调频广播六十年

调频广播六十年
上世纪初，美国科学界出现了一股发明热，继爱迪生发明了电灯和留声机、福雷斯特发明了三极管、贝尔发明了电话之后，阿姆斯特朗也加入了伟大的发明行列。

他一口气发明了负反馈、再生、超再生、超外差电路，奠定了现代无线电接收机的基础。

1933年他又发明了宽带调频，并建造起50千瓦的私人试验电台。

1935年4月，他在纽约帝国大厦同时发射调频信号和调幅信号，在新泽西州哈顿菲尔德自己的实验室里作接收对比。

结果表明，调幅信号已被噪声淹没，而调频信号却仍然十分清晰。

美国对调频技术非常重视。

1941年元旦，25家调频电台在美国各地同时开业，开创了世界上最早的调频广播。

1958年，美国工程师赖纳德·康研制出立体声广播系统，1960年，蒙特利尔广播站首次应用赖纳德·康的系统进行立体声FM广播。

60年代中期调频立体声得到飞速的发展。

从70年代后期开始，有些国家开始研究四声道全景环绕声广播，但由于接收条件要求苛刻，昙花一现宣告失败。

我国的调频广播是1959年元旦在北京开始试播的，频段是64.5～73MHz，我国的调频立体声广播是1979年在哈尔滨开始的，80年代中期调频广播在全国普及。

从此，中国人迎来了不受天电噪声干扰，且具有高保真度的无线电广播新时代。

在调幅长波、中波、短波、短波单边带、调频这些模拟广播制式中，调频是唯一能提供高传真广播的媒介，广播内容以音乐为主，被誉为欢乐调频。

调频不但给我们的生活带来快乐，在广播文化、技术探秘、音质评价、器材收藏方面也充满魅力。

音质堪与CD媲美
2007年9月23日，在同济大学举行的WECWRA成立新闻发布会上，德生通用电气公司的梁总带来一台TECSUN-1994纪念版台式收音机，在播放上海94.7MHz经典音乐台的节目时，上海电视台的记者沈莹惊呼：“这台收音机的声音怎么象音响！”这就是FM广播的魅力。

实际上，1994的音质只达到了入门级水平，它能放出听感舒适的蓬蓬声，松软而甜美的中音，但缺少华丽的高音。

虽然声乐频谱中很少有8000Hz以上的分量，但在器乐频谱中20KHz以上的分量仍很丰富。

尤其是弦乐，如小提琴和二胡，其高次谐波一直会延伸到超声频段。

虽然这些高音的电平很低，恰恰却反映了音乐的色彩，对音品起着锦上添花的作用。

但在普通调频收音机设计中由于要兼顾选择性，中频带宽设计得较窄，加之为了降低成本，电路被程式化，因此音质就大打折扣了。

GE-Zenith导频制是世界统一制式的调频广播，与调幅制式相比，75KHz的频偏能使信噪比改善17分贝；50微秒的预加重又可以改善10.18分贝，总共可改善27.18分贝。

如果调幅信噪比按50分贝计算，调频广播的信噪比可达到77.18分贝。

调频广播和模拟电视广播设备一直没有停止过数字化改造，尤其在立体声激励器上经历了矩阵编码、时分开关编码、多级软开关编码到现在的软件DSP编码，发射端的设备质量已得到了大幅度地提高。

