驗(yàn)室輕松復(fù)制馬可尼在愛(ài)爾蘭的裝置，而馬可尼通常需要一個(gè)中繼站來(lái)實(shí)現(xiàn)跨大西洋的覆蓋。得到滿意結(jié)果后，阿姆斯特朗邀請(qǐng)沙諾夫來(lái)到實(shí)驗(yàn)室，分享他的發(fā)現(xiàn)。借助再生設(shè)置，他們整個(gè)晚上都在接收遠(yuǎn)程無(wú)線電信號(hào)，輕松地接收到了來(lái)自西海岸和太平洋的信號(hào)。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(yùn)行;即使是經(jīng)驗(yàn)豐富的電報(bào)員也很難做好。隨著再生式和超再生式無(wú)線電的早期型號(hào)被投入生產(chǎn)，這一挑戰(zhàn)變得非常明顯，需要在無(wú)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(guó)參戰(zhàn)，阿姆斯特朗在法國(guó)領(lǐng)受任務(wù)，負(fù)責(zé)在現(xiàn)場(chǎng)安裝無(wú)線電裝置。這使他有機(jī)會(huì)繼續(xù)研究工作;1918年2月，與法國(guó)和英國(guó)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(wèn)題，無(wú)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(huì)犧牲性能。

　　整個(gè)1918年，阿姆斯特朗繼續(xù)開(kāi)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(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單易用的無(wú)線電，與目前的量產(chǎn)型無(wú)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(xiàng)，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(wú)需擔(dān)心所需射頻頻率會(huì)導(dǎo)致性能下降，而這正是早期無(wú)線電面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)，并且繼續(xù)挑戰(zhàn)著今天的無(wú)線電設(shè)計(jì)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(shì)鞏固了外差架構(gòu)的重要性，并且今天仍在繼續(xù)。雖然實(shí)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。