电台的节目源从开盘模拟录音带、密纹唱片、模拟卡式录音座到如今的DA T、CD和硬盘。

音源失真度从3%降低到0.001%，动态范围从50分贝提高到90分贝。

发射端硬软件的进步为实现为高传真扫清了障碍。

在接收机方面，由于FM频率处于VHF波段，器件的高频特性和电路的分布参数会影响整机性能，设计制造成本相对较高，只用常规的技术和廉价的器件是做不出高传真收音机的。

好在调频这种制式有巨大的潜力可挖，如果不惜成本，利用自适应横向滤波器，变参数处理，数字鉴频，峰值采样锁相解码等技术能够设计出指标很高的接收机。

二十几年前，当我打开ST5555调谐器时，简直不敢相信它是一台收音机的电路板。

即使在今天微电子技术高度发达的时代，要设计一台具有CD音质的调谐器，仍不是几个集成块所能实现的。

调频技术真是高深莫测，如果用人类居住的房子来比拟，高级调谐器是一座五星级宾馆，便携式FM半导体则是一间小木屋。

所有上述进步，使调频广播从三十年前的中等传真度达到今天的高传真度。

要说调频广播能与CD媲美，许多人会不同意。

确实，声音经过发射端编码和调制，空中传输，接收端选频，放大和解调，难免会出现处理误差和混进噪声，应该说设计优良的调频接收机的音质很接近于CD。

如果你有机会，亲自聆听一下MD-108或 L02-T这类调谐器，就能真实地领略到当今调频立体声广播的本来音质。

广播音源从磁带到光盘
自1877年8月15日爱迪生发明世界上了第一台留声机以来，录音技术一直发生着变化。

调频广播的播音质量一直紧跟着录音技术的脚步前进。

诞生于上世纪四十年代的单声道调频广播声源是从钢丝录音机和粗纹唱片开始的，无从考证那时调频广播的质量。

到了五十年代末，密纹唱片和开盘磁带录音机基本上能忠实地记录和还原声音的原貌，调频广播的音质受到了人们认可和重视，专门为调频接收机设计的低噪声高频电子三极管，锐截止五极管和高跨导功率管开始大量生产，为制造高音质接收机奠定了基础。

六十年代立体声技术引入调频广播，由于弱信号信噪比比单声道低21.7分贝，立体声覆盖范围只有单声道的三分之一，在信号覆盖边缘地区会产生嘶、嘶的噪声，必须切换到单声道才能消除，因而没有引起人们的好评。

电台的主要播出设备磁带机的本底噪声更使立体声播出质量雪上加霜，立体声解码器在高档收音机曾作为选配部件。

1965年，杜比发明了Dolby A降噪技术，一下子把磁带噪声降低了20分贝，调频立体声看到了高传真的曙光。

七十年代，调频台装备了高分离度立体声激励器，加之降噪卡座和密纹唱片的应用，直播歌剧和交响乐时，能使人在收音机前产生身临其境的感觉，声源定位和声场宽阔的优点得到广泛认可，立体声被称为身历声。

八十年代DAT数字录音机和CD光盘的出现，使录音质量发生了革命性的变化，调频广播真正进入高传真时代。

这一时期的电台的播出手段逐步迈向自动化，节目的制作和播出是分开进行的，播音方式以录制节目为主。

DAT一度是调频台的主力设备，节目编辑好后录制在DAT 上，由于DAT和CD记录的都是PCM信号，音质可以保证。

也有把语音节目录制在DAT上，音乐节目直接从CD上按程序选曲，用自动机械手换盘。

这种方式能保证最好的音质，尤其用24bit/192KHz制式的SACD光盘时能达到最好的音质。

九十年代末，自动播放机的出现，所有的节目先在计算机上制作和编辑好以后，用高速以太网传输到播出部的硬盘中，为了节约空间声音数据采用压缩方式储存，这种情况下播出的音质就会打一点折扣。

因为目前压缩比大的各种音频码率压缩方式都是有损的，包括DAB和FM HD audio广播采用的MUSICAM和AAC。

在音频发烧界一提起压缩音频大家会嗤之以鼻，不知这些骨灰级发烧友听了数字压缩调频广播以后会有什么样的感觉？
立体声激励器从硬件到软件
在发射端影响调频广播质量的硬件设备是立体声激励器，它主要完成立体声编码任务。

世界上有导频制和极化制两种调频立体声广播制式，我国采用的是导频制。

在FCC和西方发达国家制定的调频广播规范中，立体声分离度指标要大于30分贝，对应主副信道的电平差是0.3分贝，相位差为3度。

在过去的条件下，在模拟激励器中实现这些指标是相当困难的，只要某个滤波器在15千赫附近的相位特性稍有偏移，一旦产生1.5分贝的电平差或20度的相位差，听感上的立体声就会消失遗尽。

因此，激励器的质量决定了电台的播出音质。

早期的电子管激励器是矩阵制式，和差信号之间的电平和相位平衡对整机性能影响很大，技术指标勉强达到广播级要求。

之后的晶体管激励器都改进成了开关制式。

开关制式中和差信
号通道被隐含了，影响分离度的因素转移到了副载波和导频的相位上，如果用副载波频率作采样信号，立体声分离度可达到35分贝，已超过了FCC规范。

人类具有追求完美的本性，继而用副载波频率的三次谐波作辅助采样，叠加到MPX中可以抵消复合信号中副载波的3次谐波，分离度提高到40分贝。

1980年麦克马丁公司发明的软开关技术使激励器的性能大幅度提高，14级软开关编码器中，复合信号中13次以下的谐波分量为零，分离度提高到60分贝。

各个厂家后来竞先提高软开关频率，38级软开关，3.444MHz采样频率的激励器分离度达到了70分贝。

本世纪初，DSP的处理速度已能够应付复杂的编码算法，一个2048级软开关，77.824MHz采样频率DSP编码器一下子把分离度提高到90分贝以上。

现代的DSP立体声激励器是全制式的，包含模拟导频制和极化制，数字DAB和HD Audio制式，直接数字频率合成（DDS），使用非常方便，造价逐年下降。

1986年，哥伦比亚广播公司（CBS）和美国广播工作者协会（NAB）的两名工程师，发明了FMX，它增加了一个正交的差信号，用压扩编码的方式把调频台的立体声覆盖范围扩大了3倍，达到了与单声道相同的传输距离，并且使立体声分离度大幅度提高。

这个制式的另一个优点是和普通FM制式是兼容的，普通FM接收机能接收FMX信号，只是解调不出正交差信号。

FMX接收机则在电波覆盖边缘地区也能稳定地接收立体声广播，不用切换到单声道。

FMX对电台和听众都具有吸引力，美国FCC没有强制推行FMX制式，由地方电台自己选择实施。

就象我国没有调幅立体声一样，我国也没有FMX电台。

Tuner－调频接收机中的皇帝
Tuner准确的含义是广播调谐器，国人称收音头。

它是广播接收机中的高端产品，一般只包含用FM/AM两个波段，最吸引人的当然是调频波段，厂家也使出全身解数把调频波段做到最好。

上世纪六十到八十年代是调频广播最兴盛的时期，这个时期没有互联网，也没有数字音源，典型的家庭音乐中心的配置是调谐器、动铁唱机和杜比降噪卡座。

六十年代初，调频广播处于单声向立体声过渡阶段，调谐器就是在这个时期诞生的，电路以电子管或晶体管分立元件组成，音质比黑胶和磁带差。

到了七十年代，调频广播全部实现了立体声，优秀的立体声激励器使广播质量大踏步提高，调谐器设计技术也取得长足的进步，优秀集成电路和固体滤波器（晶体声表和陶瓷）的大量使用，使调频立体声的音质超过了Dolby B卡带，接近黑胶唱片。

八十年代是调频广播的黄金时代，电台普遍用DAT和CD作声源。

微处理器引入调谐器，电路设计追求创新。

优秀调谐器纷纷面世，单声失真度达到了0.003%，立体声0.01%。

音质超过动铁唱机，比Dolby C卡座流畅。

Dolby C由于有喘息效应听起来没有FM优美。

这一时期，日本和欧洲的广播爱好者对高级调谐器的推崇达到狂热状态，大家急切地等待着新机型号的公布，新
机上市后争先购买，然后比较性能和和发表评论，忙得不亦乐乎。

同一时期的《电波科学》、《无线与实验》等杂志上刊有许多介绍调谐器新技术的文章，对爱好者的诱惑力就象磁石吸铁一样，看了以后谁能忍心三两日，不作破斋人。

九十年代数字音源的普及，CD几乎取代了所有的音源，黑胶和卡座很快退出了历史舞台，FM调谐器开始失宠。

数字广播的开播，原来的FM/AM调谐器演变成了现在的DAB/FM调谐器和HD Audio/FM调谐器，FM在调谐器中沦为附属地位。

上世纪调频广播的辉煌历史为调谐器收藏家留下了一笔丰盛的遗产，当年全世界有六十五家电子企业共生产了两千多种型号的调谐器，其中最著名的18种调谐器见表1。

中国的广播爱好者过去没有机会接触这些贵族设备，今天却能偶尔在北京、上海和广州的电子垃圾市场上觅到它们的踪迹。

表1：历史上最著名的18种调谐器
生产厂商型号发布时间
SAE SAE Mark Six 1971
Y amaha VT7000 1974
Sony ST5555 1974
Sherwood Micro/CPU100 1977
Revox B761 1978
Toshiba ST910 1978
McIntosh MR80 1980
Revox B261 1982
Kenwood L02-T 1982
Tandberg 3001A 1983
Accuphase T-106 1984
Naim NA T 01 1985
Revox B260S 1989
Meridian Model 504 1993
Fanfare FT-1 1993
Rotel RHT10 1993
Linn Kudos 1995
Marantz Dynalab MD-108 1996
注：FTA-100和MD-109是本世纪的产品，故没有列入。

解决互调和假响应从高频头入手
调频调谐器中有一个用铁皮屏蔽的高频电路称高频头，它包含高放、混频、振荡和调谐电路。

高频头处于信号处理的最前端，其质量直接决定了接收机的灵敏度、互调假响应等指标。

六十年代由于一个地区的调频电台不多，高频头设计的很简单，双调谐就能很好地接收。

七十年大城市的调频台密集，为了提高选择性，把高频头设计成多连调谐，最多的高达13连。

采用多连结构后选择性确实提高了，但跟踪误差也增大了，群时延特性变坏，音质变劣了。

当时由于没有高质量的声源，人们并没有明显觉察到音质的变化。

八十年代调谐器进入高保真设备行列，音质成了第一重要的指标，人们认识到要提高音质必须先消除互调引起的假响应，高频头义不容辞担负起了这个责任。

产生假响应的数目与电台的数目有关，设电台的台数为n，则假响应数为 (n-1)n。

目前我国沿海和东部的大城市一般能接收到30多个调频台，那么假响应数就多达870个，可见问题是多么严重。

因此一个城市在设置调频电台频率的时候，会仔细计算，使落入接收频带的假响应数减到最少。

假响应在表面上引起可接收的电台增多，但调谐到假响应频率时会伴随着嘶、嘶、嘶和啾、啾、啾的声音。

由于混频是依靠器件的非线性特性实现的，而非线性是产生互调的根源，因而从原理上讲超外差接收机的假响应不可能完全消除，于是线性优良、动态范围大的器件成了提高高频头性能的利器。

从互调和交叉调制指标看，双极晶体管最差，结型场效应管稍好，MOS场效应管较好，砷化钾场效应管最好。

由于砷化钾单晶极容易破碎，制造困难，售价昂贵。

耗尽型双栅
硅MOS管相当于共源－共栅串接放大器，它的动态范围大、密勒电容小、稳定性好，线性优于六管平衡模拟乘法器，是高放和混频的理想器件。

调谐器到底用多少连好？单从选择性考虑，连数越多越好；但从线性化群时延特性，提高音质出发，连数越少越好。

为了兼顾音质和选择性，选择4～5连较好。

下一个问题是调谐器件用空气可变电容器还是变容二极管？七十年代中期以前的调谐器全部使用空气可变电容器，自1974年第一台频率合成调谐器ST-910面世后，各个厂家纷纷仿制。

日本是世界上生产调谐器最多的国家，1983年阿尔卑斯停产了最后一只空气多连，从此给可变电容调谐器画上了句号。

从插入损耗和电容-频率特性看，空气可变电容器明显优于变容二极管。

为了提高变容二极管的Q值，可以把两个变容管做成背靠背的孪生管形式，性能接近于空气可变电容器。

5对变容二极管调谐系统与空气4连的性能相当，使用变容管的最大优点是能实现数字调谐和多点统调，摆脱手动调谐的麻烦。

多径信号是噗声干扰的祸首
我们接收调频广播时，除了能接收发射天线直接抵达接收机的直射波外还同时会接收到从高山、建筑物和地面反射形成的反射波。

从使用室内天线时电视机上的重影能直接感受到反射波的危害。

不过接收调频广播时重影的形式是以噗、噗声和嘶、嘶声的形式出现的。

当你移动收音机的位置和天线的方向时，时断时续的广播声夹杂着噗、噗声和嘶、嘶声，这就是多径干扰的效果。

多径干扰对调频接收的危害最大，又很难消除。

因为这种制式本身不具备抗多径的能力。

由于危害严重，调频广播不适于移动接收。

在固定接收条件下，多径信号的时延和幅度是固定的，移动天线的位置和转动方向，总能找到多径干扰小的点。

但要消除汽车和空中飞机引起的多径干扰，只有用强指向的天线才能奏效。

国外FM爱好者的经验是架设4个5单元八木天线阵列，能获得18度左右的主瓣，在天线旁瓣的方向设置镶嵌铁氧体的多径信号吸收墙，消弱反射波的强度，可以显著降低多径引起的非线性失真，获得优良的音质。

但这种天线造价昂贵，收听广播的成本太高了，只有极少数的烧友才会去做。

自适应横向滤波器是从电路上消除多径干扰的有效武器，过去实验室的试验结果是令人振奋的。

在高楼林立的城市里，只用拉杆天线就能获得优良的音质，甚至在移动条件下只要车速不超过60公里，也能得到良好的接收效果。

这种滤波器由于结构复杂，调谐过程中需要高速处理器实时判决多径信号的幅度和时延，自动切换到最佳的抵消节点，造价比较昂贵，一直未能在消费电子产品实现，铸成了几代广播爱好者的遗憾。

如今软件无线电为解决这一顽症提供
了简单廉价的手段，用C代码描述的改进型抗多径横向滤波器在时钟频率700MHz的DSP中能实时检测微秒级的反射信号，自动选择合适的延迟节数和衰减系数，完全抵消多径信号。

可惜这个迟到的技术错过了在调频调谐器上应用的机会，你如果淘到了一个优良的调谐器，架一个室外定向天线是抗拒多径干扰和提高音质最简单而有效的办法。

中频放大器是失真之源
中放是调频接收机的核心，灵敏度、信噪比、俘获比、失真度和选择性等指标都直接与中放的性能有关，调频中放是应用新器件和新技术最集中的地方，调谐器上曾经使用的技术如下：
1）超线性固体滤波器：中放中曾用过LC中周、石英晶体、多模陶瓷和声表面波四种滤波器。

LC中周是最古老和经典的器件，4～6个回路组合起来可以把幅频特性设计成巴特沃斯或高斯型。

早年为了提高选择性多用巴特沃斯型，由于群时延特性不好，后来在重视音质的机器中流行群时延特性好的高斯型。

晶体滤波器具有最好的矩形系数，但群时延特性差。

陶瓷滤波器体积小、价格低，早期的产品群时延特性很差，后来的产品有了较大的改进，一跃成为中频滤波器的主流。

缺点是中心频率参差性大，需要选择配对。

声表面波滤波器的幅频特性和相频特性可以分别设计，群时延特性可以做得很好，但有旁瓣相应。

为了兼顾选择性和失真度，调谐器中一般采用多种滤波器组合使用。

例如窄带状态用晶体和陶瓷滤波器优先保证选择性，普通状态用陶瓷滤波器和声表面波滤波器兼顾音质和选择性，宽带状态用LC滤波器保证音质和俘获比。

2）频率负反馈和变参数中放：频率负反馈的想法是用减小频偏以缩小调频波边带的分布宽度，频带窄了就可以利用陶瓷滤波器中心频率处群时延特性最平直的一段曲线，使失真最低。

而且能使百分之百的边带通过滤波器，做到全频谱传输。

降低频偏后高频信噪比会下降，故在滤波器之后再用频率正反馈把频偏恢复到75KHz。

这一技术最早出现在Onkyo公司的T-727调谐器上，它只采用了6分贝的频率负反馈，失真度达到了0.1%。

之后，Kenwood公司在此基础上发明了无频谱技术，把频偏压缩到几乎为零，这一技术应用在历史上著名的L-02T调谐器上，使该机的失真降到了0.003%。

频率负反馈是用改变频偏参数提高线性的，还可以用改变频偏的方法提高信噪比。

因为调频波的信噪比与频偏成正比，用简单的倍频器就可以成倍地提高频偏。

频偏每提高一倍，信噪比就增加6分贝。

如果用5倍频，频偏可提高到375 KHz，信噪比可提高30分贝。

设75 KHz频偏时的信噪比是65分贝，5倍频后就是95分贝，和CD的指标相同。

频偏增大后对鉴频器的线性范围要求也增大了，因而倍频倍数不要超过5倍。

另一个
可改变的参数是相对频偏，改变它可提高鉴频灵敏度。

它是用二次变频实现的，降低中频频率相对频偏就增大了。

宽线性鉴频器的灵敏度往往较低，用这种方法可提高鉴频器的输出幅度。

3）信号变换：改变频偏后的调频中频经过降频和限幅以后就变成了稀疏不等的脉冲，用简单的数字电路就可以变换成脉冲宽度调制（PWM）信号，这与CD和数字功放中的一比特量化信号相同，不过调制信号不是音频，而是MPX信号。

如果采用数字鉴频器，中频信号就要进行这一变换。

在软件无线电中，10.7MHz的中频直接进入ADC采样后用DSP处理，过去中放、鉴频和解码中的新技术都可以用软件算法实现。

表2：调谐器的设计要点和失真分布
高频头中放鉴频器解码器
设计要点互调和假响应选择性和失真带宽和线性分离度
失真分布( %) 5 80 10 5
鉴频器的关键是线性和带宽
鉴频器是调频接收机中的第二大失真源，从表2看出鉴频器对音质的影响高于高频头和解码器。

在一台调谐器中，中放和鉴频器共同决定了它的性能，因此受到生产厂商的格外重视。

为了在市场上一争高低，在历史上曾经使用过11种鉴频器，它们是比例鉴频器、相位鉴频器、移相乘积鉴频器、PLL鉴频器、相位跟踪鉴频器、脉冲计数鉴频器、延迟线鉴频器、微分鉴频器、PWM鉴频器、数字参量鉴频器和DSP鉴频器。

厂家和设计者大肆渲染自家鉴频器的优点，有的电路被吹捧的天花乱坠。

NHK为了评估这些鉴频器的性能，曾经用12KHz的音频以5～10Hz的频偏调频，对鉴频器的通频带进行扫描来检查它们的线性，结果发现根本谈不上哪种鉴频器更好，因为无论什么电路形式的鉴频器，只要线性和带宽达到要求，微分增益是一条水平线，就能得到良好的音质。

到底多宽的频带和多好的线性才能满足高传真的要求呢？为了防止温度和偏调误差引起
的中频失谐，普通收音机中，鉴频器的线性带宽应高于中频带宽100KHz，在调谐器中应高于200KHz.。

如果调谐器中设有带宽选择，宽带一般是400 KHz，窄带一般是200 KHz，故鉴频器的线性带宽需要达到600KHz。

在10.7MHz中心频率的模拟电路鉴频器中，比例和相位鉴频器必须用双调谐回路才能达到要求。

也有用跟踪技术产生线性带宽的，例如相位跟踪鉴频器是把调频波变成调相波，在鉴相器中解调出MPX信号，鉴相器的参考信号用锁相环再生。

由于。